泡沫沥青冷再生混合料沥青路面永久变形预估研究

作者：杨清华唐红香郭思均

单位：西南交通建设集团股份有限公司

摘要：针对国道滨州港—榆林公路阜城—武邑段养护改造工程, 通过击实试验、劈裂强度试验、动态模量试验等室内试验和数值计算, 进行了泡沫沥青冷再生混合料配合比设计及沥青路面永久变形预估等工程应用研究。研究结果表明:泡沫沥青冷再生混合料的配合比设计为铣刨料82. 5%、石粉16%、水泥1. 5%, 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;阜武公路泡沫沥青冷再生混合料的动态模量为2 431MPa;考虑全年温度分布频率、轴载等级分布频率基于线性叠加原理提出沥青路面永久变形预估方法, 该预估方法可模拟沥青路面结构全温域受力过程, 准确预估其容许永久变形寿命。经计算, 阜武公路的容许永久变形寿命为10年。

关键词：道路工程沥青路面冷再生混合料配合比动态模量永久变形

作者简介：杨清华, 高级工程师, 副总工程师, 技术中心主任, E-mail:464649428@qq.com;

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^[1,2]。美国Ladi Csanyi博士首次将泡沫沥青用作道路稳定土基层的稳定剂^[3], 之后, 澳大利亚、南非等国家进行了深入研究, 提出了泡沫沥青冷再生混合料设计规程及施工手册, 其工程应用非常广泛。国内应用泡沫沥青冷再生技术起步相对较晚, 由于地区差异、气候条件变化、旧料性能波动, 致使该技术在沥青发泡特性、混合料配合比设计、路用性能等方面仍存在技术不足, 亟待在工程实践中进行相关研究^[4,5,6]。

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^[5]。采用70号基质沥青制备泡沫沥青, 其技术指标满足规范规定要求^[6]。采用室内小型Wirtgen WLB l0S试验发泡装置进行3种不同沥青试验温度 (150, 160, 170℃) 和4种不同发泡用水量 (1.5%, 2.0%, 2.5%, 3.0%) 的发泡特性试验研究。根据室内发泡试验, 确定70号沥青的最佳发泡条件:发泡温度160℃, 发泡用水量2.3%, 满足技术规范要求。

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。

图1 阜武公路沥青路面铣刨料级配曲线

Fig.1 Grading curves of the asphalt pavement milling material

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。

图2 合成级配曲线

Fig.2 Synthesis grading curves

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

动态模量更加真实地模拟了路面结构层材料在重复荷载作用下的受力状况, 是预测路面结构力学响应和路用性能的关键参数^[7,8]。

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。

表1 动态模量试验结果
Table 1 Test results of the dynamic modulus

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^[9]。衡水市沥青路面全年温度分布频率如图3所示。

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。

图4 沥青路面沥青层不同深度温度分布曲线

Fig.4 Temperature distribution curves of asphalt pavement at different depths

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5 高等级公路沥青路面交通轴载分布

Fig.5 Axle load distribution of asphalt pavement on high grade highway

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

表2 阜武公路路面结构
Table 2 Pavement structure of Fucheng-Wuyi Highway

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^[10], 如图7所示, 可得阜武公路沥青面层材料不同温度的弹性模量, 如表4所示。水泥稳定碎石基层和石灰土底基层的弹性模量分别取3 000MPa和1 500MPa, 泊松比均取0.25;土基弹性模量取40MPa, 泊松比取0.35;泡沫沥青冷再生混合料柔性基层动态模量取值为2 431MPa, 泊松比取0.25。

表3 轴载与轮胎压力关系
Table 3 Relationship between axle load and tire pressure

图7 沥青路面内温度与模量关系

Fig.7 Relationship between temperature and modulus in asphalt pavement

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^[11,12,13], 最大剪应力τ_max与偏应力σ₀可建立如下关系:2τ_max=σ₁-σ₃=σ₀。假定不同轴载作用半径不变, 均为0.106 5m, 两轮中心间距0.319 5m。沥青路面结构 (包括路基) 共设置9层, 其中面层5层 (上面层2层、下面层3层) , 柔性基层1层, 基层和底基层各1层, 路基1层。假定层间完全连续, x轴为道路行车方向, y轴为道路横断面方向, z轴为路面结构深度方向。沥青层厚按中上面层每层厚0.025m, 下面层层厚分别为0.01, 0.03, 0.03m。利用Bisar3.0软件计算可得阜武公路不同温度区间不同轴载等级轮胎作用中心位置沥青层的偏应力分布。以温度区间 (20～25]℃不同轴载等级偏应力沿沥青层深度的分布为例, 如图8所示。

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。

图9 AC-13与AC-20永久应变曲线

Fig.9 Permanent strain curves of AC-13 and AC-20

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。

表5 AC-13沥青混合料力学模型拟合参数
Table 5 Fitting parameters of asphalt mixture mechanical model of AC-13

表6 AC-20沥青混合料力学模型拟合参数
Table 6 Fitting parameters of asphalt mixture mechanical model of AC-20

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;h_i为沥青层第i亚层厚度 (mm) ;ε_i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

Fig.10 Permanent strain and deformation distribution of asphalt layer with different axle load grade in (20～25]℃

表7 阜武公路永久变形
Table 7 Permanent deformation of Fucheng-Wuyi Highway

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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Study on Permanent Deformation Prediction of Foamed Asphalt Cold Recycling Mixture Asphalt Pavement

YANG Qinghua TANG Hongxiang GUO Sijun

(Southwest Communications Construction Group Co., Ltd.)

Abstract: According to the maintenance and renovation project to Fucheng-Wuyi section of national highway Binzhou Port-Yulin Highway, the engineering application research of the mixture ratio design of asphalt cold recycling mixture and permanent deformation prediction of asphalt pavement is carried out through laboratory tests such as compaction test, split strength test and dynamic modulus test and numerical calculation. The results show that the mixture ratio design of foamed asphalt cold recycling mixture is the milling material 82. 5%, stone powder 16% and cement 1. 5%, the optimum foamed asphalt dosage 2. 5%, optimum moisture content 6. 3%, Marshall stability and freeze-thaw splitting strength ratio test performance meet the technical requirements; dynamic modulus of foamed asphalt cold recycling mixture of Fucheng-Wuyi Highway is 2 431 MPa. Considering the annual temperature distribution frequency and axle load grade distribution frequency, based on the linear superposition principle, a method for predicting the permanent deformation of asphalt pavement is proposed, the prediction method can simulate the whole temperature domain stress process of asphalt pavement structure, whose allowable permanent deformation life is accurately predicted. By calculation, the allowable permanent deformation life of Fucheng-Wuyi Highway is 10 years.

Keywords: road construction; asphalt pavement; cold recycling mixture; mixture ratio; dynamic modulus; permanent deformation;

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