寒區瀝青路面低溫抗裂性能的力學分析★

于騰江 張海濤

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

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寒區瀝青路面低溫抗裂性能的力學分析★

于騰江 張海濤*

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

結合實際工程瀝青路面的各項力學指標，利用有限元分析軟件ABAQUS，對寒區瀝青路面在溫度降低過程中的溫縮應力變化進行了力學分析，并以水泥混凝土路面彈性薄板理論為依據，計算得到了不同邊界約束情況下隨溫度變化的瀝青面層溫縮應力，總結出了瀝青面層溫縮應力隨路面模型的結構尺寸、溫度以及邊界條件等影響因素的變化規律。

瀝青路面，溫縮應力，低溫抗裂性能，ABAQUS軟件，力學分析

0 引言

我國幅員遼闊，氣候溫度跨越大，受負溫影響的寒區瀝青路面低溫抗裂性能對路面結構狀況具有重要的意義。瀝青混合料因為其自身的感溫性極易受到溫度波動的影響[1]。通過分析負溫下的瀝青混合料各項低溫指標的力學特性，本項目借鑒水泥混凝土路面設計中的彈性地基薄板理論[2]，對負溫下的瀝青路面進行溫縮應力分析。利用ABAQUS軟件對彈性薄板條件下的寒區瀝青路面溫縮應力進行模擬與計算分析[3]，研究結果可以為寒區瀝青路面低溫抗裂等問題提供一定的理論支持。

1 寒區瀝青路面的低溫力學特性

1.1 瀝青混合料的低溫力學特性

我國瀝青路面設計規范中使用瀝青混合料20 ℃抗壓彈性模量及15 ℃劈裂強度作為瀝青結構層的設計指標[4]，但瀝青路面在使用過程中直接受到氣候變化的影響。

1)彈性模量與溫度的關系。國內外許多學者對瀝青混合料低溫下的性質進行過研究，其中美國對路面長期性能項目(LTPP)的FWD數據[5]分析后認為，瀝青面層反算模量與溫度的關系如下：

Et/E20=100.016 93(20-t)

(1)

其中，t為溫度，℃；Et為溫度t下的瀝青混合料彈性模量，MPa；E20為標準溫度(20 ℃)下的瀝青混合料彈性模量，MPa。

式(1)能很好地反映瀝青混合料在低溫情況下的彈性模量變化情況。總之，可以用通式表達為：

Et=f1(t)

(2)

2)溫縮系數與溫度的關系。瀝青混合料在溫度變化情況下產生變形，所以溫縮系數對溫縮應力的產生有著直接的影響。水泥混凝土溫縮系數是固定不變值，但瀝青混合料溫縮系數隨著溫度降低而減少。因此，瀝青混合料溫縮系數與溫度之間也可以用通式表達為：

αt=f2(t)

(3)

其中，αt為瀝青混合料溫縮系數。

1.2 負溫下的瀝青路面溫縮應力的計算公式

負溫下的瀝青路面各項性質逐漸接近水泥混凝土路面的結構狀態，例如彈性模量增加、粘塑性降低及脆性增加等，逐漸接近彈性薄板的狀態[6]。

彈性薄板狀態下的水泥混凝土路面溫縮應力計算公式為：

σt=-EαΔt

(4)

因此，理論上可以得出負溫下的瀝青路面溫縮應力的計算公式為：

σt=-EtαtΔt=-f1(t)f2(t)Δt

(5)

其中，σt為瀝青路面溫縮應力，MPa。

2 溫縮應力的模型建立

2.1 算例概況

選取雞吶公路(雞西—吶河)為試驗路[7]，瀝青路面數據見表1和表2。

表1 試驗路瀝青路面結構層數據

表2 試驗路瀝青混合料技術參數

2.2 ABAQUS路面模型建立

按照ABAQUS建模的模塊順序建立瀝青路面模型，按照以上表中的材料參數進行路面結構層屬性賦值。邊界及荷載條件分別為低端固定兩端自由及低端固定兩端固定，單元類型采用8結點雙向二次平面應力四邊形單元。確定的ABAQUS路面模型如圖1所示。

3 溫縮應力的計算結果

3.1 模型1的應力分析

1)不同模型長度的溫縮應力分布情況。通過ABAQUS軟件的模擬結果，不同模型長度的溫縮應力分布情況如圖2所示。

從圖2中可以看出，因為瀝青混合料低溫收縮以及底部邊界條件的限制，瀝青面層表面應力分布從兩邊到中間呈凸起狀態，中間位置達到最大值，且兩邊對稱分布。

2)溫縮應力計算結果。通過分析以上的模擬結果可知，在模型中間位置溫縮應力值基本穩定，所以中間穩定部分的應力數據為模擬應力值，則分別取0.5 m，1 m，2 m位置處的數值得到溫縮應力計算結果(見表3)。

表3 不同模型長度及溫度下的溫縮應力(模型1) MPa

3.2 模型2的應力分析

1)不同模型長度的溫縮應力分布情況。通過ABAQUS軟件的模擬結果，不同模型長度的溫縮應力分布情況如圖3所示。

2)溫縮應力計算結果。通過分析以上的模擬結果可知，在模型中間位置溫縮應力值基本穩定，所以中間穩定部分的應力數據為模擬應力值，則分別取0.5 m，1 m，2 m位置處的數值得到溫縮應力計算結果(見表4)。

表4 不同模型長度及溫度下的溫縮應力(模型2) MPa

4 計算結果對比

根據材料力學中的原理，本研究采用3.86 MPa與4.48 MPa作為瀝青路面破壞強度極限參考強度[8，9]，計算結果對比如圖4所示。

從圖4中可以看出，在算例所取的各種條件情況下，路面低溫開裂溫度在-7 ℃～-10 ℃左右，且隨著溫度的降低，路面溫縮應力不斷增加，兩種邊界條件下的溫縮應力同步增加。因此，瀝青路面溫縮應力與溫度的回歸關系式為：

σt=0.007 4t2-0.185 3t+1.009 6

(6)

5 結語

1)將水泥混凝土路面彈性薄板理論應用到低溫條件下的瀝青路面計算溫縮應力是可行的，計算結果具有一定的理論與實用價值。

2)不同邊界條件下，瀝青路面溫縮應力在表面上雖然分布不同，但在穩定后均保持相近的數值，從而說明在不同邊界條件下表現出的穩定溫縮應力值比較相近。

3)對擬計算數據的回歸分析，建立了瀝青路面溫縮應力與溫度的關系，取得了比較滿意的結果。

4)瀝青路面溫縮應力隨著溫度降低而增大，對于算例模型分析結果，在-7 ℃～10 ℃左右瀝青路面溫縮應力大于瀝青材料的極限抗拉強度，即瀝青路面開裂。

[1] 張爭奇,趙戰利,張衛平.礦料級配對瀝青混合料低溫性能的影響[J].長安大學學報(自然科學版),2005,25(2):1-5.

[2] JTG D40—2011，公路水泥混凝土路面設計規范[S].

[3] 廖公云,黃曉明.ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應用[M].南京:東南大學出版社,2008:77-100.

[4] JTG D50—2006，公路瀝青路面設計規范[S].

[5] US Department of Transportation,Federal Highway Administration.LTPP Manual for Falling Weight Deflectometer Measurements Operational Field Guidelines[S].Washington DC:FHWA,2000:25-38.

[6] 張宜洛,鄭南翔.瀝青混合料的基本參數對其高低溫性能的影響[J].長安大學學報(自然科學版),2006,26(4):35-39.

[7] 范勇強.溫度影響下寒區瀝青道路路面縱向裂縫的研究[D].哈爾濱：東北林業大學,2012.

[8] 吳贛昌.半剛性路面溫度應力分析[M].北京:科學出版社,1995:93-103.

[9] Chen Yu,Zheng Chuanchao.Fracture Behavior of Asphalt Pavement with Cracked Base Course under Low Temperature[J].International Journal of Pavement Research and Technology,2013,6(6):773-777.

Mechanical analysis on anti-cracking performance of asphalt pavement in cold area★

Yu Tengjiang Zhang Haitao*

(CollegeofCivilEngineering,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China)

Combined with the actual mechanics index of asphalt pavement engineering, finite element analysis software ABAQUS cold regions asphalt pavement thermal stress changes in the temperature decreasing process will be mechanical analysis. Cement concrete pavement elastic thin plate theory, calculated under different boundary constraints situation varies with temperature asphalt surface temperature shrinkage stresses. Summed up the asphalt surface temperature variation with compressive stress on the structure of the road surface model size, temperature and boundary conditions and the like.Key words: asphalt pavement, temperature shrinkage stress, anti-cracking performance at low temperature, ABAQUS software, mechanical analysis

1009-6825(2016)24-0140-03

2016-06-13★:黑龍江省交通運輸廳重點項目

于騰江(1989- )，男，在讀碩士

張海濤(1963- )，男，博士，教授

U416.217

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