趙冬漢，陳 濤

(蘇交科集團(tuán)股份有限公司，南京 211112)

高溫條件下，瀝青路面在車輛荷載的反復(fù)作用下易產(chǎn)生車轍[1]。從目前干線公路和城市道路的養(yǎng)護(hù)經(jīng)驗(yàn)來看，車轍仍然是最常見的瀝青路面病害之一，尤其是交叉口，車輛頻繁剎車易產(chǎn)生車轍，且比一般路段車轍病害更嚴(yán)重，影響行車舒適性和安全性，降低服務(wù)年限，交叉口車轍已成為干線公路和城市道路養(yǎng)護(hù)維修的通病[2]。

目前干線公路以雙層純?yōu)r青路面結(jié)構(gòu)為主，抗車轍對(duì)策主要為添加抗車轍劑和低標(biāo)號(hào)硬質(zhì)瀝青等，車轍病害會(huì)在2～3年后再次發(fā)生[3]。對(duì)交叉口特殊工況針對(duì)性不足，難以有效解決交叉口特殊工況下的車轍問題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)交叉口車轍進(jìn)行了大量研究，張尤其[4]從路面結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)入手研究交叉口，提出了在交叉口采用雙層SMA設(shè)計(jì)的建議。朱志強(qiáng)[5]在瀝青混合料中添加高黏、高彈改性劑，顯著提升了瀝青的動(dòng)力黏度，瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到10 000次/mm以上。魏璐[6]采用半柔性路面+高模量AC20結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在交叉口應(yīng)用效果優(yōu)異。

為有效解決干線公路和城市道路交叉口車轍問題，本文通過研究車轍變形層位和抗車轍提升理念，對(duì)交叉口抗車轍路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過室內(nèi)試驗(yàn)和實(shí)際工程檢驗(yàn)，探究該結(jié)構(gòu)的抗車轍性能和實(shí)際應(yīng)用效果，以期為交叉口新建及養(yǎng)護(hù)提供技術(shù)思路和方案參考。

1 交叉口抗車轍路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.1 交叉口車轍變形層位特點(diǎn)

本文在S323、S237和S222等江蘇段交叉口深車轍位置處輪跡帶進(jìn)行取芯調(diào)查，并計(jì)算上下面層車轍深度變形占比。

不同層位車轍深度變形占比表示不同層位的變形對(duì)整體車轍深度的影響，可反映發(fā)生車轍變形的主要層位，變形占比Ci計(jì)算公式為

(1)

式中，Ci為車轍深度變形占比，%；Δi為第i層的變形量，cm；Δ為層厚，cm。

芯樣變形層位如表1所示。對(duì)于雙層瀝青路面結(jié)構(gòu)體系，交叉口下面層的車轍深度變形占比相對(duì)較大，為61.4%，說明車轍變形主要位于下面層。上面層采用改性SMA-13，相比其他類型瀝青混合料，車轍變形相對(duì)較小，但占比也達(dá)到了35.7%，說明對(duì)于交叉口，傳統(tǒng)純?yōu)r青路面結(jié)構(gòu)體系的上下面層均會(huì)產(chǎn)生較大的車轍變形。雙層瀝青路面主要在下面層產(chǎn)生變形，需重點(diǎn)補(bǔ)強(qiáng)，上面層也應(yīng)適當(dāng)補(bǔ)強(qiáng)，以提升交叉口整體的抗車轍性能。

表1 芯樣變形層位

1.2 抗車轍性能提升理念

結(jié)合國(guó)內(nèi)外關(guān)于瀝青路面車轍成因、影響因素和抗車轍性能提升相關(guān)研究成果[7-8]，提出以下交叉口瀝青路面抗車轍性能提升理念。

1.2.1 材質(zhì)優(yōu)選理念

抗車轍性能提升理念首先從提升原材料性能考慮，優(yōu)選瀝青、集料和外加劑等原材料。建議選用黏度較大、軟化點(diǎn)較高的聚合物改性瀝青，質(zhì)地堅(jiān)硬、棱角性好、不易破碎的優(yōu)質(zhì)石料，以及抗車轍劑、高黏劑、玄武巖纖維等外加劑，以改善瀝青混合料的力學(xué)性能，提升瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

1.2.2 混合料性能提升理念

從混合料級(jí)配、模量、抗剪強(qiáng)度等角度，針對(duì)性提升混合料性能，提升路面抗車轍性能。在混合料級(jí)配方面，采用間斷級(jí)配的瀝青混合料，提高集料骨架嵌擠力，提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能。在模量方面，采用高模量路面材料設(shè)計(jì)，減少瀝青混合料在高溫及荷載作用下的塑性變形量，有效提升路面抗車轍性能。在抗剪強(qiáng)度方面，交叉口瀝青路面在較大的水平荷載剪切力作用下易產(chǎn)生滑動(dòng)或剪切現(xiàn)象，當(dāng)剪切力超過瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度時(shí)，易誘發(fā)瀝青混合料整體產(chǎn)生剪切流動(dòng)變形，在輪跡兩側(cè)隆起。交叉口可針對(duì)性提高瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，提升路面高溫抗車轍性能。

1.2.3 路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化理念

干線公路交叉口典型路面各結(jié)構(gòu)層車轍貢獻(xiàn)度顯示，主要車轍變形發(fā)生在下面層。因此，可通過優(yōu)化下面層材料，提升路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能，如采用高模量瀝青混合料。同時(shí)，上面層對(duì)車轍貢獻(xiàn)度雖然小于下面層，但也達(dá)到了35.7%，需進(jìn)一步優(yōu)化上面層材料的抗車轍性能。

1.3 抗車轍路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過調(diào)研江蘇省典型交叉口抗車轍方案應(yīng)用效果，對(duì)典型抗車轍方案應(yīng)用效果和適用性進(jìn)行了總結(jié)，典型交叉口抗車轍方案應(yīng)用效果和適用性如表2所示。

表2 典型交叉口抗車轍方案應(yīng)用效果和適用性

由表2可知，超早強(qiáng)半柔性路面材料和高強(qiáng)SMA-13技術(shù)方案在交叉口應(yīng)用效果較優(yōu)，抗車轍性能保持較好。交叉口可以采用超早強(qiáng)半柔性路面和高強(qiáng)SMA-13提升抗車轍性能。

本文結(jié)合交叉口車轍變形層位特點(diǎn)以及混合料性能提升理念、路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化理念，將超早強(qiáng)半柔性路面材料應(yīng)用于交叉口下面層。同時(shí)考慮交叉口特殊工況條件下，上面層抗車轍性能的提升需求。

基于材質(zhì)優(yōu)選理念，采用高強(qiáng)SMA-13技術(shù)方案，對(duì)SMA綜合路用性能進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)上下面層的“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”路面結(jié)構(gòu)，減少上下面層模量差異性對(duì)路面結(jié)構(gòu)耐久性造成的影響。

2 力學(xué)響應(yīng)分析

2.1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為分析“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”路面結(jié)構(gòu)抵抗車輛荷載變形能力，運(yùn)用力學(xué)仿真模型計(jì)算豎向和水平力學(xué)響應(yīng)結(jié)果，并與兩種典型交叉口抗車轍路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，抗車轍結(jié)構(gòu)層優(yōu)化設(shè)計(jì)如表3所示。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，干線公路交叉口路面結(jié)構(gòu)基本設(shè)計(jì)為4 cm+8 cm。如果不同路面結(jié)構(gòu)的基層和底基層結(jié)構(gòu)相同，則基層為36 cm水泥穩(wěn)定碎石，底基層為20 cm水泥石灰穩(wěn)定土。

表3 抗車轍結(jié)構(gòu)層優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2 荷載及材料參數(shù)

本文采用ABAQUS有限元仿真模擬軟件對(duì)交叉口路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。荷載采用雙輪加載[9]，軸載為100 kN，標(biāo)準(zhǔn)軸載，接地壓力為0.77 MPa。雙輪均布荷載作用等效示意如圖1所示。

圖1 雙輪均布荷載作用等效示意(單位：mm)

輪胎行車方向的接地長(zhǎng)度為L(zhǎng)，通常L取0.2～0.3 m，行車的速度為V，計(jì)算得出輪胎經(jīng)過鋪裝層表面某點(diǎn)的時(shí)間。不同行車速度下單次荷載作用時(shí)間如表4所示。

表4 不同行車速度下單次荷載作用時(shí)間

車輛在靜止和勻速行駛時(shí)不考慮輪胎對(duì)地面的水平作用力，僅考慮0.77 MPa豎向接地壓力。當(dāng)車輛啟動(dòng)或制動(dòng)時(shí)，車輛輪胎對(duì)地面產(chǎn)生與行車方向平行的水平摩擦荷載，豎直方向?qū)Φ孛娈a(chǎn)生的荷載大小不變。車輛啟動(dòng)時(shí)，假定加速度為2.5 m/s2，計(jì)算可得對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)軸載對(duì)地面的水平作用力為0.19 MPa；車輛制動(dòng)的減速度為6 m/s2，對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)軸載對(duì)地面的水平作用力為0.46 MPa[10]，有限元模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 有限元模型結(jié)構(gòu)

根據(jù)室內(nèi)動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)結(jié)果，結(jié)合行車速度對(duì)材料進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)標(biāo)定，基層底層和土基的模量、泊松比選用工程典型值。各結(jié)構(gòu)層材料彈性模量及泊松比如表5所示。

表5 各結(jié)構(gòu)層材料彈性模量及泊松比

2.3 豎向力學(xué)響應(yīng)

豎向力學(xué)響應(yīng)主要表征不同行車速度和荷載作用下的路面豎向壓應(yīng)變情況，反映路面結(jié)構(gòu)的豎向力學(xué)性能。對(duì)3種路面結(jié)構(gòu)層有限元模型施加標(biāo)準(zhǔn)軸載，分析各結(jié)構(gòu)在不同荷載作用下的豎向壓應(yīng)變情況，不同行車速度下路面結(jié)構(gòu)的豎向壓應(yīng)變?nèi)鐖D3所示。

(a) 80 km/h

(b) 40 km/h

(c) 20 km/h

(d) 0 km/h圖3 不同行車速度下路面結(jié)構(gòu)的豎向壓應(yīng)變

由圖3可知，行車速度為0～80 km/h時(shí)，同一種路面結(jié)構(gòu)，車速越大，豎向壓應(yīng)變?cè)叫?。結(jié)構(gòu)Ⅱ整層的豎向壓應(yīng)變值基本處于較高水平，其上面層的壓應(yīng)變數(shù)值比其他兩種結(jié)構(gòu)大，下面層在4～6 cm 深度處豎向壓應(yīng)變較大，6～12 cm深度處的壓應(yīng)變數(shù)值與其他兩種結(jié)構(gòu)相當(dāng)。結(jié)構(gòu)Ⅰ在3種結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)優(yōu)異，在各行車速度下其在面層底部的豎向壓應(yīng)變值均最小，表明結(jié)構(gòu)Ⅰ具有優(yōu)異的抗車轍性能。

2.4 水平力學(xué)響應(yīng)

水平力學(xué)響應(yīng)分析考慮車輛在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)對(duì)路面產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，剪切應(yīng)力是造成路面產(chǎn)生車轍的重要原因，本文對(duì)3種路面結(jié)構(gòu)施以相同條件的豎向和水平荷載，檢驗(yàn)路面結(jié)構(gòu)的抗剪性能。不同狀態(tài)下路面結(jié)構(gòu)的水平剪應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

(a) 車輛制動(dòng)

(b) 車輛啟動(dòng)圖4 不同狀態(tài)下路面結(jié)構(gòu)的水平剪應(yīng)變

由圖4可知，在車輛制動(dòng)和啟動(dòng)2種狀態(tài)下，3種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)沿深度方向的水平剪應(yīng)變的變化規(guī)律相同，隨著深度加深，水平剪應(yīng)變逐漸減??；結(jié)構(gòu)Ⅰ和結(jié)構(gòu)Ⅲ的水平剪應(yīng)變明顯小于結(jié)構(gòu)Ⅱ。

路表水平位移值如圖5所示。3種結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)Ⅱ的路表水平位移值最大，結(jié)構(gòu)Ⅰ和結(jié)構(gòu)Ⅲ的路表水平位移值明顯較小，即在路面使用過程中會(huì)產(chǎn)生較小的永久變形量和滑移值，表明結(jié)構(gòu)Ⅰ和結(jié)構(gòu)Ⅲ抗車轍性能較優(yōu)。

圖5 路表水平位移值

基于豎向力學(xué)響應(yīng)和水平力學(xué)響應(yīng)分析結(jié)果，結(jié)構(gòu)Ⅰ的豎向壓應(yīng)變和水平位移值較小，抵抗車輛荷載變形能力較好。

3 室內(nèi)性能試驗(yàn)

3.1 高強(qiáng)SMA-13

3.1.1 原材料

原材料包括玄武巖粗集料、玄武巖細(xì)集料、高黏改性瀝青、礦粉、纖維和抗剝落劑[11]。

3.1.2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)SMA配合比設(shè)計(jì)流程確定級(jí)配和最佳油石比。本文以最佳油石比6.2%成型馬歇爾試件，高強(qiáng)SMA-13馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。本文相關(guān)參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)參考《半柔性路面應(yīng)用技術(shù)指南》[12]。

表6 高強(qiáng)SMA-13馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

3.1.3 路用性能

為研究高強(qiáng)SMA-13路用性能，對(duì)其進(jìn)行車轍試驗(yàn)、低溫彎曲試驗(yàn)和水穩(wěn)定性試驗(yàn)。高強(qiáng)SMA-13 路用性能如表7所示。高強(qiáng)SMA-13動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到12 740次/mm，與常規(guī)SMA-13動(dòng)穩(wěn)定度6 000～8 000次/mm相比，高溫性能提升效果顯著。

表7 高強(qiáng)SMA-13路用性能

3.2 超早強(qiáng)半柔性路面材料

3.2.1 原材料

大空隙基體瀝青混合料原材料包括石灰?guī)r集料、SBS改性瀝青和礦粉，灌漿料采用超早強(qiáng)水泥基灌漿料。超早強(qiáng)型水泥基灌漿料路用性能如表8所示。超早強(qiáng)水泥基灌漿料路用性能均滿足相關(guān)指標(biāo)要求，其流動(dòng)度較大，干縮率較小，可有效提高灌漿率和施工效率。

表8 超早強(qiáng)型水泥基灌漿料路用性能

3.2.2 大空隙基體瀝青混合料

大空隙基體瀝青混合料參考《半柔性路面應(yīng)用技術(shù)指南》[12]進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于選定的級(jí)配和油石比3.2%，對(duì)大空隙基體瀝青混合料的體積指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，大空隙基體瀝青混合料體積指標(biāo)如表9所示，其相關(guān)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。

表9 大空隙基體瀝青混合料體積指標(biāo)

按照推薦水灰比配制灌漿料進(jìn)行灌漿、養(yǎng)生、成型，制作超早強(qiáng)型半柔性路面材料，并測(cè)定其高溫穩(wěn)定性能和水穩(wěn)定性能，超早強(qiáng)半柔性路面材料路用性能如表10所示。超早強(qiáng)半柔性路面材料動(dòng)穩(wěn)定度為37 406次/mm，遠(yuǎn)大于純?yōu)r青混合料，高溫性能較優(yōu)。

表10 超早強(qiáng)半柔性路面材料路用性能

4 工程應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)段概況

江蘇省某新建一級(jí)公路工程，設(shè)計(jì)最大交通量為43 800 pcu/d，交叉口交通量較大，路面抗車轍需求突出。交叉口原路面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為4 cm改性SMA-13+8 cm AC-20C(加抗車轍劑)，根據(jù)以往工程養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，該路面結(jié)構(gòu)難以滿足交叉口的抗車轍需求。選擇某交叉口鋪筑了“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”路面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段，試驗(yàn)段路面結(jié)構(gòu)為4 cm 高強(qiáng)SMA-13+8 cm 超早強(qiáng)SFP-20。

4.2 跟蹤觀測(cè)

試驗(yàn)段通車2年后，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)車轍深度進(jìn)行了檢測(cè)，檢測(cè)路段包括試驗(yàn)段交叉口、同向相鄰交叉口和對(duì)面反向交叉口。其中，同向相鄰交叉口和對(duì)面反向交叉口為原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場(chǎng)車轍檢測(cè)位置示意如圖6所示。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)不同位置車轍深度如表11所示。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)車轍檢測(cè)位置示意

表11 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)不同位置車轍深度 (mm)

由表11可知，試驗(yàn)段車轍深度均值為4.5 mm，同向相鄰交叉口車轍深度均值為8.9 mm，對(duì)面反向交叉口車轍深度均值為11.2 mm。與其他兩個(gè)交叉口相比，試驗(yàn)段車轍深度明顯較淺，路面狀況保持較好，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)未見其他明顯病害。檢測(cè)結(jié)果表明，與原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相比，“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”路面結(jié)構(gòu)抗車轍性能較好，路面狀況較好。

對(duì)面反向交叉口第一車道(左轉(zhuǎn)道)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)車轍深度較大，為12.1 mm，分析原因?yàn)樵撥嚨罏樽筠D(zhuǎn)車道，左轉(zhuǎn)車輛中重載大型貨車占比較大，加速了車轍發(fā)展。

4.3 經(jīng)濟(jì)性簡(jiǎn)析

與常規(guī)SMA-13相比，高強(qiáng)SMA-13成本差異主要為高黏改性瀝青，生產(chǎn)、施工成本無明顯差異，總成本提高約6%～7%。超早強(qiáng)半柔性路面下面層分為基體瀝青混合料和超早強(qiáng)灌漿料，與改性AC-20(加抗車轍劑)相比，成本差異主要為基體瀝青混合料減少了瀝青用量，未使用抗車轍劑，但增加了超早強(qiáng)灌漿料用量。綜合來看，與原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相比，試驗(yàn)段“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”路面結(jié)構(gòu)成本提高50%左右。

根據(jù)相關(guān)的工程經(jīng)驗(yàn)，交通量較大的交叉口，在夏季高溫條件下，2～3年常規(guī)瀝青結(jié)構(gòu)路面車轍可達(dá)10 mm，在建設(shè)成本提高50%的條件下，以10 mm為閾值，若試驗(yàn)段“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”路面結(jié)構(gòu)的抗車轍結(jié)構(gòu)壽命達(dá)到3～4年，經(jīng)濟(jì)效益即可達(dá)到原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，當(dāng)壽命超過3～4年，經(jīng)濟(jì)效益即可超過原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。目前“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”路面結(jié)構(gòu)在工程中應(yīng)用較少，其實(shí)際壽命難以預(yù)測(cè)，但從工程經(jīng)驗(yàn)來看，常規(guī)半柔性路面抗車轍壽命較長(zhǎng)，且目前試驗(yàn)段通車2年，經(jīng)歷夏季高溫氣候考驗(yàn)后，車轍發(fā)展速率相對(duì)較慢，抗車轍效果遠(yuǎn)優(yōu)于原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。因此，從工程經(jīng)驗(yàn)來看，“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”路面結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)效益可有效保障，后續(xù)需對(duì)路況進(jìn)一步跟蹤觀測(cè)。

5 結(jié)論

本文基于交叉口車轍變形層位和抗車轍提升理念，對(duì)交叉口路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過室內(nèi)試驗(yàn)和試驗(yàn)段鋪筑，檢驗(yàn)“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”路面結(jié)構(gòu)的抗車轍性能，并對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，主要結(jié)論如下：

(1) 高強(qiáng)SMA-13動(dòng)穩(wěn)定度為12 740次/mm，超早強(qiáng)SFP-20動(dòng)穩(wěn)定度為37 406次/mm，均超過常規(guī)瀝青混合料水平，表現(xiàn)出優(yōu)異的高溫穩(wěn)定性。

(2) “強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”路面結(jié)構(gòu)豎向壓應(yīng)變和水平位移值較小，抵抗車輛荷載變形能力較好。

(3) 試驗(yàn)段通車2年后，與原設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相比，“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”路面結(jié)構(gòu)車轍深度明顯較小，路面狀況保持較好。

(4) “強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”路面結(jié)構(gòu)抗車轍性能優(yōu)異，且從工程經(jīng)驗(yàn)來看，經(jīng)濟(jì)效益可有效保障。