基于有限元的高海拔地区沥青混凝土路面结构抗紫外光老化性能对比分析.pdf

第 39 卷 第 3 期2023 年 6 月 公 路 交 通 技 术Technology of Highway and Transport Vol.39 No.3 Jun.2023化高伟,王建刚.基于有限元的高海拔地区沥青混凝土路面结构抗紫外光老化性能对比分析J.公路交通技术,2023,39(3):20-26.HUA Gaowei,WANG Jiangang.Comparative analysis on the performance of asphalt concrete pavement about UV aging resistance based on finite elementJ.Technology of Highway and Transport,2023,39(3):20-26.DOI:10.13607/ki.gljt.2023.03.004收稿日期:2022-12-08作者简介:化高伟(1987),男,河南省许昌市人,硕士,工程师,研究方向为路面材料和路用性能分析。E-mail:huagaowei8 。基于有限元的高海拔地区沥青混凝土路面结构抗紫外光老化性能对比分析化高伟1,王建刚2(1.河南省高速公路联网管理中心,郑州 450016;2.中国河南国际合作集团有限公司,郑州 450018)摘 要:以改性沥青混凝土柔性基层路面为研究基础,选择 UV-531、TiO2及两者的组合为试验材料,设定试验组和对比组,确定无抗紫外光添加剂沥青混凝土为对比组,各类型抗紫外光添加剂沥青混凝土为试验组,通过室内试验获取光老化前后有关参数,开展有限元模拟分析,通过老化前后沥青路面抗车辙能力对比分析,说明不同类型抗紫外光添加剂对改善沥青路面光老化能力的效果。仿真计算结果:1)沥青混凝土回弹模量是影响沥青路面抗车辙能力的主要因子,不同类型抗紫外光添加剂在缓解光老化后沥青路面回弹模量降低方面具有不同效果,依次为 AC-13+U+TAC-13+UAC-13+T;2)剪应力作用下,上面层材料的横向移动是导致路面产生车辙的主要原因,从剪应力角度分析各类型抗紫外光添加剂对沥青路面抗光老化的改善效果,其优劣依次为:AC-13+U+TAC-13+UAC-13+T;3)综合说明一定比例组合的复配抗紫外光添加剂对改善沥青路面光老化能力具备更好的作用,可供我国西部高海拔地区沥青路面的建设养护参考。关键词:路面;车辙;剪应力;蠕变;沥青混凝土;紫外光老化文章编号:1009-6477(2023)03-0020-07 中图分类号:U414 文献标识码:BComparative Analysis on the Performance of Asphalt Concrete Pavement at High Altitudes about UV Aging Resistance Based on Finite ElementHUA Gaowei1,WANG Jiangang2(1.Henan Expressway Network Management Center,Zhengzhou 450016;2.China Henan International Cooperation Group Co.,Ltd.,Zhengzhou 450018)Abstract:Based on the modified asphalt concrete pavement of flexible base,UV-531、TiO2 and their combination were selected as test materials,the experimental group and comparison group are set.Asphalt concrete without UV-resistant additives was determined as the comparison group.Various types of UV-resistant additaive asphalt concrete were tested group,The parameters before and after optical aging were obtained by laboratory test.Simulation analysis by finite element was carried out,The rutting resistance of asphalt pavement before after aging was analyzed,The results show that different kinds of UV-resistant additives can improve the photo-aging ability of asphalt pavement.The resilience modulus of asphalt concrete is the main factor affecting the rutting resistance of asphalt pavement.Different types of anti-UV additives have different effects on reducing the modulus of rebonding of asphalt pavement after photo-aging,which are AC-13+U+TAC-13+UAC-13+T.The main reason that generate pavement rut is the lateral movement of top layer material by the effect of shear stress.The effect which improve the ability of UV aging resistance under each type UV agent from shear stress was analyzed,whose advantages and disadvantages are as follows:AC-13+U+TAC-13+UAC-13+T.In a word,A certain percentage of the compound with UV agent has a better effect on improving the capacity of UV aging resistance on asphalt pavement,which provides reference for maintenance of asphalt pavement at high altitudes of western China.Keywords:pavement;rutting;shear stress;creep;asphalt concrete;UV-light aging 我国西部高海拔地区年平均气温低,主体日照时数长,太阳辐射总能量大,太阳光谱中紫外光比例高,占太阳总辐射量的 20%25%,是内陆地区的45 倍1。紫外光辐射是造成沥青光氧老化的主要因素,目前沥青路面上面层胶凝材料多以聚合物SBS 改性沥青为主,强烈的紫外光辐射导致高海拔地区的沥青混凝土路面老化现象十分突出2。沥青混凝土受紫光光辐射影响,沥青变得干涩、脆硬,导致冬季低温劲度大大增加,破坏应变减小,因而极易形成温缩裂缝的致命弱点,致使路面开裂,又因交通荷载和自然环境的共同作用,路面出现裂缝、坑槽、剥落等早期损害,影响沥青混凝土路面的路用性能和使用寿命。研究如何提高沥青路面抗紫外光老化性能,对我国西部高海拔地区沥青路面的建设养护具有极其重要的意义。针对沥青抗紫外光老化的研究方法,已有大量文献提出,并评价了不同方法对沥青抗紫外光老化的改善效果及优缺点3-6。结合已有研究成果,本文选择纳米氧化物 TiO2及紫外光吸收剂UV-531 等材料,以一定比例在 SBS 改性沥青中加入单种和组合的抗紫外光添加剂,通过室内试验获取老化前后沥青混凝土相关技术参数,然后采用有限元软件开展沥青混凝土老化前后力学性能模拟分析,探索不同形式下抗紫外光添加剂对改善沥青路面性能的效果。1 研究对象及试验参数的确定1.1 确定研究对象本文以柔性基层路面为研究对象,确定以沥青稳定碎石为基层材料,各参数见表 1。选择 UV-531,TiO2为抗紫外光添加剂,两者最佳剂量确定为1%和 3%7,将 2 类抗紫外光添加剂按不同比例组合成第 3 组试验对象,并与原始组形成对比研究,模拟中简化了双圆均布荷载形式,为双矩形,如图 1 所示。1.2 试验参数的确定采用时间硬化蠕变模型作为有限元中的蠕变模型,路面材料的蠕变变形 cr可表示为温度 T、应力 q表 1 沥青混凝土路面结构Table 1 Pavement structure of asphalt concrete层位厚度/cm类型上面层(改性沥青)4AC-13中面层(改性沥青)5AC-16下面层(SK-90 沥青)7AC-20基层13ATB-30垫层36天然砂砾土基无限向下SOIL (a)双圆垂直均布荷载模型 (b)矩形荷载模型单位:cm图 1 车轮荷载简化模式Fig.1 Reduction model on wheel load和时间 t 的函数,按照 Bailey-Norton 蠕变规律,可得到应变与时间的关系式,如式(1)。=Aqnm+1tm+1(1)式中:为材料蠕变应变;q 为等效应力,MPa;t 为总蠕变时间,s;A,m,n 均为材料相关常数,并与温度有关。根据国内车辙试验温度及相关研究可知,60 时沥青混合料的高温稳定性极差8-9,从最不利角度出发,本文拟通过计算 60 下路面结构的力学性能,分析不同抗紫外光添加剂作用下沥青路面的抗光老化能力,并通过单轴静载蠕变试验确定路面结构上、中、下、基层在 60 下应变随时间的变化关系,如图 2 所示,同时结合应变-时间关系所得到的试验数值,采用 lstOpt 回归软件进行参数拟合,求出公式中相应材料参数 A、m、n,结果见表 2。沥青路面温度随路面结构层深度变化,根据相关研究得出沥青路面结构温度随深度变化的关系12 第 3 期化高伟,等:基于有限元的高海拔地区沥青混凝土路面结构抗紫外光老化性能对比分析图 2 沥青混合料应变-时间关系Fig.2 Relationship between strain and time of asphalt mixture表 2 路表温度为 60 时沥青混合料的蠕变参数Table 2 Creep parameters of asphalt mixture at 60 of road surface temperature混合料类型A/(10-8)nmR2AC-134.5280.782-0.683 0.945 3AC-13 老化5.430.782-0.604 0.947 6AC-13+UV-531 老化5.830.782-0.674 0.932 9AC-13+TiO2老化5.240.782-0.618 0.931 9AC-13+U+T 老化4.970.782-0.678 0.947 1AC-168.720.782-0.554 0.991 1AC-205.640.782-0.526 0.970 3ATB-308.250.782-0.425 0.965 5式10-11,如式(2)。T=1.118 1Ta-0.225 8h+4.107 6R=0.994 8(2)式中:Ta为气温,;T 为路表温度,;h 为沿路表向下深度,cm;R 为拟合近似系数。按式(2)计算各温度下路面结构不同深度处的温度值,结果见表 3。表 3 结构层温度分布Table 3 Distribution of structural layer temperature深度/cm不同气温下()的路面结构层温度分布/20304050026.4737.6548.8360425.5736.7547.9359.1924.4435.6246.8057.971622.8634.0445.2256.392919.9231.1042.2853.46按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程(JTG E202011),通过室内沥青混合料单轴压缩试验(圆柱体法)确定各类型沥青混合料在 20 时的回弹模量,依据此结果,采用温度与回弹模量的换算关系式(3),可得到其他温度下所对应的回弹模量值12。EPEP20=100.016 93(20-)(3)式中:为结构层不同深度处的温度值,;EP为温度为 的抗压回弹模量;EP20为温度为标准温度(20)时的回弹模量。依据相关规范确定路面结构中垫层和土基的回弹模量及泊松比。以上各结构层材料的回弹模量及泊松比见表 4。2 荷载作用时间及模型建立2.1 荷载作用时间荷载作用时间的计算采用“以静代动”的单次长时间加载来代替多次加载和和循环作用,因其作用效果与以上 2 种方式是等效的,从缩短有限元分析计算时间的角度考虑,这种方法可保证计算结果更加准确13。按照式(4)可计算出一定荷载作用次数下的累积作用时间。t=0.36NPnwpBv(4)式中:t 为轮载累积作用时间,s;N 为轮载作用次数;P 为车辆轴重,kN;nw为轴的轮数,个;p 为轮胎接地压力,MPa;B 为轮胎接地宽度,cm;v 为行车速度,km/h。某地公路设计年限第一年的累积轴载次数为591 482,在本次计算过程中简化为 50 万次,采用式(4)可得到累积作用时间为 4 320 s,在有限元计算过程中,将该时间分成若干个分析步加入到计算模型中,则可计算出累积轴载 50 万次后,路面结构的竖向位移和各层次的受力状况。2.2 有限元模型建立考虑路基深度超过 3 m 时受到荷载影响较小,因此,取路基深度为 3 m 建立有限元模型。按照弹性层状体系理论的假设,边界条件中两侧为链杆约束来限制水平方向的位移,底部为固定端约束,如图3 所示。网格划分按如下要求:沥青面层、ATB 基层荷载作用处网格尺寸为 0.02 m0.02 m,其他部分为 0.05 m0.02 m,垫层和土基在荷载作用出的网格尺寸为 0.02 m0.1 m,其他部分为 0.05 m0.1 m,如图 4 所示。22公 路 交 通 技 术 第 39 卷表 4 沥青混合料设计参数Table 4 Design parameters of asphalt mixture类型15 抗压回弹模量/MPa20 抗压回弹模量/MPa路表 60 时抗压回弹模量/MPa泊松比SBS AC-131 851.7931 490.073313.3340.35 SBS AC-13 老化1 545.2711 309.432275.3490.35AC-13+UV-531(1%)1 689.2591 453.423305.6270.35AC-13+TiO2(3%)1 708.9341 442.599303.3510.35AC-13+U(1%)+T(2.5%)1 771.7181 485.629312.4000.35SBS AC-161 558.4271 275.852277.8670.35SK-90 沥青 AC-201 211.4781 005.540243.3980.35ATB-30 沥青碎石基层1 483.7671 221.00331.310.30天然砂砾垫层2002002000.30土基6060600.35图 3 模型边界及作用荷载Fig.3 Boundary and load of the model图 4 模型网格划分 Fig.4 Mesh generation of the model3 各类型抗紫外光添加剂下路面结构力学性能分析3.1 模拟路面结构车辙变化紫外光对沥青路面影响深度通常只有 1 cm,模拟过程中,对路面结构上面层进行不同分组,分别为未老化 AC-13 沥青混合料及加入各类型添加剂老化后的 AC-13 沥青混合料,路面结构其他各层及基层等所用材料一致。通过分析,对比说明各类型添加剂对沥青混合料高温性能改善效果,经有限元仿真模拟,可得到各试验对象下路面结构车辙的变化形式,如图 5 所示。(a)AC-13 无老化(b)AC-13 光老化 (c)AC-13+U 光老化32 第 3 期化高伟,等:基于有限元的高海拔地区沥青混凝土路面结构抗紫外光老化性能对比分析(d)AC-13+T 光老化 (e)AC-13+U+T 光老化图 5 不同路表面材料下沥青路面车辙模拟结果Fig.5 Rutting simulation results with different materials on asphalt pavement surface图 5 计算结果显示,无添加剂且未光老化时,AC-13 沥青混合料回弹模量值较大,荷载作用下,竖向位移相对于其他情况最小,凹陷深度为 19.19 mm,隆起高度为 2.241 mm,如图 5(a)所示;光老化后,回弹模量降低,所对应的竖向位移变大,凹陷深度达到 21.39 mm,隆起高度为 2.994 mm,下陷深度相比于无老化时增加了 11.5%左右,如图 5(b)所示。加入各类型添加剂后,经过性能改善,沥青混合料经光老化后,回弹模量有较小幅度下降,对应的路面结构竖向位移较不加添加剂老化后的情况有所改善,其中添加剂组合情况下,路面结构竖向位移最小,凹陷深度为 19.6 mm,隆起高度为 2.317 mm,下陷深度相较于 AC-13 无老化时只增加了 2.14%,如图 5(e)所示;而加入 UV-531,凹陷深度为 20.19 mm,隆起高度为 2.43 mm,下陷深度相较于 AC-13无老化时增加了 5.21%,如图 5(c)所示;加入 TiO2,凹陷深度为 21.00 mm,隆起高度为 2.808 mm,相较于 AC-13 无老化时增加了 9.43%,如图 5(d)所示。从有限元分析结果中提取数据,以模型中路表面左侧边缘点为起始点,按网格划分中的间距取其他数据点,建立竖向位移沿水平方向坐标变化的图形关系,因荷载作用形式为对称关系,所以只取一半建立坐标关系,如图 6 所示。从图 6 可知,沥青路面产生的车辙在断面成“W”型分布,路面结构上面层材料不同时,车辙各不相同,车辙最大出现在车轮轮迹正下方,侧向隆起在图 6 荷载作用下竖向位移在路面横断面上的分布形式Fig.6 Distribution of vertical displacement on pavement cross section under load轮缘处和轮隙作用处较大,主要是车轮的挤压作用,中面层横向迁移引起。图 6 表明,经紫外光老化后,沥青混合料的性能变化,相同荷载作用下,光老化后路面结构车辙要比无老化时的大,加入不同类型的抗紫外光添加剂,这种情况有所缓解,只是效果有所不同,表明抗紫外光添加剂在改善沥青混合料高温性能方面具有一定的作用。在紫外光照强烈地区必须考虑对沥青路面上面层材料做抗光老化处理,对于紫外光影响不严重地区可根据实际需要对路面材料进行改善。以上情况表明,对于紫外光强烈的地区,路面结构车辙大小与沥青路面上面层回弹模量的大小有一定关系,回弹模量越大,路面结构抗车辙能力越好;从车辙方面评价各类型抗紫外光添加剂对光老化的改善效果,其影响顺序为 AC-13+U+TAC-13+UAC-13+T。3.2 路面结构各层底剪应力分析路面结构各层所受的剪应力是引起沥青混合料产生剪切变形的关键,剪应力大小能够在一定程度上反映沥青路面的抗车辙能力,从模拟结果中提取相应的剪应力数值,对各类型抗紫外添加剂下路面结构剪应力大小进行相应分析,如图 7 所示。(a)AC-13 剪应力42公 路 交 通 技 术 第 39 卷(b)AC-13 光老化后剪应力(c)AC-13+U 光老化后剪应力(d)AC-13+T 光老化后剪应力(e)AC-13+T+U 光老化后剪应力图 7 不同沥青改性作用下路面剪应力计算结果Fig.7 Calculation results of pavement shear stress under different modified asphlat图 7 中,水平方向坐标序号为车轮荷载作用处车轮最左侧边缘到最右侧边缘的所有点,每个坐标点的水平间隔为 2 cm。上面层层底最大剪应力出现在左边车轮内侧,中面层、下面层和基层最大剪应力出现在右边车轮外缘,且自上而下逐渐增大,整体来看左边车轮上面层层底剪应力最大。各抗紫外光添加剂下路面结构的最大剪应力数值如 8 所示。图 8 不同试验对象下上面层最大剪应力Fig.8 Maxium shear stress on the top surface of road under different test subects图 8 显示,AC-13 无光老化时最大剪应力为186.7 kPa,光老化后最大剪应力为 244.5 kPa,沥青路面的剪应力越大,说明抗车辙能力越差,紫外光老化会导致沥青路面抗车辙能力下降,加入不同类型的抗紫外光添加剂,最大剪应力较无添加剂老化后的情况有所改善,分别加入 UV-531(1%)、TiO2(3%),最大剪应力分别为 222.7 kPa、238.8 kPa;加入组合添加剂 UV-531(1%)+TiO2(2.5%),最大剪应力为 199.2 kPa,相较 AC-13 老化后的数值有所降低,其中组合情况下剪应力值减小最大,其次是加入 UV-531,效果最差为加入 TiO2。综上所述,若路面结构上面层材料不同,则最大剪应力出现差异,且最大剪应力出现在上面层层底,并随上面层回弹模量的增大而减小。表明车辆荷载作用下,上面层材料的横向移动是导致路面产生车辙的主要原因,从剪应力角度分析各类型抗紫外光添加剂对沥青路面抗光老化的改善效果,其优劣依次为 AC-13+U+TAC-13+UAC-13+T。4 结论本文以路面结构上面层沥青改性为不同变量,通过原始组及试验组对比,确定最不利因素时各试验对象在不同温度下路面结构有限元模拟需求参52 第 3 期化高伟,等:基于有限元的高海拔地区沥青混凝土路面结构抗紫外光老化性能对比分析数,并仿真模拟了荷载作用下,沥青混凝土路面结构力学性能,得出如下结论:1)沥青路面回弹模量是影响其抗车辙能力的关键因素,在紫外光强烈地区,通过掺入抗紫外光添加剂的改性作用,可改善沥青混凝土回弹模量,一定程度上降低车辙深度,提高沥青路面抗紫外光老化能力。2)通过抗车辙能力和路面结构层剪应力仿真模拟计算,各类型抗紫外光添加剂作用下,对提高沥青路面抗紫外光老化能力具有不同的影响效果,其顺序为 AC-13+U+TAC-13+UAC-13+T,表明 UV-531 和 TiO2以一定比例组合对改善沥青路面受光老化影响后路用性能具有更好成效,在高海拔强紫外光地区可以探索应用。参 考 文 献References1 庞凌.沥青紫外光老化特性研究D.武汉:武汉理工大学,2008.PANG Ling.Study on ultraviolet aging characteristics of 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