廠區道路混凝土基層加鋪雙層瀝青混凝土受力及反射裂縫防治技術經濟性分析

鄭得標，陳德洋，萬學林，王 哲，蔣 軻，蘇金鴻，熊豪文

(中建三局集團(深圳)有限公司，廣東 東莞 523000)

0 引言

近年來，為契合廠區道路對景觀和行駛舒適性的要求，水泥混凝土路面加鋪雙層瀝青混凝土路面復合結構因其具有施工方便、基層穩定性好、面層美觀的特點，得到較廣泛推廣。該類路面水泥混凝土基層由于其本身存在的橫縫，在外荷載作用下，瀝青面層層底將產生局部拉應力集中現象，在反復的交通荷載作用下，該處瀝青面層將出現疲勞開裂而后貫通至面層，形成反射裂縫。結合高速公路和市政道路“白改黑”工程經驗[1-2]，針對該情況的防治措施主要有4類：結構層厚度、瀝青混凝土類型、是否加鋪應力吸收層、是否鋪設柔性隔離層。以往研究表明，增加結構層厚度可延緩反射裂縫的開展[3-4]；改進瀝青面層材料類型，加強瀝青面層材料剛度可改善路面結構受力[5]，效果較好，但需對結構進行反復驗算；加鋪應力吸收層對防治反射裂縫的作用較明顯，且具有較成熟的施工經驗[6-7]；加鋪聚酯玻纖布對延緩反射裂縫有明顯作用[8-9]，且施工簡便，使用較靈活。

而對于農產品物流廠區特定軸載情況下，反射裂縫的防治并無較好經驗推廣，主要原因為：①廠區道路設計規范35年未更新，反射裂縫防治研究滯后；②廠區新建道路往往投資規模小，受成本制約明顯，裂縫防治更多體現在運營、維護階段；③不同種類廠區交通軸載多樣，交通量未明確統計，難以定量研究。

針對以上情況，本文對建設單位的相似廠區進行交通量調研，再利用有限元模型對20種技術方案進行受力分析，對比不同方案降低層底拉應力的效果，并開展技術經濟性比選，以廣東省某冷鏈產業園園區道路項目為實例予以驗證。

1 反射裂縫防治技術作用機理

反射裂縫的防治措施主要有4類：增加結構層厚度、改進瀝青混凝土類型、加鋪應力吸收層、鋪設柔性隔離層。其中，改變瀝青面層厚度將會改變荷載作用下各層應力的分布狀態。隨著面層厚度的增大，水泥混凝土基層頂的應力將會減小，裂縫尖端處所產生的應力集中現象隨之減弱，從而減小疲勞應力數值、降低應力比、延長瀝青層使用壽命。

改變瀝青面層材料類型與改變面層結構厚度的作用原理相似，也可改變應力分布狀態。當使用高標號瀝青或高強度瀝青作為面層黏結劑時，面層材料的彈性模量將會隨之增大，面層剛度增大，從而使得中性軸向上移動。由此，通過調整面層剛度，精準控制中性軸的位置，使得中性軸處于水泥混凝土與瀝青混凝土交界面處，理論上該區域應力為0，從而降低裂縫尖端處的應力集中現象。

應力吸收層是在水泥混凝土基層和瀝青面層中間設置的過渡層，一般是由高比例的瀝青及低比例的碎石組合而成，該種材料油石比占比高，具有良好的抗疲勞性能及自愈合能力，可較好地阻隔應力集中，使得瀝青面層受力較小，從而延長使用壽命。

柔性隔離層與應力吸收層類似，其本身的高強抗拉及優越的抗疲勞性能起到隔離裂縫尖端應力集中的作用。目前實際中使用到的材料類型主要是瀝青卷材、土工布、聚酯玻纖布等。與應力吸收層不同的是，此類材料一般是直接鋪貼在水泥混凝土基層的橫縫上，每隔6m 1道，橫向通長，縱向寬度1～1.5m，有自黏結和涂刷黏結劑2種形式。

2 不同反射裂縫防治措施數值模擬分析

本文以廣東省沿海某農產品冷鏈產業園項目為依托。該產業園廠區道路主要提供園區內農產品物流車輛通行和卸貨，主要車型為40ft(1ft=304.8mm)集裝箱冷藏車，按標準軸載換算，15年使用壽命內的總交通累計標準軸次約為8.2×106，其道路結構組合如圖1所示。

圖1 本案例原設計方案

2.1 有限元模型建立

本文借助ABAQUS有限元仿真軟件，將道面簡化為4類結構層，分別為面層、基層、墊層及土基，通過不同的模量、泊松比、密度表示其不同的力學特性，各結構層材料參數如表1所示[9-11]。

表1 道面結構層厚度及材料參數

為了提高計算效率，進行反射裂縫防治技術措施分析時將道面結構近似簡化為平面應變問題的層狀體系，采用2D模型進行模擬。假設水泥混凝土板與水穩基層的黏結狀態介于完全連續和光滑之間，層間受力狀態滿足莫爾-庫侖強度理論，假設層間摩擦系數為0.3[12]。

我國道路設計規范中的標準荷載BZZ-100為雙圓均布荷載，壓強為0.7MPa，根據靜力等效原則將其轉換為二維線荷載，單個輪壓的作用范圍為21.3cm，輪間距為31.95cm，大小為117 371N/m。

左、右混凝土板間裂縫區域處于加載面附近，是反射裂縫產生和發展的重要區域[13]。因此，本模型從加載面直到混凝土板底層設置網格密度較大，控制所選邊緣的種子密度為8單元，其余位置一般只受壓應力作用，種子密度為4單元，網格較稀疏，最終建立的模型如圖2所示，試驗組別設計如圖3所示。

圖2 有限元模型

圖3 仿真模擬試驗工況設計

2.2 不同結構厚度對反射裂縫的影響

本文設計3種瀝青下面層厚度，分別為5，8，10cm。不同下面層厚度所對應受力云圖如表2所示。從云圖中可看出，隨著下面層厚度的增加，裂縫尖端的應力集中程度逐漸減小。統計瀝青層底拉應力如圖4所示。通過層底拉應力的數值對比可認為，隨著瀝青下面層厚度的增加，下面層層底拉應力逐漸減小，但該趨勢隨厚度的增大而減弱。當下面層厚度從5cm增大到10cm時，瀝青層層底最大拉應力分別減小29.9%(普通瀝青上面層)，32.3%(SBS改性瀝青上面層)和30.0%(高強瀝青上面層)。

表2 不同結構尺寸技術措施及影響

圖4 不同道面結構尺寸的瀝青層底拉應力

2.3 不同上面層類型對反射裂縫的影響

本文設計了3組常用的上面層瀝青混合料類型，分別是普通瀝青混凝土、SBS改性瀝青混凝土及高強瀝青混凝土，其對反射裂縫下道路結構應力響應影響如表3所示。在不同上面層類型下，應力響應規律大致相同，并未改變混凝土層底和層頂為最大拉應力出現位置的規律，但改變了最大拉應力響應值大小。不同上面層瀝青材料所對應的瀝青下面層層底拉應力響應情況如圖5所示。結果表明，SBS改性瀝青和高強瀝青混合料性能優于普通瀝青混合料。當上面層類型為高強瀝青混凝土時，4，5，8cm下面層尺寸的瀝青層底最大拉應力較普通瀝青混凝土分別減小19.1%，18.0%，21.8%。

圖5 不同瀝青上面層的瀝青層底拉應力

表3 不同上面層類型技術措施及影響

2.4 加鋪橡膠應力吸收層對反射裂縫的影響

本試驗設置了3組對照組，如表4所示，A1組作為基本對照組，代表了相同結構層結構及材料下無橡膠瀝青應力吸收層的層底拉應力響應情況；E2，E3分別作為1cm和2cm橡膠瀝青應力吸收層厚度的道面結構試驗組；前面最優組合B3設置為對照組。

表4 加鋪應力吸收層防治措施及影響

通過表3中應力云圖可知，由于應力吸收層的存在，瀝青層的最大拉應力明顯下降。加鋪橡膠瀝青應力吸收層的瀝青層底拉應力響應值如圖6所示，結果顯示，加鋪橡膠瀝青應力吸收層可有效降低瀝青層層底拉應力，E2，E3工況分別使瀝青層底拉應力減小225.8，235.5kPa，瀝青層底最大拉應力較A1減小66.6%。可見，加鋪橡膠瀝青應力吸收層有效減少反射裂縫的產生，且優于增加厚度和更換上面層材料的處置措施，隨著應力吸收層的厚度增加，效果愈加顯著。

圖6 加鋪橡膠瀝青應力吸收層的瀝青層底拉應力

2.5 加鋪聚酯玻纖布對反射裂縫的影響

聚酯玻纖布是玻璃纖維和聚酯纖維組成的混合物，具有較高的強度、柔韌性和良好的防治反射裂縫能力[14-15]。工程實際中，常在水泥基層橫縫上鋪貼1.2m寬沿縫通長聚酯玻纖布，數值模擬結果如圖7所示。由圖8可知，增設聚酯玻纖布可有效減弱反射裂縫的產生和發展，在聚酯玻纖布作用下，瀝青層底的最大拉應力明顯降低。其中，E1-C1工況效果最為明顯，瀝青層底的拉應力較原方案A1降低了44.3%。

圖7 加鋪聚酯玻纖布防治措施及影響

圖8 加鋪聚酯玻纖布的瀝青層底拉應力

由圖9可看出，對于同一種道路結構組合形式，增設聚酯玻纖布效果較弱于加鋪橡膠瀝青應力吸收層，優于改變道路結構尺寸和瀝青加鋪層材料。

圖9 不同反射裂縫防治措施的瀝青層底拉應力

3 反射裂縫防治技術經濟對比分析

3.1 各技術方案成本測算

根據屬地造價站提供的信息，列出各種材料的信息價，如表5所示。人工費與機械費以定額為依據再結合工效均攤到每個建設單元。由于定額的人工費與實際情況相比有較大出入，以下價格僅用于本文對比計算。

表5 各反射裂縫防治措施成本概況 (元·m-2)

3.2 質量、成本指標歸一化

為方便從質量優劣與成本高低2個方面對各技術措施進行對比，需對2個方面的指標進行歸一化。質量方面選取下面層瀝青混凝土層底拉應力作為指標，成本方面則以長1 000km、寬7m的路面(基層水泥混凝土以上部分)施工總費用作為指標。2個指標歸一化的標準均以原設計圖方案(A1)為準，其余技術方案的指標數值與之相比即可，整理得表6。

表6 所有技術方案質量與成本指標歸一化結果

3.3 質量增益與成本節約比選

質量的重要性優于成本，只有在保證工程質量的前提下才能考慮經濟效益。而保證工程質量就是保證本工程在設計使用年限內瀝青層的疲勞壽命大于該設計交通軸次[16]。

瀝青混合料的疲勞壽命與應力比有關，而應力比與疲勞壽命的關系并非線性。選取AC-20普通瀝青混合料疲勞方程[17](見式(1))及其彎拉強度7.2kN[18]，可反算出：當應力比<0.03時，即應力<215.5kPa時，Nf>8.2×106次。

(1)

式中：Nf為疲勞壽命；ts為應力比，即瀝青層實際應力除以瀝青混合料的彎拉強度。

由此，當質量指標數值<215.5kPa后，質量對于整個工程將不產生更優的增益。故對瀝青層底拉應力優于215.5kPa的技術方案對應的質量指標均按215.5kPa計算。將歸一化質量指標數值與成本歸一化指標相除得技術經濟指數，最后進行排序，可得表7。

表7 技術經濟比選概況

由表7可看出，質量與成本最優組合是E1-C1，即2層瀝青混凝土皆采用普通瀝青且下面層厚度為5cm的瀝青面層結構，在水泥混凝土基層裂縫處加鋪1道聚酯玻纖布。結合表6所示結果可認為，在裂縫處加鋪聚酯玻纖布和滿鋪橡膠瀝青應力吸收層均可使道路的抗反射裂縫性能滿足設計要求，且在成本方面較增加瀝青層結構厚度和改變材料類型更有利。

對于以上最優方案僅僅是考慮了抗反射裂縫性能單個因素，若考慮路面上面層的水損、車轍等路用性能，AC-13普通瀝青混合料難以滿足要求，應采用排名第2的EI-A1方案。

4 廠區道路實例驗證

結合本文依托的廣東省某冷鏈產業園園區道路項目實例，對水泥混凝土路面接縫處加鋪聚酯玻纖布的效果進行了現場驗證。

4.1 施工工藝

1)對水泥混凝土基層裂縫進行熱瀝青砂漿灌縫處理，處理范圍包括板塊間的接縫、脹縫、使用過程出現的裂縫。

2)噴灑乳化瀝青黏層油，并粘貼聚酯玻纖布。聚酯玻纖布覆蓋裂縫居中貼置，寬1.2m，若遇弧形裂縫，則裁剪使之貼合；搭接長度50cm。

3)在聚酯玻纖布上方再灑布1層乳化瀝青，使之上表面與瀝青混凝土層連接緊密。

4)在黏層未干燥前應封閉交通，不允許車輛駛入，以保護聚酯玻纖布粘貼牢靠；待黏層達到施工要求后，再鋪筑瀝青混凝土。

4.2 現場實施情況

本項目為廠區道路，道路面積2萬m2，主要為大面積的冷藏車回轉場，無明確的橫縫與縱縫，故對所有水泥混凝土板的接縫均鋪設聚酯玻纖布(見圖10)，施工時間為2021年9月30日，施工周期3d。

圖10 聚酯玻纖布鋪設情況

2022年9月1日進行第1次回訪，此時已通車超過半年，車型均為40ft集裝箱冷藏車或半掛冷藏車，經原地調查，原先標記的水泥混凝土接縫處的瀝青路面未出現裂縫，整體使用情況較好。

5 結語

本文基于20種技術組合方案，建立與之相對應的有限元模型，開展力學分析，并結合定額測算每種方案對應的成本，最后開展技術經濟分析，得到以下結論。

1)在原方案基礎上，增加3cm結構厚度可減小目標位置處的拉應力24.2%，同時增加29.8%的成本；上面層采用高強瀝青可減小目標位置拉應力11.5%，同時增加2.2%的成本；加鋪2cm橡膠應力吸收層可減小目標位置拉應力66.6%，同時增加27.3%的成本；加鋪聚酯玻纖布隔離層可減小目標位置拉應力44.3%，增加2.4%的成本；本案例中，質量和成本最優組合為E1-C1。

2)對于抗反射裂縫性能的技術經濟分析，應考慮各技術方案對性能的增益是否達到或超過設計規范要求，為此，需對各方案做進一步的針對性驗算，求得剛好滿足規范要求的歸一化的質量指標后才可進行技術經濟分析。

3)通過跟蹤實體工程實施過程，采用E1-C1方案，即水泥混凝土基層接縫處鋪設聚酯玻纖布方案的施工工藝操作簡單，施工質量易于控制，但需注意聚酯玻纖布與黏層油粘貼牢靠后才能鋪筑面層瀝青，以減少碾壓對聚酯玻纖布的擾動。