乳化瀝青冷再生路面縱向裂縫形態(tài)與開(kāi)裂機(jī)理分析

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(1.江西贛粵高速公路股份有限公司，江西 南昌 330025；2.江蘇中路工程技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 211806)

0 引言

高速公路瀝青路面大中修或改擴(kuò)建工程翻挖、銑刨的瀝青混合料被廢棄，一方面造成環(huán)境污染，另一方面是資源的極大浪費(fèi)。乳化瀝青冷再生路面具有施工方便、性能達(dá)到普通熱拌瀝青混合料要求、節(jié)省施工費(fèi)用等技術(shù)特點(diǎn)，該技術(shù)誕生以來(lái)在國(guó)內(nèi)外都得到廣泛的應(yīng)用。2004年滬寧高速擴(kuò)建工程應(yīng)用乳化瀝青冷再生路面，2005年西寶高速公路大修中工程中采用廠拌冷再生技術(shù)，并試鋪了2 km的試驗(yàn)路段，2006年江西省昌九、九景高速公路技改工程開(kāi)啟了乳化瀝青冷再生路面的規(guī)?；瘧?yīng)用。2008年我國(guó)發(fā)布了《公路瀝青路面再生技術(shù)規(guī)范(JTG F41-2008)》，該規(guī)范主要包括原材料要求、乳化瀝青冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)、施工工藝、施工質(zhì)量控制和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)幾十年的研究，對(duì)乳化瀝青冷再生技術(shù)的研究主要集中在路面材料配合比設(shè)計(jì)和室內(nèi)路用性能評(píng)價(jià)方面，但對(duì)其路面長(zhǎng)期性能的發(fā)展，尤其是冷再生路面裂縫開(kāi)裂原因及機(jī)理研究極為缺乏。因此本文擬以國(guó)內(nèi)南方某高速公路乳化瀝青冷再生路面為研究對(duì)象，開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)裂縫調(diào)研及裂縫形態(tài)分析統(tǒng)計(jì)，通過(guò)大型通用有限元軟件ABAQUS建模分析，研究縱向裂縫的開(kāi)裂機(jī)理，為促進(jìn)乳化瀝青冷再生路面的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

1 縱向裂縫形態(tài)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查與統(tǒng)計(jì)分析

1.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況簡(jiǎn)介

本次調(diào)查依托南方某冷再生路面，該高速公路于2009年大面積鋪開(kāi)冷再生技術(shù)改造工作，冷再生技術(shù)改造路段全長(zhǎng)108.5 km，技改后有2種冷再生路面結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示。

a)結(jié)構(gòu)1b)結(jié)構(gòu)2

通過(guò)對(duì)該高速公路的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，共選取了23個(gè)斷面的縱向裂縫進(jìn)行了取芯，針對(duì)不同斷面的不同位置，共計(jì)取得92個(gè)芯樣，對(duì)冷再生路面的縱向裂縫特征進(jìn)行深入分析。

1.2 縱向裂縫形態(tài)分析

通過(guò)對(duì)芯樣的裂縫形態(tài)分析總結(jié)，乳化瀝青冷再生路面結(jié)構(gòu)縱向裂縫主要有以下幾種形態(tài)。

1.2.1 “自上而下”型縱縫

乳化瀝青冷再生瀝青路面的一種典型縱縫形態(tài)如圖2所示，在整個(gè)斷面上，裂縫僅在面層發(fā)生，而基層沒(méi)有裂縫，裂縫自路表產(chǎn)生后逐步往下發(fā)展，是一種明顯的“自上而下”型縱縫，即Top-Down開(kāi)裂。

a)結(jié)構(gòu)1

b)結(jié)構(gòu)2

1.2.2 “上下發(fā)展、中間未開(kāi)裂”型縱縫

除Top-Down開(kāi)裂以外，冷再生路面的另一種縱縫形態(tài)如圖3所示，在整個(gè)斷面上，面層和半剛性基層均發(fā)生開(kāi)裂，但裂縫沒(méi)有完全貫穿，面層中部沒(méi)有裂縫產(chǎn)生，該類(lèi)型縱縫可稱(chēng)為“上下發(fā)展、中間未開(kāi)裂”型縱縫。與“自上而下型”裂縫不同的是，該類(lèi)型縱縫伴隨半剛性基層開(kāi)裂，且基層與路表裂縫同時(shí)向中間發(fā)展，是一種復(fù)合型開(kāi)裂模式。

1.2.3 “上下發(fā)展、中間局部貫穿”型縱縫

圖4給出了冷再生瀝青路面的第3種縱縫形態(tài)，在斷面的部分位置裂縫出現(xiàn)貫穿，但是仍有部門(mén)區(qū)域存在中部未開(kāi)裂的現(xiàn)象(與第2種裂縫形態(tài)相同)，表現(xiàn)出整體斷面局部發(fā)生貫穿，可稱(chēng)之為“上下發(fā)展、局部貫穿”型縱縫。分析認(rèn)為，該裂縫形態(tài)為“上下發(fā)展、中間未開(kāi)裂”型縱縫進(jìn)一步發(fā)展而來(lái)，隨著荷載的作用，縱縫部分位置的面層、基層裂縫逐漸貫穿，而其他位置沒(méi)有完全貫穿，導(dǎo)致第3種裂縫形態(tài)的產(chǎn)生。

a)結(jié)構(gòu)1

b)結(jié)構(gòu)2

a)結(jié)構(gòu)1

b)結(jié)構(gòu)2

1.2.4 縱向裂縫統(tǒng)計(jì)分析

從該高速公路的病害特征選取了23處縱縫進(jìn)行取芯，縱縫處裂縫形態(tài)統(tǒng)計(jì)如圖5所示。從選取的裂縫表現(xiàn)出來(lái)的形態(tài)可以看出，該高速縱向裂縫“自上而下”的裂縫居多，達(dá)到61.5%，說(shuō)明乳化瀝青冷再生瀝青路面縱縫的主要類(lèi)型為T(mén)op-Down開(kāi)裂；上下發(fā)展型(包含中間未開(kāi)裂、局部貫穿)占比接近40%，說(shuō)明半剛性基層開(kāi)裂是導(dǎo)致縱縫形成的因素之一。

圖5 裂縫不同形態(tài)統(tǒng)計(jì)

2 路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型建立與計(jì)算

采用大型通用有限元軟件ABAQUS，建立路面結(jié)構(gòu)三維有限元模型。模型假設(shè)條件如下：

1)路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型及參數(shù)：本文的研究對(duì)象以該高速冷再生基層瀝青路面為基礎(chǔ)，其路面結(jié)構(gòu)如表1所示。各結(jié)構(gòu)層模量均采用15 ℃、10 Hz條件下的動(dòng)態(tài)模量，具體取值如表1所示。

表1 原路面結(jié)構(gòu)組合及材料參數(shù)取值厚度/cm材料類(lèi)型彈性模量/MPa泊松比4改性AC-13100000 36改性AC-20108540 36AC-20110000 312冷再生瀝青混合料62880 320水泥穩(wěn)定碎石210510 2530級(jí)配碎石3000 35/土基400 4

2)荷載模型：根據(jù)已有的研究成果，采用的非均布矩形荷載分布模式，具體荷載大小及形狀數(shù)據(jù)如圖6所示，單輪的總荷載為25 kN。

圖6 非均布矩形荷載分布圖(單位：cm)

3)邊界條件與層間接觸：模型的底面采用完全約束，限制其在3個(gè)方向的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，模型的4個(gè)側(cè)面均約束x與z方向的平動(dòng)，允許其在y方向上發(fā)生位移?，F(xiàn)場(chǎng)取芯表明，各結(jié)構(gòu)層之間粘結(jié)狀態(tài)良好，因此，本文分析時(shí)假定各結(jié)構(gòu)層之間均完全連續(xù)。

4)模型幾何尺寸和網(wǎng)格劃分路面結(jié)構(gòu)整體的有限元模型尺寸為長(zhǎng)度3 m×寬度3 m×深度2 m，荷載模型位于路面表層的中央位置，兩輪胎中心線(xiàn)與路面縱向中心線(xiàn)一致。為了后續(xù)分析方便，后文中稱(chēng)長(zhǎng)度方向?yàn)榭v向，即行車(chē)方向，寬度方向?yàn)闄M向，深度方向?yàn)樨Q向。在模型寬度方向上網(wǎng)格劃分采取由粗及細(xì)的漸進(jìn)式網(wǎng)格，單元寬度從424 mm逐漸過(guò)渡到34 mm。

3 基于力學(xué)響應(yīng)的縱向Top-Down裂縫開(kāi)裂機(jī)理分析

考慮到縱向Top-Down裂縫是冷再生瀝青路面的主要類(lèi)型，本節(jié)通過(guò)有限元力學(xué)響應(yīng)計(jì)算，分別分析路面結(jié)構(gòu)組合、溫度、重載交通等因素對(duì)路面力學(xué)響應(yīng)的影響，重點(diǎn)分析路表及上面層拉應(yīng)力、剪應(yīng)力的變化規(guī)律，分析導(dǎo)致Top-Down開(kāi)裂的關(guān)鍵影響因素，研究Top-Down裂縫的開(kāi)裂機(jī)理。

3.1 路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

通過(guò)有限元分析計(jì)算，可以得到路面結(jié)構(gòu)在交通荷載下的力學(xué)響應(yīng)。豎向剪應(yīng)力s12在深度方向上的分布如圖7所示，最大剪應(yīng)力點(diǎn)的坐標(biāo)為(1.675，1.99，1.39)，大小為0.195 MPa，在路面結(jié)構(gòu)中的位置為：路表以下1 cm、輪胎中間花紋兩側(cè)邊緣偏縱向端部處?？紤]到瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度一般為0.3～0.6 MPa，路面結(jié)構(gòu)在剪應(yīng)力的重復(fù)作用下容易發(fā)生Top-Down開(kāi)裂。另外，在深度方向上剪應(yīng)力先增大后減小，且在最大剪應(yīng)力下方2 cm內(nèi)減小速度很快，快速降至一個(gè)較低的應(yīng)力水平。因此，可以得出：輪胎荷載導(dǎo)致的剪應(yīng)力主要集中在路表下方3 cm以?xún)?nèi)的區(qū)域，對(duì)其它區(qū)域影響不大。

圖7 豎向剪應(yīng)力s12在深度方向的分布曲線(xiàn)

橫向拉應(yīng)力對(duì)Top-Down裂縫的形成也有著很大的影響，橫向拉應(yīng)力s11在整個(gè)路面結(jié)構(gòu)中的分布如圖8所示?？梢钥闯?，橫向拉應(yīng)力最大值點(diǎn)位于水穩(wěn)基層底部，而路表拉應(yīng)力的分布為：荷載區(qū)域均為負(fù)值，靠近模型邊界處為正值。也就是說(shuō)，荷載區(qū)橫向?yàn)槭軌籂顟B(tài)，不會(huì)導(dǎo)致Top-Down開(kāi)裂，且輪跡下方壓應(yīng)力較大，雙輪中心壓應(yīng)力較小。進(jìn)一步分析荷載區(qū)橫向拉應(yīng)力、應(yīng)變，通過(guò)計(jì)算得出拉應(yīng)力雖然為負(fù)值(-0.015 7 MPa)，但是拉應(yīng)變?yōu)檎?4με)。這是由于在三維應(yīng)力狀態(tài)下，橫向拉應(yīng)力不僅與橫向拉應(yīng)變有關(guān)，還與其它兩個(gè)方向的正應(yīng)變有關(guān)，本案例中由于橫向拉應(yīng)變過(guò)小，其它方向的應(yīng)變對(duì)拉應(yīng)力影響更大。即使從拉應(yīng)變的角度來(lái)看，4με也遠(yuǎn)小于瀝青混合料的疲勞極限(一般認(rèn)為是70με)，材料不會(huì)因?yàn)槭芾鴮?dǎo)致開(kāi)裂。

圖8 路面結(jié)構(gòu)橫向拉應(yīng)力s11分布圖

3.2 溫度條件的影響規(guī)律分析

瀝青混合料的材料特性隨著溫度變化而變化，例如材料強(qiáng)度與模量一般隨溫度升高而降低。因此，必須分析溫度條件變化時(shí)路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的變化。之前的計(jì)算模量取值均為15 ℃條件，分析路面夏季夜間和秋季白天的溫度范圍，需開(kāi)展路面材料在30 ℃條件下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)分析，30 ℃條件下的材料模量取值如表2所示。

表2 30℃條件下的路面材料參數(shù)取值材料類(lèi)型彈性模量/MPa材料類(lèi)型彈性模量/MPa改性AC-132590水泥穩(wěn)定碎石21051改性AC-202814級(jí)配碎石300AC-202850土基40冷再生瀝青混合料2288

通過(guò)建模計(jì)算分析，最大剪應(yīng)力的位置沒(méi)有發(fā)生變化，大小為0.194 MPa(原路面計(jì)算結(jié)果為0.195 MPa)，與原路面計(jì)算結(jié)果基本相同(略微有所減小)，即溫度變化對(duì)路表荷載區(qū)的剪應(yīng)力影響很小，可以忽略不計(jì)。雙輪中心線(xiàn)處拉應(yīng)力最大為0.074 MPa，最大拉應(yīng)變?yōu)?4με，均較15 ℃條件下的結(jié)果明顯增大?？紤]到瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度一般為1 MPa左右，拉應(yīng)力對(duì)Top-Down開(kāi)裂的影響依然不大，但是溫度升高會(huì)導(dǎo)致拉應(yīng)力的影響越來(lái)越大，路面在拉應(yīng)力、剪應(yīng)力的綜合作用下發(fā)生Top-Down開(kāi)裂的可能性也會(huì)更大，不同溫度條件下的力學(xué)響應(yīng)對(duì)比匯總于表3。

表3 不同溫度條件下的力學(xué)響應(yīng)對(duì)比溫度/℃最大剪應(yīng)力/MPa橫向最大拉應(yīng)力/MPa橫向最大拉應(yīng)變150 195-0 016 4με300 1940 07434με

3.3 重載交通的影響規(guī)律分析

由于該段高速交通量較大，且重載貨車(chē)所占比例較多，而交通荷載將直接影響路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，因此，有必要對(duì)重載條件下的路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析。本節(jié)將標(biāo)準(zhǔn)荷載提高50%，即單輪荷載從25 kN提高至37.5 kN，分析路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。經(jīng)計(jì)算可知最大剪應(yīng)力的大小為0.342 MPa，較標(biāo)準(zhǔn)軸載下增大了1.75倍，倍數(shù)要大于荷載增大倍數(shù)1.5，可見(jiàn)剪應(yīng)力不是隨著荷載增加而同比例增加的，而是非線(xiàn)性增加，反映出重載交通對(duì)路面Top-Down裂縫的形成影響很大。

進(jìn)一步分析重載條件下剪應(yīng)力在深度方向的分布，結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，最大剪應(yīng)力位于路表下方2 cm處，而不是標(biāo)準(zhǔn)軸載下的1 cm，即重載會(huì)導(dǎo)致最大剪應(yīng)力位置下移。而且，路表以下約6 cm范圍內(nèi)的應(yīng)力水平均較大，剪應(yīng)力在深度方向上的衰變速度明顯減小，說(shuō)明重載會(huì)導(dǎo)致剪應(yīng)力在深度方向上分布的更加廣泛，影響面積更大，也更容易導(dǎo)致Top-Down的產(chǎn)生。

圖9 重載條件下豎向剪應(yīng)力在深度方向上的分布

重載與標(biāo)準(zhǔn)荷載下的力學(xué)響應(yīng)匯總于表4，可見(jiàn)，除了剪應(yīng)力增大至1.75倍以外，拉應(yīng)力和拉應(yīng)變都大幅度增加，即重載會(huì)導(dǎo)致拉應(yīng)力對(duì)Top-Down的貢獻(xiàn)增加，使得路面在拉應(yīng)力、剪應(yīng)力的綜合作用下而開(kāi)裂。

表4 不同荷載條件下的力學(xué)響應(yīng)對(duì)比荷載條件最大剪應(yīng)力/MPa橫向拉應(yīng)力/MPa橫向拉應(yīng)變標(biāo)準(zhǔn)荷載0 195-0 016 4με重載(150%標(biāo)準(zhǔn)荷載)0 3420 02677με(1 75倍)/(19倍)注：括號(hào)內(nèi)值為增大倍數(shù)。

4 結(jié)論

通過(guò)本文研究，得出以下結(jié)論：

1)縱縫形態(tài)可分為自上而下型、上下發(fā)展而中間未開(kāi)裂型、上下發(fā)展而中間局部貫穿型3種，第1種形態(tài)屬于傳統(tǒng)Top-Down開(kāi)裂，是縱縫的主要類(lèi)型；后面2種均為復(fù)合型開(kāi)裂模式，說(shuō)明半剛性基層開(kāi)裂是導(dǎo)致縱縫形成的因素之一。

2)從受力狀態(tài)的角度來(lái)分析，輪跡帶附近的豎向剪應(yīng)力是引起路面Top-Down開(kāi)裂的主要因素，路表橫向拉應(yīng)力對(duì)Top-Down開(kāi)裂的影響很小。而且，最大剪應(yīng)力的位置位于路表以下1 cm處，說(shuō)明路表附近可能最先產(chǎn)生Top-Down裂縫。

3)溫度升高時(shí)，路表剪應(yīng)變明顯增大，但剪應(yīng)力基本不變?？紤]到材料強(qiáng)度隨溫度升高一般會(huì)發(fā)生降低，路面在中高溫條件下將更容易發(fā)生Top-Down開(kāi)裂。而且，溫度升高會(huì)導(dǎo)致拉應(yīng)力的影響越來(lái)越大，路面在拉應(yīng)力、剪應(yīng)力的綜合作用下加速Top-Down開(kāi)裂。

4)在重載或超載條件下，由于輪胎-路面接觸應(yīng)力會(huì)發(fā)生重分布，導(dǎo)致剪應(yīng)力增加的幅度大于荷載增加的幅度，且重載會(huì)導(dǎo)致剪應(yīng)力在深度方向上影響面積更大以及拉應(yīng)力的增大，說(shuō)明重載交通是導(dǎo)致Top-Down開(kāi)裂的重要因素之一。

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