高模量瀝青混合料在重載交通條件下的應用

王春紅

（1.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230000；2.公路交通節能與環保技術及裝備交通運輸行業研發中心，安徽 合肥 230011）

1 引言

經過30 余年的探索與實踐，安徽省針對高速公路早期損壞問題，在路面結構形式、原材料控制、配合比設計、“四新”技術的研發和引進等方面均開展了課題研究和工程應用，基本消除了坑槽、車轍等早期病害，路面通行質量和通行效率不斷提升。據調查，目前高速公路主要病害以裂縫為主，約占病害總數的70%以上。尤其是隨著經濟和社會的快速發展，高速公路交通總量和重載車輛不斷增多，路面因重載導致疲勞開裂的問題逐漸凸顯，約占路面裂縫總數的1/3。解決瀝青路面疲勞開裂成為提高路面耐久性的首要問題。其中，瀝青路面高模量化是改善瀝青路面性能的有效途徑和發展方向之一[1]，即通過提高材料模量來減小路面應變，從而減輕路面疲勞開裂，延長路面使用壽命。高模量瀝青混合料的制備有多個途徑，如摻加高模量劑、巖瀝青、湖瀝青、使用低標號瀝青等，其中摻加高模量劑是最直接、最方便的一種方式。

20世紀80年代，法國提出主要用高模量瀝青混合料作為承重層或基層使用[2]。國內關于高模量瀝青混合料的研究主要集中在材料性能和制備工藝上，在應用層位、典型結構方面的研究相對較少。本文通過數學建模進行力學分析，研究高模量瀝青混合料在不同路面結構類型中的適用層位，并通過鋪筑試驗段對研究成果進行論證。

2 高模量瀝青混合料應用層位

目前安徽省高速公路結構類型仍以半剛性基層瀝青路面為主，同時結合路面結構病害類型，應積極探索其他長壽命路面結構在安徽省的適用性。2019年，在G3京臺高速公路安徽段改擴建工程中，采用表1 中的兩種結構鋪筑了試驗段，試驗段全長約7.371km。其中，路面結構一為試驗路所在項目結構類型，也是高速公路改擴建時拼寬車道典型的半剛性基層結構。路面結構二主要借鑒福建省應用較為成功的倒裝結構，并在此基礎上進行優化確定。

表1 力學分析用路面結構類型

為研究高模量瀝青混合料在以上兩種結構的適用層位，本文采用ANSYS 有限元分析軟件，通過建立三維有限元模型對不同結構組合下的路面結構受力情況進行分析，有限元模型加載情況如圖1 所示。力學指標主要包括各結構層底拉應力和不同深度下的剪應力。

圖1 有限元模型加載情況

各結構層材料參數取值如表2 所示。

表2 有限元計算結構材料參數

2.1 半剛性基層結構力學分析

路面結構一的層底拉應力和剪應力情況如圖2、圖3 所示。從受力情況來看，瀝青混合料各結構層均處于受壓狀態，作為和荷載直接接觸的上面層，所受壓應力最大。隨著深度的增加，水泥穩定基層受力逐漸由壓應力過渡為拉應力。剪應力方面，隨著路面深度的增加，剪應力先增大后減小，在路表面以下10cm 處剪應力最大，是最容易發生剪切破壞的位置。因此，從上述受力特點來看，半剛性結構瀝青面層以壓應力為主，其彎拉風險相對較小。而中面層承受最大剪應力，是結構層受力最不利層位，故宜將高模量劑設置在中面層位置。

圖2 半剛性基層路面各結構層底拉壓情況

圖3 半剛性基層路面不同深度處的結構層剪應力計算結果

為進一步分析高模量瀝青混合料在中面層設置的效果，將中面層模量由11000MPa調整為15000MPa后再次進行力學計算，高模量瀝青混合料設置前后的結構層受力對比情況如圖4、圖5所示。

圖4 高模量瀝青混合料設置前后各結構層拉應力對比情況

圖5 高模量瀝青混合料設置前后各結構層剪應力對比情況

可以看出，高模量瀝青混合料的設置對基層拉應力幾乎沒有影響，主要影響瀝青面層的拉應力，但影響不大，而且不會改變其受壓的狀態。剪應力方面，設置高模量層后，瀝青面層最大剪應力的位置不變，仍處于路表面以下10cm左右，但可以減小瀝青面層的剪應力。因此，對于半剛性基層而言，將中面層設置為高模量層是合理的。

2.2 倒裝結構力學分析

倒裝路面結構層底拉應力和剪應力計算結果如圖6、圖7所示。從路面各結構層彎拉受力情況來看，倒裝結構受力和半剛性基層結構有所不同。倒裝結構的上、中面層處于受壓狀態，但由于級配碎石模量較低，其整體剛度較小。因此，當車輛荷載傳遞到該層時，瀝青下面層將處于受拉的不利狀態。水穩基層仍隨著深度的增加，逐漸由壓應力過渡為拉應力。在剪應力方面，和半剛性結構相似，隨著路面深度的增加，倒裝結構的剪應力先增大后減小，且在路表面以下10cm 處剪應力最大。綜合考慮倒裝結構的受力特點，其下面層始終承受整個結構的最大拉應力和拉應變，中面層仍存在最大剪應力，故有條件時宜將高模量劑設置在中、下面層。同時考慮到造價和最不利因素，宜優先設置在下面層。

圖6 倒裝結構各結構層底受拉情況

圖7 倒裝結構不同深度處的結構層剪應力計算結果

為進一步分析高模量瀝青混合料在下面層設置的效果，提高下面層模量后再次進行力學計算，高模量瀝青混合料設置前后的結構層受力進行對比情況如圖8、圖9所示。

圖8 高模量瀝青混合料設置前后各結構層拉應力對比情況

圖9 高模量瀝青混合料設置前后各結構層剪應力對比情況

可以看出，高模量瀝青混合料的設置對基層拉應力幾乎沒有影響，主要可以減小瀝青下面層的拉應力。此外，設置高模量層后，瀝青中面層的最大剪應力也有所減小。因此，對于倒裝結構而言，宜優先將高模量瀝青混合料設置在下面層。

綜上，通過對兩種不同路面結構最不利受力分析，對于半剛性基層路面結構而言，宜將中面層設置為高模量層，對于倒裝結構而言，宜優先將下面層設置為高模量層。

3 重載交通下高模量瀝青路面典型結構分析

在前述高模量適用層位研究的基礎上，進一步分析半剛性結構和倒裝結構在重載交通的適用性。將結構一和結構二的受力特點進行對比分析，兩種結構的層底拉應力和剪應力對比情況分別如圖10、圖11所示。

根據《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50-2017）[3]關于路面結構設計指標的規定，結構一和結構二的共同設計指標為無機結合料層底拉應力，即通過該指標來控制無機結合料層的疲勞開裂。對比兩種結構的受力可以看出，結構二的無機結合料層底拉應力較小。因此，面對相同交通荷載作用時，水穩基層底部發生臨界疲勞損傷的當量軸載作用次數要大。在重載交通作用下，結構二產生疲勞損傷的作用時間要長于結構一。另外，在剪應力方面，無論是對于整體結構層剪應力還是對于最大剪應力，結構二均要優于結構一，路面發生車轍永久變形的幾率相對較低。總體而言，和半剛性基層結構相比，倒裝結構應用于重載交通時，具有更長的使用壽命。

值得注意的是，對于倒裝結構而言，由于瀝青下面層底受到拉應力作用，該結構層底產生疲勞開裂的風險增加。但從試驗段和福建省超過15 年的成功應用經驗來看，因瀝青層底受拉而產生疲勞開裂的情況很少，瀝青層底產生的拉應變遠未達到發生疲勞損傷的極限拉應變。這是由于盡管有級配碎石層的存在，但其厚度較小，僅為12～15cm，路面結構的承重層仍為水泥穩定碎石層。因此，高模量層的設置進一步降低了瀝青層底疲勞損傷的發生。

除了在重載交通下路面結構層受力的優勢，倒裝結構中的級配碎石層本身為松散體結構，可以避免或緩解半剛性基層的反射裂縫衍射至瀝青面層，在很大程度上減少了裂縫的發生。同時，級配碎石可以作為空隙通道，將下滲到路面結構內部的雨水排出至路基外，減少路面水損害的發生。

綜上所述，將倒裝結構用于江淮多雨地區的重載交通，能夠更好地減少疲勞裂縫和水損害的發生，有效提高路面耐久性和使用壽命。

4 工程應用效果

G3 京臺高速公路安徽段為G3 京臺高速與G4212 合安高速的共線段，是我國也是安徽省境內最主要的南北向高速公路。近年來，隨著區域經濟社會發展，交通量增長迅速，交通壓力大，重載車輛多，改擴建后對路面耐久性提出了更高的要求。自試驗路段實施以來，歷時3年多，經歷了夏季高溫、冬季低溫、重載車輛、雨水等共同作用，路面使用狀況良好，保持了良好的路用性能，有效減少了裂縫、車轍、坑槽等病害的出現，每年路面養護費用降低30%以上，產生了明顯的經濟效益。同時，通過采用高模量瀝青混凝土路面，延長了道路的使用壽命，減少了維修的頻次，在很大程度上減少了路面銑刨廢棄料的產生和堆放，也節約了修補材料的資源消耗，經濟和社會效益顯著。

5 結論

目前，我國交通運輸行業正值從交通大國向交通強國邁進的黃金發展期，要充分發揮科技創新引領作用，著力推動交通運輸服務提質升級。因此，提出適用于安徽省重載交通荷載下的高模量瀝青混合料典型結構，在滿足高速公路使用性能要求的前提下，通過延長路面使用壽命來節省道路建材，減少維修成本，為公路建設資源的科學合理利用奠定了良好的基礎。未來一段時期內，公路建設市場仍然繼續擴大，立足于本文研究成果，應繼續推廣驗證該結構在省內的適應性。