CCP加铺沥青路面的力学性能监测研究

吕惠卿，张湘伟，尹应梅，陈文滔

(1.广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州，510006；2.广东工业大学 机电学院，广东 广州，510006)



CCP加铺沥青路面的力学性能监测研究

吕惠卿1，张湘伟2，尹应梅1，陈文滔1

(1.广东工业大学 土木与交通工程学院，广东 广州，510006；2.广东工业大学 机电学院，广东 广州，510006)

为获取破损水泥混凝土路面(CCP)加铺半刚性基层沥青面层结构内部的工作信息，在试验路段施工过程中埋设传感器，监测温度、湿度和荷载多物理场作用下路面半刚性基层内应变及温度变化规律，得出了施工完毕运营初期和运营期间半刚性基层顶部和底部的应变变化情况。监测结果显示：基层的力学响应受旧水泥混凝土路面的影响较大，控制破损水泥混凝土路面加铺半刚性基层沥青面层反射裂缝的关键是保持旧水泥路面的稳定及半刚性基层的整体稳定性。

道路工程；力学性能；应变监测；加铺沥青路面

破损水泥混凝土路面加铺半刚性基层沥青面层涉及到不同类型的材料，沥青材料本身具有复杂本构关系[1]，旧混凝土板有接裂缝，道路本身的不平整度，层间接触情况等复杂性[2]，使得影响结构耦合行为的因素更复杂[3]，该结构的早期破损已引起学者们普遍关注[4]。为获取路面结构内部的工作信息，在野外环境下监测多物理场作用下各结构层内温度场及应变变化规律,可以为路面结构破坏多场耦合动力学模型建立和本构模型参数的反演提供理论依据和参数依据[5-6]。S.M.Kim，等[7]将振弦式应变计(VWSG)和温度传感器埋入路面结构内,研究了水泥混凝土路面加铺水泥混凝土路面受气候荷载作用时各结构层的变形。Zhou Zhi，等[8]和董泽蛟，等[9]利用光纤光栅传感监测研究了高速公路各结构层的三维应变。

笔者基于振弦式传感器和半导体类电压型温度传感器组成监测系统[10]研究了路面结构在行车荷载、温度及湿度多物理场的作用下，半刚性基层的力学响应变化规律，并分析水泥路面加铺沥青路面结构破坏的关键技术参数的情况。

1 试验路工程背景

试验路段位于G321线广东高要小湘与德庆之间，采用二级公路技术标准, 设计速度为60 km/h。根据现有路况情况，在对旧水泥混凝土路面进行处治后，采用沥青混凝土面层进行加铺处理，以恢复路面的表面性能，改善路面的行驶质量。路面横断面结构如图1。

2 监测手段

在施工过程中埋设振弦式传感器和温度传感器监测半刚性基层的材料特征和力学响应的变化过程。传感器的布置情况如图2。在水泥混凝土路面顶面(即铺基层之前)预埋应变计，并且在新加铺水泥稳定碎石基层上面(即铺面层之前)预埋应变计。

图2 传感器的布置情况Fig.2 Sensors embedded in the pavement

为避免摊铺机在施工过程中对传感器的碾压及移位，采取了相应的保护措施。首先对应变传感器做了耐压保护，在薄弱部位通过钢管保护。为了避免传感器在施工过程中移位，旧水泥路面顶面的传感器通过支座固定在路面结构中，基层顶面传感器的定位依靠定位槽实现〔基层施工中放置预制块预留埋置传感器的空间，见图2(b)〕。同时传感器在横断面埋设位置避免摊铺机履带的碾压，以此来保护传感器。

3 路面结构应变场和温度场监测

野外环境下，温度、湿度(雨水)及行车载荷多物理场的作用，引起路面结构材料的弹性模量等物理属性、材料的本构关系及层间接触状态发生变化，路面结构的时变性对路面结构的力学响应及使用性能有很大的影响。利用有限元分析软件进行力学分析时，力学分析模型很难建立准确，或者造成数值计算上的困难。路面结构组成不同，对不同层次材料的要求也是不同的。根据不同层次的受力状况，设计出符合路面结构要求的材料，真正将材料组成设计与路面结构设计结合起来，对于减少白加黑路面的早期损坏，改善其使用性能并延长使用寿命具有重要的理论意义和重大的实用价值。

3.1 开放交通后第1周的监测结果

在路面施工结束后，开放交通的第1周内每天对路面结构进行连续测量。测量方法为分别采取对路面两个预埋应变计的点进行检测，其中每个点包括基层底部和基层顶部的纵向及横向的应变测量数据，统计数据见表1。测点1的桩号为广州往德庆方向的右幅K132+611，路面结构形式如表1。

表1 试验路的结构

试验路段温度场和应变场监测结果见表2、图3及图4。

表2 试验路段温度场和应变场监测结果

由表2可以看出，该类型路面结构17:00左右沥青路面顶面的温度高于气温，水泥稳定基层顶部的温度高于沥青面层，10-26 T 18:35，AC面层的最高温差为2.9 ℃，温度梯度为29 ℃/m；水泥稳定基层顶面的温度高于旧水泥路面顶面，温度梯度最大值出现在10-27 T 15:20，为5.1 ℃,温度梯度为26 ℃/m。由于旧PCC板、水泥稳定碎石基层、AC面层的热膨胀系数、热传导率和热辐射能力不同，层间的接触条件，以及旧路破碎稳固的处置方式，路面结构是一个静不定的不连续结构，其应变场比较复杂。由表2可以看出，下午时分，水泥稳定碎石基层顶面的温度高于路面温度高于AC面层，旧PCC板顶面的温度低于水泥稳定碎石基层顶面的温度。

图3 基层底面应变Fig.3 Strain at the bottom of the base

图4 基层顶面应变Fig.4 Strain at the top of the base

由图3可以看出，温度升高，基层底部纵向受拉，温度每上升1 ℃，纵向拉应变为5.6 με；但是随着温度升高，基层底部横向收缩，温度每上升1 ℃，横向压应变为8 με。

由图4可以看出，温度升高，基层顶部纵向受拉，温度每上升1 ℃，纵向拉应变为3.7 με；但是随着温度升高，基层顶部横向也受拉，温度每上升1 ℃，横向压应变为3.4 με。

3.2 运营期间不同月份的的监测结果

利用全自动网络数据采集系统监测路面结构运营期间应变状况。它由传感器、GSM无线远程摇控开关、数据采集模块、数据接收模块、计算机和数据管理软件组成，如图5。GSM无线远程摇控开关可持续、稳定24 h不间断长年可靠地运行，用手机拨打一个电话号码或发一条短信即可以控制测量地放置的数据采集模块(MCU)主站的通电和断电。运营期间数据采样频率为5 Hz，为间断采样测试。

图5 全自动监试系统的组成Fig.5 Automatic monitoring system

3.2.1 基层顶部纵向应变监测结果

图6是基层顶部纵向应变长期监测的结果。由图6可以看出：随着季节变化，从2011-09-18—2011-12-19气温及路面温度总体下降，面层底部由于温度引起收缩应变；从2012-01-07—2012-04-20面层由于温度引起拉应变。从2011-09-18—2011-10-07，温度引起的面层底部应变变化为25 με，从2011-10-07—2011-12-26总体受压，应变变化为80 με。从2011-12-26—2012-04-30因气温升高，由气温引起的拉应变大约为65 με。同时由2012-02-26和2012-04-17的监测结果可以看出，17：00左右面层底部的温度最高，纵向拉应变较大；10：00—11：00基层顶部的温度较17：00低，17：00拉应变增加到最大。从2012-03-11—2012-04-30拉应变增加20 με左右。在应变采集数据位5 Hz时，可以采集到瞬时行车荷载引起面层底部纵拉应变的情况，在随机行车荷载作用下，由于荷载位置不同，基层顶部可能受压，也可能受拉，应变变化大约为-20～ 40 με。

图6 基层顶部纵向应变Fig.6 Longitudinal strain at the top of the base

3.2.2 基层顶部横向应变监测结果

图7是基层顶部横向应变长期监测的结果。由图7可知：随着季节变化，从2011-09-18—2011-12-19气温及路面温度总体下降，基层顶部由于温度引起收缩应变；从2011-12—2012-04基层由于温度引起拉应变。从2011-09—2011-11，温度引起的基层顶部横向应变变化为40 με；从2011-11—2011-12总体受压，变化5～10 με。从2011-12—2012-02气温升高，由气温引起的拉应变大约为25 με。同时由2012-02-26的监测结果可以看出，17：00左右基层顶部的温度最高，拉应变较大；10:00—11:00基层顶部的温度较17:00低，17:00拉应变增加到最大。从2012-03—2012-04拉应变增加约20 με。在应变采集数据为5 Hz时，可以采集到瞬时行车荷载引起基层顶部横向拉应变的情况，在随机行车荷载作用，基层顶部可能受压，也可能受拉，应变变化大约为-20～ 40 με。

图7 基层顶部横向应变Fig.7 Transverse strain at the top of the base

3.2.3 基层底部纵向应变监测结果

图8是水泥稳定碎石基层底部纵向应变长期监测的结果。由图8可知：从2011-09-18—2011-12-26基层底部纵向应变变化260 με，从2011-12-26—2012-02-26日基层底部变化110 με，从2012-02-26日—2012-03-11变化140 με，监测期间水泥稳定碎石基层的最大纵向应变为260 με。由于旧水泥路面采用冲击破碎稳固的方式，运营期间在高温多雨重载的影响下，接裂缝及层间接触状态的发生变化,使得水泥稳定碎石基层底部的应变在运营期间变化较大。同时在应变数据采集频率为5 Hz时，采集到瞬时行车荷载引起基层底部纵向应变的情况，在随机行车荷载作用，基层底部可能受压，也可能受拉，应变变化大约为-30～30 με。

图8 基层底部纵应变Fig.8 Longitudinal strain at the bottom of the base

3.2.4 基层底部横向应变监测结果

图9是水泥稳定碎石基层层底部横向应变长期监测结果。由图9可以看出，从2011-09-18—2011-12-26基层底部应变变化130 με，从2011-12-26—2012-02-26基层底部变化40 με，从2012-02-26—2012-03-11变化55 με，监测期间水泥稳定碎石基层的最大纵向应变为130 με。在随机行车荷载作用，基层底部可能受压，也可能受拉，横向应变采集的几率较纵向大，应变变化大约为-15～25 με。

图9 基层底部横向应变Fig.9 Transverse strain at the bottom of the base

4 结 论

通过对G321破损水泥混凝土加铺水泥稳定碎石基层沥青面层试验路段的监测得出以下结论：

1)加铺路面结构在运营初期，水泥稳定碎石基层顶部和底部的温度应变变化表现出良好的线性规律。温度升高，水泥稳定碎石基层顶部的纵向受沥青面层的影响较大，温度每升高1 ℃，纵向拉应变为3.7 με，横向拉应变为3.4 με。基层底部的纵向拉应变为5.8 με，横向为-8 με。由于旧水泥路面采用冲击破碎稳固的方式，基层底部的温度应变关系受旧路面板的影响较大。

2)路面结构在温度、湿度(雨水)及行车载荷多物理场的作用后，基层顶部与底部表现出不同的力学响应特性。温度降低，基层顶部纵向应变和横向应变减少，温度升高，纵向和横向应变增加，在监测期间最大应变约为65 με。行车荷载引起的纵向应变约为-20～40 με，横向应变约为-20 ～40 με。由于旧水泥路面采用冲击破碎稳固的方式，运营期间在高温多雨重载的影响下，接裂缝及层间接触状态的发生变化，使得水泥稳定碎石基层底部的应变在运营期间变化较大，监测期间水泥稳定碎石基层的最大纵向应变约为260 με，最大纵向应变约为130 με。荷载引起的纵向应变约为-30～ 30 με，横向应变变化约为-15～ 25 με。由此可知，控制破损水泥混凝土路面加铺半刚性基层沥青面层反射裂缝的关键是保持旧水泥路面的稳定及半刚性基层的整体稳定性。

[1] Ghauch Z G,Abou-Jaoude G G.Strain response of hot-mix asphalt overlays in jointed plain concrete pavements due to reflective cracking [J].Computers & Structures,2013,124:38-46.

[2] Souza F V,Castro L S.Effect of temperature on the mechanical respon hermo-viscoelastic asphalt pavements[J].Construction and Building Materials,2012,30:574-582.

[3] Liu K,Wang F.Computer modeling mechanical analysis for asphalt overlay coupling action of temperature and loads[J].Procedia Engineering,2011,15:5338-5342.

[4] 弋晓明,张宏博,张瑜洪，等.旧水泥路破碎改造后加铺半刚性基层沥青路面结构破损机理分析[J].中外公路,2011,31(1):74-77. Yi Xiaoming,Zhang Hongbo,Zhang Yuhong et al.Damage mechanism analysis of the semi-rigid base asphalt pavement overlaying on the rubblized cement concrete pavement[J].Journal of China & Foreign Highway,2011,31(1):74-77.

[5] Qiang X,Lei L.Hydraulic-stress coupling effects on dynamic behavior of asphalt pavement structure material [J].Construction and Building Materials,2013,43:31-36.

[6] Xue Q,Liu L,Zhao Y,et al.Dynamic behavior of asphalt pavement structure under temperature-stress coupled loading[J].Applied Thermal Engineering,2013,53(1):1-7.

[7] Kim S M,Nelson P K.Experimental and numerical analyses of PCC overlays on PCC slabs-on-grade subjected to climatic loading[J] .International Journal of Solids and Structures,2004,41(3/4):785-800.

[8] Zhou Zhi,Liu Wanqiu,Huang Ying,et al.Optical fiber Bragg grating sensor assembly for 3D strain monitoring and its case study in highway pavement[J].Mechanical Systems and Signal Processing,2012,28:36-49.

[9] 董泽蛟,柳浩,谭忆秋,等.沥青路面三向应变响应现场实测研究[J].华南理工大学学报:自然科学版,2009,37 (7):46-51. Dong Zejiao Liu Hao,Tan Yiqiu et al.Field measurement of three direction strain response of asphalt pavement[J].Journal of South China University of Technology:Natural Science,2009,37 (7):46 -51.

[10] 吕惠卿，张湘伟，张荣辉.破损水泥混凝土路面加铺 AC路面的力学性能监测方法研究[J].公路交通科技:应用技术版,2010,6(6):121-124. Lv Huiqing,Zhang Xiangwei,Zhang Ronghui.Research on Mechanical property monitoring method for the asphalt pavement overlaying on the damaged cement concrete pavement[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2010,6(6):121-124.

Mechanical Property Monitoring on Asphalt Pavement Overlaying on CCP

Lv Huiqing1, Zhang Xiangwei2, Yin Yingmei1, Chen Wentao1

(1. Faculty of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, Guangdong, China; 2. Faculty of Electro-mechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, Guangdong, China)

In order to obtain the inner work information of semi-rigid base asphalt pavement overlaying on the damaged cement concrete pavement(CCP), the sensors were embedded in the test road during construction. And the strain and temprature vabiration of semi-rigid base under multiphysics, such as temperature, fluid and vehicle loads were monitored. The vibration of semi-rigid base at the beginning of and during the operation after completation were obtained. Based on the inspection results，it is known that the damaged cement concrete pavement has a very large influence on the mechanical response of base. Furthmore, keeping the stability old CCP and the integration of semi-rigid base is the key to control the reflective crack of semi-rigid base asphalt pavement on the damaged cement concrete pavement.

road engineering; mechanical property; strain monitoriration; asphalt pavement overlaying

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.09

2013-08-14；

2014-03-07

广东省自然科学基金项目(S2013040016232)；广东省交通运输厅科技项目(2011-02-007)；广东工业大学创新创业训练计划项目(xj201211845050)

吕惠卿(1976—)，女，河北保定人，讲师，博士，主要从道路工程方面的研究。E-mail：lhuiqing@163.com。

U416.2

A

1674-0696(2015)02-039-06