高寒區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

李埃軍+李東成

摘 要：針對(duì)高寒地區(qū)的瀝青路面開(kāi)裂情況不同于大多數(shù)道路的情況，分析了瀝青混合料低溫開(kāi)裂的機(jī)理，得出瀝青混合料低溫開(kāi)裂的關(guān)鍵因素——低溫勁度模量和松弛系數(shù)。采用半剛性基層瀝青路面，研究了低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)路表的溫度變化幅度最大，溫度應(yīng)力也最大。

關(guān)鍵詞：高寒區(qū)；瀝青混合料；低溫縮裂；低溫勁度模量

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.03 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

高寒地區(qū)的瀝青路面開(kāi)裂情況與其他地區(qū)道路的開(kāi)裂狀況有所不同。低溫地區(qū)路面的裂縫是從路表面開(kāi)始逐漸向下延展，與道路延伸方向基本垂直。而且大部分路面在第一年冬季寒冷期就產(chǎn)生開(kāi)裂，并隨著時(shí)間的推移裂縫越來(lái)越多。為了準(zhǔn)確分析低溫條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的情況，本文建立了相應(yīng)的瀝青路面結(jié)構(gòu)低溫開(kāi)裂模型，用以對(duì)路面實(shí)際情況進(jìn)行模擬。首先對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，然后得出瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力分布，從而得出在低溫條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生破壞的層位及其影響因素，最后針對(duì)此種情況提出適于低溫氣候環(huán)境的控制因素。

1 瀝青混合料低溫開(kāi)裂的機(jī)理分析

低溫收縮裂縫的形成與材料熱脹冷縮的性能呈正相關(guān)，如果在低溫收縮過(guò)程中材料不受任何限制可以自由伸縮，即使溫度大幅度變化，材料內(nèi)部也不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；然而，瀝青路面面層與基層之間存在著相互約束，在溫度降低時(shí)面層內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的溫度應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力的大小大于材料在此溫度下的抗拉強(qiáng)度時(shí)，面層就會(huì)產(chǎn)生低溫縮裂[1]。瀝青混合料在較大的溫度范圍內(nèi)可以被認(rèn)為是一種粘彈性材料，由于溫度的下降而引起的溫度應(yīng)力可以通過(guò)應(yīng)力松馳而消散。然而，在一個(gè)較低的溫度范圍內(nèi)，由于此時(shí)瀝青混凝土更趨近于彈性材料，溫度應(yīng)力不能通過(guò)應(yīng)力松馳消散，而是不斷積聚，最終導(dǎo)致低溫縮裂。

2 低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力分析

材料的溫度收縮系數(shù)是溫度場(chǎng)與時(shí)間的函數(shù)，所以在進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)該將溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)結(jié)合起來(lái)考慮。首先對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬，然后將節(jié)點(diǎn)溫度作為外部荷載與路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合分析，系統(tǒng)地將兩者結(jié)合起來(lái)考慮[24]。

2.1 低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分析

對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)的道路，主要考慮的是低溫條件下瀝青內(nèi)部的開(kāi)裂破壞；而極端低溫狀況主要發(fā)生在凌晨3～5點(diǎn)，這時(shí)沒(méi)有太陽(yáng)直接輻射和散射輻射，風(fēng)速對(duì)這種熱交換有一定影響，主要考慮路面與空氣間的熱交換。計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)，材料的熱工參數(shù)包括材料的密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流熱交換系數(shù)、輻射率。不同級(jí)配的瀝青混和料在不同溫度條件下的熱工參數(shù)不同，但相差不大，計(jì)算時(shí)一般取常數(shù)， 模型的材料參數(shù)如表1所示。

本文采用半剛性基層瀝青路面，結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。瀝青面層分3層考慮，基層和底基層選用水泥穩(wěn)定碎石。一般情況下，在路表以下80 cm時(shí)外界氣溫的影響可忽略不計(jì)，本文土基厚度選為42 cm。

采用ANSYS進(jìn)行溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)的相互耦合有限元分析，溫度梯度方向?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)的深度方向；低溫收縮時(shí)瀝青路面在路線(xiàn)方向上受到約束，產(chǎn)生的裂縫主要為橫向裂縫。由此，溫度場(chǎng)的計(jì)算可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力或平面應(yīng)變問(wèn)題。因此，計(jì)算單元采用平面8節(jié)點(diǎn)等參單元；沿路線(xiàn)方向垂直取截面，X向?yàn)槁肪€(xiàn)方向，Y向?yàn)樯疃确较?，X向兩端約束。

2.2 低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，瀝青混和料的勁度模量、基層材料和土基的回彈模量以及各層材料的溫縮系數(shù)等力學(xué)參數(shù)都受到溫度變化的影響[57]。其中受時(shí)間與溫度影響的瀝青混和料粘彈性指標(biāo)以及對(duì)應(yīng)的溫縮系數(shù)。

溫度場(chǎng)作用下，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)如圖6所示。外界氣溫的周期變化主要影響瀝青上、中面層的溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力隨時(shí)間產(chǎn)生周期性變化，降溫速率大時(shí)，面層會(huì)一次性產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，從而造成瀝青層的開(kāi)裂。

溫度應(yīng)力與溫度變化速率以及路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度場(chǎng)有關(guān)。面層和基層在不同時(shí)刻的溫度應(yīng)力如。相對(duì)基層而言，瀝青面層的應(yīng)力場(chǎng)更為復(fù)雜，這一方面是因?yàn)槠錅囟葓?chǎng)更為復(fù)雜，另一方面是因?yàn)椴煌Y(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)都與溫度場(chǎng)有著函數(shù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)于負(fù)溫度梯度，路表溫度應(yīng)力最大，溫縮裂縫從路面開(kāi)始向下延伸。

在溫度最低的時(shí)刻（凌晨4點(diǎn)左右），計(jì)算得到的面層表面溫度應(yīng)力可以達(dá)到2.7 MPa，而相應(yīng)的半剛性基層表面的溫度應(yīng)力只有0.9 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于面層內(nèi)部的溫度應(yīng)力。瀝青混合料的溫縮系數(shù)和低溫模量明顯大于半剛性基層，而破壞應(yīng)變則小于半剛性基層。因此一般情況下，溫縮裂縫產(chǎn)生于瀝青混合料結(jié)構(gòu)層。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)瀝青混合料低溫開(kāi)裂破壞的理論分析，確定了影響瀝青混合料低溫開(kāi)裂的關(guān)鍵因素；進(jìn)而通過(guò)對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的理論研究，計(jì)算得到了最低溫度條件下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力，主要結(jié)論包括以下幾點(diǎn)。

（1） 通過(guò)對(duì)瀝青混合料低溫受力開(kāi)裂的理論分析研究，確定了影響瀝青混合料低溫性能的關(guān)鍵因素——低溫勁度模量S和松弛系數(shù)m。

（2） 通過(guò)對(duì)低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分析，計(jì)算得知在一天時(shí)間內(nèi)，路表的溫度變化幅度最大，而路表和路基的最大溫差可達(dá)7 ℃。

（3） 通過(guò)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，可以計(jì)算得到在最低溫度條件下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，結(jié)果表明：路表處產(chǎn)生的溫度應(yīng)力是最大的，可達(dá)到2.7 MPa。

（4） 由上述理論分析表明，路面結(jié)構(gòu)的低溫開(kāi)裂破壞將率先發(fā)生在路面表面，路面上面層瀝青材料的低溫性能對(duì)于低溫破壞的防治非常關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李立寒，曹林濤，羅芳艷，等.瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度影響因素的研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2004，7（1）：4145.

[2] 楊學(xué)良，劉伯瑩.瀝青路面溫度場(chǎng)與結(jié)構(gòu)耦合的有限元分析[J].公路交通科技，2006，23（11）：48.

[3] 劉榮輝，錢(qián)國(guó)平，鄭健龍.周期性氣候條件下瀝青路面溫度場(chǎng)計(jì)算方法研究[J]. 長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，18（2）：7175.

[4] 吳建良，孫應(yīng)軍.路面非周期一維溫度場(chǎng)的傅里葉級(jí)數(shù)解[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2012，15（10）：2934.

[5] 張 東，許益東，趙永利.基于TSRST的瀝青路面溫度應(yīng)力計(jì)算參數(shù)的反算方法[J].石油瀝青，2009，23（5）：3033.

[6] 熊 非.溫度循環(huán)作用下的瀝青路面溫度應(yīng)力有限元數(shù)值模擬[J].公路交通科技，2011，28（3）：7477.

[7] 鄭健龍，周志剛，應(yīng)榮華. 瀝青路面溫度應(yīng)力數(shù)值分析[J].長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，17（1）： 2932.

[責(zé)任編輯：張小駒]endprint

摘 要：針對(duì)高寒地區(qū)的瀝青路面開(kāi)裂情況不同于大多數(shù)道路的情況，分析了瀝青混合料低溫開(kāi)裂的機(jī)理，得出瀝青混合料低溫開(kāi)裂的關(guān)鍵因素——低溫勁度模量和松弛系數(shù)。采用半剛性基層瀝青路面，研究了低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)路表的溫度變化幅度最大，溫度應(yīng)力也最大。

關(guān)鍵詞：高寒區(qū)；瀝青混合料；低溫縮裂；低溫勁度模量

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.03 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

高寒地區(qū)的瀝青路面開(kāi)裂情況與其他地區(qū)道路的開(kāi)裂狀況有所不同。低溫地區(qū)路面的裂縫是從路表面開(kāi)始逐漸向下延展，與道路延伸方向基本垂直。而且大部分路面在第一年冬季寒冷期就產(chǎn)生開(kāi)裂，并隨著時(shí)間的推移裂縫越來(lái)越多。為了準(zhǔn)確分析低溫條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的情況，本文建立了相應(yīng)的瀝青路面結(jié)構(gòu)低溫開(kāi)裂模型，用以對(duì)路面實(shí)際情況進(jìn)行模擬。首先對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，然后得出瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力分布，從而得出在低溫條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生破壞的層位及其影響因素，最后針對(duì)此種情況提出適于低溫氣候環(huán)境的控制因素。

1 瀝青混合料低溫開(kāi)裂的機(jī)理分析

低溫收縮裂縫的形成與材料熱脹冷縮的性能呈正相關(guān)，如果在低溫收縮過(guò)程中材料不受任何限制可以自由伸縮，即使溫度大幅度變化，材料內(nèi)部也不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；然而，瀝青路面面層與基層之間存在著相互約束，在溫度降低時(shí)面層內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的溫度應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力的大小大于材料在此溫度下的抗拉強(qiáng)度時(shí)，面層就會(huì)產(chǎn)生低溫縮裂[1]。瀝青混合料在較大的溫度范圍內(nèi)可以被認(rèn)為是一種粘彈性材料，由于溫度的下降而引起的溫度應(yīng)力可以通過(guò)應(yīng)力松馳而消散。然而，在一個(gè)較低的溫度范圍內(nèi)，由于此時(shí)瀝青混凝土更趨近于彈性材料，溫度應(yīng)力不能通過(guò)應(yīng)力松馳消散，而是不斷積聚，最終導(dǎo)致低溫縮裂。

2 低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力分析

材料的溫度收縮系數(shù)是溫度場(chǎng)與時(shí)間的函數(shù)，所以在進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)該將溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)結(jié)合起來(lái)考慮。首先對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬，然后將節(jié)點(diǎn)溫度作為外部荷載與路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合分析，系統(tǒng)地將兩者結(jié)合起來(lái)考慮[24]。

2.1 低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分析

對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)的道路，主要考慮的是低溫條件下瀝青內(nèi)部的開(kāi)裂破壞；而極端低溫狀況主要發(fā)生在凌晨3～5點(diǎn)，這時(shí)沒(méi)有太陽(yáng)直接輻射和散射輻射，風(fēng)速對(duì)這種熱交換有一定影響，主要考慮路面與空氣間的熱交換。計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)，材料的熱工參數(shù)包括材料的密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流熱交換系數(shù)、輻射率。不同級(jí)配的瀝青混和料在不同溫度條件下的熱工參數(shù)不同，但相差不大，計(jì)算時(shí)一般取常數(shù)， 模型的材料參數(shù)如表1所示。

本文采用半剛性基層瀝青路面，結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。瀝青面層分3層考慮，基層和底基層選用水泥穩(wěn)定碎石。一般情況下，在路表以下80 cm時(shí)外界氣溫的影響可忽略不計(jì)，本文土基厚度選為42 cm。

采用ANSYS進(jìn)行溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)的相互耦合有限元分析，溫度梯度方向?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)的深度方向；低溫收縮時(shí)瀝青路面在路線(xiàn)方向上受到約束，產(chǎn)生的裂縫主要為橫向裂縫。由此，溫度場(chǎng)的計(jì)算可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力或平面應(yīng)變問(wèn)題。因此，計(jì)算單元采用平面8節(jié)點(diǎn)等參單元；沿路線(xiàn)方向垂直取截面，X向?yàn)槁肪€(xiàn)方向，Y向?yàn)樯疃确较?，X向兩端約束。

2.2 低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，瀝青混和料的勁度模量、基層材料和土基的回彈模量以及各層材料的溫縮系數(shù)等力學(xué)參數(shù)都受到溫度變化的影響[57]。其中受時(shí)間與溫度影響的瀝青混和料粘彈性指標(biāo)以及對(duì)應(yīng)的溫縮系數(shù)。

溫度場(chǎng)作用下，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)如圖6所示。外界氣溫的周期變化主要影響瀝青上、中面層的溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力隨時(shí)間產(chǎn)生周期性變化，降溫速率大時(shí)，面層會(huì)一次性產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，從而造成瀝青層的開(kāi)裂。

溫度應(yīng)力與溫度變化速率以及路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度場(chǎng)有關(guān)。面層和基層在不同時(shí)刻的溫度應(yīng)力如。相對(duì)基層而言，瀝青面層的應(yīng)力場(chǎng)更為復(fù)雜，這一方面是因?yàn)槠錅囟葓?chǎng)更為復(fù)雜，另一方面是因?yàn)椴煌Y(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)都與溫度場(chǎng)有著函數(shù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)于負(fù)溫度梯度，路表溫度應(yīng)力最大，溫縮裂縫從路面開(kāi)始向下延伸。

在溫度最低的時(shí)刻（凌晨4點(diǎn)左右），計(jì)算得到的面層表面溫度應(yīng)力可以達(dá)到2.7 MPa，而相應(yīng)的半剛性基層表面的溫度應(yīng)力只有0.9 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于面層內(nèi)部的溫度應(yīng)力。瀝青混合料的溫縮系數(shù)和低溫模量明顯大于半剛性基層，而破壞應(yīng)變則小于半剛性基層。因此一般情況下，溫縮裂縫產(chǎn)生于瀝青混合料結(jié)構(gòu)層。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)瀝青混合料低溫開(kāi)裂破壞的理論分析，確定了影響瀝青混合料低溫開(kāi)裂的關(guān)鍵因素；進(jìn)而通過(guò)對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的理論研究，計(jì)算得到了最低溫度條件下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力，主要結(jié)論包括以下幾點(diǎn)。

（1） 通過(guò)對(duì)瀝青混合料低溫受力開(kāi)裂的理論分析研究，確定了影響瀝青混合料低溫性能的關(guān)鍵因素——低溫勁度模量S和松弛系數(shù)m。

（2） 通過(guò)對(duì)低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分析，計(jì)算得知在一天時(shí)間內(nèi)，路表的溫度變化幅度最大，而路表和路基的最大溫差可達(dá)7 ℃。

（3） 通過(guò)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，可以計(jì)算得到在最低溫度條件下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，結(jié)果表明：路表處產(chǎn)生的溫度應(yīng)力是最大的，可達(dá)到2.7 MPa。

（4） 由上述理論分析表明，路面結(jié)構(gòu)的低溫開(kāi)裂破壞將率先發(fā)生在路面表面，路面上面層瀝青材料的低溫性能對(duì)于低溫破壞的防治非常關(guān)鍵。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李立寒，曹林濤，羅芳艷，等.瀝青混合料劈裂抗拉強(qiáng)度影響因素的研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2004，7（1）：4145.

[2] 楊學(xué)良，劉伯瑩.瀝青路面溫度場(chǎng)與結(jié)構(gòu)耦合的有限元分析[J].公路交通科技，2006，23（11）：48.

[3] 劉榮輝，錢(qián)國(guó)平，鄭健龍.周期性氣候條件下瀝青路面溫度場(chǎng)計(jì)算方法研究[J]. 長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，18（2）：7175.

[4] 吳建良，孫應(yīng)軍.路面非周期一維溫度場(chǎng)的傅里葉級(jí)數(shù)解[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2012，15（10）：2934.

[5] 張 東，許益東，趙永利.基于TSRST的瀝青路面溫度應(yīng)力計(jì)算參數(shù)的反算方法[J].石油瀝青，2009，23（5）：3033.

[6] 熊 非.溫度循環(huán)作用下的瀝青路面溫度應(yīng)力有限元數(shù)值模擬[J].公路交通科技，2011，28（3）：7477.

[7] 鄭健龍，周志剛，應(yīng)榮華. 瀝青路面溫度應(yīng)力數(shù)值分析[J].長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2001，17（1）： 2932.

[責(zé)任編輯：張小駒]endprint

摘 要：針對(duì)高寒地區(qū)的瀝青路面開(kāi)裂情況不同于大多數(shù)道路的情況，分析了瀝青混合料低溫開(kāi)裂的機(jī)理，得出瀝青混合料低溫開(kāi)裂的關(guān)鍵因素——低溫勁度模量和松弛系數(shù)。采用半剛性基層瀝青路面，研究了低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)路表的溫度變化幅度最大，溫度應(yīng)力也最大。

關(guān)鍵詞：高寒區(qū)；瀝青混合料；低溫縮裂；低溫勁度模量

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.03 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0 引 言

高寒地區(qū)的瀝青路面開(kāi)裂情況與其他地區(qū)道路的開(kāi)裂狀況有所不同。低溫地區(qū)路面的裂縫是從路表面開(kāi)始逐漸向下延展，與道路延伸方向基本垂直。而且大部分路面在第一年冬季寒冷期就產(chǎn)生開(kāi)裂，并隨著時(shí)間的推移裂縫越來(lái)越多。為了準(zhǔn)確分析低溫條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的情況，本文建立了相應(yīng)的瀝青路面結(jié)構(gòu)低溫開(kāi)裂模型，用以對(duì)路面實(shí)際情況進(jìn)行模擬。首先對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，然后得出瀝青路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力分布，從而得出在低溫條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生破壞的層位及其影響因素，最后針對(duì)此種情況提出適于低溫氣候環(huán)境的控制因素。

1 瀝青混合料低溫開(kāi)裂的機(jī)理分析

低溫收縮裂縫的形成與材料熱脹冷縮的性能呈正相關(guān)，如果在低溫收縮過(guò)程中材料不受任何限制可以自由伸縮，即使溫度大幅度變化，材料內(nèi)部也不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；然而，瀝青路面面層與基層之間存在著相互約束，在溫度降低時(shí)面層內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的溫度應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力的大小大于材料在此溫度下的抗拉強(qiáng)度時(shí)，面層就會(huì)產(chǎn)生低溫縮裂[1]。瀝青混合料在較大的溫度范圍內(nèi)可以被認(rèn)為是一種粘彈性材料，由于溫度的下降而引起的溫度應(yīng)力可以通過(guò)應(yīng)力松馳而消散。然而，在一個(gè)較低的溫度范圍內(nèi)，由于此時(shí)瀝青混凝土更趨近于彈性材料，溫度應(yīng)力不能通過(guò)應(yīng)力松馳消散，而是不斷積聚，最終導(dǎo)致低溫縮裂。

2 低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力分析

材料的溫度收縮系數(shù)是溫度場(chǎng)與時(shí)間的函數(shù)，所以在進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算時(shí)，應(yīng)該將溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)結(jié)合起來(lái)考慮。首先對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬，然后將節(jié)點(diǎn)溫度作為外部荷載與路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行耦合分析，系統(tǒng)地將兩者結(jié)合起來(lái)考慮[24]。

2.1 低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)溫度場(chǎng)分析

對(duì)于嚴(yán)寒地區(qū)的道路，主要考慮的是低溫條件下瀝青內(nèi)部的開(kāi)裂破壞；而極端低溫狀況主要發(fā)生在凌晨3～5點(diǎn)，這時(shí)沒(méi)有太陽(yáng)直接輻射和散射輻射，風(fēng)速對(duì)這種熱交換有一定影響，主要考慮路面與空氣間的熱交換。計(jì)算溫度場(chǎng)時(shí)，材料的熱工參數(shù)包括材料的密度、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流熱交換系數(shù)、輻射率。不同級(jí)配的瀝青混和料在不同溫度條件下的熱工參數(shù)不同，但相差不大，計(jì)算時(shí)一般取常數(shù)， 模型的材料參數(shù)如表1所示。

本文采用半剛性基層瀝青路面，結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。瀝青面層分3層考慮，基層和底基層選用水泥穩(wěn)定碎石。一般情況下，在路表以下80 cm時(shí)外界氣溫的影響可忽略不計(jì)，本文土基厚度選為42 cm。

采用ANSYS進(jìn)行溫度場(chǎng)和結(jié)構(gòu)的相互耦合有限元分析，溫度梯度方向?yàn)槁访娼Y(jié)構(gòu)的深度方向；低溫收縮時(shí)瀝青路面在路線(xiàn)方向上受到約束，產(chǎn)生的裂縫主要為橫向裂縫。由此，溫度場(chǎng)的計(jì)算可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)力或平面應(yīng)變問(wèn)題。因此，計(jì)算單元采用平面8節(jié)點(diǎn)等參單元；沿路線(xiàn)方向垂直取截面，X向?yàn)槁肪€(xiàn)方向，Y向?yàn)樯疃确较?，X向兩端約束。

2.2 低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力分析

計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，瀝青混和料的勁度模量、基層材料和土基的回彈模量以及各層材料的溫縮系數(shù)等力學(xué)參數(shù)都受到溫度變化的影響[57]。其中受時(shí)間與溫度影響的瀝青混和料粘彈性指標(biāo)以及對(duì)應(yīng)的溫縮系數(shù)。

溫度場(chǎng)作用下，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)如圖6所示。外界氣溫的周期變化主要影響瀝青上、中面層的溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力隨時(shí)間產(chǎn)生周期性變化，降溫速率大時(shí)，面層會(huì)一次性產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，從而造成瀝青層的開(kāi)裂。

溫度應(yīng)力與溫度變化速率以及路面結(jié)構(gòu)內(nèi)溫度場(chǎng)有關(guān)。面層和基層在不同時(shí)刻的溫度應(yīng)力如。相對(duì)基層而言，瀝青面層的應(yīng)力場(chǎng)更為復(fù)雜，這一方面是因?yàn)槠錅囟葓?chǎng)更為復(fù)雜，另一方面是因?yàn)椴煌Y(jié)構(gòu)層的材料參數(shù)都與溫度場(chǎng)有著函數(shù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)于負(fù)溫度梯度，路表溫度應(yīng)力最大，溫縮裂縫從路面開(kāi)始向下延伸。

在溫度最低的時(shí)刻（凌晨4點(diǎn)左右），計(jì)算得到的面層表面溫度應(yīng)力可以達(dá)到2.7 MPa，而相應(yīng)的半剛性基層表面的溫度應(yīng)力只有0.9 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于面層內(nèi)部的溫度應(yīng)力。瀝青混合料的溫縮系數(shù)和低溫模量明顯大于半剛性基層，而破壞應(yīng)變則小于半剛性基層。因此一般情況下，溫縮裂縫產(chǎn)生于瀝青混合料結(jié)構(gòu)層。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)瀝青混合料低溫開(kāi)裂破壞的理論分析，確定了影響瀝青混合料低溫開(kāi)裂的關(guān)鍵因素；進(jìn)而通過(guò)對(duì)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度場(chǎng)的理論研究，計(jì)算得到了最低溫度條件下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應(yīng)力，主要結(jié)論包括以下幾點(diǎn)。

（1） 通過(guò)對(duì)瀝青混合料低溫受力開(kāi)裂的理論分析研究，確定了影響瀝青混合料低溫性能的關(guān)鍵因素——低溫勁度模量S和松弛系數(shù)m。

（2） 通過(guò)對(duì)低溫氣候條件下路面結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)分析，計(jì)算得知在一天時(shí)間內(nèi)，路表的溫度變化幅度最大，而路表和路基的最大溫差可達(dá)7 ℃。

（3） 通過(guò)溫度場(chǎng)的變化規(guī)律，可以計(jì)算得到在最低溫度條件下路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，結(jié)果表明：路表處產(chǎn)生的溫度應(yīng)力是最大的，可達(dá)到2.7 MPa。

（4） 由上述理論分析表明，路面結(jié)構(gòu)的低溫開(kāi)裂破壞將率先發(fā)生在路面表面，路面上面層瀝青材料的低溫性能對(duì)于低溫破壞的防治非常關(guān)鍵。

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[責(zé)任編輯：張小駒]endprint