基于性能的高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)

張 玲,耿 娟,司飛展

(1.西安眾力瀝青有限公司,西安 710075;2.西安公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司,西安 710065;3.西安市公路工程管理處,西安 710065)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會的快速發(fā)展,中國交通環(huán)境呈現(xiàn)出交通量大、軸載重等特點(diǎn),對瀝青路面結(jié)構(gòu)和材料帶來嚴(yán)峻挑戰(zhàn)的同時(shí)亦提出了更高的要求[1-6]。近年,長壽命瀝青路面逐漸成為各國研究熱點(diǎn),高模量瀝青混合料是長壽命或永久路面設(shè)計(jì)的組成部分[7-9]。

20世紀(jì)70年代末,法國首先發(fā)明使用了高模量瀝青混合料,一般應(yīng)用于瀝青面層或基層,通過提高面層彈性模量加強(qiáng)路面抵抗荷載變形的能力,根據(jù)法國高模量瀝青混合料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)NF P 98-140,高模量瀝青混合料采用硬質(zhì)瀝青生產(chǎn)[10-11],其性能要求在15 ℃,10 Hz條件下動態(tài)模量≥14 000 MPa,10 ℃、25 Hz、130 με下達(dá)到100萬次疲勞壽命。我國現(xiàn)階段對高模量瀝青混合料的定義是以法國EME(指特定的混合料類型)為基礎(chǔ),中國公路學(xué)會發(fā)布的《公路高模量瀝青路面施工技術(shù)指南》(T/CHT S 10004—2018)要求高模量瀝青混合料20 ℃、10 Hz動態(tài)模量不小于15 000 MPa或45 ℃、10 Hz動態(tài)模量不小于4 000 MPa,15 ℃、10 Hz、控制應(yīng)變230 με條件下疲勞壽命不小于100萬次的瀝青混合料。

高模量瀝青混合料可以提高路面抗車轍性能,延長道路服役時(shí)間,節(jié)約后期養(yǎng)護(hù)成本[12]。劉朝暉等[13]通過配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)和微觀形貌觀測,揭露了玄武巖纖維高模量瀝青混合料的復(fù)合增強(qiáng)機(jī)理。Arnold等[14]開展的高模量瀝青混合料抗車轍性能較其他混合料高出100倍,均顯示出高模量瀝青混合料用于長壽命瀝青路面的優(yōu)勢。另外,道路面層結(jié)構(gòu)是病害高發(fā)部位[15-16]。Capitao和Picado-Santos[17]基于高模量瀝青混合料長期性能觀測的結(jié)果,提出了高模量瀝青混合料的永久變形參數(shù);Guyot[18]認(rèn)為將高模量瀝青混合料應(yīng)用于道路、機(jī)場、港口等路面,可以改善路面結(jié)構(gòu)特性、節(jié)約成本、降低能耗;Carbonneau等[19]通過計(jì)算得出高模量瀝青混合料的應(yīng)用可以減小路面厚度;徐希忠等[20]則推薦了高模量瀝青混合料在全厚式瀝青路面結(jié)構(gòu)中的合理層位。

綜上,高模量瀝青混合料的應(yīng)用可有效延長道路使用壽命。歐美國家針對高模量瀝青混合料在長壽命瀝青路面的應(yīng)用研究處于領(lǐng)先地位,國內(nèi)路面結(jié)構(gòu)形式區(qū)別于國外,以半剛性基層為主,針對高模量瀝青混合料在國內(nèi)傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)形式下的應(yīng)用較少,大規(guī)模應(yīng)用缺乏理論支撐,故有必要基于傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)高模量瀝青混合料的性能進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)分析。利用ABAQUS建立傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)模型,分析不同路面結(jié)構(gòu)下高模量瀝青路面的力學(xué)響應(yīng),及面層厚度對路面力學(xué)響應(yīng)的影響,預(yù)測高模量瀝青路面的功能壽命,以期為實(shí)體工程提供指導(dǎo),為提高路面結(jié)構(gòu)使用性能及延長使用壽命奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 路面結(jié)構(gòu)和材料

1.1.1 路面結(jié)構(gòu)

高模量瀝青混合料可應(yīng)用于路面的上、中、下面層及上基層[21]。為更全面了解高模量混合料應(yīng)用于不同層位時(shí),路面的力學(xué)響應(yīng)和壽命差異,對表1所示幾種瀝青面層結(jié)構(gòu)組合進(jìn)行分析。

表1 幾種高模量瀝青面層結(jié)構(gòu)組合

1.1.2 路面材料

擬定的7種路面結(jié)構(gòu)中包含6種瀝青混合料：BBME-13、EME-16、EME-20、AC-13、AC-20、ATB-30。其中,BBME-13、EME-16、EME-20采用高模量天然瀝青HMB-W為結(jié)合料,性能指標(biāo)見表2,AC-13、AC-20采用SBS I-C改性瀝青為結(jié)合料,ATB-30采用70#基質(zhì)瀝青為結(jié)合料,其性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

表2 高模量天然瀝青HMB-W技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)級配要求,確定用于各面層的級配曲線,如圖1所示,同面層使用的高模量瀝青混合料的級配相比于傳統(tǒng)AC瀝青混合料更細(xì)。

圖1 各面層的混合料級配曲線

1.2 試驗(yàn)及分析方法

1.2.1 試驗(yàn)方法

利用萬能試驗(yàn)機(jī)(universal testing machine,UTM),在0.1、0.5、1、5、10、25 Hz下按4個(gè)溫度(15、20、30、45 ℃)分別對BBME-13、EME-16、EME-20高模量瀝青混合料試件進(jìn)行動態(tài)模量試驗(yàn)。并對上述6種混合料分別進(jìn)行單軸貫入試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓試驗(yàn),讀取加載過程中的荷載峰值,計(jì)算各瀝青混合料的高溫抗剪強(qiáng)度和高溫抗壓強(qiáng)度。

1.2.2 分析方法

基于車轍預(yù)估模型,通過控制路面結(jié)構(gòu)車轍深度提出瀝青混合料明確的抗剪標(biāo)準(zhǔn)[21-23]。簡化后半剛性基層的車轍預(yù)估模型為

dr=ψ(h1,h2,E2)×3.404 8×10-3T1.310 9×
(V-1.237 5N)0.305 0[τ]-0.536 7

(1)

ψ=(0.493 0h1-0.002 9-296.578 1h2-1.319 6)E20.102 6

(2)

式中：dr為車轍深度;ψ為結(jié)構(gòu)系數(shù);h1為瀝青層厚度,mm;h2為基層厚度,mm;E2為基層模量,MPa;T為第i亞層平均溫度,℃;V為載重車平均行車速度,km/h;N為設(shè)計(jì)車道設(shè)計(jì)軸載累計(jì)作用次數(shù),次;[τ]i為瀝青混合料抗剪強(qiáng)度。

1.2.3 數(shù)值模型

建立的路面結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2所示,荷載為標(biāo)準(zhǔn)荷載,接地壓強(qiáng)為0.7 MPa,荷載接地面積為0.186 m×0.192 m,兩輪間隙為0.314 m。模型尺寸為10 m×10 m×15 m,其中,Z方向是行車方向(10 m),X方向是橫斷面方向(10 m),Y方向是深度方向(15 m)。采用靜態(tài)模型,邊界條件為：X和Z方向限制法向位移,Y方向完全固定。沿深度方向,瀝青層按1 cm進(jìn)行網(wǎng)格劃分,基層按3 cm進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分,土基網(wǎng)格劃分沿深度方向逐漸變疏,共劃分15個(gè)網(wǎng)格。為提高計(jì)算效率,荷載區(qū)域網(wǎng)格劃分較密,遠(yuǎn)離荷載區(qū)域網(wǎng)格劃分逐漸變疏。為簡化計(jì)算,基層和底基層統(tǒng)一稱無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層。

圖2 有限元模型

選取無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層內(nèi)部的最大拉應(yīng)力、瀝青層最大剪應(yīng)力和路表彎沉為力學(xué)指標(biāo)。不同的模量取值對力學(xué)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果影響較大。為更好地表征瀝青路面內(nèi)部的受力狀況,在計(jì)算不同的力學(xué)指標(biāo)時(shí),模量的選取有所不同。

計(jì)算瀝青層最大剪應(yīng)力及彎沉?xí)r,根據(jù)動態(tài)模量主曲線確定的各結(jié)構(gòu)類型瀝青層模量見表3。計(jì)算無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層最大拉應(yīng)力時(shí),參考《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50—2017),各結(jié)構(gòu)層模量取值如表4所示。在進(jìn)行力學(xué)響應(yīng)計(jì)算時(shí),溫度取20 ℃,頻率取10 Hz。

表3 各面層各結(jié)構(gòu)類型瀝青層模量

表4 各結(jié)構(gòu)層模量取值

2 高模量瀝青路面性能分析

2.1 動態(tài)模量及主曲線

不同溫度下高模量瀝青混合料的動態(tài)模量和相位角結(jié)果如圖3所示。3種高模量瀝青混合料的動態(tài)模量(20 ℃,10 Hz)均超過15 000 MPa。

圖3 10 Hz下3種高模量混合料動態(tài)模量及相位角

由圖3可知,3種高模量瀝青混合料的動態(tài)模量隨著溫度的升高均呈現(xiàn)下降的趨勢,相位角隨溫度的升高呈上升趨勢。這是由于高溫條件下瀝青膠結(jié)料在荷載作用下的變形呈現(xiàn)感溫性,其行為響應(yīng)接近黏性,說明高模量瀝青混合料在高溫下變形不可恢復(fù)的部分較大,易產(chǎn)生永久變形。但高溫下的動態(tài)模量和相位角仍然具有優(yōu)勢。

根據(jù)3種高模量瀝青混合料動態(tài)模量、相位角結(jié)果,采用西格摩德(Sigmoidal)函數(shù)對高模量瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線進(jìn)行擬合[24]。選取參考溫度20 ℃,將3種高模量瀝青混合料的動態(tài)模量值代入進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果見表5,動態(tài)模量主曲線如圖4所示。

圖4 3種高模量瀝青混合料動態(tài)模量主曲線

表5 3種高模量瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線擬合結(jié)果

圖4顯示出3種高模量瀝青混合料的動態(tài)模量主曲線基本接近,側(cè)面反映了高模量瀝青混合料骨料粒徑大小對其強(qiáng)度影響較小。但在全頻區(qū)域,尤其較低頻和較高頻時(shí)EME-20表現(xiàn)出更高的動態(tài)模量,表明其抵抗變頻加載能力較強(qiáng)。

2.2 抗剪強(qiáng)度

基于單軸貫入強(qiáng)度和無側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,采用有限元方法,通過摩爾-庫侖坐標(biāo)系計(jì)算各瀝青混合料的內(nèi)摩擦角ψ和黏聚力c[25-26]。結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同級配瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

由圖5可知,相比于傳統(tǒng)AC瀝青混合料,高模量瀝青混合料單軸貫入強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均更高,其中抗壓強(qiáng)度提升了2.2～2.5倍。說明高模量瀝青混合料抗剪強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)AC瀝青混合料。高模量瀝青混合料的內(nèi)摩擦角比AC瀝青混合料小21%,但黏聚力比AC瀝青混合料的高3倍。說明高模量瀝青混合料的強(qiáng)度更依賴于瀝青的黏聚力,這與動態(tài)模量的結(jié)果一致,因此高模量瀝青混合料的結(jié)合料對混合料性能影響起關(guān)鍵作用。

3 高模量瀝青路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析

3.1 路面結(jié)構(gòu)對力學(xué)響應(yīng)的影響

瀝青層內(nèi)部剪應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示,提取的剪應(yīng)力峰值如圖7所示,無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層內(nèi)部拉應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖8所示,彎沉計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖6 不同路面結(jié)構(gòu)類型中瀝青層最大剪應(yīng)力沿深度分布

圖7 不同路面結(jié)構(gòu)類型中瀝青層最大剪應(yīng)力峰值對比

圖8 不同路面結(jié)構(gòu)類型中無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層內(nèi)部的最大拉應(yīng)力

圖9 不同路面結(jié)構(gòu)類型路表彎沉

由圖7可知,除結(jié)構(gòu)2外,其他結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力沿深度分布均比對比結(jié)構(gòu)要小,說明含有高模量瀝青混合料的結(jié)構(gòu)的抗車轍能力優(yōu)于對比結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)3、結(jié)構(gòu)4和結(jié)構(gòu)5的最大剪應(yīng)力峰值相差不大,說明在含有高模量瀝青混合料的結(jié)構(gòu)中,這4種路面結(jié)構(gòu)類型的抗車轍能力更佳?；谧畲蠹魬?yīng)力峰值,對各結(jié)構(gòu)進(jìn)行排序：結(jié)構(gòu)2>結(jié)構(gòu)6>對比結(jié)構(gòu)>結(jié)構(gòu)4>結(jié)構(gòu)5>結(jié)構(gòu)3=結(jié)構(gòu)1。但值得注意的是,BBME-13、EME-16和EME-20的抗剪強(qiáng)度值分別為1.287、1.227、1.126 MPa,AC-13、AC-20和ATB-30的抗剪強(qiáng)度值分別為1.135、1.050、0.967 MPa,而結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)6瀝青層含有高模量瀝青混合料,瀝青材料整體的抗力要比對比結(jié)構(gòu)高,因此綜合來說,對比結(jié)構(gòu)的抗車轍性能最差。由圖8可知,無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定層內(nèi)部的縱向應(yīng)力的值大于橫向應(yīng)力,縱向應(yīng)力對裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展起控制作用,故以縱向應(yīng)力值對各結(jié)構(gòu)層進(jìn)行排序：對比結(jié)構(gòu)>結(jié)構(gòu)2≥結(jié)構(gòu)5>結(jié)構(gòu)6>結(jié)構(gòu)3>結(jié)構(gòu)4>結(jié)構(gòu)1。另外,從半剛性基層抗裂角度,結(jié)構(gòu)1為最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

由圖9可知,在其他條件一致的情況下,上中下全面層天然瀝青高模量混合料(結(jié)構(gòu)1)的路表彎沉最小,其次為中下面層采用天然瀝青高模量混合料的結(jié)構(gòu)4。

將不同指標(biāo)進(jìn)行排序匯總見表6。其中數(shù)字越小代表值越小,即路面壽命越長。具體在進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)類型選擇時(shí),可根據(jù)工程的側(cè)重點(diǎn)基于表6選擇合適的路面結(jié)構(gòu)類型。

表6 各結(jié)構(gòu)、各指標(biāo)排序

3.2 厚度對力學(xué)響應(yīng)的影響

基于上述3種不同的力學(xué)指標(biāo)綜合考慮,推薦結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)4?？紤]結(jié)構(gòu)5和對比結(jié)構(gòu)在實(shí)體工程中應(yīng)用較多,故以結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)4、結(jié)構(gòu)5和對比結(jié)構(gòu)4種不同類型的組合形式進(jìn)行不同厚度對力學(xué)響應(yīng)的分析。

選取15、18、20、24、28、32 cm 6種不同的路面厚度分析選定結(jié)構(gòu)對各力學(xué)指標(biāo)的影響。各瀝青層厚度采用實(shí)際工程中常用的路面結(jié)構(gòu)組合,瀝青層具體厚度組合見表7。在計(jì)算不同厚度對力學(xué)響應(yīng)的影響時(shí),均取基層和底基層為半剛性基層,厚度分別為36 cm和18 cm。各結(jié)構(gòu)不同力學(xué)指標(biāo)隨著瀝青層厚度的變化如圖10所示。

圖10 各結(jié)構(gòu)各力學(xué)指標(biāo)隨瀝青層厚度的變化規(guī)律

表7 厚度組合

從路面整體受力的角度來看,各力學(xué)指標(biāo)值越小越好。單獨(dú)分析不同瀝青層厚度對4種結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)的影響可知,適當(dāng)增加瀝青層厚度可有效控制瀝青層內(nèi)部最大剪應(yīng)力、基層最大拉應(yīng)力及路表彎沉,其中路表最大彎沉值降低效果尤其明顯。當(dāng)面層厚度從15 cm增加到32 cm時(shí),4種結(jié)構(gòu)的路表彎沉值呈均勻減小的趨勢,結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)4、結(jié)構(gòu)5、對比結(jié)構(gòu)分別降低了20.2%、20.0%、11.5%、9.8%。從最大剪應(yīng)力峰值的角度考慮,各結(jié)構(gòu)最優(yōu)瀝青層厚度為15 cm;從基層最大拉應(yīng)力及彎沉考慮,各結(jié)構(gòu)最優(yōu)的瀝青層厚度均為32 cm。

圖10顯示,各力學(xué)指標(biāo)之間存在“博弈”現(xiàn)象,在選擇瀝青層厚度時(shí)可考慮各力學(xué)指標(biāo)相交位置附近的瀝青層厚度,針對結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)4、結(jié)構(gòu)5和對比結(jié)構(gòu),瀝青層厚度組合可根據(jù)工程所在地具體情況取18～25 cm。

4 功能壽命預(yù)測

當(dāng)車轍深度分別為10、15、20 mm時(shí),可反算得到各結(jié)構(gòu)累計(jì)軸載作用次數(shù),見表8。

表8 各結(jié)構(gòu)不同車轍深度下的累計(jì)軸載作用次數(shù)

以對比結(jié)構(gòu)為基準(zhǔn),不同車轍深度下各結(jié)構(gòu)的壽命如圖11所示。

圖11 各路面結(jié)構(gòu)不同車轍深度下的延長壽命比較

目前對于高速公路,車轍深度控制標(biāo)準(zhǔn)為15 mm。從圖11可以看出,以15 mm車轍深度為控制指標(biāo)時(shí),相比于對比結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)1到結(jié)構(gòu)6可分別延長路面壽命326%、49%、258%、118%、93%、10%,結(jié)構(gòu)1和結(jié)構(gòu)3對于壽命的延長效果最好。

從表8可知,當(dāng)設(shè)計(jì)交通量小于2 000萬次(按標(biāo)準(zhǔn)軸載100 kN統(tǒng)計(jì))的時(shí)候,采用對比結(jié)構(gòu)可滿足要求,當(dāng)設(shè)計(jì)交通量大于2 000萬次之后,需采用在瀝青層中使用高模量瀝青混合料才可滿足要求。

5 結(jié)論

1)高模量瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度明顯優(yōu)于傳統(tǒng)AC瀝青混合料,作為典型懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu),瀝青的黏聚力對其強(qiáng)度發(fā)揮重要作用,瀝青結(jié)合料的選擇尤為關(guān)鍵。

2)基于力學(xué)響應(yīng)計(jì)算結(jié)果,最優(yōu)路面結(jié)構(gòu)均為上中下面層均為高模量的結(jié)構(gòu),其次為上面層和中面層為高模量的結(jié)構(gòu),以及中下面層為高模量的結(jié)構(gòu)。具體設(shè)計(jì)時(shí),可根據(jù)側(cè)重點(diǎn)選擇合適的路面結(jié)構(gòu),瀝青層厚度組合可根據(jù)工程所在地具體情況取18～25 cm。

3)基于車轍預(yù)估模型,以15 mm車轍深度為控制指標(biāo),擬用的路面結(jié)構(gòu)中,上中下全面層、上中面層、中下面層采用高模量瀝青混合料對于壽命的延長效果最好,分別可延長路面壽命326%、258%、118%。