舊水泥混凝土路面瀝青罩面層反射裂縫及防治

華正良

目前,舊水泥混凝土路面上進行加鋪主要有兩種類型:水泥混凝土加鋪層和瀝青加鋪層。由于瀝青加鋪層具有修復(fù)周期短、行車舒適等優(yōu)點,在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青加鋪層已成為我國一種切實可行、簡單有效的修復(fù)措施。但加鋪的瀝青混凝土常出現(xiàn)反射裂縫,易導(dǎo)致面層的開裂和剝落,使表面水下滲,造成路面損壞。為了減少和延緩反射裂縫的發(fā)生,首先需要進行一定的理論分析,了解反射裂縫產(chǎn)生的機理,從而有效預(yù)估新建路面的抗反射裂縫能力。

1 力學(xué)分析

反射裂縫是指下層混凝土板的接縫或裂縫,由于環(huán)境(主要是溫度和濕度)的不斷變化與車輪荷載的反復(fù)作用,在瀝青加鋪層的相應(yīng)位置上產(chǎn)生裂縫。通過對加鋪問題求解,可知夾層剪應(yīng)力在臨近接縫處迅速增加,在常見路面結(jié)構(gòu)的參數(shù)范圍內(nèi),距接縫15 cm～20 cm處,面層軸向力,夾層剪應(yīng)力已下降至最大值的一半以下,因此可在應(yīng)力較大的局部范圍內(nèi)進行處治,經(jīng)濟有效的降低反射裂縫的發(fā)生。

在分析拉應(yīng)力和剪應(yīng)力會在裂縫附近集聚后,接著應(yīng)用有限元法分析夾層及加鋪層厚度對拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的影響。

1.1 建立模型

1)計算模型:路面結(jié)構(gòu)三維模型見圖1,采用有限元ANSYS[1]進行分析,單元類型為Solid45,路面模型為長方體:尺寸為12 m(長)×6 m(寬)×6 m(深)。本模型未考慮溫度應(yīng)力。

2)邊界條件:土基底面施加全約束,即UY=0;行車方向截面兩側(cè)無水平位移,均為UZ=0;左右截面兩側(cè)一側(cè)為對稱邊界條件 Symmetry B.C.,另一側(cè)為 UX=0。層間接觸情況為完全連續(xù)[2]。

3)荷載:輪載分布采用垂直均布矩形荷載,邊長20 cm×20 cm,荷載為單軸雙輪,荷載大小為0.7 MPa,荷載面位于路面模型Z方向的中部,分布在裂縫兩側(cè)。荷載模型如圖2所示。

1.2 材料參數(shù)[3]

模型中結(jié)構(gòu)層力學(xué)計算參數(shù)取值見表1。

表1 模型中結(jié)構(gòu)層力學(xué)計算參數(shù)取值

1.3 結(jié)果分析

在鋪設(shè)土工夾層和未鋪設(shè)土工夾層的對比分析中,瀝青混凝土層底部最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力見表2。

表2 鋪設(shè)和未鋪設(shè)土工夾層時瀝青混凝土底部最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力 MPa

由計算結(jié)果可知,鋪設(shè)土工夾層可明顯改善瀝青混凝土層底受力情況。改變加鋪層厚度,分析設(shè)置土工夾層的情況,計算結(jié)果見表3。

表3 鋪設(shè)土工夾層時不同AC層厚度的層間應(yīng)力

將計算結(jié)果繪制成圖(見圖3,圖 4)。由圖3,圖4易見,隨著加鋪層增厚,瀝青混凝土層底的最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力都會相應(yīng)減小,從而減少反射裂縫的發(fā)生。

2 反射裂縫防治措施

2.1 在加鋪層表面鋸縫

在瀝青加鋪層上,對準舊混凝土面層的橫縫位置鋸切出新的縫,并在開放交通前盡早在縫內(nèi)填入封縫料,以保持接縫有效地密封,防止水或異物進入。預(yù)先鋸縫,可以為釋放加鋪層內(nèi)因溫度收縮受阻而產(chǎn)生的拉應(yīng)力提供預(yù)定的不連續(xù)斷面位置,從而控制隨意裂縫的出現(xiàn)。

2.2 設(shè)置中間層

1)土工合成材料夾層。目前,大多采用的夾層有土工織物夾層和格柵夾層兩大類。玻璃纖維格柵由于具有很高的耐熱性和優(yōu)異的耐寒性、強度大、模量高、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐腐蝕、膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點,能夠有效地改善路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布,抵抗和延緩由路面基層裂縫引起的瀝青加鋪層反射裂縫的發(fā)生,在國內(nèi)應(yīng)用較廣。2)STRATA應(yīng)力吸收層。反射裂縫應(yīng)力吸收層是一種高彈性、不滲透的聚合物改性瀝青混合料層,其優(yōu)良的抗裂性能既可防止反射裂縫的產(chǎn)生,也可防止水對路面基層的損害,具有施工方便、性價比高和效果好等優(yōu)點。3)裂縫緩解層。使用大粒徑、開級配瀝青碎石作為裂縫緩解層。利用混合料的多空隙結(jié)構(gòu),能有效隔斷裂縫的擴展路徑,削弱拉應(yīng)力、拉應(yīng)變的傳遞能力,并且能消散、吸收由交通荷載及溫度變化所產(chǎn)生的荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力。

2.3 增加瀝青加鋪層厚度

可以減少舊面層的溫度變化,降低加鋪層底面拉應(yīng)力,增加路面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度,降低接縫處的彎沉量和彎沉差,減少加鋪層的剪切應(yīng)力。

2.4 瀝青混凝土面層材料的選用

盡量選用韌性好、低溫塑性變形能力強的瀝青材料。還可采用SBR改性橡膠瀝青,PE熱塑性樹脂改性瀝青,以提高混合料的低溫抗裂性能。

3 結(jié)語

通過理論分析可知,在裂縫附近處采用適當?shù)奶幹未胧┛梢悦黠@減少舊混凝土路面接縫、裂縫位置的反射裂縫,鋪設(shè)土工夾層可以減少瀝青層底的最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力;加鋪層厚度增加也可降低瀝青層底的最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。作為治理罩面的反射裂縫,國內(nèi)的措施是很多的,這些措施的采用因地而異,不能一概而論,這就需要道路的設(shè)計者和施工者具體情況具體分析。

[1] 譚建國.使用ANSYS6.0進行有限元分析[M].北京:北京大學(xué)出版社,2002.

[2] 談至明,姚祖康,田 波.水泥混凝土路面的荷載應(yīng)力分析[J].公路,2002(4):18-19.

[3] 姚祖康.路面[M].第2版.北京:人民交通出版社,1999.

[4] 鄭健龍,周志剛,張起森.瀝青路面抗裂設(shè)計理論與方法[M].北京:人民交通出版社,2002.

[5] 沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面[M].北京:人民交通出版社,1999.