旧水泥混凝土路面沥青罩面层反射裂缝及防治

华正良

目前,旧水泥混凝土路面上进行加铺主要有两种类型:水泥混凝土加铺层和沥青加铺层。由于沥青加铺层具有修复周期短、行车舒适等优点,在旧水泥混凝土路面上加铺沥青加铺层已成为我国一种切实可行、简单有效的修复措施。但加铺的沥青混凝土常出现反射裂缝,易导致面层的开裂和剥落,使表面水下渗,造成路面损坏。为了减少和延缓反射裂缝的发生,首先需要进行一定的理论分析,了解反射裂缝产生的机理,从而有效预估新建路面的抗反射裂缝能力。

1 力学分析

反射裂缝是指下层混凝土板的接缝或裂缝,由于环境(主要是温度和湿度)的不断变化与车轮荷载的反复作用,在沥青加铺层的相应位置上产生裂缝。通过对加铺问题求解,可知夹层剪应力在临近接缝处迅速增加,在常见路面结构的参数范围内,距接缝15 cm～20 cm处,面层轴向力,夹层剪应力已下降至最大值的一半以下,因此可在应力较大的局部范围内进行处治,经济有效的降低反射裂缝的发生。

在分析拉应力和剪应力会在裂缝附近集聚后,接着应用有限元法分析夹层及加铺层厚度对拉应力和剪应力的影响。

1.1 建立模型

1)计算模型:路面结构三维模型见图1,采用有限元ANSYS[1]进行分析,单元类型为Solid45,路面模型为长方体:尺寸为12 m(长)×6 m(宽)×6 m(深)。本模型未考虑温度应力。

2)边界条件:土基底面施加全约束,即UY=0;行车方向截面两侧无水平位移,均为UZ=0;左右截面两侧一侧为对称边界条件 Symmetry B.C.,另一侧为 UX=0。层间接触情况为完全连续[2]。

3)荷载:轮载分布采用垂直均布矩形荷载,边长20 cm×20 cm,荷载为单轴双轮,荷载大小为0.7 MPa,荷载面位于路面模型Z方向的中部,分布在裂缝两侧。荷载模型如图2所示。

1.2 材料参数[3]

模型中结构层力学计算参数取值见表1。

表1 模型中结构层力学计算参数取值

1.3 结果分析

在铺设土工夹层和未铺设土工夹层的对比分析中,沥青混凝土层底部最大拉应力和剪应力见表2。

表2 铺设和未铺设土工夹层时沥青混凝土底部最大拉应力和剪应力 MPa

由计算结果可知,铺设土工夹层可明显改善沥青混凝土层底受力情况。改变加铺层厚度,分析设置土工夹层的情况,计算结果见表3。

表3 铺设土工夹层时不同AC层厚度的层间应力

将计算结果绘制成图(见图3,图 4)。由图3,图4易见,随着加铺层增厚,沥青混凝土层底的最大拉应力和剪应力都会相应减小,从而减少反射裂缝的发生。

2 反射裂缝防治措施

2.1 在加铺层表面锯缝

在沥青加铺层上,对准旧混凝土面层的横缝位置锯切出新的缝,并在开放交通前尽早在缝内填入封缝料,以保持接缝有效地密封,防止水或异物进入。预先锯缝,可以为释放加铺层内因温度收缩受阻而产生的拉应力提供预定的不连续断面位置,从而控制随意裂缝的出现。

2.2 设置中间层

1)土工合成材料夹层。目前,大多采用的夹层有土工织物夹层和格栅夹层两大类。玻璃纤维格栅由于具有很高的耐热性和优异的耐寒性、强度大、模量高、化学稳定性好、耐腐蚀、膨胀系数低、尺寸稳定性好等优点,能够有效地改善路面结构应力分布,抵抗和延缓由路面基层裂缝引起的沥青加铺层反射裂缝的发生,在国内应用较广。2)STRATA应力吸收层。反射裂缝应力吸收层是一种高弹性、不渗透的聚合物改性沥青混合料层,其优良的抗裂性能既可防止反射裂缝的产生,也可防止水对路面基层的损害,具有施工方便、性价比高和效果好等优点。3)裂缝缓解层。使用大粒径、开级配沥青碎石作为裂缝缓解层。利用混合料的多空隙结构,能有效隔断裂缝的扩展路径,削弱拉应力、拉应变的传递能力,并且能消散、吸收由交通荷载及温度变化所产生的荷载应力和温度应力。

2.3 增加沥青加铺层厚度

可以减少旧面层的温度变化,降低加铺层底面拉应力,增加路面结构的弯曲刚度,降低接缝处的弯沉量和弯沉差,减少加铺层的剪切应力。

2.4 沥青混凝土面层材料的选用

尽量选用韧性好、低温塑性变形能力强的沥青材料。还可采用SBR改性橡胶沥青,PE热塑性树脂改性沥青,以提高混合料的低温抗裂性能。

3 结语

通过理论分析可知,在裂缝附近处采用适当的处治措施可以明显减少旧混凝土路面接缝、裂缝位置的反射裂缝,铺设土工夹层可以减少沥青层底的最大拉应力和剪应力;加铺层厚度增加也可降低沥青层底的最大拉应力和剪应力。作为治理罩面的反射裂缝,国内的措施是很多的,这些措施的采用因地而异,不能一概而论,这就需要道路的设计者和施工者具体情况具体分析。

[1] 谭建国.使用ANSYS6.0进行有限元分析[M].北京:北京大学出版社,2002.

[2] 谈至明,姚祖康,田 波.水泥混凝土路面的荷载应力分析[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] 郑健龙,周志刚,张起森.沥青路面抗裂设计理论与方法[M].北京:人民交通出版社,2002.

[5] 沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京:人民交通出版社,1999.