旧沥青路面改造结构抗裂力学响应与设计研究

李 欣，王秋敏，黄 慧，3，4

(1.广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029；
2.广西交科集团有限公司，广西 南宁 530007；
3.广西壮族自治区公路隧道安全预警工程研究中心，广西 南宁 530007；
4.广西道路结构与材料重点实验室，广西 南宁 530007)

沥青路面是公路路面结构的重要形式之一[1]。虽然沥青路面修筑技术和修筑质量逐年提高，但由于受恶劣的气候和交通荷载条件影响，部分路段车辆超载严重，加之优质沥青等原材料缺乏等原因，沥青路面的早期损害、路面开裂、车辙、沉陷等问题仍尤为突出，对绿色环保与经济适用型旧沥青路面加铺改造结构的探讨研究迫在眉睫，其中，如何选择适合的旧沥青路面加铺改造方案显得尤其重要[2-3]。本文针对旧沥青路面病害处治后加铺改造结构，基于断裂学理论对比研究了三种不同结构抗裂性能的力学响应特征，可为旧沥青路面病害处治后加铺改造结构的适用性与合理性选择提供技术参考。

本文对旧沥青路面直接加铺改造、设置水泥稳定碎石基层、设置级配碎石基层三种不同加铺改造结构的使用状况进行了调查研究。

1.1 使用性能调查研究

本文选取了三条具有代表性公路的路段进行了路况调研，其综合信息如表1所示，现场路况如图1所示。路段综合信息和现场路况调查表明：旧沥青路面加铺级配碎石基层结构路面状况最好，而旧沥青路面直接加铺结构路面状况最差，旧沥青路面加铺水泥稳定碎石基层结构路面状况易出现反射裂缝等病害。

表1 三种不同加铺改造结构路段综合信息调查表

图1 三种不同加铺改造结构路况调查现场对比图

1.2 病害调查研究

本文对这3条代表性公路典型路段进行了弯沉测试，并钻取面层芯样进行了芯样空隙率和强度测试。试验结果如表2所示。

表2 三种不同加铺改造结构路段弯沉、面层芯样空隙率和强度试验结果对比表

在调查中发现，大部分旧沥青路面开裂较多，包括反射裂缝、龟裂、块裂等。在实体工程中发现，若直接加铺或加铺水泥稳定碎石基层后再加铺沥青面层，新加铺沥青面层运营后不可避免地出现开裂，而加级配碎石层再加铺沥青面层却很少出现裂缝，这说明旧沥青路面加级配碎石层后再加铺沥青面层结构具有良好的抗裂性能。本文基于断裂学理论，以裂缝尖端的剪切应力和断裂强度因子为指标研究计算了三种不同结构的抗裂性能。计算模型和参数如表3所示。

表3 旧沥青路面加铺改造结构模型与参数表

2.1 旧沥青路面加铺改造结构裂缝尖端剪切应力分析

剪切应力指标：不设过渡层，直接加铺沥青面层的结构(结构1)在旧沥青路面裂缝处产生了很大的剪切应力，而加铺了水泥稳定碎石基层和级配碎石过渡层的两种结构(结构2、结构3)裂缝处的剪切应力峰值明显减小，并且这种垂直型的剪切应力荷载敏感性很强，随荷载增大而增大。详见图2～5。

图2 不同路面结构裂缝尖端竖向剪应力对比柱状图

图3 结构1裂缝尖端竖向剪应力云图

图4 结构2裂缝尖端竖向剪应力云图

图5 结构3裂缝尖端竖向剪应力云图

2.2 旧沥青路面加铺改造结构裂缝尖端应力强度因子分析

在荷载作用下，裂缝处的应力强度因子大小依次为：直接加铺沥青面层(结构1)>加水泥稳定碎石基层后加铺沥青面层(结构2)>加级配碎石后加铺沥青面层(结构3)，且结构1的应力强度因子远大于结构2、结构3的应力强度因子。从开裂趋势来看，加级配碎石后加铺沥青面层(结构3)抗裂最好，直接加铺沥青面层(结构1)抗裂最差。结构2除可能会因荷载作用引起开裂外，其本身的温缩也是开裂的重要原因，因此在荷载作用、温缩作用的综合作用下，结构2水泥稳定碎石基层开裂的可能性较大，而且基层开裂后会逐步反射至沥青罩面层，这也是在加水泥稳定碎石过渡层后加铺沥青面层结构出现较多反射裂缝的主要原因[4]。详见图6。

图6 不同路面结构裂缝尖端的剪切型应力强度因子柱状图

由图6可知：当旧沥青路面开裂较多且交通量较大时，若直接加铺沥青面层，原有的旧路面裂缝很容易向上扩展至新加铺面层。若加铺水泥稳定碎石基层后再加铺沥青面层，旧裂缝会在新基层底产生应力集中，且水泥稳定碎石基层本身在荷载和温缩作用下易开裂，使新基层在旧路裂缝和本身因素共同作用下而开裂，并逐步扩展至新加铺面层形成反射裂缝。而加铺级配碎石层具有良好的抗裂性能，级配碎石本身是一种多孔散体材料，能很好地消耗掉旧裂缝向上传递的开裂能，且级配碎石层是一种“遇强则强”的材料，旧沥青路面整体稳定性较好，承载力较高，从而能表现出良好的承载能力。因此，加铺级配碎石层既能提高路面结构整体承载力，又能表现出良好的抗裂能力[5-6]。

综上所述，针对上述不同沥青罩面结构的受力特点及不利应力分布位置、结构层材料自身特性，并且结合不同过渡层类型的力学响应特点，尤其是抗裂性能，在“黑改黑”加铺沥青面层结构中，针对加铺沥青面层的受力情况，建议针对旧沥青路面路况采用不同加铺结构：

(1)旧沥青路面路况良好时，无明显的结构病害，经病害处治后，可采用直接加铺4～7 cm沥青罩面层。

(2)旧沥青路面路况较差时，经病害处治后，建议先加铺15～20 cm级配碎石层进行过渡，然后再加铺7～9 cm沥青罩面层；
重载交通时可适当提高沥青罩面层厚度至10 cm，采用15～20 cm级配碎石层+10 cm左右的沥青罩面层。

本文通过计算分析旧沥青路面碎石化后加铺三种不同结构型式的沥青罩面结构力学响应，并结合实际工程应用情况，得到如下结论：

(1)从对旧沥青路面直接加铺改造、设置水泥稳定碎石基层、设置级配碎石层三种不同加铺改造结构使用状况的现场调查研究发现：旧沥青路面加铺级配碎石基层结构路面状况最好，旧沥青路面直接加铺结构路面状况最差，旧沥青路面加铺水泥稳定碎石基层结构路面状况已出现反射裂缝等病害。

(2)基于断裂学理论，以裂缝尖端的剪切应力和断裂强度因子为指标，计算研究三种不同结构的抗裂力学响应特征发现：旧沥青路面加铺级配碎石基层结构具有良好的抗裂性能，旧沥青路面直接加铺结构的抗裂性能最差，旧沥青路面加铺水泥稳定碎石基层结构容易出现反射裂缝。