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摘要：為解決高溫與重載作用下泡沫瀝青冷再生路面易產(chǎn)生車轍病害等問題，了解再生混合料分別作為下面層與上基 層路面時的動力響應(yīng)，設(shè)計一種高抗剪密實(shí)型泡沫瀝青冷再生混合料(F-B),結(jié)合區(qū)域氣候特點(diǎn)以及黏彈性理論，通過有限 單元法獲得了不同結(jié)構(gòu)層的溫度場與移動軸載下的應(yīng)變變化，并與常規(guī)級配進(jìn)行對比。結(jié)果表明：路面溫度場具有明顯的非線性特征,可通過改進(jìn)級配的方式提高材料的抗剪切性能；卸載后路面存在約10%的殘余應(yīng)變，而采用黏彈性模型能夠獲得 路面的殘余變形，更好地反映車轍的形成；泡沫瀝青層層底縱向應(yīng)變呈現(xiàn)正負(fù)交替特點(diǎn)，易引發(fā)路面疲勞損傷；低速重載下， 采用高抗剪密實(shí)型級配可以減少面層的最大剪應(yīng)力，減少流動型車轍的產(chǎn)生；泡沫瀝青作為下面層使用時，重載作用下路面 具有更好的抗豎向變形能力。

關(guān)鍵詞：泡沫瀝青冷再生;有限元模擬;黏彈性;動力響應(yīng)；高溫重載

0 引言

泡沫瀝青冷再生工藝是通過瀝青發(fā)泡技術(shù)對舊路面材料(RAP)再利用的過程，具有降低能耗、 減少溫室氣體排放以及增加經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)點(diǎn)瀝青網(wǎng)sinoasphalt.com。國內(nèi)外研究表明,泡沫瀝青冷再生混合料的劈裂強(qiáng)度滿足中密級配粗粒式熱拌瀝青混凝土的強(qiáng)度范圍， 并具有明顯的溫度依賴性，屬于黏彈性材料12],而硅酸鹽水泥的使用則會削弱混合料的黏彈性，使 擁有介于半剛性與柔性之間的力學(xué)特點(diǎn)⑶。冷再生技術(shù)在我國多用于中輕交通等級的公路，由于瀝青路面銃刨料來源廣泛,組成成分復(fù)雜,按地方標(biāo)準(zhǔn)推薦級配設(shè)計的混合料密實(shí)性與抗剪切強(qiáng)度不 足，常產(chǎn)生水損害與車轍等病害。隨著泡沫瀝青混 合料的使用范圍從基層向下面層推移，受重載車輛與高溫天氣的作用更加明顯⑷，因而需要對級配類 型進(jìn)行改進(jìn)，使其作為下面層使用時，仍然能夠滿足高溫與重載作用下的路用性能要求。

目前對泡沫瀝青路面進(jìn)行響應(yīng)分析時，通常采用層狀彈性理論，該理論將路面材料視為理想 彈性體，忽略了蠕變、松弛等黏彈性行為對路面應(yīng)力分布的影響，并且無法反映出瀝青路面的長期變 形。當(dāng)泡沫瀝青作為基層使用時，層間溫度的波動 小、峰值低，可視作線彈性材料處理,但隨著其使用 范圍從基層向下面層推移，泡沫瀝青的黏彈性受高 溫的影響愈發(fā)突顯,并且隨著重載車輛占比的提 升,對下面層的力學(xué)性能提出了更高要求。諸多數(shù)值研究均表明，非線性的溫度場與輪載特征正是預(yù)測瀝青路面響應(yīng)的關(guān)鍵因素。

本文將采用一種新型高抗剪密實(shí)型泡沫瀝青混合料,通過單軸蠕變試驗(yàn)獲得其黏彈性參數(shù),并結(jié)合高溫季節(jié)的非線性溫度場與移動荷載條件，對比研究泡沫瀝青混合料分別處于下面層與基層時的力學(xué)響應(yīng)。

1路面結(jié)構(gòu)與材料參數(shù)

1- 1路面結(jié)構(gòu) 

本文結(jié)合課題依托工程（合肥市S101大修路 段），原路面由于重載車輛較多，出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞，需對其采取就地銃刨冷再生。針對該問題此 處選用了 2種常用的路面結(jié)構(gòu)方案，結(jié)構(gòu)1中以泡 沫瀝青冷再生層替代部分半剛性基層，結(jié)構(gòu)2中則 將12 cm的泡沫瀝青層作為下面層使用，其余結(jié)構(gòu)層 厚度（cm）如圖1所示。圖1中：SMA-13、AC-20、AC-25為瀝青混合料級配類型。

1.2級配設(shè)計與試件制備

目前泡沫瀝青路面常采用德國維特根（WIRTGEN）公司推薦級配的中值（級配A）,屬于粗粒式 級配⑶。由于路面下面層厚度較小,粗粒式級配并不適用，因此需要設(shè)計一種中粒式級配（級配B）以 滿足下面層使用要求。

該級配在粗集料設(shè)計時參考逐級填充理論與 貝雷法,但采用最大剪切模量代替體積參數(shù)作為控 制指標(biāo)，以提高骨架集料的嵌擠作用與抗剪切性 能。進(jìn)行細(xì)集料設(shè)計時則以最小孔隙率為指標(biāo)，使 混合料整體上更為密實(shí),最終得到一種高抗剪密實(shí) 型級配。2種泡沫瀝青級配詳情見表1,其中每一檔 RAP與新料的比例約為1：1。

按級配A制備的泡沫瀝青混合料（F-A）各參 數(shù)均參考文獻(xiàn)［3］；由級配B制備的泡沫瀝青混合 料（F-B）采用鎮(zhèn)海牌70#基質(zhì)瀝青與PO42.5普通 硅酸鹽水泥，新集料為高強(qiáng)度玄武巖，瀝青與水泥 用量分別為2.4%與1.8% ,泡沫瀝青的最佳發(fā)泡條 件為：160℃，2.5%用水量。

為使設(shè)計級配能夠充分發(fā)揮骨料之間的嵌擠作用,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)規(guī)程采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型 150 mm x 150 mm的F-B試件。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法控制試件的目標(biāo)空隙率為5% ±0.5%,分別在-13、4、21、38、55℃下保溫24 h后，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī) （UTM4304）進(jìn)行單軸壓縮蠕變試驗(yàn)，單次加載1 000 S,最終獲得5種溫度下的蠕變曲線。

1.3黏彈性參數(shù)

瀝青類材料經(jīng)老化或改性后，其力學(xué)性質(zhì)的改 變更多體現(xiàn)在黏彈性參數(shù)的變化，泡沫瀝青冷再 生混合料中包含了老化瀝青與發(fā)泡后的新瀝青，需在動力學(xué)分析前對其黏彈性參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。在線性黏彈性理論中，動態(tài)模量、松弛模量與蠕變?nèi)崃?等參數(shù)在數(shù)學(xué)上可以相互轉(zhuǎn)換,而蠕變?nèi)崃康墨@取 要比動態(tài)模量更為簡便。目前研究廣泛采用廣義 Kelvin模型模擬蠕變，用廣義Maxwell模型模擬應(yīng) 力松弛，因此蠕變?nèi)崃肯蛩沙谀Ａ康霓D(zhuǎn)化實(shí)際上是 2種模型之間的轉(zhuǎn)化。因此對F-B在5種溫度下 的單軸蠕變曲線轉(zhuǎn)換得到蠕變?nèi)崃恐髑€（圖2）。

參考文獻(xiàn)［11 ］中的方法:采用廣義Kelvin模型 對蠕變?nèi)崃恐髑€進(jìn)行擬合，得到模型的各擬合參 數(shù);利用Madab對Laplace域內(nèi)的松弛模量進(jìn)行Laplace 逆變換,得到時間域內(nèi)松弛模量的表達(dá)式;將 廣義Kelvin模型擬合蠕變?nèi)崃恐髑€得到的各擬 合參數(shù)代入松弛模量表達(dá)式中，得到松弛模量數(shù) 據(jù);采用廣義Maxwell模型擬合松弛模量數(shù)據(jù)，得到 廣義Maxwell模型各參數(shù)。

其中廣義Maxwell模型與廣義Kelvin模型的 Prony級數(shù)形式分別為：

時溫等效原理采用WLF方程進(jìn)行擬合。

由于動態(tài)模量與松弛模量具有相同的Prony級 數(shù)，因此F-A的松弛模量可由文獻(xiàn)［3 ］中的動態(tài)模 量主曲線轉(zhuǎn)換獲得。5種瀝青混合料的黏彈性 參數(shù)見表 3,其中 SMA-13、AC-20、AC-25、F-A、 F-B的長期平衡模量分別為155. 95、198. 65、179. 68、247.75、375.36 MPa。

2溫度場與有限元模型

2.1溫度場理論

2.2有限元模型與移動荷載

在有限元模型中,太陽輻射與對流施加在路面 實(shí)體單元上表面，長波輻射使用表面效應(yīng)單元施 加。模型底部設(shè)置為熱量流出,4個側(cè)面完全絕熱。進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)計算時將溫度單元轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的 結(jié)構(gòu)單元，并讀取高溫時溫度場進(jìn)行分析。此時各 結(jié)構(gòu)層之間完全接觸，底部完全約束,4個側(cè)面限制 法向自由度，并對輪跡線附近的網(wǎng)格加密。模型長 18 m,寬6 m,土基厚度為4 m,其余各層厚度如圖1所示。行車方向?yàn)閤向，z向?yàn)樯疃确较?y向?yàn)槁?面橫向。

模型中通過控制每個荷載步的停留時間來表 征輪載的移速(圖4),采用APDL的方式實(shí)現(xiàn)加載 與卸載的循環(huán)。荷載方向垂宜于路面，車速分別為 20、40、60、80 km/h。

3結(jié)果分析

3.1路面溫度場分析

由于2種泡沫瀝青混合料的熱物理參數(shù)接近, 故采用F-A的熱物理參數(shù)進(jìn)行分析。圖5為2種 結(jié)構(gòu)在不同時刻的溫度場沿深度變化，當(dāng)太陽輻射達(dá)到峰值后,路表溫度逐漸降低，但路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部 溫度持續(xù)上升，這表明路面各結(jié)構(gòu)層之間溫度傳遞 存在延時。由于路面上面層與外界環(huán)境直接接觸, 界面處熱交換劇烈，溫度變化幅度最大，而基層及 以下結(jié)構(gòu)溫度波動較小，結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)2分別在 0. 56,0.46 m深度處達(dá)到小于1 ℃的溫度變化。

結(jié)構(gòu)1與結(jié)構(gòu)2處于泡沫瀝青層的最大溫度梯 度分別為31. 7℃/m與58.5℃/m，若采用等溫模 型進(jìn)行分析,無法反映出路面溫度場的非線性變 化，同時會使黏彈性參數(shù)的賦值存在誤差。由于結(jié) 構(gòu)2中泡沫瀝青層的最大溫度約45℃，接近新瀝青的軟化點(diǎn)下限,而瀝青的力學(xué)性能在軟化點(diǎn)附近變 化顯著，因此在路面設(shè)計中使用結(jié)構(gòu)2代替結(jié)構(gòu)1 時，需要進(jìn)一步結(jié)合F-A與F-B的黏彈性特點(diǎn)，分 析2種路面結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

3.2橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變

上述結(jié)果表明，不同類型泡沫瀝青混合料的力 學(xué)差異在高速輕載時并不明顯，而在重載與高溫共 同作用下，采用高抗剪密實(shí)型級配可以改善混合料 的力學(xué)特性,延緩路面車轍的增長，此外結(jié)構(gòu)2中采 用了雙層半剛性基層，對抵抗低速重載作用下的路 面變形更為有利。

4結(jié)論

對于泡沫瀝青冷再生混合料而言，以水泥與泡 沫瀝青作為膠結(jié)料使其與常規(guī)熱拌瀝青存在差異, 特別是將泡沫瀝青從上基層推廣至下面層時，黏彈 性特征愈發(fā)明顯，因而對泡沫瀝青的黏彈性進(jìn)行相 關(guān)研究尤為重要。

瀝青路面銑刨料由于來源復(fù)雜,性能存在明顯 差別，按照推薦級配設(shè)計的瀝青混合料抗剪強(qiáng)度與 密實(shí)性欠佳，作為下面層使用時對其抗剪切性能要 求更為嚴(yán)格。以最大抗剪切強(qiáng)度進(jìn)行粗骨料設(shè)計 保證了骨架之間的嵌擠作用，以細(xì)集料進(jìn)行緊密填 充在進(jìn)一步提高泡沫瀝青冷再生混合料抗變形能 力的同時，提高了作為下面層的防水損害能力。

基于上述分析，主要實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下：

(1) 溫度場分布在單日不同時刻存在明顯差 異，并呈現(xiàn)出非線性特征;泡沫瀝青冷再生混合料 作為下面層使用時，最高溫度接近瀝青的軟化點(diǎn)下 限，因此需要對級配類型進(jìn)行改進(jìn)，以提高混合料 的抗剪切性能。

(2) 對瀝青混合料采用黏彈性模型時,泡沫瀝 青層存在約10%的殘余變形,并且縱向應(yīng)變呈現(xiàn)出正負(fù)交替的特點(diǎn),容易引發(fā)路面的疲勞破壞。

(3) 在結(jié)構(gòu)1中采用高抗剪密實(shí)型級配混合料 F-B時，相較于常規(guī)級配F-A,降低了面層的最大 剪應(yīng)力，此時路面的整體抗疲勞性能會更為優(yōu)異, 并有效地減緩路面車轍的產(chǎn)生;相比組合1-B,組合 2-B可以有效減少面層的最大剪應(yīng)力，使基層承受 更多應(yīng)力，具有更好的抗車轍能力。

(4) 路面彎沉受車速與軸載的影響顯著，其中 組合2-B要比1-A具有更好的抵抗豎向變形的能 力，并且在重載作用下更為明顯。

由于泡沫瀝青冷再生混合料中膠結(jié)料的黏結(jié) 性能一般，早期強(qiáng)度難以保證，特別是對于路面下 面層而言，其底部的拉應(yīng)力也是路面裂縫的來源。后續(xù)研究將通過泡沫瀝青改性或添加其他膠結(jié)料 的方式提高混合料的抗拉強(qiáng)度,進(jìn)一步提高泡沫瀝 青冷再生混合料的路用性能。