西藏大温差地区沥青路面结构适应性与耐久性探讨

2023-10-08邵华

中国公路 2023年16期

邵华

（山东省交通科学研究院，山东济南 250102）

0 引言

沥青路面整体温度应力变化会顺着结构层厚度方向呈现出不同波动，如果沥青路面结构施工不当将会导致路面出现严重损伤，降低沥青路面应用性能，特别是西藏地区温差变化较大，沥青路面结构容易出现结构破坏，为此需要结合具体工程分析结构施工的有效方法，进一步改善路面结构施工，延长路面使用寿命，优化路面应用性能。

1 研究背景分析

沥青路面在遇到较高温度变化条件下会变得十分敏感，沥青混合料整体松弛性、劲度和强度等会随温度波动而产生变化。温度不但会影响沥青材料，还会影响整个路面结构。不稳定热流在融入路面结构后，会导致路面结构随温度升降出现收缩、膨胀变化。由于路面结构层互相约束影响，无法自由产生变形作用，导致道路结构产生温度应力。联系实际研究分析，温度收缩会对沥青路面产生直接影响，使整个路面开裂，与荷载对公路的影响一样重要，有时甚至更加突出。通过研究西藏现有各种沥青路面发现，大部分路段在秋末冬初等时节容易产生横向裂缝，主要是从道路一侧形成并最终横贯整个道路。裂缝间距相对均匀，普遍维持在5m到10m之间，降低道路性能，破坏道路结构，但路面并未发生较大破坏。这一现象是由西藏独特的气候环境造成的，当沥青路面处于较大温差和连续低温时，将进一步加剧整个路面层的温度应力，产生涨缩变化，使沥青混合料相关应力松弛和温度应力不匹配，在超出材料抗压强度限值条件下出现整个沥青面层开裂的问题。

2 西藏大温差地区沥青路面结构适应性与耐久性分析

2.1 计算模型

此次研究中以西藏某高级公路为例，利用有限元方法研究不同沥青路面结构所形成的温度应力变化，总结得到最佳的沥青路面结构。此次研究项目属于高原气候，拥有较长日照，太阳辐射强烈，年平均气温相对较低，同时存在较高日温差，数年日平均温差为6.4℃左右，其中日温差最高超出20℃。此次沥青道路施工中主要问题是温缩裂缝，在计算温度应力时，需要将温度场计算参数作为基础边界条件，基于现有气象资料构建相应温度场，结合温度场创建有限元模型分析应力。

联系此次沥青工程道路状况实际，可以将路面结构作为层状系统，同时把道路结构断面作为温度场构建模型，单纯结合二热传导实施考虑，相关温度应力模型即道路纵断面对应二维模型，需要按照以下假设设计模型：第一是路面各层都是各向同性和全部均匀连续体；第二是在水平坐标波动中不会产生温度变化；第三是保障不同路面层有效接触，形成持续热传导；第四是道路不同层次温度数值和道路边界温度维持一致变化规律，而相位滞后；第五是不同层次结构都属于弹性体材料。

选择PLANE13单元实施有限元分析，该单元为四边形对应热、应力耦合单元分析模块，设置温度约束TEMP、Y方向位移UYX方向位移UX三种自由度，额外设置平面应变PLANESTARNI分析类型。

表1 路面结构组合

2.2 路面结构参数

结合相关研究成果，基于荷载应力核算条件针对此次公路推荐以下三种沥青路面结构，具体如表1所示：

由于上面层AC-13和SMA-13对应劲度模量差距较小，实施有限元分析中两者拥有相同劲度模量取值，在实际计算劲度模量取值中，可以将关键层的温度状态和劲度模量输入到前处理器内，剩余单元结合温度线性自动插值准确计算[1]。

2.3 温度边界调节

初步确定温度场对应核算边界条件后，基于现有研究成果，综合考虑西藏当地气象资料，全面整合各种外部因素，转化成两种边界条件，分别是对流换热，以及热流密度。因为在24小时中，外部条件变化不会对道路结构产生过大影响，分析瞬态温度场，可单纯考虑路基和道路表层结构，基于瞬态温度场得到路面结构温度信息，得到道路结构温度应力界限。此次主要分析2021年1月道路信息，围绕路面结构2开展瞬态温度场分析，确定温度应力形成边界条件，下图是路面结构2处于瞬态的温度场核算数据，通过分析发现相关沥青路面结构在外部气温变化中呈现出一种周期性变化特性，整体波动范围与变化幅度顺着路面结构厚度逐步缩减，同时呈现出相位滞后特性，顺着深度方向整体温度变化展现出一种非均匀特性。

结合上图分析发现，最低气温发生在早上4时左右，至于道路表层温度最低点在早上5时左右出现，道路结构下层温度最低发生于早上7时。在外部气温环境变化中，沥青面层温度保持大致相同的变化趋势，上面层对应表面温度拥有最高变化范围，大概是10℃左右，上面层、中面层及下面层对应底面温度则呈现出逐步降低的趋势，下面层对应地面温度变化大约为4℃左右，基层底部温度变化为1℃左右，至于路基顶层温度变化只有0.1℃左右，在路面结构持续深入中，相关路面结构会影响内部温度变化，产生稳定快速下降特征，此外各结构层温度最低和最高节点随着路基深入呈现出滞后特性[2]。

图1 2021年1月6日路面温度场变化

2.4 路面结构温度应力变化

基于瞬态温度场分布，能够明确当下进入低温时节，沥青路面整体温度变化顺着结构厚度呈现出不断上升趋势，比如前面分析的路面结构2下面层和上面层对应底面、表面温差达到6℃，沥青结构层也产生一定温度应力变化，为此在分析沥青面层具体温度应力过程中，单纯结合上面层、下面层对应表面、底面开展系统分析。最后，将沥青道路各个面层和水稳碎石基层各点温度应力作为评价指标，深入解析不同沥青结构温度应变。

三种沥青上下面层的温度应力变化具体如图2所示：

图2 沥青面青温度应力变化

通过分析上图可以发现，三种结构面层温度应力差距，处于低温状态下，温度应力差值持续上升，结构1所形成温度应力低于结构2和结构3，其中温度应力最高的是结构2。如果整体温度较高，则温度应力不会产生明显影响，对应温度应力差值低于0.01MPa。由此可以看出，按照ATB-25设置下面层结构或针对水泥稳定碎石的表面额外设置10cm级配碎石，能够有效降低上面层所形成的温度应力，有效缓解沥青面层的温度开裂现象。下面层底面对应温度应力差距大致和上面层保持一致，温度应力差值超出上面层表面。结合路面结构对应温度应力差值分析，发现路面结构1在增加级配碎石层后，比起其余路面结构具有更好的温度应力改善成效。由于外部环境对于路面结构不会形成太大影响，基层温度应力相对较低，因此不会继续分析结构间温度应力变化[3]。

2.5 路面结构评价

通过对三种类型的沥青路面结构温度应力实施有限元分析之后，可以发现沥青路面在一些低温气候中所承受的温度荷载作用较大，尤其是在持续低温或是骤然降温的特殊天气，这种功能将会更加突出，为此导致产生严重的温度裂缝问题，如果沥青道路由于结构温度应力变化导致出现温缩裂缝，则实际温度下降幅度较大条件下，不同长度裂缝因为尖端应力强度因子作用将会产生一定变化，即该因子越大裂缝也会越长，并且伴随着温度幅度的持续增大，裂缝也会出现线性增长变化，扩展速度逐渐加快。若不及时处治沥青面层裂缝，则会使地表水沿着表面裂缝趋势下渗到沥青内部，导致沥青路面的基层被软化，甚至削弱路基结构强度，处于外部冻融反复循环背景下，道路基层和路面整体结构含水量扩大，由于气温较低，容易出现冻胀反应，提升体积膨胀率，体积变化还会导致基层和不同结构层出现裂纹，造成更严重的结构性破坏。西藏地区的沥青公路由于处于高原地带，沥青路面受到温度应力的影响也会比一般平原地带严重，在温度应力较大的情况下，沥青路面不仅面层出现裂缝，也会导致内部功能被破坏，外部若持续降温或是降雨，就会造成冻融循环，进而引发了路面的结构性损伤，沿着路面结构的厚度方向，温度应力的变化幅度呈减小趋势，因此，基层位置的温度应力是最小的，其给路面结构造成的影响也最小。在此基础上，依据尽量减小沥青路面面层温缩裂缝的要求，将温度应力作为主要评价指标，评价此次研究的不同路面组合结构温度应力适应性，通过前文对比研究结果、分析改善效果和专家讨论提出的建议，推荐使用AC-13和AC-25结构，在半刚性基层顶面设置10cm级配的碎石结构，其对于改善温度应力来说效果最佳，且级配碎石结构技术在西藏地区公路施工中已经实现了推广应用，相关工艺经验较多，技术较为成熟。综合考虑最终推荐适合西藏大温差地区的沥青路面结构为：4cm AC13+6cm AC20+8cm AC25+2cm 碎石封层+10cm 级配碎石+30cm 的水泥稳定碎石+20cm 的天然砂砾。