任 新 濤

(1. 西安國際陸港市政配套有限公司, 陜西 西安 710026; 2. 長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064)

舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層

任 新 濤1,2

(1. 西安國際陸港市政配套有限公司, 陜西 西安 710026; 2. 長安大學 公路學院, 陜西 西安 710064)

為了防止舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層反射裂縫的產生,通過有限元分析軟件建立了瀝青加鋪層實體模型,研究了瀝青加鋪層厚度、瀝青加鋪層彈性模量等參數對瀝青加鋪層應力狀態(tài)及裂縫兩側彎沉差值的影響,為路面結構設計提供理論依據.以西安國際港務區(qū)港務大道為工程依托,在上述研究成果的基礎上對港務大道加鋪層進行設計,并對后期運營效果進行跟蹤,跟蹤數據表明,研究成果能夠有效抑制瀝青加鋪層反射裂縫的產生,并為將來舊水泥混凝上路面的改建和維修等施工方案提供參考.

舊水泥混凝土路面; 瀝青加鋪層; 反射裂縫; 厚度; 彈性模量

目前中國已經成為擁有最多水泥混凝土路面里程的國家,根據相關調查,截至2016年年底,全國建成有鋪裝路面近150萬km,其中水泥混凝土路面達到了110萬km,占到了全國總里程的73.3%[1-2].隨著交通量的迅猛發(fā)展,重載車輛比例的不斷增加,以及現場施工質量控制不到位等眾多因素的綜合影響,一些水泥混凝土路面還沒有達到使用年限,便出現了各種各樣的病害問題,縮短了道路使用壽命,影響了行車舒適性[2].因此加快對舊水泥混凝土路面改造技術研究成為道路工程師必須面對的一項艱巨挑戰(zhàn).

近年來,許多學者和專家對舊水泥混凝土路面瀝青加鋪改造技術進行了研究,提出了該方法相比清除重鋪法、沖擊壓實法等改造技術的優(yōu)勢.2008年楊海平通過建立力學模型分析了應力吸收層和玻璃纖維網對加鋪層裂縫的緩解程度,并提出了控制反射裂縫的有效措施[3];2013年C.Rabaiotti建立了蘇黎世國際機場的三條水泥混凝土面層跑道修正有限元模型,并對路面結構進行了分析[4];2016年姚新宇提出在加鋪層設計和施工中,通過約束中面層細集料的偏移和粗集料壓碎值的方式來提高加鋪層抗車轍能力[5].由于舊水泥混凝土路面接縫處瀝青加鋪層易產生反射裂縫,縮短了加鋪層使用壽命[6].因此,如何延緩與控制反射裂縫是瀝青加鋪層設計的關鍵,至今仍是道路工程界面臨的一大難題.本文以西安國際港務區(qū)港務大道為研究對象,在分析瀝青混凝土加鋪層參數對反射裂縫影響的基礎上對港務大道加鋪層進行設計,并對后期運營效果進行跟蹤,為舊水泥混凝土路面改造技術在實際改造工程中的應用提供指導.

1 加鋪層參數分析

為了有效控制和減少后期加鋪瀝青層反射裂縫的產生,通過有限元軟件ANSYS建立與實際情況相對應的有限元模型,分別研究瀝青加鋪層厚度、瀝青加鋪層彈性模量等參數對瀝青加鋪層應力狀態(tài)及裂縫兩側彎沉差值的影響,為路面結構設計提供理論依據.在建立模型中各結構層做如下假設[7]:

(1) 假定三種結構均滿足均勻、連續(xù)、各向同性的特點;

(2) 各層之間位移均保持連續(xù);

(3) 舊水泥混凝土路面接縫寬度模擬為1 cm,且在接縫處不傳遞載荷;

(4) 只分析結構在靜載作用下的受力性能;

(5) 假定地基底面各向位移以及側面水平方向位移均為零,瀝青加鋪層和舊水泥混凝土層在兩端橫截面上水平位移為零.

模型中地基擴大基礎尺寸[8]擬定為12 m×6 m×9 m,瀝青混凝土路面取寬4.5 m,長9 m.為了研究瀝青加鋪層厚度變化對加鋪層結構受力影響,加鋪層厚度取8～22 cm,混凝土層厚度取24 cm.加鋪層結構的計算參數見表1,為了對瀝青混凝土加鋪層厚度、彈性模量等參數進行變量研究,分別取其為變量.

表1 加鋪層結構計算參數Table 1 Calculating parameters of overlay structure

模型中載荷取標準軸載BZZ-100,輪胎內壓取0.7 MPa,布載方式見圖1,車輪間距32 cm,兩側輪隙距離182 cm.如圖2所示,受力分析中將瀝青混凝土面層底部A點作為應力控制點,舊水泥混凝土板裂縫或接縫兩側的點1和點2作為彎沉及彎沉差控制點[9].結構計算模型見圖3,對加鋪層載荷計算分析時,主要關注瀝青加鋪層應力控制點的最大拉應力及彎沉差值.

圖1 載荷施加示意圖Fig.1 Diagram of load application

圖2 接縫處車輪載荷示意圖Fig.2 Wheel load at joint

圖3 結構計算模型Fig.3 Structural calculation model

1.1瀝青加鋪層的厚度對加鋪層結構的影響

為了保證舊水泥混凝土瀝青加鋪層厚度取值的合理性,本文通過不同瀝青加鋪層厚度得到應力與瀝青加鋪層厚度之間的關系.瀝青混凝土加鋪層厚度分別取8、10、12、14、16、18、20、22 cm,其余參數參考表1.加鋪層厚度對接縫處加鋪層影響情況見表2及圖4.

表2 瀝青加鋪層厚度、應力及彎沉差值

圖4 接縫處載荷應力及彎沉值隨加鋪層厚度的變化圖

圖4左側坐標表示瀝青加鋪層底部A點拉應力值,右側坐標表示瀝青加鋪層點1、點2之間的彎沉差值.由表2、圖4分析可知,隨著瀝青加鋪層厚度的不斷增加,A點拉應力和點1、點2之間的彎沉差值逐漸變小.當瀝青加鋪層厚度為8 cm時應力控制點A處的拉應力σA為0.208 MPa,加鋪層厚度為22 cm時拉應力σA為0.078 MPa,減少了62.5%;其中加鋪層厚度為8～10 cm范圍內時拉應力σA的減少速度較快,加鋪層厚度每增加1 cm,應力平均減小0.034 MPa;加鋪層厚度為10～22 cm范圍時拉應力減少慢,速率僅為0.005 2 MPa/cm.加鋪層點1、點2之間的彎沉差值隨著加鋪厚度的增加逐漸減小,即由0.018 mm降低到0.008 mm,降幅達到55.6%,且加鋪層厚度8～14 cm時彎沉差值減小速率快,超過14 cm范圍后減小速率減慢.研究表明,隨著加鋪層厚度的增加,加鋪層層底A點應力和彎沉差值都得到了明顯的抑制,在一定程度內能夠起到預防和延緩反射裂縫的作用.

1.2混合料模量對加鋪層結構的影響

作為一種粘彈性材料,瀝青混合料的彈性模量受組成材料、配合比例以及溫度影響較大.混合料彈性模量的變化會對瀝青加鋪層底部應力值以及彎沉差值產生影響.在有限元計算模型中加鋪層厚度取12 cm,瀝青加鋪層模量分別取800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800、2 000 MPa,其余參數參考表1.混合料模量變化對瀝青加鋪層應力及彎沉差值計算結果見表3及圖5.

表3 混合料模量、應力及彎沉差值

圖5 接縫處載荷應力及彎沉差值隨混合料模量的變化圖

圖5左側坐標表示瀝青加鋪層底部A點拉應力值,右側坐標表示瀝青加鋪層點1和點2之間的彎沉差值.隨著加鋪層彈性模量的變化,瀝青加鋪層底部A點拉應力和點1、點2之間的彎沉差值均受到影響.當瀝青混合料彈性模量取800 MPa時,應力控制點的拉應力σA為0.101 MPa,當混合料彈性模量增加到2000 MPa時拉應力σA增加到0.149 MPa,增加了近47.5%,且隨著加鋪層模量的增加,接縫處瀝青面層應力增大速率越來越慢;同時加鋪層點1和點2之間的彎沉差值由0.017 mm降到0.010 3 mm,降幅達39.4%,當瀝青混凝土模量在1 600 MPa以上時,對接縫兩側瀝青加鋪層彎沉差值的影響越來越小.

對表3及圖5的分析得出,通過增加瀝青混凝土模量,能夠減小瀝青加鋪層層底點1和點2之間的彎沉差值,但也會導致瀝青面層拉應力的增大.但當瀝青混合料配合比確定時,其彈性模量是確定的,無法人為地進行改變.因此,通過改變?yōu)r青混凝土彈性模量來預防和控制反射裂縫的效果并不理想.

2 工程依托

2.1工程概況

西安國際港務區(qū)港務大道是港務區(qū)內一條貫通南北的主干道,港務大道紅線寬度為60 m,機動車道為雙向六車道.港務大道總長度為5.6 km,南端連接新筑立交橋,北端連接秦漢大道.港興路以北200 m至秦漢大道段現狀機動車道為水泥混凝土路面,具體結構為

24 cm的C30水泥混凝土;25 cm的二灰碎石(m(石灰)∶m(粉煤灰)∶m(級配碎石)=8∶17∶75 );30 cm的灰土(V(石灰)∶V(粘土)=1∶6);壓實路床(重型壓實);總厚度為79 cm.

通過對西安國際港務區(qū)港務大道路面損壞狀況、接縫傳荷能力、板底脫空狀況及舊混凝土路面結構參數的檢測和調查,西安國際港務區(qū)港務大道局部路段路面裂縫和板塊斷裂較多,個別路段接縫料損失較嚴重.從現場調查和檢測也可以看出,路面裂縫、板塊斷裂、接縫料損失是西安國際港務區(qū)港務大道既有水泥混凝土路面的主要問題.

2.2加鋪層設計

針對西安市港務區(qū)港務大道具體情況,綜合考慮上述研究成果以及國內各種設計方法的經驗,取瀝青加鋪路面結構組合如下:

上面層為4 cm的SBS改性瀝青混凝土(AC-13);粘層油用量為0.3 kg/m2;下面層為6 cm中粒式瀝青混凝土(AC-20);1 cm橡膠應力吸收層S12,用量為1.4 kg/m2;1 cm橡膠應力吸收層S9,用量為2.2 kg/m2;鋪設一層防裂帖;基層為病害處理后現狀砼面板.總厚度10 cm,瀝青面層壓實度≥96%(以馬歇爾試驗密度為標準密度).

瀝青原材料分為瀝青、粗集料、細集料及填料,為了保證瀝青加鋪層的使用性能和耐久性必須嚴控原材料質量,并做好瀝青混凝土配合比設計.

2.3后期跟蹤

于港務大道改造完成6個月后分別對改造后瀝青路面平整度、滲水系數、構造深度、彎沉進行觀測,觀測結果分見表4～表7.

表4 平整度檢測結果匯總Table 4 Summary of flatness detection results

表5 滲水系數檢測結果匯總Table 5 Summary of test results of seepage coefficient mL/min

表6 構造深度檢測結果匯總Table 6 Summary of the results of structural depth detection mm

表7 彎沉檢測結果匯總Table 7 Summary of results of flexure detection μm

由表4～表7得出,港務大道舊水泥混凝土瀝青加鋪層改造后瀝青路面平整度、滲水系數、構造深度、彎沉均符合規(guī)范相關要求.綜上所述,港務大道舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層改造最終取得了良好效果,證明了西安市港務區(qū)港務大道舊水泥混凝土瀝青加鋪改造方案和施工技術的可行性,同時可為其他舊路改建項目提供良好的參考價值和意義.

3 結 論

通過舊水泥混凝土瀝青加鋪層厚度、瀝青彈性模量等因素對受力效果影響的研究,提出了瀝青加鋪層合理設計參數范圍,并在港務大道舊水泥混凝土路面改造中進行了應用.研究表明:

(1) 舊水泥混凝土瀝青加鋪層厚度的增加會減小接縫處瀝青加鋪層層底載荷應力及彎沉差值,防止和延緩反射裂縫最優(yōu)的加鋪層厚度范圍為10～14 cm;

(2) 瀝青混凝土模量的增加在一定程度上可以增大瀝青面層的應力,同時會減小彎沉差值;

(3) 對港務大道舊水泥混凝土瀝青加鋪層改造后,瀝青路面平整度、滲水系數、構造深度、彎沉等后期跟蹤數據均符合規(guī)范相關要求.說明西安市港務區(qū)港務大道舊水泥混凝土瀝青加鋪改造方案和施工技術的可行性,可為其他舊路改建項目提供良好的參考價值.

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AsphaltOverlayonOldCementConcretePavement

RenXintao1,2

(1. Xi’an International Port Municipal Supporting Company, Xi’an 710026, China; 2. School of Highway, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In order to solve the problem of reflection crack of asphalt overlay on old cement concrete pavement, the asphalt overlay model was established with finite element analysis software to research how the thickness of asphalt overlay and the elastic modulus of the overlay affect the stress state of the overlay and the deflection difference, which can provide theoretical basis for pavement structure design. Based on the old cement concrete pavement reconstruction project of Gangwu Road in Xi’an International Trade and Logistics Park, the design of asphalt overlay is carried out and the operation effect is followed. The results show that the research results of this paper can effectively restrain the reflective cracks, and provide a reference for future maintenance and rebuilding of old cement concrete pavement concrete construction scheme.

old cement concrete pavement; asphalt overlay; reflection crack; thickness; elastic modulus

U 416.21

: A

【責任編輯:趙炬】

2017-03-22

國家西部交通建設科技資助項目(2009319812050).

任新濤(1983-),男,陜西咸陽人,西安國際陸港市政配套有限公司工程師,長安大學碩士研究生.

2095-5456(2017)04-0330-05