设沥青夹层水泥混凝土路面早龄期力学行为与作用效应研究

王丽娟,胡昌斌

(福州大学土木工程学院,福建,福州 350108)

摘 要:基于水泥混凝土路面早龄期三维有限元力学分析程序,对设沥青夹层面板结构早龄期阶段力学行为和性状形成的结构效应、沥青夹层效应进行了研究。研究发现,早龄期阶段固化温度、混凝土的徐变和硬化历程与环境场叠加作用,会引起面板更大的早期板角翘曲和脱粘,以往传统分析理论忽略了此方面影响。设沥青夹层结构比无夹层直接加铺路面脱粘面积小、翘曲变形更大。沥青夹层面板早龄期增大翘曲、脱粘的结构效应与特定重载交通共同作用下可能产生对路面板疲劳寿命不利的影响。对设沥青夹层加铺结构建议采用刚度较大的基层,夹层厚度宜在30 mm以内,沥青夹层混合料模量宜选低值。

关键词:道路工程;水泥混凝土路面;沥青夹层;早龄期;翘曲;脱粘

研究显示[1―3],水泥混凝土路面性能与板底界面、支撑条件关系密切。一些地区路面为提高承载能力设置刚性贫混凝土基层,但实践显示,贫混凝土基层的刚性界面会诱发路面板更多的脱空和板角断裂[4]。在这样情况下,近年来国内外大量学者提出设置沥青功能夹层的方法,认为沥青夹层可以发挥其包容变形特性、降低温度应力,并可以缓冲减震,进而可提高水泥混凝土路面的结构与使用性能[5―10]。如余四新、范莹莹等[8―9]研究显示,设沥青夹层可以降低温度应力 16%~21%。刘许峰[10]发现沥青夹层可降低面板动应力17%~24%。

目前国内外已开展了大量设置沥青夹层的水泥混凝土路面结构建设,并对已开放交通的路面进行长期跟踪调查[4―6,11―12]。观察显示,设置沥青夹层后很多路面使用状况得到了明显改善[5―6],但也发现一些路段仍然出现过早病害[4,11―12]。美国Illinois交通部在Galesburg的I-74公路上加铺设沥青夹层水泥混凝土路面,观察发现通车6年后该路段出现了大量横缝[11]。2008年施工人员在Minnesota州TH53路段施工了9.1英里的设沥青夹层水泥混凝土路面,经过两次路面普查显示,加铺路段存在约40条横缝,严重裂缝占7%[12]。国内广西南宁贫混凝土基层上设置沥青封层的混凝土加铺层病害状况的调查发现,该路段通车4年后,断板率达 26.5%,破坏明显[4]。作者对福建省漳州市省道 S208极重载路段进行了跟踪调查,观察显示设置沥青夹层面板的两公里试验路施工两年后出现横向裂缝的板块数量即达到了 10%,破坏模式复杂。

一直以来,水泥混凝土路面行为分析理论不能考虑各因素在施工阶段的影响,也不能考虑施工阶段性状对长期性能的影响,直接导致施工、材料、结构设计三者分离。近年来早龄期理论研究发现,路面板铺筑后的前 96小时龄期内,由于不均匀的温湿度场、施工环境、水泥水化、边界以及自重条件的约束,路面板会形成特定的初始性状(缝宽、支撑状态、翘曲、残余应力)[13―15],这些初始性状会显著影响路面的服役性能,甚至诱发复杂破坏模式。同时以固化翘曲等早龄期性状参数为中间纽带,可以将施工、材料、结构设计联系在一起,显示出重要的理论分析和实践指导价值。

从早龄期影响来看,设置沥青夹层对面板与基层之间起了结构间断的作用,这些变化也可能带来水泥混凝土路面早龄期行为和固化性状的改变,进而对路面板早龄期行为及后期使用性能发挥影响,但此方面的影响机制目前尚未揭示。鉴于早龄期分析理论新的角度和设置沥青夹层水泥混凝土路面结构目前行为的复杂表现,本文拟从早龄期理论出发,对设沥青夹层面板结构早龄期力学行为和性状形成过程的结构效应、沥青夹层效应进行研究,并对沥青夹层早龄期阶段与服役阶段力学作用的共同效应及其影响开展综合分析。

1 计算方法与工况设计

1.1 计算分析方法

研究分析采用路面板三维早龄期力学行为有限元仿真程序,该程序在福州大学自编早龄期面板仿真程序FZU-JPES程序[16]基础上,将路面模型扩展至全面板,增加夹层结构编制而成。

程序主要由4个主要功能模块组成:1) 路面早龄期温度场仿真模块(FZUJPET),采用 MATLAB软件编制[17];2) 路面早龄期湿度场仿真模块(FZUJPEM),采用MATLAB软件编制[18];3) 路面早龄期力学计算主程序(FZU-JPES),采用Microsoft Visual Studio 2008编译器,采用Fortran语言编制,主要考虑早龄期徐变、边界约束与基层接触界面的作用[19];4) 模型前后处理模块(FZUPCL),采用MSC.PATRAN程序编制。

1.2 结构工况设计与材料参数

分析对比水稳基层与贫混基层设沥青夹层以及水稳基层直接加铺、旧板结合式加铺共4类结构工况,有无夹层面板结构型式描述如图1。

图1 混凝土加铺层结构设计
Fig.1 Structure design of concrete overlay

不同面板加铺结构的层间接触模型与参数取值如表1[20―21]。结合式加铺仍然考虑面板-旧板接触界面法向拉压刚度的不同和界面脱开的可能性。路面结构与材料的计算参数如表 2。由于沥青材料在环境场长期慢性加载下具有材料蠕变、应力松弛的粘性效应,为了反映此方面影响,对模量取较低值100 MPa[22]

1.3 早龄期参数模型与取值

1) 固化温度、早龄期温度场与终凝时刻

“固化温度”是一个重要的早龄期性状参数,水泥混凝土路面铺筑往往是在一年中温暖或高温月份的白天施工,此时由于高的气温和太阳辐射,板顶混凝土温度往往比板底高,在这样的温度梯度下凝固,平整的板并没有对应零温度梯度,而往往对应一个正的温度梯度,随后在实际的零温度梯度下,板会向上翘曲而不是平的,这样一个有影响的负温度梯度就固化到板中了[13―14](Built-in temperature gradient),此即为固化温度的概念。目前早龄期理论在传统环境温度荷载计算的基础上,叠加考虑早龄期的固化温度影响,固化温度梯度可取面板终凝温度梯度负值。

表1 层间接触模型与参数
Table 1 Interlayer contact models and parameters

表2 路面结构与材料参数
Table 2 Pavement structure and material parameters

根据文献[23]计算,设沥青夹层面板与无夹层加铺面板早龄期温度场差别在 1℃范围内,为简化分析,暂不考虑不同结构的早龄期温度场特性差异。

研究显示[24],高温夏季早上是较不利的施工时段,因此选取不利的高温炎热夏季上午8:00施工面板的早龄期温度场作为环境场荷载,如图 2。面板终凝时刻取为铺筑后6小时。考虑施工早龄期内面板通常处于湿度饱和养护期,程序计算过程暂不考虑湿度干缩影响。

图2 面板早龄期温度场
Fig.2 Early-age temperature profile of slab

2) 混凝土徐变与徐变系数

早龄期阶段,环境荷载作用下的面板翘曲变形和应力由于徐变将发生较大松弛,考虑早龄期徐变对面板行为的影响十分必要。程序计算早龄期徐变系数依据面板28 d弹性模量取值[25],见表3。

表3 有限元模型徐变参数
Table 3 Creep parameters of finite element model

3) 混凝土硬化与早龄期模量发展

混凝土的硬化过程将影响面板早龄期变形与应力发展,应考虑早期模量增长对面板力学性能的影响。对早龄期弹性模量采用ACI-209模型[26]

1.4 单元类型与尺寸

参考Lee[20]等对早龄期刚性路面板的数值仿真研究,模型单元采用C3D8单元。同时基于模型网格划分收敛性计算结果,权衡计算精度与计算效率要求,平面单元尺寸确定为180 mm× 200 mm。

考虑面板厚度方向温度场的非线性分布特征,程序在面板浅部采用细化网格,网格单元厚度为2 cm,在面板中部和底部网格单元厚度取为4 cm。两类混凝土路面典型结构有限元模型见图3。

图3 面板结构有限元模型
Fig.3 Finite element model of pavement structure

1.5 分析工况设计

从两方面开展沥青夹层早龄期作用效应研究:1) 设沥青夹层加铺面板结构的早龄期作用效应,具体包括早龄期固化温度、徐变、早期模量渐变效应等。2) 早龄期阶段与其它不同界面相比,沥青夹层对面板早龄期行为的特殊影响效应。分析工况如表 4。其中以水稳基层设沥青夹层加铺工况作为设夹层加铺结构早龄期历程效应的主要分析对象,以不考虑固化温度、徐变、早期模量渐变的计算工况(C3)为基准工况。

表4 分析工况设计
Table 4 Design of analysis cases

拟分别从面板的竖向位移、翘曲、脱粘面积比例、最大拉应力等方面进行早龄期全时程演变行为分析与对比。此处脱粘节点指的是面板底面与基层顶面张开位移大于0 mm的节点,采用脱粘单元节点数与界面总结点数比代表面板的脱粘面积比例。

2 沥青夹层面板结构早龄期历程效应

2.1 面板早龄期位移与翘曲性状

分析显示,面板早龄期阶段有不同的翘曲形态。除了主要的“凹型”和“凸型”翘曲之外(如图 4(a)、图 4(b)),不同于服役期,早龄期阶段还存在从“凹型”向“凸型”转换过程中在对角线 1/4板位凸起的过渡阶段亚类[19]

图4 面板翘曲形状示意图
Fig.4 Diagram of slab curling

图5、图6分别给出了设沥青夹层面板早龄期的位移与翘曲发展特征。图中横坐标刻度的整数代表那一天凌晨的00:00点,例如“1”代表面板施工铺筑后第一个凌晨 00:00,下同。图 6中翘曲量是指观察点与板中的竖向位移差,翘曲量为正值指观察点向上翘曲,为负值则指板中隆起。

图5 设沥青夹层面板早龄期竖向位移
Fig.5 Early-age vertical displacement of pavement with asphalt interlayer

图6 设沥青夹层面板早龄期翘曲量
Fig.6 Early-age curling of pavement with asphalt interlayer

根据面板翘曲形状的特征,从图5(a)、图5(b)、图5(c)板角、板对角线1/4位置、板中竖向计算位移联合分析可观察到面板在不同时刻表现出不同的翘曲状态:

1) 当板角竖向位移大于板中时,对应面板“凹型”翘曲,如图中的施工后第1天凌晨00:00;

2) 当板角竖向位移小于板中时,面板呈“凸型”翘曲,如图中的施工后第4天正午12:00;

3) 当板角与板中的竖向位移均小于板对角线1/4板中位置位移时,面板呈1/4板位凸起翘曲,如图中的施工后第2天正午12:00。

对比板不同位置早龄期位移与翘曲特征发现:

1) 早龄期前 7天各特征点向上位移日峰值均随龄期呈增大趋势。考虑固化温度、徐变的影响发现,施工后前3天面板各点向上位移减小,施工3天以后面板的板中、1/4板中向上位移减小,但面板板角向上位移增大。至第7天,固化温度、徐变与早期弹性模量渐变的联合效应总体减小面板施工后板中向上位移,但增大板角向上位移。

2)“凹型”翘曲时板角翘曲量和“凸型”翘曲时板中相对板角的隆起量日峰值均随龄期呈增大趋势。夏季上午施工工况下,固化温度、徐变显著减小面板施工前3天板角翘曲与板中隆起量,施工3天以后则减小面板板中隆起,增大板角翘曲量,特别还会影响面板早期翘曲的形状特征。以图6中C1、C2为例,仅考虑早期模量渐变作用时,面板翘曲以“凹”、“凸”型为主,但当增加考虑固化温度与徐变影响,施工早期(施工后前 3天)仅发生“凹型”与1/4板中凸起翘曲。

2.2 面板结构早龄期脱粘与应力性状分析

图7为施工前7天特征时刻设沥青夹层面板早龄期脱粘面积比例特征。脱粘的位置与翘曲形态相关,正午时刻面板一般对应板中脱粘,凌晨时刻面板对应板角脱粘。图7可以看到,早龄期阶段面板板角、板中脱粘面积比例随龄期呈增大趋势。

夏季上午施工工况下,固化温度、徐变与早期弹性模量渐变的共同作用,总体上减小板中脱粘面积和施工前3天~6天面板板角脱粘。施工3天后,固化温度、徐变效应将增大面板板角脱粘面积。值得注意的是,由于计算早龄期温度场凌晨负温度差随龄期逐渐减小,基准工况板角脱粘逐渐减小。

图7 不同龄期下设沥青夹层面板早龄期脱粘面积比例
Fig.7 Early-age debonding areas ratio of pavement with asphalt interlayer at different ages

图8给出了设沥青夹层面板早龄期的最大拉应力发展。计算结果显示,早龄期阶段面板最大拉应力一天当中出现两个峰值,分别于凌晨(板顶中部)和正午时刻(板底中部),且早龄期阶段面板最大拉应力昼夜波动变化,日最大峰值随龄期总体呈增大趋势。早龄期固化温度、徐变、早期模量渐变的共同作用将减小面板早期拉应力。

图8 设沥青夹层面板早龄期最大拉应力
Fig.8 Early-age maximum tension stress of pavement with asphalt interlayer

图8中对比C2、C3工况可以看到,面板早期模量对面板应力影响十分显著,考虑早龄期低模量和渐变特性后面板应力显著减小,在施工后第一天峰值应力可减小96%。随着面板模量的逐渐增大,C2、C3应力计算差值逐渐减小。相比模量的作用,固化温度、徐变共同影响也将显著减小面板最大拉应力,第7天峰值应力约减小38%。

2.3 固化温度、徐变、模量三因素影响特性与效应

综合来看,由于早龄期阶段混凝土的逐渐硬化,面板位移、翘曲、脱粘、应力总体随龄期呈增大趋势。早龄期阶段面板的固化温度、混凝土的徐变和硬化历程叠加环境场的昼夜反复作用会对面板力学性状产生固化效应。

夏季高温季节早龄期固化温度、徐变、模量的联合作用主要有两个方面,一是减小面板较早龄期(一般为施工后前 3天)位移、翘曲量、脱粘,另一个是在施工3天~6天后,总体减小板中向上位移、板中隆起和正午时刻板中脱粘面积,增大面板板角向上位移、板角翘曲量和凌晨时刻板角脱粘面积。

分析认为,早龄期3天~6天前后固化温度、徐变、模量的联合作用特性不同的原因主要是:

1) 面板早期固化温度与环境温度加载产生的效应,在较早龄期由于混凝土材料模量低、徐变大会被很大程度松弛释放,因此位移、翘曲、脱粘面积均较小。

2) 施工3天后,混凝土材料模量逐渐增大、徐变效应也在减小,一方面位移、翘曲、脱粘面积会随模量增大而增大,同时由于夏季白天时间长、温度高,晚上负的温度梯度作用幅度较白天正温度梯度小且时间短,经过后续每天多次正负温度梯度加卸载记忆和徐变松弛叠加,会产生一个历程累积效应的总影响。观察发现,经过后续4天板的历程作用,最终面板后期总体呈现松弛了更多白天的正温度梯度作用,表现出增大面板板角位移、板角翘曲和脱粘,减小板中位移、板中隆起量和脱粘面积的早期特征。

分析固化温度、徐变与早期弹性模量渐变三因素各自的影响特性认为:

1) 固化温度作用特性为改变面板的起始基准温度,在后期与环境温度叠加,改变面板力学行为。以图5、图6工况为例,面板终凝时刻为下午15:00,面板终凝时刻温度为正温度梯度,则固化温度为负的温度梯度,叠加环境温度后整体增大面板板角翘曲,减小板中隆起量,改变最大应力峰值出现的时刻。

2) 徐变与较小的早期模量有松弛面板变形、应力、减小脱粘和翘曲的作用。同时由于每天环境温度正负的切换,徐变和模量一起还存在一个历程累积的改变作用效应,对面板早期固化性状的形成、后期力学行为的表现产生影响。

3) 混凝土的硬化及模量的早期增长,总体会导致面板变形、翘曲、脱粘、应力等力学性状整体随龄期有增大趋势。

3 早龄期沥青夹层作用特性与机制

3.1 早龄期阶段沥青夹层的作用特性

以下从翘曲变形、脱粘、应力三个方面,分析早龄期阶段水稳及贫混设沥青夹层、水稳直接加铺和旧板结合式加铺结构的工作特性区别。

1) 翘曲变形方面。水稳与贫混两类基层设沥青夹层加铺结构翘曲量级接近。设沥青夹层加铺相比直接加铺、结合式加铺结构早龄期板角翘曲量总体更大。相比之下与直接加铺差异较小,与结合式加铺差异较大,如图9第6天凌晨结合式结构板角翘曲量约为设沥青夹层的44%。

图9 不同加铺结构早龄期阶段板角翘曲量
Fig.9 Early-age curling at the corner of slab in different overlay structures

对比分析发现,夏季施工工况下,不同结构的早龄期效应均增大板角翘曲量,减小板中隆起,如图10。其中,水稳与贫混两类基层设沥青夹层加铺结构早龄期效应量级接近,且在此方面影响效应也最大,结合式加铺结构由于本身量级最小而最小,直接加铺居中。以第6天正午为例,计算显示,水稳与贫混基层设沥青夹层结构板中隆起减小量分别约为38%、40%,直接加铺结构约为32%。

2) 脱粘方面。早龄期阶段,水稳与贫混两类基层设沥青夹层加铺结构脱粘面积比例量级接近。设沥青夹层相比直接加铺结构,正午时刻与凌晨时刻脱粘面积均较小,与结合式加铺结构量级接近,如图11。

图10 固化温度和徐变对早龄期板角翘曲量的影响
Fig.10 Combined effect of built-in temperature and creep on early-age curling at the corner of slab

图11 不同加铺结构早龄期脱粘面积
Fig.11 Early-age debonding areas of different overlay structures

夏季上午施工工况下,不同结构固化温度和徐变对早龄期面板脱粘面积影响显示,设沥青夹层结构相比直接加铺效应更大,如图12。即总体更增大凌晨时刻、更减小面板正午时刻的脱粘面积。结合式加铺结构型式与直接加铺和设夹层类型的结构特性有很大不同,由于层间粘连的特性,早龄期效应使面板正午与凌晨时刻脱粘都减小,变化量级相比另外两种结构更小。

图12 固化温度和徐变对早龄期脱粘面积的影响
Fig.12 Combined effect of built-in temperature and creep on early-age debonding areas

3) 应力方面。早龄期阶段,不同加铺结构面板应力量级、发展规律接近。结合式加铺板应力总体较大一些,约为其他结构最大应力的 1.3倍,如图 13。夏季上午施工工况下,不同结构固化温度和徐变对早龄期面板应力的影响在时机和量级上差异也较小。

图13 不同加铺结构面板早龄期最大拉应力
Fig.13 Early-age maximum tension stress of slab in different overlay structures

3.2 沥青夹层早龄期效应的机制分析

从以上可以看到,沥青夹层对脱粘和翘曲的影响规律不同,一般是降低脱粘而增大翘曲,分析认为这与脱粘和翘曲性状产生的机制不同有关。

脱粘与支撑层模量有关,模量越低,包容变形能力越大,则脱粘越小。但板中隆起或板角翘曲量受温度和重力影响。温度加载一致条件下,脱粘区越小,重力影响区也越小,面板翘曲越大,翘曲大又将增大脱粘,脱粘和翘曲最终会平衡。一般来讲,夹层或基层模量越小,面板翘曲总体会更大。

在沥青夹层的工作机制方面,分析显示,沥青夹层在早龄期将跟随面板在水平及竖向发生较大的协同变形。如图14施工后第3天不同加铺结构夹层、基层顶面竖向和平面变形特征对比。图中竖向位移采用云图表达,平面位移采用矢量表达。图示面板横坐标为板宽4.5 m,纵坐标为板长5 m。

图14 不同加铺结构面板板底接触界面位移 /μm
Fig.14 Interface displacement at the bottom of slab in the different overlay structures

计算显示,相比直接加铺结构,沥青夹层竖向与水平向跟随面板变形量级均明显较大。相比结合式加铺结构基层,沥青夹层竖向跟随变形较小,而水平向跟随变形较大。以上说明,沥青夹层在早期体现出较强的柔性材料特质,这也是夹层减小面板脱粘的主要原因,翘曲量更大的间接原因。

3.3 夹层参数影响敏感性分析

分别变化夹层模量、厚度、夹层表面滑移刚度(采用固定弹性滑移距离,变化临界剪应力方法),研究夹层参数对面板早龄期板角翘曲和脱粘的影响敏感性,如表 5。结构和材料参数基准取值同表1~表 3。设定参数影响达到计算板角翘曲量或板角脱粘基准值的 10%以上为敏感,用“高”表示,影响在 4%~10%为“中”,低于 3%时认为敏感性“低”。

表5 夹层参数对早龄期面板行为影响敏感性
Table 5 Effect sensibility of interlayer parameters on concrete pavement early-age behaviors

(续表)

分析显示,夹层模量对面板板角翘曲及脱粘均影响显著,其次为夹层表面滑移刚度,夹层厚度影响较小。随着夹层模量减小、厚度增大,面板板角翘曲量逐渐增大,而板角脱粘面积则逐渐减小。

图 15为夹层模量与厚度对面板早龄期板角翘曲和脱粘的影响规律曲线。

图15 夹层参数影响特征
Fig.15 Effect characteristic of interlayer parameters

可以看到,夹层模量对板角翘曲量和脱粘存在明显的非线性影响特征。夹层模量对板角脱粘影响显著的区间为50 MPa~1000 MPa,对板角翘曲量影响显著的区间为 50 MPa~500 MPa。夹层厚度相比模量对面板翘曲与脱粘影响较小,厚度对板角翘曲量和脱粘各自影响的量级相当。

4 夹层早龄期与服役期综合影响效应

4.1 早龄期影响效应分析

早龄期阶段,设夹层结构面板位移、翘曲、脱粘、应力总体随龄期呈增大趋势。夏季施工工况下,早龄期固化温度、徐变、模量的联合作用显著减小面板应力,总体减小板中隆起量和正午时刻脱粘面积,增大板角翘曲和凌晨时刻脱粘面积。

可以看到,以上早龄期影响效应对服役阶段面板疲劳寿命的影响存在有利和不利两方面,早龄期效应使面板的早期应力减小,此为有利影响;而早龄期效应增大面板早期板角翘曲和脱粘,此为不利影响。对比传统的不考虑早龄期影响的路面板分析理论可以发现,这种不利影响过去被忽略了,虽然早期应力有减小,但以往基本不考虑此应力,因此综合来看,以往传统的计算方法将存在低估路面不利因素的风险。

早龄期阶段,结合式加铺的早龄期不利效应总体上是最小的,但此类路面施工复杂,且随着使用层间仍然会出现疲劳脱粘,特别是不规则的界面开裂会诱发面板出现快速断裂扩展。相比直接加铺结构,设沥青夹层结构脱粘更小,翘曲量更大,如表 6。按脱粘、翘曲和荷载的联合机制分析来看,脱粘减小对于面板受力改善更为有效和有利[13],翘曲量主要是影响不平整度,对疲劳的影响较小[27]。这表明,在存在同等不利早龄期结构效应下,设沥青夹层相比直接加铺对于抵消这种不利影响有利,且夹层模量越小效果越好。

表6 早龄期与服役期阶段设沥青夹层面板效应分析
Table 6 Effect analysis of pavement with asphalt interlayer at early age and service term

注:负号表示减小效应,正号表示增大效应。其中服役阶段数据采用表 4中不考虑固化温度、徐变、模量渐变作用的分析工况(C3、C6、C9、C12)的计算结果。表中数据采用第7天计算结果,正午为13:00时刻,凌晨为00:00。

4.2 服役阶段沥青夹层对结构的影响效应。

考虑到服役阶段车辆的瞬态荷载特性,对车辆荷载下的沥青夹层结构面板力学计算采用夹层模量 1200 MPa,其它结构和材料参数同表 2。计算显示:

1) 设沥青夹层加铺面板结构中,基层模量对面板车辆荷载应力有影响,基层模量越高,面板应力越小。标准轴载作用下,设沥青夹层结构中,基层模量从5000 MPa增至20000 MPa时,面板应力可减小6.5%。

2) 在旧板直接加铺结构中,考虑双层板温度梯度联合作用下,设置沥青夹层可显著降低加铺层应力。加铺层与旧板板顶板底温度差分别为-10℃和5℃时,设置沥青夹层可降低加铺层应力12%。

3) 已有研究显示,沥青夹层还具有减震、耗能特性,可减缓了车辆荷载对路面板的冲击与振动,提高路面板的疲劳寿命。研究显示[28],沥青夹层厚度从0 cm增至3 cm时,面板疲劳寿命可增大156倍。

4) 此外,表6显示,在服役阶段,设沥青夹层与直接加铺结构相比,面板脱粘面积更小,板角翘曲量更大,温度应力更小。

综合以上可以看到,设沥青夹层在服役期对面板疲劳寿命的影响也存在有利和不利两个方面。一方面是,沥青夹层的设置减小了面板脱粘与应力,此为有利影响;但另一方面,会增大面板板角翘曲量,从平整度角度此为不利影响。比较来看,面板平整度对荷载应力的影响较小[27],因此总体上,沥青夹层在服役期对面板疲劳寿命延长有利。

综合来看,沥青夹层的设置在服役阶段对面板疲劳寿命延长有利,相比直接加铺,可以补偿面板结构早龄期效应的不利。但值得注意的是,相比另外两种结构,沥青夹层结构在早龄期的增大板角翘曲和脱粘的不利效应更大,如表6加粗部分。在轻交通路段,这种效应对面板疲劳寿命的影响不会很显著,但如果在重载交通作用下,对面板疲劳寿命的折减将随着轴载越大而越严重,服役阶段因为设置沥青夹层而产生的有利作用能否对此方面充分补偿,需要综合分析。

4.3 设沥青夹层路面板复杂开裂分析与技术建议

从上分析可以看到,传统路面分析理论和计算不考虑早龄期的影响,将低估路面不利因素的影响作用和过早断板的风险,特别是重载交通严重路段。目前一些地区,设置沥青夹层的路面板仍然存在复杂病害,如距横缝1.5 m左右的横向断板、板角断裂等,可能与夏季施工面板板角早龄期翘曲脱空有关。

从上也可以看到,有一些结构设计的认识也需要进一步吸纳和考虑。例如,计算发现,设沥青夹层加铺面板结构基层模量对面板应力有影响,基层模量越高,面板应力越小。标准轴载作用下,设沥青夹层结构中,基层模量从 5000 MPa增至20000 MPa时,面板应力明显减小,由此显示在重载交通情况下,保证沥青夹层下面的基层有足够刚度十分重要。

通过对福建漳州设沥青夹层加铺实验路的观察发现,面板断板率发生较高的主要集中在桥头旧板破碎换填级配碎石及路基条件差地段。结合来看,路基刚度和强度、面板承载力保证、必要的板块厚度是抗重载的关键,在保证这些方面的前提下,再考虑使用沥青夹层才可能有提升路面性能的意义。

综合以上,对沥青夹层结构设计提出以下建议:

(1) 沥青夹层的功用发挥与其下面的基层刚度有关,建议重载交通下设夹层加铺结构尽量采用刚度较大的贫混凝土基层。极重载交通路段,沥青夹层的设置在服役阶段的有利作用,可能不一定能补偿面板早龄期历程效应引起的增大板角翘曲和脱粘的不利影响,建议通过减小板块尺寸、改善养护条件等减小早龄期翘曲。

(2) 从减小脱粘考虑,设计的沥青夹层模量应越低、厚度较大越好。综合上面提出的要保证基层支承有足够刚度的分析,同时考虑沥青夹层的能力吸收和减震特性,建议综合多方面因素和经济性,夹层厚度为30 mm以内、长时间加载条件下考虑蠕变影响的沥青混合料模量在500 MPa以内选择,有条件情况下可考虑选用AC-5沥青夹层混合料。

5 结论

(1) 研究发现,早龄期阶段固化温度、混凝土的徐变和硬化历程与环境场叠加作用,会引起面板更大的早期板角翘曲和脱粘。传统路面板分析理论忽略此方面影响,存在低估路面不利因素作用和过早断板的风险。

(2) 早龄期阶段设沥青夹层结构相比直接加铺结构,脱粘面积更小而翘曲变形更大。应力方面,区别较小。设夹层沥青加铺面板结构的早龄期固化温度、徐变历程效应在翘曲、脱粘等性状方面,都较另外两种结构大,但在应力方面的效应较小。

在轻交通路段,早龄期历程效应引起的翘曲、脱粘增大对面板疲劳寿命的不利影响不显著,但在重载交通作用下,翘曲、脱粘增大对面板疲劳寿命的折减将随着轴载越大而越严重,服役阶段因为设置沥青夹层而产生的有利作用能否对此方面充分补偿需要综合分析,并采取必要的改善早龄期翘曲的技术。

(3) 建议重载交通下设沥青夹层加铺结构尽量采用刚度较大的贫混凝土基层,对于沥青夹层设计参数厚度和模量需综合多方面因素均衡考虑和经济性,建议厚度为30 mm以内、沥青混合料宜选低模量。

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EARLY-AGE MECHANICAL BEHAVIOR AND ACTION EFFECT OF CEMENT CONCRETE PAVEMENT WITH ASPHALT INTERLAYERS

WANG Li-juan , HU Chang-bin

(School of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350108, China)

Abstract:By using three-dimensional finite element analysis, structural behavior of early-age Portland cement concrete pavement (PCCP) with asphalt interlayers was studied. The effects of the asphalt interlayers on the formation process as well as the early-age behavior of PCCP were analyzed with respect to its mechanical properties. The analysis results show that the combined action of built-in temperature in early age, concrete’s creep, hardening process and the environment fields cause more significant early-age curling and interfacial debonding at the slab corners. Such effects were however neglected by traditional theories. PCCP with asphalt interlayers has smaller debonding areas and larger curling deformation compared with the directly-overlaid pavement without asphalt interlayers. In addition, combining with specific heavy traffic, structure effect of the early-age curling and debonding may have an unfavorable influence upon fatigue life of pavement structures with asphalt interlayers. On the basis, it is suggested to use bases with larger stiffness in PCCP with asphalt interlayers.In particular, the thickness of the asphalt interlayers should be less than 30 mm, and the elastic modulus of asphalt mixture should be of low values.

Key words:road engineering; cement concrete pavements; asphalt interlayers; early-age; curling; debonding

中图分类号:U416.216+.2

文献标志码:A

doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2016.09.0746

文章编号:1000-4750(2018)02-0105-11

收稿日期:2016-10-13;修改日期:2017-01-11

基金项目:国家自然科学基金项目(51478122,50908056)

通讯作者:胡昌斌(1974―),男,湖北孝感人,教授,博士,博导,从事道路与材料工程研究(E-mail: huchangbin@qq.com).

作者简介:王丽娟(1987―),女,福建宁德人,博士生,从事道路与材料工程研究(E-mail: lijuan2014@sina.com).