乳化沥青冷再生路面纵向裂缝形态与开裂机理分析

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(1.江西赣粤高速公路股份有限公司，江西 南昌 330025；2.江苏中路工程技术研究院有限公司，江苏 南京 211806)

0 引言

高速公路沥青路面大中修或改扩建工程翻挖、铣刨的沥青混合料被废弃，一方面造成环境污染，另一方面是资源的极大浪费。乳化沥青冷再生路面具有施工方便、性能达到普通热拌沥青混合料要求、节省施工费用等技术特点，该技术诞生以来在国内外都得到广泛的应用。2004年沪宁高速扩建工程应用乳化沥青冷再生路面，2005年西宝高速公路大修中工程中采用厂拌冷再生技术，并试铺了2 km的试验路段，2006年江西省昌九、九景高速公路技改工程开启了乳化沥青冷再生路面的规模化应用。2008年我国发布了《公路沥青路面再生技术规范(JTG F41-2008)》，该规范主要包括原材料要求、乳化沥青冷再生混合料配合比设计、施工工艺、施工质量控制和验收标准。国内经过几十年的研究，对乳化沥青冷再生技术的研究主要集中在路面材料配合比设计和室内路用性能评价方面，但对其路面长期性能的发展，尤其是冷再生路面裂缝开裂原因及机理研究极为缺乏。因此本文拟以国内南方某高速公路乳化沥青冷再生路面为研究对象，开展现场裂缝调研及裂缝形态分析统计，通过大型通用有限元软件ABAQUS建模分析，研究纵向裂缝的开裂机理，为促进乳化沥青冷再生路面的进一步推广应用提供技术支撑。

1 纵向裂缝形态现场调查与统计分析

1.1 现场调查情况简介

本次调查依托南方某冷再生路面，该高速公路于2009年大面积铺开冷再生技术改造工作，冷再生技术改造路段全长108.5 km，技改后有2种冷再生路面结构形式，如图1所示。

a)结构1b)结构2

通过对该高速公路的现场调研，共选取了23个断面的纵向裂缝进行了取芯，针对不同断面的不同位置，共计取得92个芯样，对冷再生路面的纵向裂缝特征进行深入分析。

1.2 纵向裂缝形态分析

通过对芯样的裂缝形态分析总结，乳化沥青冷再生路面结构纵向裂缝主要有以下几种形态。

1.2.1 “自上而下”型纵缝

乳化沥青冷再生沥青路面的一种典型纵缝形态如图2所示，在整个断面上，裂缝仅在面层发生，而基层没有裂缝，裂缝自路表产生后逐步往下发展，是一种明显的“自上而下”型纵缝，即Top-Down开裂。

a)结构1

b)结构2

1.2.2 “上下发展、中间未开裂”型纵缝

除Top-Down开裂以外，冷再生路面的另一种纵缝形态如图3所示，在整个断面上，面层和半刚性基层均发生开裂，但裂缝没有完全贯穿，面层中部没有裂缝产生，该类型纵缝可称为“上下发展、中间未开裂”型纵缝。与“自上而下型”裂缝不同的是，该类型纵缝伴随半刚性基层开裂，且基层与路表裂缝同时向中间发展，是一种复合型开裂模式。

1.2.3 “上下发展、中间局部贯穿”型纵缝

图4给出了冷再生沥青路面的第3种纵缝形态，在断面的部分位置裂缝出现贯穿，但是仍有部门区域存在中部未开裂的现象(与第2种裂缝形态相同)，表现出整体断面局部发生贯穿，可称之为“上下发展、局部贯穿”型纵缝。分析认为，该裂缝形态为“上下发展、中间未开裂”型纵缝进一步发展而来，随着荷载的作用，纵缝部分位置的面层、基层裂缝逐渐贯穿，而其他位置没有完全贯穿，导致第3种裂缝形态的产生。

a)结构1

b)结构2

a)结构1

b)结构2

1.2.4 纵向裂缝统计分析

从该高速公路的病害特征选取了23处纵缝进行取芯，纵缝处裂缝形态统计如图5所示。从选取的裂缝表现出来的形态可以看出，该高速纵向裂缝“自上而下”的裂缝居多，达到61.5%，说明乳化沥青冷再生沥青路面纵缝的主要类型为Top-Down开裂；上下发展型(包含中间未开裂、局部贯穿)占比接近40%，说明半刚性基层开裂是导致纵缝形成的因素之一。

图5 裂缝不同形态统计

2 路面结构三维有限元模型建立与计算

采用大型通用有限元软件ABAQUS，建立路面结构三维有限元模型。模型假设条件如下：

1)路面结构类型及参数：本文的研究对象以该高速冷再生基层沥青路面为基础，其路面结构如表1所示。各结构层模量均采用15 ℃、10 Hz条件下的动态模量，具体取值如表1所示。

表1 原路面结构组合及材料参数取值厚度/cm材料类型弹性模量/MPa泊松比4改性AC-13100000 36改性AC-20108540 36AC-20110000 312冷再生沥青混合料62880 320水泥稳定碎石210510 2530级配碎石3000 35/土基400 4

2)荷载模型：根据已有的研究成果，采用的非均布矩形荷载分布模式，具体荷载大小及形状数据如图6所示，单轮的总荷载为25 kN。

图6 非均布矩形荷载分布图(单位：cm)

3)边界条件与层间接触：模型的底面采用完全约束，限制其在3个方向的平动和转动，模型的4个侧面均约束x与z方向的平动，允许其在y方向上发生位移。现场取芯表明，各结构层之间粘结状态良好，因此，本文分析时假定各结构层之间均完全连续。

4)模型几何尺寸和网格划分路面结构整体的有限元模型尺寸为长度3 m×宽度3 m×深度2 m，荷载模型位于路面表层的中央位置，两轮胎中心线与路面纵向中心线一致。为了后续分析方便，后文中称长度方向为纵向，即行车方向，宽度方向为横向，深度方向为竖向。在模型宽度方向上网格划分采取由粗及细的渐进式网格，单元宽度从424 mm逐渐过渡到34 mm。

3 基于力学响应的纵向Top-Down裂缝开裂机理分析

考虑到纵向Top-Down裂缝是冷再生沥青路面的主要类型，本节通过有限元力学响应计算，分别分析路面结构组合、温度、重载交通等因素对路面力学响应的影响，重点分析路表及上面层拉应力、剪应力的变化规律，分析导致Top-Down开裂的关键影响因素，研究Top-Down裂缝的开裂机理。

3.1 路面结构力学响应分析

通过有限元分析计算，可以得到路面结构在交通荷载下的力学响应。竖向剪应力s12在深度方向上的分布如图7所示，最大剪应力点的坐标为(1.675，1.99，1.39)，大小为0.195 MPa，在路面结构中的位置为：路表以下1 cm、轮胎中间花纹两侧边缘偏纵向端部处。考虑到沥青混合料的抗剪强度一般为0.3～0.6 MPa，路面结构在剪应力的重复作用下容易发生Top-Down开裂。另外，在深度方向上剪应力先增大后减小，且在最大剪应力下方2 cm内减小速度很快，快速降至一个较低的应力水平。因此，可以得出：轮胎荷载导致的剪应力主要集中在路表下方3 cm以内的区域，对其它区域影响不大。

图7 竖向剪应力s12在深度方向的分布曲线

横向拉应力对Top-Down裂缝的形成也有着很大的影响，横向拉应力s11在整个路面结构中的分布如图8所示。可以看出，横向拉应力最大值点位于水稳基层底部，而路表拉应力的分布为：荷载区域均为负值，靠近模型边界处为正值。也就是说，荷载区横向为受压状态，不会导致Top-Down开裂，且轮迹下方压应力较大，双轮中心压应力较小。进一步分析荷载区横向拉应力、应变，通过计算得出拉应力虽然为负值(-0.015 7 MPa)，但是拉应变为正值(4με)。这是由于在三维应力状态下，横向拉应力不仅与横向拉应变有关，还与其它两个方向的正应变有关，本案例中由于横向拉应变过小，其它方向的应变对拉应力影响更大。即使从拉应变的角度来看，4με也远小于沥青混合料的疲劳极限(一般认为是70με)，材料不会因为受拉而导致开裂。

图8 路面结构横向拉应力s11分布图

3.2 温度条件的影响规律分析

沥青混合料的材料特性随着温度变化而变化，例如材料强度与模量一般随温度升高而降低。因此，必须分析温度条件变化时路面结构力学响应的变化。之前的计算模量取值均为15 ℃条件，分析路面夏季夜间和秋季白天的温度范围，需开展路面材料在30 ℃条件下的结构应力响应分析，30 ℃条件下的材料模量取值如表2所示。

表2 30℃条件下的路面材料参数取值材料类型弹性模量/MPa材料类型弹性模量/MPa改性AC-132590水泥稳定碎石21051改性AC-202814级配碎石300AC-202850土基40冷再生沥青混合料2288

通过建模计算分析，最大剪应力的位置没有发生变化，大小为0.194 MPa(原路面计算结果为0.195 MPa)，与原路面计算结果基本相同(略微有所减小)，即温度变化对路表荷载区的剪应力影响很小，可以忽略不计。双轮中心线处拉应力最大为0.074 MPa，最大拉应变为34με，均较15 ℃条件下的结果明显增大。考虑到沥青混合料的抗拉强度一般为1 MPa左右，拉应力对Top-Down开裂的影响依然不大，但是温度升高会导致拉应力的影响越来越大，路面在拉应力、剪应力的综合作用下发生Top-Down开裂的可能性也会更大，不同温度条件下的力学响应对比汇总于表3。

表3 不同温度条件下的力学响应对比温度/℃最大剪应力/MPa横向最大拉应力/MPa横向最大拉应变150 195-0 016 4με300 1940 07434με

3.3 重载交通的影响规律分析

由于该段高速交通量较大，且重载货车所占比例较多，而交通荷载将直接影响路面结构的受力状态，因此，有必要对重载条件下的路面结构力学响应进行分析。本节将标准荷载提高50%，即单轮荷载从25 kN提高至37.5 kN，分析路面结构的力学响应。经计算可知最大剪应力的大小为0.342 MPa，较标准轴载下增大了1.75倍，倍数要大于荷载增大倍数1.5，可见剪应力不是随着荷载增加而同比例增加的，而是非线性增加，反映出重载交通对路面Top-Down裂缝的形成影响很大。

进一步分析重载条件下剪应力在深度方向的分布，结果如图9所示。可以看出，最大剪应力位于路表下方2 cm处，而不是标准轴载下的1 cm，即重载会导致最大剪应力位置下移。而且，路表以下约6 cm范围内的应力水平均较大，剪应力在深度方向上的衰变速度明显减小，说明重载会导致剪应力在深度方向上分布的更加广泛，影响面积更大，也更容易导致Top-Down的产生。

图9 重载条件下竖向剪应力在深度方向上的分布

重载与标准荷载下的力学响应汇总于表4，可见，除了剪应力增大至1.75倍以外，拉应力和拉应变都大幅度增加，即重载会导致拉应力对Top-Down的贡献增加，使得路面在拉应力、剪应力的综合作用下而开裂。

表4 不同荷载条件下的力学响应对比荷载条件最大剪应力/MPa横向拉应力/MPa横向拉应变标准荷载0 195-0 016 4με重载(150%标准荷载)0 3420 02677με(1 75倍)/(19倍)注：括号内值为增大倍数。

4 结论

通过本文研究，得出以下结论：

1)纵缝形态可分为自上而下型、上下发展而中间未开裂型、上下发展而中间局部贯穿型3种，第1种形态属于传统Top-Down开裂，是纵缝的主要类型；后面2种均为复合型开裂模式，说明半刚性基层开裂是导致纵缝形成的因素之一。

2)从受力状态的角度来分析，轮迹带附近的竖向剪应力是引起路面Top-Down开裂的主要因素，路表横向拉应力对Top-Down开裂的影响很小。而且，最大剪应力的位置位于路表以下1 cm处，说明路表附近可能最先产生Top-Down裂缝。

3)温度升高时，路表剪应变明显增大，但剪应力基本不变。考虑到材料强度随温度升高一般会发生降低，路面在中高温条件下将更容易发生Top-Down开裂。而且，温度升高会导致拉应力的影响越来越大，路面在拉应力、剪应力的综合作用下加速Top-Down开裂。

4)在重载或超载条件下，由于轮胎-路面接触应力会发生重分布，导致剪应力增加的幅度大于荷载增加的幅度，且重载会导致剪应力在深度方向上影响面积更大以及拉应力的增大，说明重载交通是导致Top-Down开裂的重要因素之一。

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