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高温重载下泡沫沥青冷再生路面响应分析
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高温重载下泡沫沥青冷再生路面响应分析
2022年05月31日    阅读量:58817    新闻来源:沥青网 sinoasphalt.com  |  投稿

摘要:为解决高温与重载作用下泡沫沥青冷再生路面易产生车辙病害等问题,了解再生混合料分别作为下面层与上基 层路面时的动力响应,设计一种高抗剪密实型泡沫沥青冷再生混合料(F-B),结合区域气候特点以及黏弹性理论,通过有限 单元法获得了不同结构层的温度场与移动轴载下的应变变化,并与常规级配进行对比。结果表明:路面温度场具有明显的非线性特征,可通过改进级配的方式提高材料的抗剪切性能;卸载后路面存在约10%的残余应变,而采用黏弹性模型能够获得 路面的残余变形,更好地反映车辙的形成;泡沫沥青层层底纵向应变呈现正负交替特点,易引发路面疲劳损伤;低速重载下, 采用高抗剪密实型级配可以减少面层的最大剪应力,减少流动型车辙的产生;泡沫沥青作为下面层使用时,重载作用下路面 具有更好的抗竖向变形能力。


关键词:泡沫沥青冷再生;有限元模拟;黏弹性;动力响应;高温重载


0 引言


泡沫沥青冷再生工艺是通过沥青发泡技术对旧路面材料(RAP)再利用的过程,具有降低能耗、 减少温室气体排放以及增加经济效益等优点沥青网sinoasphalt.com。国内外研究表明,泡沫沥青冷再生混合料的劈裂强度满足中密级配粗粒式热拌沥青混凝土的强度范围, 并具有明显的温度依赖性,属于黏弹性材料12],而硅酸盐水泥的使用则会削弱混合料的黏弹性,使 拥有介于半刚性与柔性之间的力学特点⑶。冷再生技术在我国多用于中轻交通等级的公路,由于沥青路面铳刨料来源广泛,组成成分复杂,按地方标准推荐级配设计的混合料密实性与抗剪切强度不 足,常产生水损害与车辙等病害。随着泡沫沥青混 合料的使用范围从基层向下面层推移,受重载车辆与高温天气的作用更加明显⑷,因而需要对级配类 型进行改进,使其作为下面层使用时,仍然能够满足高温与重载作用下的路用性能要求。


目前对泡沫沥青路面进行响应分析时,通常采用层状弹性理论,该理论将路面材料视为理想 弹性体,忽略了蠕变、松弛等黏弹性行为对路面应力分布的影响,并且无法反映出沥青路面的长期变 形。当泡沫沥青作为基层使用时,层间温度的波动 小、峰值低,可视作线弹性材料处理,但随着其使用 范围从基层向下面层推移,泡沫沥青的黏弹性受高 温的影响愈发突显,并且随着重载车辆占比的提 升,对下面层的力学性能提出了更高要求。诸多数值研究均表明,非线性的温度场与轮载特征正是预测沥青路面响应的关键因素。


本文将采用一种新型高抗剪密实型泡沫沥青混合料,通过单轴蠕变试验获得其黏弹性参数,并结合高温季节的非线性温度场与移动荷载条件,对比研究泡沫沥青混合料分别处于下面层与基层时的力学响应。


1路面结构与材料参数


1- 1路面结构 


本文结合课题依托工程(合肥市S101大修路 段),原路面由于重载车辆较多,出现了严重的结构破坏,需对其采取就地铳刨冷再生。针对该问题此 处选用了 2种常用的路面结构方案,结构1中以泡 沫沥青冷再生层替代部分半刚性基层,结构2中则 将12 cm的泡沫沥青层作为下面层使用,其余结构层 厚度(cm)如图1所示。图1中:SMA-13、AC-20、AC-25为沥青混合料级配类型。

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1.2级配设计与试件制备


目前泡沫沥青路面常采用德国维特根(WIRTGEN)公司推荐级配的中值(级配A),属于粗粒式 级配⑶。由于路面下面层厚度较小,粗粒式级配并不适用,因此需要设计一种中粒式级配(级配B)以 满足下面层使用要求。


该级配在粗集料设计时参考逐级填充理论与 贝雷法,但采用最大剪切模量代替体积参数作为控 制指标,以提高骨架集料的嵌挤作用与抗剪切性 能。进行细集料设计时则以最小孔隙率为指标,使 混合料整体上更为密实,最终得到一种高抗剪密实 型级配。2种泡沫沥青级配详情见表1,其中每一档 RAP与新料的比例约为1:1。

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按级配A制备的泡沫沥青混合料(F-A)各参 数均参考文献[3];由级配B制备的泡沫沥青混合 料(F-B)采用镇海牌70#基质沥青与PO42.5普通 硅酸盐水泥,新集料为高强度玄武岩,沥青与水泥 用量分别为2.4%与1.8% ,泡沫沥青的最佳发泡条 件为:160℃,2.5%用水量。


为使设计级配能够充分发挥骨料之间的嵌挤作用,根据标准试验规程采用旋转压实方法成型 150 mm x 150 mm的F-B试件。旋转压实法控制试件的目标空隙率为5% ±0.5%,分别在-13、4、21、38、55℃下保温24 h后,采用电子万能试验机 (UTM4304)进行单轴压缩蠕变试验,单次加载1 000 S,最终获得5种温度下的蠕变曲线。


1.3黏弹性参数


沥青类材料经老化或改性后,其力学性质的改 变更多体现在黏弹性参数的变化,泡沫沥青冷再 生混合料中包含了老化沥青与发泡后的新沥青,需在动力学分析前对其黏弹性参数进行标定。在线性黏弹性理论中,动态模量、松弛模量与蠕变柔量 等参数在数学上可以相互转换,而蠕变柔量的获取 要比动态模量更为简便。目前研究广泛采用广义 Kelvin模型模拟蠕变,用广义Maxwell模型模拟应 力松弛,因此蠕变柔量向松弛模量的转化实际上是 2种模型之间的转化。因此对F-B在5种温度下 的单轴蠕变曲线转换得到蠕变柔量主曲线(图2)。

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参考文献[11 ]中的方法:采用广义Kelvin模型 对蠕变柔量主曲线进行拟合,得到模型的各拟合参 数;利用Madab对Laplace域内的松弛模量进行Laplace 逆变换,得到时间域内松弛模量的表达式;将 广义Kelvin模型拟合蠕变柔量主曲线得到的各拟 合参数代入松弛模量表达式中,得到松弛模量数 据;采用广义Maxwell模型拟合松弛模量数据,得到 广义Maxwell模型各参数。


其中广义Maxwell模型与广义Kelvin模型的 Prony级数形式分别为:

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时温等效原理采用WLF方程进行拟合。

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由于动态模量与松弛模量具有相同的Prony级 数,因此F-A的松弛模量可由文献[3 ]中的动态模 量主曲线转换获得。5种沥青混合料的黏弹性 参数见表 3,其中 SMA-13、AC-20、AC-25、F-A、 F-B的长期平衡模量分别为155. 95、198. 65、179. 68、247.75、375.36 MPa。

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2温度场与有限元模型


2.1温度场理论

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2.2有限元模型与移动荷载


在有限元模型中,太阳辐射与对流施加在路面 实体单元上表面,长波辐射使用表面效应单元施 加。模型底部设置为热量流出,4个侧面完全绝热。进行瞬态动力学计算时将温度单元转换为对应的 结构单元,并读取高温时温度场进行分析。此时各 结构层之间完全接触,底部完全约束,4个侧面限制 法向自由度,并对轮迹线附近的网格加密。模型长 18 m,宽6 m,土基厚度为4 m,其余各层厚度如图1所示。行车方向为x向,z向为深度方向,y向为路 面横向。


模型中通过控制每个荷载步的停留时间来表 征轮载的移速(图4),采用APDL的方式实现加载 与卸载的循环。荷载方向垂宜于路面,车速分别为 20、40、60、80 km/h。

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3结果分析


3.1路面温度场分析


由于2种泡沫沥青混合料的热物理参数接近, 故采用F-A的热物理参数进行分析。图5为2种 结构在不同时刻的温度场沿深度变化,当太阳辐射达到峰值后,路表温度逐渐降低,但路面结构内部 温度持续上升,这表明路面各结构层之间温度传递 存在延时。由于路面上面层与外界环境直接接触, 界面处热交换剧烈,温度变化幅度最大,而基层及 以下结构温度波动较小,结构1、结构2分别在 0. 56,0.46 m深度处达到小于1 ℃的温度变化。

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结构1与结构2处于泡沫沥青层的最大温度梯 度分别为31. 7℃/m与58.5℃/m,若采用等温模 型进行分析,无法反映出路面温度场的非线性变 化,同时会使黏弹性参数的赋值存在误差。由于结 构2中泡沫沥青层的最大温度约45℃,接近新沥青的软化点下限,而沥青的力学性能在软化点附近变 化显著,因此在路面设计中使用结构2代替结构1 时,需要进一步结合F-A与F-B的黏弹性特点,分 析2种路面结构的动力响应。


3.2横向应变与纵向应变

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上述结果表明,不同类型泡沫沥青混合料的力 学差异在高速轻载时并不明显,而在重载与高温共 同作用下,采用高抗剪密实型级配可以改善混合料 的力学特性,延缓路面车辙的增长,此外结构2中采 用了双层半刚性基层,对抵抗低速重载作用下的路 面变形更为有利。


4结论


对于泡沫沥青冷再生混合料而言,以水泥与泡 沫沥青作为胶结料使其与常规热拌沥青存在差异, 特别是将泡沫沥青从上基层推广至下面层时,黏弹 性特征愈发明显,因而对泡沫沥青的黏弹性进行相 关研究尤为重要。


沥青路面铣刨料由于来源复杂,性能存在明显 差别,按照推荐级配设计的沥青混合料抗剪强度与 密实性欠佳,作为下面层使用时对其抗剪切性能要 求更为严格。以最大抗剪切强度进行粗骨料设计 保证了骨架之间的嵌挤作用,以细集料进行紧密填 充在进一步提高泡沫沥青冷再生混合料抗变形能 力的同时,提高了作为下面层的防水损害能力。


基于上述分析,主要实验结论如下:


(1) 温度场分布在单日不同时刻存在明显差 异,并呈现出非线性特征;泡沫沥青冷再生混合料 作为下面层使用时,最高温度接近沥青的软化点下 限,因此需要对级配类型进行改进,以提高混合料 的抗剪切性能。


(2) 对沥青混合料采用黏弹性模型时,泡沫沥 青层存在约10%的残余变形,并且纵向应变呈现出正负交替的特点,容易引发路面的疲劳破坏。


(3) 在结构1中采用高抗剪密实型级配混合料 F-B时,相较于常规级配F-A,降低了面层的最大 剪应力,此时路面的整体抗疲劳性能会更为优异, 并有效地减缓路面车辙的产生;相比组合1-B,组合 2-B可以有效减少面层的最大剪应力,使基层承受 更多应力,具有更好的抗车辙能力。


(4) 路面弯沉受车速与轴载的影响显著,其中 组合2-B要比1-A具有更好的抵抗竖向变形的能 力,并且在重载作用下更为明显。


由于泡沫沥青冷再生混合料中胶结料的黏结 性能一般,早期强度难以保证,特别是对于路面下 面层而言,其底部的拉应力也是路面裂缝的来源。后续研究将通过泡沫沥青改性或添加其他胶结料 的方式提高混合料的抗拉强度,进一步提高泡沫沥 青冷再生混合料的路用性能。


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