焦兴华 刘 锋 许新权 张国民

(广东省南粤交通仁博高速公路管理中心1) 韶关 512000) (广东华路交通科技有限公司2) 广州 510420) (公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心3) 广州 510420)

0 引 言

沥青混合料强度的形成和力学性能与构成其的集料类型和级配组成有着密不可分的联系，因此，不同类型的沥青混合料构成的沥青路面结构也必然产生不同的力学性能[1-2].沥青路面中通常采用的石灰岩机制砂(细集料)能显著的提高沥青路面的力学性能和路用性能，同时，采用闪长岩粗集料替代后的沥青混合料路用性能明显优于单一石灰岩矿料级配沥青混合料[3-4].但考虑到广东河源地区盛产辉绿岩，为了充分利用该种集料，也为了探讨灰绿岩作为细集料及由其组成的沥青混合料异同对沥青路面结构力学性能的影响，同时，文献[5]将沥青混合料的动态模量引入沥青路面设计，其对动态模量典型值的规定仅仅是一个适用于全国的范围值.

文中依托广东省仁新高速试验段实体工程，以广东省和湖南省的辉绿岩为粗集料，广东省的辉绿岩和石灰岩为细集料设计沥青混合料，探讨适合广东地区沥青路面设计时使用的动态模量及其对沥青路面力学响应和疲劳寿命的影响.

1 仁新高速公路试验段概述

广东省仁化(湘粤界)至博罗公路仁新段(简称仁新高速公路)是国家高速公路网武深高速的重要组成部分，项目位于韶关市、河源市境内，路线整体呈南北走向，起点位于韶关市仁化县城口镇，接湖南省炎陵至汝城(湘粤界)高速公路，经韶关市仁化、始兴、翁源县和河源市连平县，终点接大广高速公路，主线全长约163.9 km.仁新高速公路路面的基本结构形式见图1.其试验段位于翁源收费站附近，该试验段表面层采用图2的三种铺筑方案，中、下面层粗细集料均采用石灰岩.

图1 仁新高速公路沥青路面结构示意图

图2 试验段表面层铺筑方案(单位:m)

2 试验段表面层沥青混合料组成设计分析

2.1 机制砂性能试验分析

为了获得分别由灰绿岩和石灰岩构成的沥青混合料的性能，开展细集料机制砂的原材料试验，见表1.由表1可知:灰绿岩机制砂各项性能指标均高于石灰岩机制砂.

表1 不同类型机制砂试验结果

2.2 沥青混合料性能试验分析

根据集料筛分和马歇尔试验结果(见表2)，得到图3的三种方案的配合比曲线，试验结果满足规范要求[6].由此可知，三种铺筑方案的沥青混凝土各项马歇尔试验指标和级配曲线存在一定的差异.

表2 三种铺筑方案沥青混合料马歇尔试验结果

图3 表面层三种铺筑方案的沥青混合料设计级配

3 沥青混合料性能试验和结构分析模型的构建

3.1 沥青混合料动态压缩模量试验

根据三种方案的沥青混合料设计级配曲线，采用施工现场原材料，依据文献[7]的T0736方法使用旋转剪切压实仪(SGC)，每一个方案成型6个直径×长度=150 mm×170 mm圆柱形试件，而后使用钻芯机和双面切割锯将6个试件修整为直径×长度=100 mm×150 mm标准圆柱形试件.待所有试件完成整形后，根据文献[7]T0738规定的试验方法，采用UTM130试验机进行图4的三个方案的沥青混合料动态压缩模量试验，其中，采用频率分别为0.1，0.5，1，5，10和25 Hz的正弦波加载(由大到小加载)，试验温度分别为4，10，20，30，40，50和60 ℃(由高温到低温加载).图5a)为试验温度为20℃时，沥青混合料动态模量随加载频率变化趋势图，而图5b)为加载频率为10 Hz时，沥青混合料动态模量随温度变化趋势图.

图4 沥青混合料动态压缩模量室内试验

图5 沥青混合料动态压缩模量随温度和加载频率变化趋势图

通过分析可知：①在温度一定的情况下，沥青混合料的动态模量随加载频率的增大而增大；但在加载频率较小时，各类型的沥青混合料动态模量值较为接近，说明在加载频率较低时，沥青混合料的动态模量受沥青混合料组成的影响较小；②在相同的加载频率下，沥青混合料的动态模量随温度的增大而减小；③在相同温度和加载频率(如20 ℃和10 Hz)时，由方案一和方案三(两方案粗集料灰绿岩产地不同)两条动态模量曲线可知，E1=11 012 MPa较E3=9 500 MPa要大1 512 MPa，两者存在较大差异，这意味着在同一级别荷载作用下方案一较方案三的承载能力更强；究其原因，虽然两者均称为辉绿岩，但这只能说明两者的主要成分相同，但产地不同的辉绿岩母岩会因为成岩环境和条件的不同，带来两者微晶大小、结晶度和集料表面粗糙度等微观特征上的差异，从而照成产地不同的灰绿岩构成的沥青混合料动态模量的不同，因此，同一条高速的同一标段的施工，保持原材料和混合料的一致性和稳定性是相当重要的；④在相同温度和加载频率下，以灰绿岩作为细集料的方案二较以石灰岩作为细集料的方案三所获得的沥青混合料动态模量要大7%～8%；⑤推荐广东地区在20 ℃和10 Hz条件下的GAC-16改性沥青混合料动态模量为10 000 MPa.

3.2 道路结构有限元模型

1) 有限元模型的构建 使用ANSYS有限元分析软件对沥青路面进行静力学响应分析[8].在ANSYS分析中，土基和各结构层均采用块状体，土基尺寸为16 m×9 m×10.5 m(即x×y×z，其中，x为行车方向；y为深度方向；z为横断面方向)；除地基以外的各结构层的平面尺寸为10 m×4.5 m(x×z，深度随各结构层的不同而不同)；在划分网格前，土基和各结构层之间使用GLUE命令进行连接处理，保证土基与各个结构层以及各结构层之间的连续接触状态，土基和各个结构层均采用SOLID45单元划分实体模型网格，并建立图6的有限元模型，最终道路有限元模型共划分单元264 768个，节点280 913个，而计算点位依据图7和文献[5]选取，分别对图7中的左、右两轮胎简化作用处施加大小为0.7 MPa的静荷载.

图6 双圆荷载下的仁新高速沥青路面结构有限元模型

图7 双圆荷载接触面参数设置及计算点位的确定

2) 计算参数的选择 在进行道路结构力学响应分析之前，按表3确定沥青路面结构力学响应分析所使用的材料参数和结构参数，其中，表面层沥青混合料采用加载频率为10 Hz时的动态压缩模量，水泥稳定碎石采用“中段法”确定其弹性模量.

表3 仁新高速公路用于沥青路面力学性能分析的材料参数

4 沥青混合料动态模量对沥青路面的影响分析

4.1 力学响应分析

仁新高速试验段表面层采用了不同类型的集料，而沥青混合料动态模量试验也证实不同温度和加载频率下，其动态模量存在差异，以图5方案一为例，在加载频率为10 Hz时，当温度从4 ℃增大到60 ℃时，沥青混合料的动态模量从16 195 MPa降低到853 MPa，降低了约19倍，可见降低幅度之大，由此，下文将以一定间隔，变化动态模量从800 MPa直至16 000 MPa，并在保持除表面层沥青混凝土动态模量不变的情况下，分析其对沥青路面力学响应的影响，图8～9分别为沥青路面结构力学响应随表面层沥青混合料动态模量变化趋势图.

图8 路表弯沉随表面层沥青混合料动态模量变化趋势图

图9 各结构层层底“应变”随动态模量变化趋势图(轮隙中心C点)

由图8可知：随着沥青表面层动态模量的增大，路面结构整体刚度增大，路表弯沉随表面层动态模量的增大而呈线性下降，弯沉值在取值动态模量范围内降低了8%；下面层的层底拉应变会增大约32%；但由半刚性材料构成的上基层层底的拉应变值则约减小12%.由分析可知，不同的沥青混合料组成会促使其动态模量发生8%左右的变化，进而使得沥青路面结构的不同力学响应量有较大的增大或减小；不同的沥青混合料组成不仅对其自身的力学性能有较大的影响，同时也会对由其构建的沥青路面结构的力学响应有较大的影响，由此，沥青路面设计中使用的沥青混合料动态模量以试验的方式确定为宜.

4.2 基于沥青混合料层疲劳开裂的沥青路面寿命分析

依据文献[5]和文献[9]分析仁新高速试验段三种方案的沥青混合料层疲劳寿命，三种方案下的沥青混合料在20 ℃和10 Hz条件下的动态模量依次为11 012，10 285和9 500 MPa，相应的计算结果见表4，方案一、方案二和方案三的疲劳寿命依次为：3 347亿轴·次、4 575亿轴·次和5 615亿轴·次.由此可知，表面层不同的动态模量对同一沥青路面结构的疲劳寿命有较大的影响，随着动态模量的减小，沥青路面结构的疲劳寿命呈现增大趋势.

(1)

式中：Nf 1为沥青混合料层疲劳开裂寿命,轴·次；β为目标可靠指标；ka为季节性冻土地区调整系数；kb为疲劳加载模式系数；Ea为沥青混合料20 ℃时的动态压缩模量，MPa；VFA为沥青混合料的沥青饱和度，%；ha为沥青混合料层厚度，mm；kt1为温度调整系数；εa为沥青混合料层层底拉应变，10-6.

表4 仁新高速试验段沥青层疲劳寿命分析结果

5 结 束 语

在相同的加载频率下，沥青混合料的动态模量随温度的增大而减小；而在温度一定的情况下，其动态模量随加载频率的增大而增大，但在加载频率较小时，各类型的沥青混合料动态模量值较为接近，这说明在加载频率较低时，沥青混合料的动态模量受沥青混合料组成的影响较小；以灰绿岩作为细集料的沥青混合料的动态模量较以石灰岩作为细集料的沥青混合料的动态模量要大7%～8%，但其疲劳寿命则要降低18.5%，由此可见，表面层的动态模量增大会在一定程度上降低半刚性基层层底的拉应力，但其也会导致沥青层寿命的降低.同时，从湖南灰绿岩和广东灰绿岩的试验结果可知，为了保证施工质量，同一条高速的同一标段的施工，保持原材料和混合料的一致性和稳定性是相当重要的，保持原材料的稳定是减小施工变异性的前提条件.