瀝青混凝土加鋪層中摻加砂層抑制反射裂縫的研究

鄭云天

摘要：文章采用三維有限元模型，對(duì)瀝青混凝土加鋪層中摻加砂層來控制反射裂縫的效果進(jìn)行了研究和評(píng)價(jià)。在有限元模型中引入了內(nèi)聚力區(qū)域模型來描述瀝青混凝土加鋪層在移動(dòng)車荷載作用下的斷裂現(xiàn)象，采用不同大小的荷載條件來確定瀝青混凝土加鋪層對(duì)反射裂縫的抵抗能力。研究結(jié)果表明：摻加砂層會(huì)使瀝青混凝土加鋪層具有更高的斷裂能，即增強(qiáng)了瀝青混凝土加鋪層的抗斷裂能力，延長了道路的使用壽命。同時(shí)，隨著接縫式混凝土路面承載力的增加，混合砂層的性能逐漸降低。

關(guān)鍵詞：瀝青混凝土加鋪層;砂層;反射裂縫;數(shù)值模擬

0 引言

修復(fù)路面是為了能夠恢復(fù)路面已經(jīng)退化和損壞的結(jié)構(gòu)或者功能。傳統(tǒng)的路面修復(fù)一般包括修復(fù)、回收、重鋪和重建，需要根據(jù)已破壞路面的類型和實(shí)際狀況來選擇合適的修復(fù)方法。對(duì)于中等程度侵蝕破壞的普通混凝土（PCC）路面，目前公認(rèn)的可行且有效的方法是采用較薄的瀝青混凝土層（AC）進(jìn)行路面重鋪。瀝青混凝土加鋪層一般用在特殊時(shí)期，主要為了在交通量很大的情況下保證路面的安全。但是，當(dāng)瀝青混凝土加鋪層鋪在接縫式混凝土路面（JCP）或有裂縫的路面上時(shí)，由于附近應(yīng)力不連續(xù)的變化，在瀝青混凝土加鋪層鋪下之后很快就使路面產(chǎn)生反射裂縫。為了控制反射裂縫的產(chǎn)生，在瀝青混凝土加鋪層中采用了多種補(bǔ)救措施，其中包括在路面和熱拌瀝青混合料（HMA）覆蓋層之間鋪設(shè)薄層、對(duì)混凝土路面進(jìn)行涂膠處理、密封裂開的混凝土路面和增加瀝青混凝土鋪設(shè)厚度等。在這些技術(shù)中，根據(jù)不同路面的特點(diǎn)進(jìn)而合理地選擇夾層體系可以有效地控制反射裂縫的產(chǎn)生。夾層主要由軟、較軟和較硬的材料組成，可以不同程度地吸收應(yīng)力。同時(shí)，增加熱拌瀝青混合料加鋪層的厚度可以抵抗裂縫的擴(kuò)展，并且這些夾層體系的功能取決于夾層的類型、鋪裝方法以及路面和瀝青混凝土加鋪層的特性。

到目前為止，瀝青混凝土加鋪層在真實(shí)交通荷載作用下的斷裂現(xiàn)象還沒有被廣泛研究。本文基于斷裂力學(xué)的三維有限元模型來研究瀝青混凝土加鋪層的斷裂現(xiàn)象，其中，采用內(nèi)聚力區(qū)域模型（CZM）來模擬瀝青混凝土路面的斷裂全過程。以此了解道路在移動(dòng)交通荷載作用下引起的反射裂縫機(jī)制。

1 研究目標(biāo)與方法

本研究利用有限元模型對(duì)砂層影響道路反射裂縫的機(jī)制進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，并建立了瀝青混凝土加鋪層和接縫式混凝土路面的三維有限元模型。在有限元模型中引入了雙線性內(nèi)聚力區(qū)域模型（CZM）來描述瀝青混凝土加鋪層的斷裂現(xiàn)象，并利用雙線性內(nèi)聚力模擬了反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展過程;將移動(dòng)荷載作用在接縫處，使反射裂縫得以擴(kuò)展;為了使反射裂縫產(chǎn)生不同程度的發(fā)展，采用多次和不同級(jí)別的荷載作用，最后研究了不同條件下砂層對(duì)反射裂縫的控制作用。

2 三維有限元法模擬

2.1 幾何與邊界條件

建立接縫式混凝土路面上覆蓋瀝青混凝土的三維有限元模型，其中路基面層厚257 mm，由57 mm厚的瀝青混凝土加鋪層和200 mm厚的混凝土板組成;混凝土板的橫向接縫寬6.4 mm，道路基層厚150 mm，墊層厚900 mm。瀝青混凝土加鋪層由29 mm厚的粘結(jié)找平層和28 mm厚的磨損層組成?；炷涟宓拈L度為6.0 m，寬度為3.6 m。每個(gè)混凝土板距離中心呈幾何對(duì)稱。因此，選擇混凝土板面積的1/4作為實(shí)際路面的簡化模型。兩個(gè)混凝土板的三個(gè)面的邊界條件均假定為對(duì)稱。為了減小應(yīng)力波在邊界處的反射，在遠(yuǎn)離應(yīng)力場的位置模擬出無數(shù)個(gè)小單元。在瀝青混凝土加鋪層上以8 km/h的速度施加80 kN的單軸車輛荷載;荷載距離接縫處600 mm。兩個(gè)輪胎的總壓力面積為338.8 cm2，施加在路面的垂直壓強(qiáng)平均約為0.7 MPa。除了連續(xù)的單元外，在可能產(chǎn)生反射裂縫的瀝青混凝土覆蓋層中還插入了內(nèi)聚單元，圖1表明了內(nèi)聚單元的位置。實(shí)際上，由雙線性內(nèi)聚力模型控制的內(nèi)聚單元通過將熱拌瀝青混合料覆蓋的兩個(gè)部分連接起來。由于粘結(jié)單元在法線方向上的厚度為0，所以即使插入了內(nèi)聚單元，路面模型的初始幾何形狀依然是不變的。接縫式混凝土路面覆蓋瀝青混凝土模型的幾何形狀和粘結(jié)單元的位置如圖1所示。

2.2 材料特性

在瀝青混凝土加鋪層模型中，瀝青混凝土是控制路面反射裂縫擴(kuò)展的關(guān)鍵材料。通過在-10 ℃下進(jìn)行的動(dòng)態(tài)模量和圓盤狀壓實(shí)拉伸試驗(yàn)（DCT）獲得了瀝青混凝土的延展性能和斷裂性能。根據(jù)模量試驗(yàn)結(jié)果，得到了瞬時(shí)楊格系數(shù)（E0）、泊松比（μ）、無量綱剪切模量（gi）和體積松弛模量（ki），以及相應(yīng)的弛豫時(shí)間（τi）;從壓實(shí)拉伸試驗(yàn)中得到的斷裂能（Γc）和抗拉強(qiáng)度（Γo）等數(shù)據(jù)用于建立雙線性內(nèi)聚力模型。

2.3 混合砂夾層

為提高瀝青混凝土的抗裂性能，在磨耗層和接縫式混凝土路面層之間設(shè)置了混合砂夾層。與傳統(tǒng)的粘結(jié)找平層相比，混合砂夾層由更細(xì)的級(jí)配骨料和高聚合的瀝青粘合劑組成。其中混合砂夾層和粘結(jié)找平層的最大骨料粒徑分別為4.75 mm和9.5 mm?；旌仙皧A層中含有8.6%未改性的PG76-28瀝青粘結(jié)劑;粘結(jié)找平層中含有5.6%未改性的PG62-22瀝青粘合劑?；旌仙皧A層的松弛模量比粘結(jié)找平層高約20%。粘結(jié)找平層在-10 ℃時(shí)的斷裂能為274 J/m2，混合砂夾層的斷裂能為593 J/m2，約為粘結(jié)找平層斷裂能的2倍。在本研究中，加砂和不加砂的瀝青混凝土加鋪層分別為設(shè)計(jì)A和設(shè)計(jì)B。

3 混合砂夾層的有效性

3.1 瀝青混凝土加鋪層斷裂面積的量化

在本次研究中，引入標(biāo)準(zhǔn)軸荷載，荷載的取值范圍為0～15 P80（P80為標(biāo)準(zhǔn)荷載80 kN）。所有的實(shí)驗(yàn)組都保證荷載具有相同的加載速度和接觸面積。當(dāng)整個(gè)加鋪層截面出現(xiàn)反射裂縫的宏觀裂縫時(shí)，便可以確定該材料所能承受的極限荷載。因此，試驗(yàn)得到的極限載荷大小可以表示為瀝青混凝土加鋪層承受反射裂縫的能力。此時(shí)，利用前人研究中提出的典型斷裂面積（RFA）來量化瀝青混凝土加鋪層的斷裂程度。典型斷裂面積是特定區(qū)域內(nèi)內(nèi)聚單元?jiǎng)偠韧嘶钠骄?，其范圍?（無裂紋）到1.0（宏觀裂紋）。

圖2表示了設(shè)計(jì)A中典型斷裂面積和標(biāo)準(zhǔn)軸荷載之間的關(guān)系。從圖2可以看出，設(shè)計(jì)A的典型斷裂面積從2P80才開始顯著增加，然后開始從3P80處的0.08快速增加到8P80處的0.85，然后緩慢收斂到15P80的1.0。最終可以利用實(shí)測值和模擬值擬合的曲線來估算出設(shè)計(jì)A在一定負(fù)載下對(duì)應(yīng)的典型斷裂面積。

3.2 宏觀裂紋和微觀裂縫擴(kuò)展

隨著反射裂縫的擴(kuò)展，微觀裂縫和宏觀裂縫會(huì)同時(shí)存在于瀝青混凝土加鋪層中。對(duì)于已經(jīng)斷裂的區(qū)域，宏觀裂縫只存在于內(nèi)聚單元中。對(duì)于試驗(yàn)設(shè)計(jì)的A和B，在圖3中比較了全覆蓋層、磨耗層和粘結(jié)找平層中微觀裂縫和宏觀裂縫的斷裂面積。宏觀裂縫在A設(shè)計(jì)中的8P80處出現(xiàn)，在B設(shè)計(jì)的10P80處出現(xiàn)，這些宏觀裂縫同樣出現(xiàn)在磨耗層和粘結(jié)找平層中。在設(shè)計(jì)A中，磨耗層和粘結(jié)找平層的宏觀裂縫占總裂縫面積的50%以上;在設(shè)計(jì)B中，磨耗層的宏觀裂縫占總裂縫面積的50%以上，而粘結(jié)找平層中的宏觀裂紋占總裂紋面積的50%以下。這意味著混合砂層結(jié)構(gòu)使道路減少了15.7%的微觀裂縫，而總裂縫面積的差異僅為1.2%。因此，混合砂層可以很好地降低宏觀裂縫和反射裂縫的出現(xiàn)。設(shè)計(jì)A、設(shè)計(jì)B的微觀和宏觀裂縫百分比如圖3所示。

3.3 承載力效應(yīng)

研究了設(shè)計(jì)B中反射裂縫擴(kuò)展對(duì)接縫式混凝土路面承載力的影響。設(shè)計(jì)B中共引入三組荷載試驗(yàn)，分別為：（1）EBA為75 MPa，ESB為35 MPa;（2）EBA為300 MPa，ESB為140 MPa;（3）EBA為600 MPa，ESB為280 MPa。后頁圖4比較了設(shè)計(jì)A和設(shè)計(jì)B中接縫式混凝土路面的基底彈性模量和反射抗裂系數(shù)Φr的關(guān)系。從圖4可以看出：設(shè)計(jì)A和設(shè)計(jì)B的基底彈性模量和反射抗裂系數(shù)呈正相關(guān)且設(shè)計(jì)A的關(guān)系曲線斜率高于設(shè)計(jì)B;在基底彈性模量為600 MPa時(shí)，兩者的反射抗裂系數(shù)均接近1.28。由此可以推斷出接縫式混凝土路面的承載能力較低，加入混合砂后會(huì)具有更好的性能，但反射裂縫對(duì)使用壽命的提高并不顯著。

4 結(jié)語

本研究建立了瀝青混凝土加鋪層的三維有限元模型，探討了在不同的荷載試驗(yàn)條件下，在模型中加入砂層對(duì)反射裂縫性能的影響大小，并進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析。結(jié)果表明：混合砂層是控制道路產(chǎn)生反射裂縫的有效方法之一，且由于混合砂層的斷裂能較高，延長了道路的使用壽命。同時(shí)，隨著接縫式混凝土路面承載力的增加，混合砂層的性能逐漸降低。由于砂料具有較高的斷裂能，因此在瀝青混凝土加鋪層的磨耗層中產(chǎn)生了宏觀的反射裂縫，即所謂的突變裂縫，而且它可以防止?jié)駳鉂B透到下墊層，同時(shí)能減少基層材料的損失。因此，突變裂縫的產(chǎn)生對(duì)瀝青混凝土加鋪層的性能起著至關(guān)重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]安蘇龍.水泥混凝土路面加鋪瀝青混凝土裂縫處理方法比較[J].建材技術(shù)與應(yīng)用，2020（2）：1-3.

[2]孫紅軍，謝曉杰，王永貴.基于ANSYS的舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層應(yīng)力狀態(tài)研究[J].公路工程，2020，45（1）：173-177，211.

[3]王 波，楊 波.水泥混凝土路面加鋪瀝青面層反射裂縫防治技術(shù)研究[J].建材與裝飾，2020（2）：267-268.

[4]陳耀華.高速公路加鋪瀝青混凝土路面工程技術(shù)創(chuàng)新探討[J].西部交通科技，2019（11）：16-18，23.

[5]李 斌.二級(jí)公路混凝土路面加鋪瀝青混凝土面層參數(shù)設(shè)計(jì)分析[J].西部交通科技，2019（10）：13-15，31.