基于有限元分析的高模量瀝青試驗段性能研究

2020-03-18 03:23:30楊中才王根寶陳繼紅

山西建筑 2020年3期

楊中才王根寶陳繼紅

(云南省建設投資控股集團有限公司，云南昆明 650501)

0 引言

瀝青混合料因其強度隨溫度升高而降低，在高溫下容易形成車轍病害。高速公路出現車轍對行車安全性產生一定的影響。提高路面抗車轍性能，除了采用合理級配外，采用高模量瀝青提高路面高溫穩定性也是重要手段。為了研究高模量瀝青試驗段性能，本文選擇幾種高模量瀝青，通過有限元力學分析建立高模量與厚度等效關系，并通過各指標綜合評價試驗段性能。研究表明:基于彎沉等效進行路面厚度換算，采用橡膠瀝青相當于SBS改性瀝青路面厚度提高1.62 cm。橡膠瀝青模量指標滿足高勁度模量混合料的技術要求。

1 原材料試驗分析

通過國內外研究現狀［1-4］，選擇滿足高模量混合料指標四種混合料，具體的性能指標如表1所示。

表1 四種HMAC20混合料性能

由表1結果可知:四種混合料均滿足高模量技術指標要求。混合料模量和疲勞壽命差異較大，橡膠瀝青模量性能適中，但其疲勞性能最優。針對瀝青路面抗車轍性能，不僅要求其有較高的模量，更需要高溫抗疲勞性能，因此，橡膠瀝青性能優異，能夠滿足抗車轍性能需求。

推薦的四種混合料的技術進行分析得出，各混合料造價如表2所示。

表2 HMAC20混合料施工造價

從表2可以看出，湖瀝青復合改性和SBS改性瀝青+聚酯纖維造價相對其他混合料較高，剩余幾種混合料造價大致相同，橡膠瀝青混合料造價居中。

2 有限元模型力學性能分析

本節通過建立有限元力學模型，分析模量與厚度因素對彎沉和拉應變的影響［5］。考慮瀝青路面材料模量受溫度、荷載作用時間等的影響。模量選取基于以往40℃動態模量，不同頻率荷載的作用［6］，上、中、下面層的模量均選取2 000 MPa。水穩碎石和土基模量分別選擇1 500 MPa，60 MPa。路面結構為4 cm AC13+6 cm AC20(變厚度、變模量)+8 cm AC25+40 cm水泥穩定碎石+土基。

中面層厚度選擇范圍為5 cm～9 cm;模量范圍為2 000 MPa～3 600 MPa。有限元力學模型如圖1所示。

圖1 有限元模型圖

高模量中面層路面結構力學分析，力學分析的關鍵指標是路表彎沉和瀝青層底的拉應力。彎沉隨模量及厚度變化的結果見圖2，圖3。

圖2 彎沉隨中面層厚度變化曲線

通過圖2，圖3可知，基于彎沉等效的計算方法，路面中面層提高400 MPa相當于中面層厚度提高1 cm。

層底彎拉應力隨面層模量和厚度變化見圖4，圖5。

從圖4，圖5可知，基于瀝青層底彎拉應力等效，中面層模量提高570 MPa相當于中面層厚度提高1 cm。在有限元計算過程中，由于瀝青鋪裝結構中層低拉應力較小，同時距離荷載位置較遠。因此，高模量瀝青應采用彎沉等效的方式，進行模量與厚度的等效換算。

圖3 彎沉隨中面層模量變化曲線

圖4 層底彎拉應力隨中面層厚度變化曲線

圖5 層底彎拉應力隨中面層模量變化曲線

3 試驗段方案設計

1)試驗方案。某高速公路推薦采用4 cm AR-AC13+6 cm橡膠瀝青HMAC20+8 cm AC25作為鋪設試驗段結構［7-9］。40℃時，橡膠瀝青 HMAC20動態模量2 790 MPa，而SBS瀝青混合料為2 142 MPa［10］。在疲勞性能提高時，通過彎沉等效換算厚度可知，相對于SBS改性瀝青，橡膠瀝青路面厚度在相同疲勞性能下等效提高了1.62 cm。

2)馬歇爾試驗分析。

試驗段馬歇爾試驗結果如表3所示。