基于水泥路面實測伸縮變形的加鋪層抗裂新方法

摘要：文章基于典型高速公路長期性能野外觀測站對路面縱向位移變形和溫度的觀測數(shù)據(jù)，提出了覆蓋鋼板、灌注水泥漿處治脹縫，縮縫頂部填筑環(huán)氧砂漿等三種水泥路面加鋪瀝青層抗裂新方法，通過ANSYS軟件建立路面系統(tǒng)力學模型，分析了該技術(shù)的可行性，并鋪設試驗路進行了驗證。分析結(jié)果和初步使用效果表明，該技術(shù)適用于年溫差不大的廣西等華南地區(qū)的舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層改造工程。

關(guān)鍵詞：水泥混凝土路面；處治接縫；加鋪瀝青層；防反射裂縫；有限元分析

中圖分類號：U418.6+6A040123

0 引言

隨著服役期增加，水泥混凝土路面和復合式路面的技術(shù)狀況逐漸劣化，需進行維修改造，而抑制原裂縫反射是設計的重點內(nèi)容。多年來，在舊水泥路面加鋪改造時，混凝土板縮縫處敷設土工布或鋪筑2～4 cm的“富油”細粒式瀝青混凝土應力吸收層是最常用的措施［1-2］，但僅能延緩接縫反射，而且造價較高；另外，水泥混凝土路面脹縫寬度通常達2～3 cm，縫中的脹縫板較軟、模量低，如果直接加鋪瀝青層或敷設土工布后再加鋪瀝青層，水泥面板接縫處瀝青加鋪層在行車荷載及環(huán)境溫度應力的作用下很快便會破碎。多年來該問題一直是水泥路面“白改黑”加鋪工程的技術(shù)難題，提高瀝青加鋪層抗裂性能是“白改黑”工程需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

本研究課題組在水泥路面鉆芯發(fā)現(xiàn)面板與基層粘結(jié)形成連續(xù)結(jié)構(gòu)，同時基于三江至柳州高速公路（以下簡稱三柳路）路基路面長期性能野外觀測站橫縫伸縮變形和板內(nèi)溫度觀測數(shù)據(jù)，建立有限元模型進行理論分析，提出了三種處治縮縫和脹縫新方法，并實施試驗路驗證。

1 水泥混凝土路面伸縮變形和結(jié)構(gòu)溫度

三柳路水泥混凝土路面長期性能觀測站位于廣西中部的柳城縣鳳山鎮(zhèn)附近。在距表面22.5 cm的縮縫處埋設4個裂縫計，在混凝土板不同深度埋設4個溫度傳感器，以0.5 h頻率連續(xù)采集數(shù)據(jù)。2017年8月至2018年8月記錄的伸縮變形和板內(nèi)溫度列于表1和表2。剔除表1的裂縫計3的異常值后，年最大伸縮變形平均值為0.71 mm，考慮85%保證率的代表值為0.85 mm。距表面15 cm的板中年最大溫差50.2 ℃（見表2）。

觀測站距柳州市氣象站（機場）約40 km，根據(jù)氣象站2013—2019年記錄氣溫資料，年最大溫差約35 ℃。

三柳路觀測板長5.0 m，現(xiàn)行國家行業(yè)規(guī)范（文獻［1］）建議石灰?guī)r碎石水泥混凝土的線膨脹系數(shù)為7×10-6，現(xiàn)行設計理論假設面板與基層光滑接觸，則1年周期內(nèi)路面縮縫變形最大值為1.58 mm，大于實測代表值0.85 mm。

2 復合式路面結(jié)構(gòu)特性及內(nèi)部溫度

2.1 水泥混凝土路面層間特性

水泥混凝土路面板與水穩(wěn)基層間通常設有瀝青混凝土夾層或瀝青下封層。近年來課題組在百色—隆林、三江—柳州、南寧—百色、都安—南寧等多條高速公路水泥混凝土路面鉆取芯樣，發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)芯樣與下層瀝青封層或瀝青混凝土夾層粘結(jié)緊密，需搖晃撬動才能取出。這表明水泥混凝土路面與基層形成了連續(xù)體系，與現(xiàn)行設計理論的滑動體系不相符。

板內(nèi)溫度改變時，與基層形成連續(xù)體系的水泥混凝土路面的熱脹冷縮會受到基層的約束，導致水泥混凝土面板的溫差伸縮量較小。

2.2 水泥路面系統(tǒng)溫差變形分析

采用三柳路路基路面長期性能觀測結(jié)果建立ANSYS模型，進一步論證廣西水泥路面板與基層連續(xù)接觸。三柳路面結(jié)構(gòu)為：30 cm水泥混凝土+3 cm瀝青混凝土夾層+38 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+18 cm級配碎石，縮縫間距4.5 m。路面溫度變形緩慢，結(jié)構(gòu)層的彈性模量取為靜模量，取現(xiàn)行規(guī)范［3］推薦值，水泥混凝土彈性模量為35 000 MPa，水穩(wěn)碎石為3 000 MPa，面板混凝土的線膨脹系數(shù)為7×10-6，采用有限元通用軟件ANSYS建模，分析水泥板升溫50.2 ℃的板端位移。假設各層間完全連續(xù)，路面系統(tǒng)顯然為平面應變模型，建立的力學模型見圖1，左端水平向位移為0，垂直向自由，右端自由。對面板施加升溫50.2 ℃；水穩(wěn)層和瀝青夾層由于結(jié)構(gòu)關(guān)于縮縫對稱，水平向位移受約束，不施加溫度荷載。模型溫升50.2 ℃后，計算的右端板頂水平位移為0.94 mm，距板頂22.5 cm處位移為0.55 mm，可見計算值與實測代表值0.85 mm相近，因此可認為廣西水泥路面系統(tǒng)為層間連續(xù)體系。

應該指出，水泥混凝土的線膨脹系數(shù)主要取決于碎石的巖性，三柳路混凝土路面采用石灰?guī)r碎石，線膨脹系數(shù)取7×10-6，有限元計算值與實測值接近。

2.3 復合式路面的板內(nèi)溫度

本研究的試驗路位于百色至隆林高速公路（以下簡稱百隆路），在田林縣城附近，為復合式路面，結(jié)構(gòu)從上至下為：5 cm瀝青路面（4 cm瀝青混凝土+1 cm同步碎石封層）+28 cm水泥混凝土路面+1 cm瀝青下封層+38 cm水泥穩(wěn)定碎石+18 cm級配碎石底基層，與三柳路觀測站的緯度基本相同，因此可認為二者的環(huán)境溫濕度基本相同。水泥路面系統(tǒng)的縱向溫度伸縮變形主要取決于板中的溫度。

根據(jù)胡長順、顧文鈞等［4-5］的分析，瀝青層加鋪層厚度≤4 cm時，板頂表面溫度高于純混凝土路面，瀝青層厚6～8 cm時板頂最高溫度與純混凝土相同；瀝青加鋪層會導致溫度場在混凝土板內(nèi)變化緩慢，即有瀝青層的水泥路面溫度梯度小于純水泥路面。加鋪瀝青層后改變了水泥混凝土溫度場，溫度梯度大大降低，翹曲應力減小，面板溫度疲勞壽命增長。

有瀝青層的復合式路面結(jié)構(gòu)的熱傳導性能與層狀體系瀝青路面相同，其內(nèi)部溫度分布與瀝青路面相似。本研究試驗路位于田林縣城附近，與三柳路觀測站的緯度相近，可認為二者的氣溫和太陽輻射能相近。美國LTPP報告［6］計算路面結(jié)構(gòu)溫度如下：

Tz（min）=-1.56+0.72Ta（min）-0.044Lat+6.26lg（Z+25）（1）

式中：Tz（min）——路面深Z處的最低溫度（℃）；

Ta（min）——最低氣溫（℃）；

Lat——緯度（°）；

Z——路面深度（mm）。

太陽輻射能與緯度有關(guān)，高緯度地區(qū)輻射能小于低緯度地區(qū)，式（1）包含緯度因子，因此已計入太陽能輻射影響。

百隆路田林試驗水泥路面混凝土板中距路表190 mm，緯度約24°，根據(jù)氣象資料，一般年份最低氣溫為3 ℃，根據(jù)式（1）計算出路面深度190 mm的最低溫度為14.2 ℃。

美國SHPR報告采用Huber模型計算路表最高溫度和深度Z處的最高溫度：

Ts（max）=Ta（max）-0.006 18Lat2+0.228 9Lat+24.4（2）

Tz（max）=（Ts（max）+17.78）（1-2.48×10-3Z+1.085×10-5Z2-2.441×10-8Z3）-17.78（3）

式中：Ts（max）——路表的最高溫度（℃）；

Ta（max）——最高氣溫（℃）；

Tz（max）——路面深Z處的最高溫度（℃）。

根據(jù)氣象資料，田林縣城一般年份最高氣溫為38 ℃，根據(jù)式（2）和（3）計算出路面深度190 mm的板中最高溫度為62.5 ℃。則百隆路試驗路混凝土路面板中1年周期的最大溫差為48.3 ℃。

3 處治水泥路面接縫的抗裂技術(shù)

3.1 縮縫處嵌入環(huán)氧砂漿塊

百隆路試驗路板中（距表面190 mm）年最大溫差48.3 ℃，板長4.5 m，根據(jù)三柳路觀測結(jié)果，綜合考慮板中溫度差異，推斷縮縫最大年伸縮變形為0.82 mm左右；另外，根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范，加鋪瀝青層后溫度梯度為原來的0.89倍，顯著降低水泥混凝土路面的溫度翹曲應力，進一步保障了“白加黑”復合式路面的耐久性。為此，考慮在縮縫頂部嵌入高強高韌環(huán)氧砂漿，以減小縮縫寬度，每道縮縫處治后形成無縫水泥路面，環(huán)氧砂漿抗壓強度≥50" MPa，深1 cm、寬1.5 cm左右。在其表面敷設抗裂貼后加鋪瀝青層，將會對舊路面縮縫反射起到極大抑制作用。嵌入環(huán)氧砂漿后，在施工初期，溫度降低時水泥路面的收縮變形會拉裂環(huán)氧砂漿界面，每側(cè)產(chǎn)生＜0.41 mm的縫寬；在正常試用期，路面系統(tǒng)縮縫處兩端年最大溫度收縮變形為0.41 mm×2=0.82 mm，每端縫寬≤0.41 mm?？s縫處治具體結(jié)構(gòu)見圖2。

3.2 脹縫處鋪設鋼板

水泥路面脹縫寬度一般為2～3 cm，是水泥路面系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)。在直接加鋪瀝青路面時，由于行車荷載作用，瀝青層底部會產(chǎn)生較大的拉應力，導致瀝青層拉裂或瀝青混合料嵌入脹縫而破壞。本研究考慮在脹縫處覆蓋鋼板，在鋼板表面鋪設抗裂貼，然后鋪筑瀝青層。根據(jù)前文分析，百隆路加鋪5 cm瀝青層后板中年最大溫差48.3 ℃。由此估算縮縫年最大伸縮量為0.82 mm。因此，需在鋼板一端預留1 mm寬的微小縫隙以吸收這一位移。詳細結(jié)構(gòu)見圖3。

該結(jié)構(gòu)消除了原水泥混凝土路面的脹縫。加鋪后，原脹縫處的瀝青層不會產(chǎn)生反射裂縫，從而徹底解決了復合式路面的裂縫反射難題。在鋼板一端預留1 mm的空隙，用于吸收混凝土路面伸縮。

3.3 灌注高強水泥漿填筑脹縫

我國行業(yè)水泥路面規(guī)范建議“脹縫條數(shù)應根據(jù)膨脹量大小確定”，但實踐中設計和施工單位保守地采用間距200～400 m設置一條脹縫。脹縫是水泥混凝土路面最薄弱的一環(huán)，行車作用下常發(fā)生啃邊甚至斷裂破壞。理論分析表明廣西水泥混凝土路面可不設脹縫［7］，如1996年前后在田東至百色二級公路67 km水泥混凝土路面工程中未設置脹縫，使用至今近30年未產(chǎn)生拱脹破壞。廣西夏季是路面施工的良好季節(jié)，因此年最大溫差一般≤20 ℃。

彭慶耀［8］的研究報告指出，1994—1996年施工的湖南G320水泥混凝土路面45 km無脹縫，至1999年路面無拱脹破壞。李國勝［9］也開展了長脹縫或無脹縫水泥路面結(jié)構(gòu)研究，實測1.6 km、14 km無脹縫水泥混凝土路面的縱向壓應力，遠小于混凝土抗壓強度（35 MPa左右），而且使用多年未產(chǎn)生拱脹失穩(wěn)破壞。

基于以上分析，本研究在百隆路剛?cè)釓秃鲜铰访婢S修工程中，采取取消脹縫的抗裂措施，即取出脹縫板、清除填縫料，然后灌注早強水泥漿，28 d抗壓強度≥50 MPa。待水泥漿硬化后敷設抗裂貼、加鋪5 cm瀝青加鋪層，結(jié)構(gòu)見圖4。

4 處治接縫的水泥路面系統(tǒng)變形和抗裂性能分析

影響瀝青加鋪層抗裂壽命的主要因素有車輛荷載應力、日溫變應力和年最大溫變應力，前文提出的三種接縫處治措施減小了接縫寬度，顯著降低加鋪層底部荷載應力，而對日溫差和年溫差應力無顯著影響。

4.1 路面系統(tǒng)變形分析

以百隆路復合式路面為例，分析處治接縫后的路面系統(tǒng)變形特性。橫向縮縫頂部填筑環(huán)氧砂漿、脹縫灌注水泥漿后，路面形成圖5所示的無縫水泥路面系統(tǒng)。

施工早期，硬化環(huán)氧砂漿與混凝土路面粘結(jié)。此時圖5中A-B、B-C界面與混凝土連續(xù)，但環(huán)氧砂漿塊與混凝土板的界面抗拉強度不高，路面整體溫度升降時在兩個界面開裂，形成有兩個微裂縫的路面系統(tǒng)，寬度≤0.41 mm。原水泥路面縮縫寬8 mm左右，降低至0.41 mm，表明鋪設抗裂貼后加鋪層的抗反射裂縫能力大幅提升。開放交通一段時間后在溫度升降和行車作用下，界面不斷磨合，微裂縫逐漸彌合穩(wěn)定。

4.2 脹縫處治前后的瀝青加鋪層荷載應力對比分析

采用ANSYS軟件分別建立縫寬25 mm、1 mm的瀝青加鋪層模型，計算標準軸載作用下的荷載應力。僅計算瀝青層底拉應力比值，力學模型采用平面應力模型。

縫隙寬1 mm時，與厚度和寬度相比，尺寸相差較大，其應力分布類似于裂紋，應力在瀝青層底集中，應采用裂縫尖端應力強度因子表征，但作為比對，采用距瀝青層底10 mm處的拉應力σx更合理。計算得出，縫寬25 mm時距瀝青層底10 mm處拉應力σx與縫寬1 mm時距瀝青層底10 mm處拉應力比值為1.47?？梢娒浛p處加鋪鋼板處治后，原寬度25 mm的脹縫變成寬度1 mm縫隙，極大地提升了抗反射裂縫能力。

應該指出，脹縫處鋪設鋼板處治技術(shù)已用于2019年的南寧西環(huán)水泥混凝土路面改造工程，瀝青加鋪層厚10 cm，2020年至今使用性能良好，無破損。

5 試驗路應用

本研究在2023年百隆路復合式路面行車道維修工程中實施試驗路，車道（行車道）長4.5 km，其中環(huán)氧砂漿處治0.6 km車道共約130道橫向縮縫，高強砂漿灌注舊脹縫1道，鋼板鋪蓋脹縫1道，于2023年8月完工通車，目前該路段的瀝青表層路況良好。

縮縫處治施工時，銑刨舊瀝青上面層后采用鋸縫機沿縮縫橫向擴縫至深1 cm、寬1.5 cm，同時清除舊填縫料，涂刷環(huán)氧樹脂調(diào)平縫槽底部后填筑高強高韌環(huán)氧砂漿。

脹縫鋪設鋼板處治施工時，在樁號K1358+734脹縫銑刨5 cm瀝青上面層，在行車道沿脹縫橫向銑刨混凝土至深1 cm、寬14 cm，打磨表面、用環(huán)氧砂漿整平，涂抹環(huán)氧樹脂，然后安裝預先加工好的鋼板。

脹縫灌注高強水泥漿處治施工時，在樁號K1358+176（下行）脹縫處銑刨瀝青上面層，切割取出舊脹縫板，深約5～7 cm，后澆筑高強水泥砂漿，抹平表面，砂漿28 d抗壓強度為50 MPa。

雖然試驗路試用期尚短，但根據(jù)前文分析可預見試驗路瀝青加鋪層具有優(yōu)良的抗裂能力。

6 結(jié)語

（1）廣西水泥混凝土路面板與水穩(wěn)基層粘結(jié)牢固，形成了連續(xù)體系，與現(xiàn)行水泥路面設計理論的滑動接觸假設不同。在廣西典型的連續(xù)體系水泥路面縮縫實測年最大溫度伸縮位移僅0.85 mm左右。根據(jù)這一特性，本文提出了三種處治舊水泥路接縫新方法，并實施了試驗路驗證。

（2）采用高強環(huán)氧砂漿處治縮縫，采用鋪蓋鋼板處治脹縫或脹縫處灌注高強水泥漿取消脹縫三種方案結(jié)合，形成了無縫水泥混凝土路面，瀝青加鋪層的抗裂能力可大幅提高。

參考文獻

［1］JTG D40-2011，公路水泥混凝土路面設計規(guī)范［S］.

［2］DBJT45/T 004-2019，舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層設計指南［S］.

［3］JTG D50-2006，公路瀝青路面設計規(guī)范［S］．

［4］胡長順，王秉綱.復合式路面設計原理與施工技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，1999.

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［6］孫立軍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論［M］.北京：人民交通出版社，2005.

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［9］李國勝.復合式路面溫度場分布于溫度應力分析［J］.公路，2006（11）：16-22.

基金項目：廣西交通投資集團有限公司科研項目“水泥混凝土薄層瀝青加鋪路面抗裂及抗滑能力耐久性保持綜合提升技術(shù)研究”（編號：桂交科合經(jīng)2022-0091）

作者簡介：廖江林（1978—），碩士，高級工程師，主要從事公路養(yǎng)護管理工作。