多孔混凝土用于重載交通瀝青路面基層的結構設計★

何偉科 姚愛玲 錢集昌 郝潤姝 張曉晨

(1.內蒙古自治區呼倫貝爾市公路管理局海拉爾公路養護管理處，內蒙古 海拉爾 021008；2.長安大學 特殊地區公路工程教育部重點實驗室,陜西 西安 710064； 3.中鐵咨詢太原設計院，山西 太原 030000)

1 概述

目前，國內高等級公路路面結構普遍采用半剛性基層瀝青路面的形式。這種組合方式的面層和基層混合料在配合比設計時大多遵從密實級配的原理，意在通過減少路表與內部的連通空隙來阻止水的進入與滲流，避免路面發生各種水損害現象。但是，這種路面形式使得已經進入內部的水不能順暢排出，反而造成路面結構的水損害，嚴重影響路面的強度、耐久性和穩定性[1,2]。同時，半剛性基層材料中的無機結合料含量較少，強度和穩定性往往較低，使用過程中容易產生基層裂縫或疲勞現象[3]，給路面的使用帶來不利影響。為了解決以上問題，本文可采用多孔混凝土作為路面基層材料。

國內外研究人員均對多孔混凝土開展了一系列研究，并取得了相應的研究成果。早在20世紀80年代，Richard C.Meininger[4]對多孔混凝土配合比設計中目標孔隙率的實現和水灰比的確定進行了探究；長安大學鄭木蓮教授提出以集料有效粒徑和均勻系數作為多孔混凝土級配優劣的評價指標，以耐凍系數作為多孔混凝土抗凍性能評價指標[5]。但是，目前尚未提出統一的多孔混凝土的配合比設計方法，具體的工程應用未見報道。本文以內蒙古呼倫貝爾市省道201線哈達圖至海拉爾一級公路為依托，初擬路面結構，采用Hpds軟件對瀝青路面結構進行計算和驗算，分析多孔混凝土用于瀝青路面基層的可行性，從而得到合理的多孔混凝土基層瀝青路面結構。

2 多孔混凝土配合比設計結果

在進行集料的組成設計時，以混合后集料的振實密度作為評價指標。通過逐級填充試驗，測試振實密度，確定出各檔集料的摻配比例。在此基礎上通過正交試驗設計，以7 d抗壓強度作為評價指標進行極差分析，確定了多孔混凝土試件制備中最佳的水灰比、拌和時間和振動時間分別為0.26 s,40 s,30 s。

在綜合考慮內蒙古呼倫貝爾市驟雨、高寒以及重載的條件下，通過對滲透系數、抗凍性能以及7 d抗壓強度和28 d抗彎拉強度[6]的分析，將最終所設計的孔隙率為15%的混凝土的各項技術指標匯總到表1中。

表1 15%多孔混凝土各項指標匯總表

3 交通量與彎沉值

3.1 交通量計算

1)路面設計以BZZ-100為標準軸載，瀝青混凝土路面設計使用年限為15年；

2)車道系數取0.45；

3)當地交通組成及交通增長率見表2和表3。

表2 交通量及交通組成統計表

表3 設計年限內預測交通增長率

4)軸載換算。JTG D50—2006公路瀝青路面設計規范[7]規定，分別按式(1)～式(3)進行以設計彎沉值和瀝青層層底拉應力、半剛性基層層底拉應力以及剛性基層層底拉應力為設計指標時的軸載換算。

(1)

(2)

(3)

式中：N″——標準軸載當量軸次,次/d；

ni——被換算車型的各級軸載作用次數,次/d；

P——標準軸載，為100 kN；

Pi——各級被換算車型的軸載，kN；

C1——軸數系數；

C2——輪組系數，雙輪組為1.0，單輪組為6.4，四輪組為0.38。

換算結果如表4所示。

表4 不同設計指標軸載換算結果

考慮在設計年限內各分段年限內的預測交通增長率不同，故在計算累計當量軸次時需要分段進行，計算結果見表5。

表5 不同設計指標在各分段年限內累計當量軸次匯總

根據計算結果，該路段在設計年限內一個車道上的累計當量軸次為1.596×107次，屬于重交通路段。

3.2 路面設計彎沉值與計算彎沉值計算

1)設計彎沉值。

根據規范路面設計彎沉值由式(4)計算確定。

(4)

式中：ld——設計彎沉值，0.01 mm；

Ne——設計年限內一個車道累計當量軸次，取以設計彎沉值和層底拉應力為設計指標時的累計當量軸次，即1.596×107次/車道；

Ac——公路等級系數，一級公路為1.0；

As——面層類型系數，瀝青混凝土面層為1.0；

Ab——路面結構類型系數，瀝青路面為1.0。

經計算，路面設計彎沉值為21.8(0.01 mm)。

2)計算彎沉值。

可利用Hpds設計軟件計算，但計算結果需要經過修正才是計算彎沉值。修正系數F可按式(5)計算。

(5)

式中：F——彎沉綜合修正系數；

ls——路表計算彎沉值，可近似取設計彎沉值0.01 mm；

p，δ——標準車型的輪胎接地壓強和當量圓半徑，p=0.7 MPa，δ=10.65 cm；

E0——土基抗壓回彈模量，E0=50 MPa；經過計算，彎沉綜合修正系數F=0.55，半剛性基層瀝青路面計算彎沉值21.1(0.01 mm)。

4 路面結構設計與計算

4.1 半剛性基層瀝青路面設計與計算

設計文件中采用的半剛性基層路面結構以及根據路面設計結構確定出的各結構層的設計參數如表6所示。以設計彎沉值、層底拉應力進行計算與驗算，并需滿足最小防凍層厚度的要求,計算與驗算結果如表7所示。

表6 路面結構及各結構層設計參數匯總表

表7 水泥穩定碎石基層瀝青路面結構計算、驗算結果匯總表

半剛性基層瀝青路面的計算彎沉值、層底彎拉應力均滿足要求，結構層厚度也滿足最小防凍厚度70 cm的要求。

4.2 多孔混凝土基層瀝青路面結構設計與計算

4.2.1路面結構層設計

將多孔混凝土作為瀝青路面的基層，既可作為功能層，發揮排水作用，又可作為結構層，起承重作用。設計時分別以多孔混凝土(結構1)和水泥穩定砂礫摻碎石(結構2)作為設計層進行計算。同時所設計的路面結構層厚度應滿足整體剛度和各結構層抗疲勞開裂的要求。因此，輪隙中心處計算彎沉值ls應不大于設計彎沉值ld；輪隙中心處的層底拉應力σm應不大于容許拉應力σR，初擬的路面結構以及各結構層設計參數如表8所示。

表8 初擬多孔混凝土基層瀝青路面結構及材料力學指標

4.2.2路面結構層厚度的計算

結構1以多孔混凝土基層作為設計層，擬定層厚進行試算，判斷該厚度下的路面結構能否滿足設計彎沉值、容許拉應力和最小防凍層厚度的要求,試算結果如表9所示。

可以看出，當多孔混凝土基層的厚度為15 cm和17 cm時，路面結果均能滿足設計彎沉值和容許拉應力的要求。為了充分發揮材料的力學性能，將基層厚度確定為15 cm，考慮最小防凍層厚度(70 cm)的要求，可將墊層厚度由20 cm增加到為22 cm。

表9 多孔混凝土基層結構1計算結果

結構2以底基層水泥穩定砂礫摻碎石為設計層，擬定層厚進行試算，判斷該厚度下的路面結構能否滿足設計彎沉值、容許拉應力和最小防凍層厚度的要求。試算結果如表10所示。

表10 多孔混凝土基層結構2計算結果

可見，當底基層的厚度為22 cm和23 cm時，路面結果均能滿足設計彎沉值和容許拉應力的要求。為了充分發揮材料的力學性能，將底基層厚度確定為22 cm，滿足最小防凍層厚度(70 cm)的要求。

另外，在排水基層設計中，還要驗算排水基層的厚度。由于排水基層的厚度與其排水能力正相關，因此當排水基層的設計厚度大于考慮驟雨條件孔隙率選取時的試算厚度(10 cm)就可以滿足要求，故最終的路面結構如表11所示。

比較兩種結構，由于結構1多孔混凝土厚度大于結構2的，因而結構1的計算彎沉值要小，因此如果交通量大、超載率高，可以采用結構1的設計。

表11 路面結構組成表

5 結語

1)根據逐級填充理論，以混合后集料的振實密度作為評價指標，并通過正交設計試驗確定試驗參數，在此基礎上，通過試驗最終所設計的孔隙率為15%的多孔混凝土能夠滿足呼倫貝爾高寒、驟雨以及重載交通的需求。

2)采用Hpds軟件對路面結構進行計算和驗算，可知多孔混凝土作為瀝青路面基層從結構上能夠滿足重載交通條件下路表彎沉、整體型材料彎拉應力以及抗凍性的要求。

3)通過計算并與半剛性基層瀝青路面結構對比，按照所設計的多孔混凝土基層厚度為15 cm的結構1，有利于減薄半剛性基層的厚度，同時路表彎沉最小。因此，考慮到排水的功能需求以及承載力，建議在呼倫貝爾地區高寒、驟雨、重載的氣候和交通條件應優先考慮擇所設計的結構1(見表11)。

[1] 劉慶新.道路路基防排結合式防水設計和施工[J].公路工程，2016,41(5):167-171.

[2] 張興梅，徐 聰.多孔瀝青混合料老化及水穩定性研究[J].公路工程，2015，40(6)：71-76.

[3] 程文靜.半剛性基層瀝青路面早期病害及其防治研究[D].濟南：山東大學，2013.

[4] Stinchcombe H.K，White M.H Universal approximation of an unknown mapping and its derivatives using multilayer forward networks[J].Neural Network，1990，3(3):551-560.

[5] 王中合.多孔改性水泥混凝土干溫縮性能研究[J].交通標準化，2014(11)：99-101.

[6] 鄭木蓮.多孔混凝土排水基層研究[D].西安：長安大學，2004.

[7] 鄭木蓮，陳拴發，王秉剛.基于正交試驗的多孔混凝土配合比設計方法[J].同濟大學學報(自然科學版)，2006，36(10)：1319-1323.

[8] JTG D50—2006，公路瀝青路面設計規范[S].