高温地区桥面沥青铺装蠕变关键影响因素分析

孙晓冬，王禹翔，杨旭

（中电建路桥集团有限公司，北京 100160）

当前国内高速公路交通迅猛发展，但高速公路各种病害问题也更加凸显，其中沥青面层蠕变导致的车辙现象成为高速公路沥青路面主要病害之一。此病害对于行车安全与舒适性均会造成不利影响，并缩短公路服役寿命。因此，公路沥青蠕变现象受到工程技术人员与学者的广泛关注。

一些研究人员从理论出发，根据沥青材料粘弹性性质，提出根据粘弹性力学的本构模型，如Kelvin 模型、Maxwell模型、Lethersich模型[1]、Burgers模型[2]。Huang W、Cheng Y 在此基础上深入研究分别提出了增加单元件数量的改进模型，如广义Maxwell 模型[3]，广义Kelvin 模型[4]。但单元件数增加会导致计算量增大，为平衡计算效率与精度，Zhou J[5]等提出了广义分数阶黏弹性模型、Chen S Q[6]提出了幂级数模型。李赫[7]利用以上模型分析了不同温度条件下的沥青静态蠕变和松弛特性；而Jiangfeng Hua 和White Thomas D 等[8-9]认为沥青蠕变符合Norton蠕变规律。再从实验与数值研究出发，包聪灵[10]等利用Norton 蠕变模型和有限元软件结合现场实验数据建立了广东省典型半刚性沥青路面车辙预测模型。上述研究表明，利用Norton 蠕变规律分析沥青路面蠕变，已取得了良好成果，为此本文也采用此规律。但之前研究大多基于二维模型，并不适用于高速公路桥面沥青面层梁体之间不连续条件下的蠕变分析。且以往研究对于桥面沥青铺装蠕变的空间分布情况，以及温度、时间对蠕变影响也少有分析。此外，与常温地区相比，高温地区桥梁沥青铺装蠕变情况更为严重，因而需要加强此条件下沥青铺装蠕变相关研究。

为此，本文结合广东某高速公路桥梁铺装工程实践，利用有限元方法建立桥面沥青铺装蠕变三维仿真模型，分析桥面沥青铺装蠕变的空间分布情况，并研究温度、时间对蠕变的影响，为广东及类似高温地区高速公路桥面沥青铺装的设计、施工、养护提供指导。

1 工程概况

广东某高速公路桥梁工程位于广州市花都区，该桥梁所在地区环境最高温度为60℃左右，最低为20℃左右，因而在研究温度对沥青蠕变影响规律时，温度按60℃、40℃和20℃选取；沥青材料选用AC-13C，沥青铺装层厚度为10cm。

2 计算模型

2.1 理论模型

Norton 模型认为沥青蠕变是与温度、应力、时间相关的函数，当应力保持不变时，蠕变函数可写成如式（1）的时效硬化形式：

表1 沥青时效硬化模型参数

2.2 荷载简化

研究时，将车轮荷载简化为双轮矩形均布荷载，按照沥青路面设计规范BZZ-100 中的要求进行模拟分析，即轴载为100kN，接地压应力为0.7MPa，并且根据荷载应力等效的原则，简化荷载模型。

（1）确定荷载

压应力不变仍为p=0.7MPa，车辆在BZZ-100 标准中为单轴双轮，所以单轮荷载P 为100/4=25kN。

（2）确定荷载简化尺寸

矩形均布荷载长为L，宽为D，则L×D×p=P，设D=19cm，则L=18.8cm，根据测量得轮隙间距为15cm。

通过以上方法得到双轮矩形均布荷载尺寸如图1。

图1 双轮矩形均布荷载尺寸

2.3 加载时间模拟

现实运营道路上车轮荷载是长时间的、间断作用的，JiangFeng Hua[8]采用多个较短作用时间加载步轮流间断加载的加载方式，与采用作用时间等于以上多个加载步作用时间总和的单一加载步的加载方式，结果表明两种加载方式所产生沥青蠕变是一致的。对于荷载累计作用时间计算，马雪城[9]等研究得到车辆在高速公路以最低速度60km/h 行驶，且在100kN 轴载作用50 万次轴载时，累计作用时间为5115s，本研究也采取以上数据进行加载时间的模拟。

2.4 有限元模型

在Abaqus 中建立长20m，宽3.5m 的单车道桥面模型，沥青面层厚10cm，采用C3D8 单元，网格近似单元尺寸为0.01m，单元数为92000 个，节点数为188094个，边界条件除铺装层上表面不施加约束外，其他表面施加与实际工程一致的各方向的位移约束。工况如下：在使用AC-13C 沥青下20℃、40℃、60℃桥面端部横截面蠕变情况。

3 桥面蠕变情况空间分布结果计算结果与分析

3.1 桥面蠕变空间分布特征

采用AC-13C 沥青在40℃情况下，沥青铺装桥面端部横截面蠕变情况如图2 所示。从图看出，蠕变车辙横断面呈W 状。沉降最大为14.6mm，中心处受双轮挤压引起隆起导致沉降量小于其他处，仅为1.88mm，轮缘外侧也因为挤压引起隆起现象，其他部分蠕变情况微小，端部沉降最大处纵向截面蠕变情况如图3 所示。

图2 桥梁端部横截面蠕变情况

图3 端部沉降最大处纵向截面蠕变情况

桥梁蠕变分布情况为端部较大，最大为14.6mm 再快速变小过渡至中间段，中间段较为平缓。在离端部0.2m约为桥长的1%左右后过渡进入中间不变段，沉降不变段为10.66mm，约为最大沉降处的73.01%。

3.2 温度对桥面蠕变的影响

各温度下桥面端部横蠕变情况如图4 所示，蠕变随温度升高而增大，20℃与60℃情况下最大沉降分别是5.84mm 与25.95mm，是40℃情况下的最大沉降的40%与178%。

图4 不同温度下横截面蠕变情况

3.3 作用时间对桥面蠕变的影响

蠕变随着时间变化情况如图5，从蠕变—时间图可看出，在经过50 万次轴载后，此时蠕变处于塑形流动阶段。

图5 AC-13C（40℃）沥青铺装蠕变随时间变化情况

由图5 可知，沥青铺装蠕变在经过5115s（50 万次轴载）后处于塑形流动阶段，是经过压密变形远远大于剪切变形的沥青压实阶段的变形阶段，此时剪切变形远远大于压密变形，这是由于沥青面层本身的剪切强度不足导致的。

4 结论

（1）沥青蠕变与温度关系密切，在60℃环境下，蠕变是40℃的1.6～1.7 倍。在设计阶段对于工程当地的温度情况对于后期蠕变影响应多加考虑。

（2）蠕变在端部情况明显，最大蠕变处为中间不变段的1.37 倍，在施工阶段更要注意端部的施工质量问题，对于端部施工质量控制需加强控制，若出现施工质量问题，外加端部蠕变情况严重，不利因素的叠加，对于后期运营安全产生巨大隐患。

（3）蠕变在经过50 万次轴载的作用后处于塑形流动阶段，也就是压实阶段结束，进入剪切变形为主的阶段，此阶段蠕变变化率较小。通过此计算结果，对于施工阶段而言，需对沥青压实施工质量要求提高，对于施工压实度要求尤其是端部位置可以适当增加，以针对运营期车辙灾害问题，从施工阶段解决缓解，而不是后期花费巨大人力物力进行维护，做到事半功倍的效果。并且在经过50 次轴载后，产生了厘米级蠕变，对于后期维护间隔需要减少，运营期路面变形监测频率需要增加。