1.本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种基于装配式磷石膏基层的沥青路面结构及其设计方法。
背景技术：
2.沥青路面是用沥青材料做结合料黏结矿料修筑面层与各类基层(有时含功能层)所组成的路面。沥青路面结构层由三部分组成：面层、基层和底基层。我国90％以上的高等级公路沥青路面基层和底基层采用半刚性材料，半刚性基层沥青路面已经成为我国高等级公路沥青路面的主要结构形式。
3.半刚性基层沥青路面虽有广泛的应用，但其具有难以克服的不足，如传统的水泥稳定碎石基层沥青路面在车辆荷载及环境荷载作用下，在基层层底处会产生较大的沿行车方向的拉应力，且在水泥稳定碎石基层材料施工完成后，随着湿度和温度的变化，使材料产生干缩和温缩应力，导致开裂，进而传递到沥青面层形成反射裂缝，造成局部路面结构的破坏。
4.磷石膏是工业湿法生产磷酸产生的固体废弃物，且磷石膏的资源化回收利用程度较低，全国对磷石膏的处置方式主要以堆存为主，占用大量土地，同时会污染堆场附近的地下水、土壤和植被等。磷石膏经过高温煅烧后会大幅降低其中的水溶性磷、氟等污染物，实现无害化，并且在煅烧后表现出良好的力学性能；但磷石膏材料初凝时间短，不利于现场施工和质量控制，而将磷石膏预制成装配式基块，可以克服磷石膏本身的材料缺陷，从而具备替代现有路面基层材料的潜力。
5.目前，集料每年用量大，开采矿山破坏性大，且经济性不佳，急需寻找一种替代资源。因此，开发一种基于装配式磷石膏基层的沥青路面结构，既可以避免现有集料破坏大的问题，又可以现固体废弃物的资源化再利用，具有良好的经济效益。
技术实现要素：
6.针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于装配式磷石膏基层的沥青路面结构及其设计方法。本发明利用磷石膏材料制备的装配式基块替代现有水泥稳定级配碎石基层用作道路基层，能够减少路面因温缩而产生的裂缝，而且采用极差分析和方差分析明确了磷石膏基层厚度对于沥青路面力学性能的影响，设计了基于磷石膏基层的沥青路面结构各结构层的最优厚度组合。
7.本发明的技术方案是按以下方式实现的：本发明提供一种基于装配式磷石膏基层的沥青路面结构设计方法，包括以下步骤：
8.s1、以磷石膏基材作为路面基层，拟定沥青路面结构；
9.s2、根据沥青路面设计规范和公路交通量，初步确定沥青路面结构中各结构层的厚度；
10.s3、选取沥青路面结构中的结构层以及相应结构层的厚度，作为x个因素n个水平
进行正交实验，计算得到路面结构设计指标；
11.s4、对路面结构设计指标分别进行极差分析和方差分析，确定路面结构力学性质的主要影响因素及不同厚度结构层的较优组合；
12.s5、根据极差分析和方差分析结果，选择满足路面结构性能的各结构层的最优厚度组合，获得基于装配式磷石膏基层的最佳沥青路面结构。
13.优选的，步骤s1中，沥青路面结构从上到下依次包括第一沥青层、第二沥青层、第三沥青层、第一磷石膏基层、第二磷石膏基层、级配碎石底基层和土基层。
14.优选的，第一沥青层的厚度为30-50mm，第二沥青层的厚度为50-70mm，第三沥青层厚度为70-90mm，第一磷石膏基层和第二磷石膏基层总厚度为300-500mm。
15.优选的，磷石膏基材包括磷石膏和陶粒；磷石膏为煅烧磷石膏，粒径为150～300μm，陶粒的密度为700～800kg/m3。
16.优选的，步骤s3中，选取沥青路面结构中的沥青层、磷石膏基层以及沥青层厚度和磷石膏基层厚度作为x个因素n个水平进行正交实验。
17.优选的，步骤s3中，路面结构设计指标包括路基顶面竖向压应变、沥青层层底拉应变和磷石膏基层层底拉应力。
18.优选的，步骤s4中，极差分析包括计算和判断；计算包括计算k
jm
、k
jm
和rj值，判断包括因素水平、优水平和最优组合；其中：k
jm
是第j列因素m水平所对应的试验指标和，k
jm
为k
jm
平均值，rj为第j列因素的极差。
19.优选的，步骤s4中，方差分析包括计算f值，并与不同置信区间下的标准f
α
值比较，进行显著性分析。
20.本发明还提供一种如上所述的基于装配式磷石膏基层的沥青路面结构设计方法设计得到的沥青路面结构。
21.本发明还提供一种如上所述的基于装配式磷石膏基层的沥青路面结构设计方法在沥青路面结构施工中的应用。
22.本发明的有益效果是：
23.1、本发明采取正交实验设计，通过极差分析以及方差分析明确了磷石膏基层厚度对于沥青路面力学性能的影响，确定了基于装配式磷石膏基层的沥青路面结构中各结构层的最优厚度组合；且在沥青路面结构中，该磷石膏基层相较水泥稳定级配碎石基层，减少了基层层底拉应力，延长了沥青路面的使用寿命。
24.2、本发明采用磷石膏作为沥青路面基层材料，替代现有水泥稳定级配碎石基层用作道路基层，解决了现有集料用量大、环境破坏大以及价格贵等问题，实现了大量堆存的磷石膏的资源化利用。并且磷石膏材料本身密度小，导热系数低，温度敏感性相较水泥稳定碎石基层小，减少了因温缩而产生的裂缝。
附图说明
25.图1为本发明一种基于装配式磷石膏基层的沥青路面结构设计方法流程图；
26.图2为本发明基于装配式磷石膏基层的沥青路面结构示意图；
27.图中：1、第一沥青层；2、第二沥青层；3、第三沥青层；4、第一磷石膏基层；5、第二磷石膏基层；6、级配碎石底基层；7、土基层。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
29.如图1所示，本发明实施例提供一种基于装配式磷石膏基层的沥青路面结构设计方法，包括以下步骤：
30.s1、以磷石膏基材作为路面基层，拟定沥青路面结构；
31.s2、根据沥青路面设计规范和公路交通量，初步确定沥青路面结构中各结构层的厚度；
32.s3、选取沥青路面结构中的结构层以及相应结构层的厚度，作为x个因素n个水平进行正交实验，计算得到路面结构设计指标；
33.s4、对路面结构设计指标分别进行极差分析和方差分析，确定路面结构力学性质的主要影响因素及不同厚度结构层的较优组合；
34.s5、根据极差分析和方差分析结果，选择满足路面结构性能的各结构层的最优厚度组合，获得基于装配式磷石膏基层的最佳沥青路面结构。
35.为使本发明实施目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
36.实施例1
37.一种基于装配式磷石膏基层的沥青路面结构设计方法，包括以下步骤：
38.(1)拟定沥青路面结构；如图2所示，沥青路面结构从上到下依次包括第一沥青层1、第二沥青层2、第三沥青层3、第一磷石膏基层4、第二磷石膏基层5、级配碎石底基层6和土基层7。
39.其中，磷石膏基层由磷石膏和陶粒以9:1的质量比，经过压力成型得到。磷石膏是经过1000℃高温煅烧后的煅烧磷石膏，颗粒直径为150～300μm，经高温煅烧能够将磷石膏中的二水硫酸钙(caso4·
2h2o)转化成半水硫酸钙(caso4·
1/2h2o)，其含有的五氧化二磷及氟化物含量也大量降低，实现无害化；陶粒由湖北聚海环境科技有限公司生产，由城市污泥经高温煅烧制备而成，密度为700～800kg/m3。土基(路基)层为改良路基土层，是指在路基土层中掺入水泥或石灰形成的改良土。
40.对磷石膏基层材料进行最大干密度、最佳含水率、无侧限抗压强度、抗弯拉强度、弹性模量以及泊松比测试，试件尺寸为100mm
×
100mm
×
200mm，测得磷石膏基层材料的弹性模量为6800mpa(经过结构层模量调整系数调整后为3400mpa)，泊松比为0.27。并与水泥稳定碎石基层材料进行对比，结果见表1。
41.表1磷石膏基层材料性能测试结果
[0042][0043]
由表1可知，与水泥稳定碎石基层材料相比，磷石膏基层材料的密度小、抗压强度高，满足公路路面基层规定的技术要求，但是其弹性模量与水泥稳定碎石基层材料差值较大，故需要对其进行路面结构厚度设计。
[0044]
(2)采用《公路沥青路面设计规范》(jtg d50-2017)中沥青路面结构设计方法，参考湖北某高速公路交通量，初步确定各结构层参数以及沥青路面各面层和磷石膏基层的厚度范围，如表2所示。
[0045]
表2沥青路面各结构层相关参数
[0046][0047][0048]
(3)将沥青路面各结构层的厚度以及装配式磷石膏基层厚度按照四因素三水平的正交实验设计进行组合，选用l9(34)型正交表，如下表3所示，不考虑因素间的相互作用，固定级配碎石底基层厚度为200mm。对于装配式磷石膏基层拟采用上下两层结构，将装配式磷石膏基层分为两层，可以减少磷石膏基块的自重，从而便于运输、施工铺筑以及后期路面维护，并且基于前期室内成型试件的情况，小尺寸的试件均匀性更佳，质量更加稳定。假设装配式磷石膏基层层间完全连续，故在下表中仅展示磷石膏基层厚度总和。
[0049]
表3因素水平表
[0050] 因素水平1水平2水平3a第一沥青层厚度/mm304050b第二沥青层厚度/mm506070c第三沥青层厚度/mm708090d磷石膏上下基层总厚度/mm300400500
[0051]
利用abaqus有限元软件，选择长6m、宽6m、厚度为5m的三维实体模型进行建模，边
界条件为四周完全固定，层间接触为在沥青路面各结构层之间为完全连续，采用轴重为100kn的单轴-双轮组轴载作为设计轴载，轮胎接地压强为0.7mpa，将双圆均布荷载换算为矩形荷载，换算后的轮胎尺寸为0.23m
×
0.16m。沥青路面模型在形状上较为规则，所以网格划分采用八节点六面体线性缩减积分单元(c3d8r)。abaqus有限元获取路基顶面竖向压应变、沥青混合料层层底拉应变以及装配式磷石膏基层层底拉应力的计算结果如下表4所示。
[0052]
表4有限元计算结果
[0053][0054][0055]
(4)将上述abaqus有限元软件计算得到的结果利用spssau数据分析软件进行极差分析。极差分析可以确定各影响因素作用主次顺序，并确定优水平组合。极差分析法简称r法，包括计算和判断两个步骤，如下所示：
[0056][0057]
其中：k
jm
是第j列因素m水平所对应的试验指标和，k
jm
为k
jm
平均值，大小可以判断第j列因素优水平和最优组合。rj为第j列因素的极差，反映第j列因素的水平波动。极差分析结果如下表5～7所示。
[0058]
表5路基顶面竖向压应变极差分析结果
[0059][0060][0061]
表6沥青混合料层层底拉应变极差分析结果
[0062][0063]
表7磷石膏基层层底拉应力极差分析结果
[0064]
[0065][0066]
整理上述表5～7极差分析结果于下表8。
[0067]
表8主次顺序及最优组合
[0068]
设计指标主次顺序最优组合路基顶面竖向压应变d＞a＞b＞ca1b1c1d1沥青混合料层层底拉应变b＞a＞c＞da3b3c2d1磷石膏基层层底拉应力d＞a＞b＞ca1b1c1d1[0069]
由上表可知，第一沥青层厚度a、第二沥青层厚度b以及磷石膏基层厚度d对沥青路面力学响应较大，因此基于分析结果主要考虑因素为第一沥青层厚度a、第二沥青层厚度b以及磷石膏基层厚度d，尤其是第一沥青层厚度a以及装配式磷石膏基层厚度d。
[0070]
(5)将步骤(3)有限元软件计算得到的结果利用spssau数据分析软件进行方差分析，由于方差分析中需要满足实验量为10种路面组合的要求，故补充a2b2c2d2装配式磷石膏基层厚度组合。其中组间自由度为2，组内自由度为7，查f分布上侧分位数表得到不同置信区间下的f
α
值，具体如下表9所示。
[0071]
表9f分布置信区间表
[0072]
置信区间f
α
90％置信区间f
0.1
(2,7)＝3.2695％置信区间f
0.05
(2,7)＝4.7499％置信区间f
0.01
(2,7)＝9.55
[0073]
若计算得到的f值大于f
α
，则该因素具有显著影响，计算各因素方差并做显著性分析，结果如下表10所示。
[0074]
表10方差分析结果
[0075]
设计指标abcd路基顶面竖向压应变0.1210.0920.09640.140沥青混合料层层底拉应变1.4074.8280.1630.093
磷石膏基层层底拉应力0.1030.0790.08246.901
[0076]
由上表可知，沥青混合料层层底拉应变受第二沥青层b厚度影响较大，路基顶面竖向压应变以及磷石膏基层层底拉应力受磷石膏基层d厚度影响极大。
[0077]
结合极差分析以及方差分析的结果可知，第一沥青层厚度a、第二沥青层厚度b以及磷石膏基层厚度d对沥青路面力学响应较大，其中第二沥青层b对沥青混合料层层底拉应变影响较大，路基顶面竖向压应变以及磷石膏基层层底拉应力受磷石膏基层d厚度影响极大。故，在实际施工中根据上述分析结果选择满足沥青路面结构性能的最优组合即可。
[0078]
本实施例根据极差分析和方差分析结果，结合《公路沥青路面设计规范》对沥青混合料面层的要求，以及考虑装配式磷石膏基层的成型工艺和造价成本，选取基于装配式磷石膏基层的沥青路面结构厚度的最优组合为：a3b2c1d2，即第一沥青层50mm、第二沥青层60mm、第三沥青层70mm、装配式磷石膏基层400mm(上下基层各200mm)以及级配碎石底基层200mm。
[0079]
按照《公路沥青路面设计规范》(jtg d50-2017)，对本实施例选取的最优组合下设计的路面结构沥青混合料层永久变形量以及磷石膏基层疲劳开裂对应的累计当量轴次进行验算，结果如下表11所示。
[0080]
表11验算结果
[0081]
指标计算值对比值沥青混合料层永久变形量14.4mm15mm磷石膏基层疲劳开裂寿命(轴次)17574333321117619749
[0082]
由上表结果可知，沥青混合料层永久变形量以及磷石膏基层疲劳开裂对应的累计当量轴次计算值均小于对比值，满足规范要求。
[0083]
最后，选取上述最优组合下的磷石膏基层路面，与各结构层同厚度情况下的水泥稳定级配碎石基层沥青路面，以及与现有常见高速公路沥青路面结构(上面层40mm、中面层60mm、下面层80mm、水泥稳定级配碎石基层400mm以及级配碎石底基层200mm)进行对比，保持各结构层弹性参数相同，通过abaqus有限元计算，结果如下表12所示。
[0084]
表12三种路面结构基层层底拉应力对比结果
[0085][0086]
其中，序号1代表本发明实施例装配式磷石膏基层沥青路面结构，序号2代表水泥稳定级配碎石基层沥青路面结构，序号3代表常见的高速公路沥青路面结构。通过上表数据可知，对于基层层底拉应力，本发明设计的装配式磷石膏基层沥青路面结构在数值上相较两种水泥稳定级配碎石基层沥青路面结构降低40％左右，表明本发明提供的设计方法设计得到的基于装配式磷石膏基层的沥青路面结构，基层层底拉应力明显降低，能够延长沥青路面使用寿命。
[0087]
综上所述，本发明以路基顶面竖向压应变、沥青混合料层层底拉应变以及磷石膏基层层底拉应力为设计指标。采用正交实验设计，对磷石膏基层沥青路面结构厚度进行有
限元数值模拟分析，通过极差分析以及方差分析在各种结构组合中选取最优设计组合，并对沥青混合料层永久变形量以及基层疲劳开裂对应的累计当量轴次进行验算，再将最优组合与现有的半刚性基层进行对比，证明了其合理性与可行性。
[0088]
需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。
[0089]
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。