龚治东 许明娟 汤晓慧

0 引言

水泥混凝土路面是一种刚度大、扩展荷载能力强、稳定性好、使用寿命长的路面结构,在高等级、重交通的道路上得到广泛应用[1]。但随着不同程度的病害的出现,早期建成的水泥混凝土路面已逐渐不能满足交通运输服务的需求,需要对其进行大修改造。沥青加铺层能有效地改善旧水泥混凝土路面的使用性能,且可以充分利用原有的水泥路面,具有造价低、施工方便、对交通和环境影响小的优点。因此,在旧水泥混凝土路面上加铺沥青层(俗称“白加黑”),已成为国内外旧水泥混凝土路面改造工程中应用最广泛的方法[2,3]。

1 反射裂缝形成机理

沥青混凝土疲劳裂缝的力学分析方法大致可以归纳为两类[5]。

一阶段断裂力学方法。这种方法把沥青混凝土视为具有初始缺陷的一种材料。在力学分析过程中,初始缺陷被视为裂纹的初始长度,随着荷载的重复作用,裂纹从微观尺度发展到肉眼可见的宏观尺度,最终导致沥青混凝土结构失效。

两阶段断裂力学方法。由SHRP计划[6]提出的两阶段断裂力学方法把沥青混凝土当成一种带有天然缺陷的材料进行考虑。沥青混凝土的裂缝形成过程被划分为两个阶段:启裂阶段和裂缝扩展阶段。此处的裂缝表示宏观裂缝。

1.1 反射裂缝的成因

根据形成的不同原因,可将反射裂缝分为两大类:荷载型反射裂缝和非荷载型反射裂缝。非荷载型反射裂缝又包括温度收缩裂缝、干燥收缩裂缝、三相结构初始缺陷、路基不均匀沉降引起的基层开裂。通常又将由温度和干缩引起的反射裂缝统称为温度型反射裂缝。

由于接缝、裂缝的存在,旧水泥混凝土路面作为基层的整体强度降低,而且在外力作用下,沥青加铺层处于三维应力状态。车辆通过不连续的板体时,因为接缝、裂缝两侧相邻板块产生竖向反射裂缝位移差,沥青加铺层在相应位置出现较大的剪切应力,这种剪切应力是沥青加铺层产生反射裂缝的主要原因。通常把这种裂缝称为荷载型反射裂缝,见图1。

因路面暴露在大气中,受气温周期性变化的影响,沥青加铺层和旧水泥混凝土面板发生缩胀,产生温度应力。由于旧水泥混凝土路面的应力在接缝处不连续,因此沥青加铺层同时承受其本身以及旧路面所产生的温度应力,特别是在冬季气温较低时,沥青加铺层在接缝、裂缝处,因为拉应力过大而开裂,形成温度型反射裂缝,见图2。

1.2 反射裂缝的扩展

裂缝形成以后,在行车荷载和温度应力的反复作用下,会不断向上扩展,直至到达加铺层表面。裂纹体受荷载作用,裂纹变形和所受外力的形式可分为三种类型,如图3所示,其中图 3a)为张开型,图3b)为剪切型(平面内),图3c)为撕开型(平面外剪切型)[7,8]。

图3a)张开型:在与裂纹面正交的拉应力下,裂纹面产生的张开位移而形成的一种裂纹,位移与裂纹面正交即沿拉应力方向,其裂纹面上的上表面点与下表面点沿图3a)拉应力方向的位移方向不连续。由1.1节中裂缝成因的介绍可以看出,与张开型模式相对应的为温度型反射裂缝。该裂缝通常产生于薄层面层底部,而后向上逐渐扩展到加铺层顶面。

图3b)剪切型:在平行于裂纹面而与裂纹尖端线垂直方向的剪应力作用下,使裂纹面间沿作用的剪应力方向产生相对滑移而形成的一种裂纹,其裂纹面上的上表面点与下表面点沿图3b)剪应力方向的位移分量不连续。由1.1节中裂缝成因的介绍可以看出,与张开型模式相对应的为荷载型反射裂缝。该裂缝一般产生于加铺层底面,在正荷载作用时,反射裂缝在加铺层中垂直向上扩展;在偏荷载作用时,其扩展路径在加铺层中是沿大约 45°角的方向向上扩展。

图3c)撕开型:在平行于裂纹面而与裂纹尖端线垂直方向的切应力作用下,使裂纹面产生沿裂纹面外,即沿作用的切应力方向的相对滑动而形成的一种裂纹,其裂纹面上的上表面点与下表面点沿图3c)切应力方向的位移分量不连续,与此模式对应的反射裂缝很少。

2 反射裂缝处治技术

2.1 旧水泥板块的修补与加固

对旧水泥混凝土路面的病害进行修补,如对严重破碎的板块进行破碎清除后对基层进行加固、重新补板;对裂缝、接缝进行灌缝处理;对板块间弯沉差较大的板块,有错台、裂缝等病害板块进行注浆稳固处理等。对旧水泥板块的处治其目的是为了降低板块在形成荷载作用下的竖向变形和板块间不均匀弯沉差的出现,为沥青加铺层提供一个稳定的基础,以减少沥青加铺层中剪切应力和弯拉应力,延缓反射裂缝的发生。

2.2 适当增加沥青加铺层厚度

增加沥青加铺层厚度延长了反射裂缝扩散到顶面的距离,同时增加路面结构的弯曲刚度,降低接缝处的弯沉量和弯沉差。根据断裂力学的观点,增加加铺层厚度可以明显减少裂缝尖端应力,因此能够延长加铺层寿命。

2.3 设置应力吸收夹层

在旧水泥混凝土路面和加铺层之间设置夹层,可以使沥青层底面应力因离开应力集中的接缝或裂缝端部而降低,同时也改变了加铺层的抗拉和抗剪能力。其主要类型有橡胶沥青应力吸收夹层(SAM I)、土工织物夹层、土工格栅[10]等。这种结构一般设置于加铺层底部,其目的是减少裂缝尖端的拉应力,起到应力缓解和加筋作用。

2.4 设置裂缝延缓层

级配碎石作为散粒结构,不传递拉应力、拉应变,能充分吸收其下层裂纹释放的应变能;级配碎石还有很好的隔离作用,可以大大改善半刚性基层的温度、湿度状况,从而从根本上消除和减轻半刚性基层的温缩和干缩,减少反射裂缝。在旧水泥混凝土路面和沥青较薄加层之间设置厚100 mm～150 mm的级配碎石中间层是减少反射裂缝的一个较有效措施。

3 结语

随着“白加黑”工程在我国的广泛进行,反射裂缝已经成为影响旧水泥混凝土路面沥青加铺层使用寿命的首要问题。尽管目前国内外还没有非常有效的方法来解决沥青加铺层的反射裂缝问题,但是通过采用对旧水泥板块的修补与加固、适当增加沥青加铺层厚度、设置应力吸收夹层以及设置裂缝延缓层等方法对不同使用条件下的沥青加铺层进行处治,可以最大限度的限制其上反射裂缝的产生与扩展,从而增加旧沥青混凝土路面沥青加铺层的使用寿命。

[1]姚祖康.水泥混凝土路面设计理论和方法[M].北京:人民交通出版社,2003.

[2]M.A.Caltabiano,J.M.Brunton.Reflection Cracking inAsphalt Overlays[J].A.A.P.T,1991(60):310-332.

[3]周富杰,孙立军.旧水泥混凝土路面大修的实践总结与分析[J].公路,1999(5):16-21.

[4]陆新民.旧水泥混凝土路面沥青罩面层反射裂缝防治方法综述[J].石油沥青,2007(5):5-10.

[5]陈团结.大跨径钢桥面环氧沥青混凝土铺装裂缝行为研究[D].南京:东南大学博士学位论文,2006.

[6]Yongqi Li.Asphalt pavement fatigue cracking modeling[D].Louisiana:Louisiana State University and Agricultural and Mechanical College,1999.

[7]哈宽富.断裂物理基础[M].北京:科学出版社,1999:10-29.

[8]范天佑.断裂理论基础[M].北京:科学出版社,2003:1-234.

[9]岳福青,杨春风,魏连雨.半刚性基层沥青路面反射裂缝形成扩展机理与防治[J].河北工业大学学报,2004(1):70-74.

[10]Jiwon Kim,William G Buttlar.Analysis of reflective crack control system involving reinforcing grid over base-isolating interlayer mixture[J].Journal of Transportation Engineering,2002,128(4):375-384.