高溫地區橋面瀝青鋪裝蠕變關鍵影響因素分析

孫曉冬，王禹翔，楊旭

（中電建路橋集團有限公司，北京 100160）

當前國內高速公路交通迅猛發展，但高速公路各種病害問題也更加凸顯，其中瀝青面層蠕變導致的車轍現象成為高速公路瀝青路面主要病害之一。此病害對于行車安全與舒適性均會造成不利影響，并縮短公路服役壽命。因此，公路瀝青蠕變現象受到工程技術人員與學者的廣泛關注。

一些研究人員從理論出發，根據瀝青材料粘彈性性質，提出根據粘彈性力學的本構模型，如Kelvin 模型、Maxwell模型、Lethersich模型[1]、Burgers模型[2]。Huang W、Cheng Y 在此基礎上深入研究分別提出了增加單元件數量的改進模型，如廣義Maxwell 模型[3]，廣義Kelvin 模型[4]。但單元件數增加會導致計算量增大，為平衡計算效率與精度，Zhou J[5]等提出了廣義分數階黏彈性模型、Chen S Q[6]提出了冪級數模型。李赫[7]利用以上模型分析了不同溫度條件下的瀝青靜態蠕變和松弛特性；而Jiangfeng Hua 和White Thomas D 等[8-9]認為瀝青蠕變符合Norton蠕變規律。再從實驗與數值研究出發，包聰靈[10]等利用Norton 蠕變模型和有限元軟件結合現場實驗數據建立了廣東省典型半剛性瀝青路面車轍預測模型。上述研究表明，利用Norton 蠕變規律分析瀝青路面蠕變，已取得了良好成果，為此本文也采用此規律。但之前研究大多基于二維模型，并不適用于高速公路橋面瀝青面層梁體之間不連續條件下的蠕變分析。且以往研究對于橋面瀝青鋪裝蠕變的空間分布情況，以及溫度、時間對蠕變影響也少有分析。此外，與常溫地區相比，高溫地區橋梁瀝青鋪裝蠕變情況更為嚴重，因而需要加強此條件下瀝青鋪裝蠕變相關研究。

為此，本文結合廣東某高速公路橋梁鋪裝工程實踐，利用有限元方法建立橋面瀝青鋪裝蠕變三維仿真模型，分析橋面瀝青鋪裝蠕變的空間分布情況，并研究溫度、時間對蠕變的影響，為廣東及類似高溫地區高速公路橋面瀝青鋪裝的設計、施工、養護提供指導。

1 工程概況

廣東某高速公路橋梁工程位于廣州市花都區，該橋梁所在地區環境最高溫度為60℃左右，最低為20℃左右，因而在研究溫度對瀝青蠕變影響規律時，溫度按60℃、40℃和20℃選取；瀝青材料選用AC-13C，瀝青鋪裝層厚度為10cm。

2 計算模型

2.1 理論模型

Norton 模型認為瀝青蠕變是與溫度、應力、時間相關的函數，當應力保持不變時，蠕變函數可寫成如式（1）的時效硬化形式：

表1 瀝青時效硬化模型參數

2.2 荷載簡化

研究時，將車輪荷載簡化為雙輪矩形均布荷載，按照瀝青路面設計規范BZZ-100 中的要求進行模擬分析，即軸載為100kN，接地壓應力為0.7MPa，并且根據荷載應力等效的原則，簡化荷載模型。

（1）確定荷載

壓應力不變仍為p=0.7MPa，車輛在BZZ-100 標準中為單軸雙輪，所以單輪荷載P 為100/4=25kN。

（2）確定荷載簡化尺寸

矩形均布荷載長為L，寬為D，則L×D×p=P，設D=19cm，則L=18.8cm，根據測量得輪隙間距為15cm。

通過以上方法得到雙輪矩形均布荷載尺寸如圖1。

圖1 雙輪矩形均布荷載尺寸

2.3 加載時間模擬

現實運營道路上車輪荷載是長時間的、間斷作用的，JiangFeng Hua[8]采用多個較短作用時間加載步輪流間斷加載的加載方式，與采用作用時間等于以上多個加載步作用時間總和的單一加載步的加載方式，結果表明兩種加載方式所產生瀝青蠕變是一致的。對于荷載累計作用時間計算，馬雪城[9]等研究得到車輛在高速公路以最低速度60km/h 行駛，且在100kN 軸載作用50 萬次軸載時，累計作用時間為5115s，本研究也采取以上數據進行加載時間的模擬。

2.4 有限元模型

在Abaqus 中建立長20m，寬3.5m 的單車道橋面模型，瀝青面層厚10cm，采用C3D8 單元，網格近似單元尺寸為0.01m，單元數為92000 個，節點數為188094個，邊界條件除鋪裝層上表面不施加約束外，其他表面施加與實際工程一致的各方向的位移約束。工況如下：在使用AC-13C 瀝青下20℃、40℃、60℃橋面端部橫截面蠕變情況。

3 橋面蠕變情況空間分布結果計算結果與分析

3.1 橋面蠕變空間分布特征

采用AC-13C 瀝青在40℃情況下，瀝青鋪裝橋面端部橫截面蠕變情況如圖2 所示。從圖看出，蠕變車轍橫斷面呈W 狀。沉降最大為14.6mm，中心處受雙輪擠壓引起隆起導致沉降量小于其他處，僅為1.88mm，輪緣外側也因為擠壓引起隆起現象，其他部分蠕變情況微小，端部沉降最大處縱向截面蠕變情況如圖3 所示。

圖2 橋梁端部橫截面蠕變情況

圖3 端部沉降最大處縱向截面蠕變情況

橋梁蠕變分布情況為端部較大，最大為14.6mm 再快速變小過渡至中間段，中間段較為平緩。在離端部0.2m約為橋長的1%左右后過渡進入中間不變段，沉降不變段為10.66mm，約為最大沉降處的73.01%。

3.2 溫度對橋面蠕變的影響

各溫度下橋面端部橫蠕變情況如圖4 所示，蠕變隨溫度升高而增大，20℃與60℃情況下最大沉降分別是5.84mm 與25.95mm，是40℃情況下的最大沉降的40%與178%。

圖4 不同溫度下橫截面蠕變情況

3.3 作用時間對橋面蠕變的影響

蠕變隨著時間變化情況如圖5，從蠕變—時間圖可看出，在經過50 萬次軸載后，此時蠕變處于塑形流動階段。

圖5 AC-13C（40℃）瀝青鋪裝蠕變隨時間變化情況

由圖5 可知，瀝青鋪裝蠕變在經過5115s（50 萬次軸載）后處于塑形流動階段，是經過壓密變形遠遠大于剪切變形的瀝青壓實階段的變形階段，此時剪切變形遠遠大于壓密變形，這是由于瀝青面層本身的剪切強度不足導致的。

4 結論

（1）瀝青蠕變與溫度關系密切，在60℃環境下，蠕變是40℃的1.6～1.7 倍。在設計階段對于工程當地的溫度情況對于后期蠕變影響應多加考慮。

（2）蠕變在端部情況明顯，最大蠕變處為中間不變段的1.37 倍，在施工階段更要注意端部的施工質量問題，對于端部施工質量控制需加強控制，若出現施工質量問題，外加端部蠕變情況嚴重，不利因素的疊加，對于后期運營安全產生巨大隱患。

（3）蠕變在經過50 萬次軸載的作用后處于塑形流動階段，也就是壓實階段結束，進入剪切變形為主的階段，此階段蠕變變化率較小。通過此計算結果，對于施工階段而言，需對瀝青壓實施工質量要求提高，對于施工壓實度要求尤其是端部位置可以適當增加，以針對運營期車轍災害問題，從施工階段解決緩解，而不是后期花費巨大人力物力進行維護，做到事半功倍的效果。并且在經過50 次軸載后，產生了厘米級蠕變，對于后期維護間隔需要減少，運營期路面變形監測頻率需要增加。