水泥混凝土路面加铺沥青面层结构抗裂缝扩展性能研究.pdf

2 0 1 3 年 4 月第 4 期 城 市道桥 与 防洪 科技研究 2 0 7 水泥混凝土路面加铺沥青面层结构抗裂缝 扩展性能研究 赖 世 桂 ( 龙岩市公路局 ， 福建龙岩 3 6 4 0 ) 摘要 ： 该文介绍了水泥混凝土路面加铺沥青面层结构抗裂缝扩展性能的研究。为了解不同措施延缓水泥混凝土路面加铺沥青 层结构反射裂缝的效果， 建立了考虑接缝传荷能力的水泥混凝土路面加铺沥青面层结构三维有限元分析模型， 以P s 裂缝扩展 寿命描述反射裂缝扩展。研究发现各种措施扩展寿命大小差异与接缝弯沉差有关。防裂贴与应力吸收层组合结构的扩展寿命最 大， 土工布与防裂贴扩展寿命接近。 不同防反措施扩展寿命随接缝弯沉差的衰减速率大小为 ： 防裂贴加应力吸收层 ， 应力吸收层， 玻纤格栅， 土工布， 直接加铺。 关键词 ： 水泥混凝土路面； 反射裂缝； 接缝弯沉 ； 抗裂缝扩展； 防反措施 中图分 类号 ： U 4 1 8 文献 标识 码 ： A 文章 编号 ： 1 o 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 3 ) 0 4 0 2 0 7 0 3 0 前言 反射裂缝是水泥混凝土路面加铺沥青层结构 的早期典型病害。目前防反措施类型主要有 ： ( 1 ) 增加沥青层厚度 ； ( 2 ) 沥青层的切缝灌缝； ( 3 ) 设置 薄夹 层 ： 土工布 、 玻 纤格 栅 、 应 力 吸收层 、 防水 卷 材 ： ( 4 ) 设 置补 强层 ： 大粒径沥 青碎石 、 级配碎石 、 水 泥稳 定碎石 ； ( 5 ) 断裂稳 固水 泥混凝 土板 。其 中 最广泛采用的防反技术为设置 薄夹层 。 然而， 在比较各种措施的防裂效果方面， 目前 评价防反效果选取的指标单一， 对于反射裂缝的开 裂， 研究多以沥青加铺层应力集中区域的应力值作 为评价指标 。在反射裂缝扩展方面， 多以应力 强度因子和 P a r i s 裂缝扩展寿命作为评价指标 。 不同防反措施与加铺层厚度、扩展寿命之间未建 立量化关系 。 基于以上 ，本 文采用 A B A Q U S三维有 限元软 件 ，对 不 同防反措施 延缓反射裂缝 扩展效果进行 了研究 。 1 有限元分析模型 1 1 基本假设 ( 1 ) 各结构层为均匀、 连续 、 各向同性的弹性 体 ； ( 2 ) 各层层间竖向、 水平位移均连续 ； ( 3 ) 基础底 面各 向位移 为零 ， 基 础侧面水平方 向位移为零 ； ( 4 ) 不考虑路面结构的自重影响； ( 5 ) 接缝宽度假设为 l c m ( 无特殊说明认为接 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 2 1 7 作者简介： 赖世桂( 1 9 5 9 一 ) ， 男 ， 福建上汀人 ， 高级工程师 ， 局 长， 从事公路工程建设管理工作。 缝无传荷能力 ) 。 以上基本假设适用于反射裂缝开裂和扩展分 析模型，扩展模型中反射裂缝是沿路面板宽度方 向的贯通裂缝 。 1 2 荷载参数 标准轴载。 1 3 材料参数与模型 尺寸 为简化模 型的复杂性 ，将 旧水泥路 面板 以下 的基层 、 垫层 、 路基转化为 同一结构层 。 模型的边界条件 ： 采用 T i e 联结模拟各结构层 完全连续接触， 接触面各节点 、 y 、 z 方向上具有相 同的自由度，路面结构侧面水平方向的位移为 0 ， 基础底 面 x = y = z = 0 。 分析模 型尺寸 ：长 X宽 = 1 0 0 1 m4 5 m， 基 础的尺寸 ： 长 宽 深 = 1 2 0 1 m x 6 5 m 9 m， 如 图 1 所示 。 图 1 路面计算 模型 结构层的弹性参数和热特性参数见表 1 、 表 2 所列 ， 其中防裂贴沿横缝对称铺贴的宽度为 0 3 m 。 1 4 路面接缝的模拟 水泥混凝土路面接缝通过传力杆系统、集料 嵌锁系统或传力杆及集料嵌锁系统传递荷载， 且 以剪力为主。因此 ， 可在接缝两侧对应结点设置剪 切弹簧单( S p ri n g 2 ) 实现接缝传荷模拟。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 8 科技研究 城 市道桥 与防洪 2 0 1 3 年4月第 4 期 表 1结构 层的弹 性参数一览 表 表 2 结构 层的热 特性参数 一览表 ( 单 位 ： I * C) 结构层 线膨胀系数 应力吸收层 土工合成材料 防裂贴 大粒径沥青碎石 级配碎石 沥青混凝土加铺层 旧水泥混凝土板 基础 接缝侧面的结点可分为板角、 板边和板 中结点。 按照接缝传荷能力的“ 贡献面积” 刚度分配原则6 】 ， 得到接缝总刚度分配到各节点上的等效刚度。 1 5 有限元网格划分 对于开裂分析模型 ， 除土工布、 玻纤格栅和防 裂贴采用三维薄膜单元( M 3 D 4 R) 外 ， 其余结构层 采用 8 节点实体单元( C 3 D 8 ) 。 对于扩展分 析模 型 ，为模拟裂缝尖端应力与 应变场的奇异性，裂缝尖端周边的单元采用具有 四分之一结点的奇异单元 。它是将 2 0结点常规单 元 的中间结点 向裂缝尖段靠拢得到 。其他 区域 的 单元仍采用 2 0结点的常规单元。围绕裂缝尖端的 第一行单元半径小于裂缝长度的 1 8 ， 在圆周大约 每隔 3 O 。 4 0 。 有一个单元 ， 如图 2 所示。 图 2 裂缝 尖端的单 元网格 图 2 应力强度因子的变化规律 鉴于土工合成材料和应力吸收层是目前防治 反射裂缝应用最为广泛的措施类型，再以此重点 对 比设置土工布 、玻纤格栅和应力吸收层延缓反 射裂缝扩展 的效果。 通过分析不 同防反措施 的应力强度 因子 K 随 反射裂缝扩展深度的变化规律 ， 如图 3 图 5 所示。 裂缝扩展 长度 e l 图 3 = 0 0 0 3 8 mm 时不同防反 措施的 曲线图 裂缝扩展长度 c m 图 4 u= 0 0 6 3 9 mm时不同防反措施构的曲线图 裂缝扩展长度 c m 图 5 u= 0 2 1 5 5 mm 时不 同防反措施结 构的 曲线 图 研究发现 ，不 同防反夹层的应力强度 因子 K 变化既有相似之处也存在差异点， 具体如下 ： ( 1 ) 对于土工布和玻纤格栅 ， 在旧路接缝弯沉 差很小情况下 ，两者的应力强度 因子 K 几乎相 O O O O O 0 O O l l 1 5 5 O 8 1 l 5 2 O O 2 0 2 2 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 年 4 月第 4 期 城 市道桥与 防洪 科技研究 2 0 9 等， 如图 3 所示。当接缝弯沉差较大时， 在裂缝扩 展初期( 裂缝长度为 l 3 e m) ， 玻纤格栅的略小于 土工布， 如图 4 、 图5 所示。 可见高模量的玻纤格栅 减小是深度范围的， 当裂缝 尖端逐渐远离“ 膜 ” 结构 时 ， “ 膜” 结构的拉伸模量对减小 的程度差异减小 。 ( 2 ) 由于 防裂贴仅沿横缝设置 ， 减小值低 于土 工布。 ( 3 ) 应力吸收层和防裂贴 +应力吸收层组合结 构， 随裂缝扩展深度变化率大于其他结构， 减小值 与裂缝扩展 阶段 、 接缝弯沉差有关。 当裂缝扩展深度小于加铺层厚度的一半 ， 应 力吸收层 的低于直接加铺结构。 在裂缝扩展 后期 ( 裂缝 长度在 5 1 0 e m) 的减 小值 与接缝弯沉差有关。在接缝弯沉差较大时 ， 应 力吸收层与直接加铺结构接近，而在接缝弯沉差 很小 ( A( t ) = O 0 0 3 8 mm) 时 ， 应力 吸收层的 值反 而增大 。 ( 4 ) 综合 比较土工布 、 玻纤格栅和应力吸收层 减小 裂缝 面尖端应力 强度 因子 的效果 ：在裂缝 扩 展前 期( 裂缝 长度 l 一 3 c m) ， 防裂贴 +应力 吸收层 最优 ， 其次为应力吸收层效果， 玻纤格栅和土工布 最差 ； 在裂缝扩展后期 ( 裂缝 长度大于 3 c m) ， 玻纤 格栅和土工布的效果优于应力吸收层、防裂贴 + 应力吸收层 。 3 扩展寿命的变化规律 利用 P a r i s 公式7 】估计裂缝扩展寿命 ： 斋 ( 式 中： 应力强度因子的变化量 ， MP a X c mm； A， n 材料疲劳断裂参数( 本文取 A = 3 5 1 0 ， n = 3 ) ； C o 裂 缝 的初 始 长 度 ， c m( Y o n g q i L i取 0 6 9 e m t ， L t o n取 O 7 6 e m ， My e r s 取 0 5 e m 埘， 本文假定 C o = 0 5 c m) ； c ， 临界裂缝长度 ， 取结构层厚度 ； 裂缝从初始长度扩展至临界裂缝长度 时荷载 的循环次数 。 分析不同防反措施对扩展寿命的影响，发现 设置防反措施后 ， 反射裂缝扩展寿命显著增加 ， 且 在弯沉差小于 0 0 6 m m范围内受弯沉差影响显 著 ， 如图 6 。 表 3 为不同防反措施扩展寿命与弯沉差的函 数关 系 ，比较发 现不 同防反措施 扩展寿命 随接缝 弯沉差的衰减速率大小为 ：防裂贴 +应力吸收层 最大， 依次为应力吸收层 ， 玻纤格栅 ， 土工布， 直接 图 6 不 同防反措 施接缝弯 沉差与疲 劳扩展寿命 的关 系曲线图 加铺。可见设置防反夹层后， 加铺结构对旧路接缝 弯沉差更为敏感。 表 3 不 同防 反措施 的扩展寿命 与弯沉差 的关系一览 表 注： 扩展寿命单位为万次； 接缝弯沉差单位为 0 0 1 m l n 。 通过 比较还发现 ，以防裂贴 +应力吸收层组 合结构的扩展寿命最大，土工布与防裂贴扩展寿 命接近，且各种措施扩展寿命大小差异与接缝弯 沉差有关 ， 如表 4所列。 表 4 不 同防反措施 的扩展寿命 的大小 一览表 弯沉差 ， 0 0 1 m m 扩展寿命大小排序( 由小到大) 防裂贴 、 土工布 、 玻纤格栅 、 应力 吸收层 、 防裂贴 +应力 吸收层 防裂 贴、 土工布 、 应力 吸收层 、 玻 纤格栅、 防裂贴 + 应力吸收层 土工布、 防裂贴、 应力吸收层、 玻 纤格栅、 防裂贴 + 应力吸收层 应力 吸收层 、 土工布 、 防裂贴 、 玻 纤格栅、 防裂贴 + 应力吸收层 从表 4可以看到 ，各种措施扩展寿命大小差 异与接缝 弯沉差 有关 ，以防裂贴 +应力吸收层组 合结构的扩展寿命最大，土工布与防裂贴扩展寿 命接近。不同防反措施扩展寿命随接缝弯沉差的 衰减速率大小为 ： 防裂贴 + 应力吸收层最大 ， 依次 为应力吸收层 ， 玻纤格栅 ， 土工布 ， 直接加铺。 基于以上，建议重载公路水泥混凝土路面选 择防反技术基本原则：尽量不采用土工布、防裂 贴 ； 在保证接缝传荷能力为优良前提下 ， 以应力吸 收层及其有关的组合结构作为首选方案；对于昼 夜温差较大地区， 可采用组合型防反措施 ； 不受标 ( 下转第 2 1 2页) 2 m 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 1 2 科技研究 城 市道桥 与 防洪 2 0 1 3 年4月第 4 期 所记录的破坏荷载极限值经常表现得不够精确。 有些学 者在进行 这方面研究 的时候 ，对 比了 马歇尔稳定度 、 贯入度、 高温抗压强度以及一种无 破损检测 的试验方法之 间的相互关 系。其结论 表 明， 由低的马歇尔稳定度指标( 对应的是高的贯人 度) 和低的密度值所确定的沥青用量是富余的( 与 碾压沥青混凝土而言 ) 。沥青混凝土 当中超声波振 动传播速度的改变很好地符合上述指标与沥青用 量之间的关系。 5 结论与展望 由于浇注式沥青混凝土在德国等国家的应用 较为成熟 ，贯人试验这一方法 已经得到普遍 的认 可 。因此可 以将贯人度与贯人度增量作为浇 注式 沥青混凝土高温稳定性评价的基本指标 ，同时辅 以组合结构 的车辙试验 ，具体 的标准有待 深入 的 研究确定。 浇注式 沥青混凝土的力学性能更 主要 的取决 于胶浆性能， 同时这一材料由于胶浆的粉胶比大 、 沥青粘度大， 因此低温可能变脆进而产生裂缝 ， 这 一 问题前苏联的同行已经予以重视 ，并进行了大 量 的研究 ， 但我 国尚属空 白， 可 以从 流变学 的角度 对胶浆进行研究 ， 考虑高 、 低温性能的综合评价。 在高温方面， 笔者已经进行了初步的探讨， 发现车 辙 因子 G * s i n 8 与粉胶 比呈 良好 的线 性关 系 ， 同 时高粉胶 比延缓 了改性沥青 弹性 的丧失 ，提高 了 其高温稳定性。浇注式沥青胶浆的高、 低温性能还 有待于进一步研究 。 参考文 献 1 】 李洪涛， 黄卫 浇注式沥青混凝土在 日 本桥面铺装上的应用 J 1 华东 公路， 1 9 9 9 ( 3 ) ： 3 9 4 2 【 2 】 香港天文台气象资料 E B O L h t t p ： g b w e a t h e r g o v h k w x i n f o c l i m a t wo r l d c h i wo r l d _c l i ma t _c h t m 【 3 】D I N - T a s c h e n b u c h 7 6 V e r k e h r s w e g e b a u a r b e i t e n V O B S t L B S T L K Z 【 4 江阴长江公路大桥桥面浇注式沥青混凝土铺装研究技术报告【 R】 江苏省长江公路大桥建设指挥部， 东南大学交通学院 2 0 0 0 ， 3 5 【 5 】 沈金安 沥青及沥青混合料路用性能【 M 北京：人 民交通 出版社， 2 0 0 1 6 张力， 陈仕周 钢桥面铺装技术 的研究与发展【 J 公路， 2 0 0 1 ( 1 ) ： 3 - 6 7 B F e 3 e H I I B e ， H B F O P e i h i e B， A M B O r y c J I a B c K 1 4 ， M B K O P O J I e B n O P e ， J I B r e 3 e I-i I I B et l 且 o P O H h i a c巾 a 1 b T O 6 e T o H J T P a H c Y l o P T ， 1 9 8 5 ， 2 5 2 - 2 6 7 8 】 吕伟民 沥青混合料设计原理与方法 M 】 上海： 同济大学出版社， 2 0 0 1 2 9 9 3 0 5 ( 上接第 2 0 9页) 高限制时， 可以考虑设置补强层。 4 结论 ( 1 ) 各种措施扩展寿命大小差异与接缝弯沉差 有关 。 ( 2 ) 理论对 比表 明， 以防裂贴 +应力 吸收层组 合结构的扩展寿命最大 ，土工布与防裂贴扩展寿 命接近 。 ( 3 ) 不同防反措施扩展寿命随接缝弯沉差 的衰 减速率大小依次为 ： 防裂贴 +应力吸收层 ， 应力吸 收层， 玻纤格栅， 土工布， 直接加铺。 ( 4 ) 建议重载公路水泥混凝土路面尽量不采用 土工布、 防裂贴； 在保证接缝传荷能力为优良前提 下，以应力吸收层及其有关的组合结构作为首选 方案； 对于昼夜温差较大地区， 可采用组合型防反 措施； 不受标高限制时， 可以考虑设置补强层。 参考 文献 1 】 周德云 ， 姚祖康 1 日 水泥混凝土路面上沥青加铺层结构的三维 有限元分析 J 中国公路学报， 1 9 9 0 ， ( 3 ) ： 1 8 - 2 6 2 】 周富杰 ， 孙立军 沥青罩面层荷载应力的三维有 限元分析 J 】 中 国公路学报， 1 9 9 9 ， ( 4 ) ： 1 - 6 3 】3 杨斌 旧水泥混凝 土路面加铺结构研究【 D 】 西安 ： 长安大学 ， 2 0 05 4 】 马翔 ， 倪富健， 陈荣生 复合式机场道面荷载型反射裂缝影响因 素分析 J 】 交通运输工程与信息学报 ， 2 0 0 9 ， 7 ( 3 ) ： 5 7 6 3 5 元松 ， 谈至明 沥青路面荷载型竖向反射裂缝疲劳断裂分析 J 】 同济大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 7 ， 3 5 ( 1 0 ) ： 1 3 5 2 1 3 5 6 6 】 周正峰， 凌建明， 袁捷 ， 等 机场刚性道面接缝传荷能力的评价【 J 1 同济 大学学报 ( 自然科学 版 ) ， 2 0 1 0， 3 8 ( 6 ) ： 8 4 4 8 4 9 【 7 】 P C P a r i s ， F E r d o g a n A C ri t i c a l An aly s i s o f C r a c k P r o p a g a t i o n L a w s T r a n s a c ti o n s o f t h e AAMEJ o u r nal o f Ba s i c En g i n e e r i n g ， 1 9 63， 8 5： 5 2 8 - 5 3 4 8 】 Y o n g q i L i A s p h a t P a v e me n t F a t i g u e C r a c k i n g Mo d e l i n g D D i s s e r ta t i o n o f L o u i s i a n a S ta t e Un i v e r s i t y ， 1 9 9 9 【 9 】L y t t o n ， R L ， U z a n ，J ， F e r n a n d o E G ， R o q u e ， Hi h u n e n， D a n d S M S t o fie I s De v e l o p me n t and Vali d a t i o n o f P e r f o r ma n c e Pr e d i c t i o n Mode l and S p e c i fi c a t i o n s f o r A s p h alt B i n d e r s and P a v i n g Mi x e s R R e p o r t N o S HR P A 一 3 5 7， S t r a t e g i c Hi g I l w a y R e s e a r c h P r o g r a m ( S H R P ) ， N a t i o n al R e s e a r c h C o u n c i l ， Wash i n g t o n ， D C ， 1 9 9 3 1 0 】L e s l ie A n n My e rs D e v e l o p m e n t and p r o p a g a t i o n o f s u rf a c e i n i t i a t e d l o n git u d i n al w h e e l p a t h c r a c k s i n fl e x i b l e h i g h w a y p a v e m e n t s D Di s s e r t a t i o n o f Un i v e r s i t y o f F l o rid a 2 0 00 学兔兔 w w w .x u e t 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