水泥路面上超薄瀝青罩面主被動(dòng)抗反射裂縫應(yīng)用研究

蘇衛(wèi)國(guó)， 朱 洋

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640)

0 引言

對(duì)早期修建的水泥混凝土路面加鋪超薄瀝青罩面層進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，無(wú)論是提高道路行車的舒適性，還是利用水泥混凝土的剩余價(jià)值都是大有裨益的，然而，長(zhǎng)久以來(lái)新加鋪的瀝青罩面層一直飽受反射裂縫的困擾。國(guó)內(nèi)外眾多專家學(xué)者針對(duì)這一頑疾開(kāi)展了深入的理論研究和實(shí)踐，提出了不同的解決方案。文獻(xiàn)[1-3] 對(duì)瀝青材料的組成進(jìn)行了改進(jìn)，并基于室內(nèi)試驗(yàn)，評(píng)價(jià)其具有較好的抗反射裂縫性能。文獻(xiàn)[4-5]提出設(shè)置應(yīng)力吸收層減緩反射裂縫的擴(kuò)展，并結(jié)合有限元軟件驗(yàn)證了有效性。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種工程水泥復(fù)合材料(engineered cementitious composite, ECC)作為中間層材料，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)成功抑制了反射裂縫的發(fā)生。文獻(xiàn)[7] 提出應(yīng)力吸收層材料“4個(gè)控制點(diǎn)”的設(shè)計(jì)理念，研究發(fā)現(xiàn)吸收層材料具有較好的抗反射裂縫路用性能。文獻(xiàn)[8]研究表明：碎石過(guò)渡層可以降低瀝青表面的應(yīng)力強(qiáng)度因子，有效防治反射裂縫。此外，文獻(xiàn)[9]還探索了新型路面鋼絲網(wǎng)夾層系統(tǒng)在加鋪瀝青路面中的防反射裂縫性能。文獻(xiàn)[10-11]借助有限元軟件分析得出，在水泥混凝土板邊緣處最易出現(xiàn)反射裂縫擴(kuò)展，同時(shí)降溫會(huì)加速反射裂縫的發(fā)生。當(dāng)前水泥路面上加鋪瀝青超薄罩面抑制反射裂縫的研究，主要是從室內(nèi)試驗(yàn)或者有限元模擬出發(fā)進(jìn)行相關(guān)分析，研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性取決于結(jié)構(gòu)模型，與實(shí)際路面狀況有所差異。隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，光纖光柵傳感器以其精度高、適用范圍廣，正逐步成為結(jié)構(gòu)內(nèi)部安全監(jiān)測(cè)的新技術(shù)[12]。文獻(xiàn)[13]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明了光纖光柵傳感器應(yīng)用于瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)變場(chǎng)檢測(cè)的可行性。文獻(xiàn)[14-15]借助光纖光柵傳感器研究瀝青路面內(nèi)部在車輛荷載下的力學(xué)響應(yīng)。但將傳感器應(yīng)用于超薄瀝青罩面內(nèi)進(jìn)行反射裂縫的研究仍處于初步發(fā)展階段，因此，本文借助ABAQUS軟件和光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating, FBG)研究超薄瀝青罩面反射裂縫的控制方法，通過(guò)有限元模擬得到不同加載條件下的應(yīng)力強(qiáng)度因子，再結(jié)合實(shí)際工程試驗(yàn)段，采用光纖光柵傳感器實(shí)測(cè)分析該模式的有效性。

1 主被動(dòng)抗反射裂縫路面結(jié)構(gòu)

圖1 水泥路面上瀝青超薄罩面主被動(dòng)模式結(jié)構(gòu)圖

反射裂縫初始階段在水泥板接縫處出現(xiàn)應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋，在擴(kuò)展階段基于斷裂力學(xué)裂縫擴(kuò)展理論，隨著溫度變化和車輛荷載反復(fù)作用，裂縫擴(kuò)展至瀝青罩面層最終破壞[16]。為此，采取水泥板底局部注漿處置板底脫空的主動(dòng)措施，限制水泥板產(chǎn)生豎直方向的顯性位移，減少接縫處超薄瀝青層層底的應(yīng)力集中，從根源控制反射裂縫發(fā)生的可能性。再對(duì)銑刨后的水泥路面鋪筑一層1 cm的碎石應(yīng)力吸收層，以其較低的模量吸收消散應(yīng)力，阻斷應(yīng)力的傳遞路徑。然后加鋪2.5 cm具有抗裂特性的氯丁橡膠改性瀝青混合料作為超薄層[17]，以自身的材料抗裂性作為抗裂的最后一環(huán)。圖1為水泥路面上瀝青超薄罩面主被動(dòng)模式結(jié)構(gòu)圖。此外，在溫度和濕度交替循環(huán)產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力情況下，超薄罩面層的抗裂性能輔之碎石夾層的緩沖作用，使得溫度應(yīng)力遠(yuǎn)低于瀝青超薄罩面層的抗裂強(qiáng)度。基于以上主被動(dòng)相結(jié)合的抗反射裂縫模式，從源頭抑制反射裂縫的產(chǎn)生，阻礙應(yīng)力的傳遞路徑，借助瀝青材料自身的抗裂性能，最大程度地阻止反射裂縫的發(fā)生。

2 ABAQUS模擬分析

2.1 水泥路面瀝青超薄罩面ABAQUS模型

水泥混凝土板的長(zhǎng)、寬、高基于實(shí)體工程實(shí)測(cè)值分別取5 m、4 m和0.2 m，考慮土基為無(wú)限大，基礎(chǔ)的尺寸擴(kuò)大為12 m×9 m×6 m。文獻(xiàn)[18-19]表明超薄瀝青層的厚度一般采用15～25 mm。本文采用瀝青超薄層的厚度為2.5 cm，應(yīng)力吸收層厚度擬設(shè)為1 cm,各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)如表1所示。

表1 水泥路面瀝青超薄罩面各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)表

ABAQUS模型中的車輪荷載采用BZZ-100標(biāo)準(zhǔn)荷載，荷載值為0.7 MPa，并基于FORTRAN軟件編寫的DLOAD子程序?qū)Τ≌置媸┘右苿?dòng)雙輪軸載。將車輪與路面的橢圓形接觸簡(jiǎn)化模擬成矩形接觸，加載區(qū)域大小為15.6 cm×22.6 cm。有限元單元模型為C3D8R(八節(jié)點(diǎn)六面體單元,減縮積分)，為保證精確度，對(duì)水泥板間接縫處和車輪荷載加載區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理。移動(dòng)荷載速度取試驗(yàn)路段實(shí)測(cè)平均值50 km/h。基于上述參數(shù)建立水泥路面上瀝青超薄罩面結(jié)構(gòu)ABAQUS模型，如圖2所示。

(a) 模型圖 (b) 移動(dòng)荷載加載圖

2.2 接縫板底局部注漿與脫空應(yīng)力強(qiáng)度因子分析

考慮接縫處板底局部注漿與脫空尺寸對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響[20]，同時(shí)兼顧有限元模型的網(wǎng)格劃分，將脫空截面設(shè)成矩形。按表1參數(shù)建立有限元模型，將接縫脫空邊長(zhǎng)從0.2 m以0.2 m為增量增加到1 m；環(huán)境溫度從30 ℃變化到20 ℃。分別計(jì)算在行車荷載、溫度變化以及車輛荷載與溫度耦合作用下接縫處板底局部注漿的應(yīng)力強(qiáng)度因子；同時(shí)計(jì)算上述3種工況下接縫處板底脫空的應(yīng)力強(qiáng)度因子。應(yīng)力強(qiáng)度因子隨接縫局部脫空面積變化表見(jiàn)表2，應(yīng)力強(qiáng)度因子在不同工況下隨接縫脫空尺寸變化趨勢(shì)圖如圖3所示。

表2 應(yīng)力強(qiáng)度因子隨接縫局部脫空面積變化表

(a) KⅠ在不同工況下隨接縫脫空尺寸的變化情況 (b) KⅡ在不同工況下隨接縫脫空尺寸的變化情況

結(jié)合圖3a和表2中的數(shù)據(jù)可知：在車輛荷載作用下，脫空面積從0.2 m×0.2 m增加到1.0 m×1.0 m，KⅠ隨之增大。注漿與非注漿情形下KⅠ的差值ΔKⅠ從2.240×10-5MPa·m1/2增長(zhǎng)到1.713×10-4MPa·m1/2；未注漿情況下應(yīng)力強(qiáng)度因子的增長(zhǎng)率ΔKⅠ1為91.0%，注漿條件下應(yīng)力強(qiáng)度因子的增長(zhǎng)率ΔKⅠ2為25.9%。表明在車輛荷載作用下采取板底局部注漿可以有效降低KⅠ的大小，有效阻止反射裂縫的發(fā)生。

在溫度應(yīng)力作用下，隨著接縫脫空面積的增加，注漿與非注漿情形下KⅠ的差值ΔKⅠ從1.070×10-4MPa·m1/2增長(zhǎng)到2.152 ×10-4MPa·m1/2；未注漿時(shí)應(yīng)力強(qiáng)度因子不斷增加，增長(zhǎng)率ΔKⅠ1為6.4%，注漿條件下應(yīng)力強(qiáng)度因子反而隨之降低，下降率ΔKⅠ2為0.5%。表明在溫度荷載中未注漿使得KⅠ輕微增加，而注漿后KⅠ幾乎不增加，對(duì)反射裂縫的發(fā)生影響不大。

在車輛荷載+溫度應(yīng)力耦合場(chǎng)中，KⅠ也會(huì)隨著接縫脫空面積的增長(zhǎng)而增加，注漿與非注漿情形下KⅠ的差值ΔKⅠ也從1.014×10-4MPa·m1/2增長(zhǎng)到7.003×10-4MPa·m1/2；ΔKⅠ1為43.9%，ΔKⅠ2為13.3%。分析結(jié)果說(shuō)明在車輛荷載與溫度耦合場(chǎng)中采取板底局部注漿方式對(duì)限制KⅠ的增長(zhǎng)是有效的。

分析圖3b和表2中的數(shù)據(jù)可知：路面結(jié)構(gòu)僅有車輛荷載作用下，脫空面積從0.2 m×0.2 m增加到1.0 m×1.0 m，KⅡ隨之增大。注漿與非注漿情形下KⅡ的差值ΔKⅡ從1.39×10-5MPa·m1/2增長(zhǎng)到4.49×10-5MPa·m1/2；未注漿情況下應(yīng)力強(qiáng)度因子的增長(zhǎng)率ΔKⅡ1為14.4%，注漿條件下應(yīng)力強(qiáng)度因子的增長(zhǎng)率ΔKⅡ2為5.1%。表明在車輛荷載作用下采取板底局部注漿可以有效降低KⅡ的大小，防反射裂縫發(fā)生的效果明顯。

在溫度應(yīng)力作用下，隨著接縫脫空面積的增加，注漿與非注漿情形下KⅡ的值全是0。表明在溫度荷載中板底注漿與否對(duì)KⅡ不產(chǎn)生影響，對(duì)于反射裂縫的發(fā)生無(wú)關(guān)聯(lián)。

在車輛荷載+溫度應(yīng)力耦合場(chǎng)中，KⅡ也會(huì)隨著接縫脫空面積的增長(zhǎng)而增加，注漿與非注漿情形下KⅡ的差值ΔKⅡ也從8.980×10-5MPa·m1/2增長(zhǎng)到2.336×10-4MPa·m1/2；而ΔKⅡ1為37.0%，ΔKⅡ2為9.3%。分析結(jié)果說(shuō)明在車輛荷載與溫度耦合場(chǎng)中板底局部注漿對(duì)限制KⅡ的增長(zhǎng)具有高效率。

2.3 不同被動(dòng)結(jié)構(gòu)層厚度的應(yīng)力強(qiáng)度因子對(duì)比分析

為研究被動(dòng)結(jié)構(gòu)層的厚度變化對(duì)應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響，按表1參數(shù)建立有限元模型。接縫處注漿尺寸為0.1 m×0.1 m×4 m，被動(dòng)式結(jié)構(gòu)層總厚度設(shè)為3.5 cm, 有限元模型被動(dòng)式結(jié)構(gòu)的厚度組合分別為0.5 cm+3.0 cm、1.0 cm+2.5 cm、1.5 cm+2.0 cm、2.0 cm+1.5 cm、2.5 cm+1.0 cm，環(huán)境溫度從30 ℃變化到20 ℃。分別計(jì)算車輛荷載、溫度應(yīng)力以及兩者耦合作用下的不同被動(dòng)結(jié)構(gòu)層厚度組合的應(yīng)力強(qiáng)度因子大小(見(jiàn)表3)，應(yīng)力強(qiáng)度因子在不同工況下隨被動(dòng)式結(jié)構(gòu)組合變化的規(guī)律如圖4。

表3 不同被動(dòng)結(jié)構(gòu)層厚度組合的應(yīng)力強(qiáng)度因子

從圖4和表3可以看出:在被動(dòng)結(jié)構(gòu)層組合厚度為3.5 cm的情況下，無(wú)論是車輛荷載、溫度應(yīng)力單獨(dú)作用，還是兩者耦合作用下，應(yīng)力強(qiáng)度因子都隨應(yīng)力吸收層的減少呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。僅施加車輛荷載，KⅠ由1.315×10-3MPa·m1/2減少到1.218×10-4MPa·m1/2，KⅡ由1.287×10-3MPa·m1/2減少到1.091×10-4MPa·m1/2，KⅠ、KⅡ分別下降了90.7%和91.5%；溫度由30 ℃變化到20 ℃，KⅠ由4.568 ×10-3MPa·m1/2減少到1.049×10-3MPa·m1/2，KⅠ降低了77.0%；當(dāng)車輛荷載與溫度應(yīng)力耦合作用時(shí)，KⅠ由5.544×10-3MPa·m1/2減少到1.452×10-3MPa·m1/2，KⅡ由1.894×10-3MPa·m1/2減少到5.599×10-4MPa·m1/2，KⅠ，KⅡ分別下降了73.8%和70.4%。有限元模擬結(jié)果顯示：在被動(dòng)結(jié)構(gòu)層組合厚度一定的情況下，采用1 cm的應(yīng)力吸收層與2.5 cm的超薄瀝青層組合能顯著降低KⅠ和KⅡ，對(duì)于抑制反射裂縫的開(kāi)裂與延伸具有較好的理論效果。

圖4 應(yīng)力強(qiáng)度因子在不同工況下隨被動(dòng)式結(jié)構(gòu)組合變化的規(guī)律

3 主被動(dòng)模式抗反射裂縫現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 注漿材料及位置

預(yù)先對(duì)已經(jīng)脫空的水泥板接縫兩側(cè)局部鉆孔注漿。注漿材料質(zhì)量配合比為w(水泥)∶w(粉煤灰)∶w(水)∶w(早強(qiáng)劑)∶w(膨脹劑)∶w(減水劑)=1∶2∶1.5∶0.1∶0.001∶0.001；注漿孔直徑為10 cm，在水泥板接縫兩側(cè)40 cm處鉆2～3孔，需貫穿水泥板層，注漿孔平面布置見(jiàn)圖5a。

3.2 傳感器的保護(hù)與布置

FBG應(yīng)變傳感器粘貼于田字形PP焊接土工格柵(長(zhǎng)約為25 cm)上，其余部分鎧裝保護(hù)； FBG溫度傳感器采取全封裝保護(hù)，避免在瀝青攤鋪碾壓過(guò)程中因攤鋪與碾壓施工而失活。實(shí)體工程中需要對(duì)有無(wú)板底注漿和被動(dòng)結(jié)構(gòu)層厚度組合進(jìn)行實(shí)測(cè)數(shù)比較，用以驗(yàn)證有限元計(jì)算模型，因此采用2組傳感器，各傳感器的標(biāo)定波長(zhǎng)如表4所示。

表4 各傳感器標(biāo)定波長(zhǎng) mm

傳感器布置采取“先鋪后裝”。先使用同步碎石封層車以1.2 kg/m2灑布乳化瀝青，同時(shí)灑鋪粒徑為9.5～13.2 mm的火成巖石料，隨后攤鋪CAM-10氯丁橡膠改性瀝青混合料完成試驗(yàn)路段鋪筑。按圖5a所示的水泥板接縫位置(施工前已經(jīng)標(biāo)記)各開(kāi)挖一個(gè)400 cm×40 cm×3.5 cm的淺槽，接著將應(yīng)變傳感器和溫度傳感器固定于水泥板上，連接線路接入電腦記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。最后用原路面鋪筑材料按圖5b對(duì)淺槽進(jìn)行回填，嚴(yán)格控制各層材料厚度，壓實(shí)路面。

(a) 平面布置

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集分析

4.1 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)收集

考慮數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性以及2組傳感器之間的間距，將傳感器的數(shù)據(jù)采集頻率設(shè)為0.1 s/次。開(kāi)始測(cè)試前對(duì)傳感器的位置進(jìn)行標(biāo)記，分別記錄2.5 t試驗(yàn)車和18 t試驗(yàn)車以50 km/h在當(dāng)日環(huán)境溫度為30 ℃和20 ℃時(shí),通過(guò)每組傳感器的2#和3#上方3次的數(shù)值，再取平均值。考慮行車經(jīng)過(guò)2組傳感器的時(shí)間順序，取2#和3#傳感器在相對(duì)時(shí)程為1 s 的應(yīng)變數(shù)值(見(jiàn)表5)。

表5 不同荷載條件下傳感器的應(yīng)變數(shù)值 με

4.2 被動(dòng)結(jié)構(gòu)層確定下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

不同條件下橫向水平應(yīng)變時(shí)程圖見(jiàn)圖6。結(jié)合圖6a與表5所示的數(shù)據(jù)表明：基于被動(dòng)結(jié)構(gòu)層均為1 cm應(yīng)力吸收層+2.5 cm 超薄瀝青層的前提下，采取板底局部注漿(Ⅰ-3#)主動(dòng)抗反射裂縫措施相較于未注漿(Ⅱ-3#)，在2.5 t軸載+20 ℃環(huán)境中，試驗(yàn)車前后輪的最大橫向水平應(yīng)變分別下降了33.5%和24.9%；在2.5 t軸載+30 ℃情況下，試驗(yàn)車前后輪的最大橫向水平應(yīng)變分別降低了54.4%和49.9%；在18 t軸載+20 ℃情形中，試驗(yàn)車前后輪的最大橫向水平應(yīng)變分別下降了67.8%和67.1%；18 t軸載+30 ℃條件下，試驗(yàn)車前后輪的最大橫向水平應(yīng)變分別減少了87.3%和71.4%。

(a) 不同荷載條件下局部板底注漿與脫空橫向水平應(yīng)變時(shí)程圖 (b) 不同荷載條件下被動(dòng)結(jié)構(gòu)層組合橫向水平應(yīng)變時(shí)程圖

4.3 被動(dòng)層厚度一定時(shí)不同結(jié)構(gòu)層組合試驗(yàn)結(jié)果分析

由圖6b和表5數(shù)據(jù)可知：在被動(dòng)層結(jié)構(gòu)厚度為3.5 cm確定的情況下，軸載是2.5 t、環(huán)境溫度為20 ℃時(shí),采用1 cm應(yīng)力吸收層+2.5 cm瀝青超薄層，相較于1.5 cm應(yīng)力吸收層+2.0 cm瀝青超薄層，板底前、后輪橫向水平應(yīng)變分別降低了11.6%和11.7%；在2.5 t+30 ℃時(shí)，板底前、后輪橫向水平應(yīng)變分別降低了19.3%和21.3%；在18 t+20 ℃時(shí)，板底前、后輪橫向水平應(yīng)變分別降低了20.9%和44.8%；在18 t+30 ℃時(shí)，板底前、后輪橫向水平應(yīng)變分別降低了32.1%和48.9%。所以在軸載相同的條件下，隨著溫度的升高，1.0 cm應(yīng)力吸收層+2.5 cm瀝青超薄層組合降低橫向水平應(yīng)變的作用越明顯；在溫度一定時(shí)，隨著軸載的增大，1.0 cm +2.5 cm路面結(jié)構(gòu)組合橫向水平應(yīng)變的降低亦愈加顯著；在溫度和軸載都增加的條件下，該組合的橫向水平應(yīng)變減少幅度十分顯著。

5 結(jié)論

(1)采取主動(dòng)的板底局部注漿的應(yīng)力強(qiáng)度因子明顯低于未注漿的，同時(shí)采用1.0 cm應(yīng)力吸收層+2.5 cm超薄瀝青結(jié)構(gòu)層組合的應(yīng)力強(qiáng)度因子也低于其他組合。

(2)相同的被動(dòng)結(jié)構(gòu)層厚度，采取板底局部注漿后，1.0 cm應(yīng)力吸收層+2.5 cm 瀝青超薄層組合瀝青層層底的橫向水平應(yīng)變最大值低于1.5 cm應(yīng)力吸收層+2.0 cm 瀝青超薄層組合的路面結(jié)構(gòu)層層底橫向水平應(yīng)變最大值， 表明1.0 cm吸收層+2.5 cm 超薄層結(jié)構(gòu)組合的抗反射裂縫性能優(yōu)于其他組合。

(3)采取主被動(dòng)結(jié)合的抗反射裂縫路面結(jié)構(gòu)，對(duì)于抑制水泥混凝土底板的顯性位移，阻止瀝青超薄罩面反射裂縫的生成，阻斷應(yīng)力的傳遞路徑，延緩反射裂縫的發(fā)生具有顯著的作用。