秦周傲宇

摘 ?要：為了防治反射裂縫擴展對瀝青路面產(chǎn)生的影響，該文基于數(shù)值模擬軟件RFPA溫度版，對預制裂縫的瀝青路面模型進行了不同降溫速率條件下反射裂縫擴展的數(shù)值試驗研究。模擬結(jié)果顯示：（1）降溫速率越快，預制裂縫的AC路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)貫通破壞的時間越早，且結(jié)構(gòu)聲發(fā)射數(shù)量也越多。（2）分析面層多單元信息得知，引起路面破壞的最主要原因是拉應力，且在2條裂縫中間位置會出現(xiàn)應力的最大值。最后基于模擬結(jié)果，為了防治裂縫擴展，可以設置應力吸收層或者選擇傳遞系數(shù)較低的瀝青面層材料為寒區(qū)瀝青路面的施工提出了一些工程指導意見。

關鍵詞：降溫速率;瀝青路面反射裂縫;數(shù)值模擬;聲發(fā)射

中圖分類號：U412 ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

隨著我國道路事業(yè)的不斷發(fā)展，道路結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫所導致的破壞已經(jīng)成為一個普遍性的問題。在路面結(jié)構(gòu)發(fā)生破裂后，水分會侵入路面裂縫當中，會導致路基以及基層的軟化，影響路面的穩(wěn)定性;其次，集料具有親水性，因此會加速瀝青材料從結(jié)構(gòu)表面剝落，大大降低了路面的使用壽命。所以，提高道路的耐久性能，保證交通事業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，是現(xiàn)在相關工作者面臨的首要任務。

溫縮裂縫作為一種由溫度荷載引起的瀝青路面開裂形式，主要發(fā)生在低溫地區(qū)以及晝夜溫差較大的地區(qū)。而在半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)中，反射裂縫是最難解決一種破壞形式，其形成的原因是在路面基層結(jié)構(gòu)的反復溫縮以及行車荷載的共同作用下，裂縫在瀝青層底部形成并且不斷擴展到道路的表面。

目前國內(nèi)外相關研究者對反射裂縫的形成以及擴展原因進行了相關研究，并取得大量研究成果，鄭健龍利用線彈性斷裂力學、疲勞斷裂力學以及熱黏彈性斷裂力學分析了瀝青路面在荷載條件以及環(huán)境條件下的疲勞斷裂性能以及黏彈性性能。通過一定的計算，得出了路面的溫度應力和應力強度等參數(shù)，并且利用公式對路面壽命進行了預估。2005年楊濤采用斷裂力學的方法建立了有限元模型，對溫度荷載作用下疲勞斷裂壽命進行了計算。元松利用ANSYS有限元軟件，依據(jù)疲勞斷裂理論分析了車輛荷載作用下瀝青路面反射裂縫的形成機理，同時對瀝青路面剩余壽命進行了分析和預估。王金昌利用有限元法對在車輛荷載作用下軟土地基結(jié)構(gòu)進行分析，同時對基層有橫向裂縫的瀝青混凝土路面進行了分析。周富杰應用三維光彈試驗分析了瀝青路面結(jié)構(gòu)層間接觸條件、基礎模量等對反射裂縫產(chǎn)的影響。吳贛昌等基于有限元和斷裂力學對路面進行了數(shù)值分析。綜合國內(nèi)外相關研究，低溫作用下AC路面的裂縫產(chǎn)生主要與以下幾個因素有關。

（1）面層瀝青的種類。

（2）土基的材料類型。

（3）瀝青面層的厚度以及彈性模量。

（4）瀝青的含量。

結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對于低溫環(huán)境下瀝青路面結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)主要集中在對路面結(jié)構(gòu)表面溫度場的觀測，所以該文將采用RFPA溫度版，以高寒地區(qū)為背景，研究了3種不同降溫速率下路面結(jié)構(gòu)反射裂縫的擴展情況，對高寒地區(qū)瀝青路面防治工作提供了一定的指導意見。

1 RFPA模擬可靠性分析

為了能表達出模型內(nèi)部的溫度場的變化規(guī)律，圖1是相關研究者對高寒地區(qū)路面結(jié)構(gòu)試驗溫差進行了溫差變化的擬合曲線，通過與RFPA數(shù)值模擬軟件所得到的溫度變化進行對比，發(fā)現(xiàn)2條曲線變化規(guī)律近乎一致，這也證實了RFPA軟件對溫度分析的可靠性。

另外，相關學者對室內(nèi)路面的溫差進行了實測。如圖2所示，當瀝青路面面層的厚度在15 cm范圍內(nèi)時，絕對溫差為-23℃。與RFPA模擬的溫度場相吻合，由此說明了瀝青路面的結(jié)構(gòu)溫度環(huán)境和數(shù)值試驗環(huán)境是一致的。

綜上所述，在表面降溫的作用下，通過RFPA所得到的路面結(jié)構(gòu)模型溫度隨著模型結(jié)構(gòu)深度的變化和實際溫度曲線變化有較好的一致性，得到的溫度場的變化和實驗室測得的溫度場分布也有很好地一致性，所以，該文采用RFPA來研究路面結(jié)構(gòu)在降溫過程中的溫度場的變化是可行的，模擬結(jié)果具有可信度。

2 數(shù)值模型與邊界條件

瀝青路面其實是一個連續(xù)性的雙層結(jié)構(gòu)，該文在結(jié)合相關實際的情況下，利用RFPA溫度版建立了與實際生活中瀝青路面適應的雙層模型，模型長度為5 m，厚度為1.2 m，另外上層瀝青材料的厚度為200 mm，下層基層材料的厚度為1 000 mm，上層的單元格數(shù)為40×1000個，下層的單元格數(shù)為200×1000個。模型的左右邊界和下邊界固定，上表面自由，接受外部降溫作用。在基層上部預設3條間距為200 mm的裂縫。另外該文模型的材料參數(shù)是根據(jù)相關工程實例測定的，相關參數(shù)見表1。采用3種不同的降溫速率從0℃降溫到-40℃：分別是每步降溫1℃、2℃、4℃。

3 不同降溫速率對反射裂縫擴展的影響

3.1 破裂過程的聲發(fā)射特性分析

如圖3 所示，是3種降溫條件下瀝青路面結(jié)構(gòu)損傷破壞的過程，圖3體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)溫度-應力和溫度-聲發(fā)射數(shù)量的變化關系。我們選取不同的降溫速率進行模擬試驗，可以看到當分別每步降溫4℃、2℃、1℃時，對應聲發(fā)射數(shù)量最多時的步數(shù)分別為5加載步，10加載步，20加載步。根據(jù)數(shù)值模擬實驗結(jié)果我們可以將整個過程分為3個階段：①線性階段，此階段中，隨著溫度的不斷降低，路面結(jié)構(gòu)聲發(fā)射數(shù)量不斷增加，且每步的聲發(fā)射數(shù)量較均勻，同時觀察到降溫速率越快則聲發(fā)射所釋放的能量越大，并且在此階段中應力-荷載成線性關系。②反射裂紋形成，擴展階段。此階段中路面結(jié)構(gòu)聲發(fā)射數(shù)量急劇增加，觀察到降溫到-20℃左右時，此時的聲發(fā)射數(shù)量達到峰值，應力也達到最大值。這也說明了當降溫的速率越快，則聲發(fā)射，應力的最大值越早出現(xiàn)，路面結(jié)構(gòu)就會越容易破壞。③回落期，此階段的聲發(fā)射頻率與初期相比大大降低，釋放的能量也比初期時更少。綜上所述，預設了反射裂縫的瀝青路面結(jié)構(gòu)細觀的微破裂是一個不斷累積的過程，在降溫到-20℃左右時會出現(xiàn)應力和聲發(fā)射數(shù)量的峰值，在峰值之后每一步均產(chǎn)生較大的回落值。這是應力釋放所導致的，總而言之，表面溫度降低的越快，路面結(jié)構(gòu)破壞越快。

3.2 降溫模式下多單元應力分析

因為加載步較多，經(jīng)歷時間較長，數(shù)據(jù)更分散較好分析，所以選取第一種降溫模式進行研究。圖4是模型破壞后的對比圖。首先可以看到上層瀝青面層結(jié)構(gòu)有較多的微破裂，2號預設裂縫區(qū)域發(fā)生了貫通式破壞，裂縫從結(jié)構(gòu)的基層向面層擴展，最終導致了結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞，而1號和3號裂縫沒有出現(xiàn)貫通式破壞。

選取2號裂縫破裂區(qū)進行多單元應力分析，多單元的應力分布圖可以對結(jié)構(gòu)單元的最大主應力和最小主應力在指定的位置顯示出應力大小的分布情況，圖5顯示了2號裂縫在-19℃，-30℃時的最大主應力和最小主應力的分布情況。從2個不同溫度下的應力圖中可以看出，在-19℃時，最小主應力遠遠大于最大主應力，且最大主應力一直處于接近于0的狀態(tài)，由此我們可以得知在整個路面結(jié)構(gòu)反射裂縫發(fā)展貫通的情況下，對破壞起主導因素的是模型各單元的拉力，同時相近結(jié)構(gòu)單元應力變化較劇烈，原因是材料的非均勻性，同時也是因為溫度在不斷降低的過程中，強度較低的單元先發(fā)生了破壞，而應力又被分散到其他相臨近的單元，最后才導致圖像中相鄰的單元位置應力大小不一，變化幅度較大。隨著溫度的不斷下降，最小主應力逐漸減小，一直到-30℃時，最小主應力已經(jīng)從7MPa左右下降到0MPa左右，這是因為此時的結(jié)構(gòu)已經(jīng)開始發(fā)生破裂，導致對面層材料已經(jīng)沒有了約束力。

圖6是面層和基層交匯處裂縫1至裂縫2之間長度為200 mm的多單元的 σx圖像，其中單元最大的應力位置出現(xiàn)在2條裂縫中間。由于相鄰單元受到不均勻性的影響，應力水平也會產(chǎn)生突變，在圖像中顯示應力為0的狀態(tài)，也就是不受力狀態(tài)是因為相關單元強度較低已經(jīng)發(fā)生了破壞。反射裂縫的出現(xiàn)其實是由于面層瀝青材料層受到低溫作用持續(xù)收縮導致了拉應力的不斷增大，而下層應力卻不能及時恢復，導致路面結(jié)構(gòu)發(fā)生了脆化反應，失去了原本的特性。綜上所述，反射裂縫產(chǎn)生的主要原因還是由于溫度應力大于瀝青路面的抗拉強度而引起的拉應力，并且溫度降低得越快，出現(xiàn)脆化反應的時間越早。

4 總結(jié)與展望

該文利用RFPA溫度版，對預制反射裂縫的瀝青路面結(jié)構(gòu)進行了不同降溫速率下的數(shù)值模擬試驗。得到的結(jié)論如下。

（1）經(jīng)過模擬試驗，根據(jù)聲發(fā)射以及應力發(fā)展過程，可以將整個過程分為3個階段：線性階段，發(fā)展貫通階段，回落穩(wěn)定階段。聲發(fā)射的爆發(fā)式增長預示著結(jié)構(gòu)即將失穩(wěn)破壞，在低溫環(huán)境下，隨著降溫速率的增大，結(jié)構(gòu)內(nèi)部的聲發(fā)射爆發(fā)時刻也會越早出現(xiàn)，破壞也就發(fā)生得越早，通過模擬直觀說明了溫度降低速率的快慢是影響瀝青路面而結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞的一個重要因素。

（2）無論降溫速率快慢與否，瀝青路面結(jié)構(gòu)在-19℃左右時會出現(xiàn)大量的聲發(fā)射現(xiàn)象，同時應力也達到最大值。

（3）分析面層多單元信息得知，引起路面破壞的最主要原因是拉應力，且在2條裂縫中間位置會出現(xiàn)應力的最大值，反射裂縫的擴展，貫通其實是因為在降溫作用下，表面的瀝青材料結(jié)構(gòu)收縮導致了拉應力的增大，而下層材料來不及松弛導致的。

該文存在的不足：現(xiàn)實生活中反射裂縫的產(chǎn)生、貫通、導致結(jié)構(gòu)破壞失穩(wěn)的過程其實是在溫度荷載、行車荷載、濕度擴散等多種情況共同作用下的結(jié)果，該文只考慮了在低溫作用下預設反射裂縫的路面結(jié)構(gòu)的破壞失穩(wěn)過程。根據(jù)模擬結(jié)果，想要降低降溫導致的危害性，可以從延緩降溫速率的方面考慮，在瀝青材料的選擇上可以選擇溫度傳遞系數(shù)較低的材料，增加瀝青面層的厚度，降低溫度或者在鋪設瀝青材料之前在基層表面鋪設一些應力應變的吸收層。

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