舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層反射裂縫研究

龔治東 許明娟 湯曉慧

0 引言

水泥混凝土路面是一種剛度大、擴展荷載能力強、穩定性好、使用壽命長的路面結構,在高等級、重交通的道路上得到廣泛應用[1]。但隨著不同程度的病害的出現,早期建成的水泥混凝土路面已逐漸不能滿足交通運輸服務的需求,需要對其進行大修改造。瀝青加鋪層能有效地改善舊水泥混凝土路面的使用性能,且可以充分利用原有的水泥路面,具有造價低、施工方便、對交通和環境影響小的優點。因此,在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青層(俗稱“白加黑”),已成為國內外舊水泥混凝土路面改造工程中應用最廣泛的方法[2,3]。

1 反射裂縫形成機理

瀝青混凝土疲勞裂縫的力學分析方法大致可以歸納為兩類[5]。

一階段斷裂力學方法。這種方法把瀝青混凝土視為具有初始缺陷的一種材料。在力學分析過程中,初始缺陷被視為裂紋的初始長度,隨著荷載的重復作用,裂紋從微觀尺度發展到肉眼可見的宏觀尺度,最終導致瀝青混凝土結構失效。

兩階段斷裂力學方法。由SHRP計劃[6]提出的兩階段斷裂力學方法把瀝青混凝土當成一種帶有天然缺陷的材料進行考慮。瀝青混凝土的裂縫形成過程被劃分為兩個階段:啟裂階段和裂縫擴展階段。此處的裂縫表示宏觀裂縫。

1.1 反射裂縫的成因

根據形成的不同原因,可將反射裂縫分為兩大類:荷載型反射裂縫和非荷載型反射裂縫。非荷載型反射裂縫又包括溫度收縮裂縫、干燥收縮裂縫、三相結構初始缺陷、路基不均勻沉降引起的基層開裂。通常又將由溫度和干縮引起的反射裂縫統稱為溫度型反射裂縫。

由于接縫、裂縫的存在,舊水泥混凝土路面作為基層的整體強度降低,而且在外力作用下,瀝青加鋪層處于三維應力狀態。車輛通過不連續的板體時,因為接縫、裂縫兩側相鄰板塊產生豎向反射裂縫位移差,瀝青加鋪層在相應位置出現較大的剪切應力,這種剪切應力是瀝青加鋪層產生反射裂縫的主要原因。通常把這種裂縫稱為荷載型反射裂縫,見圖1。

因路面暴露在大氣中,受氣溫周期性變化的影響,瀝青加鋪層和舊水泥混凝土面板發生縮脹,產生溫度應力。由于舊水泥混凝土路面的應力在接縫處不連續,因此瀝青加鋪層同時承受其本身以及舊路面所產生的溫度應力,特別是在冬季氣溫較低時,瀝青加鋪層在接縫、裂縫處,因為拉應力過大而開裂,形成溫度型反射裂縫,見圖2。

1.2 反射裂縫的擴展

裂縫形成以后,在行車荷載和溫度應力的反復作用下,會不斷向上擴展,直至到達加鋪層表面。裂紋體受荷載作用,裂紋變形和所受外力的形式可分為三種類型,如圖3所示,其中圖 3a)為張開型,圖3b)為剪切型(平面內),圖3c)為撕開型(平面外剪切型)[7,8]。

圖3a)張開型:在與裂紋面正交的拉應力下,裂紋面產生的張開位移而形成的一種裂紋,位移與裂紋面正交即沿拉應力方向,其裂紋面上的上表面點與下表面點沿圖3a)拉應力方向的位移方向不連續。由1.1節中裂縫成因的介紹可以看出,與張開型模式相對應的為溫度型反射裂縫。該裂縫通常產生于薄層面層底部,而后向上逐漸擴展到加鋪層頂面。

圖3b)剪切型:在平行于裂紋面而與裂紋尖端線垂直方向的剪應力作用下,使裂紋面間沿作用的剪應力方向產生相對滑移而形成的一種裂紋,其裂紋面上的上表面點與下表面點沿圖3b)剪應力方向的位移分量不連續。由1.1節中裂縫成因的介紹可以看出,與張開型模式相對應的為荷載型反射裂縫。該裂縫一般產生于加鋪層底面,在正荷載作用時,反射裂縫在加鋪層中垂直向上擴展;在偏荷載作用時,其擴展路徑在加鋪層中是沿大約 45°角的方向向上擴展。

圖3c)撕開型:在平行于裂紋面而與裂紋尖端線垂直方向的切應力作用下,使裂紋面產生沿裂紋面外,即沿作用的切應力方向的相對滑動而形成的一種裂紋,其裂紋面上的上表面點與下表面點沿圖3c)切應力方向的位移分量不連續,與此模式對應的反射裂縫很少。

2 反射裂縫處治技術

2.1 舊水泥板塊的修補與加固

對舊水泥混凝土路面的病害進行修補,如對嚴重破碎的板塊進行破碎清除后對基層進行加固、重新補板;對裂縫、接縫進行灌縫處理;對板塊間彎沉差較大的板塊,有錯臺、裂縫等病害板塊進行注漿穩固處理等。對舊水泥板塊的處治其目的是為了降低板塊在形成荷載作用下的豎向變形和板塊間不均勻彎沉差的出現,為瀝青加鋪層提供一個穩定的基礎,以減少瀝青加鋪層中剪切應力和彎拉應力,延緩反射裂縫的發生。

2.2 適當增加瀝青加鋪層厚度

增加瀝青加鋪層厚度延長了反射裂縫擴散到頂面的距離,同時增加路面結構的彎曲剛度,降低接縫處的彎沉量和彎沉差。根據斷裂力學的觀點,增加加鋪層厚度可以明顯減少裂縫尖端應力,因此能夠延長加鋪層壽命。

2.3 設置應力吸收夾層

在舊水泥混凝土路面和加鋪層之間設置夾層,可以使瀝青層底面應力因離開應力集中的接縫或裂縫端部而降低,同時也改變了加鋪層的抗拉和抗剪能力。其主要類型有橡膠瀝青應力吸收夾層(SAM I)、土工織物夾層、土工格柵[10]等。這種結構一般設置于加鋪層底部,其目的是減少裂縫尖端的拉應力,起到應力緩解和加筋作用。

2.4 設置裂縫延緩層

級配碎石作為散粒結構,不傳遞拉應力、拉應變,能充分吸收其下層裂紋釋放的應變能;級配碎石還有很好的隔離作用,可以大大改善半剛性基層的溫度、濕度狀況,從而從根本上消除和減輕半剛性基層的溫縮和干縮,減少反射裂縫。在舊水泥混凝土路面和瀝青較薄加層之間設置厚100 mm～150 mm的級配碎石中間層是減少反射裂縫的一個較有效措施。

3 結語

隨著“白加黑”工程在我國的廣泛進行,反射裂縫已經成為影響舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層使用壽命的首要問題。盡管目前國內外還沒有非常有效的方法來解決瀝青加鋪層的反射裂縫問題,但是通過采用對舊水泥板塊的修補與加固、適當增加瀝青加鋪層厚度、設置應力吸收夾層以及設置裂縫延緩層等方法對不同使用條件下的瀝青加鋪層進行處治,可以最大限度的限制其上反射裂縫的產生與擴展,從而增加舊瀝青混凝土路面瀝青加鋪層的使用壽命。

[1]姚祖康.水泥混凝土路面設計理論和方法[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]M.A.Caltabiano,J.M.Brunton.Reflection Cracking inAsphalt Overlays[J].A.A.P.T,1991(60):310-332.

[3]周富杰,孫立軍.舊水泥混凝土路面大修的實踐總結與分析[J].公路,1999(5):16-21.

[4]陸新民.舊水泥混凝土路面瀝青罩面層反射裂縫防治方法綜述[J].石油瀝青,2007(5):5-10.

[5]陳團結.大跨徑鋼橋面環氧瀝青混凝土鋪裝裂縫行為研究[D].南京:東南大學博士學位論文,2006.

[6]Yongqi Li.Asphalt pavement fatigue cracking modeling[D].Louisiana:Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College,1999.

[7]哈寬富.斷裂物理基礎[M].北京:科學出版社,1999:10-29.

[8]范天佑.斷裂理論基礎[M].北京:科學出版社,2003:1-234.

[9]岳福青,楊春風,魏連雨.半剛性基層瀝青路面反射裂縫形成擴展機理與防治[J].河北工業大學學報,2004(1):70-74.

[10]Jiwon Kim,William G Buttlar.Analysis of reflective crack control system involving reinforcing grid over base-isolating interlayer mixture[J].Journal of Transportation Engineering,2002,128(4):375-384.