半柔性復合路面的力學響應與結構優(yōu)化

劉銀，何樹鵬，閆先喜，任皎龍，徐寅善

(1.山東理工大學 建筑工程學院，山東 淄博255049;2.浙江省交通運輸科學研究院道路研究所，浙江 杭州310039)

隨著中國日益明顯的交通軸載和渠化交通，道路車轍病害已成為中國最主要的路面病害，傳統(tǒng)道路材料與結構難以有效緩解這一問題。因此，國內各學者開始側重于研發(fā)新型路面材料以更好地適應中國的高速發(fā)展。近年來，半柔性復合路面材料得到了道路界的廣泛關注。半柔性路面材料是指以大空隙瀝青混合料(空隙率為20%～28%)為基體，灌入以水泥為主要成分的特殊灌漿料，形成在瀝青混合料中間填充水泥灌漿料的特殊路面材料。半柔性路面是一種新型復合路面，兼顧剛性和柔性兩種路面優(yōu)點。骨料之間的嵌擠作用和水泥石共同構成半柔性路面的強度，這使得半柔性路面的高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性優(yōu)于瀝青路面，抗剪切、抗疲勞、抗滑移性也優(yōu)于水泥路面。

Wang等[1]研究了不同柔性膠乳材料對半柔性路面的路用性能的改善，結果表明添加聚合物后半柔性路面材料的路用性能得到了顯著改善；Liu等[2]分析了相變材料對半柔性路面材料路用性能的影響，表明相變材料可以提高半柔性路面材料的低溫抗裂性，但會降低其高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性；Yang等[3]認為廢膠粉可以大大提高半柔性路面的低溫抗裂性，不同的注射方式效果不同；肖天佑等[4]人通過試驗指出：摻ECC砂漿的半柔性路面材料有良好的整體性、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性；鐘科等[5]提出水泥砂漿中摻入不同類型的外摻劑，采用不同種類的改性瀝青均能增加半柔性材料的相應性能。王黎明等[6]通過試驗表明凍斷試驗能有效地區(qū)分出不同瀝青、不同水泥基灌漿料、不同基體空隙率半柔性路面材料的低溫抗裂性改善效益；宋常玉[7]分析了SBS改性瀝青作為母體的瀝青的半柔性瀝青路面復合材料，其具有更好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性及抗疲勞性；趙國強等[8]提出對于半柔性路面材料來說，瀝青類型對低溫抗裂性能差異較大，采用高粘度改性瀝青的作用效果最好；Xu等[9]通過對瀝青-砂漿界面微觀特性和界面優(yōu)化后半柔性瀝青路面宏觀鋪裝性能的研究，揭示了界面改性劑的作用，并確定最佳配方。但上述研究中均未對半柔性路面結構進行相關研究分析，忽略了不同路面層的影響狀況，這無疑影響了半柔性路面材料的推廣應用。基于此，本文基于層狀彈性體系理論構建水泥穩(wěn)定碎石半柔性路面結構模型，利用正交實驗方法揭示了表面層、下面層、基層和底基層的模量和厚度的不同參數組合對水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應力和瀝青混凝土層永久變形量的影響，提出了影響各路面結構層力學響應的關鍵指標，并結合現行規(guī)范，以力學性能最優(yōu)為原則，綜合考慮經濟性，提出了優(yōu)選的路面結構組合體系。

1 材料與方法

1.1 材料

如前所述，半柔性路面材料是由高流動性的水泥灌漿料灌入到大空隙瀝青混凝土基體中制備而成的特種材料。水泥灌漿料的配比見表1。

表1 最優(yōu)配合比范圍

大空隙瀝青混合料基體的級配見表2，其空隙率為25%，最佳瀝青質量分數為3.8%。

表2 設計基質瀝青混合料的級配

半柔性路面樣品如圖1所示，其路用性能測試結果見表3。

圖1 半柔性材料路面樣品

表3 材料試驗結果

根據我國最新路面設計規(guī)范《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50—2017)的要求，采用20 ℃條件下10 Hz所對應的動態(tài)模量作為路面材料設計參數。因此，表4給出了本研究制備的半柔性路面材料在20 ℃下的不同加載頻率的動態(tài)模量試驗結果。故在后續(xù)路面結構分析中，均采用20 191 MPa作為半柔性路面材料設計參數進行力學計算。

表4 高性能半柔性路面材料動態(tài)模量結果

1.2 方法

依據依托項目的試驗路(浙江省嘉善縣洪三線北首交叉路口)實際情況，初擬路面結構形式為半柔性復合材料表面層+瀝青混凝土下面層+水泥穩(wěn)定碎石基層+水泥穩(wěn)定碎石底基層?；趯訝铙w系理論的路面結構計算模型和相應的計算點位見圖2。根據現行規(guī)范，各結構層所選取的力學指標及其豎向位置見表5。

表5 設計指標對應的力學響應與豎向位置

圖2 力學響應計算點位置

利用正交實驗方法[10]，通過改變不同層位厚度和模量，研究路面結構參數對路面力學響應(見表6)的影響規(guī)律，為半柔性路面結構設計提供依據，并以力學響應最優(yōu)為原則，提出推薦的半柔性路面結構組合形式。

表6 路面結構的正交試驗設計

力學計算結果見表7。

表7 正交試驗結果

利用相同試驗參數的不同試驗之間的平均值之差來分析不同參數對試驗設計指標的影響程度,如圖3—圖9所示。根據試驗不同參數的平均值來分析參數的取值范圍對設計指標的影響趨勢，如圖4(a)—圖10(a)所示。

2 結果與分析

2.1 無機結合料穩(wěn)定層層底拉應力分布

2.1.1 基層

基層層底拉應力的極差分布如圖3所示。

由圖3可看出，基層模量、底基層厚度和底基層模量的極差相對較大， 說明其三者對無機結合料基層層底拉應力影響較大，其中基層模量尤為顯著，具體趨勢分析如圖4所示。

圖3 無機結合料基層層底拉應力影響分布

由圖4可看出，隨著基層模量和底基層模量的增加、以及底基層厚度的降低，基層層底拉應力呈顯著遞增的趨勢。

因此，基層模量和底基層模量宜取較低值，底基層厚度為20 cm。

2.1.2 底基層

底基層層底拉應力的極差分布如圖5所示。

圖5 無機結合料底基層層底拉應力影響分布

從圖5中可知，基層厚度和底基層模量極差相對較大，說明基層厚度和底基層模量的變化對無機結合料底基層層底拉應力的影響較顯著，相關趨勢分析如圖6所示。

(a)基層厚度的影響

由圖6(a)可看出，伴隨基層厚度的增加，底基層層底拉應力呈現近似線性的遞減趨勢；從圖6(b)可知，底基層層底拉應力隨底基層模量增大而增大，且增長趨勢愈加明顯。

因此，底基層模量宜選取較低值，基層厚度為40 cm。

2.2 瀝青混合料永久變形量分布

2.2.1 表面層

表面層永久變形量的極差分布見圖7。

圖7 瀝青混合料表面層永久變形量影響分布

圖7可知，表面層厚度極差較大，其他參數極差相對較小，為了簡化研究過程，僅對影響較顯著的表面層厚度進行趨勢分析，見圖8。

圖8 表面層瀝青混合料永久變形量趨勢

由圖8可知，隨著表面層厚度的增加，表面層永久變形量呈現先減小后增大的趨勢。因此，以表面層永久變形量最低為原則，選定表面層厚度為4 cm。

2.2.2 下面層

下面層永久變形量的極差分布見圖9。

圖9 瀝青混合料下面層永久變形量影響分布

從圖9可看出，表面層厚度、下面層厚度、下面層模量、底基層厚度、底基層模量、基層厚度和基層模量極差均處于高水平，因此，選取全部7個參數進行相關趨勢分析，見圖10。

由圖10(a)、(b)可看出，當表面層厚度和下面層厚度增加時，下面層永久變形量呈先減小后增大的趨勢。因此，以表面層永久變形量最低為原則，分別選定表面層厚度和下面層厚度為4 cm和7 cm。

由圖10(c)、(e)、(g)可看出，隨著下面層模量、基層模量和底基層模量的增加，下面層永久變形量顯著的增加。因此，下面層模量、基層模量和底基層模量均宜取低值。

由圖10(d)、(f)可看出，下面層永久變形量均隨著基層厚度和底基層厚度的增加降低，但不同在于，隨基層厚度的降低趨勢逐漸趨于平緩，隨底基層厚度的降低趨勢則反之。因此，選定底基層厚度為20 cm；同時，由于基層厚度36 cm時所對應的下面層永久變形量并未比基層厚度40 cm時顯著增加，出于經濟性考慮，基層厚度可選擇36 cm。

另一方面，在分析底基層層底拉應力時，確定基層厚度宜為40 cm，考慮到底基層處于路面結構的最下層，其力學響應整體處于較低水平，同時，我國路面設計體系中也通常不以底基層作為重點考察對象，因此，最終確定基層厚度為36 cm。

2.3 討論

以前述極差分析為依據，確定各指標影響程度，見表8，其中√√表示影響顯著，√表示有一定影響，無√表示影響較弱。

表8 控制指標影響程度表

綜合力學響應分析結果，該工況下推薦的路面結構見表9。

表9 推薦路面結構

3 結論

本文基于層狀彈性體系理論構建水泥穩(wěn)定碎石半柔性路面結構模型，利用正交實驗方法揭示了表面層、下面層、基層和底基層的模量和厚度的不同參數組合對水泥穩(wěn)定碎石層層底拉應力和瀝青混凝土層永久變形量的影響，提出了影響各路面結構層力學響應的關鍵指標，并結合現行規(guī)范，以力學性能最優(yōu)為原則，綜合考慮經濟性，提出了優(yōu)選的路面結構組合體系。主要結論如下：

1)水泥穩(wěn)定碎石基層層底拉應力隨基層模量增加而顯著增長，底基層厚度和模量對基層層底拉應力影響次之，表面層厚度、基層厚度、下面層厚度和模量的影響較小。

2)水泥穩(wěn)定碎石底基層層底拉應力隨基層厚度的增加而明顯降低，底基層模量對底基層層底拉應力影響次之，表面層厚度、下面層厚度和模量、基層模量以及底基層厚度影響較弱。

3)水泥穩(wěn)定碎石表面層永久變形量隨表面層厚度增加有先減后增的顯著趨勢，下面層厚度和模量、基層厚度和模量以及底基層厚度和模量影響較小。

4)水泥穩(wěn)定碎石下面層永久變形量伴著表面層厚度的增加呈先下降后上升的趨勢，下面層厚度和模量、底基層厚度和模量以及基層厚度影響次之，基層模量影響較弱。

5)提出優(yōu)選的路面結構組合為：4 cm半柔性表面層+7 cm瀝青混凝土下面層+36 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層。各結構層材料設計參數建議值為：下面層模量、基層模量和底基層模量均宜取低值。