瀝青面層和層間處治措施對再生水穩(wěn)基層路面反射裂縫的影響分析

張業(yè)興，胡占紅，吳禹，郭昱濤，李世敏，張碩周

(1.北京建筑大學(xué) 未來城市設(shè)計(jì)高精尖創(chuàng)新中心，北京市 100044； 2.河南中原高速公路股份有限公司；3.河南省濮陽市公路管理局)

半剛性路面的維修過程會(huì)產(chǎn)生廢舊半剛性基層材料，可以通過添加水泥進(jìn)行再生利用。該技術(shù)能夠節(jié)省礦料資源，保護(hù)環(huán)境，具有重大的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。但再生水穩(wěn)基層由于廢舊材料細(xì)料多、吸水率高，易產(chǎn)生開裂等問題，引發(fā)瀝青層產(chǎn)生反射裂縫，因此，開展反射裂縫處治措施的相關(guān)研究迫在眉睫。

胡長順利用有限元方法分析了層間處治層對舊水泥路面上瀝青面層剪應(yīng)力和彎沉差的影響；周富杰通過觀測設(shè)置級(jí)配碎石處治層的試驗(yàn)路，發(fā)現(xiàn)設(shè)置級(jí)配碎石層后瀝青路面面層反射裂縫一定程度上有所減少；譚憶秋研究發(fā)現(xiàn)高黏瀝青混合料層間處治層抗疲勞、抗拉伸和彈性變形性能較好，可抑制瀝青面層的反射裂縫；張起森基于斷裂力學(xué)，利用平面有限元分析了土工加筋材料緩解路面反射裂縫的作用；Ali Khodaii等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土工合成材料有助于減輕瀝青層反射裂縫，從而延長瀝青層使用壽命。目前，在瀝青面層和基層之間設(shè)置處治層能夠較好地防治反射裂縫，層間處治的方式種類較多，每種層間處治措施都有其優(yōu)點(diǎn)和適用的條件。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對層間處治層防治反射裂縫有了一定研究，但未對不同層間處治措施對再生水穩(wěn)基層路面反射裂縫的影響做出深入對比和分析。因此，該文結(jié)合再生水穩(wěn)基層路面的實(shí)際情況，利用有限元軟件對不同道路參數(shù)(瀝青層厚度、模量等)和不同層間處治層(SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層、土工格柵和橡膠瀝青碎石層)下的再生水穩(wěn)碎石基層路面進(jìn)行抗反射裂縫性能定量定性對比和分析。

1 再生水穩(wěn)基層路面反射裂縫有限元分析

車輛荷載、溫度、濕度等外部因素以及路面結(jié)構(gòu)特性等內(nèi)部因素都會(huì)影響再生水穩(wěn)基層路面的性能。參考國內(nèi)外研究成果，在斷裂力學(xué)理論的支持下，有限元分析法已成為瀝青路面裂縫問題的有力數(shù)值分析方法，且綜合考慮荷載下路面各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)響應(yīng)，結(jié)合再生水穩(wěn)基層路面典型結(jié)構(gòu)，該文采用有限元軟件Abaqus建立模型分析瀝青面層厚度、模量以及層間處治層模量等因素對再生水穩(wěn)基層路面反射裂縫的影響，為再生水穩(wěn)基層路面抗裂能力的提升和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1.1 有限元模型的建立

1.1.1 回彈模量測定

依據(jù)JTG E51-2009《公路工程無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定材料試驗(yàn)規(guī)程》及初步研究數(shù)據(jù)，確定水泥摻量5%，最大干密度2.25 g/cm3，最佳含水率7.5%，整體摻配60%的水穩(wěn)基層舊料成型φ150 mm×150 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，養(yǎng)生7 d；回彈模量利用T0808-1994中的頂面法測定，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 再生水穩(wěn)基層7 d回彈模量

1.1.2 模型條件假設(shè)

為了使道路結(jié)構(gòu)模型更加便于實(shí)際分析與計(jì)算，并盡可能地符合實(shí)際路面受力情況，參考相關(guān)研究，對結(jié)構(gòu)模型提出如下假設(shè)：

(1) 各層為均勻、連續(xù)、各向同性的彈性體。

(2) 各層為均勻連續(xù)且無相對位移。

(3) 土基底部完全約束且側(cè)面無水平位移。

(4) 結(jié)構(gòu)自重忽略不計(jì)。

(5) 基層裂縫寬度為1 cm且無傳荷能力。

(6) 采用了擴(kuò)大尺寸地基以反映半空間體地基的特性。

1.1.3 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

(1) 再生水穩(wěn)基層路面結(jié)構(gòu)尺寸

根據(jù)已有成果將土基尺寸確定為13.01 m×10.5 m×9 m(長×寬×高)，基層及面層平面尺寸為10.01 m×4.5 m(長×寬)，厚度分別為36 cm和6～18 cm，如圖1所示。

圖1 再生水穩(wěn)基層路面結(jié)構(gòu)

(2) 主要計(jì)算參數(shù)

根據(jù)SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層、土工格柵和橡膠瀝青碎石層作層間處治層時(shí)的實(shí)際使用特點(diǎn)，結(jié)合相關(guān)室內(nèi)材料力學(xué)參數(shù)試驗(yàn)，確定其厚度和回彈模量，主要計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 路面結(jié)構(gòu)層主要計(jì)算參數(shù)

1.1.4 車輛荷載

車輛荷載采用BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)軸載，輪壓0.7 MPa，輪距1.82 m，將輪胎接觸面定為矩形(18.9 cm×18.9 cm)以便于分析，如圖2所示。行車荷載有兩種典型作用方式，分別為作用在裂縫兩側(cè)并相互對稱的正荷載(圖3)和僅作用在裂縫一側(cè)的偏荷載(圖4)。通過計(jì)算，偏荷載相比較于正荷載處于不利位置，因此僅對偏荷載作用下的情況進(jìn)行分析。

圖2 BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)車型(尺寸單位：cm)

圖3 正荷載

圖4 偏荷載

1.1.5 有限元模型建立

以X軸為行車方向建立三維8結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模型，如圖5所示。有限元模型網(wǎng)格越密集，求解越精確，但會(huì)帶來計(jì)算量和耗時(shí)的增加，因此僅對裂縫及行車荷載作用區(qū)域的網(wǎng)格作進(jìn)一步細(xì)化。

圖5 有限元模型

1.2 瀝青面層參數(shù)影響分析

分析在車輛荷載作用下，再生水穩(wěn)基層路面瀝青面層厚度和模量的變化對路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變(該文用彎沉表現(xiàn))的影響程度，為該路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1.2.1 面層厚度影響

將面層厚度設(shè)置為6～18 cm，定量分析再生水穩(wěn)基層路面瀝青層厚度與面層層底應(yīng)力、應(yīng)變的關(guān)系，結(jié)果見圖6、7。

圖6 瀝青面層厚度與面層底部應(yīng)力的關(guān)系

圖7 瀝青面層厚度與面層底部彎沉的關(guān)系

由圖6、7可知：面層厚度從6 cm增至10 cm時(shí)，最大剪應(yīng)力降低幅度為14.4%，最大彎拉應(yīng)力降幅為5%；面層厚度從14 cm提升到18 cm時(shí)，最大剪應(yīng)力降幅為5.3%，最大彎拉應(yīng)力降幅為1.8%；說明瀝青面層底部的最大剪應(yīng)力和最大彎拉應(yīng)力隨著面層厚度的增加不斷降低，但降幅越來越小，而裂縫兩側(cè)彎沉值基本呈線性下降趨勢。因此，僅通過增加瀝青面層厚度來抑制反射裂縫是不經(jīng)濟(jì)的，也是不科學(xué)的。

1.2.2 面層模量影響

瀝青路面的強(qiáng)度與模量隨溫度的變化而變化，加上行車作用，瀝青面層底部的應(yīng)力、應(yīng)變也會(huì)隨之改變，其與瀝青面層模量的關(guān)系如圖8、9所示。

圖8 瀝青面層模量與面層底部應(yīng)力的關(guān)系

圖9 瀝青面層模量與面層底部彎沉的關(guān)系

由圖8、9可見：在瀝青面層模量從600 MPa提升到2 200 MPa的過程中，瀝青面層底部的最大剪應(yīng)力和最大彎拉應(yīng)力均增大，而裂縫兩側(cè)的彎沉和彎沉差會(huì)隨之降低；說明面層模量的提升有助于降低瀝青層底部的彎沉，但同時(shí)會(huì)加大面層底部的應(yīng)力，所以應(yīng)合理選擇瀝青面層模量，避免過大或過小。

2 設(shè)置不同層間處治層的路面結(jié)構(gòu)有限元分析

用于防治半剛性基層路面反射裂縫的不同層間處治層各有其優(yōu)缺點(diǎn)，道路適用性也有所不同。分析層間處治層厚度、模量以及不同層間處治層對再生水穩(wěn)基層路面結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)力的影響，以找出有效抑制該路面反射裂縫的層間處治措施。

2.1 層間處治層厚度影響

瀝青面層底部的裂縫擴(kuò)展快慢與層間處治層的厚度有關(guān)，將層間處治層的厚度設(shè)置為1～8 cm，定量研究再生水穩(wěn)基層路面層間處治層厚度與層底應(yīng)力的關(guān)系，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

圖10 層間處治層厚度與面層底部應(yīng)力的關(guān)系

由圖10可知：隨著層間處治層厚度的不斷增加，瀝青層底部最大彎拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力分別降低了12.8%和4.8%，可見彎拉應(yīng)力的降低效果相對更為明顯；隨著層間處治層厚度的增加，面層底部最大彎拉應(yīng)力和最大剪切力減小幅度不斷降低，且厚度從1 cm增加到3 cm時(shí)，彎拉應(yīng)力和剪應(yīng)力的降低幅度較大。因此，層間處治層并不是越厚越好，應(yīng)綜合分析路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體要求以及工程經(jīng)濟(jì)性確定其厚度。

2.2 層間處治層模量影響

不同層間處治層模量下再生水穩(wěn)基層瀝青面層底部的應(yīng)力變化如圖11所示。

圖11 層間處治層模量與面層底部應(yīng)力的關(guān)系

由圖11可知：隨著層間處治層模量的增大，面層底部最大剪應(yīng)力和最大彎拉應(yīng)力均有所增加，因此層間處治層模量越小，瀝青面層底部的應(yīng)力也越小。

2.3 SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層影響

依據(jù)表2主要計(jì)算參數(shù)(取瀝青面層回彈模量值為1 200 MPa)，對設(shè)置SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層的路面和未設(shè)置層間處治層的路面進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖12所示。

由圖12可以看出：設(shè)置SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層與未設(shè)置層間處治層相比，瀝青面層底部彎拉應(yīng)力降低了27%，剪應(yīng)力降低了25.3%。這是因?yàn)榛鶎釉谄晌蛔饔孟聲?huì)發(fā)生錯(cuò)位，引起面層底部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，而處于基層和瀝青面層之間的SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層，依靠其較低的模量和較好的彈性變形能力，會(huì)緩解這種應(yīng)力集中現(xiàn)象以抑制反射裂縫。

圖12 是否設(shè)置SBS應(yīng)力吸收層對面層底部應(yīng)力的影響

2.4 土工格柵影響

依據(jù)表2主要計(jì)算參數(shù)，對設(shè)置土工格柵的路面和未設(shè)置層間處治層的路面進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖13所示。

圖13 是否設(shè)置土工格柵對面層底部應(yīng)力的影響

由圖13可知：設(shè)置土工格柵與未設(shè)置層間處治層相比，瀝青面層底部彎拉應(yīng)力降低了17.6%，剪應(yīng)力降低了3.5%，彎拉應(yīng)力的降低幅度大于剪應(yīng)力的降低幅度。這是由于土工格柵熱穩(wěn)定性好、抗拉模量較高，將再生水穩(wěn)基層和瀝青面層隔離，起到應(yīng)力吸收膜的作用；并且土工格柵足夠的強(qiáng)度和骨架的存在能起到擴(kuò)散應(yīng)力的作用，將裂縫處應(yīng)力轉(zhuǎn)向水平方向，削弱了裂縫尖端應(yīng)力，從而抑制反射裂縫。

2.5 橡膠瀝青碎石層影響

依據(jù)表2主要計(jì)算參數(shù)，對設(shè)置橡膠瀝青碎石層的路面和未設(shè)置層間處治層的路面進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖14所示。

由圖14可知：設(shè)置橡膠瀝青碎石層與未設(shè)置層間處治層相比，瀝青層底彎拉應(yīng)力降低了23.5%，剪應(yīng)力降低了7.8%，且彎拉應(yīng)力的降低幅度要大于剪應(yīng)力的降低幅度。這是因?yàn)橄鹉z瀝青碎石層憑借其空隙率大、模量低的特點(diǎn)，可以吸收并消散裂縫處的應(yīng)力和應(yīng)變，延緩反射裂縫的發(fā)展速度，從而起到抑制再生水穩(wěn)基層反射裂縫的效果。

圖14 是否設(shè)置橡膠瀝青碎石層對面層底部應(yīng)力的影響

2.6 3種層間處治措施對比分析

對比采用3種不同層間處治層時(shí)瀝青面層底部應(yīng)力的結(jié)果，如圖15所示。

圖15 不同層間處治層下面層底部的應(yīng)力值

由圖15可知：3種層間處治措施都不同程度降低了再生水穩(wěn)基層瀝青面層底部的應(yīng)力，且降低面層底部彎拉應(yīng)力效果均比降低剪切力的效果好；其中SBS瀝青混合料吸收層緩解瀝青面層底部應(yīng)力集中的效果最好，其次是橡膠瀝青碎石層，緩解應(yīng)力集中效果最差的是土工格柵。

3 結(jié)論

利用有限元軟件Abaqus分析計(jì)算了不同道路參數(shù)(瀝青層厚度、模量等)和不同層間處治層(橡膠瀝青碎石層、SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層和土工格柵)下的再生水穩(wěn)碎石基層路面瀝青面層底部的應(yīng)力狀態(tài)，得出結(jié)論如下：

(1) 在一定范圍內(nèi)，提升瀝青面層的厚度能有效減小面層底部的應(yīng)力，超過一定范圍效果降低，且僅通過加大瀝青層厚度來防治反射裂縫是不科學(xué)的；而面層模量的提升雖有助于降低瀝青層底部的彎沉，但同時(shí)會(huì)加大面層底部的應(yīng)力。

(2) 層間處治層厚度增加都能一定程度上緩解面層底部應(yīng)力集中現(xiàn)象，且厚度在3 cm以下時(shí)效果更為顯著；但其模量越小時(shí)，瀝青面層底部的應(yīng)力越小。

(3) SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層、土工格柵和橡膠瀝青碎石層都不同程度降低了再生水穩(wěn)基層瀝青面層底部的應(yīng)力，且降低面層底部彎拉應(yīng)力效果均比降低剪切力的效果好；其中SBS瀝青混合料應(yīng)力吸收層的效果最佳。