冷补沥青混合料与旧路面材料界面黏结特性研究

柏正云　董文姣　葛娟

摘 要：冷补沥青混合料作为一种新型的沥青路面修补材料，与传统修补材料相比，具有明显的优势，社会经济效益显著。本文根据实际路面坑槽，建立有限元模型，分析不同荷载位置、坑槽尺寸、槽壁深度对坑槽壁面受力特点，探究冷补沥青混合料与旧路面材料的界面黏结特性。

关键词：冷补沥青混合料；有限元；界面黏结特性

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.045

0 引言

当前道路由于交通量剧增，部分路面设计不合理以及施工质量不高的原因，路面结构的损坏日渐加重，影响了道路的服务能力，阻碍了交通运输效益的发挥。因此，需要及时地对路面进行养护与修补。目前，国内有很多坑槽修补材料，冷补沥青混合料作为一种新型的沥青路面修补材料，与传统修补材料相比，具有明显的优势[1]。但是路面进行坑槽修补时没有确切的理论依据。本文根据实际路面坑槽修补结构，建立有限元模型进行力学分析，研究冷补沥青混合料与旧路面材料界面黏结特性。

1 有限元模型的建立

本文假定路面各层是平面无限大的弹性体，建立简化模型。模型中建立part1和part2，part1是坑槽填料的模型，part2是旧路结构模型。part1大小为1O0cm×lO0cm×12cm，part2大小为3.75m×3.75m×3m。图1为简化的有限元模型。

在模型中考虑旧路各结构层层间处于完全连续的接触状态：规定应力边界条件是双圆均布荷载，轮压q取规定值0.7MPa，在建模加载过程中，将车轮双圆均布荷载换算为18.6cm×19.2cm的矩形载荷。路面材料均假设为线弹性材料，根据弹性模量和泊松比确定力学性能指标。根据工程实践，冷补沥青混合料弹性模量E=1200MPa；粘结层弹性模量E=50Mpa，，粘结层厚度取5mm。旧路面结构层各层材料参数及厚度如表1所示，以下道路基本结构参数与此相同。

2 坑槽壁面受力影响因素分析

2.1 不同荷载位置对壁面受力的影响

本节主要研究不同荷载位置对坑槽壁面受力的影响。为了真实模拟车辆载荷的作用，并且考虑到对称性以及最不利荷载的影响，把车辆载荷的作用位置分为以下6种：工况1荷载紧靠坑槽横向壁缝中心外缘；工况2荷载作用在坑槽横向壁缝中心中缝上；工况3荷载紧靠坑槽横向壁缝中心内缘；工况4荷载紧靠坑槽边角外缘；工况5荷载作用在边角中缝上；工况6荷载作用在坑槽边角内缘；。图2为6种工况的示意图（Z方向表示行车方向，大矩形表示路面，中矩形表示坑槽，小矩形表示荷载）。

本文选取坑槽壁面横向剪应力作为基本指标进行比较分析。下面各图中分析的横向底缘剪应力为靠近车轮荷载一边的横向底缘（图X方向）。其中图3-5为不同工况的坑槽壁面剪应力图。

从图3-5可以看出在坑槽壁面h=0cm处，工况2的剪应力峰值最大；在坑槽壁面h=6cm处，工况2的剪应力峰值最大。在坑槽壁面h=12cm处，工况6剪应力峰值最大。比较以上不同深度处三个剪应力峰值的大小最终得出工况6的剪应力峰值是最大值。故工况6为最不利荷载作用位置。

2.2 坑槽尺寸对壁面受力的影响

本节主要研究坑槽尺寸对坑槽壁面受力的影响，选取最不利工况的荷载作用位置，固定坑槽的深度z=12cm不变，对坑槽平面尺寸选取100cm×100cm、120cm×120cm、150cm×150cm、170cm×170cm、200cm×200cm、220cm×220cm六种不同平面尺寸进行比较。

由图6可以看出：随着坑槽尺寸的增大，壁面各点的剪应力明显降低。当平面尺寸由小增大时，坑槽壁面剪应力峰值也呈减小的趋势，坑槽壁面的剪应力峰值依次减小4.7%、5.1%、7.2%、10.5%、10.2%，可见随着平面尺寸的增大剪应力峰值减小的比率逐渐增大且最终趋于平缓。因此，坑槽平面尺寸越小受力越不利。

2.3 坑槽深度对壁面受力的影响

本节对五种不同的坑槽深度进行力学分析，选取工况6作为最不利荷载。保持坑槽横向、纵向尺寸不变，改变修补层的厚度[2]，分别采用以下五种不同深度：100cm×l00cm×12cm、100cm×l00cm×10cm、100cm×l00cm×8cm、100cm×l00cm×6cm、100cm×l00cm×4cm，针对上述五个模型对坑槽壁面横向底缘剪应力进行分析。下图为坑槽壁面横向底缘剪应力图。

从图7可以看出随着坑槽深度的增加，坑槽壁面横向底缘剪应力逐渐增大，剪应力峰值也逐渐增大，增大比率分别为6.3%、3.8%、3.7%、1.3%。可见随着坑槽深度的增加，壁面剪应力峰值增大比率越来越小。因此，随着坑槽深度增大对坑槽壁面受力越不利。

2.4 撒布粘层油后对壁面受力的影响

沥青路面坑洞破损部分用破碎机或铣刨机开槽成型后，在摊铺修补材料前，在坑槽壁面和底面上通常先向坑槽壁面和底面上薄薄地、均匀地喷涂一层粘层油，来浸润坑槽内表面裸露出的石料[3]。为了探究洒布粘层油对壁面受力是否有利，对洒和不洒粘层油分别建立如下有限元模型进行计算分析：坑槽大小取100cm×l00cm×12cm的立方体，修补材料的弹性模量取为1200MPa，荷载取最不利荷载，槽四周粘层油厚5mm，粘层油弹性模量50MPa。

3 结语

本文针对冷补沥青混合料进行坑槽修补，建立有限元模型，对坑槽壁面受力进行力学分析，得到以下结论：（1）坑槽角隅处（工况6）为最不利荷载作用位置；（2）坑槽平面尺寸越小受力越不利；（3）随着坑槽深度增大对坑槽壁面受力越不利；（4）坑槽壁面洒布粘层油后对壁面受力是十分有利的。

参考文献：

[1]张道伟.沥青路面坑槽破坏类型及修补机理分析[J].华东公路，2011（05）.

[2]吴莉萍.沥青路面坑槽修补研究[J].城市道桥与防洪，2010（08）.

[3]徐清华.沥青路面坑槽修补技术及其计算机仿真分析[D].长安大学，2009.