瀝青混合料組成差異對瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響分析

劉 鋒 許新權(quán) 張國民

(廣東華路交通科技有限公司1) 廣州 510420)(公路交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心2) 廣州 510420)(廣東交科檢測有限公司3) 廣州 510420)

0 引 言

瀝青混凝土的疲勞破壞是影響瀝青混凝土路面壽命的關(guān)鍵因素之一[1].目前，關(guān)于瀝青路面的疲勞性能研究較多，有瀝青路面損傷行為及其結(jié)構(gòu)壽命合理匹配研究[2]、瀝青路面結(jié)構(gòu)層間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度及其抗剪性能等對瀝青路面疲勞壽命的影響研究[3]，以及根據(jù)不同的瀝青混合料組成建立其疲勞方程的研究等[4].

我國高速公路其路面結(jié)構(gòu)以半剛性基層瀝青路面為主，因此，國外較多的瀝青路面疲勞性能研究成果并不能適應(yīng)國內(nèi)的瀝青路面的疲勞壽命預(yù)估.文獻(xiàn)[5]根據(jù)中國的實(shí)際提出了半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命預(yù)測公式，但實(shí)際應(yīng)用還較少.同時(shí)，由于廣東河源地區(qū)盛產(chǎn)輝綠巖，為了充分利用該種集料，也為了探討瀝青混合料組成設(shè)計(jì)對瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響，文中以廣東省仁新高速試驗(yàn)段實(shí)體工程為例，研究不同的瀝青混合料組成對瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命的影響.

1 試驗(yàn)段概況

仁新高速公路位于武深高速公路廣東省境內(nèi)，起于韶關(guān)市新豐縣，在博羅縣境內(nèi)與博深高速相接，自南向北先后串聯(lián)起廣惠高速、廣河高速與大廣高速，仁新高速按雙向六車道設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車度為100 km/h，圖1為其瀝青路面基本結(jié)構(gòu)形式；其試驗(yàn)段則位于翁源收費(fèi)站附近，根據(jù)“表面層”所使用集料和級配的不同，該試驗(yàn)段按圖2全斷面布置了三種路面結(jié)構(gòu)形式.

圖1 瀝青路面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 不同類型集料和配合比下的路面結(jié)構(gòu)布置示意圖

2 瀝青混合料力學(xué)性能和路用性能試驗(yàn)

2.1 三種方案瀝青混合料試驗(yàn)

根據(jù)集料篩分和馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果(見表1)，得到圖3的三種方案的配合比曲線，試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求.由此可知，三種鋪筑方案的瀝青混凝土各項(xiàng)馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)和級配曲線存在一定的差異.

表1 三種鋪筑方案瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

圖3 表面層三種鋪筑方案的瀝青混合料設(shè)計(jì)級配

2.2 三種方案瀝青混合料力學(xué)性能和路用性能試驗(yàn)

1) 瀝青混合料動(dòng)態(tài)壓縮模量試驗(yàn) 根據(jù)三種方案的瀝青混合料設(shè)計(jì)級配曲線，采用施工現(xiàn)場原材料，依據(jù)文獻(xiàn)[6]的T0736方法，使用圖4旋轉(zhuǎn)剪切壓實(shí)儀(SGC)每一個(gè)方案成型六個(gè)直徑×高度為150 mm×170 mm圓柱形試件，而后使用鉆芯機(jī)和雙面切割鋸將六個(gè)試件修整為直徑×高度為100 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件.待所有試件完成整形后，根據(jù)文獻(xiàn)[6]T0738規(guī)定的試驗(yàn)方法，采用UTM130試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行三個(gè)方案的瀝青混合料動(dòng)態(tài)壓縮模量試驗(yàn)，見圖4.其中，采用頻率分別為0.1，0.5，1，5，10，25 Hz的正弦波加載(由大到小加載)，試驗(yàn)溫度分別為4，10，20，30，40，50、60 ℃(由高溫到低溫加載).圖5為瀝青混合料動(dòng)態(tài)壓縮模量隨溫度和加載頻率變化趨勢圖.由圖5可知，三種瀝青混合料在20 ℃和10 Hz加載頻率下的動(dòng)態(tài)壓縮模量依次為11 012，10 285和9 500 MPa，以輝綠巖為細(xì)集料的瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量較細(xì)集料為石灰?guī)r的瀝青混合料要大7.6%.

圖4 瀝青混合料動(dòng)態(tài)壓縮模量室內(nèi)試驗(yàn)

圖5 瀝青混合料動(dòng)態(tài)壓縮模量隨溫度和加載頻率變化趨勢圖

2) 瀝青混合料漢堡車轍試驗(yàn) 根據(jù)文獻(xiàn)[6]的輪輾法(T0703)成型車轍板，車轍板尺寸為300 mm×300 mm×50 mm；采用圖6a)的漢堡車轍儀進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為60 ℃，輪壓為0.7 MPa，共加載20 000次，得到圖6b)的三種方案瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)果.由圖6可知，加載次數(shù)為2 520次時(shí)，三種方案的瀝青混合料車轍試驗(yàn)永久變形量分別為1.9，0.8和1.5 mm.

圖6 三種方案瀝青混合料漢堡車轍試驗(yàn)及其試驗(yàn)結(jié)果

3 道路結(jié)構(gòu)有限元模型

3.1 結(jié)構(gòu)模型

對道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，參照文獻(xiàn)[7-8]，基本假設(shè)如下：①各結(jié)構(gòu)層的材料均假設(shè)是線彈性材料，符合廣義虎克定理；②道路各結(jié)構(gòu)層厚度是有限的；當(dāng)對道路結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜載分析時(shí)，土基厚度分別取大于6 m時(shí)，所得實(shí)測結(jié)果與模擬結(jié)果相近，能滿足計(jì)算要求；③道路各結(jié)構(gòu)層間完全連續(xù)；④荷載垂直作用于路面面層，在距離荷載無限深處道路結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變和位移均為零.

通過試算分析，在ANSYS分析中，土基和各結(jié)構(gòu)層均采用塊狀體，土基尺寸為16 m×9 m×10.5 m(即x×y×z，其中，x為行車方向；y為深度方向；z為橫斷面方向).除土基以外的各結(jié)構(gòu)層的平面尺寸為10 m×4.5 m(x×z，深度隨各結(jié)構(gòu)層的不同而不同).在劃分網(wǎng)格前，土基和各結(jié)構(gòu)層之間使用GLUE命令進(jìn)行連接處理，保證土基與各個(gè)結(jié)構(gòu)層以及各結(jié)構(gòu)層之間的連續(xù)接觸狀態(tài).土基和各個(gè)結(jié)構(gòu)層均采用SOLID45單元?jiǎng)澐謱?shí)體模型網(wǎng)格，并建立圖7的有限元模型，最終共劃分單元264 768個(gè)，節(jié)點(diǎn)280 913個(gè).相關(guān)的計(jì)算點(diǎn)位見圖8.

圖7 雙圓荷載下瀝青路面結(jié)構(gòu)有限元模型

圖8 雙圓荷載接觸面參數(shù)設(shè)置及相關(guān)計(jì)算點(diǎn)位示意圖

3.2 材料參數(shù)

在進(jìn)行道路結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析之前，按表2確定瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析時(shí)所使用的材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，其中，表面層GAC-16參數(shù)根據(jù)前文試驗(yàn)確定.

表2 瀝青路面力學(xué)響應(yīng)分析的結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

4 疲勞壽命預(yù)測分析

4.1 基于瀝青混合料層疲勞開裂瀝青路面壽命分析

依據(jù)文獻(xiàn)[5]和式(1)分析仁新高速試驗(yàn)段“方案一”的瀝青混合料層疲勞壽命，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見表3，由表3可知：以瀝青層底拉應(yīng)變反算瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命結(jié)果約為3 319億軸·次.依此方法反算分析得到方案二和方案三的疲勞壽命依次為：3 347億軸·次、4 575億軸·次和5 615億軸·次.

表3 仁新高速試驗(yàn)段瀝青層疲勞壽命分析結(jié)果(方案一)

(1)

式中：Nf1為瀝青混合料層疲勞開裂壽命(軸次)；β為目標(biāo)可靠指標(biāo)；ka為季節(jié)性凍土地區(qū)調(diào)整系數(shù)；kb為疲勞加載模式系數(shù)；Ea為瀝青混合料20 ℃時(shí)的動(dòng)態(tài)壓縮模量，MPa；VFA為瀝青混合料的瀝青飽和度，%，見表2；ha為瀝青混合料層厚度，mm；kT1為溫度調(diào)整系數(shù)；εa為瀝青混合料層層底拉應(yīng)變(10-6).

4.2 基于無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂的瀝青路面壽命分析

依據(jù)圖8中的C、D、B和A計(jì)算點(diǎn)位，分別計(jì)算無機(jī)結(jié)合料基層和底基層層底的應(yīng)力，由此估算路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命.材料參數(shù)根據(jù)表2選取，疲勞壽命依據(jù)式(2)進(jìn)行分析，其相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見表4.由表4可知：以無機(jī)結(jié)合料層底拉應(yīng)力反算仁新試驗(yàn)段“方案一”瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命結(jié)果約為67億軸·次.依此方法反算分析得到方案二和方案三的疲勞壽命依次為：66億軸·次和65億軸·次.

表4 基于無機(jī)結(jié)合料層的仁新高速瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命分析結(jié)果(方案一)

(2)

式中：Nf2為無機(jī)結(jié)合料層疲勞開裂壽命(軸·次)；kc為現(xiàn)場綜合修正系數(shù)；Rs為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類材料的彎拉強(qiáng)度，MPa；a,b為疲勞試驗(yàn)回歸參數(shù)；σt為無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層的層底拉應(yīng)力，MPa.

4.3 基于路基頂面豎向壓應(yīng)變的瀝青路面壽命分析

依據(jù)表2材料參數(shù)和式(3)分析路基頂面豎向應(yīng)變下的瀝青路面壽命，其相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果見表5.

表5 瀝青路面結(jié)構(gòu)路基頂面豎向壓應(yīng)變及壽命計(jì)算結(jié)果

[εz]=1.25×104-0.1β(kt3Ne4)-0.21

(3)

式中：Ne4為設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)設(shè)計(jì)車道上的當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)，軸·次；εz為路基頂面容許豎向壓應(yīng)變，10-6.

4.4 基于瀝青混合料層永久變形量的瀝青路面壽命分析

根據(jù)文獻(xiàn)[5]要求，對三個(gè)瀝青層進(jìn)行亞層劃分(見圖9)，瀝青路面疲勞壽命則根據(jù)式(4)～(5)計(jì)算各分層頂面豎向壓應(yīng)力并進(jìn)行反分析，瀝青混合料層永久變形量取15 mm.

圖9 瀝青面層各亞層劃分示意圖

(4)

(5)

式中：Ne2為設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)設(shè)計(jì)車道上當(dāng)量設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù)，軸·次；Rai為第i分層永久變形量；n為分層數(shù)；kRi為綜合修正系數(shù)；Ra為瀝青混合料層永久變形量/mm，取15 mm；ha為瀝青混合料層厚度，mm；tpef為瀝青混合料層永久變形等效溫度，℃；hi為第i分層厚度，mm；h0為車轍試件的厚度，mm；zi為瀝青混合料層第i分層深度，mm；pi為瀝青混合料層第i分層頂面豎向壓應(yīng)力.

根據(jù)彈性層狀體系理論計(jì)算瀝青混合料層各分層頂面的豎向壓應(yīng)力，“方案一”計(jì)算結(jié)果見表6，其最大值位于車輪輪胎中心A點(diǎn)；據(jù)此，計(jì)算得到該種瀝青路面結(jié)構(gòu)在基于永久變形量的疲勞壽命約為40 975 358軸·次.同理，反算分析得到方案二和方案三的疲勞壽命依次為：82 497 299和50 379 276軸·次.由表6可知：該種路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命受瀝青層永久變形量控制，其中，以輝綠巖為細(xì)集料的方案二較以石灰?guī)r為細(xì)集料的方案三疲勞壽命要高38.9%.

表6 瀝青混合料層各分層頂面豎向壓應(yīng)力及壽命計(jì)算結(jié)果(方案一)

5 結(jié) 束 語

根據(jù)木桶理論及前文的分析結(jié)果可知，半剛性基層上的瀝青路面結(jié)構(gòu)，其疲勞壽命不受瀝青層層底拉應(yīng)變和路基頂面豎向壓應(yīng)變的控制，該類型的瀝青路面結(jié)構(gòu)在反算其疲勞壽命時(shí)，僅考慮無機(jī)結(jié)合料層層底拉應(yīng)力和瀝青層的永久變形即可.以灰綠巖為細(xì)集料的瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量、車轍性能以及由其構(gòu)成的瀝青路面的疲勞壽命較以石灰?guī)r為細(xì)集料的瀝青混合料分別要高7.6%、87.5%和38.9%，其表現(xiàn)出較好的力學(xué)性能、路用性能和抗疲勞性能.但由類型相同而產(chǎn)地不同的集料構(gòu)成瀝青混合料各項(xiàng)性能同樣存在較大的差異，因此，瀝青路面施工過程中原材料來源的穩(wěn)定是減小施工變異性的前提條件.