杨中才 王根宝 陈继红

(云南省建设投资控股集团有限公司，云南昆明 650501)

0 引言

沥青混合料因其强度随温度升高而降低，在高温下容易形成车辙病害。高速公路出现车辙对行车安全性产生一定的影响。提高路面抗车辙性能，除了采用合理级配外，采用高模量沥青提高路面高温稳定性也是重要手段。为了研究高模量沥青试验段性能，本文选择几种高模量沥青，通过有限元力学分析建立高模量与厚度等效关系，并通过各指标综合评价试验段性能。研究表明:基于弯沉等效进行路面厚度换算，采用橡胶沥青相当于SBS改性沥青路面厚度提高1.62 cm。橡胶沥青模量指标满足高劲度模量混合料的技术要求。

1 原材料试验分析

通过国内外研究现状［1-4］，选择满足高模量混合料指标四种混合料，具体的性能指标如表1所示。

表1 四种HMAC20混合料性能

由表1结果可知:四种混合料均满足高模量技术指标要求。混合料模量和疲劳寿命差异较大，橡胶沥青模量性能适中，但其疲劳性能最优。针对沥青路面抗车辙性能，不仅要求其有较高的模量，更需要高温抗疲劳性能，因此，橡胶沥青性能优异，能够满足抗车辙性能需求。

推荐的四种混合料的技术进行分析得出，各混合料造价如表2所示。

表2 HMAC20混合料施工造价

从表2可以看出，湖沥青复合改性和SBS改性沥青+聚酯纤维造价相对其他混合料较高，剩余几种混合料造价大致相同，橡胶沥青混合料造价居中。

2 有限元模型力学性能分析

本节通过建立有限元力学模型，分析模量与厚度因素对弯沉和拉应变的影响［5］。考虑沥青路面材料模量受温度、荷载作用时间等的影响。模量选取基于以往40℃动态模量，不同频率荷载的作用［6］，上、中、下面层的模量均选取2 000 MPa。水稳碎石和土基模量分别选择1 500 MPa，60 MPa。路面结构为4 cm AC13+6 cm AC20(变厚度、变模量)+8 cm AC25+40 cm水泥稳定碎石+土基。

中面层厚度选择范围为5 cm～9 cm;模量范围为2 000 MPa～3 600 MPa。有限元力学模型如图1所示。

图1 有限元模型图

高模量中面层路面结构力学分析，力学分析的关键指标是路表弯沉和沥青层底的拉应力。弯沉随模量及厚度变化的结果见图2，图3。

图2 弯沉随中面层厚度变化曲线

通过图2，图3可知，基于弯沉等效的计算方法，路面中面层提高400 MPa相当于中面层厚度提高1 cm。

层底弯拉应力随面层模量和厚度变化见图4，图5。

从图4，图5可知，基于沥青层底弯拉应力等效，中面层模量提高570 MPa相当于中面层厚度提高1 cm。在有限元计算过程中，由于沥青铺装结构中层低拉应力较小，同时距离荷载位置较远。因此，高模量沥青应采用弯沉等效的方式，进行模量与厚度的等效换算。

图3 弯沉随中面层模量变化曲线

图4 层底弯拉应力随中面层厚度变化曲线

图5 层底弯拉应力随中面层模量变化曲线

3 试验段方案设计

1)试验方案。某高速公路推荐采用4 cm AR-AC13+6 cm橡胶沥青HMAC20+8 cm AC25作为铺设试验段结构［7-9］。40℃时，橡胶沥青 HMAC20动态模量2 790 MPa，而SBS沥青混合料为2 142 MPa［10］。在疲劳性能提高时，通过弯沉等效换算厚度可知，相对于SBS改性沥青，橡胶沥青路面厚度在相同疲劳性能下等效提高了1.62 cm。

2)马歇尔试验分析。

试验段马歇尔试验结果如表3所示。

表3 试铺段沥青混合料马歇尔体积指标

从表3中的测试结果看出，橡胶沥青HMAC20马歇尔指标均符合技术要求。

3)抽提试验分析。

橡胶沥青HMAC20抽提试验结果见图6。橡胶沥青HMAC20试验段级配处于上下限之间，符合技术要求。

图6 试铺段沥青混合料抽提试验级配曲线

4 试验段性能分析

1)现场试验分析。

对试验段现场取芯分析和渗水分析［11］结果见表4，表5。

表4 路面渗水试验结果

表5 路面芯样高度及压实度

由表4，表5可知，试验段渗水试验均满足要求。芯样厚度代表值满足要求。计算得到两种压实度均符合技术要求。

2)室内试验分析。

对现场取样混合料进行模量性能试验研究，结果如表6所示。试验段高模量指标满足技术要求。

表6 混合料模量试验结果

3)FWD检测分析。

对橡胶沥青试验段和非试验段进行了FWD检测［12］，结果如表7所示。从表7可以看出，试验段的弯沉平均值与普通路段基本相同。橡胶沥青混合料试验段的标准差和变异系数明显小于普通路段，说明橡胶沥青混合料更加均匀，不易离析。

表7 FWD检测试验结果

5 结语

1)基于沥青层底弯拉应力等效，中面层模量提高570 MPa相当于中面层厚度提高1 cm。在混合料疲劳性能提高的情况下，基于弯沉等效进行路面厚度换算，采用橡胶沥青相当于SBS改性沥青路面厚度提高1.62 cm。

2)室内试验模量结果，橡胶沥青模量指标满足高劲度模量混合料技术要求。

3)FWD检测表明，橡胶沥青HMAC20模量与普通路面基本相同，均匀性明显优于普通沥青路面。