水泥路面上超薄沥青罩面主被动抗反射裂缝应用研究

苏卫国， 朱 洋

(华南理工大学 土木与交通学院，广东 广州 510640)

0 引言

对早期修建的水泥混凝土路面加铺超薄沥青罩面层进行养护，无论是提高道路行车的舒适性，还是利用水泥混凝土的剩余价值都是大有裨益的，然而，长久以来新加铺的沥青罩面层一直饱受反射裂缝的困扰。国内外众多专家学者针对这一顽疾开展了深入的理论研究和实践，提出了不同的解决方案。文献[1-3] 对沥青材料的组成进行了改进，并基于室内试验，评价其具有较好的抗反射裂缝性能。文献[4-5]提出设置应力吸收层减缓反射裂缝的扩展，并结合有限元软件验证了有效性。文献[6]设计了一种工程水泥复合材料(engineered cementitious composite, ECC)作为中间层材料，通过室内试验成功抑制了反射裂缝的发生。文献[7] 提出应力吸收层材料“4个控制点”的设计理念，研究发现吸收层材料具有较好的抗反射裂缝路用性能。文献[8]研究表明：碎石过渡层可以降低沥青表面的应力强度因子，有效防治反射裂缝。此外，文献[9]还探索了新型路面钢丝网夹层系统在加铺沥青路面中的防反射裂缝性能。文献[10-11]借助有限元软件分析得出，在水泥混凝土板边缘处最易出现反射裂缝扩展，同时降温会加速反射裂缝的发生。当前水泥路面上加铺沥青超薄罩面抑制反射裂缝的研究，主要是从室内试验或者有限元模拟出发进行相关分析，研究结果的准确性和合理性取决于结构模型，与实际路面状况有所差异。随着传感器技术的发展，光纤光栅传感器以其精度高、适用范围广，正逐步成为结构内部安全监测的新技术[12]。文献[13]结合现场试验，证明了光纤光栅传感器应用于沥青路面结构应变场检测的可行性。文献[14-15]借助光纤光栅传感器研究沥青路面内部在车辆荷载下的力学响应。但将传感器应用于超薄沥青罩面内进行反射裂缝的研究仍处于初步发展阶段，因此，本文借助ABAQUS软件和光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating, FBG)研究超薄沥青罩面反射裂缝的控制方法，通过有限元模拟得到不同加载条件下的应力强度因子，再结合实际工程试验段，采用光纤光栅传感器实测分析该模式的有效性。

1 主被动抗反射裂缝路面结构

图1 水泥路面上沥青超薄罩面主被动模式结构图

反射裂缝初始阶段在水泥板接缝处出现应力集中，产生裂纹，在扩展阶段基于断裂力学裂缝扩展理论，随着温度变化和车辆荷载反复作用，裂缝扩展至沥青罩面层最终破坏[16]。为此，采取水泥板底局部注浆处置板底脱空的主动措施，限制水泥板产生竖直方向的显性位移，减少接缝处超薄沥青层层底的应力集中，从根源控制反射裂缝发生的可能性。再对铣刨后的水泥路面铺筑一层1 cm的碎石应力吸收层，以其较低的模量吸收消散应力，阻断应力的传递路径。然后加铺2.5 cm具有抗裂特性的氯丁橡胶改性沥青混合料作为超薄层[17]，以自身的材料抗裂性作为抗裂的最后一环。图1为水泥路面上沥青超薄罩面主被动模式结构图。此外，在温度和湿度交替循环产生较大温度应力情况下，超薄罩面层的抗裂性能辅之碎石夹层的缓冲作用，使得温度应力远低于沥青超薄罩面层的抗裂强度。基于以上主被动相结合的抗反射裂缝模式，从源头抑制反射裂缝的产生，阻碍应力的传递路径，借助沥青材料自身的抗裂性能，最大程度地阻止反射裂缝的发生。

2 ABAQUS模拟分析

2.1 水泥路面沥青超薄罩面ABAQUS模型

水泥混凝土板的长、宽、高基于实体工程实测值分别取5 m、4 m和0.2 m，考虑土基为无限大，基础的尺寸扩大为12 m×9 m×6 m。文献[18-19]表明超薄沥青层的厚度一般采用15～25 mm。本文采用沥青超薄层的厚度为2.5 cm，应力吸收层厚度拟设为1 cm,各结构层材料参数如表1所示。

表1 水泥路面沥青超薄罩面各结构层材料参数表

ABAQUS模型中的车轮荷载采用BZZ-100标准荷载，荷载值为0.7 MPa，并基于FORTRAN软件编写的DLOAD子程序对超薄罩面施加移动双轮轴载。将车轮与路面的椭圆形接触简化模拟成矩形接触，加载区域大小为15.6 cm×22.6 cm。有限元单元模型为C3D8R(八节点六面体单元,减缩积分)，为保证精确度，对水泥板间接缝处和车轮荷载加载区域的网格进行加密处理。移动荷载速度取试验路段实测平均值50 km/h。基于上述参数建立水泥路面上沥青超薄罩面结构ABAQUS模型，如图2所示。

(a) 模型图 (b) 移动荷载加载图

2.2 接缝板底局部注浆与脱空应力强度因子分析

考虑接缝处板底局部注浆与脱空尺寸对应力强度因子的影响[20]，同时兼顾有限元模型的网格划分，将脱空截面设成矩形。按表1参数建立有限元模型，将接缝脱空边长从0.2 m以0.2 m为增量增加到1 m；环境温度从30 ℃变化到20 ℃。分别计算在行车荷载、温度变化以及车辆荷载与温度耦合作用下接缝处板底局部注浆的应力强度因子；同时计算上述3种工况下接缝处板底脱空的应力强度因子。应力强度因子随接缝局部脱空面积变化表见表2，应力强度因子在不同工况下随接缝脱空尺寸变化趋势图如图3所示。

表2 应力强度因子随接缝局部脱空面积变化表

(a) KⅠ在不同工况下随接缝脱空尺寸的变化情况 (b) KⅡ在不同工况下随接缝脱空尺寸的变化情况

结合图3a和表2中的数据可知：在车辆荷载作用下，脱空面积从0.2 m×0.2 m增加到1.0 m×1.0 m，KⅠ随之增大。注浆与非注浆情形下KⅠ的差值ΔKⅠ从2.240×10-5MPa·m1/2增长到1.713×10-4MPa·m1/2；未注浆情况下应力强度因子的增长率ΔKⅠ1为91.0%，注浆条件下应力强度因子的增长率ΔKⅠ2为25.9%。表明在车辆荷载作用下采取板底局部注浆可以有效降低KⅠ的大小，有效阻止反射裂缝的发生。

在温度应力作用下，随着接缝脱空面积的增加，注浆与非注浆情形下KⅠ的差值ΔKⅠ从1.070×10-4MPa·m1/2增长到2.152 ×10-4MPa·m1/2；未注浆时应力强度因子不断增加，增长率ΔKⅠ1为6.4%，注浆条件下应力强度因子反而随之降低，下降率ΔKⅠ2为0.5%。表明在温度荷载中未注浆使得KⅠ轻微增加，而注浆后KⅠ几乎不增加，对反射裂缝的发生影响不大。

在车辆荷载+温度应力耦合场中，KⅠ也会随着接缝脱空面积的增长而增加，注浆与非注浆情形下KⅠ的差值ΔKⅠ也从1.014×10-4MPa·m1/2增长到7.003×10-4MPa·m1/2；ΔKⅠ1为43.9%，ΔKⅠ2为13.3%。分析结果说明在车辆荷载与温度耦合场中采取板底局部注浆方式对限制KⅠ的增长是有效的。

分析图3b和表2中的数据可知：路面结构仅有车辆荷载作用下，脱空面积从0.2 m×0.2 m增加到1.0 m×1.0 m，KⅡ随之增大。注浆与非注浆情形下KⅡ的差值ΔKⅡ从1.39×10-5MPa·m1/2增长到4.49×10-5MPa·m1/2；未注浆情况下应力强度因子的增长率ΔKⅡ1为14.4%，注浆条件下应力强度因子的增长率ΔKⅡ2为5.1%。表明在车辆荷载作用下采取板底局部注浆可以有效降低KⅡ的大小，防反射裂缝发生的效果明显。

在温度应力作用下，随着接缝脱空面积的增加，注浆与非注浆情形下KⅡ的值全是0。表明在温度荷载中板底注浆与否对KⅡ不产生影响，对于反射裂缝的发生无关联。

在车辆荷载+温度应力耦合场中，KⅡ也会随着接缝脱空面积的增长而增加，注浆与非注浆情形下KⅡ的差值ΔKⅡ也从8.980×10-5MPa·m1/2增长到2.336×10-4MPa·m1/2；而ΔKⅡ1为37.0%，ΔKⅡ2为9.3%。分析结果说明在车辆荷载与温度耦合场中板底局部注浆对限制KⅡ的增长具有高效率。

2.3 不同被动结构层厚度的应力强度因子对比分析

为研究被动结构层的厚度变化对应力强度因子的影响，按表1参数建立有限元模型。接缝处注浆尺寸为0.1 m×0.1 m×4 m，被动式结构层总厚度设为3.5 cm, 有限元模型被动式结构的厚度组合分别为0.5 cm+3.0 cm、1.0 cm+2.5 cm、1.5 cm+2.0 cm、2.0 cm+1.5 cm、2.5 cm+1.0 cm，环境温度从30 ℃变化到20 ℃。分别计算车辆荷载、温度应力以及两者耦合作用下的不同被动结构层厚度组合的应力强度因子大小(见表3)，应力强度因子在不同工况下随被动式结构组合变化的规律如图4。

表3 不同被动结构层厚度组合的应力强度因子

从图4和表3可以看出:在被动结构层组合厚度为3.5 cm的情况下，无论是车辆荷载、温度应力单独作用，还是两者耦合作用下，应力强度因子都随应力吸收层的减少呈现下降趋势。仅施加车辆荷载，KⅠ由1.315×10-3MPa·m1/2减少到1.218×10-4MPa·m1/2，KⅡ由1.287×10-3MPa·m1/2减少到1.091×10-4MPa·m1/2，KⅠ、KⅡ分别下降了90.7%和91.5%；温度由30 ℃变化到20 ℃，KⅠ由4.568 ×10-3MPa·m1/2减少到1.049×10-3MPa·m1/2，KⅠ降低了77.0%；当车辆荷载与温度应力耦合作用时，KⅠ由5.544×10-3MPa·m1/2减少到1.452×10-3MPa·m1/2，KⅡ由1.894×10-3MPa·m1/2减少到5.599×10-4MPa·m1/2，KⅠ，KⅡ分别下降了73.8%和70.4%。有限元模拟结果显示：在被动结构层组合厚度一定的情况下，采用1 cm的应力吸收层与2.5 cm的超薄沥青层组合能显著降低KⅠ和KⅡ，对于抑制反射裂缝的开裂与延伸具有较好的理论效果。

图4 应力强度因子在不同工况下随被动式结构组合变化的规律

3 主被动模式抗反射裂缝现场试验

3.1 注浆材料及位置

预先对已经脱空的水泥板接缝两侧局部钻孔注浆。注浆材料质量配合比为w(水泥)∶w(粉煤灰)∶w(水)∶w(早强剂)∶w(膨胀剂)∶w(减水剂)=1∶2∶1.5∶0.1∶0.001∶0.001；注浆孔直径为10 cm，在水泥板接缝两侧40 cm处钻2～3孔，需贯穿水泥板层，注浆孔平面布置见图5a。

3.2 传感器的保护与布置

FBG应变传感器粘贴于田字形PP焊接土工格栅(长约为25 cm)上，其余部分铠装保护； FBG温度传感器采取全封装保护，避免在沥青摊铺碾压过程中因摊铺与碾压施工而失活。实体工程中需要对有无板底注浆和被动结构层厚度组合进行实测数比较，用以验证有限元计算模型，因此采用2组传感器，各传感器的标定波长如表4所示。

表4 各传感器标定波长 mm

传感器布置采取“先铺后装”。先使用同步碎石封层车以1.2 kg/m2洒布乳化沥青，同时洒铺粒径为9.5～13.2 mm的火成岩石料，随后摊铺CAM-10氯丁橡胶改性沥青混合料完成试验路段铺筑。按图5a所示的水泥板接缝位置(施工前已经标记)各开挖一个400 cm×40 cm×3.5 cm的浅槽，接着将应变传感器和温度传感器固定于水泥板上，连接线路接入电脑记录试验数据。最后用原路面铺筑材料按图5b对浅槽进行回填，严格控制各层材料厚度，压实路面。

(a) 平面布置

4 试验数据采集分析

4.1 现场数据收集

考虑数据采集的准确性以及2组传感器之间的间距，将传感器的数据采集频率设为0.1 s/次。开始测试前对传感器的位置进行标记，分别记录2.5 t试验车和18 t试验车以50 km/h在当日环境温度为30 ℃和20 ℃时,通过每组传感器的2#和3#上方3次的数值，再取平均值。考虑行车经过2组传感器的时间顺序，取2#和3#传感器在相对时程为1 s 的应变数值(见表5)。

表5 不同荷载条件下传感器的应变数值 με

4.2 被动结构层确定下的试验数据分析

不同条件下横向水平应变时程图见图6。结合图6a与表5所示的数据表明：基于被动结构层均为1 cm应力吸收层+2.5 cm 超薄沥青层的前提下，采取板底局部注浆(Ⅰ-3#)主动抗反射裂缝措施相较于未注浆(Ⅱ-3#)，在2.5 t轴载+20 ℃环境中，试验车前后轮的最大横向水平应变分别下降了33.5%和24.9%；在2.5 t轴载+30 ℃情况下，试验车前后轮的最大横向水平应变分别降低了54.4%和49.9%；在18 t轴载+20 ℃情形中，试验车前后轮的最大横向水平应变分别下降了67.8%和67.1%；18 t轴载+30 ℃条件下，试验车前后轮的最大横向水平应变分别减少了87.3%和71.4%。

(a) 不同荷载条件下局部板底注浆与脱空横向水平应变时程图 (b) 不同荷载条件下被动结构层组合横向水平应变时程图

4.3 被动层厚度一定时不同结构层组合试验结果分析

由图6b和表5数据可知：在被动层结构厚度为3.5 cm确定的情况下，轴载是2.5 t、环境温度为20 ℃时,采用1 cm应力吸收层+2.5 cm沥青超薄层，相较于1.5 cm应力吸收层+2.0 cm沥青超薄层，板底前、后轮横向水平应变分别降低了11.6%和11.7%；在2.5 t+30 ℃时，板底前、后轮横向水平应变分别降低了19.3%和21.3%；在18 t+20 ℃时，板底前、后轮横向水平应变分别降低了20.9%和44.8%；在18 t+30 ℃时，板底前、后轮横向水平应变分别降低了32.1%和48.9%。所以在轴载相同的条件下，随着温度的升高，1.0 cm应力吸收层+2.5 cm沥青超薄层组合降低横向水平应变的作用越明显；在温度一定时，随着轴载的增大，1.0 cm +2.5 cm路面结构组合横向水平应变的降低亦愈加显著；在温度和轴载都增加的条件下，该组合的横向水平应变减少幅度十分显著。

5 结论

(1)采取主动的板底局部注浆的应力强度因子明显低于未注浆的，同时采用1.0 cm应力吸收层+2.5 cm超薄沥青结构层组合的应力强度因子也低于其他组合。

(2)相同的被动结构层厚度，采取板底局部注浆后，1.0 cm应力吸收层+2.5 cm 沥青超薄层组合沥青层层底的横向水平应变最大值低于1.5 cm应力吸收层+2.0 cm 沥青超薄层组合的路面结构层层底横向水平应变最大值， 表明1.0 cm吸收层+2.5 cm 超薄层结构组合的抗反射裂缝性能优于其他组合。

(3)采取主被动结合的抗反射裂缝路面结构，对于抑制水泥混凝土底板的显性位移，阻止沥青超薄罩面反射裂缝的生成，阻断应力的传递路径，延缓反射裂缝的发生具有显著的作用。