1. 引言
在全球气候变化的背景下，南方湿热地区对道路工程的影响日益凸显，特别是在我国南方及沿海地区，如福建等省份，其独特的高温、高湿气候条件对路面结构的性能提出了更为严苛的要求。传统的路面结构形式在应对这些复杂环境时往往表现出较快的性能衰减和较短的使用寿命，因此，探索并推广适应南方湿热地区的新型路面结构形式显得尤为重要[1]。
目前，国际上沥青路面结构涵盖了多种类型，包括刚性基层沥青路面、传统柔性沥青路面、全厚式长寿命沥青路面、半刚性基层沥青路面以及组合式基层沥青路面等。这些路面结构各具特色，同时也伴随着各自的局限性。刚性基层沥青路面在面临温度和荷载的双重作用下，容易出现车辙和反射裂缝等损害，进而影响其使用性能和耐久性[2] [3]。传统柔性沥青路面在承受较大荷载时，则可能遭遇车辙和疲劳开裂等问题，导致路面使用寿命的缩短[4]。全厚式长寿命沥青路面结构以其出色的结构性能，能够承受荷载的反复作用。然而，其高昂的造价以及在特定情况下仍可能出现的车辙等问题，限制了其广泛应用[5]-[7]。半刚性基层沥青路面虽然具备较好的承载能力和较低的成本，但反射裂缝和水损坏等问题相对突出，影响了其长期稳定性[8] [9]。
组合式柔性基层结构作为一种创新的路面结构类型，以其优异的抗裂性、耐久性和排水性能，在国内外道路工程中逐渐受到重视[10] [11]。该结构通过合理组合不同材料层，形成具有良好整体性能的路面系统，尤其适用于湿热重载交通条件。通常，组合式基层沥青路面结构的使用性能受到材料种类、结构组合以及路面结构设计指标与方法等因素的显著影响[12] [13]。然而，目前各国选用的组合式基层沥青路面材料种类和结构形式存在明显差异，相应的设计方法也有所不同[14] [15]。在材料选用层面，德国的基层铺设倾向于采用沥青稳定碎石类材料，这类材料主要由经过精心筛分的碎石、回收利用的旧沥青路面材料(RAP)，或是这两者的科学配比混合物构成[16]。美国和日本依据各自的道路使用需求，灵活采用了多样化的基层材料。而在法国，除了同样采用沥青稳定碎石和沥青砂砾外，还特别注重路面结构的强化，广泛运用了高模量沥青混凝土基层，以显著提升道路的承载能力和抗车辙性能[17]-[19]。中国的组合式基层沥青路面，面层常用改性沥青以增强抗车辙性。基层则多采用沥青稳定碎石、大粒径沥青碎石或透水沥青混合料，类似国际做法。底基层则主要为水泥稳定碎石，部分路段也使用二灰稳定碎石或土[20]。
福建地区气候炎热潮湿，山区多且高速路坡度大。早期建设的半刚性基层沥青路面，常因水损害、松散、坑槽、车辙、泛油等问题受损，难以适应当地的地理气候及交通需求。为了提升路面结构的耐久性和使用性能，减少早期破坏如反射裂缝、车辙、推移和水损害等问题，必须进行针对性的结构参数设计研究。通过优化结构参数，如层厚、材料类型等，可以确保路面结构在南方湿热地区下表现出最佳性能，延长路面使用寿命，降低维护成本。因此本次研究聚焦于福建地区，依托传感器实测数据，选取当地典型材料作为研究基础。通过室内外试验与统计分析，制定福建地区材料设计经验值。
2. 试验材料与方法
2.1. 原材料
2.1.1. 沥青
本研究采用的70号沥青和SBS改性沥青分别为镇海70号基质沥青及SBS I-D改性沥青，其主要技术指标如表1所示。
Table 1. Comparison of various asphalt technical indicators
表1. 各项沥青技术指标对比
技术指标 |
单位 |
镇海70号沥青 |
SBS I-D改性沥青 |
针入度25℃ |
0.1 mm |
68 |
46 |
软化点 |
˚C |
46.5 |
86.6 |
延度15℃ |
cm |
>150 |
>150 |
闪点 |
˚C |
281 |
295 |
60℃动力黏度 |
Pa∙s |
212.6 |
5582 |
薄膜加热质量损失 |
% |
−0.1 |
−0.2 |
薄膜加热针入度比 |
% |
69 |
77 |
2.1.2. 矿粉
本研究中填料为石灰岩矿粉，矿粉状态干燥、洁净，矿粉的主要技术指标如表2所示。
Table 2. Mineral powder technical index test results
表2. 矿粉技术指标试验结果
项目 |
技术要求 |
试验结果 |
表观相对密度 |
≥2.5 |
2.740 |
含水量/% |
≤1.0 |
0.37 |
外观 |
无团粒结块 |
无团粒结块 |
0.60 mm筛孔通过率/% |
100 |
100 |
0.15 mm筛孔通过率/% |
90~100 |
96.8 |
0.075 mm筛孔通过率/% |
70~100 |
78.4 |
2.1.3. 集料
针对路面结构的不同层次，分别采用了适宜的集料类型：表面层(如AC-13、SMA-13、AC-16、SMA-16)优先选用质地坚硬、棱角性优异的玄武岩集料，以确保其优异的耐磨性和抗滑性能；而对于非表面层(如AC-20、AC-25、ATB-25、HFM等)，则选用了石灰岩集料，兼顾了经济性与实用性，同时满足结构层对强度和稳定性的要求。此外，所有集料均配以石灰岩矿粉作为填料，以优化混合料性能。粗集料和细集料基本性能指标分别见表3和表4。
Table 3. Basic performance indicators of coarse aggregates
表3. 粗集料基本性能指标
检验指标 |
玄武岩 |
石灰岩 |
9.5~13.2 mm |
4.75~9.5 mm |
2.36~4.75 mm |
19.5~26.5 mm |
13.2~19.5 mm |
9.5~13.2 mm |
4.75~9.5 mm |
2.36~4.75 mm |
毛体积相对密度(g/cm3) |
2.881 |
2.875 |
2.836 |
2.731 |
2.719 |
2.701 |
2.705 |
2.660 |
表观相对密度(g/cm3) |
2.952 |
2.954 |
2.944 |
2.750 |
2.738 |
2.723 |
2.741 |
2.721 |
吸水率(%) |
0.86 |
0.91 |
1.22 |
0.19 |
0.27 |
0.33 |
0.46 |
0.91 |
针片状含量(%) |
>9.5 mm |
3.8 |
- |
- |
3.6 |
6.0 |
9.2 |
- |
- |
<9.5 mm |
- |
4.6 |
- |
- |
- |
- |
13.9 |
- |
集料压碎值(%) |
12.2 |
- |
20.5 |
- |
洛杉矶磨耗损失(%) |
14.8 |
- |
24.7 |
- |
对沥青的黏附性(级) |
4 |
- |
4 |
- |
Table 4. Basic performance indicators of fine aggregates
表4. 细集料基本性能指标
检验指标 |
玄武岩 |
石灰岩 |
表观相对密度(g/cm3) |
2.946 |
2.653 |
砂当量(%) |
77 |
80 |
亚甲蓝值(g/kg) |
1.6 |
1.5 |
棱角性(s) |
46 |
45 |
坚固性(>0.3 mm部分) |
5.8 |
6.9 |
2.2. 试验方法
2.2.1. 沥青混合料性能试验
按照JTG E20中T0738方法，采用沥青混合料性能试验(Asphalt mixture performance tester，以下简称AMPT)测定动态压缩模量，对于表面层、中面层，采用20℃、10 Hz试验条件，对于上基层采用20℃，5 Hz试验条件，每组试验不少于15组数据。
2.2.2. 动态模量试验
按照JTG D50 2017，在沥青层永久变形量计算时需要给出各层沥青混合料的5 mm厚度下车辙试验的50 mm车辙试验变形量，因此50 mm车辙试验变形量是重要的材料设计参数。
依据JTG E20-2011标准的T0719方法，进行车辙试验的步骤如下：首先制作300 mm × 300 mm × 50 mm的标准车辙板试件，并静置48小时以上确保沥青完全固化。之后，将试件置于车辙试验机中，在60℃恒温环境下预热5小时。随后启动试验机，以0.7 MPa的轮压和42次/分钟的速度，用橡胶轮胎对试件进行碾压。记录试件变形量随时间的变化，根据最后15分钟的变形量计算沥青混合料的动稳定度DS。
动稳定度按照下式计算：
(1)
其中DS为沥青混合料的动稳定度，(次/mm)；d1为对应于时间t1的变形量，(mm)；d2为对应于时间t2的变形量，(mm)；C1是试验机类型系数，当加载轮通过曲柄连杆机构进行往复运动时，对应的试验机类型系数为1.0；C2是试件系数，当试件的宽度达到300毫米且是在试验室条件下制备时，对应的试件系数为1.0；N为试验轮往返碾压速度，通常为42次/min。
3. 研究地区路面结构选取
在福建地区，沥青混合料的设计参数主要依据工程实践、地理条件、气候条件以及相关的技术规范来确定。表5是根据福建省高速公路工程实践，同时参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40报批稿)梳理的福建地区结构列表，并详细介绍了各层位适合的沥青混合料类型及其设计参数。
Table 5. The table selecting structures
表5. 选取结构表
结构 |
结构形式 |
结构1 |
面层：4.5 cm AC-16C + 5.5 cm AC-20C + 10 cm ATB-25 基层：16 cm级配碎石 + 32 cm水稳碎石 |
结构2 |
面层：4.5 cm AC-16C + 5.5 cm AC-20C + 14 cm ATB-25 基层：16 cm级配碎石 + 32 cm水稳碎石 |
结构3 |
面层：4.5 cm AC-16C + 5.5 cm AC-20C + 18 cm ATB-25 基层：16 cm级配碎石 + 32 cm水稳碎石 |
结构4 |
面层：4.5 cm AC-16C + 5.5 cm AC-20C + 22 cm ATB-25 基层：16 cm级配碎石 + 32 cm水稳碎石 |
结构5 |
面层：4.5 cm AC-16C + 5.5 cm AC-20C + 26 cm ATB-25 基层：16 cm级配碎石 + 32 cm水稳碎石 |
结构1的面层较薄，可能难以满足长期重载交通的需求；而结构3、4、5的面层较厚，虽然能够提高路面的承载能力和耐久性，但也会增加建设成本。与其他结构形式相比，结构2在福建地区的应用中表现出更均衡的性能。
因此本研究选取的福建地区柔性基层沥青路面的典型构造由以下几层组成：4.5厘米厚的SBS I-D改性沥青AC-16面层、5.5厘米厚的SBS I-D改性沥青AC-20中面层、12至16厘米厚的70号基质沥青ATB-25下面层、16厘米厚的级配碎石基层、以及20至32厘米厚的低剂量水泥稳定碎石层和路基。针对这些构成材料，特别是级配碎石等粒料材料，开展结构设计参数的研究。
4. 试验结果
4.1. 沥青混合料的动态模量
通过统计分析大量试验数据，得出了各混合料的动态模量范围(5%~95%分位点)及平均值，具体参见表6。与JTG D50标准对比后显示，福建地区的沥青混合料动态模量基本符合行业标准推荐范围，但主要集中于该范围的中低值区域。
Table 6. Table of dynamic modulus ranges for different types of asphalt mixtures
表6. 不同类型沥青混合料动态模量范围表
混合料类型 |
20˚C，10 Hz动态模量(MPa) |
20˚C，5 Hz动态模量(MPa) |
SBS改性沥青AC-13 |
7500~9500 (8500) |
/ |
SBS改性沥青SMA-13 |
9000~10,000 (9500) |
/ |
SBS改性沥青AC-16、SMA-16 |
9500~10,500 (10,000) |
/ |
SBS改性沥青AC-20 |
10,000~11,000 (10,500) |
/ |
高模量改性沥青HFM-16 |
12,000~14,000 (13,000) |
/ |
高模量改性沥青HFM-20 |
/ |
10,500~12,500 (11,000) |
ATB-25\AC-25 (70#沥青) |
/ |
6500~8500 (7500) |
ATB-25\AC-25 (50#沥青) |
/ |
7500~9500 (8500) |
SBS改性沥青AC-13 |
7500~9500 (8500) |
/ |
4.2. 改性剂对混合料抗车辙性能影响
对比不同PE改性剂掺量对沥青混合料抗车辙性能的影响，采用0.25%、0.3%、0.35%、0.5%、1%五种PE浓度进行车辙试验，结果见表7和表8。试验发现，改性剂掺量增加，抗车辙性能提升。PE掺量低于0.35%时，动稳定度显著上升；高于0.35%时，增长放缓。究其原因，当掺量低于0.35%时，PE分子在沥青中分散均匀，有效填充沥青胶体空隙并强化粘结作用，动稳定度显著提升(60℃下从0.25%至0.35%掺量时，动稳定度增幅达29.7%)，当掺量超过0.35%后，改性剂可能因团聚或分散不均导致局部应力集中，且沥青黏度过高(如1%掺量时60℃动力黏度达5582 Pa∙s)会降低施工和易性。因此，建议PE改性剂掺量不超过0.35%，以兼顾性能和经济性。
Table 7. Dynamic stability under different PE contents (cycles/mm)
表7. 不同PE掺量下的动稳定度(次/mm)
测试温度 |
PE掺量 |
0.25% |
0.3% |
0.35% |
0.5% |
1% |
60˚C |
10836.15 |
12053.55 |
14056.59 |
17031.74 |
26496.06 |
70˚C |
5121.95 |
7532.25 |
8314.33 |
11959.07 |
15945.51 |
Table 8. Rutting depth under different PE contents (mm)
表8. 不同PE掺量下的车辙深度(mm)
测试温度 |
PE掺量 |
0.25% |
0.3% |
0.35% |
0.5% |
1% |
60˚C |
1.204 |
0.991 |
0.785 |
0.539 |
0.366 |
70˚C |
2.057 |
1.827 |
1.729 |
1.279 |
0.748 |
4.3. 含水率对动态模量的影响
含水率对粒料材料的回弹模量的影响是多方面的，不仅受到含水率本身的直接影响，还与材料的具体类型、颗粒组成及其他相关因素紧密相关。在密集配粒料的情况下，回弹模量对含水率的变化表现得尤为敏感，尤其是在细集料含量较高且接近水饱和状态时，这一现象更为显著。因此，在粒料材料的应用和施工过程中，控制适宜的含水率对于确保材料性能的稳定性和预测性至关重要。
本节选用粗、中、细三种级配类型进行动三轴试验，每种级配在最佳含水率(OMC)及其±2%的范围内各制作两个试件。鉴于振动成型试件能更贴近实际且保持原有级配，故采用振动成型方法制备试件。目标压实度设定为98%，级配组成参见表9，而最佳含水率和最大干密度则由表10给出。
Table 9. Gradation composition
表9. 级配组成
级配类型 |
对应筛孔(mm)的集料通过百分率(%) |
31.5 |
26.5 |
19 |
16 |
13.2 |
9.5 |
4.75 |
2.36 |
1.18 |
0.6 |
0.3 |
0.15 |
0.075 |
粗级配 |
100 |
90 |
68.7 |
49.9 |
42.5 |
35 |
33.8 |
21.6 |
15.8 |
10.7 |
7.5 |
5.9 |
3 |
中级配 |
100 |
91.6 |
75.3 |
57.1 |
51.8 |
42.7 |
32.5 |
25.9 |
19 |
16.5 |
11.5 |
9.1 |
4.3 |
细级配 |
100 |
99.7 |
79.8 |
66 |
59.2 |
49.5 |
37.3 |
28.4 |
23.8 |
17.8 |
13.7 |
9.9 |
5.6 |
Table 10. Gradation material test parameters table
表10. 级配材料试验参数表
级配类型 |
干密度(g/cm3) |
最佳含水率(%) |
试件尺寸(mm) |
试验个数 |
粗级配 |
2.213 |
4.3 |
Ø150 × 300 |
1 × 3 × 2 |
中级配 |
2.395 |
4.9 |
Ø150 × 300 |
1 × 3 × 2 |
细级配 |
2.438 |
5.2 |
Ø150 × 300 |
1 × 3 × 2 |
不同含水率下不同级配类型的动态模量结果汇总于表11，并通过图1~3进一步展示，可以发现随着含水率上升，三种级配的碎石动态回弹模量均有所下降，细级配下降最为显著。这归因于水分减少了集料间的摩擦力，对细级配影响尤为明显，导致试件变形增大，模量降低。然而，在最佳含水率后，粗级配和中级配的动态模量在最佳含水率至最佳含水率 +2%范围内变化不大，表明少量水分增加对这两种级配影响减弱。相比之下，细级配在最佳含水率后，含水率继续上升会导致动态模量迅速下降。这是因为重复荷载下，饱和颗粒产生的水压超出孔洞承受范围，改变颗粒形状，减少材料内部有效应力，进而削弱材料强度和硬度。
Table 11. Impact of moisture content on dynamic modulus of different gradation types
表11. 含水率对不同级配类型的动态模量影响
偏应力(kPa) |
围压(kPa) |
粗级配 |
中级配 |
细级配 |
OMC-2 |
OMC |
OMC+2 |
OMC-2 |
OMC |
OMC+2 |
OMC-2 |
OMC |
OMC+2 |
60 |
20 |
173.7 |
147.9 |
156.5 |
181.2 |
164.8 |
160.3 |
170.3 |
155.6 |
123.8 |
80 |
20 |
183.8 |
159.6 |
167.2 |
187 |
170.3 |
168.5 |
174.7 |
155.3 |
131.5 |
120 |
40 |
190.8 |
166.5 |
161.9 |
195.2 |
184.9 |
176.5 |
191.6 |
175.8 |
165.9 |
160 |
40 |
209.3 |
184.5 |
186.8 |
218.6 |
205.2 |
204.7 |
214.3 |
200.4 |
195.2 |
续表
140 |
70 |
280.5 |
242.8 |
233.9 |
290.3 |
244.1 |
241.6 |
282.6 |
271.8 |
220.5 |
210 |
70 |
302.3 |
255.2 |
262.4 |
309.9 |
255.3 |
267.1 |
302.4 |
286.7 |
237.2 |
280 |
70 |
322.8 |
275.6 |
287.2 |
318.6 |
280 |
284.1 |
311.8 |
293.5 |
246.9 |
210 |
105 |
340.6 |
293.7 |
287.3 |
351 |
312.6 |
295.4 |
343.2 |
327.6 |
276.1 |
315 |
105 |
363.9 |
312.4 |
316.2 |
370.8 |
315.5 |
319.2 |
365.7 |
346.4 |
292.6 |
420 |
105 |
383.5 |
329.8 |
337.3 |
385.6 |
323.8 |
340.4 |
382.6 |
357.2 |
305.3 |
280 |
140 |
384.4 |
337.2 |
332.5 |
395.2 |
347.9 |
338.8 |
394.8 |
325.9 |
316.1 |
420 |
140 |
409.2 |
356.6 |
359.4 |
425.7 |
365.8 |
367.1 |
413.9 |
391.5 |
332.7 |
560 |
140 |
430.5 |
375.8 |
377.5 |
445.1 |
370.6 |
367.9 |
431.1 |
408.6 |
350.5 |
Figure 1. Effect analysis of moisture content on dynamic modulus of coarse graded crushed stone under confining pressure conditions
图1. 围压条件下粗级配碎石含水率对动态模量的效应分析
Figure 2. Effect analysis of moisture content on dynamic modulus of intermediate graded crushed stone under confining pressure conditions
图2. 围压条件下中级配碎石含水率对动态模量的效应分析
Figure 3. Effect analysis of moisture content on dynamic modulus of fine graded crushed stone under confining pressure conditions
图3. 围压条件下细级配碎石含水率对动态模量的效应分析
4.4. 含水率对CBR值的影响
对三种级配碎石在最佳含水率及其 ±2%的条件下进行了加州承载比(CBR)试验。该试验旨在评估路面基层材料的承载能力，是衡量粒料类材料强度和抗永久变形性能的关键指标。在计算CBR值时，通常选取0.254 cm的贯入值，并依据相应公式得出最终结果：
(2)
式中P为试件在特定贯入值条件下所承受的单位压力(MPa)；P0为标准碎石材料在特定贯入值下承受的单位压力(MPa)。CBR试验结果如图4所示。
Figure 4. The variation rule of CBR value of crushed stone with different gradations as moisture content changes
图4. 不同级配碎石CBR值随含水率变化的规律
图4显示最佳含水率下三种级配碎石的承载力达到最大值。一旦含水率偏离此最优值，CBR值均会有所下降，其中细级配碎石降幅最为显著，中级配次之，粗级配最小。考虑到CBR值与剪切强度关系密切，与以往动态模量分析结果一致的是，细级配碎石的结构强度下降幅度也比较大。细级配和中级配作为连续型级配，其CBR值较高，集料分布均匀，密实成型，所以在承受贯入荷载时，稳定性表现得比较好。但在粒径4.75 mm至9.5 mm的区间内，粗级配有断级配现象，且粗集料占比较高，造成试件成型后致密、稳定性相对较差，易产生较大变形，荷载下失稳。
综上所述，中级配碎石在含水率波动时的性能表现更为优越，优于粗级配和细级配。
4.5. 应力状态对动态模量的影响
级配碎石的应力依赖性是其关键特性之一，对性能有显著影响。围压和偏应力的变化会导致级配碎石模量展现不同特点。图5~7展示了三种级配碎石的动态模量随体应力的变化。
Figure 5. Dynamic modulus response curve under stress variation for coarse gradation aggregates
图5. 粗级配体应力变化下的动态模量响应曲线
Figure 6. Dynamic modulus response curve under stress variation for intermediate gradation aggregates
图6. 中级配体应力变化下的动态模量响应曲线
Figure 7. Dynamic modulus response curve under stress variation for fine gradation aggregates
图7. 细级配体应力变化下的动态模量响应曲线
通过三种级配体应力与动态模量之间的关系可得在同一含水率和同一围压下，随着体应力的升高，动态模量值也随之变大。且围压变化对动态模量带来的影响相比于体应力要大，三种级配的动态模量增加幅度较一致。
4.6. 密实度对动态模量的影响
在最佳含水率4.9%下，对中级配材料进行了96%、98%、100%三种密实度的动三轴试验，结果见图8。
Figure 8. The influence of compactness on the dynamic modulus of graded crushed stone
图8. 密实度对级配碎石动态模量的影响
图8显示了级配碎石动态模量与密实度正相关。这主要是因为密实度提高，集料间接触更紧密，接触点和面积均有所增加。在受到相同外荷载时，集料间的平均接触应力降低，从而使得整体变形量减少，这直接导致了动态模量的增加。此外，集料充分接触增强了颗粒嵌挤，限制了颗粒相对移动和重排，减少了级配碎石变形。但施工中，过高密实度会增加级配碎石层施工难度，压实成型困难，因此密实度并非越高越好。基于这一考虑，建议在实际工程中将密实度控制在98%，以此作为质量控制的标准，以确保级配碎石层既能保持良好的动态模量，又能便于施工操作。
综合考量多种因素，级配碎石的动态模量与级配类型、含水率及应力状态均存在关联。对比三种级配在含水率变化下对动态模量和CBR值的影响，结果显示中级配展现出良好的含水率适应性。具体而言，当含水率超过最佳值时，中级配的模量受影响程度相对较低，且其动态模量与CBR值均保持较高水平。因此，中级配被视为后续试验的理想基本级配类型。
4.7. 粒料层含水率变化趋势测定
粒料层中含水率状态对粒料材料性能影响很大，一方面影响级配碎石等粒料材料的动态模量，同时也会影响级配碎石等粒料材料的抗永久变形能力。含水率是粒料材料永久变形量预估模型中重要影响因素，因此粒料层含水率是重要的材料设计指标。为了了解粒料材料中含水率变化趋势，在结构内部安装湿度传感器，对通车前后的含水率状态进行观测，传感器安装如图9所示。
Figure 9. Installation of humidity sensors in the aggregate layer
图9. 粒料层中湿度传感器的安装
通过现场实测级配碎石刚施工后未加铺沥青面层前含水率变化情况，如图10所示，发现粒料层中含水率施工过程中最高，一旦下雨，含水率会显著增加；但随着加铺沥青面层、阻断了路表水的进入，含水率会逐渐下降，并在一个范围内稳定；在自然条件下，粒料层含水率一般稳定在最佳含水率~最佳含水率 − 2%范围内。根据福建地区粒料材料最佳含水率的统计基础上，按照实测服役期含水率变化规律，取最佳含水率靠近下限作为设计推荐值，提出粒料材料含水率取值范围见表12。
Figure 10. Changes in moisture content of graded crushed stone immediately after construction, before the asphalt surface layer is paved
图10. 级配碎石刚施工后未加铺沥青面层前含水率变化情况
Table 12. Range of moisture content for aggregate materials
表12. 粒料材料含水率取值范围
材料层位 |
含水率(%) |
级配碎石下基层 |
5~7 (5) |
级配碎石底基层 |
5~6 (5.5) |
级配砾石底基层 |
5~8 (5.5) |
4.8. 粒料层动态模量取值
粒料材料的动态模量具有应力依赖性，应力水平提升时，模量值相应增大。此外，动态模量还显著受含水率和压实度的影响：含水率上升会导致动态模量下降，而压实度提高则会使动态模量增大。根据《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2017，粒料材料的动态模量取值与其类型及所在层位有关。通常，层位越高，原材料性能更佳，表现为最佳含水率降低、压实度提高以及应力水平上升，这些因素共同促使动态模量取值增大。相反，层位较低时，动态模量取值也相应较低。
《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2017规定，粒料材料的动态模量设计值是通过实测动态模量乘以现场湿度调整系数(范围在1.6至2之间)来确定的。基于该规范并结合福建地区材料的室内试验结果，提出了粒料材料的回弹模量取值，具体参见表13。
Table 13. Table of rebound modulus values for aggregate materials at different layers
表13. 粒料材料不同层位回弹模量取值表
材料层位 |
最佳含水率和考虑压实度要求的干密度条件下，回弹模量(MPa) |
经湿度调整后回弹模量(MPa) |
压实度 ≥ 98% |
压实度 ≥ 100% |
级配碎石下基层 |
200~400 |
400~600 (550) |
500~700 (650) |
级配碎石底基层 |
180~250 |
300~400 (350) |
350~440 (400) |
级配砾石底基层 |
150~220 |
200~300 (300) |
250~380 (350) |
本研究针对单一因素对动态模量的影响进行了系统分析，但实际工程中多因素可能产生协同或拮抗效应。例如，高含水率可能削弱压实效果，导致密实度不足，进而降低动态模量；而高围压状态下，含水率对细级配材料的负面影响可能被部分抵消。此外，福建地区高温高湿环境可能加剧材料性能的时变效应。由于正交实验的复杂性，本研究未涵盖多因素交互作用的定量分析，但建议未来研究采用正交设计法，重点考察“含水率-应力-压实度”三因素组合对动态模量的综合影响，以更精准指导湿热地区柔性基层设计。
5. 无机结合料稳定材料设计参数
无机结合料稳定材料是柔性基层结构的重要组成部分，通常用于路基和基层，其设计参数对整个路面结构的力学性能和耐久性有直接影响。本文针对福建地区的南方湿热地区，对无机结合料稳定材料的设计参数进行了研究，主要包括弯拉强度、弹性模量、干密度及其他相关性能指标。
1) 弯拉强度：弯拉强度是无机结合料稳定材料的关键设计参数之一，决定了其抗裂性和整体稳定性。根据试验结果和行业规范要求，福建地区无机结合料稳定底基层材料的弯拉强度实测值在以下范围内：弯拉强度值范围：1.0 MPa~1.5 Mpa，与JTG D50-2017中全国的标准经验值相比，福建地区的弯拉强度值基本相同，满足南方湿热地区下路基材料的强度要求。
2) 弹性模量：弹性模量是衡量材料变形特性的关键指标，能反映材料在受力时的变形能力。室内试验结果表明，福建地区的无机结合料稳定材料展现出较低的弹性模量值，具体数据详列如下：弹性模量实测值：9000 MPa~15,000 MPa，实测值比行业标准推荐值偏低，处于中值偏低范围内。这意味着无机结合料在南方湿热地区下的刚度可能较弱，但依然在可接受范围内。
3) 干密度反映了材料的压实度，对于无机结合料稳定材料来说，良好的压实度能够提高其抗压强度和耐久性。根据试验结果，福建地区的无机结合料稳定材料的干密度设计参数如下：最大干密度：2.00 g/cm3~2.50 g/cm3，最佳含水率：4%~6%。该干密度和最佳含水率适合福建地区的湿热气候条件，能够保证材料的强度和稳定性。
4) 抗压强度：抗压强度也是无机结合料稳定材料的一个重要性能指标，特别是在基层材料的设计中。针对组合式柔性基层，无机结合料稳定材料仅作为底基层，其相应的无侧限抗压强度标准见表14。
福建地区南方湿热地区下，无机结合料稳定材料的设计参数与全国标准大致相同，但在湿热条件下材料的弹性模量和强度值稍低。因此，在路面结构设计的过程中，必须充分重视气候条件对材料性能的潜在影响。通过精心选择合适的材料以及实施有效的设计优化策略，可以确保路面结构具备出色的稳定性和长期的耐久性。
Table 14. Table of modulus range for cement and cement-fly ash stabilized materials under different traffic volumes and highway grades (MPa)
表14. 不同交通量与公路等级下的水泥及水泥粉煤灰稳定类材料模量取值范围表(MPa)
材料 |
特重交通 |
重交通 |
中、轻交通 |
公路等级 |
水泥稳定类 |
3.0~5.0 |
2.5~4.5 |
2.0~4.0 |
高速公路和一级公路 |
2.5~4.5 |
2.0~4.0 |
1.0~3.0 |
二级及二级以下公路 |
水泥粉煤灰稳定类 |
2.5~3.5 |
2.0~3.0 |
1.5~2.5 |
高速公路和一级公路 |
2.0~3.0 |
1.5~2.5 |
1.0~2.0 |
二级及二级以下公路 |
6. 结论
本文基于福建地区，梳理了沥青路面材料设计参数取值工作要求，调查明确了沥青路面材料类型，进行大量材料试验，得出以下结论：
1) 明确界定了福建地区沥青混合料及结合料的类型，并测定了相关设计参数，福建地区沥青混合料动态模量达标但偏低(如ATB-25为6500~8500 MPa)，建议采用中级配碎石(OMC = 4.9%)作为基层材料，其动态模量(184.5~205.2 MPa)与CBR值(>150)在含水率波动下表现最优。同时，提出了沥青混合料的结构设计参数范围，PE改性剂掺量以0.35%为阈值，兼顾抗车辙性能(动稳定度14,056次/mm)与经济性，过量掺入(>0.35%)会导致边际效益递减；
2) 粒料层含水率应控制在最佳含水率下限(级配碎石下基层5%、底基层5.5%)，动态模量设计值取550~650 MPa (压实度 ≥ 98%)。
3) 无机结合料稳定材料弹性模量(9000~15,000 MPa)低于全国均值，需加强湿热环境适应性设计。
基金项目
福建省交通运输科技项目(2022Y111)“南方湿热地区组合式柔性基层高速公路长期性能研究”。
NOTES
*通讯作者。