寒區(qū)瀝青路面低溫抗裂性能的力學(xué)分析★

于騰江 張海濤

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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寒區(qū)瀝青路面低溫抗裂性能的力學(xué)分析★

于騰江 張海濤*

(東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

結(jié)合實(shí)際工程瀝青路面的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)，利用有限元分析軟件ABAQUS，對(duì)寒區(qū)瀝青路面在溫度降低過程中的溫縮應(yīng)力變化進(jìn)行了力學(xué)分析，并以水泥混凝土路面彈性薄板理論為依據(jù)，計(jì)算得到了不同邊界約束情況下隨溫度變化的瀝青面層溫縮應(yīng)力，總結(jié)出了瀝青面層溫縮應(yīng)力隨路面模型的結(jié)構(gòu)尺寸、溫度以及邊界條件等影響因素的變化規(guī)律。

瀝青路面，溫縮應(yīng)力，低溫抗裂性能，ABAQUS軟件，力學(xué)分析

0 引言

我國(guó)幅員遼闊，氣候溫度跨越大，受負(fù)溫影響的寒區(qū)瀝青路面低溫抗裂性能對(duì)路面結(jié)構(gòu)狀況具有重要的意義。瀝青混合料因?yàn)槠渥陨淼母袦匦詷O易受到溫度波動(dòng)的影響[1]。通過分析負(fù)溫下的瀝青混合料各項(xiàng)低溫指標(biāo)的力學(xué)特性，本項(xiàng)目借鑒水泥混凝土路面設(shè)計(jì)中的彈性地基薄板理論[2]，對(duì)負(fù)溫下的瀝青路面進(jìn)行溫縮應(yīng)力分析。利用ABAQUS軟件對(duì)彈性薄板條件下的寒區(qū)瀝青路面溫縮應(yīng)力進(jìn)行模擬與計(jì)算分析[3]，研究結(jié)果可以為寒區(qū)瀝青路面低溫抗裂等問題提供一定的理論支持。

1 寒區(qū)瀝青路面的低溫力學(xué)特性

1.1 瀝青混合料的低溫力學(xué)特性

我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中使用瀝青混合料20 ℃抗壓彈性模量及15 ℃劈裂強(qiáng)度作為瀝青結(jié)構(gòu)層的設(shè)計(jì)指標(biāo)[4]，但瀝青路面在使用過程中直接受到氣候變化的影響。

1)彈性模量與溫度的關(guān)系。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)瀝青混合料低溫下的性質(zhì)進(jìn)行過研究，其中美國(guó)對(duì)路面長(zhǎng)期性能項(xiàng)目(LTPP)的FWD數(shù)據(jù)[5]分析后認(rèn)為，瀝青面層反算模量與溫度的關(guān)系如下：

Et/E20=100.016 93(20-t)

(1)

其中，t為溫度，℃；Et為溫度t下的瀝青混合料彈性模量，MPa；E20為標(biāo)準(zhǔn)溫度(20 ℃)下的瀝青混合料彈性模量，MPa。

式(1)能很好地反映瀝青混合料在低溫情況下的彈性模量變化情況。總之，可以用通式表達(dá)為：

Et=f1(t)

(2)

2)溫縮系數(shù)與溫度的關(guān)系。瀝青混合料在溫度變化情況下產(chǎn)生變形，所以溫縮系數(shù)對(duì)溫縮應(yīng)力的產(chǎn)生有著直接的影響。水泥混凝土溫縮系數(shù)是固定不變值，但瀝青混合料溫縮系數(shù)隨著溫度降低而減少。因此，瀝青混合料溫縮系數(shù)與溫度之間也可以用通式表達(dá)為：

αt=f2(t)

(3)

其中，αt為瀝青混合料溫縮系數(shù)。

1.2 負(fù)溫下的瀝青路面溫縮應(yīng)力的計(jì)算公式

負(fù)溫下的瀝青路面各項(xiàng)性質(zhì)逐漸接近水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)，例如彈性模量增加、粘塑性降低及脆性增加等，逐漸接近彈性薄板的狀態(tài)[6]。

彈性薄板狀態(tài)下的水泥混凝土路面溫縮應(yīng)力計(jì)算公式為：

σt=-EαΔt

(4)

因此，理論上可以得出負(fù)溫下的瀝青路面溫縮應(yīng)力的計(jì)算公式為：

σt=-EtαtΔt=-f1(t)f2(t)Δt

(5)

其中，σt為瀝青路面溫縮應(yīng)力，MPa。

2 溫縮應(yīng)力的模型建立

2.1 算例概況

選取雞吶公路(雞西—吶河)為試驗(yàn)路[7]，瀝青路面數(shù)據(jù)見表1和表2。

表1 試驗(yàn)路瀝青路面結(jié)構(gòu)層數(shù)據(jù)

表2 試驗(yàn)路瀝青混合料技術(shù)參數(shù)

2.2 ABAQUS路面模型建立

按照ABAQUS建模的模塊順序建立瀝青路面模型，按照以上表中的材料參數(shù)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)層屬性賦值。邊界及荷載條件分別為低端固定兩端自由及低端固定兩端固定，單元類型采用8結(jié)點(diǎn)雙向二次平面應(yīng)力四邊形單元。確定的ABAQUS路面模型如圖1所示。

3 溫縮應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果

3.1 模型1的應(yīng)力分析

1)不同模型長(zhǎng)度的溫縮應(yīng)力分布情況。通過ABAQUS軟件的模擬結(jié)果，不同模型長(zhǎng)度的溫縮應(yīng)力分布情況如圖2所示。

從圖2中可以看出，因?yàn)闉r青混合料低溫收縮以及底部邊界條件的限制，瀝青面層表面應(yīng)力分布從兩邊到中間呈凸起狀態(tài)，中間位置達(dá)到最大值，且兩邊對(duì)稱分布。

2)溫縮應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。通過分析以上的模擬結(jié)果可知，在模型中間位置溫縮應(yīng)力值基本穩(wěn)定，所以中間穩(wěn)定部分的應(yīng)力數(shù)據(jù)為模擬應(yīng)力值，則分別取0.5 m，1 m，2 m位置處的數(shù)值得到溫縮應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(見表3)。

表3 不同模型長(zhǎng)度及溫度下的溫縮應(yīng)力(模型1) MPa

3.2 模型2的應(yīng)力分析

1)不同模型長(zhǎng)度的溫縮應(yīng)力分布情況。通過ABAQUS軟件的模擬結(jié)果，不同模型長(zhǎng)度的溫縮應(yīng)力分布情況如圖3所示。

2)溫縮應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。通過分析以上的模擬結(jié)果可知，在模型中間位置溫縮應(yīng)力值基本穩(wěn)定，所以中間穩(wěn)定部分的應(yīng)力數(shù)據(jù)為模擬應(yīng)力值，則分別取0.5 m，1 m，2 m位置處的數(shù)值得到溫縮應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(見表4)。

表4 不同模型長(zhǎng)度及溫度下的溫縮應(yīng)力(模型2) MPa

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比

根據(jù)材料力學(xué)中的原理，本研究采用3.86 MPa與4.48 MPa作為瀝青路面破壞強(qiáng)度極限參考強(qiáng)度[8，9]，計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖4所示。

從圖4中可以看出，在算例所取的各種條件情況下，路面低溫開裂溫度在-7 ℃～-10 ℃左右，且隨著溫度的降低，路面溫縮應(yīng)力不斷增加，兩種邊界條件下的溫縮應(yīng)力同步增加。因此，瀝青路面溫縮應(yīng)力與溫度的回歸關(guān)系式為：

σt=0.007 4t2-0.185 3t+1.009 6

(6)

5 結(jié)語

1)將水泥混凝土路面彈性薄板理論應(yīng)用到低溫條件下的瀝青路面計(jì)算溫縮應(yīng)力是可行的，計(jì)算結(jié)果具有一定的理論與實(shí)用價(jià)值。

2)不同邊界條件下，瀝青路面溫縮應(yīng)力在表面上雖然分布不同，但在穩(wěn)定后均保持相近的數(shù)值，從而說明在不同邊界條件下表現(xiàn)出的穩(wěn)定溫縮應(yīng)力值比較相近。

3)對(duì)擬計(jì)算數(shù)據(jù)的回歸分析，建立了瀝青路面溫縮應(yīng)力與溫度的關(guān)系，取得了比較滿意的結(jié)果。

4)瀝青路面溫縮應(yīng)力隨著溫度降低而增大，對(duì)于算例模型分析結(jié)果，在-7 ℃～10 ℃左右瀝青路面溫縮應(yīng)力大于瀝青材料的極限抗拉強(qiáng)度，即瀝青路面開裂。

[1] 張爭(zhēng)奇,趙戰(zhàn)利,張衛(wèi)平.礦料級(jí)配對(duì)瀝青混合料低溫性能的影響[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,25(2):1-5.

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[4] JTG D50—2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

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[6] 張宜洛,鄭南翔.瀝青混合料的基本參數(shù)對(duì)其高低溫性能的影響[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2006,26(4):35-39.

[7] 范勇強(qiáng).溫度影響下寒區(qū)瀝青道路路面縱向裂縫的研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué),2012.

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[9] Chen Yu,Zheng Chuanchao.Fracture Behavior of Asphalt Pavement with Cracked Base Course under Low Temperature[J].International Journal of Pavement Research and Technology,2013,6(6):773-777.

Mechanical analysis on anti-cracking performance of asphalt pavement in cold area★

Yu Tengjiang Zhang Haitao*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Combined with the actual mechanics index of asphalt pavement engineering, finite element analysis software ABAQUS cold regions asphalt pavement thermal stress changes in the temperature decreasing process will be mechanical analysis. Cement concrete pavement elastic thin plate theory, calculated under different boundary constraints situation varies with temperature asphalt surface temperature shrinkage stresses. Summed up the asphalt surface temperature variation with compressive stress on the structure of the road surface model size, temperature and boundary conditions and the like.Key words: asphalt pavement, temperature shrinkage stress, anti-cracking performance at low temperature, ABAQUS software, mechanical analysis

1009-6825(2016)24-0140-03

2016-06-13★:黑龍江省交通運(yùn)輸廳重點(diǎn)項(xiàng)目

于騰江(1989- )，男，在讀碩士

張海濤(1963- )，男，博士，教授

U416.217

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