泡沫沥青冷再生混合料沥青路面永久变形预估研究
0 引言
泡沫沥青冷再生作为一种新型“绿色”复合结合料的道路维修技术, 其在经济性、环保性等方面具有明显优势
本文依托国道滨州港—榆林公路阜城—武邑段养护改造工程, 探究了泡沫沥青冷再生混合料的配合比设计及动态模量性能, 并在此基础上研究了考虑温度分布、轴载分布的阜武公路泡沫沥青冷再生混合料沥青路面的永久变形性能, 为泡沫沥青冷再生混合料沥青路面大中修养护工程提供参考。
1 泡沫沥青冷再生混合料试验
1.1 沥青发泡试验
沥青本身的发泡性能直接影响泡沫沥青混合料的质量
1.2 配合比设计
试验中采用的沥青路面铣刨旧料取自国道滨州港—榆林公路阜城—武邑段养护改造工程, 铣刨料级配曲线如图1所示。
由图1可知, 阜武公路沥青路面铣刨料粒径均不同程度呈现出两头稀缺、中间集中的状况。其中, >9.5mm的骨料为34.8%, 特别是>19mm的大粒径骨料更是只有7.3%, 在关键筛孔4.75mm与级配下限接近。
本文采用的石粉为石灰岩, 产地赞皇县, 粒径0~3mm, 洁净, 无杂物。其筛分结果为:筛孔尺寸0.075, 0.15, 0.6, 1.18, 2.36, 4.75, 9.5mm, 对应通过百分率分别为21.2%, 26.4%, 39.1%, 55.8%, 74.5%, 99.6%, 100%。
本项目活性填料选用水泥材料为P·S·A32.5, 产地奎山, 干燥、无杂物、无结块。
泡沫沥青冷再生混合料掺配比例:铣刨料82.5%、石粉16%、水泥1.5%。泡沫沥青冷再生混合料合成级配如图2所示。
通过击实试验、劈裂强度试验确定了泡沫沥青冷再生混合料最佳泡沫沥青用量2.5%, 最佳含水率6.3%, 其马歇尔稳定度和冻融劈裂强度比性能检验满足技术要求。
1.3 动态模量试验
选用单轴压缩动态模量研究泡沫沥青冷再生混合料的动态模量, 为后续研究泡沫沥青冷再生混合料柔性基层沥青路面结构的永久变形预估提供材料参数。
动态模量试验温度为20℃, 加载频率为10Hz。静压成型制成直径为 (100±2) mm、高为 (150±2.5) mm的圆柱体试件。施加一个大小为试验荷载5%的接触荷载对试件进行预压, 持续10s, 使试件与上下加载板接触良好。施加半正矢波轴向压应力。重复加载200次采集最后5个波形的荷载及变形曲线。泡沫冷再生沥青混合料动态模量试验结果如表1所示。因此, 阜武公路泡沫沥青冷再生混合料的动态模量取值为2 431MPa。
2 温度分布
阜武公路地处河北省衡水市, 以5℃的温度间隔划分11个温度区间, 然后统计出每个温度区间全年时间总数占整年时间比例, 即可得到不同温度区间的实测路面全年温度分布频率。为研究方便, 取每个温度段的中间温度作为代表温度

图3 衡水市沥青路面全年温度分布频率柱状图
Fig.3 Histogram of annual temperature distribution frequency of asphalt pavement in Hengshui
根据阜武公路沿线气象资料, 通过程序计算得到沥青路面结构层内部温度沿深度分布情况, 如图4所示。
3 温度-轴载分布
阜武公路改造升级后属于一级公路, 根据经验, 交通量年平均增长率取值为8%。不考虑小客车和自然数对路面的影响, 根据2016年交通量2 313辆/d, 得到年交通量844 245辆。实测高等级公路沥青路面交通轴载分布频率如图5所示。阜武公路年平均交通量 (双向) 乘以方向分配系数0.5、车道分配系数0.7和轮迹横向分布系数0.3得单车道轮迹宽度年平均交通量。标准路段80km/h, 单次荷载作用时间为0.010 2s, 室内试验加载作用时间为0.2s, 考虑时间折减, 实际交通轴载作用次数乘以折减系数0.051。温度-轴载分布即不同轴载等级的交通量分布, 用轴载等级的交通量乘以交通轴载分布频率和温度分布频率计算得到。阜武公路2017年不同温度区间行车道轮迹宽度轴载分布如图6所示。
4 沥青层偏应力分布
4.1 路面结构模型
阜武公路路面结构如表2所示。

图6 2017年不同温度区间行车道轮迹宽度轴载分布
Fig.6 Axle load distribution of lanes width in different temperature ranges
4.2 荷载模型
假定不同轴载等级作用接地面积不变, 即采用标准轴载BZZ-100时的接地面积0.036m2, 接地宽度均为156mm。不同轴重对应的轮胎压力如表3所示。
4.3 沥青路面材料参数
根据沥青路面结构层沿深度方向温度曲线计算, 得出路面结构模型中不同层位的沥青混凝土模量曲线
表4 沥青路面不同深度弹性模量及泊松比分布
Table 4 Distribution of elastic modulus and Poisson’s ratio at different depths of asphalt pavement

4.4 偏应力计算
本文沥青混合料黏弹性力学模型以偏应力σ0反映其受力状态, 其偏应力σ0等于主应力σ1与σ3之差 (σ1≥σ3) 。根据弹性力学应力状态分析
![图8 温度区间 (20~25]℃不同轴载等级偏应力沿沥青层深度的分布](/User/GetImg.ashx?f=SGJS/11875//SGJS201911018_04300.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVDhUSFJPNHdUWFVUQmhMMzR5THdhcWtLalQ0ST0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!)
图8 温度区间 (20~25]℃不同轴载等级偏应力沿沥青层深度的分布
Fig.8 Partial stress distribution along the depth of asphalt layer at different axle load levels in (20~25]temperature range
5 沥青混合料永久变形模型
通过三轴重复荷载试验得到AC-13和AC-20在20, 30, 40, 50℃的永久变形曲线, 如图9所示。图9中右边数字的含义分别为温度-应力, 以20-0.4为例, 含义为温度20℃, 应力0.4MPa。
根据重复荷载永久变形的黏弹性力学模型, 如式 (1) 所示, 采用MATLAB软件对试验数据进行拟合, 可得沥青混合料力学模型拟合参数, 如表5~6所示。

6 沥青层永久应变
按阜武公路沥青路面结构路面材料永久应变模型, 不同温度区间 (20~25], (25~30], (30~35], (35~40]℃取其代表温度即22.5, 27.5, 32.5, 37.5℃。将其偏应力、代表温度和轴载作用次数代入永久应变模型, 计算阜武公路沥青路面结构永久应变。以2017年阜武公路沥青路面结构温度区间 (20~25]℃不同轴载等级的永久应变为例, 如图10a所示。
7 沥青层永久变形
按阜武公路沥青路面结构偏应力计算时面层分层方法, 面层共分为5层, 上面层厚度为50mm, 分为2层, 每层厚度为25mm;下面层厚度为70mm, 分为3层, 每层厚度分别为20, 20, 30mm。面层共厚120mm。通过引入分层分区叠加的思路, 将不同温度区间和分层的永久变形线性叠加。沥青路面永久变形预估公式如式 (2) 所示。以2017年阜武公路沥青路面结构温度区间 (20~25]℃不同轴载等级的永久变形计算为例, 如图10b所示。同理, 可计算阜武公路设计年限内每年不同温度区间的永久变形, 如表7所示。

式中:Δh为沥青层永久变形 (mm) ;m为路面结构周围环境温度分区数;n为路面结构分层数;hi为沥青层第i亚层厚度 (mm) ;εi为沥青层第i亚层永久应变, 通过式 (1) 计算得到。
由表7可知, 阜武公路每年永久变形的增幅呈现逐渐减小趋势, 符合永久变形的发展规律。通常, 高等级公路的永久变形深度宜≤10mm, 以避免路面积水导致行驶车辆产生滑漂。由表7可看出, 通车5年后, 路面永久变形>10mm, 应采取措施及时进行修补和养护。否则, 当路面永久变形>15mm时, 将严重影响车辆行驶的舒适性, 威胁行车安全, 不得不对路面进行翻修。以此为依据, 可判断得到阜武公路的永久变形寿命为10年。
![图1 0 (20~25]℃时不同轴载等级沥青层永久应变与变形分布](/User/GetImg.ashx?f=SGJS/11875//SGJS201911018_05800.jpg&uid=WEEvREcwSlJHSldTTEYzVDhUSFJPNHdUWFVUQmhMMzR5THdhcWtLalQ0ST0=$9A4hF_YAuvQ5obgVAqNKPCYcEjKensW4IQMovwHtwkF4VYPoHbKxJw!!)
图1 0 (20~25]℃时不同轴载等级沥青层永久应变与变形分布
Fig.10 Permanent strain and deformation distribution of asphalt layer with different axle load grade in (20~25]℃
8 结语
1) 依托阜武公路养护改造工程项目, 通过击实试验、劈裂强度试验确定了泡沫沥青冷再生混合料最佳泡沫沥青用量2.5%, 最佳含水率6.3%, 其马歇尔稳定度和冻融劈裂强度比性能检验满足技术要求。
2) 确定了阜武公路泡沫沥青冷再生混合料的动态模量, 为泡沫沥青冷再生混合料沥青路面结构分析提供数据支撑。
3) 通过实测及模型计算得到阜武公路全年温度分布频率、沥青层沿深度温度分布曲线、高等级公路沥青路面交通轴载分布和不同温度区间行车道轮迹宽度轴载分布。
4) 基于线性叠加原理, 考虑温度分布频率和轴载分布频率, 提出沥青路面永久变形预估方法, 以15mm为永久变形临界值, 准确计算出阜武公路泡沫沥青冷再生混合料沥青路面的容许永久变形寿命为10年。
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