基于性能的高模量沥青路面结构力学响应

张 玲,耿 娟,司飞展

(1.西安众力沥青有限公司,西安 710075;2.西安公路勘察设计院有限公司,西安 710065;3.西安市公路工程管理处,西安 710065)

随着经济和社会的快速发展,中国交通环境呈现出交通量大、轴载重等特点,对沥青路面结构和材料带来严峻挑战的同时亦提出了更高的要求[1-6]。近年,长寿命沥青路面逐渐成为各国研究热点,高模量沥青混合料是长寿命或永久路面设计的组成部分[7-9]。

20世纪70年代末,法国首先发明使用了高模量沥青混合料,一般应用于沥青面层或基层,通过提高面层弹性模量加强路面抵抗荷载变形的能力,根据法国高模量沥青混合料技术标准NF P 98-140,高模量沥青混合料采用硬质沥青生产[10-11],其性能要求在15 ℃,10 Hz条件下动态模量≥14 000 MPa,10 ℃、25 Hz、130 με下达到100万次疲劳寿命。我国现阶段对高模量沥青混合料的定义是以法国EME(指特定的混合料类型)为基础,中国公路学会发布的《公路高模量沥青路面施工技术指南》(T/CHT S 10004—2018)要求高模量沥青混合料20 ℃、10 Hz动态模量不小于15 000 MPa或45 ℃、10 Hz动态模量不小于4 000 MPa,15 ℃、10 Hz、控制应变230 με条件下疲劳寿命不小于100万次的沥青混合料。

高模量沥青混合料可以提高路面抗车辙性能,延长道路服役时间,节约后期养护成本[12]。刘朝晖等[13]通过配合比优化设计和微观形貌观测,揭露了玄武岩纤维高模量沥青混合料的复合增强机理。Arnold等[14]开展的高模量沥青混合料抗车辙性能较其他混合料高出100倍,均显示出高模量沥青混合料用于长寿命沥青路面的优势。另外,道路面层结构是病害高发部位[15-16]。Capitao和Picado-Santos[17]基于高模量沥青混合料长期性能观测的结果,提出了高模量沥青混合料的永久变形参数;Guyot[18]认为将高模量沥青混合料应用于道路、机场、港口等路面,可以改善路面结构特性、节约成本、降低能耗;Carbonneau等[19]通过计算得出高模量沥青混合料的应用可以减小路面厚度;徐希忠等[20]则推荐了高模量沥青混合料在全厚式沥青路面结构中的合理层位。

综上,高模量沥青混合料的应用可有效延长道路使用寿命。欧美国家针对高模量沥青混合料在长寿命沥青路面的应用研究处于领先地位,国内路面结构形式区别于国外,以半刚性基层为主,针对高模量沥青混合料在国内传统路面结构形式下的应用较少,大规模应用缺乏理论支撑,故有必要基于传统路面结构高模量沥青混合料的性能进行力学响应分析。利用ABAQUS建立传统路面结构模型,分析不同路面结构下高模量沥青路面的力学响应,及面层厚度对路面力学响应的影响,预测高模量沥青路面的功能寿命,以期为实体工程提供指导,为提高路面结构使用性能及延长使用寿命奠定理论基础。

1 材料和方法

1.1 路面结构和材料

1.1.1 路面结构

高模量沥青混合料可应用于路面的上、中、下面层及上基层[21]。为更全面了解高模量混合料应用于不同层位时,路面的力学响应和寿命差异,对表1所示几种沥青面层结构组合进行分析。

表1 几种高模量沥青面层结构组合

1.1.2 路面材料

拟定的7种路面结构中包含6种沥青混合料：BBME-13、EME-16、EME-20、AC-13、AC-20、ATB-30。其中,BBME-13、EME-16、EME-20采用高模量天然沥青HMB-W为结合料,性能指标见表2,AC-13、AC-20采用SBS I-C改性沥青为结合料,ATB-30采用70#基质沥青为结合料,其性能指标均满足规范要求。

表2 高模量天然沥青HMB-W技术指标

根据级配要求,确定用于各面层的级配曲线,如图1所示,同面层使用的高模量沥青混合料的级配相比于传统AC沥青混合料更细。

图1 各面层的混合料级配曲线

1.2 试验及分析方法

1.2.1 试验方法

利用万能试验机(universal testing machine,UTM),在0.1、0.5、1、5、10、25 Hz下按4个温度(15、20、30、45 ℃)分别对BBME-13、EME-16、EME-20高模量沥青混合料试件进行动态模量试验。并对上述6种混合料分别进行单轴贯入试验和无侧限抗压试验,读取加载过程中的荷载峰值,计算各沥青混合料的高温抗剪强度和高温抗压强度。

1.2.2 分析方法

基于车辙预估模型,通过控制路面结构车辙深度提出沥青混合料明确的抗剪标准[21-23]。简化后半刚性基层的车辙预估模型为

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为车辙深度;ψ为结构系数;h1为沥青层厚度,mm;h2为基层厚度,mm;E2为基层模量,MPa;T为第i亚层平均温度,℃;V为载重车平均行车速度,km/h;N为设计车道设计轴载累计作用次数,次;[τ]i为沥青混合料抗剪强度。

1.2.3 数值模型

建立的路面结构有限元模型如图2所示,荷载为标准荷载,接地压强为0.7 MPa,荷载接地面积为0.186 m×0.192 m,两轮间隙为0.314 m。模型尺寸为10 m×10 m×15 m,其中,Z方向是行车方向(10 m),X方向是横断面方向(10 m),Y方向是深度方向(15 m)。采用静态模型,边界条件为：X和Z方向限制法向位移,Y方向完全固定。沿深度方向,沥青层按1 cm进行网格划分,基层按3 cm进行网络划分,土基网格划分沿深度方向逐渐变疏,共划分15个网格。为提高计算效率,荷载区域网格划分较密,远离荷载区域网格划分逐渐变疏。为简化计算,基层和底基层统一称无机结合料稳定层。

图2 有限元模型

选取无机结合料稳定层内部的最大拉应力、沥青层最大剪应力和路表弯沉为力学指标。不同的模量取值对力学响应计算结果影响较大。为更好地表征沥青路面内部的受力状况,在计算不同的力学指标时,模量的选取有所不同。

计算沥青层最大剪应力及弯沉时,根据动态模量主曲线确定的各结构类型沥青层模量见表3。计算无机结合料稳定层最大拉应力时,参考《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017),各结构层模量取值如表4所示。在进行力学响应计算时,温度取20 ℃,频率取10 Hz。

表3 各面层各结构类型沥青层模量

表4 各结构层模量取值

2 高模量沥青路面性能分析

2.1 动态模量及主曲线

不同温度下高模量沥青混合料的动态模量和相位角结果如图3所示。3种高模量沥青混合料的动态模量(20 ℃,10 Hz)均超过15 000 MPa。

图3 10 Hz下3种高模量混合料动态模量及相位角

由图3可知,3种高模量沥青混合料的动态模量随着温度的升高均呈现下降的趋势,相位角随温度的升高呈上升趋势。这是由于高温条件下沥青胶结料在荷载作用下的变形呈现感温性,其行为响应接近黏性,说明高模量沥青混合料在高温下变形不可恢复的部分较大,易产生永久变形。但高温下的动态模量和相位角仍然具有优势。

根据3种高模量沥青混合料动态模量、相位角结果,采用西格摩德(Sigmoidal)函数对高模量沥青混合料的动态模量主曲线进行拟合[24]。选取参考温度20 ℃,将3种高模量沥青混合料的动态模量值代入进行拟合,拟合结果见表5,动态模量主曲线如图4所示。

图4 3种高模量沥青混合料动态模量主曲线

表5 3种高模量沥青混合料的动态模量主曲线拟合结果

图4显示出3种高模量沥青混合料的动态模量主曲线基本接近,侧面反映了高模量沥青混合料骨料粒径大小对其强度影响较小。但在全频区域,尤其较低频和较高频时EME-20表现出更高的动态模量,表明其抵抗变频加载能力较强。

2.2 抗剪强度

基于单轴贯入强度和无侧限强度试验结果,采用有限元方法,通过摩尔-库仑坐标系计算各沥青混合料的内摩擦角ψ和黏聚力c[25-26]。结果如图5所示。

图5 不同级配沥青混合料的抗剪强度参数

由图5可知,相比于传统AC沥青混合料,高模量沥青混合料单轴贯入强度和无侧限抗压强度均更高,其中抗压强度提升了2.2～2.5倍。说明高模量沥青混合料抗剪强度优于传统AC沥青混合料。高模量沥青混合料的内摩擦角比AC沥青混合料小21%,但黏聚力比AC沥青混合料的高3倍。说明高模量沥青混合料的强度更依赖于沥青的黏聚力,这与动态模量的结果一致,因此高模量沥青混合料的结合料对混合料性能影响起关键作用。

3 高模量沥青路面结构力学响应分析

3.1 路面结构对力学响应的影响

沥青层内部剪应力计算结果如图6所示,提取的剪应力峰值如图7所示,无机结合料稳定层内部拉应力计算结果如图8所示,弯沉计算结果如图9所示。

图6 不同路面结构类型中沥青层最大剪应力沿深度分布

图7 不同路面结构类型中沥青层最大剪应力峰值对比

图8 不同路面结构类型中无机结合料稳定层内部的最大拉应力

图9 不同路面结构类型路表弯沉

由图7可知,除结构2外,其他结构的最大剪应力沿深度分布均比对比结构要小,说明含有高模量沥青混合料的结构的抗车辙能力优于对比结构。结构1、结构3、结构4和结构5的最大剪应力峰值相差不大,说明在含有高模量沥青混合料的结构中,这4种路面结构类型的抗车辙能力更佳。基于最大剪应力峰值,对各结构进行排序：结构2>结构6>对比结构>结构4>结构5>结构3=结构1。但值得注意的是,BBME-13、EME-16和EME-20的抗剪强度值分别为1.287、1.227、1.126 MPa,AC-13、AC-20和ATB-30的抗剪强度值分别为1.135、1.050、0.967 MPa,而结构2和结构6沥青层含有高模量沥青混合料,沥青材料整体的抗力要比对比结构高,因此综合来说,对比结构的抗车辙性能最差。由图8可知,无机结合料稳定层内部的纵向应力的值大于横向应力,纵向应力对裂缝的产生与发展起控制作用,故以纵向应力值对各结构层进行排序：对比结构>结构2≥结构5>结构6>结构3>结构4>结构1。另外,从半刚性基层抗裂角度,结构1为最优结构。

由图9可知,在其他条件一致的情况下,上中下全面层天然沥青高模量混合料(结构1)的路表弯沉最小,其次为中下面层采用天然沥青高模量混合料的结构4。

将不同指标进行排序汇总见表6。其中数字越小代表值越小,即路面寿命越长。具体在进行路面结构类型选择时,可根据工程的侧重点基于表6选择合适的路面结构类型。

表6 各结构、各指标排序

3.2 厚度对力学响应的影响

基于上述3种不同的力学指标综合考虑,推荐结构1、结构4。考虑结构5和对比结构在实体工程中应用较多,故以结构1、结构4、结构5和对比结构4种不同类型的组合形式进行不同厚度对力学响应的分析。

选取15、18、20、24、28、32 cm 6种不同的路面厚度分析选定结构对各力学指标的影响。各沥青层厚度采用实际工程中常用的路面结构组合,沥青层具体厚度组合见表7。在计算不同厚度对力学响应的影响时,均取基层和底基层为半刚性基层,厚度分别为36 cm和18 cm。各结构不同力学指标随着沥青层厚度的变化如图10所示。

图10 各结构各力学指标随沥青层厚度的变化规律

表7 厚度组合

从路面整体受力的角度来看,各力学指标值越小越好。单独分析不同沥青层厚度对4种结构力学响应的影响可知,适当增加沥青层厚度可有效控制沥青层内部最大剪应力、基层最大拉应力及路表弯沉,其中路表最大弯沉值降低效果尤其明显。当面层厚度从15 cm增加到32 cm时,4种结构的路表弯沉值呈均匀减小的趋势,结构1、结构4、结构5、对比结构分别降低了20.2%、20.0%、11.5%、9.8%。从最大剪应力峰值的角度考虑,各结构最优沥青层厚度为15 cm;从基层最大拉应力及弯沉考虑,各结构最优的沥青层厚度均为32 cm。

图10显示,各力学指标之间存在“博弈”现象,在选择沥青层厚度时可考虑各力学指标相交位置附近的沥青层厚度,针对结构1、结构4、结构5和对比结构,沥青层厚度组合可根据工程所在地具体情况取18～25 cm。

4 功能寿命预测

当车辙深度分别为10、15、20 mm时,可反算得到各结构累计轴载作用次数,见表8。

表8 各结构不同车辙深度下的累计轴载作用次数

以对比结构为基准,不同车辙深度下各结构的寿命如图11所示。

图11 各路面结构不同车辙深度下的延长寿命比较

目前对于高速公路,车辙深度控制标准为15 mm。从图11可以看出,以15 mm车辙深度为控制指标时,相比于对比结构,结构1到结构6可分别延长路面寿命326%、49%、258%、118%、93%、10%,结构1和结构3对于寿命的延长效果最好。

从表8可知,当设计交通量小于2 000万次(按标准轴载100 kN统计)的时候,采用对比结构可满足要求,当设计交通量大于2 000万次之后,需采用在沥青层中使用高模量沥青混合料才可满足要求。

5 结论

1)高模量沥青混合料的抗剪强度明显优于传统AC沥青混合料,作为典型悬浮-密实结构,沥青的黏聚力对其强度发挥重要作用,沥青结合料的选择尤为关键。

2)基于力学响应计算结果,最优路面结构均为上中下面层均为高模量的结构,其次为上面层和中面层为高模量的结构,以及中下面层为高模量的结构。具体设计时,可根据侧重点选择合适的路面结构,沥青层厚度组合可根据工程所在地具体情况取18～25 cm。

3)基于车辙预估模型,以15 mm车辙深度为控制指标,拟用的路面结构中,上中下全面层、上中面层、中下面层采用高模量沥青混合料对于寿命的延长效果最好,分别可延长路面寿命326%、258%、118%。