瀝青混凝土路面加鋪層反射裂縫成因分析及防治措施研究

孟叢叢，柳海龍，況小根

(1.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司)

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瀝青混凝土路面加鋪層反射裂縫成因分析及防治措施研究

孟叢叢1，柳海龍2，況小根2

(1.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院；2.江西省高速公路投資集團(tuán)有限責(zé)任公司)

分析了瀝青混凝土路面加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展過程，用有限元軟件從斷裂力學(xué)的角度分析瀝青層厚度、瀝青層模量對裂縫發(fā)展的影響。在瀝青加鋪層設(shè)計(jì)時(shí)，可通過添加改性劑、改變集料級配或混合料組成等措施提高混合料的抗變形能力。

瀝青加鋪層；反射裂縫；應(yīng)力分析；防治措施

0 概 述

由于車載和環(huán)境作用，使用一定年限后，瀝青路面使用性能會逐年下降，出現(xiàn)不同程度的破壞。當(dāng)路面的結(jié)構(gòu)承載力和表面功能退化到一定程度，或其通行能力已不滿足交通量要求，需要采取處治措施以恢復(fù)路面功能，達(dá)到提高道路通行能力的目的。常用處治措施是路面加鋪，加鋪主要發(fā)揮以下作用：(1)修復(fù)舊路病害；(2)恢復(fù)承載能力；(3)恢復(fù)路表功能。

瀝青路面加鋪層結(jié)構(gòu)形式可以簡單劃分為三類：第一類是直接加鋪瀝青混合料面層；第二類是先加鋪水泥穩(wěn)定類等半剛性基層，再加鋪瀝青混合料面層；第三類是直接加鋪水泥混凝土層。

1 反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)理

路面加鋪層結(jié)構(gòu)大部分采用的是第一類，即直接加鋪瀝青混合料面層，加鋪后，加鋪層下面原有未經(jīng)處理的裂縫可能會向上發(fā)展，導(dǎo)致加鋪層出現(xiàn)裂縫，這種裂縫與下層路面結(jié)構(gòu)原有裂縫存在一一對應(yīng)關(guān)系，稱之為反射裂縫。認(rèn)識反射裂縫的發(fā)展過程，對處治此類病害具有重要意義。反射裂縫發(fā)展包括產(chǎn)生和擴(kuò)展兩個(gè)階段。

1.1 反射裂縫的產(chǎn)生階段

舊路面加鋪瀝青混合料后形成的路面結(jié)構(gòu)特性與按照彈性層狀體系設(shè)計(jì)的新建瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變特性差別較大。由于作為基層的舊路面存在裂縫，降低了路面的整體強(qiáng)度，在環(huán)境溫度應(yīng)力與行車荷載應(yīng)力的雙重作用下，瀝青混凝土加鋪層的應(yīng)力狀態(tài)非常復(fù)雜。按照作用的不同，反射裂縫可以分為兩種。

(1)行車荷載作用導(dǎo)致的荷載型反射裂縫。當(dāng)車輛從不連續(xù)的板體駛過時(shí)，裂縫兩側(cè)板體產(chǎn)生豎向位移，形成較大的剪切應(yīng)力作用于瀝青混凝土加鋪層，導(dǎo)致形成荷載型反射裂縫，這是反射裂縫產(chǎn)生的最主要原因。

圖1 反射裂縫的產(chǎn)生

(2)環(huán)境溫度作用導(dǎo)致的溫度型反射裂縫。瀝青混凝土路面由于長期暴露在室外環(huán)境下，路面需要承受周期性外界氣溫變化的影響，舊路面和瀝青加鋪層整個(gè)路面結(jié)構(gòu)會發(fā)生熱脹冷縮，結(jié)構(gòu)內(nèi)部與表面的熱脹冷縮不一致就會形成溫度應(yīng)力。在裂縫處的舊路面的應(yīng)力，由于不連續(xù)，瀝青加鋪層既承受自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，又需要承受舊路面所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。當(dāng)在氣溫較低的冬季時(shí)，這種應(yīng)力現(xiàn)象更加明顯，導(dǎo)致舊路面裂縫處的加鋪結(jié)構(gòu)層承受過大拉應(yīng)力，致使路面開裂，形成溫度型反射裂縫。

1.2 反射裂縫的擴(kuò)展階段

從反射裂縫開始在瀝青加鋪層產(chǎn)生，到瀝青路面完全被破壞，瀝青路面需要經(jīng)歷擴(kuò)展過程。反射裂縫產(chǎn)生后先縱向擴(kuò)展(縱向擴(kuò)展是在厚度方向)，再橫向擴(kuò)展(橫向擴(kuò)展是在表面)。

(1)反射裂縫的縱向擴(kuò)展

反射裂縫的縱向擴(kuò)展模式按照斷裂力學(xué)理論可以劃分為三類：張開模式、剪切模式和撕開模式。見圖2。

圖2 裂縫縱向擴(kuò)展模式

溫度應(yīng)力一般是以張開模式作用反射裂縫。

行車荷載應(yīng)力一般是以剪切、張開模式作用反射裂縫。

①車輪荷載作用于裂縫正上方時(shí)，行車荷載應(yīng)力以張開模式來作用于反射裂縫。

②車輪荷載作用于裂縫前后位置時(shí)，行車荷載應(yīng)力是以剪切模式作用于反射裂縫。

(2)反射裂縫的橫向擴(kuò)展

反射裂縫的橫向發(fā)展過程：一般是裂縫先在路表面某個(gè)位置產(chǎn)生，再向橫向兩側(cè)擴(kuò)展。在路面寬度范圍之內(nèi)，由于溫度應(yīng)力對反射裂縫的作用基本相同，而行車荷載受行駛軌跡的影響，在車道上的分布并不均勻，尤其是在渠化交通的道路上，在行車荷載輪跡位置出現(xiàn)反射裂縫的情況更多。

環(huán)境因素的負(fù)效應(yīng)也對面層開裂有較大的影響。反射裂縫一旦出現(xiàn)，在行車荷載的反復(fù)作用下，雨水、空氣等外界因素立即侵入，加速了反射裂縫向四周擴(kuò)展的速度。

2 應(yīng)力應(yīng)變分析

采用ABAQUS分析軟件進(jìn)行路面應(yīng)力分析，假定路面結(jié)構(gòu)為平面應(yīng)變模型，以等參單元作為此次分析的基本有限元單元。

為了分析反射裂縫在車輛行車荷載作用下的擴(kuò)展規(guī)律，假設(shè)舊路面在寬度范圍內(nèi)有一條貫穿裂縫，有限元分析的基本力學(xué)模型取單圓荷載作用下的4層連續(xù)體系。最不利行車荷載位置如圖3，圖4所示，忽略分析過程中動荷載效應(yīng)的影響。

圖3 裂縫受對稱加荷

圖4 裂縫受非對稱加荷

加鋪層材料類型E/MPaH/cmμ上面層SMA13或AK13140040．25中面層AC25120080．25瀝青穩(wěn)定碎石層ATB301000160．25舊瀝青基層1500200．25舊路面土基100-0．25

在整個(gè)計(jì)算中作以下基本假定(計(jì)算參數(shù)見表1)：

(1)地基、基層、瀝青混凝土等材料都假定為線彈性材料，且材料各向均勻、同性；

(2)各結(jié)構(gòu)層完全相連；

(3)橫向裂縫貫穿瀝青混凝土路面整個(gè)寬度，各橫向裂縫之間的距離是相等的，且所有裂縫面均為自由面。

2.1 厚度影響

在非對稱荷載和對稱荷載作用兩種情況下，考慮瀝青穩(wěn)定碎石基層不同厚度時(shí)，計(jì)算反射裂縫尖端的水平應(yīng)力大小及應(yīng)力強(qiáng)度。見圖5，圖6。

圖5 對稱荷載作用下水平拉應(yīng)力

圖6 反射裂縫尖端在對稱荷載作用下應(yīng)力強(qiáng)度因子

可見，對稱荷載作用的情況下，增加加鋪層厚度，裂縫尖端應(yīng)力和強(qiáng)度因子呈線性遞增趨勢，到達(dá)12 cm的厚度后，這種變化趨于緩慢，最后呈下降的趨勢。

圖7 反射裂縫尖端在非對稱荷載作用下裂縫尖端剪應(yīng)力

圖8 反射裂縫尖端在非對稱荷載作用下應(yīng)力強(qiáng)度因子

圖7和圖8為反射裂縫尖端在非對稱荷載作用下裂縫尖端剪應(yīng)力，非對稱荷載作用情況下，KⅠ(張拉型應(yīng)力強(qiáng)度因子)是為負(fù)數(shù)，裂縫受壓。伴隨加鋪層厚度增加，KⅡ(剪切型應(yīng)力強(qiáng)度因子)呈線性遞減趨勢，到達(dá)12 cm厚度后下降很快。綜合分析以上對稱荷載和非對稱荷載兩種情況，KⅡ(非對稱荷載作用產(chǎn)生)遠(yuǎn)大于KⅠ(對稱荷載和非對稱荷載產(chǎn)生)，控制著路面裂縫擴(kuò)展的是KⅡ。由此可知，在行車荷載作用下，增加瀝青混凝土加鋪層厚度，既可以延緩剪切型反射裂縫向上反射的速度，也可以降低面層底部裂縫尖端的應(yīng)力集中。

2.2 模量影響

在非對稱荷載和對稱荷載作用兩種情況下，考慮瀝青穩(wěn)定碎石基層不同模量時(shí)，計(jì)算反射裂縫尖端的應(yīng)力大小。計(jì)算結(jié)果見圖9和圖10。

圖9 反射裂縫尖端在對稱荷載作用下水平拉應(yīng)力

圖10 反射裂縫尖端在非對稱荷載作用下剪應(yīng)力

對稱荷載作用情況下，水平應(yīng)力隨模量的增加而增加。當(dāng)模量≤500 MPa時(shí)，水平應(yīng)力是負(fù)數(shù)，裂縫處于受壓狀態(tài)。當(dāng)模量>500 MPa時(shí)，水平應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)檎龜?shù)，當(dāng)模量達(dá)到1 400 MPa后，水平應(yīng)力增速減緩。

非對稱荷載作用情況下，剪應(yīng)力隨模量的增加而減小。

在非對稱荷載和對稱荷載作用兩種情況下，考慮瀝青穩(wěn)定碎石基層不同模量時(shí)，計(jì)算反射裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。計(jì)算結(jié)果見圖11和圖12。

圖11 反射裂縫尖端在對稱荷載作用下應(yīng)力強(qiáng)度因子

圖12 反射裂縫尖端在非對稱荷載作用下應(yīng)力強(qiáng)度因子

對稱荷載作用情況下，KⅠ(張拉型應(yīng)力強(qiáng)度因子)正數(shù)，裂縫受拉。伴隨模量增加，KⅠ呈線性遞增趨勢。

非對稱荷載作用情況下，KⅠ(張拉型應(yīng)力強(qiáng)度因子)是負(fù)數(shù)，裂縫受壓。伴隨模量增加，KⅠ和KⅡ呈線性遞增趨勢。

綜合分析以上對稱荷載和非對稱荷載兩種情況，KⅡ(非對稱荷載作用產(chǎn)生)遠(yuǎn)大于KⅠ(對稱荷載和非對稱荷載產(chǎn)生)，控制著路面裂縫擴(kuò)展的是KⅡ。

瀝青混合料是一種溫度敏感材料，溫度的變化對瀝青混合料的模量影響非常顯著，一般冬季時(shí)的模量是夏季時(shí)幾十倍。實(shí)踐也可以證明，瀝青路面在冬季出現(xiàn)反射裂縫的概率遠(yuǎn)大于夏季。當(dāng)溫度下降幅度和速度較快，加鋪層中反射裂縫也迅速發(fā)展。KⅡ隨模量增加而迅速遞增的特性，導(dǎo)致反射裂縫在冬季擴(kuò)展速度顯著快于夏季。

因此，在瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)通過改變集料級配或混合料組成、添加改性劑等方法降低瀝青混合料模量，以達(dá)到改善瀝青混合料的抗變形能力的目的。

3 結(jié) 語

(1)增加瀝青混凝土加鋪層厚度，既可以延緩剪切型反射裂縫向上反射的速度，也可以降低面層底部裂縫尖端的應(yīng)力集中。

(2)在非對稱荷載和對稱荷載作用兩種情況下，伴隨瀝青加鋪層模量的遞增，KⅡ也將遞增。因此，在瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)通過改變集料級配或混合料組成、添加改性劑等方法降低瀝青混合料模量，以達(dá)到改善瀝青混合料的抗變形能力的目的。

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2015-02-15

孟叢叢(1986-)，女，工程師，主要從事公路檢測、養(yǎng)護(hù)以及教學(xué)、科研工作。

U416.217

C

1008-3383(2015)12-0009-03