李德軍， 羅少輝， 唐永紅， 李強(qiáng),3

(1.湖南省岳陽(yáng)市公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)中心， 湖南 岳陽(yáng) 414000；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114；3.道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

反射裂縫是舊水泥砼路面加鋪瀝青路面后的主要病害之一，其在加鋪層層底萌生和擴(kuò)展的主要原因是舊水泥砼路面接、裂縫處的應(yīng)力局部效應(yīng)。談至明等從理論力學(xué)模型上證明了設(shè)置局部軟弱夾層可有效防止因局部應(yīng)力形成的張開(kāi)型反射裂縫。為削弱和防止產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，在阻裂夾層材料與方法上不斷創(chuàng)新，逐漸形成了全幅鋪設(shè)和條帶狀鋪設(shè)中間夾層兩類處治方式。全幅鋪設(shè)雖能控制隨機(jī)產(chǎn)生的裂縫，但經(jīng)濟(jì)性較差，施工難度大，施工質(zhì)量難以保證。沿接、裂縫方向鋪設(shè)的條帶狀層間防反射裂縫方式因其價(jià)格低廉、操作簡(jiǎn)單而得到推廣應(yīng)用。條帶狀鋪設(shè)的防裂材料主要有高分子抗裂貼和高彈性橡膠瑪蹄脂應(yīng)力吸收帶。目前對(duì)新型高彈性應(yīng)力吸收帶抗裂夾層材料的應(yīng)用較少，且對(duì)條帶鋪設(shè)整體性能評(píng)價(jià)局限于車轍試驗(yàn)獲得的疲勞壽命，缺乏該措施下應(yīng)力擴(kuò)散情況及抗裂機(jī)理分析。該文結(jié)合實(shí)體工程，采用新型高彈性體接縫填充材料(HZ/ZD-4型)構(gòu)成高彈性應(yīng)力吸收帶，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)比普通灌縫、高分子抗裂貼、高彈性應(yīng)力吸收帶的抗裂效果，并建立三維有限元模型分析移動(dòng)荷載作用下模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及阻裂力學(xué)機(jī)理。

1 原材料

試驗(yàn)采用AC-13C瀝青混合料，其中集料采用石灰?guī)r，配合比見(jiàn)表1。瀝青采用SBS改性瀝青，油石比為4.9%。經(jīng)檢測(cè)，瀝青混合料的技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

表1 瀝青混合料集料級(jí)配

高分子抗裂貼的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。高彈性應(yīng)力吸收帶以聚合物彈性體材料為基材，通過(guò)特殊施工工藝將5種功能材料組合形成高彈性體填充材料，具有高彈性、強(qiáng)黏結(jié)性、柔韌性及阻裂性能，技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表2 高分子抗裂貼的技術(shù)指標(biāo)

表3 高彈性應(yīng)力吸收帶的技術(shù)指標(biāo)

2 室內(nèi)模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

采用DWT雙輪漢堡車轍儀，通過(guò)輪載的往返模擬原路面在行車荷載下反射裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展。為便于觀察與量測(cè)不同抗裂處治措施下瀝青砼加鋪層反射裂縫擴(kuò)展情況，對(duì)車轍儀的試模進(jìn)行改進(jìn)，將一側(cè)鋼板拆除，采用F型夾具固定試模及試件，保證百分表在試件側(cè)面的安裝與數(shù)值讀取(見(jiàn)圖1)。

圖1 車轍儀試模拆除及固定方法

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒Y(jié)構(gòu)

通過(guò)國(guó)內(nèi)外疲勞開(kāi)裂模擬試驗(yàn)裝置和室內(nèi)模擬試驗(yàn)的比較分析，發(fā)現(xiàn)在車轍輪載作用條件下板式支承試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀^測(cè)到的是車轍破壞，很難觀測(cè)到裂紋擴(kuò)展開(kāi)裂破壞，只有在簡(jiǎn)支支承條件下模型結(jié)構(gòu)才呈現(xiàn)典型的裂紋擴(kuò)展破壞。因此，室內(nèi)模型試驗(yàn)選用簡(jiǎn)支支承，試驗(yàn)方案見(jiàn)表4，模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，橡膠墊塊采用3 cm以改進(jìn)車轍試驗(yàn)，滿足模具高度。

表4 室內(nèi)結(jié)構(gòu)模型方案

圖2 簡(jiǎn)支支承條件下抗裂處治措施結(jié)構(gòu)模型(單位：cm)

2.3 試樣制備

車轍試件為靜壓法成型的AC-13C瀝青混合料，壓實(shí)度為92%，尺寸為30 cm×30 cm×3 cm。將滿足要求的AC-13C試件黏結(jié)制成路面結(jié)構(gòu)模型，步驟如下：1) 采用麻石切割加工成30 cm×30 cm×4 cm試塊，并在中間切縫模擬2塊水泥砼路面接縫；2) 將3種抗裂材料按照其施工工藝對(duì)麻石試塊接、裂縫進(jìn)行抗裂處理；3) 麻石試件涂抹SBS改性瀝青黏層油，將其瀝青車轍試件黏結(jié)組成抗裂結(jié)構(gòu)模型，并在瀝青混合料層預(yù)裂范圍側(cè)面涂白色涂料，以便從側(cè)面觀察和量測(cè)裂縫發(fā)展。

將成型試件、墊塊及試模安裝固定在漢堡車轍儀試驗(yàn)臺(tái)上，車轍輪位于成型試件的中央，其滾動(dòng)方向與試件裂縫方向垂直[見(jiàn)圖1(a)]。

2.4 試驗(yàn)參數(shù)

溫度設(shè)定為室溫(25±0.5) ℃；試輪接地壓強(qiáng)為(0.7±0.05) MPa；行走次數(shù)為(52±1) 次/min；模擬舊水泥砼路面接縫的麻石預(yù)設(shè)裂縫寬度為8 mm。

3 室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 抗疲勞性能

3種抗裂材料室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。由于高彈性應(yīng)力吸收帶抗裂措施試件在未出現(xiàn)明顯裂縫時(shí)已發(fā)生嚴(yán)重車轍破壞，且試驗(yàn)輪載作用次數(shù)已遠(yuǎn)超其他抗裂方案，選擇終止試驗(yàn)。

表5 簡(jiǎn)支支承條件下疲勞試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知：從產(chǎn)生初裂輪載作用次數(shù)來(lái)看，抗裂貼處治措施為普通灌縫的2倍，裂縫完全貫穿瀝青加鋪層(終裂)時(shí)抗裂貼處治措施的輪載作用次數(shù)約為普通灌縫的1.85倍；從初裂到終裂的輪載作用次數(shù)來(lái)看，普通灌縫平均為4 450次，而抗裂貼處治措施平均為9 045次，后者為前者的2倍。說(shuō)明在產(chǎn)生反射裂縫后，經(jīng)抗裂貼處治后抗裂紋擴(kuò)展能力強(qiáng)于普通灌縫；高彈性應(yīng)力吸收帶抗反射裂縫的效果強(qiáng)于抗裂貼。

3.2 反射裂縫擴(kuò)展規(guī)律

裂紋擴(kuò)展寬度采用百分表從瀝青加鋪層側(cè)面量測(cè)，采用高清攝影機(jī)記錄百分表讀數(shù)，獲取裂紋寬度與輪載作用次數(shù)的關(guān)系。抗裂貼和普通灌縫各取2個(gè)典型試件數(shù)據(jù)，繪制裂縫擴(kuò)展寬度隨輪載作用次數(shù)的擴(kuò)展趨勢(shì)圖(見(jiàn)圖3)。

圖3 裂縫擴(kuò)展寬度隨輪載作用次數(shù)擴(kuò)展趨勢(shì)

在輪載重復(fù)作用下舊路面接、裂縫處頂部材料劣化，在尖端應(yīng)力效應(yīng)下產(chǎn)生初始裂紋，并向?yàn)r青加鋪層擴(kuò)展。在這個(gè)過(guò)程中，裂縫處治材料抗裂性能的優(yōu)劣影響裂紋擴(kuò)展寬度和擴(kuò)展速度。從圖3可看出：普通灌縫處治方案的反射裂縫寬度隨輪載作用次數(shù)的增加呈線性增大，抗裂貼處治方案的裂紋擴(kuò)展速度相對(duì)較緩；裂紋完全貫穿瀝青加鋪層時(shí)，普通灌縫與抗裂貼措施下反射裂縫終裂寬度相差不大。

高彈性應(yīng)力吸收帶抗裂措施在試件出現(xiàn)嚴(yán)重車轍時(shí)，側(cè)面未觀測(cè)到明顯裂紋擴(kuò)展，百分表能量測(cè)到的2個(gè)試件的位移為0.030與0.035 mm。

以阻裂率CRR作為抗裂材料抵抗反射裂縫能力的評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：a0為普通灌縫措施下裂紋終裂時(shí)最大寬度；amax為其他抗裂措施下裂紋終裂時(shí)最大寬度。

根據(jù)室內(nèi)模型試驗(yàn)中百分表量測(cè)結(jié)果，按式(1)計(jì)算得抗裂貼處治方案1#、2#試件的阻裂率分別為13.3%、9.2%，高彈性應(yīng)力吸收帶抗裂方案1#、2#試件的阻裂率分別為98.2%、97.9%。高彈性應(yīng)力吸收帶的阻裂效果遠(yuǎn)好于抗裂貼處治方案。

4 室內(nèi)模型試驗(yàn)有限元分析

4.1 有限元模型

4.1.1 模型結(jié)構(gòu)

為模擬移動(dòng)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，建立簡(jiǎn)支支承模型結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖4)。模型結(jié)構(gòu)底部完全約束，頂部荷載作用面不作約束，與行車方向垂直面允許其豎向位移及轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)作以下假設(shè)：不考慮抗裂貼及應(yīng)力吸收帶材料阻尼現(xiàn)象，路面結(jié)構(gòu)層材料為均質(zhì)體，采用線彈性模型；瀝青混合料層與舊水泥面層中間采用瀝青黏結(jié)，界面連續(xù)且不發(fā)生層間相對(duì)滑移；水泥板與橡膠墊塊界面之間相對(duì)滑移很小，采用small sliding接觸分析。

圖4 模型結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

4.1.2 材料參數(shù)

通過(guò)模態(tài)分析獲得結(jié)構(gòu)頻率響應(yīng)，其中路面結(jié)構(gòu)阻尼比為0.02～0.2，選取阻尼比0.05，其他參數(shù)見(jiàn)表6。

表6 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

為實(shí)現(xiàn)阻裂材料對(duì)路面結(jié)構(gòu)的加筋作用和黏結(jié)作用，不考慮其阻尼作用，分別采用拉伸模量及黏結(jié)強(qiáng)度對(duì)抗裂貼進(jìn)行模擬，得拉伸模量為200 MPa、黏結(jié)強(qiáng)度為0.2 MPa，高彈性應(yīng)力吸收帶的彈性模量為800 MPa。

4.1.3 移動(dòng)荷載

黃仰賢在研究動(dòng)態(tài)荷載作用時(shí)間問(wèn)題時(shí)，采用式(2)所示荷載時(shí)間簡(jiǎn)化計(jì)算公式，得到荷載作用在瀝青混合料層表面的時(shí)間約為0.9 s。

(2)

式中：T為荷載作用時(shí)間(s)；l為車輪接觸面積半徑(cm)；v為車輪行駛速度(cm/s)。

移動(dòng)荷載垂直裂紋方向，車輪接觸面積為5 cm×2.2 cm。為實(shí)現(xiàn)移動(dòng)荷載，在瀝青混合料層表面設(shè)置荷載移動(dòng)網(wǎng)格條帶，每個(gè)網(wǎng)格長(zhǎng)度、寬度均與車輪接觸瀝青面的寬度相同，共分為10個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)階躍時(shí)間荷載作用一個(gè)網(wǎng)格，通過(guò)Visual Fortran 2013編寫(xiě)用戶子程序vdload并關(guān)聯(lián)Visual Studio 2012，通過(guò)調(diào)用子程序完成移動(dòng)荷載分布。

4.2 動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)分析

4.2.1 應(yīng)力云圖

荷載是否實(shí)現(xiàn)移動(dòng)可通過(guò)加鋪層表面荷載作用時(shí)產(chǎn)生的荷載應(yīng)力進(jìn)行判別，隨著時(shí)間變化，荷載作用位置不同，結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力變化也不同。圖5為模型結(jié)構(gòu)不同時(shí)間點(diǎn)及視圖切片的Mise應(yīng)力云圖。

圖5 模型結(jié)構(gòu)不同時(shí)間點(diǎn)及視圖切片的Mise應(yīng)力云圖(單位：Pa)

從圖5可看出：在移動(dòng)荷載作用下，Mise應(yīng)力由裂紋中部逐漸向兩端降低。根據(jù)網(wǎng)格劃分判斷荷載移動(dòng)距離，階躍時(shí)間為0.45 s時(shí)，移動(dòng)荷載正好作用在舊水泥砼路面接縫上方，此時(shí)瀝青混合料層層底及接縫兩邊的連接處出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象；移動(dòng)荷載逐漸駛離接縫正上方時(shí)，在荷載作用一側(cè)的接縫頂端出現(xiàn)明顯應(yīng)力集中現(xiàn)象。說(shuō)明不管荷載移動(dòng)到哪個(gè)位置，接縫頂端處均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，此處也是初始裂紋產(chǎn)生的部位。

4.2.2 抗裂機(jī)理分析

隨著加載的移動(dòng)，舊水泥砼路面接縫上方瀝青混合料層層底應(yīng)力狀態(tài)隨著時(shí)間變化而變化。應(yīng)力云圖分析表明荷載作用在接縫正上方時(shí)，接縫處產(chǎn)生最大應(yīng)力。因此，以接縫上方瀝青混合料層層底部位作為分析對(duì)象，繪制移動(dòng)荷載作用下瀝青混合料層層底剪應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線(見(jiàn)圖6)。

圖6 瀝青混合料層層底剪應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

從圖6可看出：抗裂貼處治方案與普通灌縫方案的瀝青混合料層剪應(yīng)力變化曲線沒(méi)有明顯差異，而高彈性應(yīng)力吸收帶方案的剪應(yīng)力減小幅度大于其他方案，峰值強(qiáng)度由0.14 MPa減少到0.08 MPa，說(shuō)明抗裂貼對(duì)剪應(yīng)力的消散作用不顯著。分析其原因，在剪切作用下抗裂貼抗反射裂縫的能力主要來(lái)自于抗裂貼與舊水泥砼路面的黏結(jié)力，黏結(jié)力強(qiáng)的抗裂貼在抗疲勞開(kāi)裂性能上更優(yōu)。而抗裂貼黏結(jié)力大小受材料黏結(jié)性能及施工工藝影響較大，施工前舊水泥砼路面接縫處界面處理不徹底、施工過(guò)程中加熱滾壓不到位都會(huì)嚴(yán)重影響抗裂貼的黏結(jié)力，從而影響抗裂貼的阻裂效果。采用高彈性應(yīng)力吸收帶抗裂方案，相當(dāng)于在舊水泥砼路面接縫與瀝青加鋪層間設(shè)置一薄層柔軟夾層將兩者隔開(kāi)，并起到彈性緩沖協(xié)調(diào)變形作用，從而大大降低荷載作用下剪切作用的影響。

板式試件應(yīng)力分布較復(fù)雜，板中每個(gè)方向都存在不同受力狀態(tài)，圖7為板中沿行車方向、垂直于行車方向不同抗裂方案下最大主應(yīng)力分布情況。

圖7 瀝青混合料層層底中截面橫向應(yīng)力變化(t=0.45 s)

從圖7可看出：1) 荷載作用于板中時(shí)，沿行車方向最大主應(yīng)力由板中迅速向兩邊減小。采用抗裂貼和高彈性應(yīng)力吸收帶處治方案，板中最大主應(yīng)力由普通灌縫方案的0.60 MPa分別下降至0.41與0.32 MPa，但在距板中4～9 cm范圍最大主應(yīng)力略大于普通灌縫，且高彈性應(yīng)力吸收帶更顯著。距板中4～9 cm范圍是舊水泥砼、應(yīng)力吸收帶或抗裂貼、瀝青混合料、黏層材料相互接觸區(qū)域，材料交界部位會(huì)有尖端應(yīng)力效應(yīng)，同時(shí)抗裂貼和高彈性應(yīng)力吸收帶會(huì)進(jìn)一步平緩板中部位的應(yīng)力峰值。2) 板式試件底部的最大主應(yīng)力峰值并不在板中位置，而是出現(xiàn)在距板中兩側(cè)10 cm左右即4倍輪半寬位置。板底峰值最大主應(yīng)力由普通灌縫的0.75 MPa降到抗裂貼的0.54 MPa和高彈性應(yīng)力吸收帶的0.40 MPa，且后兩者的變化更平緩。

綜合瀝青混合料層底剪應(yīng)力和層底中截面橫向應(yīng)力變化，抗裂貼抵抗反射裂縫主要以加筋作用為主，增強(qiáng)瀝青混合料層層底水平抗變形能力，即垂直于行車方向的加筋作用顯著；高彈性應(yīng)力吸收帶對(duì)瀝青混合料層底抗剪及抗拉均有明顯改善作用，能顯著提高瀝青混合料加鋪結(jié)構(gòu)層的抗裂性能。

5 結(jié)論

(1) 在3種舊水泥砼路面“白改黑”抗裂處治措施中，高彈性應(yīng)力吸收帶和抗裂貼的平均阻裂率分別為98.1%、11.3%，抗裂貼初裂和終裂輪載作用次數(shù)分別為普通灌縫的2倍、1.85倍，抗裂貼對(duì)接縫反射裂縫有一定延緩作用，高彈性應(yīng)力吸收帶抗裂效果最佳。

(2) 抗裂貼與普通灌縫方案的接縫頂部瀝青混合料層底剪應(yīng)力變化曲線沒(méi)有明顯差異，而高彈性應(yīng)力吸收帶方案的剪應(yīng)力減小幅度較明顯；垂直于行車方向的瀝青混合料層層底中截面橫向最大主應(yīng)力呈馬鞍形分布，且峰值隨著抗裂措施的不同而顯著降低。

(3) 抗裂貼主要以加筋作用為主，抵抗張拉型反射裂縫效果明顯；高彈性應(yīng)力吸收帶兼具彈性?shī)A層和抗裂貼的作用，抵抗剪切型及張拉型反射裂縫的效果顯著。