高溫地區(qū)橋面瀝青鋪裝蠕變關(guān)鍵影響因素分析

孫曉冬，王禹翔，楊旭

（中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100160）

當(dāng)前國內(nèi)高速公路交通迅猛發(fā)展，但高速公路各種病害問題也更加凸顯，其中瀝青面層蠕變導(dǎo)致的車轍現(xiàn)象成為高速公路瀝青路面主要病害之一。此病害對于行車安全與舒適性均會造成不利影響，并縮短公路服役壽命。因此，公路瀝青蠕變現(xiàn)象受到工程技術(shù)人員與學(xué)者的廣泛關(guān)注。

一些研究人員從理論出發(fā)，根據(jù)瀝青材料粘彈性性質(zhì)，提出根據(jù)粘彈性力學(xué)的本構(gòu)模型，如Kelvin 模型、Maxwell模型、Lethersich模型[1]、Burgers模型[2]。Huang W、Cheng Y 在此基礎(chǔ)上深入研究分別提出了增加單元件數(shù)量的改進(jìn)模型，如廣義Maxwell 模型[3]，廣義Kelvin 模型[4]。但單元件數(shù)增加會導(dǎo)致計(jì)算量增大，為平衡計(jì)算效率與精度，Zhou J[5]等提出了廣義分?jǐn)?shù)階黏彈性模型、Chen S Q[6]提出了冪級數(shù)模型。李赫[7]利用以上模型分析了不同溫度條件下的瀝青靜態(tài)蠕變和松弛特性；而Jiangfeng Hua 和White Thomas D 等[8-9]認(rèn)為瀝青蠕變符合Norton蠕變規(guī)律。再從實(shí)驗(yàn)與數(shù)值研究出發(fā)，包聰靈[10]等利用Norton 蠕變模型和有限元軟件結(jié)合現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了廣東省典型半剛性瀝青路面車轍預(yù)測模型。上述研究表明，利用Norton 蠕變規(guī)律分析瀝青路面蠕變，已取得了良好成果，為此本文也采用此規(guī)律。但之前研究大多基于二維模型，并不適用于高速公路橋面瀝青面層梁體之間不連續(xù)條件下的蠕變分析。且以往研究對于橋面瀝青鋪裝蠕變的空間分布情況，以及溫度、時間對蠕變影響也少有分析。此外，與常溫地區(qū)相比，高溫地區(qū)橋梁瀝青鋪裝蠕變情況更為嚴(yán)重，因而需要加強(qiáng)此條件下瀝青鋪裝蠕變相關(guān)研究。

為此，本文結(jié)合廣東某高速公路橋梁鋪裝工程實(shí)踐，利用有限元方法建立橋面瀝青鋪裝蠕變?nèi)S仿真模型，分析橋面瀝青鋪裝蠕變的空間分布情況，并研究溫度、時間對蠕變的影響，為廣東及類似高溫地區(qū)高速公路橋面瀝青鋪裝的設(shè)計(jì)、施工、養(yǎng)護(hù)提供指導(dǎo)。

1 工程概況

廣東某高速公路橋梁工程位于廣州市花都區(qū)，該橋梁所在地區(qū)環(huán)境最高溫度為60℃左右，最低為20℃左右，因而在研究溫度對瀝青蠕變影響規(guī)律時，溫度按60℃、40℃和20℃選取；瀝青材料選用AC-13C，瀝青鋪裝層厚度為10cm。

2 計(jì)算模型

2.1 理論模型

Norton 模型認(rèn)為瀝青蠕變是與溫度、應(yīng)力、時間相關(guān)的函數(shù)，當(dāng)應(yīng)力保持不變時，蠕變函數(shù)可寫成如式（1）的時效硬化形式：

表1 瀝青時效硬化模型參數(shù)

2.2 荷載簡化

研究時，將車輪荷載簡化為雙輪矩形均布荷載，按照瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范BZZ-100 中的要求進(jìn)行模擬分析，即軸載為100kN，接地壓應(yīng)力為0.7MPa，并且根據(jù)荷載應(yīng)力等效的原則，簡化荷載模型。

（1）確定荷載

壓應(yīng)力不變?nèi)詾閜=0.7MPa，車輛在BZZ-100 標(biāo)準(zhǔn)中為單軸雙輪，所以單輪荷載P 為100/4=25kN。

（2）確定荷載簡化尺寸

矩形均布荷載長為L，寬為D，則L×D×p=P，設(shè)D=19cm，則L=18.8cm，根據(jù)測量得輪隙間距為15cm。

通過以上方法得到雙輪矩形均布荷載尺寸如圖1。

圖1 雙輪矩形均布荷載尺寸

2.3 加載時間模擬

現(xiàn)實(shí)運(yùn)營道路上車輪荷載是長時間的、間斷作用的，JiangFeng Hua[8]采用多個較短作用時間加載步輪流間斷加載的加載方式，與采用作用時間等于以上多個加載步作用時間總和的單一加載步的加載方式，結(jié)果表明兩種加載方式所產(chǎn)生瀝青蠕變是一致的。對于荷載累計(jì)作用時間計(jì)算，馬雪城[9]等研究得到車輛在高速公路以最低速度60km/h 行駛，且在100kN 軸載作用50 萬次軸載時，累計(jì)作用時間為5115s，本研究也采取以上數(shù)據(jù)進(jìn)行加載時間的模擬。

2.4 有限元模型

在Abaqus 中建立長20m，寬3.5m 的單車道橋面模型，瀝青面層厚10cm，采用C3D8 單元，網(wǎng)格近似單元尺寸為0.01m，單元數(shù)為92000 個，節(jié)點(diǎn)數(shù)為188094個，邊界條件除鋪裝層上表面不施加約束外，其他表面施加與實(shí)際工程一致的各方向的位移約束。工況如下：在使用AC-13C 瀝青下20℃、40℃、60℃橋面端部橫截面蠕變情況。

3 橋面蠕變情況空間分布結(jié)果計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 橋面蠕變空間分布特征

采用AC-13C 瀝青在40℃情況下，瀝青鋪裝橋面端部橫截面蠕變情況如圖2 所示。從圖看出，蠕變車轍橫斷面呈W 狀。沉降最大為14.6mm，中心處受雙輪擠壓引起隆起導(dǎo)致沉降量小于其他處，僅為1.88mm，輪緣外側(cè)也因?yàn)閿D壓引起隆起現(xiàn)象，其他部分蠕變情況微小，端部沉降最大處縱向截面蠕變情況如圖3 所示。

圖2 橋梁端部橫截面蠕變情況

圖3 端部沉降最大處縱向截面蠕變情況

橋梁蠕變分布情況為端部較大，最大為14.6mm 再快速變小過渡至中間段，中間段較為平緩。在離端部0.2m約為橋長的1%左右后過渡進(jìn)入中間不變段，沉降不變段為10.66mm，約為最大沉降處的73.01%。

3.2 溫度對橋面蠕變的影響

各溫度下橋面端部橫蠕變情況如圖4 所示，蠕變隨溫度升高而增大，20℃與60℃情況下最大沉降分別是5.84mm 與25.95mm，是40℃情況下的最大沉降的40%與178%。

圖4 不同溫度下橫截面蠕變情況

3.3 作用時間對橋面蠕變的影響

蠕變隨著時間變化情況如圖5，從蠕變—時間圖可看出，在經(jīng)過50 萬次軸載后，此時蠕變處于塑形流動階段。

圖5 AC-13C（40℃）瀝青鋪裝蠕變隨時間變化情況

由圖5 可知，瀝青鋪裝蠕變在經(jīng)過5115s（50 萬次軸載）后處于塑形流動階段，是經(jīng)過壓密變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于剪切變形的瀝青壓實(shí)階段的變形階段，此時剪切變形遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于壓密變形，這是由于瀝青面層本身的剪切強(qiáng)度不足導(dǎo)致的。

4 結(jié)論

（1）瀝青蠕變與溫度關(guān)系密切，在60℃環(huán)境下，蠕變是40℃的1.6～1.7 倍。在設(shè)計(jì)階段對于工程當(dāng)?shù)氐臏囟惹闆r對于后期蠕變影響應(yīng)多加考慮。

（2）蠕變在端部情況明顯，最大蠕變處為中間不變段的1.37 倍，在施工階段更要注意端部的施工質(zhì)量問題，對于端部施工質(zhì)量控制需加強(qiáng)控制，若出現(xiàn)施工質(zhì)量問題，外加端部蠕變情況嚴(yán)重，不利因素的疊加，對于后期運(yùn)營安全產(chǎn)生巨大隱患。

（3）蠕變在經(jīng)過50 萬次軸載的作用后處于塑形流動階段，也就是壓實(shí)階段結(jié)束，進(jìn)入剪切變形為主的階段，此階段蠕變變化率較小。通過此計(jì)算結(jié)果，對于施工階段而言，需對瀝青壓實(shí)施工質(zhì)量要求提高，對于施工壓實(shí)度要求尤其是端部位置可以適當(dāng)增加，以針對運(yùn)營期車轍災(zāi)害問題，從施工階段解決緩解，而不是后期花費(fèi)巨大人力物力進(jìn)行維護(hù)，做到事半功倍的效果。并且在經(jīng)過50 次軸載后，產(chǎn)生了厘米級蠕變，對于后期維護(hù)間隔需要減少，運(yùn)營期路面變形監(jiān)測頻率需要增加。