联结层模量大小对长寿命沥青路面力学性能的影响研究

李 俊，邱 蒙

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司，湖北武汉 430015）

0 引言

近年来，随着交通荷载的日益增加、交通量的持续增长，沥青路面早期破坏严重，路面需要进行频繁的维修，不仅造成建设投资的浪费，还给正常的社会活动带来不便[1]。国外一些国家提出了长寿命沥青路面的概念，这种沥青路面的设计寿命一般超过30年，并且在其使用期限内，路面损坏仅发生在路表一定深度范围内，而路面结构不会发生破坏，即只需要定期对路表进行维修即可。长寿命沥青路面根据功能将沥青层分为3个层次——磨耗层，主要提供路面表面功能作用；联结层，主要起抵抗车辙破坏作用；基层，主要抵抗疲劳破坏作用。所以，要实现长寿命沥青路面设计，如何提高联结层的抗车辙能力是其中关键之一。根据国外经验，高模量抗车辙沥青混合料具有很大的劲度，能够很好地抵抗车辙。

高模量沥青混合料在法国的应用较早。20世纪80年代初期，为了应对重载交通的快速增长，法国开始研究采用高硬度沥青提高沥青混合料抗车辙变形能力。与此同时，由于一些路面的补强工程和修复工程对厚度有限制，如在市区，路面下掩埋有管道、路缘石等，在挖掘深度上有限制，需要使用薄的沥青混合料铺装层，并且要保证它的抗车辙能力等路用性能，这促使道路研究者寻找一种比传统沥青混凝土模量更高的路面材料，使其既有高的抗车辙性能，同时又能减薄结构层厚度。1980年具有这种功能的材料——GBTHP（路面专用沥青处治沙砾）首次出现，1981年便用于旧路加固工程中。当时的石油危机又促使寻找在保证路面使用性能的前提下减少沥青用量的方法。于是，高模量沥青混合料不再仅仅用于养护工程，而是开始作为新建路面的基层材料使用。由于使用该材料所产生的经济效益高于传统的沥青作为结合料的混凝土，而且在一些地区能够弥补当地集料软弱的不足，所以其便作为新建路面基层出现在收费高速公路上。

综上所述，高模量沥青混合料应用于长寿命沥青路面的联结层，既能提高路面的承载能力，使其具有良好的抗车辙性能，又能起到很好的连接和扩散荷载的作用，同时还能拥有减薄沥青层厚度的效果。由此可见，高模量联结层是长寿命沥青路面设计中一个关键的层次，对其进行研究，是长寿命沥青路面的一个重要组成部分，具有重要的现实意义。

1 路面结构组合及计算图示

本文首先选取不同沥青种类（即克拉玛依70#沥青、克拉玛依90#SBS改性沥青和SK90#SBS改性沥青）配制的AC-20沥青混合料，作为长寿命沥青路面的联结层来进行分析研究[2]，并将三种长寿命沥青路面结构依次编号为P1、P2和P3。所选长寿命沥青路面结构组合以及路面结构各层模量和泊松比见表1[2-4]。

长寿命沥青路面设计指标如图1所示，即考虑沥青层上部的剪应力、基层顶面的弯拉应变和路基顶面的压应变。本文利用BISAR软件，计算上述三种长寿命沥青路面结构三处位置各指标值，计算图示如图2所示。其中，p=0.7MPa，r=0.1065m。点A处于左侧轮载正下方，距沥青层表面5 cm；点B和C位于轮载对称中心轴，分别处在基层顶面和路基顶面。

表1 长寿命沥青路面结构组合及材料参数

图1 长寿命沥青路面设计指标

图2 计算图示

2 试验结果分析

利用BISAR软件，对三种类型长寿命沥青路面沥青层层内剪应力、沥青层层底弯拉应变和路基顶面压应变进行求解，结果见表2。

由表2可知，当长寿命沥青路面联结层采用AC-20沥青混合料时，其模量越大（路面结构P1、P2和P3联结层AC-20沥青混合料模量分别为1 233 MPa、1 446 MPa和 1 550 MPa），则长寿命沥青路面沥青层层内剪应力和路基顶面压应变逐渐减小，这说明联结层模量较大时，可以更好地防止长寿命沥青路面在服务年限之内发生沥青层剪切变形破坏和路基顶面沉降，从而降低养护维修频率和节约工程造价。对于沥青层层底弯拉应变，三种长寿命沥青路面结构之间差别不大，说明联结层模量的大小对长寿命路面沥青层层底弯拉应变影响相对较小，即当以较小幅度提升联结层模量时，不能有效地降低长寿命沥青路面发生疲劳开裂的概率。

表2 三种长寿命沥青路面计算结果

为了更进一步验证联结层模量大小对长寿命沥青路面力学性能的改善作用，该文假设将联结层AC-20沥青混合料的模量提高至2 000 MPa、3 000 MPa和4 000 MPa，并将此时的长寿命沥青路面结构分别记为P4、P5和P6。对这三种路面结构进行求解，并结合前三种长寿命沥青路面求解结果，绘图如图3所示。

由图3可知，随着联结层模量继续增大，长寿命沥青路面沥青层层内剪应力和路基顶面压应变不断减小，这与前文分析结果一致，说明联结层模量越大时，长寿命沥青路面能更好地抵抗剪切变形和路基沉降。当联结层模量达到2 000 MPa以上时，沥青层层底弯拉应变发生急剧下降，这说明联结层模量大小达到一定程度时，能够极大地改善沥青层层底抗疲劳开裂性能。由以上分析可得，在设计施工水平和工程造价允许的条件下，可以尽量提高联结层模量值，从而保证长寿命沥青路面具有更好的服务性能和使用寿命。

图3 六种长寿命沥青路面各指标计算结果图

3 结论

当长寿命沥青路面联结层采用AC-20沥青混合料时，其模量越大，则长寿命沥青路面沥青层层内剪应力和路基顶面压应变越小。对于沥青层层底弯拉应变，前三种长寿命沥青路面结构之间差别不大。随着联结层模量继续增大，沥青层层内剪应力和路基顶面压应变不断减小。当联结层模量达到2 000 MPa以上时，沥青层层底弯拉应变发生急剧下降。总之，在设计施工水平和工程造价允许的条件下，可以尽量提高联结层模量值，从而保证长寿命沥青路面具有更好的服务性能和使用寿命。

[1]马骉，毛雪松，刘保健等.中国道路工程学术研究综述2013[J].中国公路学报，2013，26（3）：1-36.

[2]李娜.高模量沥青混合料研究[D].西安：长安大学，2007.

[3]崔鹏，邵敏华，王国英等.长寿命沥青路面结构组合探讨[J].中南公路工程，2007，32（3）：6-10.

[4]雷文茂.复合式基层长寿命沥青路面结构分析[D].长沙：中南大学，2010.