加铺沥青层的刚柔复合路面力学特性研究.pdf

总662期2023年第32期（11月 中）收稿日期：2023-05-08作者简介：马富庆（1990），男，河北沧州人，工程师，从事道路桥梁设计工作。加铺沥青层的刚柔复合路面力学特性研究马富庆（河北高速邯港高速公路有限公司，河北 沧州 061000）摘要：路面耐久性和承载能力对公路正常运行具有重要影响。为此，结合某公路工程实例，对其刚柔复合路面结构建立了ABAQUS数值模型，借助室内斜剪试验和拉拔试验获取了抗剪和拉拔强度，对静荷载和匀速荷载作用下路面力学响应和路面结构层动态响应进行分析。结果表明：静荷载作用下行车方向和垂直行车方向上，不同位置沥青面层层底的应力状态有所差异，横向应变的变化幅度比纵向大；基层层底的纵向和横向剪切应变相对较小；沥青路面的剪应力随着路面深度的增加先上升后下降，路面深度为5.8 cm时剪应力最大。关键词：加铺沥青层；刚柔复合路面；力学特性；数值模拟中图分类号：U416.2文献标识码：A0 引言随着车辆数量的增加和交通流量的增大，路面的使用寿命和承载能力受到了越来越大的挑战。如何提高路面的耐久性和承载能力是当前部分公路项目面临的重要问题1。刚柔复合路面是一种结构新颖、性能卓越的路面结构，由于采用了不同硬度的材料组成，通过相互作用达到优化路面性能的效果2-3。其中，加铺沥青层作为刚柔复合结构的重要组成部分，对路面性能具有重要影响。因此，研究加铺沥青层的力学特性，探讨其对路面性能的影响，对于优化路面结构，提高路面的耐久性和承载能力具有重要意义。1 工程概况某市区附近的一段高速公路，总长度为5 km，高6.5 m，宽度为5 m，路段的设计速度为120 km/h，路面结构为刚柔复合结构，由混凝土垫层、片石混凝土垫层、土基和沥青层组成，其中，沥青层的厚度为6 cm。该道路交通量较大，道路周围地区为城市居民区和商业区。2 研究方法采用数值模拟与室内试验相结合的方法对加铺沥青层的刚柔复合路面力学特性进行研究。在数值模拟方面，动态加载采用移动带的方法完成，荷载顺着移动带在加荷范围内以 25 m/s的速度移动，此过程使用DLOAD 程序模拟。行车荷载可以看作矩形均布荷载，荷载大小使用标准轴载，竖直方向上的均布压力取0.7MPa。室内试验主要有斜剪试验和拉拔试验，以获取试样的抗剪强度及拉拔强度数据。3 数值模型建立使用 ABAQUS 软件进行数值模拟，模型尺寸为：长6 m，高6.5 m，宽5 m。模型材料分为4层，第一层为面层，材料为SMA-13，厚度为0.06 m；第二层为基层，材料为混凝土，厚度为0.24 m，第三层是仰拱回填层，填料为片石混凝土，厚度为0.4 m，最后一层为土基，厚度为6 m。路面各结构层参数如表1所示。表1 路面各结构层参数材料SMA-13（0.06 m）混凝土（0.24 m）仰拱回填（0.4 m）土基（6 m）层位面层基层1基层2土基动态模量/MPa8 00030 00017 00040泊松比0.350.450.450.5密度/（kg/m3）2 3002 3002 3001 800阻尼系数5.1525.1503.21110-43.21110-44 研究结果分析4.1 静荷载作用下路面力学响应分析沥青层底弯拉应变如图1所示。由图1可知，在静120交通世界TRANSPOWORLD载作用下，在行车方向和垂直行车方向上，位置不同，沥青层底的应力状态差异很大，整体呈M形，其中在车轮间隙中心处，拉应变值最大，驱动方向的拉应变达到19.50，垂直驱动方向的拉应变达到60.90。静荷载作用下，基底层弯拉应变呈双峰形，在行车方向上，基底层始终处于压缩状态，最大压应变为6.51，在垂直行车方向上，出现较小的拉伸应变，这与基层混凝土强度较高有关。沥青层底剪切应变如图 2 所示。观察图 2 可以发现，沥青层底横向剪应变和纵向剪应变分别沿路面横向和纵向呈反对称分布，其中，最大横向剪应变值是 111.59，所对应的最大剪应力为 0.85 MPa，最大纵向剪应变为 107.75，对应的最大剪应力为0.83 MPa。路面基层层底剪切应变如图3所示。由图3可知，基层层底纵向和横向剪应变值相对较小，其中，横向剪应变的最大值为 8.02，纵向剪应变最大值是8.90。图4为最大剪应力随路面深度变化曲线。由该图可知，随着路面深度的增加，沥青路面的剪应力先逐渐增大到一定值后又出现减小趋势。在路面深度为5.8 cm时，剪应力值最大。此时，容易造成沥青表面的松动开裂。沥青路面的剪切破坏容易发生在路面表面和底部之间的黏聚层。4.2 室内斜剪及拉拔试验制备水泥混凝土试块，在其表面涂抹改性乳化沥青、反应型防水黏结剂和环氧沥青三种黏层油。然后，将试块黏结在未成型的沥青混合料表面，制成不同黏结层的试件。其中，涂有环氧沥青黏结层的试件要求在 50 的干燥箱中养护 4 h，然后升温到 120 养护12 h，其他试件则在室温下养护。对试样进行了45 斜向剪切和拉拔试验，确定不同黏结层的层间剪切强度及拉拔强度。结果如图5所示。改性乳化沥青黏层、反应型防水黏结剂黏层、环氧沥青黏层的层间剪切强度分别为0.41 MPa、1.11 MPa、2.97 MPa，高于4.1节中计算的层底最大剪切应力0.84 MPa。因此，在混凝土路面横向距离/m0.00.20.40.60.81.01.2eyex沥青层层底拉应变（me）6040200-20-40-60图1 沥青层层底弯拉应变图2 沥青层层底剪切应变横向距离/m0.000.050.100.150.200.250.300.350.40150100500-50-100-150沥青层层底剪应变（me）ezyezx1086420-2-4-6ezxezy基层层底剪应变（me）纵向距离/m0.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8图3 路面基层层底剪切应变最大剪应力/MPa0.00.10.20.30.40.502468101214161820深度/cm图4 最大剪应力随路面深度的变化曲线121总662期2023年第32期（11月 中）上铺设SMA-13沥青混合料时，推荐使用反应型防水黏结剂。同时，黏层油用量过大会导致层间的拉拔、抗剪强度降低，建议将黏层油的用量控制在 1.0 kg/m2左右。4.3 匀速荷载下路面结构层动态响应分析图6为沥青面层底部弯拉应变的时间历程曲线。由图6可以看出，沥青面层底部纵向和横向应变的时间历程曲线不同，最大纵向拉应变为61.39，而最大横向拉应变为42.40。这是因为在车辆行驶过程中，沥青面层底部受到的荷载主要是沿着行车方向的，即纵向荷载。因此，在沥青面层底部的纵向应变时间历程曲线中，由于纵向荷载的作用，最大拉应变值会比横向应变的最大拉应变值更大。由基层层底的弯拉应变数据可知，基层层底纵向和横向弯曲应变随时间的变化趋势相近。此外，沥青面层层底的应变明显大于基层层底。沥青层底剪应变研究数据表明，在荷载作用下，沥青表面处于不同剪切状态，受到复杂的剪切力的作用，导致路面变形。当荷载移动到研究点前时，沥青表面受到正向剪切力，即正推力，路面容易发生纵向剪切流变。当荷载移动到研究点后时，沥青表面受到负的剪切力。由于荷载的反复作用，沥青表面会发生纵向流动变形，可能导致路面的损坏和失效。此外，沥青表面也可能会出现裂缝、龟裂、凹陷等现象，影响路面的平整度和使用寿命。沥青面层层底的横向剪应变始终呈现单向剪切状态，没有明显变化。根据不同轴重下沥青面层层底剪应变随路面深度变化的研究结果可知，随着轴重的增加，在路面相同深度对应的纵向剪应变不断变大，在路面深度为3 cm处，纵向剪应变达到最大，出现峰值。根据沥青层底峰值弯拉应变试验结果可知，在相同的胎压条件下，车速越大弯拉应变峰值越小，当车速不变时，轮胎压力越大弯拉应变峰值越大，其中超压对纵向弯拉应变的影响更大。这是因为随着车速的增加，车轮与路面的接触时间减少，每个接触时间内荷载的作用也随之减小。弯拉应变峰值随着轮胎压力的增加而增加，这是因为轮胎压力的增加会使得荷载作用于路面的面积减小，增加了每个接触时间内荷载的作用，导致基层层底的变形增加。5 结论本文结合刚柔复合路面结构建立了 ABAQUS 数值模型，借助室内斜剪试验和拉拔试验获取了抗剪和拉拔强度，对静荷载和匀速荷载作用下路面力学响应和路面结构层动态响应进行分析，得到如下结论。1）在静荷载作用下，行车和垂直行车方向上，位置不同，沥青面层层底的应力状态有所差异，横向应变的变化幅度比纵向大；基层层底的纵向和横向剪切应变相对较小。2）沥青路面的剪应力随着路面深度的增加先上升后下降，路面深度为5.8 cm时剪应力最大，轮胎外缘的沥青路面更容易受到剪切破坏。3）在隧道混凝土路面上铺设SMA-13沥青混合料时，建议采用反应型防水黏结剂，将黏层油的用量控制在1.0 kg/m2。4）弯拉应变峰值随着车速的增加而明显下降，随着轮胎压力的增加而增加，其中超压对纵向弯拉应变的影响更大。参考文献：1 冯伟，刘朝晖，柳力，等.半刚性基层沥青路面车辙有限元模拟及灰关联分析J.中外公路，2021，41（6）：60-65.（下转第126页）乳化沥青黏层油环氧沥青黏结油反应型防水黏结剂3.02.52.01.51.00.50.0抗剪强度/MPa图5 不同黏层油抗剪强度0.000.050.100.150.200.250.300.350.40eyyexx时间/s20100-10-20-30-40-50-60-70沥青层层底弯拉应变（me）图6 沥青层层底弯拉应变的时间历程曲线122总662期2023年第32期（11月 中）2）为防止低温导致混合料在碾压过程中产生推移，碾压必须在温度相对较高的情况下进行，同时还要在要求的温度范围之内结束碾压。3）在碾压过程中，可根据现场实际情况向钢轮压路机的压实轮表面适量喷水，以防止压实轮和混合料之间产生黏结影响平整度，但要注意实际喷水量不可过大，否则会使混合料的温度快速降低。4）将路面碾压完成后，在混合料冷却之前禁止任何机械设备通行与停放，同时注意避免油料、矿料或其他杂物掉落到施工完成的路面，以免造成污染。在路面自然冷却至 50 后，即可开放施工段的交通。4 结束语综上所述，平整度是衡量路面质量的关键指标，施工中很多因素都会对路面平整度造成影响，这就要求在路面施工的每个阶段都高度重视并严格控制平整度，包括混合料拌和、运输、摊铺与碾压，只有通过对各个施工阶段的严格控制，才能有效保证路面平整度，达到预期要求，从而保证路面行车舒适性。参考文献：1 李岗，吕品阳，许翀.沥青路面层间温度分析及路面平整度的控制J.工程建设与设计，2021（16）：62-64，73.2 林威.沥青混凝土路面平整度传递机理和提升控制 要 点 分 析 J.交 通 节 能 与 环 保，2020（5）：118-120.3 林津，禤炜安，谭淑芳.高速公路沥青路面平整度层位传递与控制技术J.西部交通科技，2020（10）：31-34，43.4 郝利锁.沥青路面平整度车载式颠簸累积检测法及 施 工 控 制 措 施 J.工 程 建 设 与 设 计，2020（6）：200-201.（上接第122页）2 董泽蛟，曹丽萍，谭忆秋，等.移动荷载作用下沥青路面三向应变动力响应模拟分析J.土木工程学报，2009（4）：133-139.3 舒富民，钱振东.移动荷载作用下沥青路面的动力响应分析J.交通运输工程与信息学报，2007，5（3）：90-95.4 胡小弟，孙立军.实测轻型货车轮载作用下沥青路面力学响应分析J.公路交通科技，2005，22（9）：1-6.5 许涛，黄晓明，高雪池.移动荷载作用下沥青混凝土桥面铺装层动力响应分析J.公路交通科技，2007，24（10）：6-10.126