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杭州地區泡沫瀝青再生路面結構組合設計
2019年05月24日    閱讀量:1604    新聞來源:瀝青網 www.upxbj.icu  |  投稿

在杭州市政道路修復背景下,開展泡沫瀝青冷再生在杭州地區研究市政道路修復工程中的應用,在泡沫瀝青路面結構組合設計基本原則指導下對泡沫瀝青再生基層路面結構組合進行研究,分析不同路面結構組合情況下路表彎沉、基層層底彎拉應力、基層層底彎拉應變的影響,研究瀝青路面結構厚度與標準軸載累計作用次數關系,最終給出泡沫瀝青再生基層路面合理結構推薦。 


關鍵詞: 道路修復; 泡沫瀝青; 冷再生; 路面結構組合設計; 數值模擬


在自然因素的侵蝕破壞和車輛荷載的反復作用下,城市道路和其構造物的使用功能會逐漸退化,同時,近年來重型車輛和交通量的明顯增長,進一步加劇了道路老化。現有瀝青路面大量進入維修狀態,而維修中將產生大量的廢舊瀝青混合料瀝青網www.upxbj.icu。目前大部分瀝青混合料廢料未得到有效處理,造成一定環境污染,因此,瀝青回收再生技術已成為未來路用材料研究的重點。


本文以杭州某市政道路為例,對適應于杭州地區的泡沫瀝青再生路面 ( 柔性基層路面) 結構組合進行優化設計,為杭州地區泡沫瀝青再生路面設計及施工提供參考。


1 路面結構組合設計


1. 1 組合設計基本原則及流程


采用泡沫瀝青再生基層使原來的路面結構變為柔性基層結構,路面結構由瀝青路面 ( 磨耗層) 、泡沫瀝青冷再生層、剩余原路面結構層 ( 包括原有路面部分基層、底基層和土基) 等多層結構體系組成。合理選擇和安排路面結構層次,使得整個路面結構在設計使用年限內能夠承受自然因素以及行車荷載的雙重作用,同時使各結構層的最大效能得到發揮。本文在對泡沫瀝青再生基層的特點充分考慮下,結合杭州地區泡沫瀝青路面結構應用工程實例,提出以下設計基本原則: 


① 適應行車荷載的要求; 


② 具有良好的穩定性; 


③ 滿足現有規范瀝青路面設計指標。


泡沫瀝青再生路面結構組合設計流程如下: 原瀝青路面強度評價→泡沫瀝青再生混合料材料參數確定→泡沫瀝青再生基層路面結構組合設計→泡沫瀝青基層計算或驗算的設計流程進行設計。


1. 2 確定路面結構層參數瀝青層厚度


一般情況下為 4 cm ~ 10 cm,再生厚度可選 15 cm ~ 25 cm,原底基層的承載能力可以取100 MPa ~ 300 MPa,采用彈性層狀體系計算。針對柔性基層路面,由《城鎮道路路面設計規范 》( CJJ169—2012) 和 《泡沫瀝青冷再生路面設計與施工技術規程》可知: SBS 改性 AC - 13C 瀝青混合料彈性模量為 1 200 MPa ~ 1 600 MPa; 泡沫瀝青混合料彈性模量為 800 MPa ~ 1000 MPa。 


土基模量受交通量、使用年限等影響,杭州市市政材料測試站通過落錘式彎沉儀 ( FWD) 方法對杭州地區舊路面彎沉檢測,并利用 EVERCALC 軟件推算、統計,得到杭州地區當量土基模量大致 100 MPa 左右。依據杭州市公路管理局 《泡沫瀝青冷再生技術的應用研究》 報告獲得當量土基模量介于150. 0 cm ~ 275. 4 MPa。本次分析當量土基模量取值范圍為 100 cm ~ 300 MPa,間隔 50 MPa。如表 1 所示,為以上述原則為依據確定的典型泡沫瀝青 45 種再生基層路面厚度組合。 


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計算荷載采用標準軸載,軸重 100 kN,胎壓取0. 7 MPa,輪壓半徑 R = 10. 65 cm。采用 BISAR 軟件對不同路面結構組合條件下的路表彎沉和基層層底彎拉應力進行分析。 


1. 3 路表彎沉與基層層底彎拉應力分析采用 


BISAR 路面計算軟件,將路面結構簡化三層體系,瀝青混凝土面層、泡沫基層和當量土基,圖1 ~ 圖 4 分別給出了不同當量土基模量變化情況下,路表彎沉和基層層底彎拉應力分布受到不同面層厚度和不同泡沫基層厚度的影響。 


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可見,隨著當量土基模量的增加時,路表彎沉和基層層底彎拉應力均呈下降趨勢。通過分析路表彎沉分布圖和彎拉應力分布圖可知路表彎沉和層底的彎拉應力均隨當量土基模量的增加先迅速減小,后期減小的幅度放緩,200 MPa 為幅度變化的分界點; 在相同罩面層厚度的情況下,基層厚度為 15 cm 時路表彎沉和基層層底彎拉應力最大; 在泡沫瀝青再生基層厚度相同且為 15 cm 時,隨著磨耗層厚度增加路表彎沉和基層層底彎拉應力逐漸減小,泡沫瀝青再生基層路面路用性能較好。 


1. 4 瀝青路面結構厚度與標準軸載累計作用次數關系


根據現行瀝青路面設計規范,確定了各種疲勞損壞指標的瀝青路面結構厚度與累計標準軸載作用次數關系。依據 《公路泡沫瀝青再生路面設計與施工技術規程》 ( DB33 /T714—2008) 泡沫瀝青再生基層混合料 15 ℃劈裂強度取值為 0. 6 MPa; 潘學政和拾方治在總結大量室內試驗結果的背景下,得到了泡沫瀝青再生混合料的抗拉強度結構系數。


結合在路表彎沉和泡沫瀝青再生基層層底不同路面結構組合下彎拉應力可以對不同路面結構的疲勞壽命加以計算,如表 2 所示為計算結果。


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根據疲勞壽命計算結果可知: 再生基層層底彎拉應力計算所得的路面疲勞壽命小于路表彎沉計算得到的路面使用壽命,我國現行 《城鎮道路路面設計規范》( CJJ 169—2012) 采用彎拉應力指標來對瀝青層底的疲勞破壞加以控制。因此,應按照基于泡沫瀝青再生基層層底彎拉應力的疲勞壽命來確定市政道路泡沫瀝青再生基層路面的合理厚度。


2 合理結構推薦


泡沫瀝青再生基層路面上面設置功能性磨耗層主要起提高行車舒適性作用,最主要的承重結構是泡沫瀝青再生基層。因此,對于泡沫瀝青再生基層路面來說,其疲勞壽命的劃分可以參考 《城鎮道路路面設計規范》 ( CJJ169—2012) 關于交通等級的規定 ( 見表 3) 。 


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由再生基層疲勞壽命計算結果和我國交通等級的規定 ( 表 4) 可知:


( 1) 共有 10 組路面結構組合的疲勞壽命 < 4. 0× 106,適用于輕交通,綜合分析可得路面結構合理厚度: 再 生 基 層 厚 度 ≥15 cm,當 量 土 基 模 量 ≥100 MPa,一般應用于城市支路。


( 2) 共有 23 組路面結構組合的疲勞壽命在 4. 0× 106 ~ 1. 2 × 107,適用于中等交通,綜合分析可以得到路面結構合理厚度: 面層厚度≥4 cm,再生基層厚度介于 15 cm ~ 25 cm,當量土基模量≥150 MPa。 


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(3) 共有 8 組路面結構組合的疲勞壽命在 1. 2 ×107 ~ 2. 5 × 107 之間,適用于重交通,綜合分析可以得到路面結構合理厚度: 面層厚度≥4 cm,再生基層厚度介于 15 cm ~ 25 cm,當量土基模量≥200 MPa。從計算結果來看磨耗層最小厚度為 4 cm,但是在實際使用過程中,由于重車作用,交叉口進口道、公交車站車輛二次制動,磨耗層與泡沫瀝青再生基層之間容易出現剪切破壞。因此,建議在經濟情況允許的情況下,適當增加磨耗層的厚度,或調整剪切破壞瀝青層材料 ( 如采用抗車轍路面材料) 。


( 4) 共有 4 組路面結構組合的疲勞壽命≥2. 5 ×107,適用于特重交通,綜合分析可以得到路面結構合理 厚 度: 面 層 厚 度 ≥6 cm,再生基層厚度介 于20 cm ~ 25 cm,當量土基模量≥250 MPa。從計算結果來看,在特重交通荷載作用下,基層厚度必須達到一定厚度,但是為了保證泡沫瀝青再生基層的施工質量,再生基層厚度不宜 > 30 cm。


總之,如表 5 所示,為泡沫瀝青再生基層路面推薦的合理結構厚度。 


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3 結 語


( 1) 對路表彎沉影響和泡沫瀝青再生基層承載力分析可以得出,所有路面結構組合都隨著當量土基模量的增加,路表彎沉和泡沫瀝青再生基層層底彎拉應力呈現逐漸減小的趨勢,當罩面層厚度相同時,路表彎沉和泡沫瀝青再生基層層底彎拉應力隨著泡沫瀝青再生基層厚度的增加而出現明顯減小。


( 2) 對泡沫瀝青再生基層路面疲勞壽命分析表明,當量土基模量對路面大修后的使用運營有很大的影響,同時磨耗層厚度和基層厚度均會影響到路面結構的整體強度和使用壽命。


( 3) 通過泡沫瀝青再生基層路面進行組合設計,結合我國 《城鎮道路路面設計規范》 ( CJJ 169 -2012) 對交通量等級的劃分,確定了杭州地區市政道路泡沫瀝青再生基層路面的合理厚度,為杭州地區泡沫瀝青再生基層路面設計和施工提供一定參考。 


標簽:道路建設,改性瀝青
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