基于粘弹性理论橡胶沥青路面力学参数的计算分析

2014-01-08冯华

城市道桥与防洪 2014年2期

冯华

（安徽省交通规划设计研究院有限公司，安徽合肥 230088）

1 概述

橡胶改性沥青路面具有较好的稳定性能和耐久性，能够减少噪声污染，明显防止和减少沥青路面反射裂缝，延长路面使用寿命，因此，近年来受到广大公路工作者的青睐。开展橡胶沥青的应用研究，一方面可以拓展我们材料选择的空间，提高路面质量，延长路面使用寿命，是道路工程发展的需要；另一方面是回收利用废轮胎、保护环境的需要。

研究表明，沥青混合料是一种热流变简单材料（Thermorheologically Simple Material，简称TRS），沥青路面的开裂、车辙、疲劳等破坏问题都与沥青混合料的粘弹性特性有关。研究粘弹性材料的力学性能，使其在工程应用中发挥良好的阻尼性能和耗散性能，关键是构建能够精确描述材料本构关系的粘弹性本构模型。然而，粘弹性材料的力学性能如剪切模量、损耗模量、损耗因子等受环境温度、振动频率、应变幅值等影响很大，因此，其本构关系的建立非常复杂[1]。本文以橡胶沥青路面AR-AC13为例，通过试验和理论计算确定橡胶沥青路面粘弹性参数，建立本构模型，为橡胶沥青路面进一步力学研究提供依据。

2 原材料种类、性能及混合料配合比设计选择

2.1 原材料

橡胶粉采用南京东浩公司20目货车胶粉，基质沥青采用中海油70号道路石油沥青。橡胶沥青采用17.5%的橡胶粉掺量。橡胶沥青的性能试验结果见表1。

表1 橡胶沥青检测结果

室内拌和制备条件为177℃，60 min。油石比取8.3%。集料为六合金石磊的玄武岩。

2.2 级配

本文采用AR-AC13与SMA-13两种结构形式进行对比，分析AR-AC13的力学性能。AR-AC13的级配采用如表2所示。

表2 AR-AC13级配设计

2.3 路面结构

试验路段起止桩号为沪宁高速K2+500～K3+000，力学分析时采用的结构如图1所示。

图1 试验路面结构

3 力学分析

研究证明，沥青混合料力学性能在一定程度上可通过粘弹性描述。粘弹性材料主要性能是“时温依赖性”，即材料的力学参数受荷载作用时间和温度影响。因此，根据沥青混合料的粘弹性进行力学分析可反映出行车速度、环境温度的影响，从而最大限度地评价路面受力情况[2]。

3.1 基本思路

常用的路面粘弹性分析是基于粘弹性力学理论。首先，通过试验求得沥青混合料的粘弹性本构模型；然后，将本构模型、荷载作用时间（速度）、环境温度等参数输入粘弹性力学模型进行计算。

粘弹性理论的基本思路是将作用时间和温度对混合料力学特性的影响反映到力学分析中，将动态回弹模量输入线弹性力学模型分析可以达到类似的效果。动态回弹模量能反映出时温因素对混合料力学性能的影响，力学计算时首先根据路面结构、行车速度、路面温度场分析路面各层的温度、荷载作用时间，然后由温度和荷载作用时间计算混合料对应的动态回弹模量，将其带入力学模型分析即可得到路面的动态力学响应[3，5]。

3.2 路面力学参数确定

3.2.1 主曲线

根据试验路结构，分别进行了AR-AC13、Superpave20、Superpave25的动态回弹模量试验，试验温度取 4℃、15℃、25℃、40℃和 55℃，荷载频率取 25 Hz、20 Hz、10 Hz、5 Hz、1 Hz、0.5 Hz、0.1Hz，试验结果如表3。

利用以上在不同温度、不同频率下得到的沥青混合料的动态模量，根据时间—温度置换原理，确定本研究中所用沥青混合料的动态模量主曲线。不同温度下的动态模量的水平平移是通过非线性最小二乘拟合实现，形成西格摩德（Sigmoidal）函数，如式（1）所示：

式（1）中：|E*|为动态模量；tr为参考温度下的作用时间，也称为缩减时间；δ、α、β、γ为系数，δ代表动态模量的最小值，δ+α代表动态模量的最大值，β、γ是描述西格摩德函数形状的参数。

AR-AC13在参考温度为25℃下的动态模量主曲线见图2。

主曲线反映了作用频率对混合料力学性能的影响，可计算参考温度下不同频率时混合料的动态模量，为计算不同温度下混合料的动态回弹模量，可通过时间－温度转化因子α(T)，将不同温度下的动态模量平移形成主曲线[6]。

表3 混合料动态回弹模量试验结果

图2 AR-AC13动态模量主曲线（参考温度：25℃）

式（1）中的缩减时间和荷载作用时间有如下的关系：

式（2）中：t为作用时间；a(T)为时间温度转化因子。

AR-AC13混合料在不同温度下的时间—温度转化因子见图3。

图3 AR-AC13时间－温度转化因子

图2中的动态模量主曲线描述荷载作用频率对材料性质的影响，图3中的时间—温度转化因子描述了温度对材料性质的影响，这样两者合起来就可以描述粘弹性材料对温度和荷载频率的敏感性。

3.2.2 荷载作用频率

当一移动轴载驶过路面结构时，在路面结构内要计算的点处形成一个正弦的应力脉冲。该点处的荷载作用时间和行车速度有如下关系：

式（3）中：t为荷载作用时间；VS为行车速度，分别按80 km/h和120 km/h计算；L eff为有效长度，它代表了计算点处应力脉冲持继的长短。

为了估计应力脉冲的有效长度，将路面结构转化为各层模量均为土基模量，厚度为当量厚度的结构，并认为该结构的应力扩散线沿45°角倾斜。在转化后路面结构中某一点的深度称为有效深度，进而可以计算应力脉冲的有效长度。

3.2.3 路面温度场

得到路面荷载频率后，结合路面温度场和主曲线就可得到各层的回弹模量。路面温度场采用2006年沪宁高速公路路面温度实测值，分别取高温和低温天气进行分析，高温天气取年温度最高值，低温天气取年温度最低值，各层温度取层顶部与底部温度的平均值，数据如表4所示。

表4 路面温度(单位：℃)

3.2.4 各层动态回弹模量

根据路面温度场和荷载频率，由动态模量主曲线和时间—温度转化因子，计算路面动态回弹模量如表5。可见温度对混合料动态回弹模量有显著影响，低温时模量比高温时高10～20倍，越靠近路表，模量变化越大。同时可见，行车速度对沥青层动态回弹模量也有一定的影响，车速越高，模量越大。

4 总结

本文对试验路橡胶沥青路面结构进行了试验测量和理论计算，分析了橡胶沥青路面在不同温度条件、荷载条件下的受力特点。在粘弹性理论的基础上计算出力学参数及各结构层动态回弹模量。分析表明橡胶沥青AR-AC13混合料表现出比较好的高温性能，另外，本文采用实测动态回弹模量、实测温度场进行路面力学分析，能充分反应行车速度、温度等对路面力学特性的影响，为路面力学分析提供了新的思路。