混凝土路面加鋪瀝青面層的力學響應分析和結構組合研究

朱仕卿

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司）

1 引言

采用熱拌瀝青面層加鋪實現混凝土路面修復和提升，是一種技術可行、經濟合理的方法，可提高現有道路結構承載能力、使用性能和行駛舒適性，降低路面胎噪。結合連云港市金海路改建項目，用有限元分析混凝土老路面加鋪瀝青時復合式面層的力學響應，確定滿足設計指標的面層厚度和結構組合[1]。

2 面層類型

加鋪的瀝青面層承受車載、溫度和濕度等作用，容易提前衰變和損壞，影響道路使用品質和壽命。結合本項目條件，對適用的瀝青混合料特點分析如下。

1）MA混合料

集料為間斷級配，粗集料、礦粉和瀝青用量多，細集料少。特點：高溫穩定性較強；抗水損性能、抗滑性、耐久性良好；低溫抗裂性較好。

2）Superpave混合料

優化了普通密級配瀝青混合料的礦料級配，設置級配控制點和禁區，空隙率小，高溫抗車轍、抗水損及抗疲勞性能較好，施工壓實難度略高。

3）AC混合料

粗型AC密級配瀝青混合料，采用平滑S型級配曲線，具有適當空隙率，滲水性小，高溫穩定性較好，表面有一定構造深度。

4）混合料的選用

金海路位于商業人口密集的贛榆區中心，交通改造困難，不能中斷交通。SMA攤鋪受溫度影響大，難以解決短距離和人工攤鋪；Superpave對施工機械要求高，地區施工經驗不足，存在風險。

項目選用密級配改性瀝青混凝土AC混合料，施工技術成熟、可靠性高，具備高溫穩定性好、透水性小、和易性好、可攤鋪薄層等特點。

3 加鋪面層厚度與力學響應分析

3.1 荷載類型

單軸載雙輪組BZZ-100，考慮一定比例重載。

3.2 力學響應分析

3.2.1 板底脫空的影響

混凝土面板斷裂破壞主要是板底脫空、板角懸臂受力，有限元分析車載作用下20cm厚單層板的最大應力和板角撓度（見表1）。

未脫空板的應力和撓度小，隨著脫空逐級增加，最大應力由板底變化至板頂，板底出現壓應力，板角撓度增幅明顯。所以要關注板角撓度產生后裂縫的發展、雨水下滲等導致脫空，路面板受力狀態改變而產生板頂拉應力的情形，控制板角撓度。

表1 截面應力和板角撓度

3.2.2 復合式面層受力特點和參數作用

評價動載作用下復合式面層的受力特點和參數的影響，關系到瀝青面層使用性能、使用年限和材料選用。材料參數按規范初步取值，調整數值以測試力學響應對參數的敏感性。

瀝青面層厚度在4cm～16cm范圍內與最大拉應力呈線性關系，厚度增加，拉應力減小；厚度大于10cm后減小不明顯，應力曲線趨于相同。

混凝土面層厚度增加，最大拉應力減小。18cm～30cm范圍內厚度增加時，拉應力減小較明顯，30cm～40cm范圍增加厚度不會顯著減小拉應力。

瀝青混凝土模量增加，層底水平剪應力增加，800MPa～1600MPa范圍剪應力增幅稍大，1600MPa～2400MPa范圍增幅略小，最大剪應力約14kPa。模量對彎沉差影響顯著，模量宜大于1200MPa。

水泥混凝土模量對彎沉差的影響與瀝青混凝土模量相似，但相關性偏弱。

對黏結良好的柔性面層與剛性基層的復合結構，接縫位置面層易產生反射裂縫，力學響應顯示瀝青層最大豎向剪應力發生在板邊緣的瀝青層底，接縫區豎向剪應力隨瀝青層模量增加線性增加。厚度10cm～16cm的瀝青面層，表面向下的剪應力增加很快，某一深度達到最大值后逐漸減小。

3.2.3 各參數的力學響應分析

為確定參數對不同設計指標的影響程度，將參數按數值劃分區間，設代表點位A～E。參數范圍：瀝青混凝土模量EAC為800MPa～2400MPa，厚度HC為4cm～16cm，泊松比νAC為0.1～0.4；水泥混凝土模 量EC為10GPa～40GPa，厚 度HC為18cm～32cm，泊松比νC為0.05～0.3；地基當量回彈模量Et為20MP～500MPa。

1）對瀝青層底拉應力σb的影響

有限元分析不同參數下層底拉應力曲線，假定層間接觸彈簧切向剛度因子為0.8，拉應力峰值見表2。

①EC和νC增加會引起層底拉應力增加。

②HC對控制層底拉應力作用顯著，但超過30cm影響很小。

③不同HAC的拉應力：12cm層底最大拉應力1.19MPa，9cm層底最大拉應力1.76MPa，前者低47.9%。

表2 σb峰值/MPa

2）對瀝青層表面拉應力σt的影響

①EAC和νAC增加會引起表面拉應力增加，EAC≥1600MPa時其對拉應力影響較明顯，νAC對拉應力影響顯著。

②增加HAC是控制表面拉應力最有效因素，HC、EC影響較小；適宜的HAC應大于10cm。

③為控制表面拉應力，HAC宜＞10cm，EAC宜≤1600MPa，Et宜≥100MPa，合理控制νAC。

3）對瀝青層剪應力的影響

車載作用下瀝青層底豎向剪應力為水平剪應力的5倍～10倍，不同參數的影響如下：

①HC=30cm是影響水平剪應力的折點，其他因素變化對水平剪應力的影響呈線性相關；

②豎向剪應力影響因素大小：EC、νC、HC。EAC、HAC和νAC影響相當。

4）對彎沉差的影響

除水泥混凝土泊松比外，其他參數增加均有利于控制彎沉差；瀝青面層厚度和模量是控制彎沉差的關鍵因素。

3.3 結論

瀝青加鋪層厚以12cm為宜，可有效控制瀝青層底和表面拉應力；水泥混凝土厚度宜為20cm～30cm。瀝青混凝土模量宜為1200MP～1600MPa，水泥混凝土模量不宜小于20GPa，地基當量模量不宜小于100MPa。

4 加鋪面層的結構組合

4.1 老路狀況

老路面為30cm道渣+34cm二灰碎石基層+20cm水泥混凝土面層，面層混凝土厚度偏薄。檢測顯示板頂彎沉＜20（0.01mm）的板塊約32.3%，彎沉＞20（0.01mm）的約67.7%，測試點彎沉偏大，應注漿以消除脫空、降低路表彎沉和板角撓度。

4.2 技術經濟分析

9cm瀝青加鋪層造價約170元/m2，12cm約205元/m2，加鋪面積202400m2，增加工程費用708.4萬元，占道路工程費用（17329萬元）的比例約4%，在可接受范圍內。

金海路對路面表觀質量和裂縫控制要求高，力學響應顯示12cm加鋪層的層底拉應力可降低47.9%，瀝青層厚4cm～16cm范圍內拉應力與層厚線性相關，厚度增加，層底/表面拉應力減小。增加加鋪層厚度也可效控制彎沉差[2]。

因此，層厚增加的使用性能提升和經濟效益明顯，推薦12cm瀝青加鋪層。

4.3 加鋪層結構組合

由上至下依次為：

4cmAC-13C（SBS改性）；

8cmAC-20C（SBS改性）；

玻纖格柵；

0.8 cm改性瀝青封層；

AC-5瀝青混合料調平層（敷防水土工布）；

瀝青封縫；

20cm水泥混凝土面層（老路）；

36cm二灰碎石基層；

30cm道渣。

5 結語

項目交通導改困難，SMA和Superpave施工限制多、實施難度大，瀝青加鋪面層類型選用改性AC混合料，技術成熟、可靠性高。

老路混凝土厚度20cm，相比一般混凝土路面最小厚度22cm偏薄，混凝土厚度增加1cm相當于瀝青路面厚度增加4cm。

9cm和12cm瀝青加鋪層的層底最大拉應力分別為1.76MPa、1.19MPa，其中1.76MPa超容許值；12cm加鋪厚度更有利于控制表面拉應力、剪應力和彎沉差。

綜合改造條件、力學響應、技術經濟分析，確定瀝青加鋪面層厚為12cm，類型為改性AC混合料并確定結構組合。