混合式基層瀝青路面結構抗裂性能分析

李 杰

(湖南省公路物資設備公司,湖南長沙 410011)

目前國內絕大多數高速公路均采用半剛性基層瀝青路面,但從通車運營情況來看,半剛性基層瀝青路面的早期損壞嚴重,其主要病害形式有早期縱橫向裂縫、網裂、唧泥、車轍等,特別是裂縫病害十分嚴重。為克服半剛性基層瀝青路面的裂縫,部分高速公路修筑了混合式基層瀝青路面試驗路。

瀝青路面混合式基層結構采用了柔性基層作為上基層結構,能明顯地提高瀝青路面的抗裂性能。本文系統地分析了混合式基層瀝青路面的各種抗裂性能,現介紹如下。

1 混合式基層瀝青路面結構的結構類型

根據混合式基層瀝青路面結構的特點,初擬了3種路面結構形式,分別為:

結構類型一:以級配碎石上基層+半剛性下基層的混合式基層瀝青路面結構,擬定具體結構見表1中的結構一。

結構類型二:以瀝青穩定碎石上基層+半剛性下基層的混合式基層瀝青路面結構,擬定具體結構見表1中的結構二。

結構類型三:以瀝青穩定碎石+級配碎石聯結層+半剛性基層的混合式基層瀝青路面結構,擬定具體結構見表1中的結構三。

為了更好地研究混合式基層瀝青路面的抗裂特性,同時擬定了路面總厚度相等的半剛性基層瀝青路面結構(結構四)、柔性基層瀝青路面(結構五)。其具體結構組成見表1。

表1 初擬的路面結構型式

2 抗反射裂縫機理分析

1)對于混合式基層瀝青路面結構一:在半剛性下基層和瀝青面層之間插入一層級配碎石上基層,具有良好的應力擴散效應,從而具備較好的防反射裂縫效果。由于級配碎石層沒有結合料,是一種松散粒料材料,是通過粗集料的互相嵌擠與細集料填充密實構成結構強度的一種結構形式,只能承受壓應力和剪應力,而不能承受拉應力。當半剛性底基層的裂縫向上擴散到級配碎石層時,由于它是松散的,相當于存在許多條的微裂縫,半剛性底基層裂縫的應力集中將沿著多條微裂縫向兩側擴展,而不是向一個方向擴展。經過一定厚度的均勻擴散,可逐漸消除裂縫的應力集中現象。設置在半剛性下基層上的級配碎石上基層,可降低半剛性底基層收縮裂縫兩側的彎沉差,從而減少或延緩反射裂縫。

與半剛性基層瀝青路面相比,在半剛性底基層上設置一層級配碎石基層后,傳遞到半剛性底基層上的汽車荷載將顯著減小,從而減小了半剛性底基層收縮裂縫兩側的彎沉差(差動位移),在瀝青面層內部產生的剪切應力,也會顯著減小,也就減少或延緩了反射裂縫的產生。并通過降低瀝青面層內部的剪應力,從而減少了面層的剪切流變。

2)對于瀝青路面混合式基層結構二:結構二在瀝青面層與半剛性下基層內加入了一層瀝青穩定碎石基層,增加了瀝青層的總厚度,有利于防止和延緩反射裂縫的發生。一方面,較厚的瀝青層總厚度,既減小了半剛性底基層材料所受到的拉應力與拉應變,也減小了瀝青層底的拉應力與拉應變,從而延緩反射裂縫的發生。另一方面,半剛性底基層上的收縮裂縫向上反射到瀝青面層表面,需要經過較厚的瀝青層,也就延緩了反射裂縫的發生。再者,瀝青混凝土對自身的裂縫具有一定的自愈功能,在高溫條件下,瀝青混凝土內部的微裂縫存在自動愈合的可能性。由于瀝青穩定碎石基層半剛性底基層瀝青路面結構具有較厚的瀝青層總厚度,半剛性底基層上的收縮裂縫向上反射到瀝青面層表面,需要經歷較長的時間,在反射裂縫還沒有到達瀝青面層表面時,遇到高溫季節,瀝青層內的有些裂縫就可能自動愈合,或在厚度方向愈合一部分,從而防止和延緩了反射裂縫的發生。

同時采用瀝青穩定碎石上基層可降低瀝青面層內部剪應力,減少縱向剪切裂縫或剪切疲勞裂縫的產生。

3)對于混合式基層瀝青路面結構三:結構三集中了以上兩種結構的抗裂性能的優點。一方面級配碎石層消除應力集中現象,又可減少半剛性下基層裂縫兩側的彎沉差,而且降低瀝青層內部的剪應力,從而達到減少瀝青路面裂縫病害的目的。另一方面結構三在瀝青混凝土面層與級配碎石基層之間設置了瀝青穩定碎石層,可使材料模量值較大的瀝青混凝土與材料模量值較低的級配碎石之間有一層聯結層,減少了層間的模量比,以達到降低瀝青混凝土面層層底拉應力,提高路面結構整體使用功能的目的。

4)混合式基層瀝青路面結構可改善半剛性基層所處環境的溫度、濕度條件,減少半剛性基層使用過程中的干縮、溫縮裂縫,從而有效地減少瀝青面層的反射裂縫。

瀝青路面混合式基層結構型式將半剛性層置于柔性基層之下,改善了半剛性層所處的溫度條件、干濕條件,能有效減少半剛性層使用過程中所發生的收縮裂縫,從而達到減少瀝青面層反射裂縫的作用。

對瀝青路面內部溫度場隨內在和外在因素發生變化的規律進行分析,求解一維熱傳導偏微分方程,可求得溫度場的解析式或直接計算不同時刻在不同深度的溫度值。美國E.S.Barber把影響路面溫度的兩項主要氣象因素——氣溫與輻射熱,綜合成一種當量的有效溫度(Te),并假設它隨時間呈正弦周期性變化:

并且假設路面結構為半無限空間體,解出熱傳導偏微分方程,得到路面內部的溫度場方程式:

式中:

Tm為平均有效溫度,Tm=TA+R,其中TA為平均氣溫,R為輻射熱使氣溫增高為有效溫度的平均增量,R=0.67bQ/(24hc),其中b為路面對輻射熱的吸收能力,%,Q為太陽的輻射熱,J/m,hc為考慮到對流和再輻射的表面系數(對流系數),W/m?℃,hc=7.37+2.4 v0.75,其中v為平均風速,km/h;

Tv為同平均有效溫度的最大偏差,℃,可近似計算:Tv=0.5Tr+3R,其中Tr為氣溫的日變化幅度,℃;

t為從溫度周期起點的起算時間,h;

H為對流系數與面層材料熱傳導率的比值,即:H=hc/k;

C為路面材料熱特性綜合參數;

Z為路面內部目標點深度。

以下是我國某中部地區,根據當地氣溫條件,計算得到瀝青路面內部溫度變化的曲線,如圖1～圖3所示。

圖1 6月份路面結構溫度日變化過程圖

圖2 4月份路面結構溫度日變化過程圖

圖3 10月份路面結構各深度處溫度日變化過程圖

由以上的路面各層溫度日變化圖可見,混合式基層瀝青路面將半剛性層的位置降低約10～26 cm后,半剛性層的每天日夜溫差基本控制在5℃～10℃以內,因此,只要施工養護期間較好地控制了半剛性底基層的干縮開裂和溫縮裂縫,由于半剛性層所處路面結構層較深層次的位置,其內部含水量不易被蒸發,雨水滲入也較少,干濕變化不會很大,溫差變化也基本在5℃～10℃,因此,混合式基層瀝青路面結構在后期運營過程中,其干縮裂縫與溫縮裂縫的產生都要遠遠低于半剛性基層瀝青路面,從而有效地減少了反射裂縫的產生。

綜上所述,從上面幾個方面進行分析,混合式基層瀝青路面結構從控制半剛性層的后期開裂、延長反射裂縫的傳播路徑長度和傳播速度、消除反射裂縫頂端的應力集中現象、減少裂縫兩側的彎沉差等方面,均能達到減少瀝青路面反射裂縫的目的。而且,從消除反射裂縫頂端的應力集中現象、減少裂縫兩側的彎沉差這兩個方面來分析,其防裂效果遠遠優于采用防裂土工合成材料夾層、應力吸收層等方式。因此,混合式基層瀝青路面結構具有良好的防反射裂縫性能。而且在工程實踐中也將得到進一步的驗證。

3 早期縱向裂縫分析

目前高速公路瀝青路面上的縱向裂縫一般是表面裂縫,裂縫從表面向下延伸。曾經在衡棗高速公路對兩條縱向裂縫進行鉆芯,發現縱向裂縫是從表面開始的,約4 cm,僅貫通了表面層。其產生的主要原因一般是來自于瀝青路面的表面拉應力和剪應力。

1)表面拉應力分析。計算結果匯總見表2。

表2 結構一至結構五的表面拉應力和層底拉應力對比表MPa

從表2可以看出:

①混合式基層瀝青路面結構一、結構三的表面拉應力均遠小于半剛性基層瀝青路面結構四。約為結構四的1/3左右。

②混合式基層瀝青路面結構二表面拉應力較大,但也比結構四(半剛性基層瀝青路面)要小15%左右。

③柔性基層瀝青路面結構五表面無拉應力,所以其主要破壞形式來自于從瀝青面層底開始的疲勞裂縫。由于無半剛性基層的反射裂縫、無從上至下的表面縱向裂縫、級配碎石有一定的排水能力基本不會發生唧漿唧泥出現網裂等現象,因而其早期損壞較少。這可能也是國外大量使用柔性基層瀝青路面,而使用半剛性基層瀝青路面較少的原因之一。

2)表面剪應力分析。

由于瀝青路面在常溫或低溫下其抗剪強度很高,不會產生剪切破壞,因此在常溫下或低溫計算其抗剪強度進行比較沒有什么意義,為分析結構一至結構五表面的剪應力的大小,擬計算結構一、結構二、結構三、結構四、結構五在高溫條件下結構所受的表面剪應力。高溫下各結構層的計算模量如表3所示。

表3 高溫下結構層模量取值表

計算了各結構層的最大剪應力,如表4所示。

表4 結構一至結構五表面最大剪應力計算結果表

從上表可以分析,高溫條件下,結構三的表面剪應力最小,其次是結構五、結構二、結構一,最大的是結構四。

綜上可見,混合式基層瀝青路面結構一、結構二、結構三在標準軸載的作用下,表面產生的最大拉應力和最大剪應力均小于半剛性基層瀝青路面結構(結構四),因此,當采用相同瀝青混合料的前提下,混合式基層瀝青路面有更好的抵抗縱向開裂的能力。在三類混合式基層瀝青路面結構中,結構類型三表面的拉應力和剪應力均最小,其抗裂能力最好。

4 防早期網狀裂縫及抗水損壞分析

目前我省瀝青路面出現早期網狀裂縫時,一般均是由早期水損壞造成的。由于瀝青混凝土空隙率過大或不均勻,以至大量雨水從瀝青路面的空隙或裂縫處下滲,當下滲至半剛性基層表面時,由于半剛性基層十分致密,自由水沖刷半剛性基層表面,形成灰漿從空隙或裂縫涌出,形成“唧漿”現象。自由水由半剛性基層裂縫滲入土基,在動水壓力作用下形成泥漿涌出,形成“唧泥”現象。自由水長期滯留在瀝青混凝土內部,在動水壓力作用下,反復沖刷粘附在碎石表面的瀝青膜,造成瀝青膜的脫落,瀝青混凝土的強度降低,從而先出現瀝青面層內部松散,出現網裂,后再出現“坑洞”。這是瀝青路面早期水損壞的典型表現形式,易出現網狀裂縫。特別是瀝青混凝土面層較薄時,更易出現網狀裂縫。

1)結構類型一與結構類型三具有一定的排水能力:排水功能來源于級配碎石優良的滲水能力。級配碎石與半剛性材料相比,其結構的優越性不僅表現在具有防反射裂縫功能,而且還具有一定的滲水能力。

采用課題組推薦的級配修筑的常張高速公路級配碎石基層試驗路,經現場大量滲水試驗表明,該級配碎石基層具有很強的滲水能力。由于級配碎石具有一定的排水功能和吸水功能,能有效地阻止泥漿或灰漿的產生,混合式基層瀝青路面結構類型一與結構類型三基本上可以防止唧泥或唧漿病害的產生,從而有效地避免網狀裂縫和早期水損壞的產生。

2)混合式基層瀝青路面結構類型具有良好的防水能力,使雨水不易滲入瀝青路面結構層。一方面,由于結構類型一中的級配碎石上基層具有防反射裂縫作用,與半剛性基層瀝青路面相比,使瀝青路面裂縫大為減少。因此,通過裂縫進入路面內部的雨水也就大為減少。另一方面,目前我們設計的三種瀝青面層混凝土,經過大量室內外滲水試驗和大量實體工程的實用效果證明具有優良的密水能力。我們在試驗室做了大量的室內車轍試件的滲水試驗,基本不透水。第三個方面,就是在半剛性下基層或底基層表面,設計了封層,進一步增強了結構的防水能力。

3)混合式基層瀝青路面結構類型二、結構類型三均具有較厚的瀝青層,厚的瀝青層可有效地延緩自由水下滲的時間和延緩“灰漿”或“泥漿”從瀝青結構層涌出路面的時間,從而有效地延緩早期網狀裂縫的產生。

5 結論

混合式基層瀝青路面結構由于采用柔性基層+半剛性基層的結構組合,相對于半剛性基層瀝青路面而言,具有良好的路用性能:

1)混合式基層瀝青路面結構中的半剛性層所處豎向位置低于半剛性基層瀝青路面,因此在內部的濕度和溫度變化受外界條件影響小,可有效地減少半剛性基層的自身的溫縮和干縮裂縫。

2)由于在半剛性層上設置了柔性基層,延長了裂縫反射到瀝青路面表面的時間。

3)級配碎石上基層具有良好的應力擴散效應,可有效改變應力尖端集中效應,從而隔斷了反射裂縫的擴散路徑,有效地防止反射裂縫的產生。

4)經過理論計算,混合式基層瀝青路面的表面拉應力和剪應力明顯小于半剛性基層瀝青路面,因而可減少縱向裂縫的產生。

5)由于級配碎石結構存在一定的排水能力,可有效地防止唧泥、唧漿等病害,防止水損害,減少網狀裂縫。

[1]沈金安.高速公路瀝青路面早期損壞分析與防治對策[M].北京,人民交通出版社.2004.

[2]JTJ 034-2000,公路路面基層施工技術規范[S].

[3]JTG E 60-2008,公路路基路面現場測試規程[S].

[4]JTG D 50-2006,公路瀝青路面設計規范[S].