瀝青混凝土加鋪層中摻加砂層抑制反射裂縫的研究

鄭云天

摘要：文章采用三維有限元模型，對瀝青混凝土加鋪層中摻加砂層來控制反射裂縫的效果進行了研究和評價。在有限元模型中引入了內聚力區域模型來描述瀝青混凝土加鋪層在移動車荷載作用下的斷裂現象，采用不同大小的荷載條件來確定瀝青混凝土加鋪層對反射裂縫的抵抗能力。研究結果表明：摻加砂層會使瀝青混凝土加鋪層具有更高的斷裂能，即增強了瀝青混凝土加鋪層的抗斷裂能力，延長了道路的使用壽命。同時，隨著接縫式混凝土路面承載力的增加，混合砂層的性能逐漸降低。

關鍵詞：瀝青混凝土加鋪層;砂層;反射裂縫;數值模擬

0 引言

修復路面是為了能夠恢復路面已經退化和損壞的結構或者功能。傳統的路面修復一般包括修復、回收、重鋪和重建，需要根據已破壞路面的類型和實際狀況來選擇合適的修復方法。對于中等程度侵蝕破壞的普通混凝土（PCC）路面，目前公認的可行且有效的方法是采用較薄的瀝青混凝土層（AC）進行路面重鋪。瀝青混凝土加鋪層一般用在特殊時期，主要為了在交通量很大的情況下保證路面的安全。但是，當瀝青混凝土加鋪層鋪在接縫式混凝土路面（JCP）或有裂縫的路面上時，由于附近應力不連續的變化，在瀝青混凝土加鋪層鋪下之后很快就使路面產生反射裂縫。為了控制反射裂縫的產生，在瀝青混凝土加鋪層中采用了多種補救措施，其中包括在路面和熱拌瀝青混合料（HMA）覆蓋層之間鋪設薄層、對混凝土路面進行涂膠處理、密封裂開的混凝土路面和增加瀝青混凝土鋪設厚度等。在這些技術中，根據不同路面的特點進而合理地選擇夾層體系可以有效地控制反射裂縫的產生。夾層主要由軟、較軟和較硬的材料組成，可以不同程度地吸收應力。同時，增加熱拌瀝青混合料加鋪層的厚度可以抵抗裂縫的擴展，并且這些夾層體系的功能取決于夾層的類型、鋪裝方法以及路面和瀝青混凝土加鋪層的特性。

到目前為止，瀝青混凝土加鋪層在真實交通荷載作用下的斷裂現象還沒有被廣泛研究。本文基于斷裂力學的三維有限元模型來研究瀝青混凝土加鋪層的斷裂現象，其中，采用內聚力區域模型（CZM）來模擬瀝青混凝土路面的斷裂全過程。以此了解道路在移動交通荷載作用下引起的反射裂縫機制。

1 研究目標與方法

本研究利用有限元模型對砂層影響道路反射裂縫的機制進行了分析和評價，并建立了瀝青混凝土加鋪層和接縫式混凝土路面的三維有限元模型。在有限元模型中引入了雙線性內聚力區域模型（CZM）來描述瀝青混凝土加鋪層的斷裂現象，并利用雙線性內聚力模擬了反射裂縫的產生和發展過程;將移動荷載作用在接縫處，使反射裂縫得以擴展;為了使反射裂縫產生不同程度的發展，采用多次和不同級別的荷載作用，最后研究了不同條件下砂層對反射裂縫的控制作用。

2 三維有限元法模擬

2.1 幾何與邊界條件

建立接縫式混凝土路面上覆蓋瀝青混凝土的三維有限元模型，其中路基面層厚257 mm，由57 mm厚的瀝青混凝土加鋪層和200 mm厚的混凝土板組成;混凝土板的橫向接縫寬6.4 mm，道路基層厚150 mm，墊層厚900 mm。瀝青混凝土加鋪層由29 mm厚的粘結找平層和28 mm厚的磨損層組成。混凝土板的長度為6.0 m，寬度為3.6 m。每個混凝土板距離中心呈幾何對稱。因此，選擇混凝土板面積的1/4作為實際路面的簡化模型。兩個混凝土板的三個面的邊界條件均假定為對稱。為了減小應力波在邊界處的反射，在遠離應力場的位置模擬出無數個小單元。在瀝青混凝土加鋪層上以8 km/h的速度施加80 kN的單軸車輛荷載;荷載距離接縫處600 mm。兩個輪胎的總壓力面積為338.8 cm2，施加在路面的垂直壓強平均約為0.7 MPa。除了連續的單元外，在可能產生反射裂縫的瀝青混凝土覆蓋層中還插入了內聚單元，圖1表明了內聚單元的位置。實際上，由雙線性內聚力模型控制的內聚單元通過將熱拌瀝青混合料覆蓋的兩個部分連接起來。由于粘結單元在法線方向上的厚度為0，所以即使插入了內聚單元，路面模型的初始幾何形狀依然是不變的。接縫式混凝土路面覆蓋瀝青混凝土模型的幾何形狀和粘結單元的位置如圖1所示。

2.2 材料特性

在瀝青混凝土加鋪層模型中，瀝青混凝土是控制路面反射裂縫擴展的關鍵材料。通過在-10 ℃下進行的動態模量和圓盤狀壓實拉伸試驗（DCT）獲得了瀝青混凝土的延展性能和斷裂性能。根據模量試驗結果，得到了瞬時楊格系數（E0）、泊松比（μ）、無量綱剪切模量（gi）和體積松弛模量（ki），以及相應的弛豫時間（τi）;從壓實拉伸試驗中得到的斷裂能（Γc）和抗拉強度（Γo）等數據用于建立雙線性內聚力模型。

2.3 混合砂夾層

為提高瀝青混凝土的抗裂性能，在磨耗層和接縫式混凝土路面層之間設置了混合砂夾層。與傳統的粘結找平層相比，混合砂夾層由更細的級配骨料和高聚合的瀝青粘合劑組成。其中混合砂夾層和粘結找平層的最大骨料粒徑分別為4.75 mm和9.5 mm?；旌仙皧A層中含有8.6%未改性的PG76-28瀝青粘結劑;粘結找平層中含有5.6%未改性的PG62-22瀝青粘合劑。混合砂夾層的松弛模量比粘結找平層高約20%。粘結找平層在-10 ℃時的斷裂能為274 J/m2，混合砂夾層的斷裂能為593 J/m2，約為粘結找平層斷裂能的2倍。在本研究中，加砂和不加砂的瀝青混凝土加鋪層分別為設計A和設計B。

3 混合砂夾層的有效性

3.1 瀝青混凝土加鋪層斷裂面積的量化

在本次研究中，引入標準軸荷載，荷載的取值范圍為0～15 P80（P80為標準荷載80 kN）。所有的實驗組都保證荷載具有相同的加載速度和接觸面積。當整個加鋪層截面出現反射裂縫的宏觀裂縫時，便可以確定該材料所能承受的極限荷載。因此，試驗得到的極限載荷大小可以表示為瀝青混凝土加鋪層承受反射裂縫的能力。此時，利用前人研究中提出的典型斷裂面積（RFA）來量化瀝青混凝土加鋪層的斷裂程度。典型斷裂面積是特定區域內內聚單元剛度退化的平均值，其范圍為0（無裂紋）到1.0（宏觀裂紋）。

圖2表示了設計A中典型斷裂面積和標準軸荷載之間的關系。從圖2可以看出，設計A的典型斷裂面積從2P80才開始顯著增加，然后開始從3P80處的0.08快速增加到8P80處的0.85，然后緩慢收斂到15P80的1.0。最終可以利用實測值和模擬值擬合的曲線來估算出設計A在一定負載下對應的典型斷裂面積。

3.2 宏觀裂紋和微觀裂縫擴展

隨著反射裂縫的擴展，微觀裂縫和宏觀裂縫會同時存在于瀝青混凝土加鋪層中。對于已經斷裂的區域，宏觀裂縫只存在于內聚單元中。對于試驗設計的A和B，在圖3中比較了全覆蓋層、磨耗層和粘結找平層中微觀裂縫和宏觀裂縫的斷裂面積。宏觀裂縫在A設計中的8P80處出現，在B設計的10P80處出現，這些宏觀裂縫同樣出現在磨耗層和粘結找平層中。在設計A中，磨耗層和粘結找平層的宏觀裂縫占總裂縫面積的50%以上;在設計B中，磨耗層的宏觀裂縫占總裂縫面積的50%以上，而粘結找平層中的宏觀裂紋占總裂紋面積的50%以下。這意味著混合砂層結構使道路減少了15.7%的微觀裂縫，而總裂縫面積的差異僅為1.2%。因此，混合砂層可以很好地降低宏觀裂縫和反射裂縫的出現。設計A、設計B的微觀和宏觀裂縫百分比如圖3所示。

3.3 承載力效應

研究了設計B中反射裂縫擴展對接縫式混凝土路面承載力的影響。設計B中共引入三組荷載試驗，分別為：（1）EBA為75 MPa，ESB為35 MPa;（2）EBA為300 MPa，ESB為140 MPa;（3）EBA為600 MPa，ESB為280 MPa。后頁圖4比較了設計A和設計B中接縫式混凝土路面的基底彈性模量和反射抗裂系數Φr的關系。從圖4可以看出：設計A和設計B的基底彈性模量和反射抗裂系數呈正相關且設計A的關系曲線斜率高于設計B;在基底彈性模量為600 MPa時，兩者的反射抗裂系數均接近1.28。由此可以推斷出接縫式混凝土路面的承載能力較低，加入混合砂后會具有更好的性能，但反射裂縫對使用壽命的提高并不顯著。

4 結語

本研究建立了瀝青混凝土加鋪層的三維有限元模型，探討了在不同的荷載試驗條件下，在模型中加入砂層對反射裂縫性能的影響大小，并進行了評價分析。結果表明：混合砂層是控制道路產生反射裂縫的有效方法之一，且由于混合砂層的斷裂能較高，延長了道路的使用壽命。同時，隨著接縫式混凝土路面承載力的增加，混合砂層的性能逐漸降低。由于砂料具有較高的斷裂能，因此在瀝青混凝土加鋪層的磨耗層中產生了宏觀的反射裂縫，即所謂的突變裂縫，而且它可以防止濕氣滲透到下墊層，同時能減少基層材料的損失。因此，突變裂縫的產生對瀝青混凝土加鋪層的性能起著至關重要的作用。

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