高速公路改扩建工程高模量沥青混合料路用性能研究

卞海洋，黄毅，郑炳锋，朱富万

(1.江苏省高速公路经营管理中心，江苏 南京 210000；2.苏交科集团股份有限公司)

1 引言

中国早期建设的高速公路多为四车道，随着区域经济水平的发展、交通量增加，已经无法满足交通运输的需求。改扩建工程通常将四车道拓宽为八车道，有效提升了道路服务水平。基于“分车道设计”理念，拓宽的第三、四车道将按行驶货车进行管理，这势必给拓宽车道路面结构的抗车辙能力和承载能力提出了更高的要求。车辙及弯沉盆参数作为反映路面结构强度的指标，能够有效评价路面承载力。

多项研究表明：提高沥青混合料的模量能够减小沥青混合料内产生的应变和不可恢复的残余变形，提高路面的抗车辙能力。高模量沥青混合料EME的概念来自法国，其特点是采用低标号硬质沥青和较高的油石比，使得混合料兼顾高模量和耐久性，在改造及新建工程中逐渐得到了应用。

该文结合某高速公路改扩建工程，以车辙和弯沉盆参数为指标评价高模量拓宽路面结构的应用效果。考虑到某高速公路拓宽车道的设计交通荷载等级为特重,设计使用年限内当量设计轴载累计作用次数Ne3达到5.47×107轴次，以及施工期转换交通中面层临时通行的需求，在上行方向K1 015+105～K1 018+020铺筑了高模量EME-14试验路，施工段长度约为2.9 km，高模量EME-14试验段路面结构形式见表1。表2为高模量沥青混合料EME-14的矿料级配范围。

表1 拓宽路面高模量EME-14试验路结构方案

表2 高模量沥青混合料EME-14矿料级配范围

经过室内试验确定的目标配合比如表3所示，设计的EME-14高模量沥青混合料矿料比例为1#∶2#∶3#∶细集料∶矿粉=32.0%∶20.0%∶10.0%∶35.0%∶3.0%，油石比为5.8%。高模量EME-14体积指标及性能试验结果列于表4，所有指标均满足相关技术要求。

表3 高模量沥青混合料EME-14目标配合比

表4 高模量沥青混合料EME-14体积指标及性能检验结果

高模量EME-14经过试拌、试铺确定的生产配合比如表5所示。各热料仓比例为：4#仓∶3#仓∶2#仓∶1#仓∶矿粉=35.5%∶17.5%∶12.0%∶30.0%∶5.0%，油石比为5.9%。

表5 高模量沥青混合料EME-14生产配合比

2 拓宽路面车辙状况评价

为了更好地分析高模量EME-14路面结构抵抗车辙的能力，选取沥青层内竖向压应变、剪应力、剪应变等力学指标，对比分析高模量EME-14和常规路面结构方案“SMA-13+SUP-20+SUP-25”在荷载作用下结构内部应力、应变状况。同时对比分析高模量EME-14和常规路面结构方案在设计使用年限内当量设计轴载累计作用次数下沥青混合料的永久变形量。

2.1 当量设计轴载累计作用次数下沥青混合料永久变形量分析

根据JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》，预估在当量设计轴载累计作用次数下，拓宽车道沥青混合料的永久变形量。由于沥青层内竖向压应力沿路面深度方向逐渐变小，沥青层内竖向压应力越小，沥青层内产生的永久变形量越小。为了计算沥青层总变形量，将沥青混合料层总共分为8个分层。其中：① 40 mm上面层分为(10+15+15)mm，共3层；② 80 mm中面层分为(20+20+20+20)mm，共4层；③ 80 mm下面层作为1层。

采用Bisar软件对沥青混合料层各分层顶面的竖向压应力进行计算，竖向压应力的计算点选取位置如图1所示。

图1 沥青层内竖向压应力计算位置

路面结构各结构层的模量取值如表6所示，其中沥青混合料层采用20 ℃、10 Hz条件下的动态压缩模量，无机结合料稳定层采用经过调整系数修正过的弹性模量。路基采用平衡湿度状态下并考虑干湿与冻融循环作用后的顶面当量回弹模量。

表6 拓宽路面结构层模量取值

将高模量和常规路面结构沥青分层永久变形量的计算结果绘于图2中。相比于常规沥青混合料类型(SMA-13+SUP-20+SUP-25)，高模量EME-14的沥青分层永久变形量均较低。主要原因为：① 中、下面层均采用EME-14沥青混合料，有效减少了沥青分层永久变形，尤其是下面层采用EME-14取代常规路面结构的SUP-25，下面层永久变形量由1.75 mm显著降低到0.75 mm；② 相比于改性沥青混合料SUP-20和道路石油沥青混合料SUP-25，高模量EME-14混合料自身具有更高的动稳定度，更好的抗车辙性能。

图2 拓宽路面结构沥青分层永久变形量

设计使用年限内，在当量设计轴载累计作用次数下的沥青层总永久变形量如图3所示。相比于常规路面结构，采用高模量EME-14方案有效降低了沥青层永久变形量，这与现场车辙深度检测结果得出的规律相符合。

图3 设计使用年限内沥青层总永久变形量

2.2 沥青层内剪应力和剪应变分析

当沥青混合料受到高温重载作用，由车轮荷载产生的剪应力超过了沥青混合料自身的抗剪强度时，沥青混合料出现侧向位移，产生流动性车辙。降低了沥青混合料的剪应力，剪应变增大，故控制流动性车辙十分重要。下面分别对高模量EME-14和常规路面结构沿路表、不同深度的剪应力进行计算，计算点位选取如图4所示的A(0，0，z)、B(0.055 3，0，z)、C(0.159 8，0，z)、D(0.266 3，0，z)共4个点，计算结果见图5。

图4 沥青层内剪应力计算点位分布

由图5可知：距离路表深度为1和3 cm时，B点和D点处剪应力最大，即在沥青混合料上面层内，轮胎两侧边缘位置处的剪应力最大。在距离路表深度为5～19 cm时，C点处剪应力最大，即在沥青混合料中、下面层，双圆荷载中单圆荷载中心点的剪应力最大。在A点处，即双圆荷载中心点位置处，沥青面层剪应力最小。

高模量EME-14和常规路面结构沿深度方向最大剪应力分布如图6所示。

图5 常规路面结构沥青层内不同计算点位剪应力分布

图6 沥青层内最大剪应力沿深度方向分布

由图6可知：在C点处，相比常规路面结构，采用高模量EME-14沥青混合料最大剪应力降低了17.1%，且在中面层范围内剪应力均降低，这有利于减少中面层沥青混合料在高温重载环境下流动性车辙的产生。在B、D点，高模量EME-14和常规路面结构最大剪应力沿深度方向分布基本相当。

分别对高模量EME-14和常规路面结构不同位置沥青层内最大剪应变进行计算，结果如图7所示。

图7 沥青层内最大剪应变沿深度方向分布

由图7可知：常规路面结构中，单侧轮内、外侧边缘(B、D点)最大剪应变沿路表深度方向逐渐减小。单侧轮中心(C点)最大剪应变呈现先增后减的趋势，峰值位于距路表深度7 cm的中面层内。

高模量路面结构中，单侧轮载内侧、中心点、外侧(B、C、D点)最大剪应变沿路表深度方向呈现递减趋势。最大剪应变在上、中、下面层内较常规路面结构均降低，尤其中面层范围内，最大剪应变降低幅度最显著。可见，中、下面层采用高模量沥青混合料EME-14+EME-14，取代常规路面结构的SUP-20+SUP-25，有助于降低沥青混合料内最大剪应变水平，进而减少流动性车辙的产生。

因此，在相同当量设计轴载累计作用次数下，采用高模量EME-14沥青混合料可以有效减少沥青分层永久变形量。同时，高模量EME-14结构可以有效减少沥青层内剪应力、剪应变，能够减少流动性车辙的产生。

改扩建完成通车1年后，采用激光断面仪对拓宽车道进行车辙深度检测，每10 m输出一个车辙深度RD。以未使用高模量EME-14临近路段作为对比段，对拓宽车道路面车辙状况进行分析(图8)。

图8 拓宽路面车辙深度

由图8可知：使用高模量EME-14沥青混合料路段路面车辙深度相对较小，为(2.7±2.0)mm，而对比段和桥面铺装路段车辙深度分别为(3.8±2.5)mm和(4.4±3.2)mm。

3 拓宽路面承载力状况评价

改扩建完成后，对高模量路段和对比段进行了落锤弯沉检测，为了尽可能真实地描述沥青路面结构弯沉盆的曲线形状，在测试时，布设7个传感器。随着距离荷载中心位置的增大，传感器的间距适当增大，传感器布设的具体间距为0、20、30、45、60、90、120 cm。利用检测得到的中心点弯沉D0和弯沉盆数据，对拓宽路面结构的承载力进行评价。

统计中心点弯沉值D0，结果列于表7。

表7 拓宽路面结构中心点弯沉值D0

由表7可得：高模量EME-14路段的中心点弯沉值D0最小，为(3.1±0.4)(0.01 mm)。但由于路面中心点弯沉值的测量结果是各个结构层结构性能的综合反应，因此，需要采用弯沉盆参数对拓宽路面结构的承载力进行进一步分析。

根据应力扩散角理论(图9)和路面结构层厚度，弯沉盆曲线0～20 cm受沥青面层模量影响最大，因此确定利用弯沉盆参数D0-D20来评价面层响应。分别采用D20-D60、D60-D120评价基层、底基层状况。由于最远端弯沉点和路基模量相关性较大，采用D120评价路基状况(表8)。

图9 应力扩散角理论示意图

表8 拓宽路面结构弯沉盆参数

由表8可知：上行方向高模量EME-14的面层弯沉盆参数D0-D20为(6.8±4.7)μm，远小于对比路段。而高模量路段和对比段的基层弯沉盆参数D20-D60、底基层弯沉盆参数D60-D120以及路基弯沉盆参数D120均处于相同水平。这表明高模量路段结构承载能力较好的主要原因是面层采用高模量沥青混合料EME-14，有效提高了路面整体结构承载力。

4 结论

(1)根据沥青混合料永久变形量预估模型，高模量EME-14路面结构(SMA-13+ EME-14+ EME-14)和常规路面结构(SMA-13+SUP-20+SUP-25)在当量设计轴载累计作用次数下的永久变形量分别为12.52和14.31 mm，表明采用高模量EME-14沥青混合料可以有效减少沥青各个分层永久变形量。

(2)通过对高模量EME-14路面结构和常规路面结构沥青层内剪应力和剪应变分析，表明高模量EME-14路面结构可以有效减少沥青层内剪应力、剪应变，从而能够减少流动性车辙的产生。

(3)根据运营1年后对拓宽车道车辙状况检测，结果表明高模量EME-14路段车辙深度为(2.7±2.0)mm，低于对比段的(3.8±2.5)mm以及桥面铺装段的(4.4±3.2)mm，这与理论分析结果一致。

(4)高模量EME-14路段中心点弯沉D0为(3.1±0.4)(0.01 mm)，面层弯沉盆参数D0-D20为(6.8±4.7)μm，均优于对比段。表明拓宽路面结构面层采用高模量沥青混合料EME-14，能够有效提高路面整体结构承载力。

通过对改扩建工程拓宽车道路面的后评估，不难发现，拓宽车道采用高模量EME-14结构方案能够有效提高路面抗车辙能力和承载力，满足改扩建工程拓宽车道重载交通的需求。