何建慶，袁會(huì)圣

(江西省公路橋梁工程有限公司，江西 南昌 330096)

1 凍融條件下瀝青混合料試驗(yàn)研究

1.1 彎曲試驗(yàn)

首先對(duì)不同級(jí)配的瀝青混合料試樣進(jìn)行循環(huán)凍融試驗(yàn)，然后放在特定溫度的恒溫水槽內(nèi)保溫60 min，通過(guò)50 mm/min的加載速率進(jìn)行試驗(yàn)得到循環(huán)凍融試驗(yàn)之后的極限荷載，見(jiàn)表1。試樣的破壞荷載與凍融次數(shù)呈負(fù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，并且凍融15次之后趨于緩和，試樣下降速率AC-13

表1 凍融次數(shù)變化下的彎曲破壞荷載

1.2 凍融循環(huán)下的蠕變?cè)囼?yàn)

蠕變?cè)囼?yàn)以彎曲試驗(yàn)中PB為加載條件，恒定荷載加載速度為50 mm/min，荷載穩(wěn)定期選為1 h，結(jié)合相關(guān)資料試驗(yàn)時(shí)間選取為4 000 s，得到不同試樣的蠕變位移與時(shí)間的相關(guān)數(shù)據(jù)，并且根據(jù)此數(shù)據(jù)計(jì)算得到蠕變速率，相關(guān)公式如下

(1)

(2)

(3)

其中：εs為試樣的彎曲蠕變速率；ε1、ε2分別為時(shí)間t1、t2的蠕變應(yīng)變；t1、t2為蠕變穩(wěn)定期直線段起始點(diǎn)及終點(diǎn)的時(shí)間；d(t)為試樣加載過(guò)程中隨時(shí)間t變化的跨中撓度；h為試樣厚度；B為試樣寬度；P0為試樣加載過(guò)程中承受的荷載；L為試樣跨徑；σ0為試樣的蠕變駕拉應(yīng)力。

根據(jù)公式計(jì)算得到不同級(jí)配混合料凍融后的蠕變速率值，見(jiàn)表2。

表2 不同級(jí)配混合料凍融后的蠕變速率值

1.3 凍融循環(huán)下的車(chē)轍試驗(yàn)

凍融條件下能夠破壞瀝青混合料的內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)，影響混合料的力學(xué)性能。車(chē)轍試驗(yàn)試樣制備與蠕變?cè)嚇又谱鞣椒ㄏ嗤疾捎幂喣氤尚头?。在不同凍融次?shù)下對(duì)試樣進(jìn)行車(chē)徹試驗(yàn)，輪壓0.75 MPa，溫度65 ℃，試驗(yàn)前試樣65 ℃烘箱處理8 h，車(chē)轍試驗(yàn)時(shí)間為1 h，得到車(chē)轍深度RD與動(dòng)穩(wěn)定度DS在凍融循環(huán)過(guò)程中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表3與表4。

表3 車(chē)轍深度度隨著凍融次數(shù)變化的數(shù)據(jù)表

表4 動(dòng)穩(wěn)定度隨著凍融次數(shù)變化的數(shù)據(jù)表

根據(jù)表3與表4得到有關(guān)車(chē)轍深度RD與動(dòng)穩(wěn)定度DS的變化趨勢(shì)圖，見(jiàn)圖1與圖2。

由圖1與圖2表明，動(dòng)穩(wěn)定度隨著凍融次數(shù)的增加呈下降趨勢(shì)，車(chē)轍深度隨著凍融次數(shù)的增加呈上升趨勢(shì)，凍融循環(huán)15次之后車(chē)轍深度存在一些波動(dòng)，并不影響整體趨勢(shì)，不同級(jí)配的瀝青混合料試樣受凍融循環(huán)影響順序是AC-13< ATB-25< AC-20。前5次凍融對(duì)瀝青混合料的損傷更為明顯，15次之后基本趨于不變，動(dòng)穩(wěn)定度比車(chē)徹深度能更好的反映凍融循環(huán)對(duì)抗車(chē)轍性能造成的影響。

圖1 車(chē)轍深度隨著凍融循環(huán)的變化趨勢(shì)圖

圖2 動(dòng)穩(wěn)定度隨著凍融循環(huán)的變化趨勢(shì)圖

1.4 蠕變速率與車(chē)轍指標(biāo)的回歸分析

通過(guò)對(duì)比分析凍融循環(huán)后車(chē)轍試驗(yàn)與蠕變?cè)囼?yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)其中存在某種關(guān)系，以蠕變速率εs作為自變量，車(chē)轍深度RD與動(dòng)穩(wěn)定度DS為因變量，利用最小二乘法的線性回歸進(jìn)行數(shù)據(jù)分析得到表5。

表5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)表5中回歸方程可知，蠕變速率εs與車(chē)轍深度RD呈線性正相關(guān)，與動(dòng)穩(wěn)定度DS呈線性負(fù)相關(guān)，并且線性關(guān)系良好。除了試樣AC-13的動(dòng)穩(wěn)定度相關(guān)系數(shù)為0.965 2以外，其余相關(guān)系數(shù)都大于97%，因此表明混合料在凍融循環(huán)作用下的蠕變特性能夠較好的反應(yīng)車(chē)轍的變化規(guī)律。

2 瀝青路面車(chē)轍的有限元分析

2.1 時(shí)間硬化蠕變模型

據(jù)相關(guān)研究表明，瀝青混凝土蠕變規(guī)律與Bailey-Norton蠕變規(guī)律一致，Bailey-Norton蠕變規(guī)律通過(guò)ABAQUS有限元軟件進(jìn)行模擬，而符合作用下瀝青混凝土蠕變特性也可以通過(guò)該軟件進(jìn)行研究。時(shí)間硬化蠕變模型公式如下

εcr=C1qC2tC3

(4)

其中，C1，C2，C3為模型參數(shù)，t為時(shí)間，q為應(yīng)力。

利用時(shí)間硬化蠕變模型來(lái)分析計(jì)算瀝青混合料蠕變應(yīng)變規(guī)律，在軟件ABAQUS中建立路面模板結(jié)構(gòu)，確定截面特性、圖形材料與形狀等物理參數(shù)，根據(jù)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)特性、網(wǎng)格、荷載與部件等模塊進(jìn)行處理分析。

2.2 有限元計(jì)算

依據(jù)未經(jīng)歷凍融的蠕變參數(shù)，經(jīng)過(guò)5步不同時(shí)長(zhǎng)的持續(xù)加載后，得到其車(chē)轍變形。

可以看出，經(jīng)過(guò)5步不同時(shí)長(zhǎng)的持續(xù)加載作用于未經(jīng)歷凍融的瀝青路面，其車(chē)轍變形集中發(fā)生在上面層和中面層，同時(shí)可以看出中面層蠕變現(xiàn)象最為明顯，這與實(shí)際道路中路面車(chē)轍結(jié)構(gòu)現(xiàn)象相同，表明了蠕變參數(shù)預(yù)估車(chē)轍模型的可行性。

依據(jù)未經(jīng)歷凍融的蠕變參數(shù)，經(jīng)過(guò)5步不同時(shí)長(zhǎng)的持續(xù)加載后，得到其車(chē)轍變形，見(jiàn)圖3。

圖3 20次凍融循環(huán)后的豎向蠕變應(yīng)變?cè)茍D

通過(guò)圖5與圖6可以看出，經(jīng)過(guò)20次凍融循環(huán)之后，再經(jīng)過(guò)5步不同時(shí)長(zhǎng)的持續(xù)加載作用，車(chē)轍現(xiàn)象明顯比未經(jīng)過(guò)凍融循環(huán)的車(chē)轍現(xiàn)象更加突出，蠕變應(yīng)變現(xiàn)象也更加嚴(yán)重，其車(chē)轍變形仍然集中在上面層和中面層，下層面變形不顯著。

2.3 有限元預(yù)估車(chē)轍變形與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析

為了分析研究模型的準(zhǔn)確性，研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)車(chē)轍的影響， 將石黃高速公路現(xiàn)場(chǎng)的車(chē)轍調(diào)查數(shù)據(jù)與未經(jīng)凍融循環(huán)和經(jīng)過(guò)20次凍融循環(huán)的車(chē)轍預(yù)估車(chē)轍數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到表6。

表6 車(chē)轍對(duì)比分析

根據(jù)表6可以看出，實(shí)際測(cè)量數(shù)值明顯高于未經(jīng)凍融循環(huán)的車(chē)轍估測(cè)變形值，大約是其2倍，而經(jīng)過(guò)20次凍融循環(huán)的車(chē)轍估測(cè)變形值與實(shí)際測(cè)量數(shù)值相接近，誤差只有1.48 mm，并且其絕對(duì)車(chē)轍比例也比較接近，分別為86.31%和86.65%，所以?xún)鋈谘h(huán)對(duì)車(chē)轍變形產(chǎn)生具有不可忽略的影響。

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