劉國霞

（河北省寬城滿族自治縣交通運輸局）

由于瀝青加鋪結構中張開型反射裂縫的普遍性與嚴重性,為了系統分析各種瀝青加鋪結構的受力機理,尋找合理的瀝青加鋪結構類型,本文結合前人研究成果總結出防裂效果顯著的幾種加鋪結構,為了進一步研究舊水泥混凝土接縫處瀝青加鋪層應力集中現象采用有限元分析軟件對各種加鋪結構的溫度應力進行了分析,分別討論了溫度應力的影響,為各種加鋪結構的推廣應用提供理論支持。

1 典型瀝青加鋪結構類型

1.1 應力吸收層瀝青加鋪結構

應力吸收層瀝青混合料是由大量的細集料、填料和特殊高彈性聚合物改性瀝青結合料組成,其公稱最大粒徑為4.75mm,礦料級配0～2.36mm的集料占70％以上,特種改性瀝青用量在8％～10％之間。由于其瀝青含量高、混合料中細礦料比重大,所以具有高彈性、不透水及柔韌性能好等優(yōu)點,其承受的疲勞循環(huán)次數遠高于普通瀝青混合料,因此,其具有更優(yōu)良的抗裂性能。

1.2 大粒徑瀝青碎石加鋪結構

大粒徑瀝青碎石是一種以粗集料的骨架結構為典型特征的瀝青混合料,具有優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性,由于其在作為基層使用時所用的集料粒徑通常較大,故稱之為大粒徑瀝青混合料LSAM（Large Stone Asphalt Mixes）。國內外對瀝青碎石基層的研究表明,鋪設大粒徑瀝青碎石是較為有效的防治反射裂縫的方法之一。在舊路（半剛性基層瀝青路面或水泥混凝土路面）改造中普遍采用“大粒徑瀝青混合料”補強技術,將大空隙瀝青碎石混合料直接鋪筑在舊路路面上,既可以作為補強層,也可以作為應力擴散層防止反射裂縫,還可以作為新路面的排水層；在貧混凝土基層上鋪筑大空隙瀝青碎石混合料,可有效防止或延緩瀝青面層反射裂縫。

1.3 土工織物瀝青加鋪層結構

土工合成材料（有紡布、無紡布、土工格柵、玻璃纖維網格等）,由于其優(yōu)良的抗拉力學特性、批量生產、穩(wěn)定的質量和現場簡易的施工特點,己被廣泛應用于土木工程的各個領域。在瀝青加鋪層底部鋪設土工織物形成加筋罩面層,可以延緩反射裂縫。我國道路中目前用的較多的是玻璃纖維網格。玻纖網格具有較高的拉伸強度和較低的延伸率,耐高溫性能極其優(yōu)越。為了很好地與瀝青混凝土相容,表面還附著一層瀝青質涂料。

2 瀝青加鋪結構溫度應力分析

采用三維模型計算溫度應力,與實際情況比較接近。溫度應力的計算模型如圖1所示。層間接觸情況按最不利情況考慮,即假設各層層間豎向、水平位移完全連續(xù)。計算點位如圖2所示。力學分析采用的計算參數為：舊水泥混凝土路面板長5m,板寬4.5m,厚度22 cm,接縫寬度1 cm。經過收斂性分析后確定擴大基礎尺寸為12.01m×6.5m×9m。各結構層的參數見表1。根據楊斌等人的研究,在分析加鋪層溫度應力時,如果路面溫度升高,接縫處加鋪層底面受壓,這種情況下加鋪層底部不易產生反射裂縫,所以本文在計算溫度應力時只考慮降溫情況,取△T=-10℃。

圖1 結構計算模型（單位：cm）

圖2 計算點位示意圖

2.1 應力吸收層瀝青加鋪結構溫度應力分析

本節(jié)在對比分析過程中取應力吸收層厚度為2.5 cm,瀝青加鋪層模量為1 400MPa,其他參數不變。分別計算直接加鋪結構和設置應力吸收層的加鋪結構兩種模型,隨著瀝青層厚度的增大,加鋪結構內的應力變化如表2所示。

表1 路面結構材料參數

表2 瀝青層層底及應力吸收層層底溫度應力變化表（A點和B點,MPa）

從表2可以看出,隨著瀝青加鋪層厚度的增加,不管是直接加鋪結構還是設置應力吸收層的加鋪結構,其內部的溫度應力都逐漸減小。對于直接加鋪結構,當瀝青加鋪層的厚度從6 cm增加到16 cm時,瀝青層層底的溫度應力、和分別從4.943、4.231和2.457減小到1.747、1.270和0.863,減小了64.7％、69.9％和64.9％。對于設置應力吸收層的加鋪結構,當瀝青加鋪層的厚度從6 cm增加到16 cm時,瀝青層層底的溫度應力、和分別從0.762、0.716和0.413減小到0.231、0.227和0.142,減小了69.7％、68.3％和65.6％。說明不管是對于直接加鋪結構還是設置應力吸收層的加鋪結構,增加瀝青層的厚度對于減小瀝青層底的溫度應力是有利的。

2.2 大粒徑瀝青碎石瀝青加鋪結構溫度應力分析

為比較不同類型裂縫緩解層在溫度應力作用下的受力狀況,采用同等厚度的普通瀝青混凝土來代替大粒徑瀝青碎石裂縫緩解層,分別對兩種加鋪層結構進行力學對比分析。計算參數：瀝青加鋪層的厚度從6 cm增大到16 cm；大粒徑瀝青碎石裂縫緩解層模量600MPa,厚度10 cm。對比結構的普通瀝青混凝土裂縫緩解層模量1 200 MPa,厚度10cm,其它參數不變。溫度應力計算結果如表3所示。

表3 溫度應力作用下不同類型裂縫緩解層應力變化表（A點,MPa）

根據計算結果,當采用大粒徑瀝青碎石裂縫緩解層后,在溫度應力作用下,其層底的應力均比采用同等厚度的普通瀝青混凝土裂縫緩解層要小。當瀝青加鋪層厚度為8 cm時,大粒徑瀝青碎石層底的 σ1、σe和 τmax要比普通瀝青混凝土緩解層層底的各種應力分別減小12.7％、18.1％和12.5％。說明采用大粒徑瀝青碎石緩解層后對溫度應力有大幅度降低,可有效減少反射裂縫的產生。

2.3 土工織物瀝青加鋪結構溫度應力分析

為比較設置土工合成材料對加鋪層溫度應力的改善效果,對設置夾層的加鋪層結構進行溫度應力分析。計算時土工織物夾層厚度取0.3 cm,拉伸模量從10 MPa變化到5 000MPa。計算結果見表4。

表4 加鋪層溫度應力隨夾層拉伸模量的變化表（B點,MPa）

計算結果表明,土工夾層的加入對減小瀝青層層底的溫度應力效果很明顯。當土工夾層的拉伸模量從10MPa變化到5 000 MPa時,瀝青層層底的和分別從3.882 MPa、3.331MPa和1.656 MPa減小到1.594MPa、1.358 MPa和0.759MPa,減小了58.9％、59.2％和54.2％。所以隨著土工夾層拉伸模量的增高,瀝青層層底溫度應力減小的幅度越大,采用高模量的土工夾層能有效減少瀝青加鋪層的開裂。

3 結語

（1）在降溫情況下,文中提出的三種舊水泥混凝土路面瀝青加鋪結構與直接加鋪瀝青層的結構相比,溫度應力要減小很多,可大大減少張開型反射裂縫的產生。

（2）通過對車輛荷載作用下各種瀝青加鋪結構的有限元分析得知,接縫處瀝青加鋪層最大主應力、等效應力和最大剪應力基本上隨加鋪層厚度的增加呈減小的趨勢,加鋪層厚度越大溫度應力越小。對比分析后發(fā)現,設置應力吸收層和大粒徑瀝青碎石抗裂結構層以后,接縫處最大主應力、等效應力和最大剪應力都有較大程度的減小。土工織物夾層的抗裂效果與夾層材料的模量有較大關系,當模量越大時對溫度應力的減小程度越大。

[1]楊斌.舊水泥路面瀝青加鋪層結構研究[D].長安大學博士論文,2005.

[2]孫業(yè)香.舊水泥混凝土路面綜合處治與瀝青加鋪層設計研究[D].合肥工業(yè)大學碩士學位論文,2008.

[3]李祖仲,陳拴發(fā),華敏.Sampave層厚度對瀝青結構層內力影響分析[D].鄭州大學學報（工學版）,2007,28（4）.

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[5]李圍.ANSYS土木工程應用實例[D].中國水利水電出版社,2007.