混合式基层沥青路面结构抗裂性能分析

2011-02-27李杰

湖南交通科技 2011年2期

李杰

(湖南省公路物资设备公司,湖南长沙 410011)

目前国内绝大多数高速公路均采用半刚性基层沥青路面,但从通车运营情况来看,半刚性基层沥青路面的早期损坏严重,其主要病害形式有早期纵横向裂缝、网裂、唧泥、车辙等,特别是裂缝病害十分严重。为克服半刚性基层沥青路面的裂缝,部分高速公路修筑了混合式基层沥青路面试验路。

沥青路面混合式基层结构采用了柔性基层作为上基层结构,能明显地提高沥青路面的抗裂性能。本文系统地分析了混合式基层沥青路面的各种抗裂性能,现介绍如下。

1 混合式基层沥青路面结构的结构类型

根据混合式基层沥青路面结构的特点,初拟了3种路面结构形式,分别为:

结构类型一:以级配碎石上基层+半刚性下基层的混合式基层沥青路面结构,拟定具体结构见表1中的结构一。

结构类型二:以沥青稳定碎石上基层+半刚性下基层的混合式基层沥青路面结构,拟定具体结构见表1中的结构二。

结构类型三:以沥青稳定碎石+级配碎石联结层+半刚性基层的混合式基层沥青路面结构,拟定具体结构见表1中的结构三。

为了更好地研究混合式基层沥青路面的抗裂特性,同时拟定了路面总厚度相等的半刚性基层沥青路面结构(结构四)、柔性基层沥青路面(结构五)。其具体结构组成见表1。

表1 初拟的路面结构型式

2 抗反射裂缝机理分析

1)对于混合式基层沥青路面结构一:在半刚性下基层和沥青面层之间插入一层级配碎石上基层,具有良好的应力扩散效应,从而具备较好的防反射裂缝效果。由于级配碎石层没有结合料,是一种松散粒料材料,是通过粗集料的互相嵌挤与细集料填充密实构成结构强度的一种结构形式,只能承受压应力和剪应力,而不能承受拉应力。当半刚性底基层的裂缝向上扩散到级配碎石层时,由于它是松散的,相当于存在许多条的微裂缝,半刚性底基层裂缝的应力集中将沿着多条微裂缝向两侧扩展,而不是向一个方向扩展。经过一定厚度的均匀扩散,可逐渐消除裂缝的应力集中现象。设置在半刚性下基层上的级配碎石上基层,可降低半刚性底基层收缩裂缝两侧的弯沉差,从而减少或延缓反射裂缝。

与半刚性基层沥青路面相比,在半刚性底基层上设置一层级配碎石基层后,传递到半刚性底基层上的汽车荷载将显著减小,从而减小了半刚性底基层收缩裂缝两侧的弯沉差(差动位移),在沥青面层内部产生的剪切应力,也会显著减小,也就减少或延缓了反射裂缝的产生。并通过降低沥青面层内部的剪应力,从而减少了面层的剪切流变。

2)对于沥青路面混合式基层结构二:结构二在沥青面层与半刚性下基层内加入了一层沥青稳定碎石基层,增加了沥青层的总厚度,有利于防止和延缓反射裂缝的发生。一方面,较厚的沥青层总厚度,既减小了半刚性底基层材料所受到的拉应力与拉应变,也减小了沥青层底的拉应力与拉应变,从而延缓反射裂缝的发生。另一方面,半刚性底基层上的收缩裂缝向上反射到沥青面层表面,需要经过较厚的沥青层,也就延缓了反射裂缝的发生。再者,沥青混凝土对自身的裂缝具有一定的自愈功能,在高温条件下,沥青混凝土内部的微裂缝存在自动愈合的可能性。由于沥青稳定碎石基层半刚性底基层沥青路面结构具有较厚的沥青层总厚度,半刚性底基层上的收缩裂缝向上反射到沥青面层表面,需要经历较长的时间,在反射裂缝还没有到达沥青面层表面时,遇到高温季节,沥青层内的有些裂缝就可能自动愈合,或在厚度方向愈合一部分,从而防止和延缓了反射裂缝的发生。

同时采用沥青稳定碎石上基层可降低沥青面层内部剪应力,减少纵向剪切裂缝或剪切疲劳裂缝的产生。

3)对于混合式基层沥青路面结构三:结构三集中了以上两种结构的抗裂性能的优点。一方面级配碎石层消除应力集中现象,又可减少半刚性下基层裂缝两侧的弯沉差,而且降低沥青层内部的剪应力,从而达到减少沥青路面裂缝病害的目的。另一方面结构三在沥青混凝土面层与级配碎石基层之间设置了沥青稳定碎石层,可使材料模量值较大的沥青混凝土与材料模量值较低的级配碎石之间有一层联结层,减少了层间的模量比,以达到降低沥青混凝土面层层底拉应力,提高路面结构整体使用功能的目的。

4)混合式基层沥青路面结构可改善半刚性基层所处环境的温度、湿度条件,减少半刚性基层使用过程中的干缩、温缩裂缝,从而有效地减少沥青面层的反射裂缝。

沥青路面混合式基层结构型式将半刚性层置于柔性基层之下,改善了半刚性层所处的温度条件、干湿条件,能有效减少半刚性层使用过程中所发生的收缩裂缝,从而达到减少沥青面层反射裂缝的作用。

对沥青路面内部温度场随内在和外在因素发生变化的规律进行分析,求解一维热传导偏微分方程,可求得温度场的解析式或直接计算不同时刻在不同深度的温度值。美国E.S.Barber把影响路面温度的两项主要气象因素——气温与辐射热,综合成一种当量的有效温度(Te),并假设它随时间呈正弦周期性变化:

并且假设路面结构为半无限空间体,解出热传导偏微分方程,得到路面内部的温度场方程式:

式中:

Tm为平均有效温度,Tm=TA+R,其中TA为平均气温,R为辐射热使气温增高为有效温度的平均增量,R=0.67bQ/(24hc),其中b为路面对辐射热的吸收能力,%,Q为太阳的辐射热,J/m,hc为考虑到对流和再辐射的表面系数(对流系数),W/m◦℃,hc=7.37+2.4 v0.75,其中v为平均风速,km/h;

Tv为同平均有效温度的最大偏差,℃,可近似计算:Tv=0.5Tr+3R,其中Tr为气温的日变化幅度,℃;

t为从温度周期起点的起算时间,h;

H为对流系数与面层材料热传导率的比值,即:H=hc/k;

C为路面材料热特性综合参数;

Z为路面内部目标点深度。

以下是我国某中部地区,根据当地气温条件,计算得到沥青路面内部温度变化的曲线,如图1～图3所示。

图1 6月份路面结构温度日变化过程图

图2 4月份路面结构温度日变化过程图

图3 10月份路面结构各深度处温度日变化过程图

由以上的路面各层温度日变化图可见,混合式基层沥青路面将半刚性层的位置降低约10～26 cm后,半刚性层的每天日夜温差基本控制在5℃～10℃以内,因此,只要施工养护期间较好地控制了半刚性底基层的干缩开裂和温缩裂缝,由于半刚性层所处路面结构层较深层次的位置,其内部含水量不易被蒸发,雨水渗入也较少,干湿变化不会很大,温差变化也基本在5℃～10℃,因此,混合式基层沥青路面结构在后期运营过程中,其干缩裂缝与温缩裂缝的产生都要远远低于半刚性基层沥青路面,从而有效地减少了反射裂缝的产生。

综上所述,从上面几个方面进行分析,混合式基层沥青路面结构从控制半刚性层的后期开裂、延长反射裂缝的传播路径长度和传播速度、消除反射裂缝顶端的应力集中现象、减少裂缝两侧的弯沉差等方面,均能达到减少沥青路面反射裂缝的目的。而且,从消除反射裂缝顶端的应力集中现象、减少裂缝两侧的弯沉差这两个方面来分析,其防裂效果远远优于采用防裂土工合成材料夹层、应力吸收层等方式。因此,混合式基层沥青路面结构具有良好的防反射裂缝性能。而且在工程实践中也将得到进一步的验证。

3 早期纵向裂缝分析

目前高速公路沥青路面上的纵向裂缝一般是表面裂缝,裂缝从表面向下延伸。曾经在衡枣高速公路对两条纵向裂缝进行钻芯,发现纵向裂缝是从表面开始的,约4 cm,仅贯通了表面层。其产生的主要原因一般是来自于沥青路面的表面拉应力和剪应力。

1)表面拉应力分析。计算结果汇总见表2。

表2 结构一至结构五的表面拉应力和层底拉应力对比表MPa

从表2可以看出:

①混合式基层沥青路面结构一、结构三的表面拉应力均远小于半刚性基层沥青路面结构四。约为结构四的1/3左右。

②混合式基层沥青路面结构二表面拉应力较大,但也比结构四(半刚性基层沥青路面)要小15%左右。

③柔性基层沥青路面结构五表面无拉应力,所以其主要破坏形式来自于从沥青面层底开始的疲劳裂缝。由于无半刚性基层的反射裂缝、无从上至下的表面纵向裂缝、级配碎石有一定的排水能力基本不会发生唧浆唧泥出现网裂等现象,因而其早期损坏较少。这可能也是国外大量使用柔性基层沥青路面,而使用半刚性基层沥青路面较少的原因之一。

2)表面剪应力分析。

由于沥青路面在常温或低温下其抗剪强度很高,不会产生剪切破坏,因此在常温下或低温计算其抗剪强度进行比较没有什么意义,为分析结构一至结构五表面的剪应力的大小,拟计算结构一、结构二、结构三、结构四、结构五在高温条件下结构所受的表面剪应力。高温下各结构层的计算模量如表3所示。

表3 高温下结构层模量取值表

计算了各结构层的最大剪应力,如表4所示。

表4 结构一至结构五表面最大剪应力计算结果表

从上表可以分析,高温条件下,结构三的表面剪应力最小,其次是结构五、结构二、结构一,最大的是结构四。

综上可见,混合式基层沥青路面结构一、结构二、结构三在标准轴载的作用下,表面产生的最大拉应力和最大剪应力均小于半刚性基层沥青路面结构(结构四),因此,当采用相同沥青混合料的前提下,混合式基层沥青路面有更好的抵抗纵向开裂的能力。在三类混合式基层沥青路面结构中,结构类型三表面的拉应力和剪应力均最小,其抗裂能力最好。

4 防早期网状裂缝及抗水损坏分析

目前我省沥青路面出现早期网状裂缝时,一般均是由早期水损坏造成的。由于沥青混凝土空隙率过大或不均匀,以至大量雨水从沥青路面的空隙或裂缝处下渗,当下渗至半刚性基层表面时,由于半刚性基层十分致密,自由水冲刷半刚性基层表面,形成灰浆从空隙或裂缝涌出,形成“唧浆”现象。自由水由半刚性基层裂缝渗入土基,在动水压力作用下形成泥浆涌出,形成“唧泥”现象。自由水长期滞留在沥青混凝土内部,在动水压力作用下,反复冲刷粘附在碎石表面的沥青膜,造成沥青膜的脱落,沥青混凝土的强度降低,从而先出现沥青面层内部松散,出现网裂,后再出现“坑洞”。这是沥青路面早期水损坏的典型表现形式,易出现网状裂缝。特别是沥青混凝土面层较薄时,更易出现网状裂缝。

1)结构类型一与结构类型三具有一定的排水能力:排水功能来源于级配碎石优良的渗水能力。级配碎石与半刚性材料相比,其结构的优越性不仅表现在具有防反射裂缝功能,而且还具有一定的渗水能力。

采用课题组推荐的级配修筑的常张高速公路级配碎石基层试验路,经现场大量渗水试验表明,该级配碎石基层具有很强的渗水能力。由于级配碎石具有一定的排水功能和吸水功能,能有效地阻止泥浆或灰浆的产生,混合式基层沥青路面结构类型一与结构类型三基本上可以防止唧泥或唧浆病害的产生,从而有效地避免网状裂缝和早期水损坏的产生。

2)混合式基层沥青路面结构类型具有良好的防水能力,使雨水不易渗入沥青路面结构层。一方面,由于结构类型一中的级配碎石上基层具有防反射裂缝作用,与半刚性基层沥青路面相比,使沥青路面裂缝大为减少。因此,通过裂缝进入路面内部的雨水也就大为减少。另一方面,目前我们设计的三种沥青面层混凝土,经过大量室内外渗水试验和大量实体工程的实用效果证明具有优良的密水能力。我们在试验室做了大量的室内车辙试件的渗水试验,基本不透水。第三个方面,就是在半刚性下基层或底基层表面,设计了封层,进一步增强了结构的防水能力。

3)混合式基层沥青路面结构类型二、结构类型三均具有较厚的沥青层,厚的沥青层可有效地延缓自由水下渗的时间和延缓“灰浆”或“泥浆”从沥青结构层涌出路面的时间,从而有效地延缓早期网状裂缝的产生。