沥青混凝土加铺层中掺加砂层抑制反射裂缝的研究

郑云天

摘要：文章采用三维有限元模型，对沥青混凝土加铺层中掺加砂层来控制反射裂缝的效果进行了研究和评价。在有限元模型中引入了内聚力区域模型来描述沥青混凝土加铺层在移动车荷载作用下的断裂现象，采用不同大小的荷载条件来确定沥青混凝土加铺层对反射裂缝的抵抗能力。研究结果表明：掺加砂层会使沥青混凝土加铺层具有更高的断裂能，即增强了沥青混凝土加铺层的抗断裂能力，延长了道路的使用寿命。同时，随着接缝式混凝土路面承载力的增加，混合砂层的性能逐渐降低。

关键词：沥青混凝土加铺层;砂层;反射裂缝;数值模拟

0 引言

修复路面是为了能够恢复路面已经退化和损坏的结构或者功能。传统的路面修复一般包括修复、回收、重铺和重建，需要根据已破坏路面的类型和实际状况来选择合适的修复方法。对于中等程度侵蚀破坏的普通混凝土（PCC）路面，目前公认的可行且有效的方法是采用较薄的沥青混凝土层（AC）进行路面重铺。沥青混凝土加铺层一般用在特殊时期，主要为了在交通量很大的情况下保证路面的安全。但是，当沥青混凝土加铺层铺在接缝式混凝土路面（JCP）或有裂缝的路面上时，由于附近应力不连续的变化，在沥青混凝土加铺层铺下之后很快就使路面产生反射裂缝。为了控制反射裂缝的产生，在沥青混凝土加铺层中采用了多种补救措施，其中包括在路面和热拌沥青混合料（HMA）覆盖层之间铺设薄层、对混凝土路面进行涂胶处理、密封裂开的混凝土路面和增加瀝青混凝土铺设厚度等。在这些技术中，根据不同路面的特点进而合理地选择夹层体系可以有效地控制反射裂缝的产生。夹层主要由软、较软和较硬的材料组成，可以不同程度地吸收应力。同时，增加热拌沥青混合料加铺层的厚度可以抵抗裂缝的扩展，并且这些夹层体系的功能取决于夹层的类型、铺装方法以及路面和沥青混凝土加铺层的特性。

到目前为止，沥青混凝土加铺层在真实交通荷载作用下的断裂现象还没有被广泛研究。本文基于断裂力学的三维有限元模型来研究沥青混凝土加铺层的断裂现象，其中，采用内聚力区域模型（CZM）来模拟沥青混凝土路面的断裂全过程。以此了解道路在移动交通荷载作用下引起的反射裂缝机制。

1 研究目标与方法

本研究利用有限元模型对砂层影响道路反射裂缝的机制进行了分析和评价，并建立了沥青混凝土加铺层和接缝式混凝土路面的三维有限元模型。在有限元模型中引入了双线性内聚力区域模型（CZM）来描述沥青混凝土加铺层的断裂现象，并利用双线性内聚力模拟了反射裂缝的产生和发展过程;将移动荷载作用在接缝处，使反射裂缝得以扩展;为了使反射裂缝产生不同程度的发展，采用多次和不同级别的荷载作用，最后研究了不同条件下砂层对反射裂缝的控制作用。

2 三维有限元法模拟

2.1 几何与边界条件

建立接缝式混凝土路面上覆盖沥青混凝土的三维有限元模型，其中路基面层厚257 mm，由57 mm厚的沥青混凝土加铺层和200 mm厚的混凝土板组成;混凝土板的横向接缝宽6.4 mm，道路基层厚150 mm，垫层厚900 mm。沥青混凝土加铺层由29 mm厚的粘结找平层和28 mm厚的磨损层组成。混凝土板的长度为6.0 m，宽度为3.6 m。每个混凝土板距离中心呈几何对称。因此，选择混凝土板面积的1/4作为实际路面的简化模型。两个混凝土板的三个面的边界条件均假定为对称。为了减小应力波在边界处的反射，在远离应力场的位置模拟出无数个小单元。在沥青混凝土加铺层上以8 km/h的速度施加80 kN的单轴车辆荷载;荷载距离接缝处600 mm。两个轮胎的总压力面积为338.8 cm2，施加在路面的垂直压强平均约为0.7 MPa。除了连续的单元外，在可能产生反射裂缝的沥青混凝土覆盖层中还插入了内聚单元，图1表明了内聚单元的位置。实际上，由双线性内聚力模型控制的内聚单元通过将热拌沥青混合料覆盖的两个部分连接起来。由于粘结单元在法线方向上的厚度为0，所以即使插入了内聚单元，路面模型的初始几何形状依然是不变的。接缝式混凝土路面覆盖沥青混凝土模型的几何形状和粘结单元的位置如图1所示。

2.2 材料特性

在沥青混凝土加铺层模型中，沥青混凝土是控制路面反射裂缝扩展的关键材料。通过在-10 ℃下进行的动态模量和圆盘状压实拉伸试验（DCT）获得了沥青混凝土的延展性能和断裂性能。根据模量试验结果，得到了瞬时杨格系数（E0）、泊松比（μ）、无量纲剪切模量（gi）和体积松弛模量（ki），以及相应的弛豫时间（τi）;从压实拉伸试验中得到的断裂能（Γc）和抗拉强度（Γo）等数据用于建立双线性内聚力模型。

2.3 混合砂夹层

为提高沥青混凝土的抗裂性能，在磨耗层和接缝式混凝土路面层之间设置了混合砂夹层。与传统的粘结找平层相比，混合砂夹层由更细的级配骨料和高聚合的沥青粘合剂组成。其中混合砂夹层和粘结找平层的最大骨料粒径分别为4.75 mm和9.5 mm。混合砂夹层中含有8.6%未改性的PG76-28沥青粘结剂;粘结找平层中含有5.6%未改性的PG62-22沥青粘合剂。混合砂夹层的松弛模量比粘结找平层高约20%。粘结找平层在-10 ℃时的断裂能为274 J/m2，混合砂夹层的断裂能为593 J/m2，约为粘结找平层断裂能的2倍。在本研究中，加砂和不加砂的沥青混凝土加铺层分别为设计A和设计B。

3 混合砂夹层的有效性

3.1 沥青混凝土加铺层断裂面积的量化

在本次研究中，引入标准轴荷载，荷载的取值范围为0～15 P80（P80为标准荷载80 kN）。所有的实验组都保证荷载具有相同的加载速度和接触面积。当整个加铺层截面出现反射裂缝的宏观裂缝时，便可以确定该材料所能承受的极限荷载。因此，试验得到的极限载荷大小可以表示为沥青混凝土加铺层承受反射裂缝的能力。此时，利用前人研究中提出的典型断裂面积（RFA）来量化沥青混凝土加铺层的断裂程度。典型断裂面积是特定区域内内聚单元刚度退化的平均值，其范围为0（无裂纹）到1.0（宏观裂纹）。

图2表示了设计A中典型断裂面积和标准轴荷载之间的关系。从图2可以看出，设计A的典型断裂面积从2P80才开始显著增加，然后开始从3P80处的0.08快速增加到8P80处的0.85，然后缓慢收敛到15P80的1.0。最终可以利用实测值和模拟值拟合的曲线来估算出设计A在一定负载下对应的典型断裂面积。

3.2 宏观裂纹和微观裂缝扩展

随着反射裂缝的扩展，微观裂缝和宏观裂缝会同时存在于沥青混凝土加铺层中。对于已经断裂的区域，宏观裂缝只存在于内聚单元中。对于试验设计的A和B，在图3中比较了全覆盖层、磨耗层和粘结找平层中微观裂缝和宏观裂缝的断裂面积。宏观裂缝在A设计中的8P80处出现，在B设计的10P80处出现，这些宏观裂缝同样出现在磨耗层和粘结找平层中。在设计A中，磨耗层和粘结找平层的宏观裂缝占总裂缝面积的50%以上;在设计B中，磨耗层的宏观裂缝占总裂缝面积的50%以上，而粘结找平层中的宏观裂纹占总裂纹面积的50%以下。这意味着混合砂层结构使道路减少了15.7%的微观裂缝，而总裂缝面积的差异仅为1.2%。因此，混合砂层可以很好地降低宏观裂缝和反射裂缝的出现。设计A、设计B的微观和宏观裂缝百分比如图3所示。

3.3 承载力效应

研究了设计B中反射裂缝扩展对接缝式混凝土路面承载力的影响。设计B中共引入三组荷载试验，分别为：（1）EBA為75 MPa，ESB为35 MPa;（2）EBA为300 MPa，ESB为140 MPa;（3）EBA为600 MPa，ESB为280 MPa。后页图4比较了设计A和设计B中接缝式混凝土路面的基底弹性模量和反射抗裂系数Φr的关系。从图4可以看出：设计A和设计B的基底弹性模量和反射抗裂系数呈正相关且设计A的关系曲线斜率高于设计B;在基底弹性模量为600 MPa时，两者的反射抗裂系数均接近1.28。由此可以推断出接缝式混凝土路面的承载能力较低，加入混合砂后会具有更好的性能，但反射裂缝对使用寿命的提高并不显著。

4 结语

本研究建立了沥青混凝土加铺层的三维有限元模型，探讨了在不同的荷载试验条件下，在模型中加入砂层对反射裂缝性能的影响大小，并进行了评价分析。结果表明：混合砂层是控制道路产生反射裂缝的有效方法之一，且由于混合砂层的断裂能较高，延长了道路的使用寿命。同时，随着接缝式混凝土路面承载力的增加，混合砂层的性能逐渐降低。由于砂料具有较高的断裂能，因此在沥青混凝土加铺层的磨耗层中产生了宏观的反射裂缝，即所谓的突变裂缝，而且它可以防止湿气渗透到下垫层，同时能减少基层材料的损失。因此，突变裂缝的产生对沥青混凝土加铺层的性能起着至关重要的作用。

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