三、阻隔路面加铺层反射裂缝的结构

郭 高,刘秀丽,李敬成

(长春市市政工程设计研究院有限责任公司,吉林长春130033)

（2014-01-10    发表于《市政技术》）

【摘要】在以往的旧水泥混凝土路面改造项目中,一般采用设置应力吸收层的办法来防治反射裂缝，例如用Trupave 聚酯玻纤布铺设在混凝土板顶面，采用压浆加铺，把原有混凝土板碎化后作为基层等。但是，这些措施属于全路幅的无差别改造，由于某些情况下反射裂缝影响面积仅占道路总面积的3%~5%，如果采用全面积防治，不仅会造成改造效果不佳。而且工程造价奇高。提出1种仅针对反射裂缝的改造方案,通过在2块相邻的混凝土板接缝处的上边缘设置三角区,在其中填充具有足够韧性变形能力，并且能够适应路面环境温度及车辆荷载的材料，即采用应力形式转化结构和应变自适应材料来解决反射裂缝问题。该结构是最新专利技术，具有新理念、新结构、新工艺的特性,是与《嵌挤混凝土预制块基础

结构》配套的关键技术之一。

【关键词】路面结构;旧水泥混凝土路面;反射裂缝;应变三角区;转变应力形式;应变自适应材料

1技术背景

    在旧水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层是改善原有路面使用性能,提高承载能力的有效措施。其中,反射裂缝的防治一般通过改善加铺层抗裂能力来实现。例如:成绵高速公路“白改黑”工程采用SBS 改性沥青玛蹄脂碎石SMA-13;成渝高速公路“白改黑”工程更是采用压浆加铺、共振碎石化，以及Trupave 聚酯玻纤布、热熔式SBS卷材方案等多种对比方案[1]。尽管各方案适用范围不同，效果差别很大，但都具有全路幅无差别改造的特点。这类无差别改造并不适用于旧有路面强度较高,技术状况等级在“中”以上,仅需防治道路纵、横及施工缝位置反射裂缝的情况。此时裂缝影响的面积仅占道路全面积的3%~5%，如果不突出重点,而做全面积防治,可能导致出现防治效果差效费比低的结果。

    笔者提出阻隔路面加铺层反射裂缝的结构，是采用应力模式转化结构和自适应材料来解决反射裂缝问题,利用该结构建立相邻混凝土板之间及混凝土板与上面层之间的柔性(相对于刚性)过渡,转换受力性质并缓解由于板块间位移产生的应力集中现象，从而阻隔反射裂缝的发生[2]。该项专利技术的开发,是为了解决《混凝土砌块组装式道路结构》和《嵌挤混凝土预制块基础结构》实用新型技术在实际应用中遇到的加铺层反射裂缝问题。

2结构设计思路

    混凝土路面加铺层产生反射裂缝的根本原因是当基层相邻混凝土板块发生平面拉开、垂直上下错动、翘曲扭动时.传递给上面层剪、拉、弯、扭力,而相邻2块混凝土板之间的间隙宽度十分有限,在如此短的距离(间隙)内,沥青混凝土面层参与抵抗拉伸或剪切的材料数量过少.不足以通过变形来抵抗外力,最终由于外力超过材料的屈服极限导致材料被剪断或拉断(见图 1)。

如果能够通过改变结构的方式转变沥青混凝土面层的受力性质,化剪应力为弯曲应力,并通过增加参与受拉弯材料的数量,使材料性能恰好能够适应变形产生的外力,则可以避免裂缝的产生。

3结构设计

    在2块相邻的混凝土板接缝处的上边缘,设置1对三角区(切掉上角),形成1个断面为顶角在下方的三角形[3]。三角区上表面与沥青混凝土面层底面接触，2个侧边分别属于相邻的2块混凝土板，下顶角恰好在板块接缝处。在该三角区域内,填充具有足够韧性变形能力、并且能够适应路面环境温度及车辆荷载的材料,例如:SBS改性沥青玛蹄脂碎石"、Trupave 聚酯玻纤布、高黏沥青11.4-5]拌和小粒径碎石以及能够满足该填充料使用要求的其他单一或混合材料。具体结构见图2。

    

                        a)原始状态        b)混凝土板产生收缩       c)混凝土板产生相对错位

注:①,②为混凝土板;③为沥青混凝土面层;L为混凝土板的间隙，即横缝、纵缝、施工缝;ΔH,为裂缝处垂直沉降量;ALx为①与②水平拉开后的间隙增量。

              图1混凝土板加铺层结构反射裂缝产生原因

     当2块相邻的混凝土板因温度变化发生膨胀或冷缩及因荷载产生震动或翘曲时,引起板块之间的距离、相对高度、顶平面角度发生变化,三角区内的填充材料在车辆荷载的作用下始终与三角区下表面(三角形的2个侧边)贴合,而三角区上部平面的宽度(即三角形的边长)给其上的沥青混凝土面层提供了适当的拉伸、弯曲变形空间,由此避免反射裂缝引起的对沥青混凝土面层的剪切应力,即可避免反射裂缝的发生。

                  

 

注:①,②为混凝土板;③为沥青混凝土面层;④为该专利结构。

                   图2 缓解应力的三角区结构图

                  

注:L为三角区顶平面变化;ΔH,为三角区垂直沉降量; Lx为①②原始间隙距离;ΔL、为①②之间的间隙增量。

                 图3混凝土板块间距变化后结构受力及变形情况

4结构受力分析

4.1相邻混凝土板块产生拉开或收缩。

    三角形为等腰三角形，下顶角C为90°。当2块相邻的混凝土板块间距产生拉开或收缩时,结构受力及变形情况见图3。当2块相邻的混凝土板间距产生变化时,水平方向产生间隙增量△Lx.三角区内的填料会在车辆荷载的作用下向下移动,即三角区内填料沿2个侧边向下滑移,同时三角区顶面向下平移。由于三角区内填料的整体下移,造成顶面产生在垂直方向变化的空隙,即下移增量△H。。根据三角形角度关系,有△H=1/2ΔL在车辆荷载的作用下,其上面层沥青混凝土会随之产生向下的弯曲,形成凹状变形以便填补空隙。由于三角区顶面宽度同时也是沥青混凝土面层弯曲变形时可以利用的长度区间L，因此只要L足够大,即可满足沥青混凝土在该长度范围内产生弯曲变形而不开裂的条件。

如果在三角区内表面喷洒黏合油,当板块间隙增大时,三角区内填料不会向下产生滑移,只会产生弹塑性变形,上表面会出现凹状弯曲,其上的沥青混凝土亦随之发生弯曲,但在此情况下沥青混凝土发生的弯曲变形量要小于三角形内表面涂蜡做滑移的情况,其弯曲变形时在三角区底角处也能柔和过渡,避免应力集中,受力条件更好。但是,此种情况对三角区内的填料性能要求更高。

4.2相邻混凝土板产生上下错动。

    当2块相邻的混凝土板块产生上下错动时，结构受力及变形情况见图4。当2块相邻的混凝土板间隙不变，只产生上下错动时,如图4中右侧板块向上位移△H.三角区内的填料会产生向左的水平方向的位移，以适应变化。而三角区内的填料非刚性体,又有车辆荷载在其上作用。此时三角区顶面边AB会发生倾斜,由原来的水平状态变为A点低,B点高的斜面。即在△ACB 中.A点未动,B点上升到B'点，C点左移到C点。顶面产生的斜率为△H./Lp,只要沥青混凝土材料能够适应该斜率的弯曲变形而不开裂即可满足要求。

如果在三角区内表面喷洒黏合油,当板块之间产生垂直位移时,三角区内填料不会产生滑移,三角区右边受压应力,左边受剪切,只会产生弹塑性变形,对三角区下顶角的材料要求更为苛刻。但是.如果在下顶角位置留有一定空隙(切角)或安置直径大于△H 及 L+△L 的滚珠(小粒径卵石),便能很好地适应板块间的各种位移变化。

4.3相邻混凝土板产生翘曲。

    当2块相邻的混凝土板产生翘曲时,结构受力及变形情况见图5对加铺层沥青混凝土材料来说,受压好于受拉,因此只做受拉情况分析。当2块相邻的混凝土板相对发生左板逆时针、右板顺时针转动时.三角区顶面材料与其上的沥青混凝土材料同时受拉应力作用.扭转偏角为α时,对沥青混凝土面层带来△Lp=2Htanc的水平方向拉开距离增量。即A点左移到A’.B点右移到 B,C点分别被拉开到左右 C'点位置。只要沥青混凝土材料在L距离内,产生△L,拉伸量而不开裂即可满足要求。

5具体实施方式

    阻隔路面加铺层反射裂缝的嵌挤组装式混凝土砌块道路结构,其特征在于:在相邻预制块的接缝处的上缘做切角处理(新板块预制或旧板块切割),形成三角形空腔,然后在三角区内喷黏合油,再将配置好的高黏沥青卵石混合料填入三角区中,使三角区上表面与混凝土板块平齐，即完成该结构安置。混凝土板块上照常规铺设沥青混凝土加铺层,并碾压。

6 结语

    该结构通过设置应力吸收三角区改变面层材料受力形式的方法避免加铺层反射裂缝的产生,不但为既有混凝土路面改造提供了不同的技术解决途径，而且为新建道路沥青混凝土路面组合设计开拓了刚性基层结构的选择。

参考文献:

[1]朱冀军.白改黑试验段情况总结及方案研究[J].山西建筑.2010,36(24)287-289.

[2]米建朝.水泥混凝土路面填缝材料拉伸变形力学模型[J]路基工程.2008(6):135-136.

[3]寿崇琦,尚盼,康杰分,等.水泥混凝土路面填缝材料的抗疲劳老化性能研究门.公路2007(6):172-174

[4]龙丽琴,张东长,贾学明.超薄水泥混凝土加铺层界面黏结性能研究[1].公路,2012(3)89-92

[5]孙巍.寒区水泥混凝土路面填缝材料的选取[1].黑龙江交通科技,2005(9):66-67.