旧水泥混凝土路面沥青加铺层防反射裂缝技术研究

旧水泥混凝土路面沥青加铺层防反射裂缝技术研究

杨添印

重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074

摘要：近年来，随着我国交通量大幅增长，也迅速加快了早期修建的水泥混凝土路面的损坏，水泥混凝土路面经常出现板底脱空、板角断裂、坑洞、错台等病害，导致混凝土路面的使用性能和行车安全出现较大的隐患。在旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土加铺层能够有效改善其使用性能，反射裂缝是沥青加铺层的主要病害，严重影响其使用寿命。本文通过对复合路面的应力分析入手，探讨了旧水泥混凝土路面沥青加铺层防反射裂缝的技术。

关键字：混凝土路面；沥青加铺层；应力分析；防反射裂缝

0引言

我国早期修建了大量水泥混凝土路面，广泛应用于各级公路中。随着经济、交通的发展，我国的汽车数量与公路交通量大幅增加，加之超载、超限运输等问题的频繁发生，加速了对混凝土路面的损坏。在旧水泥路面上加铺沥青混凝土罩面层能有效地改善旧水泥混凝土路面的使用性能，行车舒适、噪音小、经济性好、维修养护方便。是目前水泥混凝土路面维修的主要方案之一。

由于沥青面层与旧水泥面板之间模量差距较大以及旧水泥混凝土路面自身存在的横向及纵向缩缝，沥青加铺结构容易出现层间滑移，在接缝处容易产生反射裂缝等病害，缩短加铺层的使用寿命[1]。因此，如何延缓与控制反射裂缝是沥青加铺层技术的关键。

1旧水泥混凝土路面沥青加铺层应力分析

1.1有限元模型建立

目前很多学者采用ABAQUS、ANSYS等有限元软件对复合路面结构进行模拟计算，李琳等[5]利用ANSYS建立的计算模型如图1所示。路面结构模型为基础、沥青加铺层和水泥混凝土路面,采用8节点实体单元。相关研究表明，车轮荷载作为接缝一侧偏荷载时，对加铺层受力影响最大，其在沥青加铺层中引起应力集中，加铺层结构处于最不利工作状态[1]。因此，程培峰等[2]选定车轮荷载作用于接缝一侧时进行沥青加铺层结构的受力状态分析。

图1  计算模型

1.2路面结构应力分析

根据建立的有限元模型计算分析可知，沥青加铺层底部应力随加铺层厚度增加而降低。当沥青加铺层厚度为8cm时应力控制点A处的拉应力减少了62.5%；其中加铺层厚度为8~10cm范围内时拉应力的减少速度较快；加铺层厚度为10~22cm范围时拉应力减少慢，加铺层接缝两侧之间的弯沉差值随着加铺厚度的增加逐渐减小，加铺层厚度8~14cm时弯沉差值减小速率快，超过14cm范围后减小速率减慢[3]。曾胜等[4]发现随沥青层厚度的增加，最大弯沉差值和沥青层底部最大剪应力先逐渐増大到一定峰值后开始下降，而沥青层底部最大拉应力则相反，只有旧水泥混凝土底部最大拉应力随着沥青层厚度的增加持续下降。这说明，只增加沥青层厚度，并不一定对改善路面结构受力状况有利。

随沥青层模量的增加，最大弯沉和旧水泥混凝土底部最大拉应力逐渐减小，其中减小幅度较大的是最大弯沉；而沥青层底部最大拉应力和剪应力逐渐增大，其中增大幅度较大的是沥青层底部最大剪应力。这说明，沥青层强度的增加对减小最大弯沉、降低旧水泥混凝土底部最大拉应力有利，而对于降低沥青层底部最大拉应力、剪应力则不利。

2旧水泥混凝土路面沥青加铺层防射裂缝技术

2.1  反射裂缝形成机理

   反射裂缝是旧面层由于车辆荷载、温度变化在接缝或裂缝附近产生的位移引起接缝或裂缝上方沥青加铺层出现应力集中造成的。通常认为具体的产生机理有温度下降引起的反射裂缝车辆荷载引起的反射裂缝两种[2]。车辆荷载对沥青层造成弯拉和剪切作用，而温度变化主要引起张拉作用[3]。在行车荷载和温度应力的作用下，基层裂缝两侧将产生很大的弯拉应力和竖向剪切力，在基层顶部、下面层底部形成薄弱区，导致面层反射裂缝的产生，极大降低了使用性能[4]。

    （1）温度引起的反射裂缝：旧面板层因温度下降而收缩时，由于旧面板层与加铺层间的粘附阻力，从而导致接缝（或裂缝）上方的沥青加铺层内出现集中的拉应力。当拉应力超过沥青混合料抗拉强度时，加铺层便会出现开裂。

(2)车辆荷载引起的反射裂缝：车轮驶经接缝（或裂缝）时，旧面层的驶近板先向下弯沉，随后驶离板弯沉而驶近板恢复，因而接缝（或裂缝）两侧的板端出现弯沉差，使接缝上沥青加铺层经受较大的弯拉应力和剪切应力。

2.2  反射裂缝防治技术

为了防治或者减缓沥青加铺层反射裂缝，国内外研究了大量的具体措施，如增加沥青层厚度、设置裂缝缓解层、设置土工合成材料夹层、设置应力吸收层、设置结合隔断层、处治旧水泥混凝土路面板病害等。归纳起来，可以大致分为改善沥青混凝土罩面层性能、设置中间抗裂夹层和处治旧路面板病害3大类。

增加沥青加铺层的厚度从而提高沥青加铺层的承载能力，同时延长了反射裂缝从底面扩展到表面的距离，减少了接缝位置的弯沉量及弯沉差。增加沥青加铺层的厚度，可明显减少接缝处的尖端应力，延长加铺层寿命。

在沥青加铺层和旧水泥混凝土路面中间设置应力、应变夹层，有效降低了接缝应力向上传的强度，缓解裂缝尖端应力，起到了加筋的作用，提高了沥青加铺层的抗剪及抗拉强度。主要有橡胶沥青应力吸收层（SAMI)、土工格栅和土工织物夹层等。早期应用较多的是土工布和玻纤格栅，土工布具备一定的抗拉强度，作为间隔层将基层和沥青混合料面层隔开，起到了隔离作用，具有加筋、消能缓冲以及防水防渗功能。玻纤格栅极具稳定性，与沥青混合料之间具有很好的相容性，凭借其低延伸率来抵抗基层的变形。在选择土工复合材料进行处治时，应该具体问题具体分析，采用相应的土工复合材料。近两年，聚酯玻纤布、抗裂贴及高应力吸收膜等新型材料不仅性能和价格上的优势比较明显，而且能一定程度上防治由温度和载荷引起的反射裂缝，同时施工也比较方便。

条带铺设式防治反射裂缝即沿着混凝土板接缝布设，主要为高分子抗裂贴、高弹性应力吸收带等。现条带式铺设机械设备也很成熟，解决了早期条带式人工施工困难的难点，施工简单、操作方便、造价低，对周围环境影响较小。

旧水泥混凝土路面板病害处治能将集中应力降至最低，从而有效延缓反射裂缝。处治方法主要包括打裂压稳、打碎压稳和碎石化。

3   结论

（1）反射裂缝是旧面层由于车辆荷载、温度变化在接缝或裂缝附近产生的位移引起接缝或裂缝上方沥青加铺层出现应力集中造成的。

（2）增加沥青加铺层的厚度可以在一定范围内改善加铺层反射裂缝的出现，但超出范围再继续增加厚度及失去了效果只会增加造价。

（3）设置中间抗裂夹层可以有效改善反射裂缝的出现，工程上需要根据实际情况选择最优的夹层材料，达到最好的效果以及合适的造价。

4 参考文献

[1]胡厚兰,康明森,马士杰.旧水泥混凝土路面加铺层中裂缝缓解层的有限元力学分析[J].公路,2009(08):15-19.

[2]程培峰,林宏.基于Abaqus的旧水泥混凝土路面加铺沥青层结构的力学研究[J].公路工程,2017,42(01):9-12+30.

[3]任新涛.旧水泥混凝土路面沥青加铺层[J].沈阳大学学报(自然科学版),2017,29(04):333-337.

[4]曾胜,何宇航.旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构力学分析[J].长安大学学报(自然科学版),2008(02):18-21+25.

[5]李琳,罗芳.高速公路水泥混凝土路面加铺层设计与应用研究[J].公路工程,2016,41(03):117-121.