旧水泥混凝土路面沥青加铺层

任 新 涛

(1. 西安国际陆港市政配套有限公司, 陕西 西安 710026; 2. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)

旧水泥混凝土路面沥青加铺层

任 新 涛1,2

(1. 西安国际陆港市政配套有限公司, 陕西 西安 710026; 2. 长安大学 公路学院, 陕西 西安 710064)

为了防止旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝的产生,通过有限元分析软件建立了沥青加铺层实体模型,研究了沥青加铺层厚度、沥青加铺层弹性模量等参数对沥青加铺层应力状态及裂缝两侧弯沉差值的影响,为路面结构设计提供理论依据.以西安国际港务区港务大道为工程依托,在上述研究成果的基础上对港务大道加铺层进行设计,并对后期运营效果进行跟踪,跟踪数据表明,研究成果能够有效抑制沥青加铺层反射裂缝的产生,并为将来旧水泥混凝上路面的改建和维修等施工方案提供参考.

旧水泥混凝土路面; 沥青加铺层; 反射裂缝; 厚度; 弹性模量

目前中国已经成为拥有最多水泥混凝土路面里程的国家,根据相关调查,截至2016年年底,全国建成有铺装路面近150万km,其中水泥混凝土路面达到了110万km,占到了全国总里程的73.3%[1-2].随着交通量的迅猛发展,重载车辆比例的不断增加,以及现场施工质量控制不到位等众多因素的综合影响,一些水泥混凝土路面还没有达到使用年限,便出现了各种各样的病害问题,缩短了道路使用寿命,影响了行车舒适性[2].因此加快对旧水泥混凝土路面改造技术研究成为道路工程师必须面对的一项艰巨挑战.

近年来,许多学者和专家对旧水泥混凝土路面沥青加铺改造技术进行了研究,提出了该方法相比清除重铺法、冲击压实法等改造技术的优势.2008年杨海平通过建立力学模型分析了应力吸收层和玻璃纤维网对加铺层裂缝的缓解程度,并提出了控制反射裂缝的有效措施[3];2013年C.Rabaiotti建立了苏黎世国际机场的三条水泥混凝土面层跑道修正有限元模型,并对路面结构进行了分析[4];2016年姚新宇提出在加铺层设计和施工中,通过约束中面层细集料的偏移和粗集料压碎值的方式来提高加铺层抗车辙能力[5].由于旧水泥混凝土路面接缝处沥青加铺层易产生反射裂缝,缩短了加铺层使用寿命[6].因此,如何延缓与控制反射裂缝是沥青加铺层设计的关键,至今仍是道路工程界面临的一大难题.本文以西安国际港务区港务大道为研究对象,在分析沥青混凝土加铺层参数对反射裂缝影响的基础上对港务大道加铺层进行设计,并对后期运营效果进行跟踪,为旧水泥混凝土路面改造技术在实际改造工程中的应用提供指导.

1 加铺层参数分析

为了有效控制和减少后期加铺沥青层反射裂缝的产生,通过有限元软件ANSYS建立与实际情况相对应的有限元模型,分别研究沥青加铺层厚度、沥青加铺层弹性模量等参数对沥青加铺层应力状态及裂缝两侧弯沉差值的影响,为路面结构设计提供理论依据.在建立模型中各结构层做如下假设[7]:

(1) 假定三种结构均满足均匀、连续、各向同性的特点;

(2) 各层之间位移均保持连续;

(3) 旧水泥混凝土路面接缝宽度模拟为1 cm,且在接缝处不传递载荷;

(4) 只分析结构在静载作用下的受力性能;

(5) 假定地基底面各向位移以及侧面水平方向位移均为零,沥青加铺层和旧水泥混凝土层在两端横截面上水平位移为零.

模型中地基扩大基础尺寸[8]拟定为12 m×6 m×9 m,沥青混凝土路面取宽4.5 m,长9 m.为了研究沥青加铺层厚度变化对加铺层结构受力影响,加铺层厚度取8～22 cm,混凝土层厚度取24 cm.加铺层结构的计算参数见表1,为了对沥青混凝土加铺层厚度、弹性模量等参数进行变量研究,分别取其为变量.

表1 加铺层结构计算参数Table 1 Calculating parameters of overlay structure

模型中载荷取标准轴载BZZ-100,轮胎内压取0.7 MPa,布载方式见图1,车轮间距32 cm,两侧轮隙距离182 cm.如图2所示,受力分析中将沥青混凝土面层底部A点作为应力控制点,旧水泥混凝土板裂缝或接缝两侧的点1和点2作为弯沉及弯沉差控制点[9].结构计算模型见图3,对加铺层载荷计算分析时,主要关注沥青加铺层应力控制点的最大拉应力及弯沉差值.

图1 载荷施加示意图Fig.1 Diagram of load application

图2 接缝处车轮载荷示意图Fig.2 Wheel load at joint

图3 结构计算模型Fig.3 Structural calculation model

1.1沥青加铺层的厚度对加铺层结构的影响

为了保证旧水泥混凝土沥青加铺层厚度取值的合理性,本文通过不同沥青加铺层厚度得到应力与沥青加铺层厚度之间的关系.沥青混凝土加铺层厚度分别取8、10、12、14、16、18、20、22 cm,其余参数参考表1.加铺层厚度对接缝处加铺层影响情况见表2及图4.

表2 沥青加铺层厚度、应力及弯沉差值

图4 接缝处载荷应力及弯沉值随加铺层厚度的变化图

图4左侧坐标表示沥青加铺层底部A点拉应力值,右侧坐标表示沥青加铺层点1、点2之间的弯沉差值.由表2、图4分析可知,随着沥青加铺层厚度的不断增加,A点拉应力和点1、点2之间的弯沉差值逐渐变小.当沥青加铺层厚度为8 cm时应力控制点A处的拉应力σA为0.208 MPa,加铺层厚度为22 cm时拉应力σA为0.078 MPa,减少了62.5%;其中加铺层厚度为8～10 cm范围内时拉应力σA的减少速度较快,加铺层厚度每增加1 cm,应力平均减小0.034 MPa;加铺层厚度为10～22 cm范围时拉应力减少慢,速率仅为0.005 2 MPa/cm.加铺层点1、点2之间的弯沉差值随着加铺厚度的增加逐渐减小,即由0.018 mm降低到0.008 mm,降幅达到55.6%,且加铺层厚度8～14 cm时弯沉差值减小速率快,超过14 cm范围后减小速率减慢.研究表明,随着加铺层厚度的增加,加铺层层底A点应力和弯沉差值都得到了明显的抑制,在一定程度内能够起到预防和延缓反射裂缝的作用.

1.2混合料模量对加铺层结构的影响

作为一种粘弹性材料,沥青混合料的弹性模量受组成材料、配合比例以及温度影响较大.混合料弹性模量的变化会对沥青加铺层底部应力值以及弯沉差值产生影响.在有限元计算模型中加铺层厚度取12 cm,沥青加铺层模量分别取800、1 000、1 200、1 400、1 600、1 800、2 000 MPa,其余参数参考表1.混合料模量变化对沥青加铺层应力及弯沉差值计算结果见表3及图5.

表3 混合料模量、应力及弯沉差值

图5 接缝处载荷应力及弯沉差值随混合料模量的变化图

图5左侧坐标表示沥青加铺层底部A点拉应力值,右侧坐标表示沥青加铺层点1和点2之间的弯沉差值.随着加铺层弹性模量的变化,沥青加铺层底部A点拉应力和点1、点2之间的弯沉差值均受到影响.当沥青混合料弹性模量取800 MPa时,应力控制点的拉应力σA为0.101 MPa,当混合料弹性模量增加到2000 MPa时拉应力σA增加到0.149 MPa,增加了近47.5%,且随着加铺层模量的增加,接缝处沥青面层应力增大速率越来越慢;同时加铺层点1和点2之间的弯沉差值由0.017 mm降到0.010 3 mm,降幅达39.4%,当沥青混凝土模量在1 600 MPa以上时,对接缝两侧沥青加铺层弯沉差值的影响越来越小.

对表3及图5的分析得出,通过增加沥青混凝土模量,能够减小沥青加铺层层底点1和点2之间的弯沉差值,但也会导致沥青面层拉应力的增大.但当沥青混合料配合比确定时,其弹性模量是确定的,无法人为地进行改变.因此,通过改变沥青混凝土弹性模量来预防和控制反射裂缝的效果并不理想.

2 工程依托

2.1工程概况

西安国际港务区港务大道是港务区内一条贯通南北的主干道,港务大道红线宽度为60 m,机动车道为双向六车道.港务大道总长度为5.6 km,南端连接新筑立交桥,北端连接秦汉大道.港兴路以北200 m至秦汉大道段现状机动车道为水泥混凝土路面,具体结构为

24 cm的C30水泥混凝土;25 cm的二灰碎石(m(石灰)∶m(粉煤灰)∶m(级配碎石)=8∶17∶75 );30 cm的灰土(V(石灰)∶V(粘土)=1∶6);压实路床(重型压实);总厚度为79 cm.

通过对西安国际港务区港务大道路面损坏状况、接缝传荷能力、板底脱空状况及旧混凝土路面结构参数的检测和调查,西安国际港务区港务大道局部路段路面裂缝和板块断裂较多,个别路段接缝料损失较严重.从现场调查和检测也可以看出,路面裂缝、板块断裂、接缝料损失是西安国际港务区港务大道既有水泥混凝土路面的主要问题.

2.2加铺层设计

针对西安市港务区港务大道具体情况,综合考虑上述研究成果以及国内各种设计方法的经验,取沥青加铺路面结构组合如下:

上面层为4 cm的SBS改性沥青混凝土(AC-13);粘层油用量为0.3 kg/m2;下面层为6 cm中粒式沥青混凝土(AC-20);1 cm橡胶应力吸收层S12,用量为1.4 kg/m2;1 cm橡胶应力吸收层S9,用量为2.2 kg/m2;铺设一层防裂帖;基层为病害处理后现状砼面板.总厚度10 cm,沥青面层压实度≥96%(以马歇尔试验密度为标准密度).

沥青原材料分为沥青、粗集料、细集料及填料,为了保证沥青加铺层的使用性能和耐久性必须严控原材料质量,并做好沥青混凝土配合比设计.

2.3后期跟踪

于港务大道改造完成6个月后分别对改造后沥青路面平整度、渗水系数、构造深度、弯沉进行观测,观测结果分见表4～表7.

表4 平整度检测结果汇总Table 4 Summary of flatness detection results

表5 渗水系数检测结果汇总Table 5 Summary of test results of seepage coefficient mL/min

表6 构造深度检测结果汇总Table 6 Summary of the results of structural depth detection mm

表7 弯沉检测结果汇总Table 7 Summary of results of flexure detection μm

由表4～表7得出,港务大道旧水泥混凝土沥青加铺层改造后沥青路面平整度、渗水系数、构造深度、弯沉均符合规范相关要求.综上所述,港务大道旧水泥混凝土路面沥青加铺层改造最终取得了良好效果,证明了西安市港务区港务大道旧水泥混凝土沥青加铺改造方案和施工技术的可行性,同时可为其他旧路改建项目提供良好的参考价值和意义.

3 结 论

通过旧水泥混凝土沥青加铺层厚度、沥青弹性模量等因素对受力效果影响的研究,提出了沥青加铺层合理设计参数范围,并在港务大道旧水泥混凝土路面改造中进行了应用.研究表明:

(1) 旧水泥混凝土沥青加铺层厚度的增加会减小接缝处沥青加铺层层底载荷应力及弯沉差值,防止和延缓反射裂缝最优的加铺层厚度范围为10～14 cm;

(2) 沥青混凝土模量的增加在一定程度上可以增大沥青面层的应力,同时会减小弯沉差值;

(3) 对港务大道旧水泥混凝土沥青加铺层改造后,沥青路面平整度、渗水系数、构造深度、弯沉等后期跟踪数据均符合规范相关要求.说明西安市港务区港务大道旧水泥混凝土沥青加铺改造方案和施工技术的可行性,可为其他旧路改建项目提供良好的参考价值.

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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

【责任编辑:赵炬】

2017-03-22

国家西部交通建设科技资助项目(2009319812050).

任新涛(1983-),男,陕西咸阳人,西安国际陆港市政配套有限公司工程师,长安大学硕士研究生.

2095-5456(2017)04-0330-05