混凝土路面加铺沥青面层的力学响应分析和结构组合研究

朱仕卿

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司）

1 引言

采用热拌沥青面层加铺实现混凝土路面修复和提升，是一种技术可行、经济合理的方法，可提高现有道路结构承载能力、使用性能和行驶舒适性，降低路面胎噪。结合连云港市金海路改建项目，用有限元分析混凝土老路面加铺沥青时复合式面层的力学响应，确定满足设计指标的面层厚度和结构组合[1]。

2 面层类型

加铺的沥青面层承受车载、温度和湿度等作用，容易提前衰变和损坏，影响道路使用品质和寿命。结合本项目条件，对适用的沥青混合料特点分析如下。

1）MA混合料

集料为间断级配，粗集料、矿粉和沥青用量多，细集料少。特点：高温稳定性较强；抗水损性能、抗滑性、耐久性良好；低温抗裂性较好。

2）Superpave混合料

优化了普通密级配沥青混合料的矿料级配，设置级配控制点和禁区，空隙率小，高温抗车辙、抗水损及抗疲劳性能较好，施工压实难度略高。

3）AC混合料

粗型AC密级配沥青混合料，采用平滑S型级配曲线，具有适当空隙率，渗水性小，高温稳定性较好，表面有一定构造深度。

4）混合料的选用

金海路位于商业人口密集的赣榆区中心，交通改造困难，不能中断交通。SMA摊铺受温度影响大，难以解决短距离和人工摊铺；Superpave对施工机械要求高，地区施工经验不足，存在风险。

项目选用密级配改性沥青混凝土AC混合料，施工技术成熟、可靠性高，具备高温稳定性好、透水性小、和易性好、可摊铺薄层等特点。

3 加铺面层厚度与力学响应分析

3.1 荷载类型

单轴载双轮组BZZ-100，考虑一定比例重载。

3.2 力学响应分析

3.2.1 板底脱空的影响

混凝土面板断裂破坏主要是板底脱空、板角悬臂受力，有限元分析车载作用下20cm厚单层板的最大应力和板角挠度（见表1）。

未脱空板的应力和挠度小，随着脱空逐级增加，最大应力由板底变化至板顶，板底出现压应力，板角挠度增幅明显。所以要关注板角挠度产生后裂缝的发展、雨水下渗等导致脱空，路面板受力状态改变而产生板顶拉应力的情形，控制板角挠度。

表1 截面应力和板角挠度

3.2.2 复合式面层受力特点和参数作用

评价动载作用下复合式面层的受力特点和参数的影响，关系到沥青面层使用性能、使用年限和材料选用。材料参数按规范初步取值，调整数值以测试力学响应对参数的敏感性。

沥青面层厚度在4cm～16cm范围内与最大拉应力呈线性关系，厚度增加，拉应力减小；厚度大于10cm后减小不明显，应力曲线趋于相同。

混凝土面层厚度增加，最大拉应力减小。18cm～30cm范围内厚度增加时，拉应力减小较明显，30cm～40cm范围增加厚度不会显著减小拉应力。

沥青混凝土模量增加，层底水平剪应力增加，800MPa～1600MPa范围剪应力增幅稍大，1600MPa～2400MPa范围增幅略小，最大剪应力约14kPa。模量对弯沉差影响显著，模量宜大于1200MPa。

水泥混凝土模量对弯沉差的影响与沥青混凝土模量相似，但相关性偏弱。

对黏结良好的柔性面层与刚性基层的复合结构，接缝位置面层易产生反射裂缝，力学响应显示沥青层最大竖向剪应力发生在板边缘的沥青层底，接缝区竖向剪应力随沥青层模量增加线性增加。厚度10cm～16cm的沥青面层，表面向下的剪应力增加很快，某一深度达到最大值后逐渐减小。

3.2.3 各参数的力学响应分析

为确定参数对不同设计指标的影响程度，将参数按数值划分区间，设代表点位A～E。参数范围：沥青混凝土模量EAC为800MPa～2400MPa，厚度HC为4cm～16cm，泊松比νAC为0.1～0.4；水泥混凝土模 量EC为10GPa～40GPa，厚 度HC为18cm～32cm，泊松比νC为0.05～0.3；地基当量回弹模量Et为20MP～500MPa。

1）对沥青层底拉应力σb的影响

有限元分析不同参数下层底拉应力曲线，假定层间接触弹簧切向刚度因子为0.8，拉应力峰值见表2。

①EC和νC增加会引起层底拉应力增加。

②HC对控制层底拉应力作用显著，但超过30cm影响很小。

③不同HAC的拉应力：12cm层底最大拉应力1.19MPa，9cm层底最大拉应力1.76MPa，前者低47.9%。

表2 σb峰值/MPa

2）对沥青层表面拉应力σt的影响

①EAC和νAC增加会引起表面拉应力增加，EAC≥1600MPa时其对拉应力影响较明显，νAC对拉应力影响显著。

②增加HAC是控制表面拉应力最有效因素，HC、EC影响较小；适宜的HAC应大于10cm。

③为控制表面拉应力，HAC宜＞10cm，EAC宜≤1600MPa，Et宜≥100MPa，合理控制νAC。

3）对沥青层剪应力的影响

车载作用下沥青层底竖向剪应力为水平剪应力的5倍～10倍，不同参数的影响如下：

①HC=30cm是影响水平剪应力的折点，其他因素变化对水平剪应力的影响呈线性相关；

②竖向剪应力影响因素大小：EC、νC、HC。EAC、HAC和νAC影响相当。

4）对弯沉差的影响

除水泥混凝土泊松比外，其他参数增加均有利于控制弯沉差；沥青面层厚度和模量是控制弯沉差的关键因素。

3.3 结论

沥青加铺层厚以12cm为宜，可有效控制沥青层底和表面拉应力；水泥混凝土厚度宜为20cm～30cm。沥青混凝土模量宜为1200MP～1600MPa，水泥混凝土模量不宜小于20GPa，地基当量模量不宜小于100MPa。

4 加铺面层的结构组合

4.1 老路状况

老路面为30cm道渣+34cm二灰碎石基层+20cm水泥混凝土面层，面层混凝土厚度偏薄。检测显示板顶弯沉＜20（0.01mm）的板块约32.3%，弯沉＞20（0.01mm）的约67.7%，测试点弯沉偏大，应注浆以消除脱空、降低路表弯沉和板角挠度。

4.2 技术经济分析

9cm沥青加铺层造价约170元/m2，12cm约205元/m2，加铺面积202400m2，增加工程费用708.4万元，占道路工程费用（17329万元）的比例约4%，在可接受范围内。

金海路对路面表观质量和裂缝控制要求高，力学响应显示12cm加铺层的层底拉应力可降低47.9%，沥青层厚4cm～16cm范围内拉应力与层厚线性相关，厚度增加，层底/表面拉应力减小。增加加铺层厚度也可效控制弯沉差[2]。

因此，层厚增加的使用性能提升和经济效益明显，推荐12cm沥青加铺层。

4.3 加铺层结构组合

由上至下依次为：

4cmAC-13C（SBS改性）；

8cmAC-20C（SBS改性）；

玻纤格栅；

0.8 cm改性沥青封层；

AC-5沥青混合料调平层（敷防水土工布）；

沥青封缝；

20cm水泥混凝土面层（老路）；

36cm二灰碎石基层；

30cm道渣。

5 结语

项目交通导改困难，SMA和Superpave施工限制多、实施难度大，沥青加铺面层类型选用改性AC混合料，技术成熟、可靠性高。

老路混凝土厚度20cm，相比一般混凝土路面最小厚度22cm偏薄，混凝土厚度增加1cm相当于沥青路面厚度增加4cm。

9cm和12cm沥青加铺层的层底最大拉应力分别为1.76MPa、1.19MPa，其中1.76MPa超容许值；12cm加铺厚度更有利于控制表面拉应力、剪应力和弯沉差。

综合改造条件、力学响应、技术经济分析，确定沥青加铺面层厚为12cm，类型为改性AC混合料并确定结构组合。