龔治東 許明娟 湯曉慧

0 引言

水泥混凝土路面是一種剛度大、擴(kuò)展荷載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)的路面結(jié)構(gòu),在高等級(jí)、重交通的道路上得到廣泛應(yīng)用[1]。但隨著不同程度的病害的出現(xiàn),早期建成的水泥混凝土路面已逐漸不能滿足交通運(yùn)輸服務(wù)的需求,需要對(duì)其進(jìn)行大修改造。瀝青加鋪層能有效地改善舊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,具有造價(jià)低、施工方便、對(duì)交通和環(huán)境影響小的優(yōu)點(diǎn)。因此,在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青層(俗稱“白加黑”),已成為國(guó)內(nèi)外舊水泥混凝土路面改造工程中應(yīng)用最廣泛的方法[2,3]。

1 反射裂縫形成機(jī)理

瀝青混凝土疲勞裂縫的力學(xué)分析方法大致可以歸納為兩類(lèi)[5]。

一階段斷裂力學(xué)方法。這種方法把瀝青混凝土視為具有初始缺陷的一種材料。在力學(xué)分析過(guò)程中,初始缺陷被視為裂紋的初始長(zhǎng)度,隨著荷載的重復(fù)作用,裂紋從微觀尺度發(fā)展到肉眼可見(jiàn)的宏觀尺度,最終導(dǎo)致瀝青混凝土結(jié)構(gòu)失效。

兩階段斷裂力學(xué)方法。由SHRP計(jì)劃[6]提出的兩階段斷裂力學(xué)方法把瀝青混凝土當(dāng)成一種帶有天然缺陷的材料進(jìn)行考慮。瀝青混凝土的裂縫形成過(guò)程被劃分為兩個(gè)階段:啟裂階段和裂縫擴(kuò)展階段。此處的裂縫表示宏觀裂縫。

1.1 反射裂縫的成因

根據(jù)形成的不同原因,可將反射裂縫分為兩大類(lèi):荷載型反射裂縫和非荷載型反射裂縫。非荷載型反射裂縫又包括溫度收縮裂縫、干燥收縮裂縫、三相結(jié)構(gòu)初始缺陷、路基不均勻沉降引起的基層開(kāi)裂。通常又將由溫度和干縮引起的反射裂縫統(tǒng)稱為溫度型反射裂縫。

由于接縫、裂縫的存在,舊水泥混凝土路面作為基層的整體強(qiáng)度降低,而且在外力作用下,瀝青加鋪層處于三維應(yīng)力狀態(tài)。車(chē)輛通過(guò)不連續(xù)的板體時(shí),因?yàn)榻涌p、裂縫兩側(cè)相鄰板塊產(chǎn)生豎向反射裂縫位移差,瀝青加鋪層在相應(yīng)位置出現(xiàn)較大的剪切應(yīng)力,這種剪切應(yīng)力是瀝青加鋪層產(chǎn)生反射裂縫的主要原因。通常把這種裂縫稱為荷載型反射裂縫,見(jiàn)圖1。

因路面暴露在大氣中,受氣溫周期性變化的影響,瀝青加鋪層和舊水泥混凝土面板發(fā)生縮脹,產(chǎn)生溫度應(yīng)力。由于舊水泥混凝土路面的應(yīng)力在接縫處不連續(xù),因此瀝青加鋪層同時(shí)承受其本身以及舊路面所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力,特別是在冬季氣溫較低時(shí),瀝青加鋪層在接縫、裂縫處,因?yàn)槔瓚?yīng)力過(guò)大而開(kāi)裂,形成溫度型反射裂縫,見(jiàn)圖2。

1.2 反射裂縫的擴(kuò)展

裂縫形成以后,在行車(chē)荷載和溫度應(yīng)力的反復(fù)作用下,會(huì)不斷向上擴(kuò)展,直至到達(dá)加鋪層表面。裂紋體受荷載作用,裂紋變形和所受外力的形式可分為三種類(lèi)型,如圖3所示,其中圖 3a)為張開(kāi)型,圖3b)為剪切型(平面內(nèi)),圖3c)為撕開(kāi)型(平面外剪切型)[7,8]。

圖3a)張開(kāi)型:在與裂紋面正交的拉應(yīng)力下,裂紋面產(chǎn)生的張開(kāi)位移而形成的一種裂紋,位移與裂紋面正交即沿拉應(yīng)力方向,其裂紋面上的上表面點(diǎn)與下表面點(diǎn)沿圖3a)拉應(yīng)力方向的位移方向不連續(xù)。由1.1節(jié)中裂縫成因的介紹可以看出,與張開(kāi)型模式相對(duì)應(yīng)的為溫度型反射裂縫。該裂縫通常產(chǎn)生于薄層面層底部,而后向上逐漸擴(kuò)展到加鋪層頂面。

圖3b)剪切型:在平行于裂紋面而與裂紋尖端線垂直方向的剪應(yīng)力作用下,使裂紋面間沿作用的剪應(yīng)力方向產(chǎn)生相對(duì)滑移而形成的一種裂紋,其裂紋面上的上表面點(diǎn)與下表面點(diǎn)沿圖3b)剪應(yīng)力方向的位移分量不連續(xù)。由1.1節(jié)中裂縫成因的介紹可以看出,與張開(kāi)型模式相對(duì)應(yīng)的為荷載型反射裂縫。該裂縫一般產(chǎn)生于加鋪層底面,在正荷載作用時(shí),反射裂縫在加鋪層中垂直向上擴(kuò)展;在偏荷載作用時(shí),其擴(kuò)展路徑在加鋪層中是沿大約 45°角的方向向上擴(kuò)展。

圖3c)撕開(kāi)型:在平行于裂紋面而與裂紋尖端線垂直方向的切應(yīng)力作用下,使裂紋面產(chǎn)生沿裂紋面外,即沿作用的切應(yīng)力方向的相對(duì)滑動(dòng)而形成的一種裂紋,其裂紋面上的上表面點(diǎn)與下表面點(diǎn)沿圖3c)切應(yīng)力方向的位移分量不連續(xù),與此模式對(duì)應(yīng)的反射裂縫很少。

2 反射裂縫處治技術(shù)

2.1 舊水泥板塊的修補(bǔ)與加固

對(duì)舊水泥混凝土路面的病害進(jìn)行修補(bǔ),如對(duì)嚴(yán)重破碎的板塊進(jìn)行破碎清除后對(duì)基層進(jìn)行加固、重新補(bǔ)板;對(duì)裂縫、接縫進(jìn)行灌縫處理;對(duì)板塊間彎沉差較大的板塊,有錯(cuò)臺(tái)、裂縫等病害板塊進(jìn)行注漿穩(wěn)固處理等。對(duì)舊水泥板塊的處治其目的是為了降低板塊在形成荷載作用下的豎向變形和板塊間不均勻彎沉差的出現(xiàn),為瀝青加鋪層提供一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ),以減少瀝青加鋪層中剪切應(yīng)力和彎拉應(yīng)力,延緩反射裂縫的發(fā)生。

2.2 適當(dāng)增加瀝青加鋪層厚度

增加瀝青加鋪層厚度延長(zhǎng)了反射裂縫擴(kuò)散到頂面的距離,同時(shí)增加路面結(jié)構(gòu)的彎曲剛度,降低接縫處的彎沉量和彎沉差。根據(jù)斷裂力學(xué)的觀點(diǎn),增加加鋪層厚度可以明顯減少裂縫尖端應(yīng)力,因此能夠延長(zhǎng)加鋪層壽命。

2.3 設(shè)置應(yīng)力吸收夾層

在舊水泥混凝土路面和加鋪層之間設(shè)置夾層,可以使瀝青層底面應(yīng)力因離開(kāi)應(yīng)力集中的接縫或裂縫端部而降低,同時(shí)也改變了加鋪層的抗拉和抗剪能力。其主要類(lèi)型有橡膠瀝青應(yīng)力吸收夾層(SAM I)、土工織物夾層、土工格柵[10]等。這種結(jié)構(gòu)一般設(shè)置于加鋪層底部,其目的是減少裂縫尖端的拉應(yīng)力,起到應(yīng)力緩解和加筋作用。

2.4 設(shè)置裂縫延緩層

級(jí)配碎石作為散粒結(jié)構(gòu),不傳遞拉應(yīng)力、拉應(yīng)變,能充分吸收其下層裂紋釋放的應(yīng)變能;級(jí)配碎石還有很好的隔離作用,可以大大改善半剛性基層的溫度、濕度狀況,從而從根本上消除和減輕半剛性基層的溫縮和干縮,減少反射裂縫。在舊水泥混凝土路面和瀝青較薄加層之間設(shè)置厚100 mm～150 mm的級(jí)配碎石中間層是減少反射裂縫的一個(gè)較有效措施。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著“白加黑”工程在我國(guó)的廣泛進(jìn)行,反射裂縫已經(jīng)成為影響舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層使用壽命的首要問(wèn)題。盡管目前國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有非常有效的方法來(lái)解決瀝青加鋪層的反射裂縫問(wèn)題,但是通過(guò)采用對(duì)舊水泥板塊的修補(bǔ)與加固、適當(dāng)增加瀝青加鋪層厚度、設(shè)置應(yīng)力吸收夾層以及設(shè)置裂縫延緩層等方法對(duì)不同使用條件下的瀝青加鋪層進(jìn)行處治,可以最大限度的限制其上反射裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展,從而增加舊瀝青混凝土路面瀝青加鋪層的使用壽命。

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