李 杰

(湖南省公路物資設(shè)備公司,湖南長沙 410011)

目前國內(nèi)絕大多數(shù)高速公路均采用半剛性基層瀝青路面,但從通車運營情況來看,半剛性基層瀝青路面的早期損壞嚴重,其主要病害形式有早期縱橫向裂縫、網(wǎng)裂、唧泥、車轍等,特別是裂縫病害十分嚴重。為克服半剛性基層瀝青路面的裂縫,部分高速公路修筑了混合式基層瀝青路面試驗路。

瀝青路面混合式基層結(jié)構(gòu)采用了柔性基層作為上基層結(jié)構(gòu),能明顯地提高瀝青路面的抗裂性能。本文系統(tǒng)地分析了混合式基層瀝青路面的各種抗裂性能,現(xiàn)介紹如下。

1 混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型

根據(jù)混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的特點,初擬了3種路面結(jié)構(gòu)形式,分別為:

結(jié)構(gòu)類型一:以級配碎石上基層+半剛性下基層的混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu),擬定具體結(jié)構(gòu)見表1中的結(jié)構(gòu)一。

結(jié)構(gòu)類型二:以瀝青穩(wěn)定碎石上基層+半剛性下基層的混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu),擬定具體結(jié)構(gòu)見表1中的結(jié)構(gòu)二。

結(jié)構(gòu)類型三:以瀝青穩(wěn)定碎石+級配碎石聯(lián)結(jié)層+半剛性基層的混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu),擬定具體結(jié)構(gòu)見表1中的結(jié)構(gòu)三。

為了更好地研究混合式基層瀝青路面的抗裂特性,同時擬定了路面總厚度相等的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)四)、柔性基層瀝青路面(結(jié)構(gòu)五)。其具體結(jié)構(gòu)組成見表1。

表1 初擬的路面結(jié)構(gòu)型式

2 抗反射裂縫機理分析

1)對于混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)一:在半剛性下基層和瀝青面層之間插入一層級配碎石上基層,具有良好的應力擴散效應,從而具備較好的防反射裂縫效果。由于級配碎石層沒有結(jié)合料,是一種松散粒料材料,是通過粗集料的互相嵌擠與細集料填充密實構(gòu)成結(jié)構(gòu)強度的一種結(jié)構(gòu)形式,只能承受壓應力和剪應力,而不能承受拉應力。當半剛性底基層的裂縫向上擴散到級配碎石層時,由于它是松散的,相當于存在許多條的微裂縫,半剛性底基層裂縫的應力集中將沿著多條微裂縫向兩側(cè)擴展,而不是向一個方向擴展。經(jīng)過一定厚度的均勻擴散,可逐漸消除裂縫的應力集中現(xiàn)象。設(shè)置在半剛性下基層上的級配碎石上基層,可降低半剛性底基層收縮裂縫兩側(cè)的彎沉差,從而減少或延緩反射裂縫。

與半剛性基層瀝青路面相比,在半剛性底基層上設(shè)置一層級配碎石基層后,傳遞到半剛性底基層上的汽車荷載將顯著減小,從而減小了半剛性底基層收縮裂縫兩側(cè)的彎沉差(差動位移),在瀝青面層內(nèi)部產(chǎn)生的剪切應力,也會顯著減小,也就減少或延緩了反射裂縫的產(chǎn)生。并通過降低瀝青面層內(nèi)部的剪應力,從而減少了面層的剪切流變。

2)對于瀝青路面混合式基層結(jié)構(gòu)二:結(jié)構(gòu)二在瀝青面層與半剛性下基層內(nèi)加入了一層瀝青穩(wěn)定碎石基層,增加了瀝青層的總厚度,有利于防止和延緩反射裂縫的發(fā)生。一方面,較厚的瀝青層總厚度,既減小了半剛性底基層材料所受到的拉應力與拉應變,也減小了瀝青層底的拉應力與拉應變,從而延緩反射裂縫的發(fā)生。另一方面,半剛性底基層上的收縮裂縫向上反射到瀝青面層表面,需要經(jīng)過較厚的瀝青層,也就延緩了反射裂縫的發(fā)生。再者,瀝青混凝土對自身的裂縫具有一定的自愈功能,在高溫條件下,瀝青混凝土內(nèi)部的微裂縫存在自動愈合的可能性。由于瀝青穩(wěn)定碎石基層半剛性底基層瀝青路面結(jié)構(gòu)具有較厚的瀝青層總厚度,半剛性底基層上的收縮裂縫向上反射到瀝青面層表面,需要經(jīng)歷較長的時間,在反射裂縫還沒有到達瀝青面層表面時,遇到高溫季節(jié),瀝青層內(nèi)的有些裂縫就可能自動愈合,或在厚度方向愈合一部分,從而防止和延緩了反射裂縫的發(fā)生。

同時采用瀝青穩(wěn)定碎石上基層可降低瀝青面層內(nèi)部剪應力,減少縱向剪切裂縫或剪切疲勞裂縫的產(chǎn)生。

3)對于混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)三:結(jié)構(gòu)三集中了以上兩種結(jié)構(gòu)的抗裂性能的優(yōu)點。一方面級配碎石層消除應力集中現(xiàn)象,又可減少半剛性下基層裂縫兩側(cè)的彎沉差,而且降低瀝青層內(nèi)部的剪應力,從而達到減少瀝青路面裂縫病害的目的。另一方面結(jié)構(gòu)三在瀝青混凝土面層與級配碎石基層之間設(shè)置了瀝青穩(wěn)定碎石層,可使材料模量值較大的瀝青混凝土與材料模量值較低的級配碎石之間有一層聯(lián)結(jié)層,減少了層間的模量比,以達到降低瀝青混凝土面層層底拉應力,提高路面結(jié)構(gòu)整體使用功能的目的。

4)混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)可改善半剛性基層所處環(huán)境的溫度、濕度條件,減少半剛性基層使用過程中的干縮、溫縮裂縫,從而有效地減少瀝青面層的反射裂縫。

瀝青路面混合式基層結(jié)構(gòu)型式將半剛性層置于柔性基層之下,改善了半剛性層所處的溫度條件、干濕條件,能有效減少半剛性層使用過程中所發(fā)生的收縮裂縫,從而達到減少瀝青面層反射裂縫的作用。

對瀝青路面內(nèi)部溫度場隨內(nèi)在和外在因素發(fā)生變化的規(guī)律進行分析,求解一維熱傳導偏微分方程,可求得溫度場的解析式或直接計算不同時刻在不同深度的溫度值。美國E.S.Barber把影響路面溫度的兩項主要氣象因素——氣溫與輻射熱,綜合成一種當量的有效溫度(Te),并假設(shè)它隨時間呈正弦周期性變化:

并且假設(shè)路面結(jié)構(gòu)為半無限空間體,解出熱傳導偏微分方程,得到路面內(nèi)部的溫度場方程式:

式中:

Tm為平均有效溫度,Tm=TA+R,其中TA為平均氣溫,R為輻射熱使氣溫增高為有效溫度的平均增量,R=0.67bQ/(24hc),其中b為路面對輻射熱的吸收能力,%,Q為太陽的輻射熱,J/m,hc為考慮到對流和再輻射的表面系數(shù)(對流系數(shù)),W/m?℃,hc=7.37+2.4 v0.75,其中v為平均風速,km/h;

Tv為同平均有效溫度的最大偏差,℃,可近似計算:Tv=0.5Tr+3R,其中Tr為氣溫的日變化幅度,℃;

t為從溫度周期起點的起算時間,h;

H為對流系數(shù)與面層材料熱傳導率的比值,即:H=hc/k;

C為路面材料熱特性綜合參數(shù);

Z為路面內(nèi)部目標點深度。

以下是我國某中部地區(qū),根據(jù)當?shù)貧鉁貤l件,計算得到瀝青路面內(nèi)部溫度變化的曲線,如圖1～圖3所示。

圖1 6月份路面結(jié)構(gòu)溫度日變化過程圖

圖2 4月份路面結(jié)構(gòu)溫度日變化過程圖

圖3 10月份路面結(jié)構(gòu)各深度處溫度日變化過程圖

由以上的路面各層溫度日變化圖可見,混合式基層瀝青路面將半剛性層的位置降低約10～26 cm后,半剛性層的每天日夜溫差基本控制在5℃～10℃以內(nèi),因此,只要施工養(yǎng)護期間較好地控制了半剛性底基層的干縮開裂和溫縮裂縫,由于半剛性層所處路面結(jié)構(gòu)層較深層次的位置,其內(nèi)部含水量不易被蒸發(fā),雨水滲入也較少,干濕變化不會很大,溫差變化也基本在5℃～10℃,因此,混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在后期運營過程中,其干縮裂縫與溫縮裂縫的產(chǎn)生都要遠遠低于半剛性基層瀝青路面,從而有效地減少了反射裂縫的產(chǎn)生。

綜上所述,從上面幾個方面進行分析,混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)從控制半剛性層的后期開裂、延長反射裂縫的傳播路徑長度和傳播速度、消除反射裂縫頂端的應力集中現(xiàn)象、減少裂縫兩側(cè)的彎沉差等方面,均能達到減少瀝青路面反射裂縫的目的。而且,從消除反射裂縫頂端的應力集中現(xiàn)象、減少裂縫兩側(cè)的彎沉差這兩個方面來分析,其防裂效果遠遠優(yōu)于采用防裂土工合成材料夾層、應力吸收層等方式。因此,混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)具有良好的防反射裂縫性能。而且在工程實踐中也將得到進一步的驗證。

3 早期縱向裂縫分析

目前高速公路瀝青路面上的縱向裂縫一般是表面裂縫,裂縫從表面向下延伸。曾經(jīng)在衡棗高速公路對兩條縱向裂縫進行鉆芯,發(fā)現(xiàn)縱向裂縫是從表面開始的,約4 cm,僅貫通了表面層。其產(chǎn)生的主要原因一般是來自于瀝青路面的表面拉應力和剪應力。

1)表面拉應力分析。計算結(jié)果匯總見表2。

表2 結(jié)構(gòu)一至結(jié)構(gòu)五的表面拉應力和層底拉應力對比表MPa

從表2可以看出:

①混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)三的表面拉應力均遠小于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)四。約為結(jié)構(gòu)四的1/3左右。

②混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)二表面拉應力較大,但也比結(jié)構(gòu)四(半剛性基層瀝青路面)要小15%左右。

③柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)五表面無拉應力,所以其主要破壞形式來自于從瀝青面層底開始的疲勞裂縫。由于無半剛性基層的反射裂縫、無從上至下的表面縱向裂縫、級配碎石有一定的排水能力基本不會發(fā)生唧漿唧泥出現(xiàn)網(wǎng)裂等現(xiàn)象,因而其早期損壞較少。這可能也是國外大量使用柔性基層瀝青路面,而使用半剛性基層瀝青路面較少的原因之一。

2)表面剪應力分析。

由于瀝青路面在常溫或低溫下其抗剪強度很高,不會產(chǎn)生剪切破壞,因此在常溫下或低溫計算其抗剪強度進行比較沒有什么意義,為分析結(jié)構(gòu)一至結(jié)構(gòu)五表面的剪應力的大小,擬計算結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二、結(jié)構(gòu)三、結(jié)構(gòu)四、結(jié)構(gòu)五在高溫條件下結(jié)構(gòu)所受的表面剪應力。高溫下各結(jié)構(gòu)層的計算模量如表3所示。

表3 高溫下結(jié)構(gòu)層模量取值表

計算了各結(jié)構(gòu)層的最大剪應力,如表4所示。

表4 結(jié)構(gòu)一至結(jié)構(gòu)五表面最大剪應力計算結(jié)果表

從上表可以分析,高溫條件下,結(jié)構(gòu)三的表面剪應力最小,其次是結(jié)構(gòu)五、結(jié)構(gòu)二、結(jié)構(gòu)一,最大的是結(jié)構(gòu)四。

綜上可見,混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二、結(jié)構(gòu)三在標準軸載的作用下,表面產(chǎn)生的最大拉應力和最大剪應力均小于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)四),因此,當采用相同瀝青混合料的前提下,混合式基層瀝青路面有更好的抵抗縱向開裂的能力。在三類混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中,結(jié)構(gòu)類型三表面的拉應力和剪應力均最小,其抗裂能力最好。

4 防早期網(wǎng)狀裂縫及抗水損壞分析

目前我省瀝青路面出現(xiàn)早期網(wǎng)狀裂縫時,一般均是由早期水損壞造成的。由于瀝青混凝土空隙率過大或不均勻,以至大量雨水從瀝青路面的空隙或裂縫處下滲,當下滲至半剛性基層表面時,由于半剛性基層十分致密,自由水沖刷半剛性基層表面,形成灰漿從空隙或裂縫涌出,形成“唧漿”現(xiàn)象。自由水由半剛性基層裂縫滲入土基,在動水壓力作用下形成泥漿涌出,形成“唧泥”現(xiàn)象。自由水長期滯留在瀝青混凝土內(nèi)部,在動水壓力作用下,反復沖刷粘附在碎石表面的瀝青膜,造成瀝青膜的脫落,瀝青混凝土的強度降低,從而先出現(xiàn)瀝青面層內(nèi)部松散,出現(xiàn)網(wǎng)裂,后再出現(xiàn)“坑洞”。這是瀝青路面早期水損壞的典型表現(xiàn)形式,易出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫。特別是瀝青混凝土面層較薄時,更易出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫。

1)結(jié)構(gòu)類型一與結(jié)構(gòu)類型三具有一定的排水能力:排水功能來源于級配碎石優(yōu)良的滲水能力。級配碎石與半剛性材料相比,其結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性不僅表現(xiàn)在具有防反射裂縫功能,而且還具有一定的滲水能力。

采用課題組推薦的級配修筑的常張高速公路級配碎石基層試驗路,經(jīng)現(xiàn)場大量滲水試驗表明,該級配碎石基層具有很強的滲水能力。由于級配碎石具有一定的排水功能和吸水功能,能有效地阻止泥漿或灰漿的產(chǎn)生,混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)類型一與結(jié)構(gòu)類型三基本上可以防止唧泥或唧漿病害的產(chǎn)生,從而有效地避免網(wǎng)狀裂縫和早期水損壞的產(chǎn)生。

2)混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)類型具有良好的防水能力,使雨水不易滲入瀝青路面結(jié)構(gòu)層。一方面,由于結(jié)構(gòu)類型一中的級配碎石上基層具有防反射裂縫作用,與半剛性基層瀝青路面相比,使瀝青路面裂縫大為減少。因此,通過裂縫進入路面內(nèi)部的雨水也就大為減少。另一方面,目前我們設(shè)計的三種瀝青面層混凝土,經(jīng)過大量室內(nèi)外滲水試驗和大量實體工程的實用效果證明具有優(yōu)良的密水能力。我們在試驗室做了大量的室內(nèi)車轍試件的滲水試驗,基本不透水。第三個方面,就是在半剛性下基層或底基層表面,設(shè)計了封層,進一步增強了結(jié)構(gòu)的防水能力。

3)混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)類型二、結(jié)構(gòu)類型三均具有較厚的瀝青層,厚的瀝青層可有效地延緩自由水下滲的時間和延緩“灰漿”或“泥漿”從瀝青結(jié)構(gòu)層涌出路面的時間,從而有效地延緩早期網(wǎng)狀裂縫的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)由于采用柔性基層+半剛性基層的結(jié)構(gòu)組合,相對于半剛性基層瀝青路面而言,具有良好的路用性能:

1)混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中的半剛性層所處豎向位置低于半剛性基層瀝青路面,因此在內(nèi)部的濕度和溫度變化受外界條件影響小,可有效地減少半剛性基層的自身的溫縮和干縮裂縫。

2)由于在半剛性層上設(shè)置了柔性基層,延長了裂縫反射到瀝青路面表面的時間。

3)級配碎石上基層具有良好的應力擴散效應,可有效改變應力尖端集中效應,從而隔斷了反射裂縫的擴散路徑,有效地防止反射裂縫的產(chǎn)生。

4)經(jīng)過理論計算,混合式基層瀝青路面的表面拉應力和剪應力明顯小于半剛性基層瀝青路面,因而可減少縱向裂縫的產(chǎn)生。

5)由于級配碎石結(jié)構(gòu)存在一定的排水能力,可有效地防止唧泥、唧漿等病害,防止水損害,減少網(wǎng)狀裂縫。

[1]沈金安.高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策[M].北京,人民交通出版社.2004.

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