不同瀝青混合料組成對瀝青路面力學性能的影響

焦興華 劉 鋒 許新權 張國民

(廣東省南粵交通仁博高速公路管理中心1) 韶關 512000) (廣東華路交通科技有限公司2) 廣州 510420) (公路交通安全與應急保障技術及裝備交通運輸行業研發中心3) 廣州 510420)

0 引 言

瀝青混合料強度的形成和力學性能與構成其的集料類型和級配組成有著密不可分的聯系，因此，不同類型的瀝青混合料構成的瀝青路面結構也必然產生不同的力學性能[1-2].瀝青路面中通常采用的石灰巖機制砂(細集料)能顯著的提高瀝青路面的力學性能和路用性能，同時，采用閃長巖粗集料替代后的瀝青混合料路用性能明顯優于單一石灰巖礦料級配瀝青混合料[3-4].但考慮到廣東河源地區盛產輝綠巖，為了充分利用該種集料，也為了探討灰綠巖作為細集料及由其組成的瀝青混合料異同對瀝青路面結構力學性能的影響，同時，文獻[5]將瀝青混合料的動態模量引入瀝青路面設計，其對動態模量典型值的規定僅僅是一個適用于全國的范圍值.

文中依托廣東省仁新高速試驗段實體工程，以廣東省和湖南省的輝綠巖為粗集料，廣東省的輝綠巖和石灰巖為細集料設計瀝青混合料，探討適合廣東地區瀝青路面設計時使用的動態模量及其對瀝青路面力學響應和疲勞壽命的影響.

1 仁新高速公路試驗段概述

廣東省仁化(湘粵界)至博羅公路仁新段(簡稱仁新高速公路)是國家高速公路網武深高速的重要組成部分，項目位于韶關市、河源市境內，路線整體呈南北走向，起點位于韶關市仁化縣城口鎮，接湖南省炎陵至汝城(湘粵界)高速公路，經韶關市仁化、始興、翁源縣和河源市連平縣，終點接大廣高速公路，主線全長約163.9 km.仁新高速公路路面的基本結構形式見圖1.其試驗段位于翁源收費站附近，該試驗段表面層采用圖2的三種鋪筑方案，中、下面層粗細集料均采用石灰巖.

圖1 仁新高速公路瀝青路面結構示意圖

圖2 試驗段表面層鋪筑方案(單位:m)

2 試驗段表面層瀝青混合料組成設計分析

2.1 機制砂性能試驗分析

為了獲得分別由灰綠巖和石灰巖構成的瀝青混合料的性能，開展細集料機制砂的原材料試驗，見表1.由表1可知:灰綠巖機制砂各項性能指標均高于石灰巖機制砂.

表1 不同類型機制砂試驗結果

2.2 瀝青混合料性能試驗分析

根據集料篩分和馬歇爾試驗結果(見表2)，得到圖3的三種方案的配合比曲線，試驗結果滿足規范要求[6].由此可知，三種鋪筑方案的瀝青混凝土各項馬歇爾試驗指標和級配曲線存在一定的差異.

表2 三種鋪筑方案瀝青混合料馬歇爾試驗結果

圖3 表面層三種鋪筑方案的瀝青混合料設計級配

3 瀝青混合料性能試驗和結構分析模型的構建

3.1 瀝青混合料動態壓縮模量試驗

根據三種方案的瀝青混合料設計級配曲線，采用施工現場原材料，依據文獻[7]的T0736方法使用旋轉剪切壓實儀(SGC)，每一個方案成型6個直徑×長度=150 mm×170 mm圓柱形試件，而后使用鉆芯機和雙面切割鋸將6個試件修整為直徑×長度=100 mm×150 mm標準圓柱形試件.待所有試件完成整形后，根據文獻[7]T0738規定的試驗方法，采用UTM130試驗機進行圖4的三個方案的瀝青混合料動態壓縮模量試驗，其中，采用頻率分別為0.1，0.5，1，5，10和25 Hz的正弦波加載(由大到小加載)，試驗溫度分別為4，10，20，30，40，50和60 ℃(由高溫到低溫加載).圖5a)為試驗溫度為20℃時，瀝青混合料動態模量隨加載頻率變化趨勢圖，而圖5b)為加載頻率為10 Hz時，瀝青混合料動態模量隨溫度變化趨勢圖.

圖4 瀝青混合料動態壓縮模量室內試驗

圖5 瀝青混合料動態壓縮模量隨溫度和加載頻率變化趨勢圖

通過分析可知：①在溫度一定的情況下，瀝青混合料的動態模量隨加載頻率的增大而增大；但在加載頻率較小時，各類型的瀝青混合料動態模量值較為接近，說明在加載頻率較低時，瀝青混合料的動態模量受瀝青混合料組成的影響較小；②在相同的加載頻率下，瀝青混合料的動態模量隨溫度的增大而減小；③在相同溫度和加載頻率(如20 ℃和10 Hz)時，由方案一和方案三(兩方案粗集料灰綠巖產地不同)兩條動態模量曲線可知，E1=11 012 MPa較E3=9 500 MPa要大1 512 MPa，兩者存在較大差異，這意味著在同一級別荷載作用下方案一較方案三的承載能力更強；究其原因，雖然兩者均稱為輝綠巖，但這只能說明兩者的主要成分相同，但產地不同的輝綠巖母巖會因為成巖環境和條件的不同，帶來兩者微晶大小、結晶度和集料表面粗糙度等微觀特征上的差異，從而照成產地不同的灰綠巖構成的瀝青混合料動態模量的不同，因此，同一條高速的同一標段的施工，保持原材料和混合料的一致性和穩定性是相當重要的；④在相同溫度和加載頻率下，以灰綠巖作為細集料的方案二較以石灰巖作為細集料的方案三所獲得的瀝青混合料動態模量要大7%～8%；⑤推薦廣東地區在20 ℃和10 Hz條件下的GAC-16改性瀝青混合料動態模量為10 000 MPa.

3.2 道路結構有限元模型

1) 有限元模型的構建 使用ANSYS有限元分析軟件對瀝青路面進行靜力學響應分析[8].在ANSYS分析中，土基和各結構層均采用塊狀體，土基尺寸為16 m×9 m×10.5 m(即x×y×z，其中，x為行車方向；y為深度方向；z為橫斷面方向)；除地基以外的各結構層的平面尺寸為10 m×4.5 m(x×z，深度隨各結構層的不同而不同)；在劃分網格前，土基和各結構層之間使用GLUE命令進行連接處理，保證土基與各個結構層以及各結構層之間的連續接觸狀態，土基和各個結構層均采用SOLID45單元劃分實體模型網格，并建立圖6的有限元模型，最終道路有限元模型共劃分單元264 768個，節點280 913個，而計算點位依據圖7和文獻[5]選取，分別對圖7中的左、右兩輪胎簡化作用處施加大小為0.7 MPa的靜荷載.

圖6 雙圓荷載下的仁新高速瀝青路面結構有限元模型

圖7 雙圓荷載接觸面參數設置及計算點位的確定

2) 計算參數的選擇 在進行道路結構力學響應分析之前，按表3確定瀝青路面結構力學響應分析所使用的材料參數和結構參數，其中，表面層瀝青混合料采用加載頻率為10 Hz時的動態壓縮模量，水泥穩定碎石采用“中段法”確定其彈性模量.

表3 仁新高速公路用于瀝青路面力學性能分析的材料參數

4 瀝青混合料動態模量對瀝青路面的影響分析

4.1 力學響應分析

仁新高速試驗段表面層采用了不同類型的集料，而瀝青混合料動態模量試驗也證實不同溫度和加載頻率下，其動態模量存在差異，以圖5方案一為例，在加載頻率為10 Hz時，當溫度從4 ℃增大到60 ℃時，瀝青混合料的動態模量從16 195 MPa降低到853 MPa，降低了約19倍，可見降低幅度之大，由此，下文將以一定間隔，變化動態模量從800 MPa直至16 000 MPa，并在保持除表面層瀝青混凝土動態模量不變的情況下，分析其對瀝青路面力學響應的影響，圖8～9分別為瀝青路面結構力學響應隨表面層瀝青混合料動態模量變化趨勢圖.

圖8 路表彎沉隨表面層瀝青混合料動態模量變化趨勢圖

圖9 各結構層層底“應變”隨動態模量變化趨勢圖(輪隙中心C點)

由圖8可知：隨著瀝青表面層動態模量的增大，路面結構整體剛度增大，路表彎沉隨表面層動態模量的增大而呈線性下降，彎沉值在取值動態模量范圍內降低了8%；下面層的層底拉應變會增大約32%；但由半剛性材料構成的上基層層底的拉應變值則約減小12%.由分析可知，不同的瀝青混合料組成會促使其動態模量發生8%左右的變化，進而使得瀝青路面結構的不同力學響應量有較大的增大或減小；不同的瀝青混合料組成不僅對其自身的力學性能有較大的影響，同時也會對由其構建的瀝青路面結構的力學響應有較大的影響，由此，瀝青路面設計中使用的瀝青混合料動態模量以試驗的方式確定為宜.

4.2 基于瀝青混合料層疲勞開裂的瀝青路面壽命分析

依據文獻[5]和文獻[9]分析仁新高速試驗段三種方案的瀝青混合料層疲勞壽命，三種方案下的瀝青混合料在20 ℃和10 Hz條件下的動態模量依次為11 012，10 285和9 500 MPa，相應的計算結果見表4，方案一、方案二和方案三的疲勞壽命依次為：3 347億軸·次、4 575億軸·次和5 615億軸·次.由此可知，表面層不同的動態模量對同一瀝青路面結構的疲勞壽命有較大的影響，隨著動態模量的減小，瀝青路面結構的疲勞壽命呈現增大趨勢.

(1)

式中：Nf 1為瀝青混合料層疲勞開裂壽命,軸·次；β為目標可靠指標；ka為季節性凍土地區調整系數；kb為疲勞加載模式系數；Ea為瀝青混合料20 ℃時的動態壓縮模量，MPa；VFA為瀝青混合料的瀝青飽和度，%；ha為瀝青混合料層厚度，mm；kt1為溫度調整系數；εa為瀝青混合料層層底拉應變，10-6.

表4 仁新高速試驗段瀝青層疲勞壽命分析結果

5 結 束 語

在相同的加載頻率下，瀝青混合料的動態模量隨溫度的增大而減小；而在溫度一定的情況下，其動態模量隨加載頻率的增大而增大，但在加載頻率較小時，各類型的瀝青混合料動態模量值較為接近，這說明在加載頻率較低時，瀝青混合料的動態模量受瀝青混合料組成的影響較小；以灰綠巖作為細集料的瀝青混合料的動態模量較以石灰巖作為細集料的瀝青混合料的動態模量要大7%～8%，但其疲勞壽命則要降低18.5%，由此可見，表面層的動態模量增大會在一定程度上降低半剛性基層層底的拉應力，但其也會導致瀝青層壽命的降低.同時，從湖南灰綠巖和廣東灰綠巖的試驗結果可知，為了保證施工質量，同一條高速的同一標段的施工，保持原材料和混合料的一致性和穩定性是相當重要的，保持原材料的穩定是減小施工變異性的前提條件.