白改黑水泥路面加強(qiáng)鋼絲防裂夾層的力學(xué)性能研究

伍昕茹，諶河水

（1.江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西南昌 330209；2.江西華道工程技術(shù)有限公司，江西南昌 330003）

0 引言

反射裂縫是白改黑水泥路面不可避免的常見病害，它的存在使白改黑水泥路面的路用性能和使用壽命大打折扣，隨之而來的養(yǎng)護(hù)費(fèi)用也相應(yīng)增加。目前，常見的處理方法總體上可分為三大類：一是改變?yōu)r青混凝土加鋪層的材料性能或加鋪厚度；二是對舊水泥混凝土路面進(jìn)行處治，如對舊水泥面板加固或進(jìn)行碎石化處理；三是設(shè)置防裂夾層，如在水泥混凝土面板與瀝青之間設(shè)置鍍鋅鋼絲網(wǎng)、土工布或者土工格柵等。

近年來，越來越多的學(xué)者開始對反射裂縫的力學(xué)分析開展研究，同濟(jì)大學(xué)于寶明[1]應(yīng)用有限元半解法，探討了橡膠瀝青加鋪層的合理布置方式，同時分析了影響反射裂縫的各種因素。胡長順、王秉綱[2]總結(jié)了6種CC+AC復(fù)合式路面反射裂縫防治措施。胡長順、曹東偉等[3]研究了土工織物防治反射裂縫的效果和特點。Vanelstraete.A等人[4]基于三維有限元模型模擬了布置鋼絲網(wǎng)防裂結(jié)構(gòu)的瀝青加鋪層在溫度和行車荷載作用下的應(yīng)力分布。

本文依托昌九高速公路共青南至工業(yè)園區(qū)連接線工程為研究對象，該工程原有路面為水泥混凝土路面，為雙向兩車道的市政道路，原有水泥路面無破碎、下沉等現(xiàn)象，路基未發(fā)生明顯沉降，水泥板縱縫完全斷開，橫縫深度6cm，橫向板之間未完全斷開。采用加鋪4cm厚細(xì)粒式瀝青混凝土和6cm厚中粒式混凝土的改造方案。本項目采用的瀝青為石油瀝青，路面的上面層采用70號A級瀝青，路面的下面層采用50號A級瀝青，70號瀝青針入度要求6～8mm，50號瀝青針入度要求4～6mm，針入度指數(shù)PI為-1.5～+1.0,10℃延度不小于15cm，石油瀝青溶解度不小于99.5%。瀝青混合料中的粗集料壓碎值不大于26%，堅固性不大于12%，瀝青混合料馬歇爾試驗穩(wěn)定度不小于5kN，瀝青混合料車轍試驗動穩(wěn)定度不小于2 800，瀝青混合料水穩(wěn)定性技術(shù)指標(biāo)浸水馬歇爾試驗殘留穩(wěn)定度不小于85%，凍融劈裂試驗殘留強(qiáng)度比不小于80%。中粒式瀝青混凝土與水泥路面之間加鋪鍍鋅鋼絲網(wǎng)。

本文研究了不同直徑鍍鋅鋼絲網(wǎng)在汽車荷載作用下的最大應(yīng)力和最大變形等力學(xué)性能，通過比較不同鋼絲網(wǎng)直徑，研究在不同鋼絲網(wǎng)直徑的工況下，鋼絲網(wǎng)直徑對路面強(qiáng)度和變形的影響，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析。鍍鋅鋼絲網(wǎng)和瀝青現(xiàn)場鋪設(shè)照片如圖1～2所示。

圖1 鋪設(shè)鍍鋅鋼絲網(wǎng)

圖2 鋪設(shè)瀝青混凝土

1 有限元研究方法

本文應(yīng)用有限元分析無鍍鋅鋼絲網(wǎng)、有鍍鋅鋼絲網(wǎng)（鋼絲網(wǎng)直徑分別為2mm、2.5mm、3mm）在氣溫20℃時的汽車荷載作用下所能承受的最大應(yīng)力和最大變形四種工況。汽車荷載輪胎橫向間距為1.8m，縱向間距分別為3.0m和1.4m，對稱布置于水泥混凝土板上，幾何模型在DesignModeler中建立，因模型具備對稱特征，建立1/2模型，施加對稱邊界條件。鋼絲網(wǎng)路面分為五層，從底向上分別為路基、水泥穩(wěn)定碎石、水泥混凝土板、鍍鋅鋼絲網(wǎng)、瀝青混凝土面層，路面結(jié)構(gòu)計算參數(shù)如表1所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)計算參數(shù)

2 計算結(jié)果分析

對路面結(jié)構(gòu)采用中等密度網(wǎng)格尺寸，網(wǎng)格全部采用六面體網(wǎng)格，分別對無鍍鋅鋼絲網(wǎng)、有鍍鋅鋼絲網(wǎng)（直徑分別為2mm、2.5mm、3mm）四種工況進(jìn)行分析。路面結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分如圖3所示，鋼絲直徑建模如圖4所示。

鋼絲網(wǎng)與路面及瀝青采用邊-面綁定接觸，有鋼絲網(wǎng)路面共9 244對接觸，接觸設(shè)置如圖5所示；根據(jù)鋼絲網(wǎng)路面實際工作情況，需要的邊界及載荷如圖6所示。

通過有限元計算，在氣溫20℃時的汽車載荷作用下，路面強(qiáng)度結(jié)果如下：

（1）無鋼絲網(wǎng)時路面整體最大變形為1.866 8mm，最大應(yīng)力為1.489 8MPa，整體變形云圖和整體應(yīng)力云圖如圖7～8所示。

（2）鋼絲網(wǎng)直徑為2mm路面強(qiáng)度整體最大變形為1.4755mm，最大應(yīng)力為4.808 6MPa；整體變形云圖和整體應(yīng)力云圖如圖9～10所示。

（3）鋼絲網(wǎng)直徑為2.5mm路面強(qiáng)度整體最大變形為1.475 3mm，最大應(yīng)力為4.806 2MPa；整體變形云圖和整體應(yīng)力云圖如圖11～12所示。

（4）鋼絲網(wǎng)直徑為3mm路面強(qiáng)度整體最大變形為1.475mm，最大應(yīng)力為4.803 4MPa；整體變形云圖和整體應(yīng)力云圖如圖13～14所示。

3 結(jié)論

圖3 路面結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

圖4 鋼絲網(wǎng)直徑（隱藏一半瀝青觀察）

圖5 鋼絲網(wǎng)路面接觸

圖6 邊界及載荷設(shè)置

圖7 無鋼絲網(wǎng)變形云圖

圖8 無鋼絲網(wǎng)應(yīng)力云圖

本文分析了水泥混凝土路面在加鋪4cm厚細(xì)粒式瀝青混凝土和6cm厚中粒式瀝青混凝土的改造方案下，在無鍍鋅鋼絲網(wǎng)、有鍍鋅鋼絲網(wǎng)（鋼絲網(wǎng)直徑分別為2mm、2.5mm、3mm）四種工況下的汽車荷載作用計算結(jié)果，詳見表2。

圖9 有鋼絲網(wǎng)（直徑2mm）變形云圖

圖10 有鋼絲網(wǎng)（直徑2mm）應(yīng)力云圖

圖11 有鋼絲網(wǎng)（直徑2.5mm）變形云圖

圖12 有鋼絲網(wǎng)（直徑2.5mm）應(yīng)力云圖

圖13 有鋼絲網(wǎng)（直徑3mm）變形云圖

圖14 有鋼絲網(wǎng)（直徑3mm）應(yīng)力云圖

表2 不同工況下路面強(qiáng)度和變形

在相同溫度的汽車荷載作用下，從表2可以看出，有鍍鋅鋼絲網(wǎng)比無鍍鋅鋼絲網(wǎng)夾層的路面變形可減少21.3%；有鍍鋅鋼絲網(wǎng)比無鍍鋅鋼絲網(wǎng)夾層的路面強(qiáng)度增加了3.2倍；隨著鍍鋅鋼絲網(wǎng)直徑的增加，路面整體強(qiáng)度和變形變化不明顯。因此，在白改黑水泥路面改造過程中，增加鍍鋅鋼絲網(wǎng)夾層可以明顯增加路面結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度，有效降低路面結(jié)構(gòu)沉降。