龐炳維

（河北路橋集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050011）

0 引言

水泥混凝土路面是我國高等級(jí)公路主要的路面結(jié)構(gòu)型式之一，在20世紀(jì)90年代發(fā)展最快，里程增加最多。水泥混凝土路面具有整體性好、承載力高、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。但就目前國內(nèi)外水泥混凝土路面使用狀況而言，仍存在過早損壞、路面病害、修補(bǔ)困難等問題。

舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層結(jié)構(gòu)（以下簡(jiǎn)稱PCC-AC）的研究一直是各國道路研究者關(guān)注的熱點(diǎn)問題，由于具有充分利用舊混凝土面板、減少環(huán)境污染、節(jié)約資源且行車舒適等一系列優(yōu)點(diǎn)[1]，在舊水泥混凝土路面改造常用的技術(shù)措施。而如何控制PCC-AC層間粘結(jié)及反射裂縫的產(chǎn)生仍是道路工程界所面臨的一大難題。

1 計(jì)算說明

汽車高速行駛在路面上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的水平力。對(duì)于PCC-AC層間的接觸面來說，由于加鋪的AC層較薄，對(duì)剪應(yīng)力的緩解作用有限，因此層間會(huì)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力。本文主要用BISAR3.0計(jì)算PCCAC層間的剪應(yīng)力。設(shè)輪胎壓力為0.7MPa，當(dāng)量圓半徑為10.65cm，接觸面積為356.32cm2，雙輪間距為32cm。各個(gè)結(jié)構(gòu)層材料相關(guān)參數(shù)的取值見表1。

表1 PCC-AC典型結(jié)構(gòu)

計(jì)算時(shí)依據(jù)粘彈性層狀體系理論，假設(shè)PCCAC路面結(jié)構(gòu)層間處于完全連續(xù)狀態(tài)，行車方向?yàn)閄方向，道路橫斷方向?yàn)閅方向，豎直向下為Z方向，摩阻系數(shù)取0.3。計(jì)算圖示如圖1所示。

圖1 力學(xué)計(jì)算圖示

2 層間剪應(yīng)力分析

不同軸載作用下沿Y方向?qū)娱g剪應(yīng)力分布如圖2所示。從圖2可以看出，最大剪應(yīng)力發(fā)生在沿Y方向1.5σ點(diǎn)處，即輪中心點(diǎn)的位置上。且隨著軸重的增加，剪應(yīng)力值也隨之增加。也就是說在荷載的作用下，路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，在較大的剪應(yīng)力的作用下會(huì)造成層間破壞。同時(shí)由于我國路面存在嚴(yán)重的超載情況，加劇了這種破壞的發(fā)展。一旦PCC與AC層脫離，變?yōu)橥耆瑒?dòng)狀態(tài)，AC層層底和路表輪跡帶邊緣均產(chǎn)生較大的彎拉應(yīng)力，從而造成兩頭受拉的情況[2]。

圖2 不同軸載作用下沿Y方向?qū)娱g剪應(yīng)力分布

3 中間層厚度對(duì)剪切強(qiáng)度影響分析

為防止PCC與加鋪的AC層之間產(chǎn)生較大的剪切變形，一般在PCC層和AC層間設(shè)置中間層，一方面可以減少AC層的反射裂縫，另一方面可以改善PCC層和AC層之間的剪應(yīng)力狀況[3]。計(jì)算夾層的設(shè)置對(duì)于層間剪應(yīng)力的影響時(shí)，取標(biāo)準(zhǔn)軸載100kN，中間層厚度為0～2cm，回彈模量為400MPa，泊松比為0.25，PCC層厚度為25cm，其余參數(shù)不變，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同中間層厚度對(duì)剪應(yīng)力影響

由圖3可知，PCC-AC的層間剪應(yīng)力隨著中間層厚度的增加而逐漸減小，因?yàn)樵黾又虚g厚度，相當(dāng)于增加了AC層的厚度，而剪應(yīng)力的大小沿路面縱向深度會(huì)逐漸減小，正好印證這一規(guī)律。但增加中間層厚度不夠經(jīng)濟(jì)。從圖3可知，當(dāng)中間層厚度小于0.5cm時(shí)，層間剪應(yīng)力變化比較明顯，當(dāng)中間層厚度大于1.5cm時(shí)，PCC-AC層間剪應(yīng)力減小趨勢(shì)減弱。因此建議中間層厚度應(yīng)保持在0.5～1.5cm之間。

4 剪切試驗(yàn)

中間層應(yīng)該具有良好的柔韌性、粘結(jié)性和防水效果，當(dāng)然其抗剪強(qiáng)度也應(yīng)滿足一定的要求。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)采用瀝青砂、玻纖格柵、橡膠瀝青碎石封層、土工布，厚度均在0.5～1.5cm之間。本試驗(yàn)借助多功能路面層間剪切儀對(duì)不同的中間層材料進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)。

首先用擊實(shí)法成型一層高度為5cm的馬歇爾水泥混凝土試件，養(yǎng)生好后在其上均勻涂上中間層材料，然后用靜壓法成型5cm厚AC-13瀝青混合料。試驗(yàn)溫度為20℃，剪切速率為10mm/min。剪切過程中，當(dāng)剪應(yīng)力衰減到峰值的20%時(shí)，試驗(yàn)停止。剪切數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 各中間層材料抗剪強(qiáng)度

從圖4可以看出，橡膠瀝青碎石封層的抗剪強(qiáng)度最大，土工布的抗剪強(qiáng)度最小。橡膠瀝青碎石封層抗剪強(qiáng)度大于計(jì)算所得的最大抗剪強(qiáng)度，能夠滿足任何要求；玻纖格柵、瀝青砂、土工布抗剪強(qiáng)度只能滿足部分要求。

5 疲勞壽命分析

由于舊水泥混凝土路面存在接縫或裂縫，在不同類型的荷載循環(huán)作用下，瀝青加鋪層裂縫尖端處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，誘發(fā)局部微觀裂縫，并逐步發(fā)展為加鋪層中宏觀裂縫的擴(kuò)展，路面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為疲勞斷裂特性。因此中間層材料在滿足抗剪強(qiáng)度的同時(shí)，還應(yīng)具有良好的耐久性及應(yīng)力吸收作用。

為此疲勞試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了400mm×100mm×100mm復(fù)合小梁試件。下層為5cm的PCC板，上層為5cm厚的AC-13瀝青混合料；試驗(yàn)溫度為15℃；加載方式采用正弦波形荷載，加載頻率10Hz，加載時(shí)間為t=1/（2πf）=0.016s。 其疲勞試驗(yàn)結(jié)果見圖5。

由圖5可知，橡膠瀝青碎石封層的疲勞性能最好，是瀝青砂疲勞性能的1.7倍，這是因?yàn)橄鹉z瀝青碎石封層中占粒料高度4/5的碎石顆粒承擔(dān)水泥混凝土板的變形，起到遏制水泥混凝土板裂縫向面層擴(kuò)展的作用。橡膠瀝青在加鋪層和水泥混凝土板之間形成一層1cm左右厚度的高粘彈性軟介層，通過等粒徑碎石的傳遞及橡膠瀝青的粘結(jié)作用，將加鋪層和水泥混凝土板聯(lián)結(jié)成為整體，從而有效提高瀝青加鋪層的疲勞壽命。

圖5 各中間層材料疲勞壽命

6 結(jié)論

綜上所述，通過BISAR3.0軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)層間的力學(xué)分析和常用中間層材料抗剪及疲勞性能室內(nèi)試驗(yàn)，可得出以下結(jié)論。

6.1 超載重載會(huì)使PCC-AC層間產(chǎn)生較大剪應(yīng)力，

對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力不利。為使PCC-AC結(jié)構(gòu)具有良好的耐久性及整體性，建議在PCC與AC層之間設(shè)置一層0.5~1.5cm的中間層材料。

6.2 剪切試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)結(jié)果顯示，橡膠瀝青碎石封層的抗剪強(qiáng)度最大，疲勞壽命次數(shù)最長。

[1]殷岳川.AC+RCC復(fù)合式路面研究[J].東北公路，1998， 21（3）： 36-40.

[2]劉玉榮.水泥混凝土瀝青混凝土復(fù)合式路面的荷載應(yīng)力分析[J].東北公路，1996，（1）：25-28.

[3]張鵬.舊水泥混凝土路面黑色罩面反射裂縫的防治[J].長安大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，（3）：16-18.