三、阻隔路面加鋪層反射裂縫的結(jié)構(gòu)

郭 高,劉秀麗,李敬成

(長(zhǎng)春市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,吉林長(zhǎng)春130033)

（2014-01-10??? 發(fā)表于《市政技術(shù)》）

【摘要】在以往的舊水泥混凝土路面改造項(xiàng)目中,一般采用設(shè)置應(yīng)力吸收層的辦法來(lái)防治反射裂縫，例如用Trupave 聚酯玻纖布鋪設(shè)在混凝土板頂面，采用壓漿加鋪，把原有混凝土板碎化后作為基層等。但是，這些措施屬于全路幅的無(wú)差別改造，由于某些情況下反射裂縫影響面積僅占道路總面積的3%~5%，如果采用全面積防治，不僅會(huì)造成改造效果不佳。而且工程造價(jià)奇高。提出1種僅針對(duì)反射裂縫的改造方案,通過(guò)在2塊相鄰的混凝土板接縫處的上邊緣設(shè)置三角區(qū),在其中填充具有足夠韌性變形能力，并且能夠適應(yīng)路面環(huán)境溫度及車輛荷載的材料，即采用應(yīng)力形式轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)和應(yīng)變自適應(yīng)材料來(lái)解決反射裂縫問(wèn)題。該結(jié)構(gòu)是最新專利技術(shù)，具有新理念、新結(jié)構(gòu)、新工藝的特性,是與《嵌擠混凝土預(yù)制塊基礎(chǔ)

結(jié)構(gòu)》配套的關(guān)鍵技術(shù)之一。

【關(guān)鍵詞】路面結(jié)構(gòu);舊水泥混凝土路面;反射裂縫;應(yīng)變?nèi)菂^(qū);轉(zhuǎn)變應(yīng)力形式;應(yīng)變自適應(yīng)材料

1技術(shù)背景

??? 在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青混凝土面層是改善原有路面使用性能,提高承載能力的有效措施。其中,反射裂縫的防治一般通過(guò)改善加鋪層抗裂能力來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如:成綿高速公路“白改黑”工程采用SBS 改性瀝青瑪蹄脂碎石SMA-13;成渝高速公路“白改黑”工程更是采用壓漿加鋪、共振碎石化，以及Trupave 聚酯玻纖布、熱熔式SBS卷材方案等多種對(duì)比方案[1]。盡管各方案適用范圍不同，效果差別很大，但都具有全路幅無(wú)差別改造的特點(diǎn)。這類無(wú)差別改造并不適用于舊有路面強(qiáng)度較高,技術(shù)狀況等級(jí)在“中”以上,僅需防治道路縱、橫及施工縫位置反射裂縫的情況。此時(shí)裂縫影響的面積僅占道路全面積的3%~5%，如果不突出重點(diǎn),而做全面積防治,可能導(dǎo)致出現(xiàn)防治效果差效費(fèi)比低的結(jié)果。

??? 筆者提出阻隔路面加鋪層反射裂縫的結(jié)構(gòu)，是采用應(yīng)力模式轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)和自適應(yīng)材料來(lái)解決反射裂縫問(wèn)題,利用該結(jié)構(gòu)建立相鄰混凝土板之間及混凝土板與上面層之間的柔性(相對(duì)于剛性)過(guò)渡,轉(zhuǎn)換受力性質(zhì)并緩解由于板塊間位移產(chǎn)生的應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而阻隔反射裂縫的發(fā)生[2]。該項(xiàng)專利技術(shù)的開(kāi)發(fā),是為了解決《混凝土砌塊組裝式道路結(jié)構(gòu)》和《嵌擠混凝土預(yù)制塊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)》實(shí)用新型技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中遇到的加鋪層反射裂縫問(wèn)題。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

??? 混凝土路面加鋪層產(chǎn)生反射裂縫的根本原因是當(dāng)基層相鄰混凝土板塊發(fā)生平面拉開(kāi)、垂直上下錯(cuò)動(dòng)、翹曲扭動(dòng)時(shí).傳遞給上面層剪、拉、彎、扭力,而相鄰2塊混凝土板之間的間隙寬度十分有限,在如此短的距離(間隙)內(nèi),瀝青混凝土面層參與抵抗拉伸或剪切的材料數(shù)量過(guò)少.不足以通過(guò)變形來(lái)抵抗外力,最終由于外力超過(guò)材料的屈服極限導(dǎo)致材料被剪斷或拉斷(見(jiàn)圖 1)。

如果能夠通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的方式轉(zhuǎn)變?yōu)r青混凝土面層的受力性質(zhì),化剪應(yīng)力為彎曲應(yīng)力,并通過(guò)增加參與受拉彎材料的數(shù)量,使材料性能恰好能夠適應(yīng)變形產(chǎn)生的外力,則可以避免裂縫的產(chǎn)生。

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

??? 在2塊相鄰的混凝土板接縫處的上邊緣,設(shè)置1對(duì)三角區(qū)(切掉上角),形成1個(gè)斷面為頂角在下方的三角形[3]。三角區(qū)上表面與瀝青混凝土面層底面接觸，2個(gè)側(cè)邊分別屬于相鄰的2塊混凝土板，下頂角恰好在板塊接縫處。在該三角區(qū)域內(nèi),填充具有足夠韌性變形能力、并且能夠適應(yīng)路面環(huán)境溫度及車輛荷載的材料,例如:SBS改性瀝青瑪蹄脂碎石"、Trupave 聚酯玻纖布、高黏瀝青11.4-5]拌和小粒徑碎石以及能夠滿足該填充料使用要求的其他單一或混合材料。具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

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?????? a)原始狀態(tài)???? ???b)混凝土板產(chǎn)生收縮?????? c)混凝土板產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)位

注:①,②為混凝土板;③為瀝青混凝土面層;L為混凝土板的間隙，即橫縫、縱縫、施工縫;ΔH,為裂縫處垂直沉降量;ALx為①與②水平拉開(kāi)后的間隙增量。

????????????? 圖1混凝土板加鋪層結(jié)構(gòu)反射裂縫產(chǎn)生原因

???? 當(dāng)2塊相鄰的混凝土板因溫度變化發(fā)生膨脹或冷縮及因荷載產(chǎn)生震動(dòng)或翹曲時(shí),引起板塊之間的距離、相對(duì)高度、頂平面角度發(fā)生變化,三角區(qū)內(nèi)的填充材料在車輛荷載的作用下始終與三角區(qū)下表面(三角形的2個(gè)側(cè)邊)貼合,而三角區(qū)上部平面的寬度(即三角形的邊長(zhǎng))給其上的瀝青混凝土面層提供了適當(dāng)?shù)睦?、彎曲變形空間,由此避免反射裂縫引起的對(duì)瀝青混凝土面層的剪切應(yīng)力,即可避免反射裂縫的發(fā)生。

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注:①,②為混凝土板;③為瀝青混凝土面層;④為該專利結(jié)構(gòu)。

?????????????????? 圖2 緩解應(yīng)力的三角區(qū)結(jié)構(gòu)圖

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注:L為三角區(qū)頂平面變化;ΔH,為三角區(qū)垂直沉降量; Lx為①②原始間隙距離;ΔL、為①②之間的間隙增量。

???????????????? 圖3混凝土板塊間距變化后結(jié)構(gòu)受力及變形情況

4結(jié)構(gòu)受力分析

4.1相鄰混凝土板塊產(chǎn)生拉開(kāi)或收縮。

??? 三角形為等腰三角形，下頂角C為90°。當(dāng)2塊相鄰的混凝土板塊間距產(chǎn)生拉開(kāi)或收縮時(shí),結(jié)構(gòu)受力及變形情況見(jiàn)圖3。當(dāng)2塊相鄰的混凝土板間距產(chǎn)生變化時(shí),水平方向產(chǎn)生間隙增量△Lx.三角區(qū)內(nèi)的填料會(huì)在車輛荷載的作用下向下移動(dòng),即三角區(qū)內(nèi)填料沿2個(gè)側(cè)邊向下滑移,同時(shí)三角區(qū)頂面向下平移。由于三角區(qū)內(nèi)填料的整體下移,造成頂面產(chǎn)生在垂直方向變化的空隙,即下移增量△H。。根據(jù)三角形角度關(guān)系,有△H=1/2ΔL在車輛荷載的作用下,其上面層瀝青混凝土?xí)S之產(chǎn)生向下的彎曲,形成凹狀變形以便填補(bǔ)空隙。由于三角區(qū)頂面寬度同時(shí)也是瀝青混凝土面層彎曲變形時(shí)可以利用的長(zhǎng)度區(qū)間L，因此只要L足夠大,即可滿足瀝青混凝土在該長(zhǎng)度范圍內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形而不開(kāi)裂的條件。

如果在三角區(qū)內(nèi)表面噴灑黏合油,當(dāng)板塊間隙增大時(shí),三角區(qū)內(nèi)填料不會(huì)向下產(chǎn)生滑移,只會(huì)產(chǎn)生彈塑性變形,上表面會(huì)出現(xiàn)凹狀彎曲,其上的瀝青混凝土亦隨之發(fā)生彎曲,但在此情況下瀝青混凝土發(fā)生的彎曲變形量要小于三角形內(nèi)表面涂蠟做滑移的情況,其彎曲變形時(shí)在三角區(qū)底角處也能柔和過(guò)渡,避免應(yīng)力集中,受力條件更好。但是,此種情況對(duì)三角區(qū)內(nèi)的填料性能要求更高。

4.2相鄰混凝土板產(chǎn)生上下錯(cuò)動(dòng)。

??? 當(dāng)2塊相鄰的混凝土板塊產(chǎn)生上下錯(cuò)動(dòng)時(shí)，結(jié)構(gòu)受力及變形情況見(jiàn)圖4。當(dāng)2塊相鄰的混凝土板間隙不變，只產(chǎn)生上下錯(cuò)動(dòng)時(shí),如圖4中右側(cè)板塊向上位移△H.三角區(qū)內(nèi)的填料會(huì)產(chǎn)生向左的水平方向的位移，以適應(yīng)變化。而三角區(qū)內(nèi)的填料非剛性體,又有車輛荷載在其上作用。此時(shí)三角區(qū)頂面邊AB會(huì)發(fā)生傾斜,由原來(lái)的水平狀態(tài)變?yōu)锳點(diǎn)低,B點(diǎn)高的斜面。即在△ACB 中.A點(diǎn)未動(dòng),B點(diǎn)上升到B'點(diǎn)，C點(diǎn)左移到C點(diǎn)。頂面產(chǎn)生的斜率為△H./Lp,只要瀝青混凝土材料能夠適應(yīng)該斜率的彎曲變形而不開(kāi)裂即可滿足要求。

如果在三角區(qū)內(nèi)表面噴灑黏合油,當(dāng)板塊之間產(chǎn)生垂直位移時(shí),三角區(qū)內(nèi)填料不會(huì)產(chǎn)生滑移,三角區(qū)右邊受壓應(yīng)力,左邊受剪切,只會(huì)產(chǎn)生彈塑性變形,對(duì)三角區(qū)下頂角的材料要求更為苛刻。但是.如果在下頂角位置留有一定空隙(切角)或安置直徑大于△H 及 L+△L 的滾珠(小粒徑卵石),便能很好地適應(yīng)板塊間的各種位移變化。

4.3相鄰混凝土板產(chǎn)生翹曲。

??? 當(dāng)2塊相鄰的混凝土板產(chǎn)生翹曲時(shí),結(jié)構(gòu)受力及變形情況見(jiàn)圖5對(duì)加鋪層瀝青混凝土材料來(lái)說(shuō),受壓好于受拉,因此只做受拉情況分析。當(dāng)2塊相鄰的混凝土板相對(duì)發(fā)生左板逆時(shí)針、右板順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí).三角區(qū)頂面材料與其上的瀝青混凝土材料同時(shí)受拉應(yīng)力作用.扭轉(zhuǎn)偏角為α?xí)r,對(duì)瀝青混凝土面層帶來(lái)△Lp=2Htanc的水平方向拉開(kāi)距離增量。即A點(diǎn)左移到A’.B點(diǎn)右移到 B,C點(diǎn)分別被拉開(kāi)到左右 C'點(diǎn)位置。只要瀝青混凝土材料在L距離內(nèi),產(chǎn)生△L,拉伸量而不開(kāi)裂即可滿足要求。

5具體實(shí)施方式

??? 阻隔路面加鋪層反射裂縫的嵌擠組裝式混凝土砌塊道路結(jié)構(gòu),其特征在于:在相鄰預(yù)制塊的接縫處的上緣做切角處理(新板塊預(yù)制或舊板塊切割),形成三角形空腔,然后在三角區(qū)內(nèi)噴黏合油,再將配置好的高黏瀝青卵石混合料填入三角區(qū)中,使三角區(qū)上表面與混凝土板塊平齊，即完成該結(jié)構(gòu)安置。混凝土板塊上照常規(guī)鋪設(shè)瀝青混凝土加鋪層,并碾壓。

6 結(jié)語(yǔ)

??? 該結(jié)構(gòu)通過(guò)設(shè)置應(yīng)力吸收三角區(qū)改變面層材料受力形式的方法避免加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生,不但為既有混凝土路面改造提供了不同的技術(shù)解決途徑，而且為新建道路瀝青混凝土路面組合設(shè)計(jì)開(kāi)拓了剛性基層結(jié)構(gòu)的選擇。

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