基于抗反射裂縫的“白加黑”路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能研究

摘要：為有效提升“白加黑”路面服務(wù)水平，文章針對(duì)其易在水泥板接縫處產(chǎn)生反射裂縫的痛難點(diǎn)，展開(kāi)“白加黑”路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究?；贏BAQUS軟件，建立了“白加黑”路面結(jié)構(gòu)的有限元模型，通過(guò)分析加鋪瀝青層厚度及模量參數(shù)對(duì)其層底薄弱點(diǎn)受力影響，優(yōu)化加鋪瀝青層的層厚設(shè)置及混合料類型選擇；通過(guò)數(shù)值模擬分析、抗疲勞性能試驗(yàn)等，對(duì)比研究了橡膠瀝青應(yīng)力吸收層、共振碎石化、土工布、OLSM-25抗裂層等抗反射裂縫措施的效果及經(jīng)濟(jì)性。結(jié)果表明：推薦“白加黑”路面瀝青加鋪層厚度為8～10 cm、彈性模量為1 000～1 200 MPa，在工程預(yù)算有限的情況下，抗反射裂縫措施建議采用共振碎石化或者橡膠瀝青應(yīng)力吸收層，在工程成本允許的情況下，可考慮采用共振碎石化+橡膠瀝青應(yīng)力吸收層結(jié)合的措施。

關(guān)鍵詞：“白加黑”路面結(jié)構(gòu)；ABAQUS；抗反射裂縫；疲勞開(kāi)裂

中圖分類號(hào)：U416.217

0 引言

“白加黑”改造技術(shù)，即在原水泥混凝土路面上加鋪瀝青混凝土面層，是一種常用的道路改造技術(shù)。該技術(shù)利用了水泥混凝土路面的高剛度和瀝青混凝土路面的高韌性，形成了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)，既能提高路面的平整性和舒適性，又能提高路面的耐久性和抗裂性，延長(zhǎng)路面的使用壽命。同時(shí)，該技術(shù)具有施工周期短、成本低、環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，適用于水泥路面的改造和維修［1］。

然而，“白加黑”改造技術(shù)也存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，主要是由于水泥混凝土路面和瀝青混凝土路面的物理性質(zhì)和力學(xué)性能的差異，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)在受到交通荷載的作用時(shí)，產(chǎn)生了不同的應(yīng)力和應(yīng)變，從而形成反射裂縫［2］。反射裂縫是指原水泥混凝土路面的板接縫或裂縫，通過(guò)瀝青層反射到路面表面，是“白加黑”路面結(jié)構(gòu)的主要病害之一。反射裂縫不僅影響路面的美觀和平整，而且會(huì)導(dǎo)致水分和雜質(zhì)滲入路面結(jié)構(gòu)，降低路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載能力，加速路面的老化和破壞，縮短路面的使用壽命［3］。

因此，如何優(yōu)化“白加黑”路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，減少反射裂縫的產(chǎn)生，提高路面結(jié)構(gòu)的性能，是“白加黑”改造技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。本文基于ABAQUS軟件，建立了“白加黑”路面結(jié)構(gòu)的有限元模型，分析了瀝青層厚度及模量參數(shù)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，并通過(guò)數(shù)值模擬不同抗反射裂縫措施，得出優(yōu)化的結(jié)構(gòu)參數(shù)組合及抗反射開(kāi)裂措施，以減少反射裂縫的產(chǎn)生，提高路面結(jié)構(gòu)的抗裂性能和承載能力。

1 “白加黑”路面結(jié)構(gòu)數(shù)值分析

1.1 ABAQUS有限元建模

1.1.1 模型尺寸及材料參數(shù)

采用ABAQUS軟件建立“白加黑”路面結(jié)構(gòu)模型，包括瀝青加鋪層、水泥混凝土層、級(jí)配碎石層和半無(wú)限基層，確定各結(jié)構(gòu)層的寬度、厚度、彈性模量、泊松比等參數(shù)，如表1所示。

為模擬荷載對(duì)“白加黑”路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)，特別是受力薄弱點(diǎn)——水泥板接縫及路面基層裂縫處，路面模型設(shè)置寬度為8 mm的裂縫，其深度設(shè)置貫穿整個(gè)基層與底基層，如圖1所示。

1.1.2 荷載作用位置

將車輪荷載等效成矩形均布荷載，等效矩形尺寸為19.2 cm×18.6 cm，等效荷載作用面積為353.22 cm2，雙輪間距為12.8 cm。采用BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)軸載，輪胎對(duì)地壓強(qiáng)為0.7 MPa［4］。如圖2所示。

考慮剪切應(yīng)力是導(dǎo)致瀝青加鋪層出現(xiàn)反射裂縫的主要原因，因此本文在接縫處施加偏荷載，偏荷載作用位置如圖3所示。

1.1.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)路面結(jié)構(gòu)模型采用局部加密網(wǎng)格劃分的方法，提升求解速度及準(zhǔn)確性，劃分結(jié)果如圖4所示。

1.2 加鋪層模量對(duì)層底力學(xué)響應(yīng)的影響分析

為研究加鋪層模量對(duì)瀝青面層層底力學(xué)響應(yīng)的影響，本文采用有限元軟件模擬“白加黑”路面中瀝青加鋪層的模量分別為600 MPa、800 MPa、1 000 MPa、1 200 MPa、1 400 MPa、1 600 MPa，“白加黑”路面應(yīng)力云圖如圖5所示。

加鋪層模量與層底接縫處應(yīng)力關(guān)系如圖6所示。

由圖5、圖6可知，瀝青層層底接縫處的應(yīng)力隨著加鋪層模量增加呈先下降后穩(wěn)定的趨勢(shì)。其中，加鋪層模量由600 MPa逐級(jí)增加到1 600 MPa，瀝青層層底接縫處的等效應(yīng)力分別降低了10.79%、7.25%、4.84%、3.23%、1.60%，層底接縫處最大剪應(yīng)力分別降低了12.71%、8.83%、6.50%、4.03%、2.45%，層底接縫處最大主應(yīng)力分別降低了1.47%、1.07%、0.96%、0.84%、0.68%。

加鋪層彈性模量達(dá)到1 200 MPa后，瀝青層層底接縫處等效應(yīng)力及最大剪應(yīng)力隨彈性模量增加而增幅變小，這是因?yàn)樵诮煌ê奢d一定的情況下，加鋪層彈性模量過(guò)大，不會(huì)對(duì)層底應(yīng)力產(chǎn)生更多的影響，因此瀝青層層底接縫處應(yīng)力變化呈現(xiàn)穩(wěn)定的趨勢(shì)。過(guò)度增加瀝青加鋪層的彈性模量只會(huì)造成施工成本的增加，并不會(huì)進(jìn)一步提升其性能，因此推薦將“白加黑”路面瀝青加鋪層彈性模量設(shè)置為1 000～1 200 MPa。

1.3 加鋪層厚度對(duì)層底力學(xué)響應(yīng)的影響分析

為研究加鋪層厚度對(duì)瀝青面層層底力學(xué)響應(yīng)的影響，瀝青加鋪層厚度分別設(shè)為6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、14 cm、16 cm，加鋪層厚度與層底接縫處應(yīng)力關(guān)系如圖7所示。

由圖7可知，瀝青層層底接縫處的應(yīng)力隨著加鋪層厚度增加呈先下降后穩(wěn)定的趨勢(shì)。厚度逐漸增加，瀝青層層底接縫處的等效應(yīng)力分別降低了21.11%、11.66%、6.61%、2.71%、0.91%，層底接縫處最大剪應(yīng)力分別降低了21.01%、10.49%、7.48%、3.33%、1.27%，層底接縫處最大主應(yīng)力分別降低了25.29%、22.11%、11.63%、10.80%、4.62%。當(dāng)加鋪層厚度在6～10 cm時(shí)，瀝青層層底接縫處應(yīng)力變化幅度在10%～30%，而當(dāng)加鋪層厚度＞10 cm時(shí)，瀝青層層底接縫處應(yīng)力變化幅度均＜10%。

隨著加鋪層厚度的增加，瀝青層層底接縫處等效應(yīng)力及最大剪應(yīng)力變化幅度差異性較小，這是因?yàn)樵黾訛r青加鋪層厚度可以增加路面的剛度和強(qiáng)度，有效降低了舊路面層底部的應(yīng)力，減少了反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。然而，當(dāng)瀝青層厚度超過(guò)最佳值后，繼續(xù)增加厚度對(duì)抗反射裂縫的效果微乎其微，反而會(huì)延長(zhǎng)工程施工時(shí)間和提高工程費(fèi)用，因此推薦“白加黑”路面瀝青加鋪層厚度為8～10 cm。

2 不同抗反射裂縫措施效果研究

為進(jìn)一步防止反射裂縫的產(chǎn)生，在優(yōu)化瀝青加鋪層的模量及厚度后，對(duì)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層、共振碎石化、土工布、OLSM-25抗裂層［5］4種單一抗反射裂縫措施，以及碎石化+橡膠瀝青應(yīng)力吸收層、碎石化+土工布2種復(fù)合的措施，通過(guò)數(shù)值模擬分析、抗疲勞性能試驗(yàn)等，對(duì)比分析其抗反射裂縫效果及施工經(jīng)濟(jì)性。

2.1 數(shù)值模擬受力分析

不同抗反射裂縫措施數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示，由圖可知，不同抗反射裂縫措施瀝青層層底接縫應(yīng)力值從大到小依次為：無(wú)抗反射裂縫措施＞土工布＞共振碎石化＞橡膠瀝青應(yīng)力吸收層＞OLSM-25抗裂層＞共振碎石化+土工布＞共振碎石化+橡膠瀝青應(yīng)力吸收層。4種單一措施中，OLSM-25抗裂層應(yīng)力值最小，其等效應(yīng)力為0.459 37 MPa、最大剪應(yīng)力為0.364 46 MPa、最大主應(yīng)力為0.072 56 MPa；土工布應(yīng)力值最大，其等效應(yīng)力為0.597 46 MPa、最大剪應(yīng)力為0.527 11 MPa、最大主應(yīng)力為0.115 92 MPa；共振碎石化與橡膠瀝青應(yīng)力吸收層應(yīng)力值相差較小。對(duì)比共振碎石化+土工布與共振碎石化+橡膠瀝青應(yīng)力吸收層瀝青層層底接縫應(yīng)力值，發(fā)現(xiàn)共振碎石化+橡膠瀝青應(yīng)力吸收層可以有效緩解瀝青層接縫處應(yīng)力集中的現(xiàn)象，緩解反射裂縫的擴(kuò)展，因此在工程成本允許的情況下，建議采用共振碎石化+橡膠瀝青應(yīng)力吸收層結(jié)合的抗反射裂縫措施。

2.2 抗反射開(kāi)裂性能評(píng)價(jià)

采用疲勞開(kāi)裂試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，主要針對(duì)不同抗反射裂縫措施的“白加黑”路面結(jié)構(gòu)反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展，以瀝青加鋪層疲勞壽命作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析不同抗反射裂縫措施對(duì)瀝青加鋪層疲勞壽命的影響。

2.2.1 瀝青加鋪層疲勞開(kāi)裂試驗(yàn)

采用水泥混凝土試件加鋪瀝青混凝土層制備復(fù)合試件，并設(shè)置不同抗反射裂縫措施，以MTS萬(wàn)能試驗(yàn)儀進(jìn)行加載試驗(yàn)。為更好地模擬“白加黑”路面的實(shí)際情況，在復(fù)合試件下方先鋪設(shè)了2.5 cm厚的橡膠墊層，以模擬路基的緩沖作用，然后再墊放了2.5 cm厚的鋼板，以保證試件在同一水平面上；MTS萬(wàn)能試驗(yàn)儀壓頭尺寸R=2.5 cm，其中正荷載加載位置為水泥混凝土板接縫正上方，偏荷載加載位置為水泥混凝土板接縫一側(cè)［6］。如圖9所示。

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果

瀝青加鋪層疲勞開(kāi)裂試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

由圖10可知，不同抗反射裂縫措施瀝青層疲勞開(kāi)裂壽命從大到小依次：共振碎石化+橡膠瀝青應(yīng)力吸收層＞共振碎石化+土工布＞OLSM-25抗裂層＞橡膠瀝青應(yīng)力吸收層＞共振碎石化＞土工布＞無(wú)抗反射裂縫措施。4種單一措施中，OLSM-25抗裂層疲勞開(kāi)裂壽命最大，其剪切型疲勞開(kāi)裂壽命為25 651次，彎拉型疲勞開(kāi)裂壽命為29 796次；土工布疲勞開(kāi)裂壽命最小，其剪切型疲勞開(kāi)裂壽命為11 972次，彎拉型疲勞開(kāi)裂壽命為13 882次；共振碎石化與橡膠瀝青應(yīng)力吸收層疲勞開(kāi)裂壽命相差較小，試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果一致。

2.3 工程成本分析

從工程成本的角度，對(duì)比分析共振碎石化、橡膠瀝青應(yīng)力吸收層、土工布、OLSM-25抗裂層4種抗反射裂縫措施的工程成本差異，如表2所示。

由表2可知，不同抗反射裂縫措施工程成本從大到小依次為：OLSM-25抗裂層＞橡膠瀝青應(yīng)力吸收層＞共振碎石化＞土工布。結(jié)合不同抗反射裂縫措施數(shù)值模擬力學(xué)分析及抗疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果可知，OLSM-25抗裂層抗反射開(kāi)裂效果最好，但其工程成本最高；土工布抗反射開(kāi)裂效果最差，但其工程成本最低；橡膠瀝青應(yīng)力吸收層、共振碎石化抗反射開(kāi)裂效果相近，但共振碎石化工程成本遠(yuǎn)低于橡膠瀝青應(yīng)力吸收層。因此，在“白加黑”路面施工過(guò)程中，在工程成本有限的情況下，抗反射裂縫措施建議采用共振碎石化或者橡膠瀝青應(yīng)力吸收層。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）瀝青層層底接縫處的應(yīng)力隨著加鋪層模量、厚度的增加呈先下降后穩(wěn)定的趨勢(shì)，當(dāng)加鋪層模量＞1 200 MPa及厚度＞10 cm時(shí)，瀝青層層底接縫處等效應(yīng)力及最大剪應(yīng)力數(shù)值變化幅度很小。

（2）由不同抗反射裂縫措施數(shù)值模擬力學(xué)分析及抗疲勞性能試驗(yàn)結(jié)果可知，OLSM-25抗裂層抗反射開(kāi)裂效果最好，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層、共振碎石化效果次之，土工布效果最差；從工程經(jīng)濟(jì)性角度，OLSM-25抗裂層成本最高，橡膠瀝青應(yīng)力吸收層、共振碎石化成本次之，土工布成本最低。

（3）綜合分析，本文推薦“白加黑”路面瀝青加鋪層厚度為8～10 cm、彈性模量為1 000～1 200 MPa，在工程成本有限的情況下，抗反射裂縫措施建議采用共振碎石化或者橡膠瀝青應(yīng)力吸收層，在工程成本允許的情況下，可考慮采用共振碎石化+橡膠瀝青應(yīng)力吸收層結(jié)合的抗反射裂縫措施。

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收稿日期：2024-03-06

作者簡(jiǎn)介：羅 賽（1992—），助理工程師，主要從事公路與城市道路研究工作。