李 杰

(湖南省公路物資設(shè)備公司,湖南長(zhǎng)沙 410011)

目前國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)高速公路均采用半剛性基層瀝青路面,但從通車運(yùn)營(yíng)情況來(lái)看,半剛性基層瀝青路面的早期損壞嚴(yán)重,其主要病害形式有早期縱橫向裂縫、網(wǎng)裂、唧泥、車轍等,特別是裂縫病害十分嚴(yán)重。為克服半剛性基層瀝青路面的裂縫,部分高速公路修筑了混合式基層瀝青路面試驗(yàn)路。

瀝青路面混合式基層結(jié)構(gòu)采用了柔性基層作為上基層結(jié)構(gòu),能明顯地提高瀝青路面的抗裂性能。本文系統(tǒng)地分析了混合式基層瀝青路面的各種抗裂性能,現(xiàn)介紹如下。

1 混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型

根據(jù)混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),初擬了3種路面結(jié)構(gòu)形式,分別為:

結(jié)構(gòu)類型一:以級(jí)配碎石上基層+半剛性下基層的混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu),擬定具體結(jié)構(gòu)見表1中的結(jié)構(gòu)一。

結(jié)構(gòu)類型二:以瀝青穩(wěn)定碎石上基層+半剛性下基層的混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu),擬定具體結(jié)構(gòu)見表1中的結(jié)構(gòu)二。

結(jié)構(gòu)類型三:以瀝青穩(wěn)定碎石+級(jí)配碎石聯(lián)結(jié)層+半剛性基層的混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu),擬定具體結(jié)構(gòu)見表1中的結(jié)構(gòu)三。

為了更好地研究混合式基層瀝青路面的抗裂特性,同時(shí)擬定了路面總厚度相等的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)四)、柔性基層瀝青路面(結(jié)構(gòu)五)。其具體結(jié)構(gòu)組成見表1。

表1 初擬的路面結(jié)構(gòu)型式

2 抗反射裂縫機(jī)理分析

1)對(duì)于混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)一:在半剛性下基層和瀝青面層之間插入一層級(jí)配碎石上基層,具有良好的應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng),從而具備較好的防反射裂縫效果。由于級(jí)配碎石層沒有結(jié)合料,是一種松散粒料材料,是通過粗集料的互相嵌擠與細(xì)集料填充密實(shí)構(gòu)成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的一種結(jié)構(gòu)形式,只能承受壓應(yīng)力和剪應(yīng)力,而不能承受拉應(yīng)力。當(dāng)半剛性底基層的裂縫向上擴(kuò)散到級(jí)配碎石層時(shí),由于它是松散的,相當(dāng)于存在許多條的微裂縫,半剛性底基層裂縫的應(yīng)力集中將沿著多條微裂縫向兩側(cè)擴(kuò)展,而不是向一個(gè)方向擴(kuò)展。經(jīng)過一定厚度的均勻擴(kuò)散,可逐漸消除裂縫的應(yīng)力集中現(xiàn)象。設(shè)置在半剛性下基層上的級(jí)配碎石上基層,可降低半剛性底基層收縮裂縫兩側(cè)的彎沉差,從而減少或延緩反射裂縫。

與半剛性基層瀝青路面相比,在半剛性底基層上設(shè)置一層級(jí)配碎石基層后,傳遞到半剛性底基層上的汽車荷載將顯著減小,從而減小了半剛性底基層收縮裂縫兩側(cè)的彎沉差(差動(dòng)位移),在瀝青面層內(nèi)部產(chǎn)生的剪切應(yīng)力,也會(huì)顯著減小,也就減少或延緩了反射裂縫的產(chǎn)生。并通過降低瀝青面層內(nèi)部的剪應(yīng)力,從而減少了面層的剪切流變。

2)對(duì)于瀝青路面混合式基層結(jié)構(gòu)二:結(jié)構(gòu)二在瀝青面層與半剛性下基層內(nèi)加入了一層瀝青穩(wěn)定碎石基層,增加了瀝青層的總厚度,有利于防止和延緩反射裂縫的發(fā)生。一方面,較厚的瀝青層總厚度,既減小了半剛性底基層材料所受到的拉應(yīng)力與拉應(yīng)變,也減小了瀝青層底的拉應(yīng)力與拉應(yīng)變,從而延緩反射裂縫的發(fā)生。另一方面,半剛性底基層上的收縮裂縫向上反射到瀝青面層表面,需要經(jīng)過較厚的瀝青層,也就延緩了反射裂縫的發(fā)生。再者,瀝青混凝土對(duì)自身的裂縫具有一定的自愈功能,在高溫條件下,瀝青混凝土內(nèi)部的微裂縫存在自動(dòng)愈合的可能性。由于瀝青穩(wěn)定碎石基層半剛性底基層瀝青路面結(jié)構(gòu)具有較厚的瀝青層總厚度,半剛性底基層上的收縮裂縫向上反射到瀝青面層表面,需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間,在反射裂縫還沒有到達(dá)瀝青面層表面時(shí),遇到高溫季節(jié),瀝青層內(nèi)的有些裂縫就可能自動(dòng)愈合,或在厚度方向愈合一部分,從而防止和延緩了反射裂縫的發(fā)生。

同時(shí)采用瀝青穩(wěn)定碎石上基層可降低瀝青面層內(nèi)部剪應(yīng)力,減少縱向剪切裂縫或剪切疲勞裂縫的產(chǎn)生。

3)對(duì)于混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)三:結(jié)構(gòu)三集中了以上兩種結(jié)構(gòu)的抗裂性能的優(yōu)點(diǎn)。一方面級(jí)配碎石層消除應(yīng)力集中現(xiàn)象,又可減少半剛性下基層裂縫兩側(cè)的彎沉差,而且降低瀝青層內(nèi)部的剪應(yīng)力,從而達(dá)到減少瀝青路面裂縫病害的目的。另一方面結(jié)構(gòu)三在瀝青混凝土面層與級(jí)配碎石基層之間設(shè)置了瀝青穩(wěn)定碎石層,可使材料模量值較大的瀝青混凝土與材料模量值較低的級(jí)配碎石之間有一層聯(lián)結(jié)層,減少了層間的模量比,以達(dá)到降低瀝青混凝土面層層底拉應(yīng)力,提高路面結(jié)構(gòu)整體使用功能的目的。

4)混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)可改善半剛性基層所處環(huán)境的溫度、濕度條件,減少半剛性基層使用過程中的干縮、溫縮裂縫,從而有效地減少瀝青面層的反射裂縫。

瀝青路面混合式基層結(jié)構(gòu)型式將半剛性層置于柔性基層之下,改善了半剛性層所處的溫度條件、干濕條件,能有效減少半剛性層使用過程中所發(fā)生的收縮裂縫,從而達(dá)到減少瀝青面層反射裂縫的作用。

對(duì)瀝青路面內(nèi)部溫度場(chǎng)隨內(nèi)在和外在因素發(fā)生變化的規(guī)律進(jìn)行分析,求解一維熱傳導(dǎo)偏微分方程,可求得溫度場(chǎng)的解析式或直接計(jì)算不同時(shí)刻在不同深度的溫度值。美國(guó)E.S.Barber把影響路面溫度的兩項(xiàng)主要?dú)庀笠蛩亍獨(dú)鉁嘏c輻射熱,綜合成一種當(dāng)量的有效溫度(Te),并假設(shè)它隨時(shí)間呈正弦周期性變化:

并且假設(shè)路面結(jié)構(gòu)為半無(wú)限空間體,解出熱傳導(dǎo)偏微分方程,得到路面內(nèi)部的溫度場(chǎng)方程式:

式中:

Tm為平均有效溫度,Tm=TA+R,其中TA為平均氣溫,R為輻射熱使氣溫增高為有效溫度的平均增量,R=0.67bQ/(24hc),其中b為路面對(duì)輻射熱的吸收能力,%,Q為太陽(yáng)的輻射熱,J/m,hc為考慮到對(duì)流和再輻射的表面系數(shù)(對(duì)流系數(shù)),W/m?℃,hc=7.37+2.4 v0.75,其中v為平均風(fēng)速,km/h;

Tv為同平均有效溫度的最大偏差,℃,可近似計(jì)算:Tv=0.5Tr+3R,其中Tr為氣溫的日變化幅度,℃;

t為從溫度周期起點(diǎn)的起算時(shí)間,h;

H為對(duì)流系數(shù)與面層材料熱傳導(dǎo)率的比值,即:H=hc/k;

C為路面材料熱特性綜合參數(shù);

Z為路面內(nèi)部目標(biāo)點(diǎn)深度。

以下是我國(guó)某中部地區(qū),根據(jù)當(dāng)?shù)貧鉁貤l件,計(jì)算得到瀝青路面內(nèi)部溫度變化的曲線,如圖1～圖3所示。

圖1 6月份路面結(jié)構(gòu)溫度日變化過程圖

圖2 4月份路面結(jié)構(gòu)溫度日變化過程圖

圖3 10月份路面結(jié)構(gòu)各深度處溫度日變化過程圖

由以上的路面各層溫度日變化圖可見,混合式基層瀝青路面將半剛性層的位置降低約10～26 cm后,半剛性層的每天日夜溫差基本控制在5℃～10℃以內(nèi),因此,只要施工養(yǎng)護(hù)期間較好地控制了半剛性底基層的干縮開裂和溫縮裂縫,由于半剛性層所處路面結(jié)構(gòu)層較深層次的位置,其內(nèi)部含水量不易被蒸發(fā),雨水滲入也較少,干濕變化不會(huì)很大,溫差變化也基本在5℃～10℃,因此,混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)在后期運(yùn)營(yíng)過程中,其干縮裂縫與溫縮裂縫的產(chǎn)生都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于半剛性基層瀝青路面,從而有效地減少了反射裂縫的產(chǎn)生。

綜上所述,從上面幾個(gè)方面進(jìn)行分析,混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)從控制半剛性層的后期開裂、延長(zhǎng)反射裂縫的傳播路徑長(zhǎng)度和傳播速度、消除反射裂縫頂端的應(yīng)力集中現(xiàn)象、減少裂縫兩側(cè)的彎沉差等方面,均能達(dá)到減少瀝青路面反射裂縫的目的。而且,從消除反射裂縫頂端的應(yīng)力集中現(xiàn)象、減少裂縫兩側(cè)的彎沉差這兩個(gè)方面來(lái)分析,其防裂效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于采用防裂土工合成材料夾層、應(yīng)力吸收層等方式。因此,混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)具有良好的防反射裂縫性能。而且在工程實(shí)踐中也將得到進(jìn)一步的驗(yàn)證。

3 早期縱向裂縫分析

目前高速公路瀝青路面上的縱向裂縫一般是表面裂縫,裂縫從表面向下延伸。曾經(jīng)在衡棗高速公路對(duì)兩條縱向裂縫進(jìn)行鉆芯,發(fā)現(xiàn)縱向裂縫是從表面開始的,約4 cm,僅貫通了表面層。其產(chǎn)生的主要原因一般是來(lái)自于瀝青路面的表面拉應(yīng)力和剪應(yīng)力。

1)表面拉應(yīng)力分析。計(jì)算結(jié)果匯總見表2。

表2 結(jié)構(gòu)一至結(jié)構(gòu)五的表面拉應(yīng)力和層底拉應(yīng)力對(duì)比表MPa

從表2可以看出:

①混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)三的表面拉應(yīng)力均遠(yuǎn)小于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)四。約為結(jié)構(gòu)四的1/3左右。

②混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)二表面拉應(yīng)力較大,但也比結(jié)構(gòu)四(半剛性基層瀝青路面)要小15%左右。

③柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)五表面無(wú)拉應(yīng)力,所以其主要破壞形式來(lái)自于從瀝青面層底開始的疲勞裂縫。由于無(wú)半剛性基層的反射裂縫、無(wú)從上至下的表面縱向裂縫、級(jí)配碎石有一定的排水能力基本不會(huì)發(fā)生唧漿唧泥出現(xiàn)網(wǎng)裂等現(xiàn)象,因而其早期損壞較少。這可能也是國(guó)外大量使用柔性基層瀝青路面,而使用半剛性基層瀝青路面較少的原因之一。

2)表面剪應(yīng)力分析。

由于瀝青路面在常溫或低溫下其抗剪強(qiáng)度很高,不會(huì)產(chǎn)生剪切破壞,因此在常溫下或低溫計(jì)算其抗剪強(qiáng)度進(jìn)行比較沒有什么意義,為分析結(jié)構(gòu)一至結(jié)構(gòu)五表面的剪應(yīng)力的大小,擬計(jì)算結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二、結(jié)構(gòu)三、結(jié)構(gòu)四、結(jié)構(gòu)五在高溫條件下結(jié)構(gòu)所受的表面剪應(yīng)力。高溫下各結(jié)構(gòu)層的計(jì)算模量如表3所示。

表3 高溫下結(jié)構(gòu)層模量取值表

計(jì)算了各結(jié)構(gòu)層的最大剪應(yīng)力,如表4所示。

表4 結(jié)構(gòu)一至結(jié)構(gòu)五表面最大剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

從上表可以分析,高溫條件下,結(jié)構(gòu)三的表面剪應(yīng)力最小,其次是結(jié)構(gòu)五、結(jié)構(gòu)二、結(jié)構(gòu)一,最大的是結(jié)構(gòu)四。

綜上可見,混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)一、結(jié)構(gòu)二、結(jié)構(gòu)三在標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用下,表面產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力和最大剪應(yīng)力均小于半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)四),因此,當(dāng)采用相同瀝青混合料的前提下,混合式基層瀝青路面有更好的抵抗縱向開裂的能力。在三類混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中,結(jié)構(gòu)類型三表面的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均最小,其抗裂能力最好。

4 防早期網(wǎng)狀裂縫及抗水損壞分析

目前我省瀝青路面出現(xiàn)早期網(wǎng)狀裂縫時(shí),一般均是由早期水損壞造成的。由于瀝青混凝土空隙率過大或不均勻,以至大量雨水從瀝青路面的空隙或裂縫處下滲,當(dāng)下滲至半剛性基層表面時(shí),由于半剛性基層十分致密,自由水沖刷半剛性基層表面,形成灰漿從空隙或裂縫涌出,形成“唧漿”現(xiàn)象。自由水由半剛性基層裂縫滲入土基,在動(dòng)水壓力作用下形成泥漿涌出,形成“唧泥”現(xiàn)象。自由水長(zhǎng)期滯留在瀝青混凝土內(nèi)部,在動(dòng)水壓力作用下,反復(fù)沖刷粘附在碎石表面的瀝青膜,造成瀝青膜的脫落,瀝青混凝土的強(qiáng)度降低,從而先出現(xiàn)瀝青面層內(nèi)部松散,出現(xiàn)網(wǎng)裂,后再出現(xiàn)“坑洞”。這是瀝青路面早期水損壞的典型表現(xiàn)形式,易出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫。特別是瀝青混凝土面層較薄時(shí),更易出現(xiàn)網(wǎng)狀裂縫。

1)結(jié)構(gòu)類型一與結(jié)構(gòu)類型三具有一定的排水能力:排水功能來(lái)源于級(jí)配碎石優(yōu)良的滲水能力。級(jí)配碎石與半剛性材料相比,其結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性不僅表現(xiàn)在具有防反射裂縫功能,而且還具有一定的滲水能力。

采用課題組推薦的級(jí)配修筑的常張高速公路級(jí)配碎石基層試驗(yàn)路,經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)大量滲水試驗(yàn)表明,該級(jí)配碎石基層具有很強(qiáng)的滲水能力。由于級(jí)配碎石具有一定的排水功能和吸水功能,能有效地阻止泥漿或灰漿的產(chǎn)生,混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)類型一與結(jié)構(gòu)類型三基本上可以防止唧泥或唧漿病害的產(chǎn)生,從而有效地避免網(wǎng)狀裂縫和早期水損壞的產(chǎn)生。

2)混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)類型具有良好的防水能力,使雨水不易滲入瀝青路面結(jié)構(gòu)層。一方面,由于結(jié)構(gòu)類型一中的級(jí)配碎石上基層具有防反射裂縫作用,與半剛性基層瀝青路面相比,使瀝青路面裂縫大為減少。因此,通過裂縫進(jìn)入路面內(nèi)部的雨水也就大為減少。另一方面,目前我們?cè)O(shè)計(jì)的三種瀝青面層混凝土,經(jīng)過大量室內(nèi)外滲水試驗(yàn)和大量實(shí)體工程的實(shí)用效果證明具有優(yōu)良的密水能力。我們?cè)谠囼?yàn)室做了大量的室內(nèi)車轍試件的滲水試驗(yàn),基本不透水。第三個(gè)方面,就是在半剛性下基層或底基層表面,設(shè)計(jì)了封層,進(jìn)一步增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的防水能力。

3)混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)類型二、結(jié)構(gòu)類型三均具有較厚的瀝青層,厚的瀝青層可有效地延緩自由水下滲的時(shí)間和延緩“灰漿”或“泥漿”從瀝青結(jié)構(gòu)層涌出路面的時(shí)間,從而有效地延緩早期網(wǎng)狀裂縫的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)由于采用柔性基層+半剛性基層的結(jié)構(gòu)組合,相對(duì)于半剛性基層瀝青路面而言,具有良好的路用性能:

1)混合式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中的半剛性層所處豎向位置低于半剛性基層瀝青路面,因此在內(nèi)部的濕度和溫度變化受外界條件影響小,可有效地減少半剛性基層的自身的溫縮和干縮裂縫。

2)由于在半剛性層上設(shè)置了柔性基層,延長(zhǎng)了裂縫反射到瀝青路面表面的時(shí)間。

3)級(jí)配碎石上基層具有良好的應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng),可有效改變應(yīng)力尖端集中效應(yīng),從而隔斷了反射裂縫的擴(kuò)散路徑,有效地防止反射裂縫的產(chǎn)生。

4)經(jīng)過理論計(jì)算,混合式基層瀝青路面的表面拉應(yīng)力和剪應(yīng)力明顯小于半剛性基層瀝青路面,因而可減少縱向裂縫的產(chǎn)生。

5)由于級(jí)配碎石結(jié)構(gòu)存在一定的排水能力,可有效地防止唧泥、唧漿等病害,防止水損害,減少網(wǎng)狀裂縫。

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