□文/王 亮

從環(huán)保與節(jié)約投資的角度考慮，將舊水泥混凝土路面打裂后加鋪瀝青面層是舊水泥路面改造的一個(gè)可行性方案。同時(shí)，從改造后的加鋪層路用性能和質(zhì)量的角度考慮，舊水泥路面打裂后加鋪瀝青面層有很好地抵制反射裂縫的作用。

沖擊碾壓技術(shù)采用沖擊壓路機(jī)對(duì)路面進(jìn)行低頻高速?zèng)_擊，使原水泥路面斷裂成一定尺度的碎塊，這樣既可以消除原水泥路面板底脫空等病害，也可以減小由于荷載作用產(chǎn)生的板塊間過(guò)大位移差，從變形和應(yīng)力的角度減緩反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。該技術(shù)將原水泥路面打裂后作為基層使用，一方面可以繼續(xù)利用原水泥混凝土的強(qiáng)度，另一方面減少了廢棄物的拋棄，達(dá)到了環(huán)保的要求，節(jié)約了建設(shè)投資。

1 加鋪層產(chǎn)生反射裂縫原因

舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青面層，在接、裂縫處極易產(chǎn)生反射裂縫。根據(jù)斷裂力學(xué)的觀點(diǎn)，主要是因?yàn)榕f水泥路面的裂、接縫作為原始缺陷存在于路面結(jié)構(gòu)中，由于拉伸應(yīng)力和剪應(yīng)力的作用引起接、裂縫處的應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。

車輛荷載主要引起加鋪層的剪切型反射裂縫，在車輪偏荷載的作用下，接、裂縫兩側(cè)的彎沉差過(guò)大而引起瀝青加鋪層的剪切破壞。車輪偏荷載作用下接縫處剪應(yīng)力和裂縫兩側(cè)彎沉差見圖1，車輛荷載作用下接縫部位的裂縫分布情況見圖2。

圖1 車輪偏荷載作用下接縫處剪應(yīng)力

圖2 接縫處裂縫分布

通過(guò)圖1分析，當(dāng)車輪偏荷載作用于水泥混凝土路面的接、裂縫處時(shí)，容易導(dǎo)致接縫處剪應(yīng)力集中，同時(shí)造成裂縫兩側(cè)產(chǎn)生彎沉差，從而引起加鋪層的剪切型破壞，產(chǎn)生反射裂縫。所以對(duì)接、裂縫處進(jìn)行合理、有效地處理是減小加鋪層內(nèi)反射裂縫的首要問(wèn)題。

2 沖擊碾壓技術(shù)作用機(jī)理

2.1 模型建立以及材料參數(shù)

應(yīng)用ANSYS有限元方法建立分析模型，模擬瞬時(shí)沖擊碾壓時(shí)水泥混凝土板內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變以及板塊破碎情況。水泥路面板采用concr et e65單元，基層和土基采用Sol id45單元并對(duì)各結(jié)構(gòu)層做出如下假設(shè)：

1）假設(shè)結(jié)構(gòu)層為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的線彈性材料；

2）結(jié)構(gòu)層之間完全連續(xù)接觸；

3）考慮面板之間的相互作用；

4）模型尺寸面板 5 m×4 m×0.25 m，基層 35 m×28 m×0.30 m，土基 35 m×28 m×20 m；對(duì)基層和土基施加各個(gè)方向的約束，面板為四周自由不受約束。

各結(jié)構(gòu)層參數(shù)見表1。

表1 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 沖擊碾壓過(guò)程中裂縫發(fā)展

通過(guò)有限元軟件模擬，發(fā)現(xiàn)裂縫首先出現(xiàn)在沖擊輪作用下方、路面板的中上部，而不是出現(xiàn)在面板的表面且表現(xiàn)為橫向裂縫，見圖3。在沖擊輪前進(jìn)的過(guò)程中，會(huì)對(duì)已有裂縫產(chǎn)生一定影響，使已有裂縫進(jìn)一步發(fā)展，表現(xiàn)為板底縱向裂縫的出現(xiàn)，見圖4。

圖3 沖擊輪下橫向裂縫發(fā)展

圖4 縱向裂縫發(fā)展

由圖3圖4可知，當(dāng)沖擊輪沿路面板中線行走時(shí)，橫向裂縫出現(xiàn)的比較多，但是縱向裂縫的發(fā)展速度比橫縫快；隨著沖擊碾壓次數(shù)的增加，當(dāng)碾壓至第2遍時(shí)，面板開始出現(xiàn)縱向貫穿裂縫；當(dāng)荷載作用在板的邊緣時(shí)，裂縫自板底向上反射，為縱向裂縫；而當(dāng)荷載作用在板的中部時(shí)，板內(nèi)裂縫也是自板底向上發(fā)展，表現(xiàn)為橫向裂縫；當(dāng)沖擊輪作用于板體接縫邊緣時(shí)，裂縫自板頂和板底同時(shí)出現(xiàn)并伴有斜向裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。這些裂縫恰恰出現(xiàn)在受力的薄弱環(huán)節(jié)，將路面預(yù)打裂從而減小以后路面產(chǎn)生破壞的概率。

2.3 板內(nèi)應(yīng)力釋放情況以及裂縫尺寸大小

HB-XD高速公路水泥混凝土路面改造工程舊水泥混凝土路面沖擊碾壓過(guò)程中，板內(nèi)應(yīng)力會(huì)較大程度的釋放見圖5。圖6為水泥混凝土路面破碎后的碎塊尺寸。

圖5 板內(nèi)應(yīng)力隨打裂次數(shù)變化情況

圖6 沖擊碾壓后碎塊尺寸分布情況

由圖5可知，在對(duì)水泥路面進(jìn)行打裂的過(guò)程中，板內(nèi)應(yīng)力由2.3 MPa減小到0.98 MPa釋放了57.4%，可見對(duì)路面打裂過(guò)程中板內(nèi)應(yīng)力得到有效地釋放。另外，根據(jù)圖6，水泥路面打裂后碎塊尺寸主要分布在40～65 cm，在此碎塊基礎(chǔ)上進(jìn)行加鋪層應(yīng)力計(jì)算和模擬。

3 加鋪層應(yīng)力應(yīng)變模擬計(jì)算

3.1 溫度與荷載應(yīng)力耦合分析

在實(shí)際工程中，瀝青加鋪層往往處于車輛荷載與溫度荷載的共同作用之下，因此在對(duì)加鋪層進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，有必要對(duì)車輛荷載與溫度荷載進(jìn)行耦合分析，見表2。由于瀝青混合料的松弛特性跟溫度與時(shí)間有關(guān)，溫度越低，作用時(shí)間越短，應(yīng)力松弛效應(yīng)就越低，以下進(jìn)行的耦合分析不考慮瀝青混合料的溫度松弛特性。

表2 沖擊壓路機(jī)處理后混凝土碎塊尺寸對(duì)瀝青加鋪層溫度應(yīng)力的影響

由表2可知，水泥混凝土破碎板幾何尺寸對(duì)瀝青加鋪層的溫度應(yīng)力和耦合應(yīng)力的影響程度遠(yuǎn)大于對(duì)荷載應(yīng)力的影響程度。隨著水泥混凝土板破碎尺寸的減小，瀝青加鋪層的溫度應(yīng)力及耦合應(yīng)力也相應(yīng)減小，將原路面板500 cm×400 cm的板塊破碎成45 cm×50 cm的過(guò)程中，溫度作用產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力和剪應(yīng)力分別減小了70.7%和71.6%，荷載與溫度耦合作用下產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力和剪應(yīng)力也分別減小了65.9%和50.1%且隨著破碎板尺寸的減小，接縫或裂縫處受溫縮或翹曲作用產(chǎn)生的張開變形的位移量就越小，應(yīng)力集中現(xiàn)象也逐漸減弱。綜合考慮破碎板尺寸對(duì)加鋪層溫度應(yīng)力、荷載應(yīng)力和耦合應(yīng)力等的影響，認(rèn)為將舊水泥混凝土板打裂成一定尺寸的碎塊后，可以有效減小加鋪層內(nèi)溫度應(yīng)力、荷載應(yīng)力以及耦合應(yīng)力且應(yīng)力分布相對(duì)均勻，從而有效減少了反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

通過(guò)以上分析，水泥混凝土路面打裂成45 cm×50 cm碎塊后，加鋪層的荷載和溫度應(yīng)力將極大減小，為更好地說(shuō)明加鋪層內(nèi)的荷載應(yīng)力分布情況，采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行模擬。

3.2 加鋪層荷載應(yīng)力的分析模擬

應(yīng)用有限元軟件模擬水泥混凝土路面沖擊碾壓后加鋪瀝青面層，得出車輪荷載作用下瀝青加鋪層內(nèi)的彎拉應(yīng)力和剪應(yīng)力以及彎沉的變化情況。采用的路面結(jié)構(gòu)為16 cm瀝青混凝土+22 cm打裂后水泥混凝土碎塊(45 cm×50 cm)+50 cm原路面基層+土基層。車輛荷載作用下加鋪層內(nèi)彎拉應(yīng)力見圖7，路面表面彎沉見圖8。

圖7 瀝青加鋪層內(nèi)彎拉應(yīng)力

圖8 路面表面彎沉

由圖7和圖8可知，瀝青層底彎拉應(yīng)力最大值為0.118 MP，剪應(yīng)力數(shù)值最大值為0.080 MPa，瀝青加鋪層表面最大彎沉為0.082mm。與直接加鋪法相比，沖擊碾壓處理后的加鋪層內(nèi)彎拉應(yīng)力和剪應(yīng)力分別減小了44.3%和40.3%，表面彎沉減小了52.6%。所以，進(jìn)一步驗(yàn)證了沖擊碾壓處理后的水泥路面加鋪瀝青面層在減小加鋪層內(nèi)應(yīng)力和表面彎沉方面的效果。

3.3 加鋪層溫度應(yīng)力的模擬分析

以張家口地區(qū)為例，平均氣溫7.7℃/a，最低氣溫-17.9℃，最高氣溫39℃。以日平均氣溫作為參考溫度，每日的升溫及降溫分別為10℃和-10℃。其中溫度由-18℃升溫至-8℃為升溫過(guò)程，溫度由-18℃降溫至-28℃為降溫過(guò)程。由于加鋪層頂面溫度降低使得路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生收縮變形，而路面結(jié)構(gòu)的溫度梯度又使混凝土板產(chǎn)生向上翹曲，這兩種變形疊加使得加鋪層底面受拉。反之，當(dāng)加鋪層頂面溫度升高時(shí)，路面結(jié)構(gòu)發(fā)生膨脹及向下翹曲變形，加鋪層底受壓，這種情況下加鋪層底部不易產(chǎn)生反射裂縫。在分析加鋪層溫度應(yīng)力時(shí)，只考慮降溫情況。

1）直接加鋪法。由圖9可知，在接縫位置處溫度應(yīng)力最為集中，溫度應(yīng)力為1.292 MPa；在瀝青面層頂部溫度應(yīng)力為1.461 MPa；加鋪層內(nèi)剪應(yīng)力數(shù)值最大為0.29 MPa。同時(shí)由于溫度應(yīng)力的作用，加鋪層內(nèi)X方向的應(yīng)變值主要集中在接縫頂端位置，應(yīng)變值達(dá)到0.535mm，見圖10?？梢姡苯蛹愉伔愉亴觾?nèi)的溫度應(yīng)力和應(yīng)變值較大。

圖9 加鋪層彎拉應(yīng)力

圖10 加鋪層X方向拉應(yīng)變

2）沖擊碾壓。沖擊碾壓處理后的加鋪層內(nèi)溫度彎拉應(yīng)力0.948 MPa，剪應(yīng)力為0.181 MPa，X方向拉應(yīng)變0.235mm。與直接加鋪法相比，彎拉應(yīng)力、剪應(yīng)力以及拉應(yīng)變分別減小了26.6%、37.6%和56.1%。

4 沖擊碾壓技術(shù)防止反射裂縫機(jī)理

計(jì)算結(jié)果表明，在相同加鋪厚度情況下破碎穩(wěn)固技術(shù)可以明顯降低瀝青加鋪層拉應(yīng)力與剪應(yīng)力，有效延緩或避免反射裂縫的發(fā)生。破碎穩(wěn)固將水泥板塊充分破碎，使原4m×5m的水泥板塊破碎成為30～100 cm的碎塊，然后用重型壓路機(jī)碾壓，使水泥碎塊壓實(shí)穩(wěn)固。水泥板塊尺寸的減小，降低了瀝青面層層底拉應(yīng)力，而經(jīng)過(guò)重型壓路機(jī)碾壓后，水泥板塊與基層緊密接觸，避免了脫空出現(xiàn)，最大限度地消除了板塊間彎沉差，降低了瀝青面層剪應(yīng)力，從而降低了荷載型反射裂縫產(chǎn)生的可能性。特別是經(jīng)過(guò)碎石化處理后的水泥板塊，其力學(xué)行為類似級(jí)配碎石。破碎后的水泥板經(jīng)過(guò)壓實(shí)穩(wěn)定處理后，具有很高的剪切強(qiáng)度和抗車轍能力，荷載傳遞性能是一般級(jí)配碎石的1.5～3.0倍。

5 結(jié)論

1）打裂過(guò)程中，板內(nèi)裂縫遍及全板，使原來(lái)的大板塊打裂成一定尺寸范圍的小塊，從而將原來(lái)集中的應(yīng)力釋放出來(lái)，改變?cè)瓉?lái)路面結(jié)構(gòu)的受力情況。

2）與直接加鋪法相比，將舊水泥路面打裂后加鋪瀝青面層，加鋪層內(nèi)的彎拉應(yīng)力減小了近87%，剪應(yīng)力減小了近73.2%。應(yīng)力減小時(shí)加鋪層產(chǎn)生反射裂縫的概率大大減小，從而提高路面的使用壽命。

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