刚柔复合式路面结构与材料及发展趋势

刚柔复合式路面作为一种耐久性路面结构,广泛应用于重载交通、特殊地质条件、桥隧铺装等工程。为进一步推动耐久性刚柔复合式路面的应用,明确研究中的关键问题及发展方向,该文综述了国内外刚柔复合式路面的相关研究进展。在梳理刚柔复合式路面结构设计理论及施工技术的基础上,首先阐述了刚柔复合式路面的结构力学行为特征,分析了沥青面层和刚性基层的荷载应力、温度应力及其交互影响,刚性基层上的沥青面层一方面直接承受荷载和环境作用,另一方面可以改善下卧结构层的应力场和温度场,是影响刚柔复合式路面服役性能及使用寿命的关键;明确了刚柔复合式路面的病害主要出现在沥青面层,由于沥青面层与刚性基层之间的模量差异巨大,刚性基层上的沥青面层更倾向于产生压剪破坏,刚性基层的开裂以及刚‒柔层间的结合状态对沥青路面的性能也有着显著影响;最后,分别从沥青面层抗剪、基层板整体性、刚‒柔层间结合3个方面归纳了刚柔复合式路面性能的提升技术。基于刚柔复合式路面的结构力学特性,开展结构‒高性能材料一体化设计是提升刚柔复合式路面使用性能和耐久性的有效途径。

基于双模量理论的连续配筋混凝土复合式路面沥青层表损伤分析及Top-Down开裂控制

基于连续介质损伤力学和双模量理论,建立单一模量和双模量2种疲劳损伤本构,采用数值模拟的方法,对2种疲劳损伤本构模型进行了简单分析对比,并采用双模量损伤本构分析沥青层(AC)厚度、模量、拉压模量比以及AC层与连续配筋水泥混凝土层(CRC)摩擦系数4个因素对沥青层表面损伤的影响,在单因素分析的基础上通过响应面法对CRC+AC复合式路面抗Top-Down开裂性能进行优化设计。研究表明:AC层在单模量下的最大压应力比双模量下大0.1MPa,但AC层在单模量下几乎未产生拉应力,而双模量下的最大拉应力为0.08MPa;单因素分析得到AC层厚度、模量、拉压模量比、层间摩擦系数推荐最大取值分别为8cm、1700MPa、0.8、7;3个参数中,对AC层表面疲劳损伤度综合影响从大到小的组合为:AC层厚度和拉压模量比,AC层拉模量和拉压模量比,AC层厚度和拉模量;针对不同拉模量的AC层材料提出了不同AC层厚度下的拉压模量比控制标准。

在役连续配筋混凝土路面横向裂缝传荷能力评价新方法

通过建立带横向裂缝的连接配筋混凝路面(CRCP)结构仿真模型,计算CRC板在不同挠度传荷系数(L_(TE))下的最大应力,对比CRC板最大应力的有限元解和基于实测L_(TE)的应力计算值,从理论上分析以挠度传荷系数作为CRCP横向裂缝评价指标的适用性,并提出用于在役CRCP横向裂缝传荷能力的计算与评价新方法。研究结果表明:采用常用的挠度传荷系数(L_(TE))评价CRCP横向裂缝传荷能力不科学且结果偏保守;基于CRCP横向裂缝处板底水平应力动力响应分析,引入应力折减系数(S_(RC))来表征横向裂缝的传荷能力,以解决用L_(TE)来评价CRCP横向裂缝传荷能力结果偏保守的问题,并提出以S_(RC)为25%作为传荷能力强的临界值。CRCP板底最大水平应力随板厚增加不断减少,板厚变化对S_(RC)影响显著,对横向裂缝传荷能力评价时需考虑板厚的影响;通过非线性回归建立考虑CRCP板厚的L_(TE)与S_(RC)换算公式,实现基于实测挠度采用S_(RC)评价不同板厚下CRCP横向裂缝传荷能力的目的;运用提出的评价新方法评价CRCP实体工程横向裂缝传荷能力,评价结果基本符合实体工程的实际服役能力,解决了原有评价方法结果过于保守的问题,可为CRCP养护决策提供依据,实现对CRCP横向裂缝的精准控制。

连续配筋混凝土复合式沥青路面Top-Down裂缝疲劳扩展研究

为探明沥青面层Top-Down裂缝的开裂机理,基于扩展有限元法和改进的Paris公式,并结合实体工程观测结果,建立温缩应力-交通荷载作用下的Top-Down裂缝疲劳扩展模型,分析温缩应力-交通荷载作用下Top-Down裂缝疲劳扩展情况。研究结果表明:在温缩应力作用下,Top-Down裂缝尖端的断裂能释放率随着裂缝扩展深度的增加先增大后减小;Top-Down裂缝在贯穿整个沥青面层过程中均处于改进型Paris公式曲线中的稳定扩展阶段;Top-Down裂缝从初始裂缝深度1 cm扩展到沥青层底部的速度逐渐增大,上1/2层疲劳寿命约为下1/2层的1.2倍;减小沥青层模量和适当增加沥青层厚度可以有效地减小Top-Down裂缝在沥青面层内部的疲劳扩展速率,延长Top-Down裂缝疲劳扩展寿命;在温缩应力和交通荷载耦合作用下,刚柔复合式路面Top-Down裂缝发生Ⅰ-Ⅱ复合型扩展,其扩展路径朝向轮载方向倾斜向下。研究成果可为CRC+AC复合式路面沥青面层的开裂控制提供理论支撑,并为沥青面层的合理设计提供科学依据。

大坍落度混凝土CRCP早期开裂风险数值模拟分析

采用ABAQUS进行低温季节和不同环境相对湿度条件下的温湿场与应力场分析,判断CRCP结构的早期开裂风险,研究了配筋参数对CRCP路面裂缝扩展的影响.结果表明:在养护的前13 h内CRCP结构整体温度不断升高,路面板温度的振荡周期与环境温度变化周期一致.随着龄期的增长,路面由单一放热状态变为随环境温度变化的周期性放热、吸热交替作用,各深度处温度峰值逐渐减小且趋于稳定.在两种环境湿度条件下,养护前期路面结构各深度均处于较高湿度状态并随着龄期的增长湿度逐渐减小,路面结构对环境湿度的敏感程度随着路面深度的增加依次降低.环境湿度过小对路面受力有不利影响,CRCP产生最大拉应力的不利位置为路表中部.根据开裂风险曲线分析数据,在温度应力和湿度应力的综合作用下,整个养护期间CRCP结构均具有一定的开裂风险,其中26 h龄期左右开裂风险较大.在温度应力作用下,配筋率、纵筋的弹性模量、钢筋与混凝土的黏结强度等因素影响混凝土板端部的变形与混凝土最大拉应力,并进一步影响混凝土裂缝的扩展.

在役水泥路面劣化行为与延寿技术综述

为提升在役水泥路面的耐久性与服役寿命,围绕国内外水泥路面延寿修复技术研究现状,梳理了水泥路面结构的力学响应和疲劳损伤演化行为,分析了水泥路面主要病害形成机理、劣化行为和特征,总结了不同劣化行为控制技术的研究进展;基于充分利用旧水泥路面板剩余承载力的思想和旧水泥路面延寿加铺结构力学行为研究,提出了严酷环境下分离式加铺连续配筋混凝土(CRC)面板的典型加铺结构,总结了水泥路面结构服役行为的智能感知技术。研究结果表明:建立准确反映水泥路面服役行为的力学模型可为其合理设计和寿命精准预测提供科学的理论依据;在水泥路面破坏形成初期及时对其技术状况进行评价并修复,可在一定程度上延长其使用寿命;接缝传荷能力和板底脱空是影响水泥路面耐久性的显著因素,在旧水泥路面修复过程中应重点关注;旧水泥路面加铺沥青混凝土和水泥混凝土是其延寿的有效措施,从全寿命周期来看,重载交通在役水泥路面加铺CRC面板是其延寿的有效技术手段;未来应建立考虑在役水泥路面劣化行为、剩余强度等的寿命预估理论,开发高性能、易兼容和绿色环保的水泥路面延寿修复材料,借助服役性能多源异构大数据的感知与处理技术,完善在役水泥路面加铺结构设计的理论技术与行业规范,全面提升在役水泥路面的服役水平和使用寿命。