混凝土路面加鋪瀝青面層的力學(xué)響應(yīng)分析和結(jié)構(gòu)組合研究

朱仕卿

（中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司）

1 引言

采用熱拌瀝青面層加鋪實(shí)現(xiàn)混凝土路面修復(fù)和提升，是一種技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的方法，可提高現(xiàn)有道路結(jié)構(gòu)承載能力、使用性能和行駛舒適性，降低路面胎噪。結(jié)合連云港市金海路改建項(xiàng)目，用有限元分析混凝土老路面加鋪瀝青時(shí)復(fù)合式面層的力學(xué)響應(yīng)，確定滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的面層厚度和結(jié)構(gòu)組合[1]。

2 面層類型

加鋪的瀝青面層承受車載、溫度和濕度等作用，容易提前衰變和損壞，影響道路使用品質(zhì)和壽命。結(jié)合本項(xiàng)目條件，對(duì)適用的瀝青混合料特點(diǎn)分析如下。

1）MA混合料

集料為間斷級(jí)配，粗集料、礦粉和瀝青用量多，細(xì)集料少。特點(diǎn)：高溫穩(wěn)定性較強(qiáng)；抗水損性能、抗滑性、耐久性良好；低溫抗裂性較好。

2）Superpave混合料

優(yōu)化了普通密級(jí)配瀝青混合料的礦料級(jí)配，設(shè)置級(jí)配控制點(diǎn)和禁區(qū)，空隙率小，高溫抗車轍、抗水損及抗疲勞性能較好，施工壓實(shí)難度略高。

3）AC混合料

粗型AC密級(jí)配瀝青混合料，采用平滑S型級(jí)配曲線，具有適當(dāng)空隙率，滲水性小，高溫穩(wěn)定性較好，表面有一定構(gòu)造深度。

4）混合料的選用

金海路位于商業(yè)人口密集的贛榆區(qū)中心，交通改造困難，不能中斷交通。SMA攤鋪受溫度影響大，難以解決短距離和人工攤鋪；Superpave對(duì)施工機(jī)械要求高，地區(qū)施工經(jīng)驗(yàn)不足，存在風(fēng)險(xiǎn)。

項(xiàng)目選用密級(jí)配改性瀝青混凝土AC混合料，施工技術(shù)成熟、可靠性高，具備高溫穩(wěn)定性好、透水性小、和易性好、可攤鋪薄層等特點(diǎn)。

3 加鋪面層厚度與力學(xué)響應(yīng)分析

3.1 荷載類型

單軸載雙輪組BZZ-100，考慮一定比例重載。

3.2 力學(xué)響應(yīng)分析

3.2.1 板底脫空的影響

混凝土面板斷裂破壞主要是板底脫空、板角懸臂受力，有限元分析車載作用下20cm厚單層板的最大應(yīng)力和板角撓度（見表1）。

未脫空板的應(yīng)力和撓度小，隨著脫空逐級(jí)增加，最大應(yīng)力由板底變化至板頂，板底出現(xiàn)壓應(yīng)力，板角撓度增幅明顯。所以要關(guān)注板角撓度產(chǎn)生后裂縫的發(fā)展、雨水下滲等導(dǎo)致脫空，路面板受力狀態(tài)改變而產(chǎn)生板頂拉應(yīng)力的情形，控制板角撓度。

表1 截面應(yīng)力和板角撓度

3.2.2 復(fù)合式面層受力特點(diǎn)和參數(shù)作用

評(píng)價(jià)動(dòng)載作用下復(fù)合式面層的受力特點(diǎn)和參數(shù)的影響，關(guān)系到瀝青面層使用性能、使用年限和材料選用。材料參數(shù)按規(guī)范初步取值，調(diào)整數(shù)值以測試力學(xué)響應(yīng)對(duì)參數(shù)的敏感性。

瀝青面層厚度在4cm～16cm范圍內(nèi)與最大拉應(yīng)力呈線性關(guān)系，厚度增加，拉應(yīng)力減?。缓穸却笥?0cm后減小不明顯，應(yīng)力曲線趨于相同。

混凝土面層厚度增加，最大拉應(yīng)力減小。18cm～30cm范圍內(nèi)厚度增加時(shí)，拉應(yīng)力減小較明顯，30cm～40cm范圍增加厚度不會(huì)顯著減小拉應(yīng)力。

瀝青混凝土模量增加，層底水平剪應(yīng)力增加，800MPa～1600MPa范圍剪應(yīng)力增幅稍大，1600MPa～2400MPa范圍增幅略小，最大剪應(yīng)力約14kPa。模量對(duì)彎沉差影響顯著，模量宜大于1200MPa。

水泥混凝土模量對(duì)彎沉差的影響與瀝青混凝土模量相似，但相關(guān)性偏弱。

對(duì)黏結(jié)良好的柔性面層與剛性基層的復(fù)合結(jié)構(gòu)，接縫位置面層易產(chǎn)生反射裂縫，力學(xué)響應(yīng)顯示瀝青層最大豎向剪應(yīng)力發(fā)生在板邊緣的瀝青層底，接縫區(qū)豎向剪應(yīng)力隨瀝青層模量增加線性增加。厚度10cm～16cm的瀝青面層，表面向下的剪應(yīng)力增加很快，某一深度達(dá)到最大值后逐漸減小。

3.2.3 各參數(shù)的力學(xué)響應(yīng)分析

為確定參數(shù)對(duì)不同設(shè)計(jì)指標(biāo)的影響程度，將參數(shù)按數(shù)值劃分區(qū)間，設(shè)代表點(diǎn)位A～E。參數(shù)范圍：瀝青混凝土模量EAC為800MPa～2400MPa，厚度HC為4cm～16cm，泊松比νAC為0.1～0.4；水泥混凝土模 量EC為10GPa～40GPa，厚 度HC為18cm～32cm，泊松比νC為0.05～0.3；地基當(dāng)量回彈模量Et為20MP～500MPa。

1）對(duì)瀝青層底拉應(yīng)力σb的影響

有限元分析不同參數(shù)下層底拉應(yīng)力曲線，假定層間接觸彈簧切向剛度因子為0.8，拉應(yīng)力峰值見表2。

①EC和νC增加會(huì)引起層底拉應(yīng)力增加。

②HC對(duì)控制層底拉應(yīng)力作用顯著，但超過30cm影響很小。

③不同HAC的拉應(yīng)力：12cm層底最大拉應(yīng)力1.19MPa，9cm層底最大拉應(yīng)力1.76MPa，前者低47.9%。

表2 σb峰值/MPa

2）對(duì)瀝青層表面拉應(yīng)力σt的影響

①EAC和νAC增加會(huì)引起表面拉應(yīng)力增加，EAC≥1600MPa時(shí)其對(duì)拉應(yīng)力影響較明顯，νAC對(duì)拉應(yīng)力影響顯著。

②增加HAC是控制表面拉應(yīng)力最有效因素，HC、EC影響較小；適宜的HAC應(yīng)大于10cm。

③為控制表面拉應(yīng)力，HAC宜＞10cm，EAC宜≤1600MPa，Et宜≥100MPa，合理控制νAC。

3）對(duì)瀝青層剪應(yīng)力的影響

車載作用下瀝青層底豎向剪應(yīng)力為水平剪應(yīng)力的5倍～10倍，不同參數(shù)的影響如下：

①HC=30cm是影響水平剪應(yīng)力的折點(diǎn)，其他因素變化對(duì)水平剪應(yīng)力的影響呈線性相關(guān)；

②豎向剪應(yīng)力影響因素大?。篍C、νC、HC。EAC、HAC和νAC影響相當(dāng)。

4）對(duì)彎沉差的影響

除水泥混凝土泊松比外，其他參數(shù)增加均有利于控制彎沉差；瀝青面層厚度和模量是控制彎沉差的關(guān)鍵因素。

3.3 結(jié)論

瀝青加鋪層厚以12cm為宜，可有效控制瀝青層底和表面拉應(yīng)力；水泥混凝土厚度宜為20cm～30cm。瀝青混凝土模量宜為1200MP～1600MPa，水泥混凝土模量不宜小于20GPa，地基當(dāng)量模量不宜小于100MPa。

4 加鋪面層的結(jié)構(gòu)組合

4.1 老路狀況

老路面為30cm道渣+34cm二灰碎石基層+20cm水泥混凝土面層，面層混凝土厚度偏薄。檢測顯示板頂彎沉＜20（0.01mm）的板塊約32.3%，彎沉＞20（0.01mm）的約67.7%，測試點(diǎn)彎沉偏大，應(yīng)注漿以消除脫空、降低路表彎沉和板角撓度。

4.2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

9cm瀝青加鋪層造價(jià)約170元/m2，12cm約205元/m2，加鋪面積202400m2，增加工程費(fèi)用708.4萬元，占道路工程費(fèi)用（17329萬元）的比例約4%，在可接受范圍內(nèi)。

金海路對(duì)路面表觀質(zhì)量和裂縫控制要求高，力學(xué)響應(yīng)顯示12cm加鋪層的層底拉應(yīng)力可降低47.9%，瀝青層厚4cm～16cm范圍內(nèi)拉應(yīng)力與層厚線性相關(guān)，厚度增加，層底/表面拉應(yīng)力減小。增加加鋪層厚度也可效控制彎沉差[2]。

因此，層厚增加的使用性能提升和經(jīng)濟(jì)效益明顯，推薦12cm瀝青加鋪層。

4.3 加鋪層結(jié)構(gòu)組合

由上至下依次為：

4cmAC-13C（SBS改性）；

8cmAC-20C（SBS改性）；

玻纖格柵；

0.8 cm改性瀝青封層；

AC-5瀝青混合料調(diào)平層（敷防水土工布）；

瀝青封縫；

20cm水泥混凝土面層（老路）；

36cm二灰碎石基層；

30cm道渣。

5 結(jié)語

項(xiàng)目交通導(dǎo)改困難，SMA和Superpave施工限制多、實(shí)施難度大，瀝青加鋪面層類型選用改性AC混合料，技術(shù)成熟、可靠性高。

老路混凝土厚度20cm，相比一般混凝土路面最小厚度22cm偏薄，混凝土厚度增加1cm相當(dāng)于瀝青路面厚度增加4cm。

9cm和12cm瀝青加鋪層的層底最大拉應(yīng)力分別為1.76MPa、1.19MPa，其中1.76MPa超容許值；12cm加鋪厚度更有利于控制表面拉應(yīng)力、剪應(yīng)力和彎沉差。

綜合改造條件、力學(xué)響應(yīng)、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，確定瀝青加鋪面層厚為12cm，類型為改性AC混合料并確定結(jié)構(gòu)組合。