泡沫沥青再生路面结构组合设计

在自然因素的侵蚀破坏和车辆荷载的反复作用下，城市道路和其构造物的使用功能会逐渐退化，同时，近年来重型车辆和交通量的明显增长，进一步加剧了道路老化。现有沥青路面大量进入维修状态，而维修中将产生大量的废旧沥青混合料。目前大部分沥青混合料废料未得到有效处理，造成一定环境污染，因此，沥青回收再生技术已成为未来路用材料研究的重点。

本文以杭州某市政道路为例，对适应于杭州地区的泡沫沥青再生路面 ( 柔性基层路面) 结构组合进行优化设计，为杭州地区泡沫沥青再生路面设计及施工提供参考。

1 路面结构组合设计

1. 1 组合设计基本原则及流程

采用泡沫沥青再生基层使原来的路面结构变为柔性基层结构，路面结构由沥青路面 ( 磨耗层) 、泡沫沥青冷再生层、剩余原路面结构层 ( 包括原有路面部分基层、底基层和土基) 等多层结构体系组成。合理选择和安排路面结构层次，使得整个路面结构在设计使用年限内能够承受自然因素以及行车荷载的双重作用，同时使各结构层的最大效能得到发挥。本文在对泡沫沥青再生基层的特点充分考虑下，结合杭州地区泡沫沥青路面结构应用工程实例，提出以下设计基本原则:

① 适应行车荷载的要求;

② 具有良好的稳定性;

③ 满足现有规范沥青路面设计指标。

泡沫沥青再生路面结构组合设计流程如下: 原沥青路面强度评价→泡沫沥青再生混合料材料参数确定→泡沫沥青再生基层路面结构组合设计→泡沫沥青基层计算或验算的设计流程进行设计。

1. 2 确定路面结构层参数沥青层厚度

一般情况下为 4 cm ～ 10 cm，再生厚度可选 15 cm ～ 25 cm，原底基层的承载能力可以取100 MPa ～ 300 MPa，采用弹性层状体系计算。针对柔性基层路面，由《城镇道路路面设计规范 》( CJJ169—2012) 和 《泡沫沥青冷再生路面设计与施工技术规程》可知: SBS 改性 AC － 13C 沥青混合料弹性模量为 1 200 MPa ～ 1 600 MPa; 泡沫沥青混合料弹性模量为 800 MPa ～ 1000 MPa。

土基模量受交通量、使用年限等影响，杭州市市政材料测试站通过落锤式弯沉仪 ( FWD) 方法对杭州地区旧路面弯沉检测，并利用 EVEＲCALC 软件推算、统计，得到杭州地区当量土基模量大致 100 MPa左右。依据杭州市公路管理局 《泡沫沥青冷再生技术的应用研究》 报告获得当量土基模量介于150. 0 cm ～ 275. 4 MPa。本次分析当量土基模量取值范围为 100 cm ～ 300 MPa，间隔 50 MPa。如表 1 所示，为以上述原则为依据确定的典型泡沫沥青 45 种再生基层路面厚度组合。

计算荷载采用标准轴载，轴重 100 kN，胎压取0. 7 MPa，轮压半径 Ｒ = 10. 65 cm。采用 BISAＲ 软件对不同路面结构组合条件下的路表弯沉和基层层底弯拉应力进行分析。

1. 3 路表弯沉与基层层底弯拉应力分析采用

BISAＲ 路面计算软件，将路面结构简化三层体系，沥青混凝土面层、泡沫基层和当量土基，图1 ～ 图 4 分别给出了不同当量土基模量变化情况下，路表弯沉和基层层底弯拉应力分布受到不同面层厚度和不同泡沫基层厚度的影响。

可见，随着当量土基模量的增加时，路表弯沉和基层层底弯拉应力均呈下降趋势。通过分析路表弯沉分布图和弯拉应力分布图可知路表弯沉和层底的弯拉应力均随当量土基模量的增加先迅速减小，后期减小的幅度放缓，200 MPa 为幅度变化的分界点; 在相同罩面层厚度的情况下，基层厚度为 15 cm 时路表弯沉和基层层底弯拉应力最大; 在泡沫沥青再生基层厚度相同且为 15 cm 时，随着磨耗层厚度增加路表弯沉和基层层底弯拉应力逐渐减小，泡沫沥青再生基层路面路用性能较好。

1. 4 沥青路面结构厚度与标准轴载累计作用次数关系

根据现行沥青路面设计规范，确定了各种疲劳损坏指标的沥青路面结构厚度与累计标准轴载作用次数关系。依据 《公路泡沫沥青再生路面设计与施工技术规程》 ( DB33 /T714—2008) 泡沫沥青再生基层混合料 15 ℃劈裂强度取值为 0. 6 MPa; 潘学政和拾方治在总结大量室内试验结果的背景下，得到了泡沫沥青再生混合料的抗拉强度结构系数。

结合在路表弯沉和泡沫沥青再生基层层底不同路面结构组合下弯拉应力可以对不同路面结构的疲劳寿命加以计算，如表 2 所示为计算结果。

根据疲劳寿命计算结果可知: 再生基层层底弯拉应力计算所得的路面疲劳寿命小于路表弯沉计算得到的路面使用寿命，我国现行 《城镇道路路面设计规范》( CJJ 169—2012) 采用弯拉应力指标来对沥青层底的疲劳破坏加以控制。因此，应按照基于泡沫沥青再生基层层底弯拉应力的疲劳寿命来确定市政道路泡沫沥青再生基层路面的合理厚度。

2 合理结构推荐

泡沫沥青再生基层路面上面设置功能性磨耗层主要起提高行车舒适性作用，最主要的承重结构是泡沫沥青再生基层。因此，对于泡沫沥青再生基层路面来说，其疲劳寿命的划分可以参考 《城镇道路路面设计规范》 ( CJJ169—2012) 关于交通等级的规定 ( 见表 3) 。

由再生基层疲劳寿命计算结果和我国交通等级的规定 ( 表 4) 可知:

( 1) 共有 10 组路面结构组合的疲劳寿命 ＜ 4. 0× 106，适用于轻交通，综合分析可得路面结构合理厚度: 再 生 基 层 厚 度 ≥15 cm，当 量 土 基 模 量 ≥100 MPa，一般应用于城市支路。

( 2) 共有 23 组路面结构组合的疲劳寿命在 4. 0× 106 ～ 1. 2 × 107，适用于中等交通，综合分析可以得到路面结构合理厚度: 面层厚度≥4 cm，再生基层厚度介于 15 cm ～ 25 cm，当量土基模量≥150 MPa。

(3) 共有 8 组路面结构组合的疲劳寿命在 1. 2 ×107 ～ 2． 5 × 107 之间，适用于重交通，综合分析可以得到路面结构合理厚度: 面层厚度≥4 cm，再生基层厚度介于 15 cm ～ 25 cm，当量土基模量≥200 MPa。从计算结果来看磨耗层最小厚度为 4 cm，但是在实际使用过程中，由于重车作用，交叉口进口道、公交车站车辆二次制动，磨耗层与泡沫沥青再生基层之间容易出现剪切破坏。因此，建议在经济情况允许的情况下，适当增加磨耗层的厚度，或调整剪切破坏沥青层材料 ( 如采用抗车辙路面材料) 。

( 4) 共有 4 组路面结构组合的疲劳寿命≥2. 5 ×107，适用于特重交通，综合分析可以得到路面结构合理 厚 度: 面 层 厚 度 ≥6 cm，再生基层厚度介 于20 cm ～ 25 cm，当量土基模量≥250 MPa。从计算结果来看，在特重交通荷载作用下，基层厚度必须达到一定厚度，但是为了保证泡沫沥青再生基层的施工质量，再生基层厚度不宜 ＞ 30 cm。

总之，如表 5 所示，为泡沫沥青再生基层路面推荐的合理结构厚度。

3 结 语

( 1) 对路表弯沉影响和泡沫沥青再生基层承载力分析可以得出，所有路面结构组合都随着当量土基模量的增加，路表弯沉和泡沫沥青再生基层层底弯拉应力呈现逐渐减小的趋势，当罩面层厚度相同时，路表弯沉和泡沫沥青再生基层层底弯拉应力随着泡沫沥青再生基层厚度的增加而出现明显减小。

( 2) 对泡沫沥青再生基层路面疲劳寿命分析表明，当量土基模量对路面大修后的使用运营有很大的影响，同时磨耗层厚度和基层厚度均会影响到路面结构的整体强度和使用寿命。

( 3) 通过泡沫沥青再生基层路面进行组合设计，结合我国 《城镇道路路面设计规范》 ( CJJ 169 －2012) 对交通量等级的划分，确定了杭州地区市政道路泡沫沥青再生基层路面的合理厚度，为杭州地区泡沫沥青再生基层路面设计和施工提供一定参考。

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