冷補瀝青混合料與舊路面材料界面黏結特性研究

柏正云　董文姣　葛娟

摘 要：冷補瀝青混合料作為一種新型的瀝青路面修補材料，與傳統修補材料相比，具有明顯的優勢，社會經濟效益顯著。本文根據實際路面坑槽，建立有限元模型，分析不同荷載位置、坑槽尺寸、槽壁深度對坑槽壁面受力特點，探究冷補瀝青混合料與舊路面材料的界面黏結特性。

關鍵詞：冷補瀝青混合料；有限元；界面黏結特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.045

0 引言

當前道路由于交通量劇增，部分路面設計不合理以及施工質量不高的原因，路面結構的損壞日漸加重，影響了道路的服務能力，阻礙了交通運輸效益的發揮。因此，需要及時地對路面進行養護與修補。目前，國內有很多坑槽修補材料，冷補瀝青混合料作為一種新型的瀝青路面修補材料，與傳統修補材料相比，具有明顯的優勢[1]。但是路面進行坑槽修補時沒有確切的理論依據。本文根據實際路面坑槽修補結構，建立有限元模型進行力學分析，研究冷補瀝青混合料與舊路面材料界面黏結特性。

1 有限元模型的建立

本文假定路面各層是平面無限大的彈性體，建立簡化模型。模型中建立part1和part2，part1是坑槽填料的模型，part2是舊路結構模型。part1大小為1O0cm×lO0cm×12cm，part2大小為3.75m×3.75m×3m。圖1為簡化的有限元模型。

在模型中考慮舊路各結構層層間處于完全連續的接觸狀態：規定應力邊界條件是雙圓均布荷載，輪壓q取規定值0.7MPa，在建模加載過程中，將車輪雙圓均布荷載換算為18.6cm×19.2cm的矩形載荷。路面材料均假設為線彈性材料，根據彈性模量和泊松比確定力學性能指標。根據工程實踐，冷補瀝青混合料彈性模量E=1200MPa；粘結層彈性模量E=50Mpa，，粘結層厚度取5mm。舊路面結構層各層材料參數及厚度如表1所示，以下道路基本結構參數與此相同。

2 坑槽壁面受力影響因素分析

2.1 不同荷載位置對壁面受力的影響

本節主要研究不同荷載位置對坑槽壁面受力的影響。為了真實模擬車輛載荷的作用，并且考慮到對稱性以及最不利荷載的影響，把車輛載荷的作用位置分為以下6種：工況1荷載緊靠坑槽橫向壁縫中心外緣；工況2荷載作用在坑槽橫向壁縫中心中縫上；工況3荷載緊靠坑槽橫向壁縫中心內緣；工況4荷載緊靠坑槽邊角外緣；工況5荷載作用在邊角中縫上；工況6荷載作用在坑槽邊角內緣；。圖2為6種工況的示意圖（Z方向表示行車方向，大矩形表示路面，中矩形表示坑槽，小矩形表示荷載）。

本文選取坑槽壁面橫向剪應力作為基本指標進行比較分析。下面各圖中分析的橫向底緣剪應力為靠近車輪荷載一邊的橫向底緣（圖X方向）。其中圖3-5為不同工況的坑槽壁面剪應力圖。

從圖3-5可以看出在坑槽壁面h=0cm處，工況2的剪應力峰值最大；在坑槽壁面h=6cm處，工況2的剪應力峰值最大。在坑槽壁面h=12cm處，工況6剪應力峰值最大。比較以上不同深度處三個剪應力峰值的大小最終得出工況6的剪應力峰值是最大值。故工況6為最不利荷載作用位置。

2.2 坑槽尺寸對壁面受力的影響

本節主要研究坑槽尺寸對坑槽壁面受力的影響，選取最不利工況的荷載作用位置，固定坑槽的深度z=12cm不變，對坑槽平面尺寸選取100cm×100cm、120cm×120cm、150cm×150cm、170cm×170cm、200cm×200cm、220cm×220cm六種不同平面尺寸進行比較。

由圖6可以看出：隨著坑槽尺寸的增大，壁面各點的剪應力明顯降低。當平面尺寸由小增大時，坑槽壁面剪應力峰值也呈減小的趨勢，坑槽壁面的剪應力峰值依次減小4.7%、5.1%、7.2%、10.5%、10.2%，可見隨著平面尺寸的增大剪應力峰值減小的比率逐漸增大且最終趨于平緩。因此，坑槽平面尺寸越小受力越不利。

2.3 坑槽深度對壁面受力的影響

本節對五種不同的坑槽深度進行力學分析，選取工況6作為最不利荷載。保持坑槽橫向、縱向尺寸不變，改變修補層的厚度[2]，分別采用以下五種不同深度：100cm×l00cm×12cm、100cm×l00cm×10cm、100cm×l00cm×8cm、100cm×l00cm×6cm、100cm×l00cm×4cm，針對上述五個模型對坑槽壁面橫向底緣剪應力進行分析。下圖為坑槽壁面橫向底緣剪應力圖。

從圖7可以看出隨著坑槽深度的增加，坑槽壁面橫向底緣剪應力逐漸增大，剪應力峰值也逐漸增大，增大比率分別為6.3%、3.8%、3.7%、1.3%。可見隨著坑槽深度的增加，壁面剪應力峰值增大比率越來越小。因此，隨著坑槽深度增大對坑槽壁面受力越不利。

2.4 撒布粘層油后對壁面受力的影響

瀝青路面坑洞破損部分用破碎機或銑刨機開槽成型后，在攤鋪修補材料前，在坑槽壁面和底面上通常先向坑槽壁面和底面上薄薄地、均勻地噴涂一層粘層油，來浸潤坑槽內表面裸露出的石料[3]。為了探究灑布粘層油對壁面受力是否有利，對灑和不灑粘層油分別建立如下有限元模型進行計算分析：坑槽大小取100cm×l00cm×12cm的立方體，修補材料的彈性模量取為1200MPa，荷載取最不利荷載，槽四周粘層油厚5mm，粘層油彈性模量50MPa。

3 結語

本文針對冷補瀝青混合料進行坑槽修補，建立有限元模型，對坑槽壁面受力進行力學分析，得到以下結論：（1）坑槽角隅處（工況6）為最不利荷載作用位置；（2）坑槽平面尺寸越小受力越不利；（3）隨著坑槽深度增大對坑槽壁面受力越不利；（4）坑槽壁面灑布粘層油后對壁面受力是十分有利的。

參考文獻：

[1]張道偉.瀝青路面坑槽破壞類型及修補機理分析[J].華東公路，2011（05）.

[2]吳莉萍.瀝青路面坑槽修補研究[J].城市道橋與防洪，2010（08）.

[3]徐清華.瀝青路面坑槽修補技術及其計算機仿真分析[D].長安大學，2009.