基于應力吸收層的舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結構與材料分析

穆川川

(山西路橋集團太佳高速公路東段運營分公司，山西 太原 030000)

1 構建基于應力吸收層的瀝青加鋪層力學計算模型

水泥混凝土路面在我國的應用發展歷史已經長達數十年之久，隨著時間的不斷推移，早期修建的水泥混凝土路面大部分臨近或超過設計年限，各類病害狀況層出不窮，路面使用性能也受到了不利影響。在這種情況下，需要采取有效的養護措施，延長其使用壽命，而瀝青混凝土的加鋪，則有助于這一目標的實現。但實驗結果表明，瀝青混凝土的加鋪，會導致反射裂縫問題出現，應通過計算的方式，明確瀝青鋪裝層荷載應力，并針對不同應力吸收層，提出針對性的養護條件，以提升瀝青加鋪層結構設計的合理性。本文接下來會通過建立計算模型的方式，對應力點進行明確。復合式路面材料基本參數如表1所示。

表1 復合式路面材料基本參數

以某地區水泥混凝土路面為例，獲得了相應的計算參數，如下所述。

(1)舊路面尺寸。板長500 cm、板寬450 cm、厚度23 cm、接縫寬度1 cm。

(2)瀝青加鋪層尺寸：板長500 cm、板寬450 cm、厚度25 cm、接縫寬度1 cm、加鋪總厚度為16.5 cm，其中應力吸收層的厚度為2.5 cm，而瀝青混凝土的厚度為14 cm。

(3)將標準軸載BZZ-100作為行車荷載，其中，輪胎內壓取值0.65 MPa，其作用范圍取18.5×18.5 cm，在計算后得知，其接觸面積為342.25 m2，而雙輪之間的距離為30 cm，兩側輪縫隙之間的距離為180 cm。

在經過計算分析和查閱現有資料后得知，單軸雙輪的作用位置是瀝青加鋪層內產生最大應力的荷載位置，這個位置通常為橫縫、縱縫之間夾角，荷載作用較為顯著。圖1展示了布載方式。在圖1中，瀝青加鋪層底應力吸收層應力對比點，由A點表示，而彎沉和彎沉差計算點，則由1、2點表示。在應力層設置完成后，與A點相對應的應力點，由圖中的B點表示。

圖1 直接加鋪接縫處計算

2 基于瀝青加鋪層厚度變化的層底荷載應力影響力分析

在應力吸收層厚度接近標準值后，覆蓋其上方的瀝青混凝土加鋪層，同時滿足不產生車轍最小厚度要求，則加鋪層厚度與荷載應力之間的關系為反比關系，簡言之，加鋪層厚度越小，加鋪層底所承受的荷載壓力越大，反之則亦然。此外，加鋪層厚度還會對反射裂縫擴展到路面時間產生相同的影響，但這并不意味著在設計過程中，可以無限增加應力吸收層的厚度，究其原因，主要是應力吸收層厚度的增加，會導致經濟成本大幅度上升，并且，應力層之所以起到良好的效果，主要是因為應力層設置，有利于發揮舊水泥混凝土板的剩余強度優勢。在應力層設置未超過臨界值時，使其厚度增加，可以取得良好效果，但在超過臨界值后，就會使其效果下降。加鋪層底荷載應力計算結果如表2所示和表3所示。上述計算結果所采用的計算參數如下所述：(1)水泥混凝土路面厚度為24 cm；(2)直接加鋪層厚度為8～20 cm，每次遞增的厚度為2 cm。其中前者的彈性模量為30 000 MPa，而后者為1 200 MPa。此外，應力吸收層厚度2.5 cm，不能被算到加鋪層總厚度之中。

表2 應力吸收層設置后的加鋪層底荷載應力變化

表3 應力吸收層未設置的加鋪層底荷載應力變化

將表3和表4中的計算結果作為依據，在應力吸收層設置后發現，如果應力吸收層的設置厚度為14 cm，則拉應力和剪應力的值最小，此時，等效應力和加鋪層厚度之間的關系為反比，簡言之，就是加鋪層厚度越大，等效應力越小。如果應力吸收層尚未設置，則層底拉應力、等效應力和剪應力與加鋪層厚度之間同樣呈反比關系，隨著加鋪層厚度的增加，這些數值會不斷減少。但相比較而言，在相同鋪裝厚度條件下，設置應力吸收層相較于未設置應力吸收層的瀝青加鋪結構，其應力減小幅度會顯著降低。假設鋪裝層厚度為10 cm，前者相較于后者，其層底等效力和剪應力，減少幅度分別為50.8%和53%。但減少幅度會隨著鋪裝層厚度增加而減少。其中在加鋪層厚度為10 cm時，應力吸收層的設置效果會完全體現，其增幅為30%以上。如果加鋪層厚度超過20 cm，增幅會變為負值。簡言之，就是應力吸收層的層底拉應力，會超過未設置應力層的層底拉應力。由此可見，設置應力吸收層，會影響瀝青加鋪層厚度設計和層底荷載應力的改善效果。

3 應力吸收層厚度與荷載應力間的關系

應力吸收層屬于一種軟夾層材料，具有彈性低的特點。其厚度會影響消減接縫處的應力集中和延緩反射裂縫開裂時間，并且，裂縫速度也會同時受到影響。但應力吸收層厚度與反射裂縫效果之間的關系，卻成為了需要重點研究的話題，就事實而言，在加鋪總厚度不變的基礎上，應力吸收層厚度的增加，會導致瀝青加鋪層的厚度減少，容易導致諸多問題的產生，主要包括車轍和壓實問題，同時，還會對維修養護的經濟性造成不利影響。計算參數如下所述：(1)水泥混凝土路面厚度為24 cm；(2)瀝青加鋪層厚度為14 cm；(3)應力吸收層的厚度為1～6 cm。輪載作用下加鋪層底面應力隨吸收層厚度變化計算結果如表4所示。

表4 計算結果

在計算結果中用正負值代表受力方向，可以為應力吸收層厚度不同時荷載應力大小變化趨勢比較，創造有利的條件。將表4中的計算結果作為依據，可知在應力吸收層厚度為3.0 cm時，層底等效應力σMises最大，由此可見，隨著應力吸收層厚度的持續增加，等效應力的改善效果會逐漸下降。因此，站在經濟角度和技術角度而言，需要將應力吸收層的厚度控制在2.5 cm內。

4 結 論

綜上所述，雖然應力吸收層的設置，有利于改善舊水泥混凝土路面的質量缺陷，但在設置過程中，綜合考慮其厚度和模量與層底荷載應力之間的關系，只有這樣，才能夠發揮出應力吸收層的設置作用。