基于车辙的沥青面层材料设计

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【摘要】针对半刚性基层沥青路面车辙破坏，通过以半刚性基层沥青路面结构力学计算为基础的沥青面层应力应变分布规律的分析，得出了沥青面层的永久变形主要由两部分组成；确定了基于抗车辙性能的上、下面层的合理分界位置；提出了沥青面层的功能要求和沥青混合料的性能要求。另外，本文也为具有良好高温稳定性的沥青混合料的级配设计，提供了一些实用性建议，验证了变I级配设计方法的可行性。

【关键词】沥青路面；车辙； 路面结构分析；材料组成设计；变I法

0 引言

由于车辆渠道化行驶，重载车辆和轮胎压力增加，我国高等级公路沥青路面大都产生了轻重不一的车辙。车辙的出现不仅影响了路面的平整度、舒适度、而且危及行车安全。车辙是路面结构层在一定的车辆荷载作用下产生的不可恢复的塑性变形的累计。在半刚性基层沥青路面总的永久变形中，沥青面层的贡献达到80%以上。车辙的影响深度在路表下10cm范围内。车辙形成的原因，总的来说，是由于沥青混合料的抗剪强度特别是在高温情况下抗剪切强度不足所致。

1 沥青面层应力应变分析

1.1 计算理论和结构参数的选取

弹性层状体系理论和相应的计算机程序的发展为分析路面应力应变状态提供了手段。在传递车辆荷载时，路面各层的作用大小是相对的，在一定的环境和交通条件下，路面内应力应变状态取决于：①材料力学性质（动态模量、 回弹模量）；②各层结构厚度；③结构形式（材料层次相对位置，各层刚度的相对性等）。应力应变分析时，根据弹性层状体系理论，把路面结构层简化为四层体系，主要考虑主承力结构层：沥青面层、基层、底基层和路基，用基于多层弹性层状体系理论专为道路设计而编制的Bisar程序计算分析标准荷载作用下路面结构内的应力应变大小，分布规律及影响因素。

计算图式如图1所示。其中荷载为标准轴载，既考虑垂直荷载，又考虑水平荷载，水平荷载系数取f=0.02；层间采用完全连续状态。

1.2 剪应力计算和结果分析

在常温条件下，考虑水平荷载（f=0.02）作用时，对于不同计算点（A、B、C、D），沥青面层范围内，剪应力和剪应变在路表下不同深度处的大小及分量值计算结果如表2。剪应力随深度的分布曲线如图2所示。

分析以上计算结果，可得如下一些结论：

（1）在沥青面层上部，轮隙中心处剪应力较大，且随计算点位向轮隙中心移动，主剪应力方向越趋向于水平；

（2）在沥青面层下部，单圆中心处剪应力最大，且随计算点位向单圆中心移动，主剪应力方向越趋向于竖直方向。

究其原因，主要是在沥青面层上部，由于水平、垂直荷载的共同作用，沥青面层发生剪切滑移；而在沥青面层下部，水平荷载的影响变得很微弱，沥青面层主要承受垂直荷载的作用，以发生竖向的压缩变形为主，这一点可从竖向压应变沿深度分布规律中得到验证。所以沥青面层的永久变形由两部分组成，一是表面（上层）的剪切滑移，二是中下层的竖向不可恢复变形的累积。

故对于半刚性基层上9cm厚的沥青面层，为了减少或避免车辙的产生，采用两层式的沥青面层结构组合方式时，上面层和下面具体的分层位置，可根据剪应力分布来确定。在不同计算点主剪应力分布图上作最大主剪应力沿深度分布趋势线，如图2所示（用max表示），从趋势线可以看出，在路表下4cm深度处曲线有一凹点，该点的剪应力值相对较小，所以以此点作为上下面层的分界点：一方面可以避免层间连接处剪应力过大，层间抗剪强度不足而发生层间剪切滑移；另一方面也方便层间分工，进一步提出对各结构层的功能要求。

1.3 竖向压应变的计算和结果分析

沥青面层的模量和基层的抗压回弹模量是影响较薄沥青面层（h1≤10cm）结构内的竖向压应变的最主要的因素。半刚性基层有相对较大的抗压回弹模量，且受环境的影响很小。沥青混合料中作为结合料的沥青是一种温度敏感性材料，在交通量一定的情况下，温度便成为影响沥青面层抗永久变形能力的主要因素：①温度升高使材料的模量和抗剪强度降低，即沥青面层抗永久变形能力降低；②温度升高更使沥青面层处于受压状态并增大竖向压应变。

温度升高，沥青混合料的模量明显降低，沥青面层内的应力应变状态也会发生相应的变化。为了考虑温度的影响，分别取不同的E1值进行沥青面层内应力应变计算。因在同一横断面上，单圆荷载中心处（A点）的竖向压应变最大，故取此点作为计算分析点。计算结果如表3和图3所示。

从以上计算结果，可得到以下基本结论：

（1）随沥青面层模量E1的减小，面层内的竖向压应变迅速增大；

（2）对于不同的E1值，竖向压应变的峰值位置位于沥青面层的中下部。

综合沥青面层的剪应力和竖向压应变的分析还可得到，为了减小车辙，上面层的沥青混合料，在高温时应具有较高的抗剪强度和较高的抗剪切变形能力；下面层的沥青混合料，当温度升高时不会因模量值降低太多而在车辆荷载作用下产生过大的竖向压缩变形。

2 沥青混合料组成设计

路面结构应力应变分析结果表明：基于半刚性基层沥青路面结构的抗车辙变形的要求，9cm厚的沥青面层采用4cm+5cm的两层式结构组合形式，且根据两结构层的层位功能，上面层的沥青混合料应具有较高的抗剪切变形能力，下面层的沥青混合料应具有较高的抗压缩变形能力。

2.1 沥青混合料类型的选择

近年来，我国修筑的大量高等级公路在使用过程中不同程度上都存在一些沥青路面的早期损坏，如：松散、泛油、剥落和坑洞等现象。分析这些早期损坏产生原因，就沥青路面本身来说，可归结为沥青混合料抗水损害能力不足、路面压实度不够。而影响沥青混合料抗水损坏的一个致命的原因就是沥青混合料类型与路面结构层厚度不匹配，由于集料最大粒径过大，公称最大粒径的集料偏多，因而造成混合料容易离析、压实困难、空隙率偏大，导致松散、剥落和坑洞等早期损坏。根据1998年出版的Superpave施工指南的建议，作为经验法则，沥青面层厚度应等于或大于集料公称最大粒径的3倍，对于粗的混合料，这个比例还应增加。

我国《公路沥青路面施工技术规范》对有关沥青混合料选择要求及组合原则要求中提到：沥青面层集料的最大粒径宜从上至下逐渐增大，并应与压实厚度相匹配。对热拌热铺密级配沥青混合料，沥青层一层的压实厚度不宜小于集料公称最大粒径的2.5～3倍，对SMA和OGFC等嵌挤型混合料不宜小于公称最大粒径的2～2.5倍，以减少离析，便于压实。所以，对于4cm厚的上面层和5cm厚的下面层，分别选择公称最大粒径为13.2cm和19cm类型的混合料，如AC-13型和AC-20型沥青混合料。

解析沥青混合料强度形成机理的表面理论是采用库仑的内摩擦理论来分析沥青混合料的强度，认为它是由两部分组成的：一部分是矿质集料骨架的强度，表现为颗粒间由于嵌挤锁结而产生的摩阻力，另一部分是沥青的胶结强度，表现为沥青与集料间的粘结力和沥青本身的粘聚力。在高温状态下，沥青结合料的粘结作用大幅度下降，车辆荷载产生的强大的水平推挤力和水平剪切作用主要由矿料级配的嵌挤作用来抵抗。以集料嵌挤为主的骨架密实型沥青混合料，高温稳定性主要依靠粗集料的嵌挤作用，故一般具有较高的抗车辙能力。

2.2 沥青混合料级配设计

Superpave的集料组成是在集料的特性和质量符合其规范要求的前提下，总结了前人的理论和经验，以控制点和限制区的形式得出的，它给级配的选择提供了更大的余地。 Superpave的控制点是对粗集料进行控制，使其不离折、不推挤。是限制细集料特别是天然砂含量以防止出现“驼峰级配”，避免压实不稳定区的形成，保证集料具有适宜的矿料间隙率，减小车辙现象的产生。

贝雷法给Superpave级配骨架选择和评价提供了一个很好的思路，贝雷法对集料颗粒进行了分级细化，细集料逐级填充上一级粗颗粒形成的空隙，所需要的填料数量根据上一级集料所形成的空隙大小而定，粗细集料多级嵌挤填充以达到最大的密实度和最佳的嵌挤效果。级配组成计算的I法与传统使用的K法和西方国家采用的n法是相通的。具体表示如下：

沥青混合料集料组成中各级不同粒径d处的通过率：

Px=P0Ix （%） （1）

式中：P0DD公称最大粒径D处的通过率，以90%～100%控制；

xDD级数，x=3.32 lgD/d；

IDD通过率递减系数。

林绣贤先生给出的I=0.64～0.70的范围值，是借助于Superpave的集料级配设计法和贝雷法的检验标准而得到的，是Superpave法与贝雷法的综合而以I法的形式表示。以一式总成了两设计方法的精华，使用方便。下面就以式（1）为基础，采用变I法进行集料级配设计，其中以0.22D作为粗、细集料的分解点，对粗集料部分取I=0.65，细集料部分I=0.69，并结合实际情况进行适当调整。最终确定的集料各筛孔通过率如表4所示。

试验结果表明，两种沥青混合料均具有较高的抗车辙变形能力，完全满足规范要求，且其它路用性能如低温抗裂性、水稳性良好。由此也说明采用变I法进行集料级配设计是可行的。

3 结语

本文针对目前半刚性基层沥青路面的主要破坏形式-车辙，根据路面结构分析结果，指出沥青面层的永久变形主要由两部分组成；并依据应力应变分布规律确定了9cm厚沥青面层的合理分层位置；从结构分工角度出发，提出上下面层沥青混合料的功能和路用性能要求；按层位功能要求对沥青混合料进行了优化设计，同时验证了变I法在工程中应用的可行性。

参考文献：

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