复合式路面结构分析

复合式路面结构的分析

摘要：复合式路面结构通常指的是水泥混凝土路面加铺沥青面层后形成的路面结构。由于材料特性的差异，复合路面有着许多不同于一般路面结构的特性，本文将对复合式路面结构的特点进行的分析。

关键词：刚柔复合路面，界面层，反射裂缝

1、路面结构发展现状

截止至2010年底，我国公路总里程已经超过400万公里，其中高速公路总里程约6.5万公里，在世界上排在第二位，仅次于美国。伴随国内道路的发展，车辆保有量更是呈现爆发式增长，同时，超载现象也更为突出。国内早期普遍适用的水泥混凝土路面，以及沥青混凝土路面已经逐渐被更符合经济效应和使用效应的复合路面

结构所取代。

复合路面结构是由水泥混凝土路面加铺沥青面层形成的一种刚柔性的复合式路面结构，其不仅具有沥青路面行车舒适、噪音小的特点，还具有水泥路面强度高、承载能力大和稳定性好的特点。

但近年来，顺着复合式路面的使用，其问题也逐渐显现，主要问题集中在以下几个方面：

1）、早期病害严重。使用5～10年后，容易出现反射裂缝、局部开裂等现象。

2）、界面处理技术滞后。主要体现在刚柔性材料界面的处理材

料的选择，以及施工工艺等方面的改进。

2、复合式路面结构的特点

复合式路面结构组成为：基层+水泥混凝土板+界面层+沥青面层。沥青加铺层厚度较大时，通常分两层摊铺，层间洒乳化沥青粘层油以加强粘结，或采用玻纤格栅。界面层的材料通常采用的是改性沥青，厚度只有几个毫米，主要起到粘结和防水作用。界面层材料模量小，具有高粘度，弹性恢复性能好，能够很好的吸收水泥混凝土板由于形变而产生的应力，能够有效的抑制反射裂缝的传播。

复合路面最大的特点是组成面层结构的材料的模量不一样，刚度相差很大。水泥混凝土板具有强度高、刚度大、温度敏感性小的特点，属脆性材料。沥青面层材料的模量小，温度敏感性大，材料模量随温度变化明显，呈现黏-弹-塑性的特点。由于材料模量的差异较大，从而导致刚柔性路面在车辆荷载及温度应力作用下，呈现明显的变形不协调性。

3、复合式路面的设计

目前对复合式路面的设计，通常有以下几种方法：

1）美国的austin research engineers法。其主要关注在车辆荷载与温度荷载作用下，板接缝处会产生的垂直的相对位移与水平相对位移。

2）美国的aashto法。这种方法是迄今为止最为完善的经验设计方法，具体内容包括可行性研究、原砼板处理、防止反射裂缝措

施和厚度计算等。

3）、美国沥青协会的ai弯沉法。ai法主要以控制接缝或裂缝处的板边平均弯沉量和弯沉差为设计要求。

4）、有效厚度法。这一方法的基本思路是加铺层所需的厚度是新路面所需的厚度与旧路面有效厚度之差：h=hn－hc。式中，h为加铺层厚度，hn为新路面厚度，hc为旧路面有效厚度。

5）、国内的经验法。该法以现有路面的弯沉测定结果为基础，根据经验关系式，确定使现有路面弯沉值下降到同设计交通次数相适应的容许弯沉值时，所需要的加铺层厚度。

4、复合式路面损坏模式目前，广东地区已有大量的复合路面结构道路投入使用，部分道路使用了一定的年限。从现场的情况看，刚柔性路面的损坏形式主要呈现的是开裂破坏，其中主要是反射裂缝。通过对裂缝处钻芯取样，可明显看到反射裂缝由下向上发展的痕迹。这是由于水泥混凝土板块、裂缝处不能承受拉应力和剪应力，裂缝和接缝顶面的沥青罩面层受损。当水泥路面板发生移动时，在裂缝和接缝顶面的加铺层中产生应力集中，形成反射裂缝。而水泥路面板的移动是温度变化、行驶车辆以及两者的综合作用且不可避免的结果。

以下为由行车荷载引起的荷载型反射裂缝以及由温度变化引起的温差型反射裂缝的原理图：

针对以上的损坏模式，研究广东地区部分复合式路面，可以发现，当接缝宽度较小、路面板的长宽比较大，或者路面材料收缩系

数较大而层间粘结又较紧密时，罩面层中温差型反射裂缝最可能产生。而当混凝土面板厚度较小而层间粘结又较差的情况下，罩面层中容易产生荷载型反射裂缝。

5、反射裂缝的防治措施对于反射裂缝的防治，主要有以下几种：

1）、锯切横缝。即在铺设加铺层后，在现有每条横缝上面锯缝，再灌缝，此后和常用的路面接缝一样进行维护。这样可以为释放加铺层内因温度收缩受阻产生的拉应力提供预定的不连续断面位置，从而控制随意裂缝的出现。

2)、增加罩面层厚度。罩面层越厚，裂缝处的荷载传递能力越大，并由此减少了层内的弯曲应力和剪切应力，同时，裂缝从底面反射到顶面需要经过的距离变长，也可以延长路面的使用寿命。

3)、设置裂缝缓解层。通过对刚柔性界面的处理，设计厚度几毫米的夹层，能够有效的控制反射裂缝的传播。目前，这种办法被认为是最有效也是最经济的解决刚柔性路面反射裂缝的办法。

4）、使用改性沥青或在沥青混合料中加入纤维。这种措施，能增大或改善罩面层的变形性能，能提高抗拉强度，减少荷载单位面积作用力，减少温度变化对板移动的影响，从而延缓反射裂缝的出现。

5）、在罩面层下部应用加筋材料。这种方法，可以增加沥青混凝土的抗拉强度、抗裂性能、抗剪切能力和对弯沉的适应能力，从而防止由于混凝土板块的移动而引起的开裂。一般要求加筋材料的弹性模量一定要高于被加筋材料的模量。

6、复合式路面的发展前景

对于复合式路面结构的研究，国内外道路工作者已做了一些卓有成效的工作。在设计上虽然已经掌握一定的理论和经验，但结合上仍存在一定局限性，大多还是建立在半理论半经验的基础上。而国内的结构设计方法上，等刚度法的计算精度不够，简化公式法又具有一定的局限性。在施工上，国内多采用整体浇筑，但由于施工机械的限制，上下面层一般不能做到一次摊铺成型。施工技术尚需大力进行研究发展。

在应用上，随着早期水泥混凝土道路的使用，越来越多的旧路需要进行改造、修复、翻新等施工，其养护和维修问题日益突出。加铺沥青层是有效而经济的选择，因此复合式路面目前主要是用沥青混凝土层修复混凝土路面。但随着社会的发展，城市建设对道路美观的要求越来越高，而沥青路面造价偏高的缺点开始凸显，水泥混凝土路面舒适度较差的不足又大大限制了其发展，因此，复合式路面将有巨大的潜力和无限的发展空间。

注：文章内的图表及公式请以pdf格式查看