重載地區(qū)柔性基層耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)

收稿日期：2023-11-13

作者簡(jiǎn)介：潘沖沖（1991—），男，本科，工程師，從事路橋設(shè)計(jì)工作。

摘要 隨著交通網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展和道路使用期限的增長(zhǎng)，大量的半剛性瀝青路面出現(xiàn)開裂等病害，重載地區(qū)道路問題更為突出，嚴(yán)重影響道路的正常使用。為彌補(bǔ)半剛性瀝青路面的不足，對(duì)柔性基層耐久性瀝青路面投入研究和應(yīng)用。文章選取熱濕環(huán)境重載路段進(jìn)行柔性基層耐久性瀝青路面研究，從道路的柔性和耐久性要求出發(fā)，對(duì)級(jí)配碎石的制備、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等進(jìn)行研究，選取合理的材料配比和基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)路段進(jìn)行荷載實(shí)驗(yàn)，為重載地區(qū)柔性基層耐久性瀝青路面設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞 重載地區(qū)；柔性基層；耐久性；瀝青路面

中圖分類號(hào) U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）01-0131-03

0 引言

目前我國(guó)道路很大部分使用半剛性基層路面，結(jié)構(gòu)多采用水泥穩(wěn)定級(jí)配碎石作為道路的基層，重載地區(qū)要求土基回彈模量應(yīng)大于50 MPa，很容易導(dǎo)致道路面層和基層之間的強(qiáng)度產(chǎn)生較大差異，隨交通量的增加以及道路使用年限的增長(zhǎng)，半剛性基層瀝青路面會(huì)出現(xiàn)反射裂縫現(xiàn)象，最終導(dǎo)致道路開裂等病害，嚴(yán)重影響道路的正常使用[1]。重載區(qū)瀝青路面耐久性問題已經(jīng)逐漸成為行業(yè)難題和專業(yè)人士研究重點(diǎn)。柔性基層路面相對(duì)半剛性基層路面來說具有結(jié)構(gòu)相對(duì)較薄、抗剪強(qiáng)度高等特點(diǎn)，與道路面層不易出現(xiàn)較大的剛度差，耐疲勞性能優(yōu)良，可以很好地解決重載地區(qū)道路病害問題。國(guó)內(nèi)外對(duì)柔性基層耐久性瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究，結(jié)果表明路面結(jié)構(gòu)和選材是影響耐久性的重要因素。

1 柔性基層瀝青路面概述

我國(guó)地域遼闊各地環(huán)境差異較大，由于氣候差異，柔性基層瀝青路面的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)不具有普適性，因此柔性基層瀝青路面建設(shè)還應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐奶攸c(diǎn)選擇適宜的結(jié)構(gòu)和工藝。我國(guó)對(duì)柔性基層瀝青路面研究起步較晚，大多數(shù)的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)是在半剛性基層路面的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程驗(yàn)證，此類路面基層結(jié)構(gòu)形式多采用半剛性底基層+瀝青穩(wěn)定碎石基層[2]。柔性基層通常采用全厚式瀝青混合料，這種結(jié)構(gòu)可以降低底層的拉應(yīng)變，防止基層出現(xiàn)永久變形，大量研究和數(shù)據(jù)跟蹤表明，這種結(jié)構(gòu)可以在一定程度上緩解面層和基層剛度差異大導(dǎo)致的道路開裂問題，但隨著道路服役年限的增長(zhǎng)，也會(huì)出現(xiàn)路面開裂等病害。對(duì)此，人們對(duì)柔性基層的材料進(jìn)行了多種驗(yàn)證，早期考慮成本問題，瀝青穩(wěn)定碎石并沒有大量應(yīng)用于柔性基層道路鋪設(shè)，僅在下臥粒料層中使用；無膠結(jié)級(jí)配碎石常出現(xiàn)變形問題，一般不單獨(dú)使用，常和瀝青處置碎石混合作為柔性基層材料。我國(guó)的高等公路通常使用膠結(jié)級(jí)配碎石，將石灰等膠結(jié)料與碎石按照一定的比例配置形成膠結(jié)混合料，相對(duì)來說膠結(jié)級(jí)配碎石比無膠結(jié)級(jí)配碎石具有更高的強(qiáng)度，無膠結(jié)級(jí)配碎石常用于二級(jí)及以下級(jí)別公路。

2 瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)

2.1 工程概況

該文以重載地區(qū)廣佛肇公路為研究對(duì)象，廣佛肇公路是連通珠三角，推進(jìn)交通運(yùn)輸一體化戰(zhàn)略的重要樞紐，建設(shè)工程分為兩期施工建設(shè)，起點(diǎn)在肇慶開發(fā)區(qū)，與廣賀高速相接，途徑佛山市，終點(diǎn)至廣州華南，道路全線258 km，架設(shè)大橋、中小橋和隧道分別為74座、19座和24座，橋梁和隧道占總路線的40.3%。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，當(dāng)前該路段交通量大約在2萬(wàn)輛/天，且車流量處于逐年上升階段，其中重載車輛通過率較高，屬于重載路段。

2.2 材料級(jí)配

柔性基層耐久性瀝青路面的強(qiáng)度等級(jí)主要受礦料級(jí)配限制，研究表明，礦料的密度越高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗形變性能越高[3]。礦料的密度主要通過改變骨料的大小實(shí)現(xiàn)，將粒徑較小的細(xì)集料和粒徑較大的粗集料按照一定的配比進(jìn)行混合，通過Taibol校驗(yàn)級(jí)配效果，Taibol公式詳見式（1）。各級(jí)配碎石通過率如圖1所示，可以看出礦料粒徑越小，通過越高。這主要是因?yàn)楣橇现g存在嵌擠作用，骨料級(jí)配連續(xù)有利于形成良好的支撐結(jié)構(gòu)和空隙通道。粗集料可以形成一定的支撐結(jié)構(gòu)，細(xì)集料填充其間加大了材料的密實(shí)性，細(xì)集料過多會(huì)影響骨料的支撐效果，過少則會(huì)導(dǎo)致混合料不能形成密實(shí)級(jí)配；同理，粗集料過少會(huì)影響材料的支撐特性，過多會(huì)影響材料模量致其偏低，抗變形能力會(huì)大打折扣。對(duì)比不同最大粒徑通過率的關(guān)系，可以看出，級(jí)配設(shè)置在37.5 mm時(shí)，碎石礦料通過率為100%，隨著級(jí)配的減小三種礦料的通過率逐漸降低，但最大粒徑為37.5 mm的礦料相較最大粒徑分別為31.5 mm和26.5 mm時(shí)在同一級(jí)配等級(jí)處通過率要低，且礦料最大粒徑越大，同一級(jí)配處通過率越低，這主要與大粒徑的礦料形成基本支撐結(jié)構(gòu)后，在外力作用下會(huì)形成一定的密實(shí)性降低材料通過率有關(guān)。研究表明，材料的密度影響著其彈性模量，一般情況下密實(shí)程度較大，彈性模量也相對(duì)較大，但當(dāng)表觀密度達(dá)到93%時(shí)，混合料密度對(duì)彈性模量的這種作用效果消失，隨密實(shí)度的增加，彈性模量不再發(fā)生變化，基于此，該文對(duì)最大粒徑不同的三種混合料進(jìn)行土工試驗(yàn)。

（1）

式中，P——集料通過百分率（%）；D——公稱最大粒徑（mm）；d——各檔集料粒徑（mm）；n——指數(shù)常數(shù)，該文中取0.5。

選取篩孔直徑分別為37.5 mm、31.5 mm和26.5 mm作為研究對(duì)象，得到的各級(jí)配碎石通過率校驗(yàn)結(jié)果如表1所示。可以看出最大公稱直徑不同，級(jí)配碎石的密度也不同，這主要是受到級(jí)配碎石內(nèi)部骨架支撐特點(diǎn)和空隙情況影響，公稱直徑大，骨料中的大粒徑礦石較大，骨料之間有較大的空隙，同等質(zhì)量下體積相對(duì)較大，密度較小，反之最大公稱直徑小，材料之間難以形成穩(wěn)定的嵌擠結(jié)構(gòu)，干密度雖然達(dá)到要求但是存在骨料強(qiáng)度較低等情況。總體來說，該文所選工況最大公稱直徑相差11 mm時(shí)，干密度僅相差0.01 g/cm3，說明在進(jìn)行級(jí)配碎石配置時(shí)最大公稱直徑應(yīng)選擇在適宜的區(qū)間內(nèi)，材料的干密度所受影響不大，但最大公稱直徑若選取過大或過小，則會(huì)導(dǎo)致材料密度不均，在應(yīng)用時(shí)會(huì)導(dǎo)致級(jí)配碎石密實(shí)度不夠等問題。

CBR值是衡量土基承載力的重要指標(biāo)，該文分別將最大公稱直徑為37.5 mm、31.5 mm和26.5 mm的級(jí)配碎石進(jìn)行CBR實(shí)驗(yàn)，從表1可以看出，最大公稱直徑越大CBR值越大，土基所能承受的荷載越大，這主要是由于碎石材料的強(qiáng)度主要受材料內(nèi)部各個(gè)顆粒間的嵌擠作用影響，在最大公稱直徑處于合理范圍時(shí)，大粒徑的礦料更能形成較好的嵌擠結(jié)構(gòu)。因此，為提高基層的穩(wěn)定性，防止基層在高載重下產(chǎn)生形變，可以在級(jí)配碎石配置時(shí)適當(dāng)增加大粒徑骨料。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

公路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足公路應(yīng)用特性，充分考慮建設(shè)地點(diǎn)周邊環(huán)境，氣候條件等，還應(yīng)對(duì)道路車流量等進(jìn)行預(yù)測(cè)，保證道路使用壽命[4]。根據(jù)對(duì)廣佛肇公路建設(shè)地點(diǎn)的勘察研究，其氣候條件潮濕多雨，且夏季氣溫高，對(duì)基層的穩(wěn)定性和道路耐久性要求高，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇水穩(wěn)定性好的混合料，還應(yīng)注意加強(qiáng)道路各層之間的黏結(jié)，防止高負(fù)載、高溫氣候下出現(xiàn)道路層級(jí)滑移。路面各層位之間在車輛負(fù)載情況下受到的應(yīng)力和應(yīng)變是呈逐漸減小規(guī)律，因此路面層數(shù)、各層位的厚度以及各層的材料設(shè)計(jì)應(yīng)符合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，并綜合考慮造價(jià)和施工難度的因素。

該文選用柔性基層耐久性瀝青路面，可以滿足高溫潮濕環(huán)境下重載交通對(duì)道路耐久性、抗變形性、抗疲勞性以及交通荷載要求。實(shí)驗(yàn)路段路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示，土基土壤主要以粉質(zhì)黏土為主，土基結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，具有較好的排水條件。為增加道路的耐久性和穩(wěn)定性，將土基表層利用水泥進(jìn)行處理，將土基表層土進(jìn)行固化，為道路的高強(qiáng)度使用打好基礎(chǔ)；土基上層鋪設(shè)天然級(jí)配砂礫，最小CBR值和壓實(shí)度分別設(shè)置在45%和98%，厚度設(shè)置在20 cm，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)堅(jiān)固道路疏水性要求；級(jí)配碎石主要采用兩種，在天然級(jí)配砂礫層上設(shè)置厚度為30 cm表觀密度為80%的碎石G1，最小CBR值和壓實(shí)度分別設(shè)置60%和98%；級(jí)配碎石C2相對(duì)下層的碎石G1而言表觀密度更大，采用20 cm密級(jí)配碎石，最小CBR值達(dá)到97%，級(jí)配碎石在兼顧道路排水的同時(shí)增加路面的柔性效果；瀝青混凝土層1鋪設(shè)大粒徑的瀝青混合料，分別為6 cm的FAC-13瀝青混合料和10 cm的LSPM-25瀝青混合料，保證了路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，同時(shí)可以充當(dāng)應(yīng)力緩解層，應(yīng)對(duì)交通負(fù)載較大時(shí)帶來的路面形變等問題；瀝青混凝土層2采用了兩種瀝青混合材料，分別為8 cm的AC-20瀝青混合料和4 cm的SMA-13瀝青混合料，瀝青膠結(jié)料采用SBS改性瀝青，為保證路面應(yīng)對(duì)熱濕環(huán)境帶來的形變等問題，在AC-20的混合料中添加PR改性劑，用量為混合料總體質(zhì)量的0.6%，道路面層表面的瀝青混凝土應(yīng)具備良好的防剝落性能，因此在SMA-13的瀝青混凝土中加入抗剝落劑，保證路面排水的同時(shí)增強(qiáng)路面對(duì)輪胎的附著效果，防止車輛在濕滑路段發(fā)生事故。

回彈模量是分析路面層狀結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)，對(duì)實(shí)驗(yàn)路段進(jìn)行檢測(cè)[5]，得到如圖3所示結(jié)果，可以看出，隨荷載的不斷增加，回彈變形量和模量均逐漸增大，在荷載從0.03 MPa增加到0.4 MPa過程中，回彈變形量增加了95 mm，模量增加了122 MPa，但總體來說級(jí)配碎石基層彈性模量處于較高的范圍，進(jìn)而說明實(shí)驗(yàn)路基具有較好的承載能力。

3 結(jié)語(yǔ)

柔性基層耐久性瀝青路面具有良好使用性能，尤其是對(duì)解決重載地區(qū)路面病害有重要意義，該文在研究重載路面柔性基層耐久性路面的同時(shí)充分考慮道路建設(shè)地點(diǎn)高溫、多雨的環(huán)境特點(diǎn)，得到了如下結(jié)論：

（1）柔性基層路面可以彌補(bǔ)半剛性路面開裂等不足，但選材時(shí)應(yīng)綜合考慮應(yīng)用效果和成本等問題，無膠結(jié)級(jí)配碎石常出現(xiàn)變形問題，常和瀝青處置碎石混合作為柔性基層材料。膠結(jié)級(jí)配碎石相對(duì)來說具有更高的強(qiáng)度，可應(yīng)用于高級(jí)別公路。

（2）各級(jí)配碎石通過率和骨料粒徑相關(guān)，骨料粒徑越小，通過率越高，這主要是因?yàn)楣橇现g存在嵌擠作用，骨料級(jí)配連續(xù)有利于形成良好的支撐結(jié)構(gòu)和空隙通道。級(jí)配設(shè)置在37.5 mm時(shí)，碎石礦料通過率最高為100%，隨著級(jí)配的減少礦料的通過率逐漸降低，最大可降96%。

（3）最大公稱直徑不同，級(jí)配碎石的密度也不同，公稱直徑大骨料之間有較大的空隙，同等質(zhì)量下密度較小。該文所選工況最大公稱直徑相差11 mm時(shí)，干密度僅相差0.01 g/cm3，說明礦料配置時(shí)選在合理范圍即可。CBR實(shí)驗(yàn)表明最大公稱直徑越大CBR值越大，土基所能承受的荷載越大，因此為提高基層的穩(wěn)定性，可以在級(jí)配碎石配置時(shí)適當(dāng)增加大粒徑骨料。

（4）該文研究柔性基層瀝青路面采用級(jí)配碎石和瀝青混凝土結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)驗(yàn)證具有較好的承載性能，證明方案具有較高的可行性。

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