沥青采用中海70号A级道路石油沥青和江阴宝利SBS改性沥青, 各项技术指标均满足规范要求;集料采用镇江茅迪石灰岩, 填料选用镇江高资石灰石矿粉, 玄武岩纤维 (简称BF) 选用江苏天龙玄武岩连续纤维高新科技有限公司生产的玄武岩纤维, 其性能指标如表1所示。高模量改性剂采用江阴宝利沥青股份有限公司生产的直投式改性剂 (简称ZQ) , 其技术指标如表2所示。沥青混合料中的纤维掺量与最佳油石比如表3所示。

采用UTM-25对上述4种沥青混合料进行静态抗压回弹模量测定, 结果如表4所示。其余参数参考规范及实测值取值, 路面设计软件和有限元软件所需的路面结构计算参数如表5所示。

通过路面设计软件, 对采用6cm厚度普通沥青混合料作为中面层的半刚性沥青路面结构进行弯沉值与层底拉应力计算, 再以此为控制值在保持面层其他层次材料与厚度不变的基础上, 计算各路面结构类型的中面层厚度, 计算结果如表6所示。

由表6可知, 玄武岩纤维改性高模量沥青混合料作为中面层时, 厚度没有采用高模量沥青混合料薄, 但厚度增加很小, 仅为0.5cm。相较于普通沥青混合料与SBS改性沥青混合料厚度分别减小了2.2cm和2.5cm。从设计方面考虑, 采用玄武岩纤维高模量沥青混合料可以减小半刚性基层沥青路面结构的厚度。

有限单元法的首要步骤是将连续的求解区域离散为1组有限个且按一定方式连接的单元。本文的目的是对整体路面结构进行力学分析, 定性地得到路面结构优化后对路面结构受力的影响。为了分析简便, 在不会影响最终得到结论的情况下, 本文计算中仍采用二维平面静载模型, 运用ABAQUS软件对设置玄武岩纤维高模量中面层的路面结构进行受力分析, 并与其他3种路面结构进行对比, 为中面层设置玄武岩纤维高模量沥青混凝土提供理论支撑。

为了计算模型以及有限元分析方法对半刚性基层沥青路面的受力机理进行分析, 对材料特性以及模型的结构特性做以下假定: (1) 各层都是由均质连续、各向同性的材料组成且力学性能服从胡克定律; (2) 忽略路面结构自重的影响; (3) 沥青面层表面自由, 在其上作用轴对称圆形均布垂直荷载。

采用有限元软件建立各路面结构的平面静载模型 (见图1) , 宽度为6m, 使用8节点双向二次平面应变四边形单元, 车轮荷载参数如表7所示, 车轮荷载位置如图2所示。

半刚性基层沥青路面的极限状态发生在底基层底部, 首先产生初始裂缝, 然后向上使得基层拉应力增大而引起基层裂缝, 最后扩展到面层, 因此层底拉应力是我国路面设计规范中控制路面开裂的重要指标, 本文各路面结构不同位置的层底弯拉应力计算结果如图3, 4所示。图中层位1~7分别表示上面层、中面层、下面层、上基层、下基层、底基层、土基。

由图3, 4可知, 改变中面层材料及厚度时, 对中面层底部不同位置拉应力的影响均最大, 而对其他各层影响均较小, 混合料模量越高、厚度越小, 中面层混合料正向拉应力越大。以车轮间隙中心点为例, 采用高模量混合料中面层时底部所受压应力由普通路面结构的约150k Pa增大到270k Pa。由于我国普遍采用半刚性基层, 下面层容易产生反射裂缝, 导致裂缝处应力集中, 加快裂缝发展, 而掺玄武岩纤维的高模量沥青混合料中面层层底拉应力相对于未掺玄武岩纤维的高模量沥青混合料变化较小, 因此能够明显减缓反射裂缝的发展。

路表弯沉是荷载作用下路面表面产生的竖向变形, 是反映路面整体承载力高低及使用情况好坏的最简单、最直观的指标, 在车辆荷载作用下, 路表沉降最大值发生在车轮中心处。故选取车轮中心、轮隙中心、车轮外边缘进行分析, 各路面结构的竖向变形计算结果如图5, 6所示。

对各点位竖向变形进行分析, 可以发现4种路面结构在轮隙中心点、车轮外边缘处路表的竖向形变均小于上面层底部, 说明该位置上面层厚度略有增加, 这与实际情况相符, 发生车辙形变时辙槽边缘混合料受到挤压会形成凸起, 而在基层、底基层底部, 轮隙中心点位的竖向形变又最大, 使得基层材料受拉。

对车轮中心点各种路面结构沥青混合料面层形变进行比较, 采用SBS改性沥青中面层的路面结构面层形变最大, 达到0.005 8mm;普通路面结构沥青面层变形为0.005 5mm;高模量沥青混合料和玄武岩纤维高模量沥青混合料中面层的沥青面层形变分别为0.004 7, 0.004 9mm。比较对车辙贡献最大的中面层形变, 掺玄武岩纤维的高模量中面层形变较低, 仅为0.000 08mm, 这说明采用掺玄武岩纤维的高模量中面层具有良好的抗车辙性能。

1) 采用路面结构设计软件对路面结构中面层厚度进行计算, 结果表明在其他结构层材料、厚度不变时, 掺玄武岩纤维的高模量沥青混合料应用在中面层时厚度可减薄至4.3cm。从设计方面考虑, 采用玄武岩纤维改性高模量沥青混合料可减小半刚性基层沥青路面结构的厚度, 并且完全满足设计规范对弯沉与层底拉应力的要求。

2) 玄武岩纤维高模量沥青混合料抗车辙能力稍稍逊于高模量沥青混合料, 但能较好地缓解使用高模量沥青混合料由于中面层层底拉应力急剧增大导致的下面层反射裂缝迅速发展的现象。