简论碎石碎石化技术在旧路改造中运用学术

摘要：旧水泥混凝土路面采用多锤头碎石化技术处理后，加铺沥青混凝土面层，可有效地减少加铺层内反射裂缝的产生和发展，但该技术在防反射裂缝方面的作用机理尚不明确。本文以HB-ST高速公路改造工程为背景，应用ANSYS有限元软件建立分析模型，通过研究反射裂缝的扩展模式，进一步研究多锤头碎石化对沥青加铺层的应力响应，从而揭示碎石化技术减少反射裂缝、分散车辆荷载应力等方面的原因。
关键词：碎石化，ANSYS，反射裂缝，荷载应力

1、简介
本文以石太高速河北段水泥路面“白改黑”改造工程为实际背景，该高速水泥混凝土路面首先采用多锤头碎石化技术进行水泥混凝土路面破碎，然后将其作为路面基层，再在其上加铺沥青混凝土。经实体工程的改造效果来看，该技术可以有效地减少路面产生反射裂缝的概率和速度，提高路面的使用寿命和质量。对于多锤头碎石化技术的力学作用机理尚不是很明确，本文通过有限元方法模拟，从理论和工程实际双方面得出该技术的力学作用机理。

2、加铺层反射裂缝产生原因分析

旧水泥路面直接加铺沥青混凝土面层，在接、裂缝位置容易产生反射裂缝。应用断裂力学分析，由于在接、裂缝位置存在拉伸应力和剪应力的集中，导致接、裂缝位置的应力大于材料所能承受的拉伸强度，从而导致裂缝的产生和发展。
同时，车轮荷载作用于接缝位置，会导致接缝位置两侧产生较大的弯沉差，从而引起沥青加铺层的剪切破坏。车轮偏荷载作用下接缝处剪应力和裂缝两侧弯沉差如图1所示，车辆荷载作用下接缝部位的裂缝分布情况如图2所示。
图1 车轮偏荷载作用下接缝处剪应力 图2 接缝处裂缝分布
通过以上分析，当车辆荷载作用在接、裂缝位置时，会导致接裂缝位置的应力集中，同时引起裂缝两侧的弯沉差，如图1所示。在车辆荷载的反复作用下，会引起加铺层的剪切破坏，从而在接缝位置产生反射裂缝，如图2所示。

3、碎石化作用机理分析

水泥混凝土路面碎石化后分为表面细粒散层、上部1/2板厚的碎块和下部1/2板厚的大碎块三个层次，碎石化后表层粒径尺寸7.5cm，上部1/2板厚范围内粒径尺寸2

2.5cm，下部1/2板厚范围内粒径尺寸37.5cm，如下图所示：

3.1 模型建立以及材料参数

应用ANSYS有限元方法建立分析模型，模拟多锤头瞬时作用于水泥混凝土路面板时的应力、应变及板块破损情况。水泥路面板采用concrete65单元，基层和土基采用solid45单元。并对各结构层做出如下检测设：
（1）检测设个结构层为均质、连续、各向同性的线弹性材料；
（2）结构层之间完全连续接触；
（3）考虑面板之间的相互作用；
（4）模型尺寸为：面板5m×4m×0.25m；基层35m×28m×0.30m；土基为35m×28m×20m，对基层和土基施加各个方向的约束，面板为四周自由不受约束。各结构层参数如表1所示：
表1 路面结构参数表

3.2 碎石化过程及裂缝发展

本研究采用的多锤头碎石化机的冲击力为500MPa，作用时间为2s/次·锤，每锤的作用面积为30cm×1cm。荷载采用瞬态荷载，一次沿一个车道行驶，破碎宽度为4m。
通过本文模拟发现，水泥混凝土在碎石化过程中，横向裂缝的发展表现为自上而下，贯穿全板，由于MHB具有两排锤头，所以横纵裂缝最终布满全板，即实现路面的碎石化。
图3横向裂缝的发展 图4纵向裂缝的发展
通过图3、图4可以发现，在路面碎石化过程中，横向裂缝先出现在板顶，然后向下发展，最后贯穿全板。在裂缝发展过程中，发现有斜向裂缝的发展，这与路面实际打裂情况相符。因为水泥路面碎石化后分为三层结构，且三层结构碎块粒径尺寸不相同，所以在模拟过程中会出现有斜向裂缝的出现。

3.3 碎石化技术处理后裂块尺寸及裂缝分布情况

图5碎石化后板内裂缝分布情况 图6碎石化后板块表面效果
由图5和图6所示，碎石化技术处理后的水泥混凝土路面板，由于原来的水泥板块被打碎成水泥碎块，这就使原来的整体板块受力转变为水泥混凝土碎块承受荷载应力和温度应力的作用，将板内较大的应力得到释放，从而大大减少反射裂缝产生和发展的概率。

3.4 碎石化技术处理过程中水泥板沉降变化情况

通过沉降量和板内应力的分析，可以对打裂过程中板内应力释放情况和板体的沉降变化进行归纳和总结。得出碎石化技术在通过碎块尺寸来减小应力的作用机理和对路面基础的沉降影响。
图7碎石化后路面沉降变化 图8碎石化过程中沉降量变化
碎石化过程中，由于多锤头的冲击能量高达500MPa，所以会是路面沉降量有较大的影响，通过分析计算如图7碎石化后路面沉降图和图8碎石化过程中沉降量变化曲线图，碎石化过程中沉降量最大达2.5mm，且在板边沉降量较大，而板中位置沉降量相对小一点。沉降量的变化随着多锤头作用位置的不同而变化，呈凹形变化形式。

3.5 碎石化技术处理后加铺层应力分析

图9沥青层底弯拉应力 图10沥青加铺层表面弯沉图
数值模拟如图9所示，碎石化后加铺沥青层底的弯拉应力分布更加均匀，不是集中在车辆荷载位置处，而是呈分散形式。在此结构下沥青加铺层层底弯拉应力数值为0.104MPa，剪应力数值为0.040MPa，沥青加铺层最大弯沉值为0.089mm。可见，在碎石化后加铺较厚的沥青面层可以有效地减小沥青面层层底的弯拉应力和原路面基层裂缝处的剪应力。同等沥青加铺层厚度下，直接加铺法沥青层底的弯拉应力为0.212MPa，剪应力数值为0.234MPa，且剪应力主要集中于车轮荷载处较集中，沥青加铺层最大弯沉值为0.45mm，如图10所示。对比可知，碎石化技术不仅可以有效的分散沥青加铺层底集中的弯拉应力而且可以有效地减小剪应力和路表最大弯沉数值。

4、主要结论

据以上分析，水泥混凝土板碎石化处理后，可以减少板内的集中应力，使加铺层内应力更加均匀和分散，从而延长了路面的使用寿命。通过有限元分析，可以得出以下几点结论：
1、旧水泥混凝土板碎石化处理后，能够有效的减小加铺层内的应力集中现象，使加铺层内的应力在车辆荷载作用下更加分散，相比直接加铺法，碎石化处理后加铺层内的应力减少了2

6.6%，剪应力数值减少了37.6%。

2、碎块尺寸对加铺层内的应力的影响与水泥混凝土板厚有关系，即不同的水泥混凝土板厚应对应不同的碎块尺寸范围，不能笼统的将破碎标准定为一个固定的尺寸。碎块尺寸对加铺层内的应力呈“凹”型影响。

3、碎石化处理后，板内裂缝均匀分布，且贯穿板体厚度范围，这起到了释放应力的作用。

参考文献
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