瞬態連續變溫下瀝青混凝土路面蠕變分析

黃 娟 （江蘇燕寧工程科技集團有限公司，江蘇 南京 210004）

1 引言

隨著我國交通運輸的快速發展，尤其是東南沿海地區，人民群眾對于城市道路系統的需求不僅僅是停留在“發展數量”，更多地上升為“發展質量”[1]。尤其是高速公路及快速路段，安全、平穩、快速通過是大部分司機對于道路工程的愿景。瀝青混凝土路面具有表面平整、耐磨、養護維修工藝簡單、行車舒適及施工周期短等特點，成為了新建與改建高速道路的首選材料。但隨著汽車數量的增多、人為因素、施工規范不統一及超載等原因，瀝青混凝土路面或多或少的出現一定的破損，而車轍是最常見的損害，尤其是在交叉路口處[2-3]。

瀝青路面的蠕變變形也即車轍是造成行車顛簸與慢速行駛的主要原因。對于瀝青混凝土的路面蠕變變形研究，大都在恒溫狀態下，有學者認為這樣考慮能夠提高安全系數，但該做法不能較好地與實際情況貼合?，F實情況是，瀝青混凝土路面是受連續變溫的日照溫度場影響，屬于瞬態問題，如果數值模型中采取的是恒溫溫度場，則是穩態分析，瀝青混凝土作為一黏彈性介質，受溫度影響很大，尤其是在連續高溫作用下。因此要想了解瀝青混凝土路面在實際情況下的蠕變變形，則必須要采用瞬態分析，引入與實際工程相關的實際溫度場，并且考慮材料本構隨溫度的變化，建立車轍模擬的時空分析方法，才能以此估算更為符合實際的車轍計算[4-5]。

本文擬依托福建省東山地區某實際工程，通過記錄7月份的天氣數據及利用ABAQUS軟件計算得到分析場地的瞬態連續變溫溫度場數據，導入到蠕變分析模型中，探究瞬態連續變溫下瀝青混凝土路面蠕變變形，分析瞬態連續變化溫度場下車轍處的位移、應力及蠕應變情況得到瀝青路面在瞬態連續變溫下產生蠕變的力學機理。該結果是基于東山地區實際交通特性、城市自身氣候條件進行的瀝青混凝土路面的車轍研究，對于改善該城市道路瀝青路面耐久性具有重要意義。

2 瀝青混凝土路面蠕變機理

材料受到低于降服或者抗拉應力作用時，造成長時間的塑性變形之現象稱之為蠕變。金屬材料蠕變行為通常發生于連續變溫中的高溫階段，在其余溫度階段蠕變現象極小，通常視為無蠕變現象發生。而本文所研究的瀝青混凝土屬于改性混凝土，為高分子材料，高分子材料在常溫時會有較明顯的蠕變現象發生，而當應力或溫度梯度增加時，蠕變現象愈加明顯。

一般而言，在初始應力一定時，也即假定路面行車荷載為可描述的線性荷載，瀝青混凝土蠕變行為中總應變ε（t）可分解為彈性應變與蠕應變[6]：

當蠕變行為進入材料塑性區，則總應變ε（t）可分解為：

式中，εin、εp及 εc分別為彈性應變、非彈性應變、塑性應變及蠕應變。其中εc蠕應變可以用時間t、溫度T及應力σ的函數進行表示：

通常溫度造成宏觀（蠕變）變形與材料內部的分子振動造成分子鏈的滑動以及分子鏈結構改變相關，而且材料內部的分子振動頻率v與鍵節移動所克服之勢能壘相依。因此，在以后的研究過程中，探索瀝青混凝土在瞬態連續變溫下的宏細觀變形之間的聯系將有利于完善瀝青混凝土的蠕變機制，并能為改性瀝青混凝土新材料的誕生提供量產可能。

3 工程實例

3.1 工程概況

東山縣位于福建南部沿海、臺灣海峽西岸。地勢由西北向東南傾斜，地貌依序為低丘-臺地-濱海小平原（海拔15m以下），最高處蘇峰山頂海拔274.3m。路線穿越的地貌單元主要有3個，為侵蝕剝蝕丘陵地貌區、海積階地地貌區及淺海灘涂地貌區，且大部分為侵蝕剝蝕丘陵地貌區和海積階地地貌區。

國省干線聯十五線東山生態環島公路主線西銅公路經砂礦路至親營段（K18+450～K24+613），道路等級為公路一級（兼城市道路功能），設計車速60km/h，設計荷載：橋梁為公路Ⅰ級、路面為雙輪組單軸100kN，道路全長6.163km，路線起點與砂礦路橡膠，經莊園御海、濱海灣花園、裕華石油，終點位于親營村水產養殖場，包括道路、橋涵、雨污水管道及景觀綠化工程等。

依托項目的路面設計結構為70cm，包括：細粒式改性瀝青混凝土AC-13C上面層4cm；中粒式改性瀝青混凝土AC-20C下面層6cm；瀝青穩定碎石（ATB-25）上基層14cm；級配碎石下基層15cm；瀝青表處下封層1cm；水泥（5%）穩定碎石底基層30cm

3.2 瞬態連續溫度場計算

東山島屬南亞熱帶海洋性季風氣候，常年氣候溫和濕潤，冬暖夏涼，全年無霜。年降水量1103.8mm，歷年月平均最高氣溫30.7℃、月均最低氣溫11.1℃，平均濕度81%；臺風平均每年影響4.4次，最大風力12級以上，最大風速8m/s；歷年平均雷電日35.3d，以3～9月為雷電多發時期。本文擬參考2017年7月份某天24h氣溫數據，如圖1所示，通過ABAQUS初始分析步的熱傳遞模塊及相互作用中的定義幅值溫度曲線、surface film condition、二次開發的子程序FILM定義隨時間變化的外界溫度（溫度邊界條件），在載荷模塊中通過二次開發的子程序DFLUX定義隨時間變化的熱流。通過計算可得到依托工程的瞬態連續變溫溫度場，熱流量向量云圖如圖2所示，考慮瞬態連續變溫下瀝青混凝土路面蠕變分析的計算流程如圖3所示。

圖1 工程所在場地某天24h氣溫變化

圖2 瞬態連續變溫溫度場熱流量向量云圖

圖3 考慮瞬態連續變溫下瀝青混凝土路面蠕變分析計算流程

3.3 材料參數及本構選取

在ABAQUS軟件中對于車轍的計算，一般采用時間硬化蠕變模型參數，此處假設分析模型中為各向同性的材料。分析蠕變變形，一般采用Bailey-Norton蠕變規律，在應力不變的條件下，時間硬化蠕變模型表達式為：

其中，q 與 t表示應力和時間，C1和 C2、C3為溫度模型的參數。

若假定q與t互不相關，則有：

令 A=C1C3；n=C2；m=C3-1

則有：

該式即為ABAQUS中以蠕變率表示的時間硬化蠕變模型，A和n、m為模型參數。具體數值如表1所示。

路面混合料蠕變參數 表1

3.4 瀝青混凝土路面蠕變分析

依托東山縣實際工程，建立ABAQUS有限元分析模型，模型幾何參數如圖4所示，通過觀察瞬態連續變溫下瀝青混凝土模型車轍處的蠕變、應變、豎向位移對福建東山地區砂礦路至親營段路面結構進行有效評估，在施加荷載時，設置接地壓力為0.7MPa，一次加載時間約為0.009s。計算得到瞬態連續變溫下瀝青混凝土模型的響應情況，如圖5所示。

從圖5(a)(b)(c)可以看出，瞬態連續變溫下對瀝青路面結構的蠕變主要發生在車轍正下方，車轍的產生主要是由非彈性應變產生，而不是由彈性應變產生。從圖5(d)中可以發現車轍是具有溫度區間效應的，尤其當超過26℃時，瀝青路面結構的抗剪強度與模量會隨著溫度的升高而下降，車轍處剪應力云圖響應較大，因此在高溫條件下，瀝青路面會由于混合料的高溫抗剪強度不足而引起混合料剪切破壞，加速蠕變的產生，從而引起車轍的發展。

圖4 瞬態連續變溫下瀝青混凝土蠕變模型

圖5 瞬態連續變溫下瀝青混凝土云圖：

4 結論

本文建立了福建東山地區瞬態連續變溫下瀝青混凝土路面蠕變模型，通過記錄當地7月份某天的天氣數據及ABAQUS軟件分析得到了分析場地的瞬態連續變溫溫度場數據，并將其導入至車轍模擬模型中，計算得到瞬態連續變溫下瀝青混凝土路面的蠕變響應結果，發現高溫條件下，瀝青混凝土材料由于黏彈性受溫度變化影響較大，所以在高溫條件下，會由于混合料的高溫抗剪強度不足而引起剪切破壞，從而形成車轍。