白改黑水泥路面加强钢丝防裂夹层的力学性能研究

伍昕茹，谌河水

（1.江西建设职业技术学院，江西南昌 330209；2.江西华道工程技术有限公司，江西南昌 330003）

0 引言

反射裂缝是白改黑水泥路面不可避免的常见病害，它的存在使白改黑水泥路面的路用性能和使用寿命大打折扣，随之而来的养护费用也相应增加。目前，常见的处理方法总体上可分为三大类：一是改变沥青混凝土加铺层的材料性能或加铺厚度；二是对旧水泥混凝土路面进行处治，如对旧水泥面板加固或进行碎石化处理；三是设置防裂夹层，如在水泥混凝土面板与沥青之间设置镀锌钢丝网、土工布或者土工格栅等。

近年来，越来越多的学者开始对反射裂缝的力学分析开展研究，同济大学于宝明[1]应用有限元半解法，探讨了橡胶沥青加铺层的合理布置方式，同时分析了影响反射裂缝的各种因素。胡长顺、王秉纲[2]总结了6种CC+AC复合式路面反射裂缝防治措施。胡长顺、曹东伟等[3]研究了土工织物防治反射裂缝的效果和特点。Vanelstraete.A等人[4]基于三维有限元模型模拟了布置钢丝网防裂结构的沥青加铺层在温度和行车荷载作用下的应力分布。

本文依托昌九高速公路共青南至工业园区连接线工程为研究对象，该工程原有路面为水泥混凝土路面，为双向两车道的市政道路，原有水泥路面无破碎、下沉等现象，路基未发生明显沉降，水泥板纵缝完全断开，横缝深度6cm，横向板之间未完全断开。采用加铺4cm厚细粒式沥青混凝土和6cm厚中粒式混凝土的改造方案。本项目采用的沥青为石油沥青，路面的上面层采用70号A级沥青，路面的下面层采用50号A级沥青，70号沥青针入度要求6～8mm，50号沥青针入度要求4～6mm，针入度指数PI为-1.5～+1.0,10℃延度不小于15cm，石油沥青溶解度不小于99.5%。沥青混合料中的粗集料压碎值不大于26%，坚固性不大于12%，沥青混合料马歇尔试验稳定度不小于5kN，沥青混合料车辙试验动稳定度不小于2 800，沥青混合料水稳定性技术指标浸水马歇尔试验残留稳定度不小于85%，冻融劈裂试验残留强度比不小于80%。中粒式沥青混凝土与水泥路面之间加铺镀锌钢丝网。

本文研究了不同直径镀锌钢丝网在汽车荷载作用下的最大应力和最大变形等力学性能，通过比较不同钢丝网直径，研究在不同钢丝网直径的工况下，钢丝网直径对路面强度和变形的影响，并对仿真结果进行了分析。镀锌钢丝网和沥青现场铺设照片如图1～2所示。

图1 铺设镀锌钢丝网

图2 铺设沥青混凝土

1 有限元研究方法

本文应用有限元分析无镀锌钢丝网、有镀锌钢丝网（钢丝网直径分别为2mm、2.5mm、3mm）在气温20℃时的汽车荷载作用下所能承受的最大应力和最大变形四种工况。汽车荷载轮胎横向间距为1.8m，纵向间距分别为3.0m和1.4m，对称布置于水泥混凝土板上，几何模型在DesignModeler中建立，因模型具备对称特征，建立1/2模型，施加对称边界条件。钢丝网路面分为五层，从底向上分别为路基、水泥稳定碎石、水泥混凝土板、镀锌钢丝网、沥青混凝土面层，路面结构计算参数如表1所示。

表1 路面结构计算参数

2 计算结果分析

对路面结构采用中等密度网格尺寸，网格全部采用六面体网格，分别对无镀锌钢丝网、有镀锌钢丝网（直径分别为2mm、2.5mm、3mm）四种工况进行分析。路面结构网格划分如图3所示，钢丝直径建模如图4所示。

钢丝网与路面及沥青采用边-面绑定接触，有钢丝网路面共9 244对接触，接触设置如图5所示；根据钢丝网路面实际工作情况，需要的边界及载荷如图6所示。

通过有限元计算，在气温20℃时的汽车载荷作用下，路面强度结果如下：

（1）无钢丝网时路面整体最大变形为1.866 8mm，最大应力为1.489 8MPa，整体变形云图和整体应力云图如图7～8所示。

（2）钢丝网直径为2mm路面强度整体最大变形为1.4755mm，最大应力为4.808 6MPa；整体变形云图和整体应力云图如图9～10所示。

（3）钢丝网直径为2.5mm路面强度整体最大变形为1.475 3mm，最大应力为4.806 2MPa；整体变形云图和整体应力云图如图11～12所示。

（4）钢丝网直径为3mm路面强度整体最大变形为1.475mm，最大应力为4.803 4MPa；整体变形云图和整体应力云图如图13～14所示。

3 结论

图3 路面结构网格划分

图4 钢丝网直径（隐藏一半沥青观察）

图5 钢丝网路面接触

图6 边界及载荷设置

图7 无钢丝网变形云图

图8 无钢丝网应力云图

本文分析了水泥混凝土路面在加铺4cm厚细粒式沥青混凝土和6cm厚中粒式沥青混凝土的改造方案下，在无镀锌钢丝网、有镀锌钢丝网（钢丝网直径分别为2mm、2.5mm、3mm）四种工况下的汽车荷载作用计算结果，详见表2。

图9 有钢丝网（直径2mm）变形云图

图10 有钢丝网（直径2mm）应力云图

图11 有钢丝网（直径2.5mm）变形云图

图12 有钢丝网（直径2.5mm）应力云图

图13 有钢丝网（直径3mm）变形云图

图14 有钢丝网（直径3mm）应力云图

表2 不同工况下路面强度和变形

在相同温度的汽车荷载作用下，从表2可以看出，有镀锌钢丝网比无镀锌钢丝网夹层的路面变形可减少21.3%；有镀锌钢丝网比无镀锌钢丝网夹层的路面强度增加了3.2倍；随着镀锌钢丝网直径的增加，路面整体强度和变形变化不明显。因此，在白改黑水泥路面改造过程中，增加镀锌钢丝网夹层可以明显增加路面结构整体强度，有效降低路面结构沉降。