P CC-AC路面結構層間力學分析及試驗分析

龐炳維

（河北路橋集團有限公司，河北 石家莊 050011）

0 引言

水泥混凝土路面是我國高等級公路主要的路面結構型式之一，在20世紀90年代發展最快，里程增加最多。水泥混凝土路面具有整體性好、承載力高、使用壽命長等優點。但就目前國內外水泥混凝土路面使用狀況而言，仍存在過早損壞、路面病害、修補困難等問題。

舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層結構（以下簡稱PCC-AC）的研究一直是各國道路研究者關注的熱點問題，由于具有充分利用舊混凝土面板、減少環境污染、節約資源且行車舒適等一系列優點[1]，在舊水泥混凝土路面改造常用的技術措施。而如何控制PCC-AC層間粘結及反射裂縫的產生仍是道路工程界所面臨的一大難題。

1 計算說明

汽車高速行駛在路面上時，會產生較大的水平力。對于PCC-AC層間的接觸面來說，由于加鋪的AC層較薄，對剪應力的緩解作用有限，因此層間會產生較大的剪應力。本文主要用BISAR3.0計算PCCAC層間的剪應力。設輪胎壓力為0.7MPa，當量圓半徑為10.65cm，接觸面積為356.32cm2，雙輪間距為32cm。各個結構層材料相關參數的取值見表1。

表1 PCC-AC典型結構

計算時依據粘彈性層狀體系理論，假設PCCAC路面結構層間處于完全連續狀態，行車方向為X方向，道路橫斷方向為Y方向，豎直向下為Z方向，摩阻系數取0.3。計算圖示如圖1所示。

圖1 力學計算圖示

2 層間剪應力分析

不同軸載作用下沿Y方向層間剪應力分布如圖2所示。從圖2可以看出，最大剪應力發生在沿Y方向1.5σ點處，即輪中心點的位置上。且隨著軸重的增加，剪應力值也隨之增加。也就是說在荷載的作用下，路面結構產生較大的剪應力，在較大的剪應力的作用下會造成層間破壞。同時由于我國路面存在嚴重的超載情況，加劇了這種破壞的發展。一旦PCC與AC層脫離，變為完全滑動狀態，AC層層底和路表輪跡帶邊緣均產生較大的彎拉應力，從而造成兩頭受拉的情況[2]。

圖2 不同軸載作用下沿Y方向層間剪應力分布

3 中間層厚度對剪切強度影響分析

為防止PCC與加鋪的AC層之間產生較大的剪切變形，一般在PCC層和AC層間設置中間層，一方面可以減少AC層的反射裂縫，另一方面可以改善PCC層和AC層之間的剪應力狀況[3]。計算夾層的設置對于層間剪應力的影響時，取標準軸載100kN，中間層厚度為0～2cm，回彈模量為400MPa，泊松比為0.25，PCC層厚度為25cm，其余參數不變，計算結果如圖3所示。

圖3 不同中間層厚度對剪應力影響

由圖3可知，PCC-AC的層間剪應力隨著中間層厚度的增加而逐漸減小，因為增加中間厚度，相當于增加了AC層的厚度，而剪應力的大小沿路面縱向深度會逐漸減小，正好印證這一規律。但增加中間層厚度不夠經濟。從圖3可知，當中間層厚度小于0.5cm時，層間剪應力變化比較明顯，當中間層厚度大于1.5cm時，PCC-AC層間剪應力減小趨勢減弱。因此建議中間層厚度應保持在0.5～1.5cm之間。

4 剪切試驗

中間層應該具有良好的柔韌性、粘結性和防水效果，當然其抗剪強度也應滿足一定的要求。結合工程經驗，試驗采用瀝青砂、玻纖格柵、橡膠瀝青碎石封層、土工布，厚度均在0.5～1.5cm之間。本試驗借助多功能路面層間剪切儀對不同的中間層材料進行直接剪切試驗。

首先用擊實法成型一層高度為5cm的馬歇爾水泥混凝土試件，養生好后在其上均勻涂上中間層材料，然后用靜壓法成型5cm厚AC-13瀝青混合料。試驗溫度為20℃，剪切速率為10mm/min。剪切過程中，當剪應力衰減到峰值的20%時，試驗停止。剪切數據如圖4所示。

圖4 各中間層材料抗剪強度

從圖4可以看出，橡膠瀝青碎石封層的抗剪強度最大，土工布的抗剪強度最小。橡膠瀝青碎石封層抗剪強度大于計算所得的最大抗剪強度，能夠滿足任何要求；玻纖格柵、瀝青砂、土工布抗剪強度只能滿足部分要求。

5 疲勞壽命分析

由于舊水泥混凝土路面存在接縫或裂縫，在不同類型的荷載循環作用下，瀝青加鋪層裂縫尖端處產生應力集中現象，誘發局部微觀裂縫，并逐步發展為加鋪層中宏觀裂縫的擴展，路面結構呈現為疲勞斷裂特性。因此中間層材料在滿足抗剪強度的同時，還應具有良好的耐久性及應力吸收作用。

為此疲勞試驗中設計了400mm×100mm×100mm復合小梁試件。下層為5cm的PCC板，上層為5cm厚的AC-13瀝青混合料；試驗溫度為15℃；加載方式采用正弦波形荷載，加載頻率10Hz，加載時間為t=1/（2πf）=0.016s。 其疲勞試驗結果見圖5。

由圖5可知，橡膠瀝青碎石封層的疲勞性能最好，是瀝青砂疲勞性能的1.7倍，這是因為橡膠瀝青碎石封層中占粒料高度4/5的碎石顆粒承擔水泥混凝土板的變形，起到遏制水泥混凝土板裂縫向面層擴展的作用。橡膠瀝青在加鋪層和水泥混凝土板之間形成一層1cm左右厚度的高粘彈性軟介層，通過等粒徑碎石的傳遞及橡膠瀝青的粘結作用，將加鋪層和水泥混凝土板聯結成為整體，從而有效提高瀝青加鋪層的疲勞壽命。

圖5 各中間層材料疲勞壽命

6 結論

綜上所述，通過BISAR3.0軟件對該結構層間的力學分析和常用中間層材料抗剪及疲勞性能室內試驗，可得出以下結論。

6.1 超載重載會使PCC-AC層間產生較大剪應力，

對路面結構受力不利。為使PCC-AC結構具有良好的耐久性及整體性，建議在PCC與AC層之間設置一層0.5~1.5cm的中間層材料。

6.2 剪切試驗、疲勞試驗結果顯示，橡膠瀝青碎石封層的抗剪強度最大，疲勞壽命次數最長。

[1]殷岳川.AC+RCC復合式路面研究[J].東北公路，1998， 21（3）： 36-40.

[2]劉玉榮.水泥混凝土瀝青混凝土復合式路面的荷載應力分析[J].東北公路，1996，（1）：25-28.

[3]張鵬.舊水泥混凝土路面黑色罩面反射裂縫的防治[J].長安大學學報，2005，（3）：16-18.