基于抗反射裂缝的“白加黑”路面结构优化及性能研究

摘要：为有效提升“白加黑”路面服务水平，文章针对其易在水泥板接缝处产生反射裂缝的痛难点，展开“白加黑”路面结构优化研究。基于ABAQUS软件，建立了“白加黑”路面结构的有限元模型，通过分析加铺沥青层厚度及模量参数对其层底薄弱点受力影响，优化加铺沥青层的层厚设置及混合料类型选择；通过数值模拟分析、抗疲劳性能试验等，对比研究了橡胶沥青应力吸收层、共振碎石化、土工布、OLSM-25抗裂层等抗反射裂缝措施的效果及经济性。结果表明：推荐“白加黑”路面沥青加铺层厚度为8～10 cm、弹性模量为1 000～1 200 MPa，在工程预算有限的情况下，抗反射裂缝措施建议采用共振碎石化或者橡胶沥青应力吸收层，在工程成本允许的情况下，可考虑采用共振碎石化+橡胶沥青应力吸收层结合的措施。

关键词：“白加黑”路面结构；ABAQUS；抗反射裂缝；疲劳开裂

中图分类号：U416.217

0 引言

“白加黑”改造技术，即在原水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层，是一种常用的道路改造技术。该技术利用了水泥混凝土路面的高刚度和沥青混凝土路面的高韧性，形成了一种复合结构，既能提高路面的平整性和舒适性，又能提高路面的耐久性和抗裂性，延长路面的使用寿命。同时，该技术具有施工周期短、成本低、环境影响小等优点，适用于水泥路面的改造和维修［1］。

然而，“白加黑”改造技术也存在一些问题和挑战，主要是由于水泥混凝土路面和沥青混凝土路面的物理性质和力学性能的差异，导致路面结构在受到交通荷载的作用时，产生了不同的应力和应变，从而形成反射裂缝［2］。反射裂缝是指原水泥混凝土路面的板接缝或裂缝，通过沥青层反射到路面表面，是“白加黑”路面结构的主要病害之一。反射裂缝不仅影响路面的美观和平整，而且会导致水分和杂质渗入路面结构，降低路面结构的稳定性和承载能力，加速路面的老化和破坏，缩短路面的使用寿命［3］。

因此，如何优化“白加黑”路面结构的设计，减少反射裂缝的产生，提高路面结构的性能，是“白加黑”改造技术的关键问题。本文基于ABAQUS软件，建立了“白加黑”路面结构的有限元模型，分析了沥青层厚度及模量参数对路面结构的影响，并通过数值模拟不同抗反射裂缝措施，得出优化的结构参数组合及抗反射开裂措施，以减少反射裂缝的产生，提高路面结构的抗裂性能和承载能力。

1 “白加黑”路面结构数值分析

1.1 ABAQUS有限元建模

1.1.1 模型尺寸及材料参数

采用ABAQUS软件建立“白加黑”路面结构模型，包括沥青加铺层、水泥混凝土层、级配碎石层和半无限基层，确定各结构层的宽度、厚度、弹性模量、泊松比等参数，如表1所示。

为模拟荷载对“白加黑”路面结构的力学响应，特别是受力薄弱点——水泥板接缝及路面基层裂缝处，路面模型设置宽度为8 mm的裂缝，其深度设置贯穿整个基层与底基层，如图1所示。

1.1.2 荷载作用位置

将车轮荷载等效成矩形均布荷载，等效矩形尺寸为19.2 cm×18.6 cm，等效荷载作用面积为353.22 cm2，双轮间距为12.8 cm。采用BZZ-100标准轴载，轮胎对地压强为0.7 MPa［4］。如图2所示。

考虑剪切应力是导致沥青加铺层出现反射裂缝的主要原因，因此本文在接缝处施加偏荷载，偏荷载作用位置如图3所示。

1.1.3 网格划分

对路面结构模型采用局部加密网格划分的方法，提升求解速度及准确性，划分结果如图4所示。

1.2 加铺层模量对层底力学响应的影响分析

为研究加铺层模量对沥青面层层底力学响应的影响，本文采用有限元软件模拟“白加黑”路面中沥青加铺层的模量分别为600 MPa、800 MPa、1 000 MPa、1 200 MPa、1 400 MPa、1 600 MPa，“白加黑”路面应力云图如图5所示。

加铺层模量与层底接缝处应力关系如图6所示。

由图5、图6可知，沥青层层底接缝处的应力随着加铺层模量增加呈先下降后稳定的趋势。其中，加铺层模量由600 MPa逐级增加到1 600 MPa，沥青层层底接缝处的等效应力分别降低了10.79%、7.25%、4.84%、3.23%、1.60%，层底接缝处最大剪应力分别降低了12.71%、8.83%、6.50%、4.03%、2.45%，层底接缝处最大主应力分别降低了1.47%、1.07%、0.96%、0.84%、0.68%。

加铺层弹性模量达到1 200 MPa后，沥青层层底接缝处等效应力及最大剪应力随弹性模量增加而增幅变小，这是因为在交通荷载一定的情况下，加铺层弹性模量过大，不会对层底应力产生更多的影响，因此沥青层层底接缝处应力变化呈现稳定的趋势。过度增加沥青加铺层的弹性模量只会造成施工成本的增加，并不会进一步提升其性能，因此推荐将“白加黑”路面沥青加铺层弹性模量设置为1 000～1 200 MPa。

1.3 加铺层厚度对层底力学响应的影响分析

为研究加铺层厚度对沥青面层层底力学响应的影响，沥青加铺层厚度分别设为6 cm、8 cm、10 cm、12 cm、14 cm、16 cm，加铺层厚度与层底接缝处应力关系如图7所示。

由图7可知，沥青层层底接缝处的应力随着加铺层厚度增加呈先下降后稳定的趋势。厚度逐渐增加，沥青层层底接缝处的等效应力分别降低了21.11%、11.66%、6.61%、2.71%、0.91%，层底接缝处最大剪应力分别降低了21.01%、10.49%、7.48%、3.33%、1.27%，层底接缝处最大主应力分别降低了25.29%、22.11%、11.63%、10.80%、4.62%。当加铺层厚度在6～10 cm时，沥青层层底接缝处应力变化幅度在10%～30%，而当加铺层厚度＞10 cm时，沥青层层底接缝处应力变化幅度均＜10%。

随着加铺层厚度的增加，沥青层层底接缝处等效应力及最大剪应力变化幅度差异性较小，这是因为增加沥青加铺层厚度可以增加路面的刚度和强度，有效降低了旧路面层底部的应力，减少了反射裂缝的产生和扩展。然而，当沥青层厚度超过最佳值后，继续增加厚度对抗反射裂缝的效果微乎其微，反而会延长工程施工时间和提高工程费用，因此推荐“白加黑”路面沥青加铺层厚度为8～10 cm。

2 不同抗反射裂缝措施效果研究

为进一步防止反射裂缝的产生，在优化沥青加铺层的模量及厚度后，对橡胶沥青应力吸收层、共振碎石化、土工布、OLSM-25抗裂层［5］4种单一抗反射裂缝措施，以及碎石化+橡胶沥青应力吸收层、碎石化+土工布2种复合的措施，通过数值模拟分析、抗疲劳性能试验等，对比分析其抗反射裂缝效果及施工经济性。

2.1 数值模拟受力分析

不同抗反射裂缝措施数值模拟结果如图8所示，由图可知，不同抗反射裂缝措施沥青层层底接缝应力值从大到小依次为：无抗反射裂缝措施＞土工布＞共振碎石化＞橡胶沥青应力吸收层＞OLSM-25抗裂层＞共振碎石化+土工布＞共振碎石化+橡胶沥青应力吸收层。4种单一措施中，OLSM-25抗裂层应力值最小，其等效应力为0.459 37 MPa、最大剪应力为0.364 46 MPa、最大主应力为0.072 56 MPa；土工布应力值最大，其等效应力为0.597 46 MPa、最大剪应力为0.527 11 MPa、最大主应力为0.115 92 MPa；共振碎石化与橡胶沥青应力吸收层应力值相差较小。对比共振碎石化+土工布与共振碎石化+橡胶沥青应力吸收层沥青层层底接缝应力值，发现共振碎石化+橡胶沥青应力吸收层可以有效缓解沥青层接缝处应力集中的现象，缓解反射裂缝的扩展，因此在工程成本允许的情况下，建议采用共振碎石化+橡胶沥青应力吸收层结合的抗反射裂缝措施。

2.2 抗反射开裂性能评价

采用疲劳开裂试验对数值模拟的结果进行验证，主要针对不同抗反射裂缝措施的“白加黑”路面结构反射裂缝的产生和扩展，以沥青加铺层疲劳寿命作为评价指标，分析不同抗反射裂缝措施对沥青加铺层疲劳寿命的影响。

2.2.1 沥青加铺层疲劳开裂试验

采用水泥混凝土试件加铺沥青混凝土层制备复合试件，并设置不同抗反射裂缝措施，以MTS万能试验仪进行加载试验。为更好地模拟“白加黑”路面的实际情况，在复合试件下方先铺设了2.5 cm厚的橡胶垫层，以模拟路基的缓冲作用，然后再垫放了2.5 cm厚的钢板，以保证试件在同一水平面上；MTS万能试验仪压头尺寸R=2.5 cm，其中正荷载加载位置为水泥混凝土板接缝正上方，偏荷载加载位置为水泥混凝土板接缝一侧［6］。如图9所示。

2.2.2 试验结果

沥青加铺层疲劳开裂试验结果如图10所示。

由图10可知，不同抗反射裂缝措施沥青层疲劳开裂寿命从大到小依次：共振碎石化+橡胶沥青应力吸收层＞共振碎石化+土工布＞OLSM-25抗裂层＞橡胶沥青应力吸收层＞共振碎石化＞土工布＞无抗反射裂缝措施。4种单一措施中，OLSM-25抗裂层疲劳开裂寿命最大，其剪切型疲劳开裂寿命为25 651次，弯拉型疲劳开裂寿命为29 796次；土工布疲劳开裂寿命最小，其剪切型疲劳开裂寿命为11 972次，弯拉型疲劳开裂寿命为13 882次；共振碎石化与橡胶沥青应力吸收层疲劳开裂寿命相差较小，试验结果与数值模拟结果一致。

2.3 工程成本分析

从工程成本的角度，对比分析共振碎石化、橡胶沥青应力吸收层、土工布、OLSM-25抗裂层4种抗反射裂缝措施的工程成本差异，如表2所示。

由表2可知，不同抗反射裂缝措施工程成本从大到小依次为：OLSM-25抗裂层＞橡胶沥青应力吸收层＞共振碎石化＞土工布。结合不同抗反射裂缝措施数值模拟力学分析及抗疲劳性能试验结果可知，OLSM-25抗裂层抗反射开裂效果最好，但其工程成本最高；土工布抗反射开裂效果最差，但其工程成本最低；橡胶沥青应力吸收层、共振碎石化抗反射开裂效果相近，但共振碎石化工程成本远低于橡胶沥青应力吸收层。因此，在“白加黑”路面施工过程中，在工程成本有限的情况下，抗反射裂缝措施建议采用共振碎石化或者橡胶沥青应力吸收层。

3 结语

（1）沥青层层底接缝处的应力随着加铺层模量、厚度的增加呈先下降后稳定的趋势，当加铺层模量＞1 200 MPa及厚度＞10 cm时，沥青层层底接缝处等效应力及最大剪应力数值变化幅度很小。

（2）由不同抗反射裂缝措施数值模拟力学分析及抗疲劳性能试验结果可知，OLSM-25抗裂层抗反射开裂效果最好，橡胶沥青应力吸收层、共振碎石化效果次之，土工布效果最差；从工程经济性角度，OLSM-25抗裂层成本最高，橡胶沥青应力吸收层、共振碎石化成本次之，土工布成本最低。

（3）综合分析，本文推荐“白加黑”路面沥青加铺层厚度为8～10 cm、弹性模量为1 000～1 200 MPa，在工程成本有限的情况下，抗反射裂缝措施建议采用共振碎石化或者橡胶沥青应力吸收层，在工程成本允许的情况下，可考虑采用共振碎石化+橡胶沥青应力吸收层结合的抗反射裂缝措施。

参考文献

［1］Sun Y，Zhang Z，Gong H，et al.3D Multiscale Modeling of Asphalt Pavement Responses under Coupled Temperature-Stress Fields［J］.Journal of Engineering Mechanics，2022，148（3）：4 022 010.

［2］颜可珍，王绍全，田 珊，等.基于Overlay Test评价应力吸收层抗反射裂缝性能［J］.湖南大学学报（自然科学版），2020，47（1）：108-115.

［3］Pan R，Li Y.Effect of warm mix rubber modified asphalt mixture as stress absorbing layer on anti-crack performance in cold region［J］.Construction and Building Materials，2020（251）：118985.

［4］乔建刚，王 伟，程 璨，等.基于温度-荷载耦合场的沥青路面抗裂分析［J］.公路，2019，64（8）：38-43.

［5］付其林，魏建国，王力扬.基于MMLS3设备的OLSM抗反射裂缝性能研究［J］.中国公路学报，2020，33（8）：133-143.

［6］钱劲松，陈欣然，郑 毅，等.基于MMLS3设备的土工布防治反射裂缝效果研究［J］.同济大学学报（自然科学版），2018，46（8）：1 042-1 048.

收稿日期：2024-03-06

作者简介：罗 赛（1992—），助理工程师，主要从事公路与城市道路研究工作。