冷再生路面結構分析

田美強，周 浩，侯 峰，張若友

(1.山東泰和公路工程有限公司，山東 淄博 256410;2.山東建筑大學，山東 濟南 250109)

隨著我國公路建設事業的高速發展，大量的公路經過長期的服務期，產生各種病害，進入維修期和大修期，裂縫、車轍、松散、結構承載力不足等病害需要處理，但可以用于道路施工的優質材料日益減少。在這種情況下，冷再生成為一種綠色環保技術，一方面冷再生技術的再生厚度可以很大，可以處置絕大部分病害類型；另一方面，冷再生可以把大部分路面材料回收利用重新用于路面鋪裝，從而大量節約路面材料消耗；冷再生施工過程中溫度較低，能量消耗和有毒有害氣體排放大量較少，有利于環境保護。

蔣應軍等針對礦粉、機制砂、9.5～19.0 mm粗集料摻量的比例等因素對馬歇爾穩定度、干濕劈裂強度等性能的影響開展了相關研究，確定了各材料的影響規律和最佳比例。呂政樺等通過微觀實驗和室內實驗分析了乳化瀝青用量、水泥摻量及銑刨料(RAP)摻量對再生路面材料各種路用性能的影響規律。謝永才從冷再生路面的設計和施工角度進行相關研究。李秀君等對AASHTO的冷再生混合料設計方法和瀝青協會AI方法等進行總結分析。這些研究對冷再生材料和施工技術進行了系統全面的分析，但冷再生材料性質與傳統路面材料有所不同，尤其是在高溫條件下模量降低，可能對路面結構有影響，需要進行詳細分析。

1 冷再生材料的模量

1.1 模量與溫度關系

瀝青路面銑刨料的冷再生材料由于含有瀝青結合料，所以其強度和模量受溫度的影響。根據伊利諾伊州大學的研究，模量與溫度的關系如式(1)

LogE=a-bT

(1)

式中:E為模量，MPa，T為溫度，℃，B為模量隨溫度下降的系數。其中系數b對路面結構設計有重要影響。

根據對不同級配水泥冷再生材料模量的研究，b的常見取值范圍為-0.003～0.008。

1.2 模量與材料構成關系

圖1為當再生材料中不同面層基層材料比例條件下的模量。隨著瀝青面層材料比例的提高，混合料整體的模量降低。經驗表明，在高溫條件下這種差異會更明顯，但摻入新碎石做粗骨料可以顯著改善冷再生材料的高溫性能。

圖1 模量與再生料組成的關系

2 道路溫度取值

查道路材料導熱導溫值推薦表可知，瀝青混凝土材料的導熱參數一般0.8～1.4(W/(m×℃))，半剛性材料的導熱參數一般1～1.3(W/(m×℃))。冷再生材料從材料組成上看介于二者之間，且更接近HMA材料，故其導溫性能應該介于二者之間，冷再生路面結構內溫度規律也與普通HMA路面基本相同。參考河南某高速公路時間觀測結果(見表1)，瀝青下面的冷再生材料約為30～42 ℃，可以按照36 ℃考慮。由前面的分析可知，此溫度條件下，半剛性冷再生材料的強度較之20 ℃時可能會下降20%～40%，而瀝青冷再生材料強度下降35%左右。從模量看，水泥穩定冷再生材料模量下降15%～30%。瀝青穩定材料在模量下降程度，暫時可以按照30%考慮。可知當溫度升高時冷再生路面層的承載能力大為降低。

表1 河南對某高速公路的實際觀測情況

3 冷再生道路結構

當采用熱拌瀝青混合料層+再生層或者熱拌瀝青混合料層+再生層+砂礫層結構時須注意冷再生材料的溫度敏感性，尤其對夏季炎熱地區的薄面層道路。隨著溫度的升高，路面熱拌瀝青混合料材料和冷再生材料的模量和強度都會降低，使得路面結構分散荷載的能力和路面材料承受應力應變的能力同時降低。對于傳統的半剛性基層瀝青路面，半剛性材料作為主要承重層，受到高溫影響很小，故以地基薄弱時道路狀態為最不利狀態。但對不含半剛性基層的冷再生路面，高溫導致的路面材料承載力下降也可能是一個不利狀態。

4 溫度變化對冷再生道路影響

用Bisar軟件對不同結構冷再生道路在不同工況下的受力狀態進行分析，從而獲得冷再生路面的受力特點。

4.1 路面結構與材料參數

在實際路面設計分析中，模量隨不同工況和材料組成而適當調整，確定不同工況下道路結構的狀態，以分析冷再生材料溫度敏感性的影響。用Bisar軟件對不同結構冷再生道路在不同工況下的受力狀態進行分析，從而獲得冷再生材料的準確性能，提高路面分析和設計的可靠性。改建的道路的一般特點是路基模量較高而半剛性基層和底基層材料的模量有所下降，基層強度可以按照800 MPa計算。其他各種材料，其模量根據經驗并參照本文1、2兩部分確定。

4.2 無半剛性層的冷再生路面結果力學性能

(1)拉應力分析

不同厚度位置處的路面拉應力計算結果如圖2所示。

圖2 拉應力計算結果

從圖2中可以看出，與常溫狀態相比，高溫狀態下面層壓應力提高，但材料一般抗壓性能較好，壓應力增大一般不會成為問題；基層底部拉應力提高變化較小。

(2)剪應力分析

不同厚度位置處的路面拉應力計算結果如圖3所示。

圖3 剪應力計算結果

從圖3可以看出，在高溫狀態下，中下面層和上基層上半部的剪應力有明顯增大，最大增幅約70%，而下基層變化很小。中下面層的剪應力增加明顯，導致車轍出現的風險很大。

而含半剛性基層的路面結構力學狀態計算結果表明，在夏季高溫下，各層位的各種應力應變變化都不大，且路面豎向應變還可能略有減小，不會成為最不利狀態。

通過對不含半剛性基層的冷再生道路結構在不同溫度狀態下的力學結果進行比較，可以得到以下結論：不含半剛性基層的再生路面結構，拉應力和豎向變形無顯著變化或稍有上升；中下面層至上基層上半部的剪應力大為提高，在路面結構設計中，需特別注意控制車轍。

4 結 論

瀝青路面冷再生材料的模量，隨溫度升高而降低，隨面層銑刨料摻量的提高而降低；對于含有半剛性基層的瀝青路面，夏季高溫工況一般不會成為不利狀態；對不含半剛性基層的再生道路，夏季高溫可能會成為不利狀態，尤其要注意車轍的控制。