舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層

任 新 濤

(1. 西安國際陸港市政配套有限公司, 陜西 西安 710026; 2. 長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層

任 新 濤1,2

(1. 西安國際陸港市政配套有限公司, 陜西 西安 710026; 2. 長安大學(xué) 公路學(xué)院, 陜西 西安 710064)

為了防止舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生,通過有限元分析軟件建立了瀝青加鋪層實(shí)體模型,研究了瀝青加鋪層厚度、瀝青加鋪層彈性模量等參數(shù)對(duì)瀝青加鋪層應(yīng)力狀態(tài)及裂縫兩側(cè)彎沉差值的影響,為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).以西安國際港務(wù)區(qū)港務(wù)大道為工程依托,在上述研究成果的基礎(chǔ)上對(duì)港務(wù)大道加鋪層進(jìn)行設(shè)計(jì),并對(duì)后期運(yùn)營效果進(jìn)行跟蹤,跟蹤數(shù)據(jù)表明,研究成果能夠有效抑制瀝青加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生,并為將來舊水泥混凝上路面的改建和維修等施工方案提供參考.

舊水泥混凝土路面; 瀝青加鋪層; 反射裂縫; 厚度; 彈性模量

目前中國已經(jīng)成為擁有最多水泥混凝土路面里程的國家,根據(jù)相關(guān)調(diào)查,截至2016年年底,全國建成有鋪裝路面近150萬km,其中水泥混凝土路面達(dá)到了110萬km,占到了全國總里程的73.3%[1-2].隨著交通量的迅猛發(fā)展,重載車輛比例的不斷增加,以及現(xiàn)場施工質(zhì)量控制不到位等眾多因素的綜合影響,一些水泥混凝土路面還沒有達(dá)到使用年限,便出現(xiàn)了各種各樣的病害問題,縮短了道路使用壽命,影響了行車舒適性[2].因此加快對(duì)舊水泥混凝土路面改造技術(shù)研究成為道路工程師必須面對(duì)的一項(xiàng)艱巨挑戰(zhàn).

近年來,許多學(xué)者和專家對(duì)舊水泥混凝土路面瀝青加鋪改造技術(shù)進(jìn)行了研究,提出了該方法相比清除重鋪法、沖擊壓實(shí)法等改造技術(shù)的優(yōu)勢.2008年楊海平通過建立力學(xué)模型分析了應(yīng)力吸收層和玻璃纖維網(wǎng)對(duì)加鋪層裂縫的緩解程度,并提出了控制反射裂縫的有效措施[3];2013年C.Rabaiotti建立了蘇黎世國際機(jī)場的三條水泥混凝土面層跑道修正有限元模型,并對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析[4];2016年姚新宇提出在加鋪層設(shè)計(jì)和施工中,通過約束中面層細(xì)集料的偏移和粗集料壓碎值的方式來提高加鋪層抗車轍能力[5].由于舊水泥混凝土路面接縫處瀝青加鋪層易產(chǎn)生反射裂縫,縮短了加鋪層使用壽命[6].因此,如何延緩與控制反射裂縫是瀝青加鋪層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,至今仍是道路工程界面臨的一大難題.本文以西安國際港務(wù)區(qū)港務(wù)大道為研究對(duì)象,在分析瀝青混凝土加鋪層參數(shù)對(duì)反射裂縫影響的基礎(chǔ)上對(duì)港務(wù)大道加鋪層進(jìn)行設(shè)計(jì),并對(duì)后期運(yùn)營效果進(jìn)行跟蹤,為舊水泥混凝土路面改造技術(shù)在實(shí)際改造工程中的應(yīng)用提供指導(dǎo).

1 加鋪層參數(shù)分析

為了有效控制和減少后期加鋪瀝青層反射裂縫的產(chǎn)生,通過有限元軟件ANSYS建立與實(shí)際情況相對(duì)應(yīng)的有限元模型,分別研究瀝青加鋪層厚度、瀝青加鋪層彈性模量等參數(shù)對(duì)瀝青加鋪層應(yīng)力狀態(tài)及裂縫兩側(cè)彎沉差值的影響,為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).在建立模型中各結(jié)構(gòu)層做如下假設(shè)[7]:

(1) 假定三種結(jié)構(gòu)均滿足均勻、連續(xù)、各向同性的特點(diǎn);

(2) 各層之間位移均保持連續(xù);

(3) 舊水泥混凝土路面接縫寬度模擬為1 cm,且在接縫處不傳遞載荷;

(4) 只分析結(jié)構(gòu)在靜載作用下的受力性能;

(5) 假定地基底面各向位移以及側(cè)面水平方向位移均為零,瀝青加鋪層和舊水泥混凝土層在兩端橫截面上水平位移為零.

模型中地基擴(kuò)大基礎(chǔ)尺寸[8]擬定為12 m×6 m×9 m,瀝青混凝土路面取寬4.5 m,長9 m.為了研究瀝青加鋪層厚度變化對(duì)加鋪層結(jié)構(gòu)受力影響,加鋪層厚度取8～22 cm,混凝土層厚度取24 cm.加鋪層結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)見表1,為了對(duì)瀝青混凝土加鋪層厚度、彈性模量等參數(shù)進(jìn)行變量研究,分別取其為變量.

表1 加鋪層結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)Table 1 Calculating parameters of overlay structure

模型中載荷取標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100,輪胎內(nèi)壓取0.7 MPa,布載方式見圖1,車輪間距32 cm,兩側(cè)輪隙距離182 cm.如圖2所示,受力分析中將瀝青混凝土面層底部A點(diǎn)作為應(yīng)力控制點(diǎn),舊水泥混凝土板裂縫或接縫兩側(cè)的點(diǎn)1和點(diǎn)2作為彎沉及彎沉差控制點(diǎn)[9].結(jié)構(gòu)計(jì)算模型見圖3,對(duì)加鋪層載荷計(jì)算分析時(shí),主要關(guān)注瀝青加鋪層應(yīng)力控制點(diǎn)的最大拉應(yīng)力及彎沉差值.

圖1 載荷施加示意圖Fig.1 Diagram of load application

圖2 接縫處車輪載荷示意圖Fig.2 Wheel load at joint

圖3 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型Fig.3 Structural calculation model

1.1瀝青加鋪層的厚度對(duì)加鋪層結(jié)構(gòu)的影響

為了保證舊水泥混凝土瀝青加鋪層厚度取值的合理性,本文通過不同瀝青加鋪層厚度得到應(yīng)力與瀝青加鋪層厚度之間的關(guān)系.瀝青混凝土加鋪層厚度分別取8、10、12、14、16、18、20、22 cm,其余參數(shù)參考表1.加鋪層厚度對(duì)接縫處加鋪層影響情況見表2及圖4.

表2 瀝青加鋪層厚度、應(yīng)力及彎沉差值

圖4 接縫處載荷應(yīng)力及彎沉值隨加鋪層厚度的變化圖

圖4左側(cè)坐標(biāo)表示瀝青加鋪層底部A點(diǎn)拉應(yīng)力值,右側(cè)坐標(biāo)表示瀝青加鋪層點(diǎn)1、點(diǎn)2之間的彎沉差值.由表2、圖4分析可知,隨著瀝青加鋪層厚度的不斷增加,A點(diǎn)拉應(yīng)力和點(diǎn)1、點(diǎn)2之間的彎沉差值逐漸變小.當(dāng)瀝青加鋪層厚度為8 cm時(shí)應(yīng)力控制點(diǎn)A處的拉應(yīng)力σA為0.208 MPa,加鋪層厚度為22 cm時(shí)拉應(yīng)力σA為0.078 MPa,減少了62.5%;其中加鋪層厚度為8～10 cm范圍內(nèi)時(shí)拉應(yīng)力σA的減少速度較快,加鋪層厚度每增加1 cm,應(yīng)力平均減小0.034 MPa;加鋪層厚度為10～22 cm范圍時(shí)拉應(yīng)力減少慢,速率僅為0.005 2 MPa/cm.加鋪層點(diǎn)1、點(diǎn)2之間的彎沉差值隨著加鋪厚度的增加逐漸減小,即由0.018 mm降低到0.008 mm,降幅達(dá)到55.6%,且加鋪層厚度8～14 cm時(shí)彎沉差值減小速率快,超過14 cm范圍后減小速率減慢.研究表明,隨著加鋪層厚度的增加,加鋪層層底A點(diǎn)應(yīng)力和彎沉差值都得到了明顯的抑制,在一定程度內(nèi)能夠起到預(yù)防和延緩反射裂縫的作用.

1.2混合料模量對(duì)加鋪層結(jié)構(gòu)的影響

作為一種粘彈性材料,瀝青混合料的彈性模量受組成材料、配合比例以及溫度影響較大.混合料彈性模量的變化會(huì)對(duì)瀝青加鋪層底部應(yīng)力值以及彎沉差值產(chǎn)生影響.在有限元計(jì)算模型中加鋪層厚度取12 cm,瀝青加鋪層模量分別取800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800、2 000 MPa,其余參數(shù)參考表1.混合料模量變化對(duì)瀝青加鋪層應(yīng)力及彎沉差值計(jì)算結(jié)果見表3及圖5.

表3 混合料模量、應(yīng)力及彎沉差值

圖5 接縫處載荷應(yīng)力及彎沉差值隨混合料模量的變化圖

圖5左側(cè)坐標(biāo)表示瀝青加鋪層底部A點(diǎn)拉應(yīng)力值,右側(cè)坐標(biāo)表示瀝青加鋪層點(diǎn)1和點(diǎn)2之間的彎沉差值.隨著加鋪層彈性模量的變化,瀝青加鋪層底部A點(diǎn)拉應(yīng)力和點(diǎn)1、點(diǎn)2之間的彎沉差值均受到影響.當(dāng)瀝青混合料彈性模量取800 MPa時(shí),應(yīng)力控制點(diǎn)的拉應(yīng)力σA為0.101 MPa,當(dāng)混合料彈性模量增加到2000 MPa時(shí)拉應(yīng)力σA增加到0.149 MPa,增加了近47.5%,且隨著加鋪層模量的增加,接縫處瀝青面層應(yīng)力增大速率越來越慢;同時(shí)加鋪層點(diǎn)1和點(diǎn)2之間的彎沉差值由0.017 mm降到0.010 3 mm,降幅達(dá)39.4%,當(dāng)瀝青混凝土模量在1 600 MPa以上時(shí),對(duì)接縫兩側(cè)瀝青加鋪層彎沉差值的影響越來越小.

對(duì)表3及圖5的分析得出,通過增加瀝青混凝土模量,能夠減小瀝青加鋪層層底點(diǎn)1和點(diǎn)2之間的彎沉差值,但也會(huì)導(dǎo)致瀝青面層拉應(yīng)力的增大.但當(dāng)瀝青混合料配合比確定時(shí),其彈性模量是確定的,無法人為地進(jìn)行改變.因此,通過改變?yōu)r青混凝土彈性模量來預(yù)防和控制反射裂縫的效果并不理想.

2 工程依托

2.1工程概況

西安國際港務(wù)區(qū)港務(wù)大道是港務(wù)區(qū)內(nèi)一條貫通南北的主干道,港務(wù)大道紅線寬度為60 m,機(jī)動(dòng)車道為雙向六車道.港務(wù)大道總長度為5.6 km,南端連接新筑立交橋,北端連接秦漢大道.港興路以北200 m至秦漢大道段現(xiàn)狀機(jī)動(dòng)車道為水泥混凝土路面,具體結(jié)構(gòu)為

24 cm的C30水泥混凝土;25 cm的二灰碎石(m(石灰)∶m(粉煤灰)∶m(級(jí)配碎石)=8∶17∶75 );30 cm的灰土(V(石灰)∶V(粘土)=1∶6);壓實(shí)路床(重型壓實(shí));總厚度為79 cm.

通過對(duì)西安國際港務(wù)區(qū)港務(wù)大道路面損壞狀況、接縫傳荷能力、板底脫空狀況及舊混凝土路面結(jié)構(gòu)參數(shù)的檢測和調(diào)查,西安國際港務(wù)區(qū)港務(wù)大道局部路段路面裂縫和板塊斷裂較多,個(gè)別路段接縫料損失較嚴(yán)重.從現(xiàn)場調(diào)查和檢測也可以看出,路面裂縫、板塊斷裂、接縫料損失是西安國際港務(wù)區(qū)港務(wù)大道既有水泥混凝土路面的主要問題.

2.2加鋪層設(shè)計(jì)

針對(duì)西安市港務(wù)區(qū)港務(wù)大道具體情況,綜合考慮上述研究成果以及國內(nèi)各種設(shè)計(jì)方法的經(jīng)驗(yàn),取瀝青加鋪路面結(jié)構(gòu)組合如下:

上面層為4 cm的SBS改性瀝青混凝土(AC-13);粘層油用量為0.3 kg/m2;下面層為6 cm中粒式瀝青混凝土(AC-20);1 cm橡膠應(yīng)力吸收層S12,用量為1.4 kg/m2;1 cm橡膠應(yīng)力吸收層S9,用量為2.2 kg/m2;鋪設(shè)一層防裂帖;基層為病害處理后現(xiàn)狀砼面板.總厚度10 cm,瀝青面層壓實(shí)度≥96%(以馬歇爾試驗(yàn)密度為標(biāo)準(zhǔn)密度).

瀝青原材料分為瀝青、粗集料、細(xì)集料及填料,為了保證瀝青加鋪層的使用性能和耐久性必須嚴(yán)控原材料質(zhì)量,并做好瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì).

2.3后期跟蹤

于港務(wù)大道改造完成6個(gè)月后分別對(duì)改造后瀝青路面平整度、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度、彎沉進(jìn)行觀測,觀測結(jié)果分見表4～表7.

表4 平整度檢測結(jié)果匯總Table 4 Summary of flatness detection results

表5 滲水系數(shù)檢測結(jié)果匯總Table 5 Summary of test results of seepage coefficient mL/min

表6 構(gòu)造深度檢測結(jié)果匯總Table 6 Summary of the results of structural depth detection mm

表7 彎沉檢測結(jié)果匯總Table 7 Summary of results of flexure detection μm

由表4～表7得出,港務(wù)大道舊水泥混凝土瀝青加鋪層改造后瀝青路面平整度、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度、彎沉均符合規(guī)范相關(guān)要求.綜上所述,港務(wù)大道舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層改造最終取得了良好效果,證明了西安市港務(wù)區(qū)港務(wù)大道舊水泥混凝土瀝青加鋪改造方案和施工技術(shù)的可行性,同時(shí)可為其他舊路改建項(xiàng)目提供良好的參考價(jià)值和意義.

3 結(jié) 論

通過舊水泥混凝土瀝青加鋪層厚度、瀝青彈性模量等因素對(duì)受力效果影響的研究,提出了瀝青加鋪層合理設(shè)計(jì)參數(shù)范圍,并在港務(wù)大道舊水泥混凝土路面改造中進(jìn)行了應(yīng)用.研究表明:

(1) 舊水泥混凝土瀝青加鋪層厚度的增加會(huì)減小接縫處瀝青加鋪層層底載荷應(yīng)力及彎沉差值,防止和延緩反射裂縫最優(yōu)的加鋪層厚度范圍為10～14 cm;

(2) 瀝青混凝土模量的增加在一定程度上可以增大瀝青面層的應(yīng)力,同時(shí)會(huì)減小彎沉差值;

(3) 對(duì)港務(wù)大道舊水泥混凝土瀝青加鋪層改造后,瀝青路面平整度、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度、彎沉等后期跟蹤數(shù)據(jù)均符合規(guī)范相關(guān)要求.說明西安市港務(wù)區(qū)港務(wù)大道舊水泥混凝土瀝青加鋪改造方案和施工技術(shù)的可行性,可為其他舊路改建項(xiàng)目提供良好的參考價(jià)值.

[ 1 ] 鄭木蓮,王松根, 陳拴發(fā),等. 耐久性瀝青路面混凝土基層溫度應(yīng)力分析[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009, 37(3):327-332. (ZHENG M L,WANG S G,CHEN S F,et al. Thermal stress analysis of concrete base of durable asphalt pavement[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2009,37(3):327-332.)

[ 2 ] 趙茂才,張懷志,高偉,等. 舊水泥混凝土路面錯(cuò)臺(tái)對(duì)瀝青加鋪層產(chǎn)生反射裂縫的影響分析[J]. 公路交通科技, 2008,25(3):8-12. (ZHAO M C,ZHANG H Z,GAO W,et al. Analysis on reflection crack of faulting in AC overlay over deteriorated concrete pavement[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2008,25(3):8-12.)

[ 3 ] 李金平,章金釗,盛煜. 凍土區(qū)水泥和瀝青路面病害分布規(guī)律探討[J]. 公路交通科技, 2010,27(7):18-24. (LI J P,ZHANG J Z,SHENG Y. Study on distribution patterns of distresses in cement concrete pavement and asphalt pavement in permafrost regions[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2010,27(7):18-24.)

[ 4 ] 楊海平. 舊混凝土路面瀝青混凝土加鋪層結(jié)構(gòu)研究及應(yīng)用[D]. 重慶:重慶交通大學(xué), 2008. (YANG H P. Research and application of asphalt concrete overlay structure of old concrete pavement[D]. Chongqing: Chongqing Jiaotong University, 2008.)

[ 5 ] RABAIOTTI C,AMSTAD M,SCHNYDER M. Pavement rehabilitation of runway 14/32 at Zurich International Airport: service life prediction based on updated incremental damage approach[C]. Airfield & Highway Pavement Conference, 2013:607-623.

[ 6 ] 姚新宇,周勝波,朱云升. 舊水泥混凝土路面瀝青混凝土罩面層混合料變異性分析[J]. 公路, 2016(7):19-24. (YAO X Y,ZHOU S B,ZHU Y S. Analysis on variation of asphalt concrete overlay of old cement concrete pavement[J]. Highway, 2016(7):19-24.)

[ 7 ] JIANG R,ZHU B,TIAN M,et al. Pavement structure mechanics response of flexible on semi-flexible overlay that based on the old cement concrete pavement damage[C]. MATEC Web of Conferences, 2015.

[ 8 ] 單景松,郭忠印. 舊水泥路面瀝青加鋪改造中彎沉指標(biāo)研究[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2011,39(4):540-545. (SAN J S,GUO Z Y. Study on deflection index of asphalt pavement of old cement pavement[J]. Journal of Tongji University(Natural Science), 2011,39(4):540-545.)

[ 9 ] 李鵬程,何文正. 舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層應(yīng)力影響因素分析[J]. 公路交通技術(shù), 2014(4):19-23. (LI P C,HE W Z. Analysis on influence factors of asphalt overlay on old cement concrete pavement[J]. Technology of Highway and Transport, 2014(4):19-23.)

[10] 董武斌. 應(yīng)力吸收層在成都市一環(huán)路舊水泥混凝土路面改造中的應(yīng)用[J]. 公路交通技術(shù), 2005(2):54-56. (DONG W B. Application of stress absorbing layer in reconstruction of old cement concrete pavement in Chengdu ring road[J]. Technology of Highway and Transport, 2005(2):54-56,72.)

AsphaltOverlayonOldCementConcretePavement

RenXintao1,2

(1. Xi’an International Port Municipal Supporting Company, Xi’an 710026, China; 2. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In order to solve the problem of reflection crack of asphalt overlay on old cement concrete pavement, the asphalt overlay model was established with finite element analysis software to research how the thickness of asphalt overlay and the elastic modulus of the overlay affect the stress state of the overlay and the deflection difference, which can provide theoretical basis for pavement structure design. Based on the old cement concrete pavement reconstruction project of Gangwu Road in Xi’an International Trade and Logistics Park, the design of asphalt overlay is carried out and the operation effect is followed. The results show that the research results of this paper can effectively restrain the reflective cracks, and provide a reference for future maintenance and rebuilding of old cement concrete pavement concrete construction scheme.

old cement concrete pavement; asphalt overlay; reflection crack; thickness; elastic modulus

U 416.21

: A

【責(zé)任編輯:趙炬】

2017-03-22

國家西部交通建設(shè)科技資助項(xiàng)目(2009319812050).

任新濤(1983-),男,陜西咸陽人,西安國際陸港市政配套有限公司工程師,長安大學(xué)碩士研究生.

2095-5456(2017)04-0330-05