基于數(shù)值模擬的降溫速率對(duì)瀝青路面反射裂縫擴(kuò)展研究

秦周傲宇

摘 ?要：為了防治反射裂縫擴(kuò)展對(duì)瀝青路面產(chǎn)生的影響，該文基于數(shù)值模擬軟件RFPA溫度版，對(duì)預(yù)制裂縫的瀝青路面模型進(jìn)行了不同降溫速率條件下反射裂縫擴(kuò)展的數(shù)值試驗(yàn)研究。模擬結(jié)果顯示：（1）降溫速率越快，預(yù)制裂縫的AC路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)貫通破壞的時(shí)間越早，且結(jié)構(gòu)聲發(fā)射數(shù)量也越多。（2）分析面層多單元信息得知，引起路面破壞的最主要原因是拉應(yīng)力，且在2條裂縫中間位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力的最大值。最后基于模擬結(jié)果，為了防治裂縫擴(kuò)展，可以設(shè)置應(yīng)力吸收層或者選擇傳遞系數(shù)較低的瀝青面層材料為寒區(qū)瀝青路面的施工提出了一些工程指導(dǎo)意見。

關(guān)鍵詞：降溫速率;瀝青路面反射裂縫;數(shù)值模擬;聲發(fā)射

中圖分類號(hào)：U412 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著我國道路事業(yè)的不斷發(fā)展，道路結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫所導(dǎo)致的破壞已經(jīng)成為一個(gè)普遍性的問題。在路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂后，水分會(huì)侵入路面裂縫當(dāng)中，會(huì)導(dǎo)致路基以及基層的軟化，影響路面的穩(wěn)定性;其次，集料具有親水性，因此會(huì)加速瀝青材料從結(jié)構(gòu)表面剝落，大大降低了路面的使用壽命。所以，提高道路的耐久性能，保證交通事業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，是現(xiàn)在相關(guān)工作者面臨的首要任務(wù)。

溫縮裂縫作為一種由溫度荷載引起的瀝青路面開裂形式，主要發(fā)生在低溫地區(qū)以及晝夜溫差較大的地區(qū)。而在半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)中，反射裂縫是最難解決一種破壞形式，其形成的原因是在路面基層結(jié)構(gòu)的反復(fù)溫縮以及行車荷載的共同作用下，裂縫在瀝青層底部形成并且不斷擴(kuò)展到道路的表面。

目前國內(nèi)外相關(guān)研究者對(duì)反射裂縫的形成以及擴(kuò)展原因進(jìn)行了相關(guān)研究，并取得大量研究成果，鄭健龍利用線彈性斷裂力學(xué)、疲勞斷裂力學(xué)以及熱黏彈性斷裂力學(xué)分析了瀝青路面在荷載條件以及環(huán)境條件下的疲勞斷裂性能以及黏彈性性能。通過一定的計(jì)算，得出了路面的溫度應(yīng)力和應(yīng)力強(qiáng)度等參數(shù)，并且利用公式對(duì)路面壽命進(jìn)行了預(yù)估。2005年楊濤采用斷裂力學(xué)的方法建立了有限元模型，對(duì)溫度荷載作用下疲勞斷裂壽命進(jìn)行了計(jì)算。元松利用ANSYS有限元軟件，依據(jù)疲勞斷裂理論分析了車輛荷載作用下瀝青路面反射裂縫的形成機(jī)理，同時(shí)對(duì)瀝青路面剩余壽命進(jìn)行了分析和預(yù)估。王金昌利用有限元法對(duì)在車輛荷載作用下軟土地基結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)基層有橫向裂縫的瀝青混凝土路面進(jìn)行了分析。周富杰應(yīng)用三維光彈試驗(yàn)分析了瀝青路面結(jié)構(gòu)層間接觸條件、基礎(chǔ)模量等對(duì)反射裂縫產(chǎn)的影響。吳贛昌等基于有限元和斷裂力學(xué)對(duì)路面進(jìn)行了數(shù)值分析。綜合國內(nèi)外相關(guān)研究，低溫作用下AC路面的裂縫產(chǎn)生主要與以下幾個(gè)因素有關(guān)。

（1）面層瀝青的種類。

（2）土基的材料類型。

（3）瀝青面層的厚度以及彈性模量。

（4）瀝青的含量。

結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對(duì)于低溫環(huán)境下瀝青路面結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)主要集中在對(duì)路面結(jié)構(gòu)表面溫度場(chǎng)的觀測(cè)，所以該文將采用RFPA溫度版，以高寒地區(qū)為背景，研究了3種不同降溫速率下路面結(jié)構(gòu)反射裂縫的擴(kuò)展情況，對(duì)高寒地區(qū)瀝青路面防治工作提供了一定的指導(dǎo)意見。

1 RFPA模擬可靠性分析

為了能表達(dá)出模型內(nèi)部的溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，圖1是相關(guān)研究者對(duì)高寒地區(qū)路面結(jié)構(gòu)試驗(yàn)溫差進(jìn)行了溫差變化的擬合曲線，通過與RFPA數(shù)值模擬軟件所得到的溫度變化進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)2條曲線變化規(guī)律近乎一致，這也證實(shí)了RFPA軟件對(duì)溫度分析的可靠性。

另外，相關(guān)學(xué)者對(duì)室內(nèi)路面的溫差進(jìn)行了實(shí)測(cè)。如圖2所示，當(dāng)瀝青路面面層的厚度在15 cm范圍內(nèi)時(shí)，絕對(duì)溫差為-23℃。與RFPA模擬的溫度場(chǎng)相吻合，由此說明了瀝青路面的結(jié)構(gòu)溫度環(huán)境和數(shù)值試驗(yàn)環(huán)境是一致的。

綜上所述，在表面降溫的作用下，通過RFPA所得到的路面結(jié)構(gòu)模型溫度隨著模型結(jié)構(gòu)深度的變化和實(shí)際溫度曲線變化有較好的一致性，得到的溫度場(chǎng)的變化和實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的溫度場(chǎng)分布也有很好地一致性，所以，該文采用RFPA來研究路面結(jié)構(gòu)在降溫過程中的溫度場(chǎng)的變化是可行的，模擬結(jié)果具有可信度。

2 數(shù)值模型與邊界條件

瀝青路面其實(shí)是一個(gè)連續(xù)性的雙層結(jié)構(gòu)，該文在結(jié)合相關(guān)實(shí)際的情況下，利用RFPA溫度版建立了與實(shí)際生活中瀝青路面適應(yīng)的雙層模型，模型長度為5 m，厚度為1.2 m，另外上層瀝青材料的厚度為200 mm，下層基層材料的厚度為1 000 mm，上層的單元格數(shù)為40×1000個(gè)，下層的單元格數(shù)為200×1000個(gè)。模型的左右邊界和下邊界固定，上表面自由，接受外部降溫作用。在基層上部預(yù)設(shè)3條間距為200 mm的裂縫。另外該文模型的材料參數(shù)是根據(jù)相關(guān)工程實(shí)例測(cè)定的，相關(guān)參數(shù)見表1。采用3種不同的降溫速率從0℃降溫到-40℃：分別是每步降溫1℃、2℃、4℃。

3 不同降溫速率對(duì)反射裂縫擴(kuò)展的影響

3.1 破裂過程的聲發(fā)射特性分析

如圖3 所示，是3種降溫條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)損傷破壞的過程，圖3體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)溫度-應(yīng)力和溫度-聲發(fā)射數(shù)量的變化關(guān)系。我們選取不同的降溫速率進(jìn)行模擬試驗(yàn)，可以看到當(dāng)分別每步降溫4℃、2℃、1℃時(shí)，對(duì)應(yīng)聲發(fā)射數(shù)量最多時(shí)的步數(shù)分別為5加載步，10加載步，20加載步。根據(jù)數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以將整個(gè)過程分為3個(gè)階段：①線性階段，此階段中，隨著溫度的不斷降低，路面結(jié)構(gòu)聲發(fā)射數(shù)量不斷增加，且每步的聲發(fā)射數(shù)量較均勻，同時(shí)觀察到降溫速率越快則聲發(fā)射所釋放的能量越大，并且在此階段中應(yīng)力-荷載成線性關(guān)系。②反射裂紋形成，擴(kuò)展階段。此階段中路面結(jié)構(gòu)聲發(fā)射數(shù)量急劇增加，觀察到降溫到-20℃左右時(shí)，此時(shí)的聲發(fā)射數(shù)量達(dá)到峰值，應(yīng)力也達(dá)到最大值。這也說明了當(dāng)降溫的速率越快，則聲發(fā)射，應(yīng)力的最大值越早出現(xiàn)，路面結(jié)構(gòu)就會(huì)越容易破壞。③回落期，此階段的聲發(fā)射頻率與初期相比大大降低，釋放的能量也比初期時(shí)更少。綜上所述，預(yù)設(shè)了反射裂縫的瀝青路面結(jié)構(gòu)細(xì)觀的微破裂是一個(gè)不斷累積的過程，在降溫到-20℃左右時(shí)會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力和聲發(fā)射數(shù)量的峰值，在峰值之后每一步均產(chǎn)生較大的回落值。這是應(yīng)力釋放所導(dǎo)致的，總而言之，表面溫度降低的越快，路面結(jié)構(gòu)破壞越快。

3.2 降溫模式下多單元應(yīng)力分析

因?yàn)榧虞d步較多，經(jīng)歷時(shí)間較長，數(shù)據(jù)更分散較好分析，所以選取第一種降溫模式進(jìn)行研究。圖4是模型破壞后的對(duì)比圖。首先可以看到上層瀝青面層結(jié)構(gòu)有較多的微破裂，2號(hào)預(yù)設(shè)裂縫區(qū)域發(fā)生了貫通式破壞，裂縫從結(jié)構(gòu)的基層向面層擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，而1號(hào)和3號(hào)裂縫沒有出現(xiàn)貫通式破壞。

選取2號(hào)裂縫破裂區(qū)進(jìn)行多單元應(yīng)力分析，多單元的應(yīng)力分布圖可以對(duì)結(jié)構(gòu)單元的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力在指定的位置顯示出應(yīng)力大小的分布情況，圖5顯示了2號(hào)裂縫在-19℃，-30℃時(shí)的最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的分布情況。從2個(gè)不同溫度下的應(yīng)力圖中可以看出，在-19℃時(shí)，最小主應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大主應(yīng)力，且最大主應(yīng)力一直處于接近于0的狀態(tài)，由此我們可以得知在整個(gè)路面結(jié)構(gòu)反射裂縫發(fā)展貫通的情況下，對(duì)破壞起主導(dǎo)因素的是模型各單元的拉力，同時(shí)相近結(jié)構(gòu)單元應(yīng)力變化較劇烈，原因是材料的非均勻性，同時(shí)也是因?yàn)闇囟仍诓粩嘟档偷倪^程中，強(qiáng)度較低的單元先發(fā)生了破壞，而應(yīng)力又被分散到其他相臨近的單元，最后才導(dǎo)致圖像中相鄰的單元位置應(yīng)力大小不一，變化幅度較大。隨著溫度的不斷下降，最小主應(yīng)力逐漸減小，一直到-30℃時(shí)，最小主應(yīng)力已經(jīng)從7MPa左右下降到0MPa左右，這是因?yàn)榇藭r(shí)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始發(fā)生破裂，導(dǎo)致對(duì)面層材料已經(jīng)沒有了約束力。

圖6是面層和基層交匯處裂縫1至裂縫2之間長度為200 mm的多單元的 σx圖像，其中單元最大的應(yīng)力位置出現(xiàn)在2條裂縫中間。由于相鄰單元受到不均勻性的影響，應(yīng)力水平也會(huì)產(chǎn)生突變，在圖像中顯示應(yīng)力為0的狀態(tài)，也就是不受力狀態(tài)是因?yàn)橄嚓P(guān)單元強(qiáng)度較低已經(jīng)發(fā)生了破壞。反射裂縫的出現(xiàn)其實(shí)是由于面層瀝青材料層受到低溫作用持續(xù)收縮導(dǎo)致了拉應(yīng)力的不斷增大，而下層應(yīng)力卻不能及時(shí)恢復(fù)，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)發(fā)生了脆化反應(yīng)，失去了原本的特性。綜上所述，反射裂縫產(chǎn)生的主要原因還是由于溫度應(yīng)力大于瀝青路面的抗拉強(qiáng)度而引起的拉應(yīng)力，并且溫度降低得越快，出現(xiàn)脆化反應(yīng)的時(shí)間越早。

4 總結(jié)與展望

該文利用RFPA溫度版，對(duì)預(yù)制反射裂縫的瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同降溫速率下的數(shù)值模擬試驗(yàn)。得到的結(jié)論如下。

（1）經(jīng)過模擬試驗(yàn)，根據(jù)聲發(fā)射以及應(yīng)力發(fā)展過程，可以將整個(gè)過程分為3個(gè)階段：線性階段，發(fā)展貫通階段，回落穩(wěn)定階段。聲發(fā)射的爆發(fā)式增長預(yù)示著結(jié)構(gòu)即將失穩(wěn)破壞，在低溫環(huán)境下，隨著降溫速率的增大，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的聲發(fā)射爆發(fā)時(shí)刻也會(huì)越早出現(xiàn)，破壞也就發(fā)生得越早，通過模擬直觀說明了溫度降低速率的快慢是影響瀝青路面而結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的一個(gè)重要因素。

（2）無論降溫速率快慢與否，瀝青路面結(jié)構(gòu)在-19℃左右時(shí)會(huì)出現(xiàn)大量的聲發(fā)射現(xiàn)象，同時(shí)應(yīng)力也達(dá)到最大值。

（3）分析面層多單元信息得知，引起路面破壞的最主要原因是拉應(yīng)力，且在2條裂縫中間位置會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力的最大值，反射裂縫的擴(kuò)展，貫通其實(shí)是因?yàn)樵诮禍刈饔孟拢砻娴臑r青材料結(jié)構(gòu)收縮導(dǎo)致了拉應(yīng)力的增大，而下層材料來不及松弛導(dǎo)致的。

該文存在的不足：現(xiàn)實(shí)生活中反射裂縫的產(chǎn)生、貫通、導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)的過程其實(shí)是在溫度荷載、行車荷載、濕度擴(kuò)散等多種情況共同作用下的結(jié)果，該文只考慮了在低溫作用下預(yù)設(shè)反射裂縫的路面結(jié)構(gòu)的破壞失穩(wěn)過程。根據(jù)模擬結(jié)果，想要降低降溫導(dǎo)致的危害性，可以從延緩降溫速率的方面考慮，在瀝青材料的選擇上可以選擇溫度傳遞系數(shù)較低的材料，增加瀝青面層的厚度，降低溫度或者在鋪設(shè)瀝青材料之前在基層表面鋪設(shè)一些應(yīng)力應(yīng)變的吸收層。

參考文獻(xiàn)

[1]沙慶林.高等級(jí)公路半剛性基層瀝青路面[M].北京：人民交通出版社， 1998.

[2]American Association of State Highway， Transportation Officials. AASHTO guide for design of pavement structures， 1993[M].The Association， 1993.

[3]鄭健龍. 瀝青路面抗裂-設(shè)計(jì)理論與方法[M].北京：人民交通出版社， 2002.

[4]半剛性基層瀝青路面反射裂縫的產(chǎn)生機(jī)理及其防治措施[D].武漢理工大學(xué)， 2005.

[5]元松， 談至明. 瀝青路面荷載型豎向反射裂縫疲勞斷裂分析[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2007，35（10）：1352-1357.

[6]王金昌， 朱向榮. 軟土地基上含反射裂縫瀝青道路的動(dòng)力響應(yīng)分析[J].中國公路學(xué)報(bào)，2004，17（1）：1-6.

[7]周富杰， 孫立軍.復(fù)合路面荷載型反射裂縫的力學(xué)分析和試驗(yàn)路驗(yàn)證[J].土木工程學(xué)報(bào)， 2002，35（1）：50-56.

[8]吳贛昌.半剛性路面的溫度應(yīng)力分析[M].北京：科學(xué)出版社， 1995.