水泥混凝土路面与沥青混凝土层间应力吸收层研究

水泥混凝土路面与沥青混凝土层间应力吸收层研究

周青1何洁炜2

1.杭州通宁路桥工程有限公司杭州311215；2.绍兴市上虞区市政工程管理中心上虞312300

摘要：本文对变温作用下沥青罩面层与带有接缝的水泥混凝土板的相互作用进行数值模拟分析，并评价高粘弹性沥青砂的室内路用性能，为旧水泥混凝土路面上加铺罩面层施工提供参考。

关键词：水泥混凝土接缝；沥青混凝土罩面；有限元数值分析；应力吸收层；试验

0背景

旧水泥混凝土路面在车辆荷载疲劳加载作用及环境（如温度和水等）的耦合作用下，发生功能性及一定的结构性破坏，在其尚未发生结构性破坏时，可通过在水泥混凝土表面加铺罩面层，以恢复其路用性能的要求。但水泥混凝土接缝处为加铺罩面层后整个路面结构的薄弱位置，需要对该处开展有针对性的研究，并提出相应的策略，从而提高沥青路面的耐久性。在旧水泥混凝土路面板上加铺罩面层已经进行了大量研究[`1-4]，但由于沥青路面与区域的环境特点有关，而且路面结构受力变形特点与材料及施工工艺密切相关，因此开展区域特点的旧水泥混凝土路面上加铺罩面层的研究具有工程应用价值。

为此，本文拟对变温作用下沥青罩面层与带有接缝的水泥混凝土板的相互作用进行数值模拟分析，并对高粘弹性沥青砂的室内路用性能进行评价。

1有限元数值计算分析

分析路表温度变化对路面结构作用时，路面结构可以简化为平面应变模型，抽象出来的几何模型如图1所示，相应的有限元网格如图2所示。沥青混凝土面罩面层与水泥混凝土层之间、相邻两块水泥混凝土板以及混凝土板与其下地基之间为遵循库仑本构模型的接触模型，接触面层摩擦系数取为0.5。路面结构层物理力学参数见表1所示。

路表变温-20℃，变温沿着深度线性衰减至级配碎石层底，图3给出了变温作用下路面结构层的水平位移分布，由图可见在路表变温作用下水泥混凝土接缝处张开，呈现出上宽下窄的分布规律，与变温沿深度分布相同，最大水平位移发生在水泥混凝土板顶，板顶张开量为0.65mm，与沥青混凝土面层层间发生水平相对剪切滑移，使用沥青混凝土面层层底产生拉应力，最大拉应力为0.24MPa。

2高粘沥青砂应力吸收层弯拉性能研究

SCB试件顶部所受的Fm是控制沥青砂混合料的最大强度的指标，一旦超过这一指标，试件底部的裂纹将迅速扩展，直至完全破坏，因此需要得到在不同温度、加载速率两种工况作用下，SCB试件对它们的依赖性。

根据矿料的设计级配，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011）制作成直径D=152.4的大型马歇尔试件，用切割机将其切成厚度为3cm的半圆形试件，并在试件底部中心处制作宽为1.5mm深为1.5cm的切口，试件的计算跨径为0.8D。

本试验采用自动采集系统对试件进行加载试验，上端的加载点采用固定支座，下端的底座两侧采用滑动支座。试验过程如图5所示，开始对试件分别在5、15和25℃三种温度下进行5、20和50mm/min三种速率的对比试验，在试验整个过程中，可以通过图像记录跨中底部裂纹在跨中受荷过程中的扩展过程，如图6所示。温度和加载速率对SCB跨中荷载及相应的竖向位移全曲线影响的典型试验结果如图7和图8所示。

SCB试验测试在三种加载速率和三种温度的共同作用下的Fm如表2所示，由表可见温度和加载速率对试件强度的影响，当温度恒定时，SCB试件的最大破坏荷载Fm随着加载速率的增大而增大，当加载速率不变时，试件的强度随着温度的升高而降低。

3结论与建议

本文针对旧水泥混凝土板上加铺罩面为工程背景，通过数值计算及室内试验研究得出：

（1）旧水泥混凝土路面上直接铺筑沥青罩面层时，在路表变温作用下由于混凝土板接缝处降温张开，导致相应位置的沥青面层层底受到较大拉应力，因此，需要在层间设置应力吸收层，以防止水泥混凝土基层裂缝向上反射。需要进一步针对在水泥混凝土板与沥青罩面层之间设置应力吸收层的路面结构展开荷载及变温的研究。

（2）针对应力吸收层中的一种高粘沥青砂，通过室内半圆形三点弯曲试验研究，研究了不同加载速率和不同温度条件下，对荷载位移关系全曲线及断裂能的影响规律，为应力吸收层的选择提供了路用性能评价方法。需要进一步进行室内相关的路用性能试验研究。

参考文献：

[1]程毅.设置应力吸收层的水泥混凝土路面沥青加铺层结构研究.[D]长安大学博士学位论文，2006.

[2]廖卫东.基于应力吸收层的旧水泥路面沥青加铺层结构与材料研究[D].武汉理工大学博士学位论文，2007.

[3]江毅，华建湘，曾永旺等.含应力吸收层的旧沥青路面加铺沥青层力学分析[J].公路工程，2010，（16）：4-9.

[4]关志深.旧水泥混凝土路面沥青罩面结构设计方法及典型结构研究[D].长安大学硕士学位论文，2014.