瀝青路面鑲嵌橡膠塊鋪裝結構破冰機理研究＊

肖慶一 劉美彤 王玉寶 李 偉 王 瓊

（河北工業(yè)大學土木工程學院1） 河北省土木工程技術研究中心2） 天津 300401）

我國冬季月份公路交通安全形勢嚴峻，絕大多數是由于與路面上積雪和薄冰導致路面摩擦系數減小而引起的［1］.傳統(tǒng)的機械鏟雪很難將路面冰雪全部清除，而化學溶血除冰方式又會造成環(huán)境污染和設施設備侵蝕.日本開發(fā)了一種利用物理方法抑制凍結／除冰的路面，將半徑50mm、高度25mm 的五邊形橡膠塊嵌入瀝青面層，利用橡膠塊與瀝青路面的彈性模量差實現冰層局部大變形、大應力而導致冰層破裂［2］.實用效果表明，鑲嵌類鋪裝結構具有良好的破冰效果，但設計的缺陷造成了施工困難和使用過程中的耐久性欠佳.本文設計了一種新型鑲嵌橡膠塊鋪裝瀝青路面結構，從冰層結構受力角度揭示了這種破冰／抑制凍結結構的除冰機理，并探討了橡膠塊的布局形式對破冰／抑冰效果的影響.

1 自應力除冰雪機理應用——破冰／抑制凍結鋪裝結構

自應力破冰／抑冰路面主要分為2種類型：粗糙型和變形型，以廢橡膠顆粒瀝青路面和鑲嵌類鋪裝結構為代表.根據日本相關研究表明，變形型鋪裝路面除冰效果大大優(yōu)于廢橡膠顆粒瀝青路面.本文設計一種新型破冰／抑制凍結鋪裝結構：預制直徑為100mm、高度為40～50mm（略大于面層等厚）的圓柱形橡膠塊；在已有的路面開孔，采用鉆孔機打直徑100mm 孔；清孔烘干，涂抹彈性膠黏劑；壓入橡膠塊，待膠黏劑強度形成后，將表面高出的橡膠塊切除.

2 力學模型構建及工況

2.1 材料參數

2.1.1 材料的力學性能及其參數

路表冰層處于復雜的環(huán)境中，冰在不同的荷載作用速率及溫度條件下表現出完全不同的力學特性.根據華北地區(qū)的氣溫特點，選取-5 ℃下高加載速率（60mm／min）下冰的抗彎強度，得到冰層材料力學參數見表1［3-4］.

表1 冰層材料力學參數

設定冰層厚度為1cm，根據相關文獻研究，取冰的彈性模量為700 MPa［5-8］，泊松比0.25.設定瀝青面層厚度為5cm，中國北方的冬季溫度較低，取瀝青彈性模量4 000 MPa，泊松比0.25，經過試驗測定，橡膠塊的彈性模量為10 MPa，泊松比為0.45.具體參數見表2.

表2 ANSYS模型參數

2.1.2 輪胎荷載及其簡化模型

輪胎接地印痕接近于條形分布［9］，在進行有限元分析時將輪載簡化為矩形，確定用于路面結構分析的輪胎接地面積及壓力分布簡化模型，為反映真實輪載作用下的響應規(guī)律，胎壓確定為700kPa，輪載間距10cm，其具體尺寸見圖1.

圖1 輪胎均布荷載簡化圖

2.2 有限元計算模型及工況設計

根據輪載簡化圖對瀝青路面鑲嵌橡膠塊鋪裝結構進行設計，結構橫斷面圖見圖2.

圖2 結構橫斷面圖

采用有限元分析軟件ANSYS 建立實體模型，路面長度和寬度均取橡膠塊間距的3倍，單節(jié)點類型采用八節(jié)點solid45單元［10-11］，將材料參數及尺寸輸入ANSYS有限元分析軟件中，在瀝青路面底部實行x，y，z三向約束，再根據具體的計算模型適當劃分網格.采用有限元法計算時，兼顧計算精度與模型建立的特點，最終采用三角網格劃分實體模型.

考慮輪載的簡化形式、橡膠塊的形狀尺寸以及施工技術的相關要求，根據輪載在鋪裝結構層上的作用位置進行工況設計.設計A，B 2種路面鋪裝方案.方案A，采用橡膠塊正交排布的形式，沿行車方向，橡膠塊中心間距等同于輪載縱向長度24cm，垂直行車方向上，橡膠塊中心間距為28 cm.方案B，采用橫向交錯排布形式，具有增強行車方向上輪載與橡膠塊接觸概率的功效.具體排布形式（俯視圖）見圖3.

圖3 工況示意圖

3 結果分析

3.1 應力應變云圖

脆性破壞理論認為在荷載作用下，材料內部任意一點應力、應變值超過其極限破壞強度時，材料就被認為發(fā)生破壞，故采用應力應變峰值進行結果分析.通過模型計算，得到冰層應力、應變云圖，提取冰層的應力應變峰值，采用關鍵值分析法對冰層狀態(tài)進行分析.工況A1的部分正視圖云圖見圖4.

圖4 工況A1應變云圖

3.2 應力、應變分析

根據云圖提取應力、應變的峰值，篩選出關鍵值（峰值應力／極限強度、峰值應變／極限應變）超過100%的工況，并繪制各工況的應力、應變對比圖，見圖5.

圖5 各工況的應力、應變對比圖

通過觀察各工況的云圖可以發(fā)現，正應力和剪切應力分別集中在冰層與橡膠塊中心處和橡膠塊與輪胎荷載接觸的邊緣部位；在橡膠塊的中心區(qū)域，產生較大的壓應力，在工況A1，A2，B1中，由于輪載、橡膠塊、冰層接觸得相當充分，部分峰值應力超過極限彎拉強度，冰層發(fā)生彎拉破壞.分析方案A 的應力云圖發(fā)現，其正應力十分接近極限強度，將在輪載的反復作用下發(fā)生彎拉疲勞破壞.較冰層的應力破壞而言，冰層的應變破壞更容易發(fā)生.無論采用A 方案或者是B 方案，荷載與路面鋪裝相互作用產生的自應力均能導致冰層發(fā)生剪切應變破壞和拉應變破壞，峰值應變出現在與橡膠塊邊緣接觸的冰層和橡膠塊中心處的冰層，峰值應變遠遠高于極限強度，破冰效果顯著.

通過對比各工況圖可以發(fā)現，在方案B1中，冰層的應變破壞、彎拉破壞同時發(fā)生，對比峰值應變與極限應變的比值可以得到：方案B1 的破冰效果遠遠優(yōu)于其他工況.由于方案B 采用橫向交錯排布形式，能夠使冰層反復受到工況B1，B2的交替作用，車輛在直線行駛的過程中將不斷受到工況B1的影響，彌補了工況B2 的不足.方案B的設計形式增加了冰層與橡膠塊的接觸程度和作用頻率，因此更具有指導工程應用的價值.

4 結 論

1）根據輪載的布置形式和行車特點提出正交排布形式和橫向交錯排布形式的自應力鋪裝結構.

2）利用ANSYS軟件構建力學模型，根據脆性破壞理論和疲勞破壞準則，通過關鍵值分析法得到輪載作用下冰層的破壞形式是彎拉破壞（包括強度和變形）.

3）影響瀝青路面鑲嵌橡膠塊鋪裝結構破冰的主要因素是瀝青與橡膠塊的模量差值、輪載與橡膠塊上冰層的接觸面積以及輪載、冰層、橡膠塊三者之間的作用頻率.

4）結合工況的實際意義和理論計算結果得到交錯式排布鋪裝結構有助于增強輪載與冰層、橡膠塊的作用頻率，瀝青路面鑲嵌橡膠塊鋪裝結構能夠實現自應力破冰.

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