摘要：為有效提升“白加黑”路面服務水平，文章針對其易在水泥板接縫處產生反射裂縫的痛難點，展開“白加黑”路面結構優(yōu)化研究。基于ABAQUS軟件，建立了“白加黑”路面結構的有限元模型，通過分析加鋪瀝青層厚度及模量參數對其層底薄弱點受力影響，優(yōu)化加鋪瀝青層的層厚設置及混合料類型選擇；通過數值模擬分析、抗疲勞性能試驗等，對比研究了橡膠瀝青應力吸收層、共振碎石化、土工布、OLSM-25抗裂層等抗反射裂縫措施的效果及經濟性。結果表明：推薦“白加黑”路面瀝青加鋪層厚度為8～10 cm、彈性模量為1 000～1 200 MPa，在工程預算有限的情況下，抗反射裂縫措施建議采用共振碎石化或者橡膠瀝青應力吸收層，在工程成本允許的情況下，可考慮采用共振碎石化+橡膠瀝青應力吸收層結合的措施。

關鍵詞：“白加黑”路面結構；ABAQUS；抗反射裂縫；疲勞開裂

中圖分類號：U416.217

0 引言

“白加黑”改造技術，即在原水泥混凝土路面上加鋪瀝青混凝土面層，是一種常用的道路改造技術。該技術利用了水泥混凝土路面的高剛度和瀝青混凝土路面的高韌性，形成了一種復合結構，既能提高路面的平整性和舒適性，又能提高路面的耐久性和抗裂性，延長路面的使用壽命。同時，該技術具有施工周期短、成本低、環(huán)境影響小等優(yōu)點，適用于水泥路面的改造和維修［1］。

然而，“白加黑”改造技術也存在一些問題和挑戰(zhàn)，主要是由于水泥混凝土路面和瀝青混凝土路面的物理性質和力學性能的差異，導致路面結構在受到交通荷載的作用時，產生了不同的應力和應變，從而形成反射裂縫［2］。反射裂縫是指原水泥混凝土路面的板接縫或裂縫，通過瀝青層反射到路面表面，是“白加黑”路面結構的主要病害之一。反射裂縫不僅影響路面的美觀和平整，而且會導致水分和雜質滲入路面結構，降低路面結構的穩(wěn)定性和承載能力，加速路面的老化和破壞，縮短路面的使用壽命［3］。

因此，如何優(yōu)化“白加黑”路面結構的設計，減少反射裂縫的產生，提高路面結構的性能，是“白加黑”改造技術的關鍵問題。本文基于ABAQUS軟件，建立了“白加黑”路面結構的有限元模型，分析了瀝青層厚度及模量參數對路面結構的影響，并通過數值模擬不同抗反射裂縫措施，得出優(yōu)化的結構參數組合及抗反射開裂措施，以減少反射裂縫的產生，提高路面結構的抗裂性能和承載能力。

1 “白加黑”路面結構數值分析

1.1 ABAQUS有限元建模

1.1.1 模型尺寸及材料參數

采用ABAQUS軟件建立“白加黑”路面結構模型，包括瀝青加鋪層、水泥混凝土層、級配碎石層和半無限基層，確定各結構層的寬度、厚度、彈性模量、泊松比等參數，如表1所示。

為模擬荷載對“白加黑”路面結構的力學響應，特別是受力薄弱點——水泥板接縫及路面基層裂縫處，路面模型設置寬度為8 mm的裂縫，其深度設置貫穿整個基層與底基層，如圖1所示。

1.1.2 荷載作用位置

將車輪荷載等效成矩形均布荷載，等效矩形尺寸為19.2 cm×18.6 cm，等效荷載作用面積為353.22 cm2，雙輪間距為12.8 cm。采用BZZ-100標準軸載，輪胎對地壓強為0.7 MPa［4］。如圖2所示。

考慮剪切應力是導致瀝青加鋪層出現反射裂縫的主要原因，因此本文在接縫處施加偏荷載，偏荷載作用位置如圖3所示。

1.1.3 網格劃分

對路面結構模型采用局部加密網格劃分的方法，提升求解速度及準確性，劃分結果如圖4所示。

1.2 加鋪層模量對層底力學響應的影響分析

為研究加鋪層模量對瀝青面層層底力學響應的影響，本文采用有限元軟件模擬“白加黑”路面中瀝青加鋪層的模量分別為600 MPa、800 MPa、1 000 MPa、1 200 MPa、1 400 MPa、1 600 MPa，“白加黑”路面應力云圖如圖5所示。

加鋪層模量與層底接縫處應力關系如圖6所示。

由圖5、圖6可知，瀝青層層底接縫處的應力隨著加鋪層模量增加呈先下降后穩(wěn)定的趨勢。其中，加鋪層模量由600 MPa逐級增加到1 600 MPa，瀝青層層底接縫處的等效應力分別降低了10.79%、7.25%、4.84%、3.23%、1.60%，層底接縫處最大剪應力分別降低了12.71%、8.83%、6.50%、4.03%、2.45%，層底接縫處最大主應力分別降低了1.47%、1.07%、0.96%、0.84%、0.68%。

加鋪層彈性模量達到1 200 MPa后，瀝青層層底接縫處等效應力及最大剪應力隨彈性模量增加而增幅變小，這是因為在交通荷載一定的情況下，加鋪層彈性模量過大，不會對層底應力產生更多的影響，因此瀝青層層底接縫處應力變化呈現穩(wěn)定的趨勢。過度增加瀝青加鋪層的彈性模量只會造成施工成本的增加，并不會進一步提升其性能，因此推薦將“白加黑”路面瀝青加鋪層彈性模量設置為1 000～1 200 MPa。

1.3 加鋪層厚度對層底力學響應的影響分析

為研究加鋪層厚度對瀝青面層層底力學響應的影響，瀝青加鋪層厚度分別設為6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、14 cm、16 cm，加鋪層厚度與層底接縫處應力關系如圖7所示。

由圖7可知，瀝青層層底接縫處的應力隨著加鋪層厚度增加呈先下降后穩(wěn)定的趨勢。厚度逐漸增加，瀝青層層底接縫處的等效應力分別降低了21.11%、11.66%、6.61%、2.71%、0.91%，層底接縫處最大剪應力分別降低了21.01%、10.49%、7.48%、3.33%、1.27%，層底接縫處最大主應力分別降低了25.29%、22.11%、11.63%、10.80%、4.62%。當加鋪層厚度在6～10 cm時，瀝青層層底接縫處應力變化幅度在10%～30%，而當加鋪層厚度＞10 cm時，瀝青層層底接縫處應力變化幅度均＜10%。

隨著加鋪層厚度的增加，瀝青層層底接縫處等效應力及最大剪應力變化幅度差異性較小，這是因為增加瀝青加鋪層厚度可以增加路面的剛度和強度，有效降低了舊路面層底部的應力，減少了反射裂縫的產生和擴展。然而，當瀝青層厚度超過最佳值后，繼續(xù)增加厚度對抗反射裂縫的效果微乎其微，反而會延長工程施工時間和提高工程費用，因此推薦“白加黑”路面瀝青加鋪層厚度為8～10 cm。

2 不同抗反射裂縫措施效果研究

為進一步防止反射裂縫的產生，在優(yōu)化瀝青加鋪層的模量及厚度后，對橡膠瀝青應力吸收層、共振碎石化、土工布、OLSM-25抗裂層［5］4種單一抗反射裂縫措施，以及碎石化+橡膠瀝青應力吸收層、碎石化+土工布2種復合的措施，通過數值模擬分析、抗疲勞性能試驗等，對比分析其抗反射裂縫效果及施工經濟性。

2.1 數值模擬受力分析

不同抗反射裂縫措施數值模擬結果如圖8所示，由圖可知，不同抗反射裂縫措施瀝青層層底接縫應力值從大到小依次為：無抗反射裂縫措施＞土工布＞共振碎石化＞橡膠瀝青應力吸收層＞OLSM-25抗裂層＞共振碎石化+土工布＞共振碎石化+橡膠瀝青應力吸收層。4種單一措施中，OLSM-25抗裂層應力值最小，其等效應力為0.459 37 MPa、最大剪應力為0.364 46 MPa、最大主應力為0.072 56 MPa；土工布應力值最大，其等效應力為0.597 46 MPa、最大剪應力為0.527 11 MPa、最大主應力為0.115 92 MPa；共振碎石化與橡膠瀝青應力吸收層應力值相差較小。對比共振碎石化+土工布與共振碎石化+橡膠瀝青應力吸收層瀝青層層底接縫應力值，發(fā)現共振碎石化+橡膠瀝青應力吸收層可以有效緩解瀝青層接縫處應力集中的現象，緩解反射裂縫的擴展，因此在工程成本允許的情況下，建議采用共振碎石化+橡膠瀝青應力吸收層結合的抗反射裂縫措施。

2.2 抗反射開裂性能評價

采用疲勞開裂試驗對數值模擬的結果進行驗證，主要針對不同抗反射裂縫措施的“白加黑”路面結構反射裂縫的產生和擴展，以瀝青加鋪層疲勞壽命作為評價指標，分析不同抗反射裂縫措施對瀝青加鋪層疲勞壽命的影響。

2.2.1 瀝青加鋪層疲勞開裂試驗

采用水泥混凝土試件加鋪瀝青混凝土層制備復合試件，并設置不同抗反射裂縫措施，以MTS萬能試驗儀進行加載試驗。為更好地模擬“白加黑”路面的實際情況，在復合試件下方先鋪設了2.5 cm厚的橡膠墊層，以模擬路基的緩沖作用，然后再墊放了2.5 cm厚的鋼板，以保證試件在同一水平面上；MTS萬能試驗儀壓頭尺寸R=2.5 cm，其中正荷載加載位置為水泥混凝土板接縫正上方，偏荷載加載位置為水泥混凝土板接縫一側［6］。如圖9所示。

2.2.2 試驗結果

瀝青加鋪層疲勞開裂試驗結果如圖10所示。

由圖10可知，不同抗反射裂縫措施瀝青層疲勞開裂壽命從大到小依次：共振碎石化+橡膠瀝青應力吸收層＞共振碎石化+土工布＞OLSM-25抗裂層＞橡膠瀝青應力吸收層＞共振碎石化＞土工布＞無抗反射裂縫措施。4種單一措施中，OLSM-25抗裂層疲勞開裂壽命最大，其剪切型疲勞開裂壽命為25 651次，彎拉型疲勞開裂壽命為29 796次；土工布疲勞開裂壽命最小，其剪切型疲勞開裂壽命為11 972次，彎拉型疲勞開裂壽命為13 882次；共振碎石化與橡膠瀝青應力吸收層疲勞開裂壽命相差較小，試驗結果與數值模擬結果一致。

2.3 工程成本分析

從工程成本的角度，對比分析共振碎石化、橡膠瀝青應力吸收層、土工布、OLSM-25抗裂層4種抗反射裂縫措施的工程成本差異，如表2所示。

由表2可知，不同抗反射裂縫措施工程成本從大到小依次為：OLSM-25抗裂層＞橡膠瀝青應力吸收層＞共振碎石化＞土工布。結合不同抗反射裂縫措施數值模擬力學分析及抗疲勞性能試驗結果可知，OLSM-25抗裂層抗反射開裂效果最好，但其工程成本最高；土工布抗反射開裂效果最差，但其工程成本最低；橡膠瀝青應力吸收層、共振碎石化抗反射開裂效果相近，但共振碎石化工程成本遠低于橡膠瀝青應力吸收層。因此，在“白加黑”路面施工過程中，在工程成本有限的情況下，抗反射裂縫措施建議采用共振碎石化或者橡膠瀝青應力吸收層。

3 結語

（1）瀝青層層底接縫處的應力隨著加鋪層模量、厚度的增加呈先下降后穩(wěn)定的趨勢，當加鋪層模量＞1 200 MPa及厚度＞10 cm時，瀝青層層底接縫處等效應力及最大剪應力數值變化幅度很小。

（2）由不同抗反射裂縫措施數值模擬力學分析及抗疲勞性能試驗結果可知，OLSM-25抗裂層抗反射開裂效果最好，橡膠瀝青應力吸收層、共振碎石化效果次之，土工布效果最差；從工程經濟性角度，OLSM-25抗裂層成本最高，橡膠瀝青應力吸收層、共振碎石化成本次之，土工布成本最低。

（3）綜合分析，本文推薦“白加黑”路面瀝青加鋪層厚度為8～10 cm、彈性模量為1 000～1 200 MPa，在工程成本有限的情況下，抗反射裂縫措施建議采用共振碎石化或者橡膠瀝青應力吸收層，在工程成本允許的情況下，可考慮采用共振碎石化+橡膠瀝青應力吸收層結合的抗反射裂縫措施。

參考文獻

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［6］錢勁松，陳欣然，鄭 毅，等.基于MMLS3設備的土工布防治反射裂縫效果研究［J］.同濟大學學報（自然科學版），2018，46（8）：1 042-1 048.

收稿日期：2024-03-06

作者簡介：羅 賽（1992—），助理工程師，主要從事公路與城市道路研究工作。