设置抗裂结构层的旧水泥混凝土路面加铺结构温度应力分析

刘国霞

（河北省宽城满族自治县交通运输局）

由于沥青加铺结构中张开型反射裂缝的普遍性与严重性,为了系统分析各种沥青加铺结构的受力机理,寻找合理的沥青加铺结构类型,本文结合前人研究成果总结出防裂效果显著的几种加铺结构,为了进一步研究旧水泥混凝土接缝处沥青加铺层应力集中现象采用有限元分析软件对各种加铺结构的温度应力进行了分析,分别讨论了温度应力的影响,为各种加铺结构的推广应用提供理论支持。

1 典型沥青加铺结构类型

1.1 应力吸收层沥青加铺结构

应力吸收层沥青混合料是由大量的细集料、填料和特殊高弹性聚合物改性沥青结合料组成,其公称最大粒径为4.75mm,矿料级配0～2.36mm的集料占70％以上,特种改性沥青用量在8％～10％之间。由于其沥青含量高、混合料中细矿料比重大,所以具有高弹性、不透水及柔韧性能好等优点,其承受的疲劳循环次数远高于普通沥青混合料,因此,其具有更优良的抗裂性能。

1.2 大粒径沥青碎石加铺结构

大粒径沥青碎石是一种以粗集料的骨架结构为典型特征的沥青混合料,具有优良的高温稳定性,由于其在作为基层使用时所用的集料粒径通常较大,故称之为大粒径沥青混合料LSAM（Large Stone Asphalt Mixes）。国内外对沥青碎石基层的研究表明,铺设大粒径沥青碎石是较为有效的防治反射裂缝的方法之一。在旧路（半刚性基层沥青路面或水泥混凝土路面）改造中普遍采用“大粒径沥青混合料”补强技术,将大空隙沥青碎石混合料直接铺筑在旧路路面上,既可以作为补强层,也可以作为应力扩散层防止反射裂缝,还可以作为新路面的排水层；在贫混凝土基层上铺筑大空隙沥青碎石混合料,可有效防止或延缓沥青面层反射裂缝。

1.3 土工织物沥青加铺层结构

土工合成材料（有纺布、无纺布、土工格栅、玻璃纤维网格等）,由于其优良的抗拉力学特性、批量生产、稳定的质量和现场简易的施工特点,己被广泛应用于土木工程的各个领域。在沥青加铺层底部铺设土工织物形成加筋罩面层,可以延缓反射裂缝。我国道路中目前用的较多的是玻璃纤维网格。玻纤网格具有较高的拉伸强度和较低的延伸率,耐高温性能极其优越。为了很好地与沥青混凝土相容,表面还附着一层沥青质涂料。

2 沥青加铺结构温度应力分析

采用三维模型计算温度应力,与实际情况比较接近。温度应力的计算模型如图1所示。层间接触情况按最不利情况考虑,即假设各层层间竖向、水平位移完全连续。计算点位如图2所示。力学分析采用的计算参数为：旧水泥混凝土路面板长5m,板宽4.5m,厚度22 cm,接缝宽度1 cm。经过收敛性分析后确定扩大基础尺寸为12.01m×6.5m×9m。各结构层的参数见表1。根据杨斌等人的研究,在分析加铺层温度应力时,如果路面温度升高,接缝处加铺层底面受压,这种情况下加铺层底部不易产生反射裂缝,所以本文在计算温度应力时只考虑降温情况,取△T=-10℃。

图1 结构计算模型（单位：cm）

图2 计算点位示意图

2.1 应力吸收层沥青加铺结构温度应力分析

本节在对比分析过程中取应力吸收层厚度为2.5 cm,沥青加铺层模量为1 400MPa,其他参数不变。分别计算直接加铺结构和设置应力吸收层的加铺结构两种模型,随着沥青层厚度的增大,加铺结构内的应力变化如表2所示。

表1 路面结构材料参数

表2 沥青层层底及应力吸收层层底温度应力变化表（A点和B点,MPa）

从表2可以看出,随着沥青加铺层厚度的增加,不管是直接加铺结构还是设置应力吸收层的加铺结构,其内部的温度应力都逐渐减小。对于直接加铺结构,当沥青加铺层的厚度从6 cm增加到16 cm时,沥青层层底的温度应力、和分别从4.943、4.231和2.457减小到1.747、1.270和0.863,减小了64.7％、69.9％和64.9％。对于设置应力吸收层的加铺结构,当沥青加铺层的厚度从6 cm增加到16 cm时,沥青层层底的温度应力、和分别从0.762、0.716和0.413减小到0.231、0.227和0.142,减小了69.7％、68.3％和65.6％。说明不管是对于直接加铺结构还是设置应力吸收层的加铺结构,增加沥青层的厚度对于减小沥青层底的温度应力是有利的。

2.2 大粒径沥青碎石沥青加铺结构温度应力分析

为比较不同类型裂缝缓解层在温度应力作用下的受力状况,采用同等厚度的普通沥青混凝土来代替大粒径沥青碎石裂缝缓解层,分别对两种加铺层结构进行力学对比分析。计算参数：沥青加铺层的厚度从6 cm增大到16 cm；大粒径沥青碎石裂缝缓解层模量600MPa,厚度10 cm。对比结构的普通沥青混凝土裂缝缓解层模量1 200 MPa,厚度10cm,其它参数不变。温度应力计算结果如表3所示。

表3 温度应力作用下不同类型裂缝缓解层应力变化表（A点,MPa）

根据计算结果,当采用大粒径沥青碎石裂缝缓解层后,在温度应力作用下,其层底的应力均比采用同等厚度的普通沥青混凝土裂缝缓解层要小。当沥青加铺层厚度为8 cm时,大粒径沥青碎石层底的 σ1、σe和 τmax要比普通沥青混凝土缓解层层底的各种应力分别减小12.7％、18.1％和12.5％。说明采用大粒径沥青碎石缓解层后对温度应力有大幅度降低,可有效减少反射裂缝的产生。

2.3 土工织物沥青加铺结构温度应力分析

为比较设置土工合成材料对加铺层温度应力的改善效果,对设置夹层的加铺层结构进行温度应力分析。计算时土工织物夹层厚度取0.3 cm,拉伸模量从10 MPa变化到5 000MPa。计算结果见表4。

表4 加铺层温度应力随夹层拉伸模量的变化表（B点,MPa）

计算结果表明,土工夹层的加入对减小沥青层层底的温度应力效果很明显。当土工夹层的拉伸模量从10MPa变化到5 000 MPa时,沥青层层底的和分别从3.882 MPa、3.331MPa和1.656 MPa减小到1.594MPa、1.358 MPa和0.759MPa,减小了58.9％、59.2％和54.2％。所以随着土工夹层拉伸模量的增高,沥青层层底温度应力减小的幅度越大,采用高模量的土工夹层能有效减少沥青加铺层的开裂。

3 结语

（1）在降温情况下,文中提出的三种旧水泥混凝土路面沥青加铺结构与直接加铺沥青层的结构相比,温度应力要减小很多,可大大减少张开型反射裂缝的产生。

（2）通过对车辆荷载作用下各种沥青加铺结构的有限元分析得知,接缝处沥青加铺层最大主应力、等效应力和最大剪应力基本上随加铺层厚度的增加呈减小的趋势,加铺层厚度越大温度应力越小。对比分析后发现,设置应力吸收层和大粒径沥青碎石抗裂结构层以后,接缝处最大主应力、等效应力和最大剪应力都有较大程度的减小。土工织物夹层的抗裂效果与夹层材料的模量有较大关系,当模量越大时对温度应力的减小程度越大。

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