張翠紅,竇益華,2,曹學(xué)鵬, 賀雨田

(1.西安石油大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,陜西 西安710065; 2.西安石油大學(xué) 西安市高難度復(fù)雜油氣井完整性評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710065; 3.長(zhǎng)安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安710064)

0 引 言

水泥乳化瀝青混合料是由集料、乳化瀝青和水泥有機(jī)結(jié)合形成的半柔性路面混合料,可以實(shí)現(xiàn)冷拌、冷鋪、冷壓的常溫施工,具備易壓實(shí)性,施工設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單,具有良好的環(huán)保特性和可快速施工的特性,且具有良好的路用性能[1]。

水泥乳化瀝青混合料在壓實(shí)過(guò)程中表現(xiàn)出隨時(shí)間變化的壓實(shí)黏彈塑性流變特性[2],會(huì)最終影響成型路面的密實(shí)度、抗壓強(qiáng)度等路面性能參數(shù),故合理的壓實(shí)工藝是提高水泥乳化瀝青混合料路面施工質(zhì)量的關(guān)鍵,目前鮮見(jiàn)學(xué)者對(duì)水泥乳化瀝青混合料路面的壓實(shí)工藝參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摲治鯷3-4],施工單位在進(jìn)行該混合料路面施工時(shí),多參考熱拌瀝青混合料或乳化瀝青冷再生混合料的壓實(shí)工藝,導(dǎo)致其壓實(shí)施工質(zhì)量較差制約了該混合料的應(yīng)用,故亟待對(duì)水泥乳化瀝青混合料的壓實(shí)工藝參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和研究。

壓實(shí)機(jī)械的工藝參數(shù)影響著路面材料的壓實(shí)變形特性。通過(guò)建立壓實(shí)機(jī)械和瀝青類路面材料間的壓實(shí)動(dòng)力學(xué)模型,學(xué)者們研究了壓實(shí)方法、高度、溫度、加載頻率等參數(shù)對(duì)材料壓實(shí)特性和力學(xué)性能等的影響[5-6]。馬麗英等[7]利用ABAQUS分析了振動(dòng)輪下土壤應(yīng)力分布特性,得到了壓實(shí)度與加速度有效值的回歸方程;魏俊偉[8]探究了壓路機(jī)振動(dòng)頻率、工作速度、鋪裝層厚度等碾壓參數(shù)對(duì)橋面鋪裝層壓實(shí)效果的影響,提出針對(duì)橋面鋪裝層的碾壓參數(shù)優(yōu)化方案;周剛等[9]研究了振動(dòng)頻率、碾壓速度、重疊度等壓實(shí)參數(shù)作用下的瀝青路面動(dòng)力響應(yīng),并提出了幾組壓實(shí)工藝參數(shù)組合。但以上研究均未系統(tǒng)研究路面壓實(shí)度與壓實(shí)工藝參數(shù)的匹配規(guī)律和方案。

壓實(shí)過(guò)程中路面材料的流變特性,同樣影響著壓路機(jī)鋼輪與路面材料的接觸面積以及路面材料的應(yīng)變特性[10],從而影響鋼輪對(duì)路面材料的壓實(shí)動(dòng)力響應(yīng)特性;李迪[11]研究了路面剛度和阻尼的變化對(duì)壓實(shí)效果的影響,得到在路面壓實(shí)仿真中應(yīng)考慮路面材料流變特性對(duì)壓實(shí)響應(yīng)的影響。

有限元法對(duì)邊界條件和本構(gòu)關(guān)系的適用性較好,O.E.GUNGOR等[12]證明了有限元分析結(jié)果與路面實(shí)測(cè)響應(yīng)之間具有很好的一致性; O.C.ASSOGBA等[13]、WANG Hao等[14]通過(guò)建立三維有限元模型研究了輪胎接觸力對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。

筆者前期研究得出,水泥乳化瀝青混合料的壓實(shí)變形具有隨時(shí)間變化的非線性黏彈塑性特征[2],基于混合料壓實(shí)流變特性推導(dǎo)出目標(biāo)密實(shí)度與壓實(shí)工藝參數(shù)間的匹配模型,及目標(biāo)密實(shí)度所需的壓實(shí)工藝參數(shù)組合。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該匹配模型的正確性及壓實(shí)工藝參數(shù)組合的合理性,筆者擬基于水泥乳化瀝青混合料壓實(shí)流變時(shí)變特性,采用有限元數(shù)值仿真分析和路面壓實(shí)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)壓實(shí)工藝參數(shù)組合進(jìn)行研究,將得到的較優(yōu)壓實(shí)工藝參數(shù)組合進(jìn)一步通過(guò)路面壓實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證,最后綜合仿真和路面試驗(yàn)結(jié)果對(duì)匹配模型進(jìn)行優(yōu)化和修正,以期為水泥乳化瀝青混合料的壓實(shí)提供有參考價(jià)值的理論模型和壓實(shí)試驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 路面壓實(shí)仿真分析建模

1.1 原材料

水泥乳化瀝青混合料選用AC-13型瀝青混合料級(jí)配,混合料配合比方案中油石比為4.5%,水泥含量為2%,含水率為6%,3者均為占礦料的質(zhì)量百分比,具體參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

1.2 B-P本構(gòu)模型參數(shù)的確定

經(jīng)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓縮試驗(yàn)得出, B-P本構(gòu)模型[2]可準(zhǔn)確表征壓實(shí)過(guò)程中水泥乳化瀝青混合料與時(shí)間和荷載相關(guān)的黏彈塑性流變特性,本構(gòu)模型參數(shù)的變化會(huì)直接影響到混合料的應(yīng)變變化特性。

通過(guò)對(duì)壓縮試驗(yàn)得到的混合料應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行多元非線性回歸擬合,得到壓實(shí)各階段的混合料B-P本構(gòu)模型參數(shù)[2],見(jiàn)表1,符號(hào)含義見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。

表1 壓實(shí)各階段B-P本構(gòu)模型參數(shù)

通過(guò)對(duì)ANSYS預(yù)留的接口程序USERMAT進(jìn)行重新編譯,完成B-P模型在ANSYS中的二次開(kāi)發(fā)。并將表1中的本構(gòu)模型參數(shù)帶入到振動(dòng)壓實(shí)仿真分析中,得到混合料在不同壓實(shí)階段的力學(xué)響應(yīng)值。

1.3 路面壓實(shí)仿真模型的建立

該路面壓實(shí)有限元模型由水泥乳化瀝青混合料面層、水泥穩(wěn)定碎石基層、土基和鋼輪4種材料模型構(gòu)成。混合料面層視為各向同性黏彈塑性材料,其本構(gòu)模型參數(shù)見(jiàn)1.2節(jié)?；鶎?、土基和鋼輪采用線彈性材料模型。本次仿真以某13 t雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)為計(jì)算模型。仿真時(shí)將壓路機(jī)鋼輪簡(jiǎn)化為一矩形塊,壓路機(jī)行走碾壓過(guò)程等效為矩形塊以速度v勻速前進(jìn),如圖1。

圖1 仿真分析模型Fig. 1 Simulation analysis model

1.4 邊界條件和施加載荷

在邊界條件設(shè)置中,限制了土基豎直z方向的自由度,限制了基層和面層水平x和y方向的自由度。載荷加載位置為鋼輪質(zhì)心,F的計(jì)算如式(1):

F=G+F0sin(2πft)

(1)

式中:F為振動(dòng)作用力,N;G為分配到振動(dòng)輪上的鋼輪重量,N;F0為激振力,N;f為激振頻率,Hz。

2 路面壓實(shí)工藝參數(shù)的仿真分析

2.1 壓實(shí)工藝參數(shù)組合的確定

文獻(xiàn)[1]研究得出該水泥乳化瀝青混合料的臨界密實(shí)度范圍為[92.5%,93.0%],現(xiàn)以鋪設(shè)成型厚度為hl=7 cm,寬度為壓路機(jī)輪寬b=2.13 m,長(zhǎng)度為l=10 m的路面為例,制定路面密實(shí)度達(dá)92%所需的壓實(shí)工藝參數(shù)組合。壓路機(jī)低頻高幅、高頻低幅兩種振動(dòng)壓實(shí)工況的作業(yè)參數(shù)如表2。

表2 振動(dòng)壓實(shí)作業(yè)參數(shù)組合表

文獻(xiàn)[15]研究得出了目標(biāo)密實(shí)度與路面壓實(shí)工藝參數(shù)的匹配模型,如式(2):

890.15G%×(4 021.4G%-3 413.9)=

(2)

式中:右邊第1項(xiàng)為振動(dòng)壓路機(jī)靜壓做功,可等效于室內(nèi)靜壓做功,取ηl=100%;右邊第2項(xiàng)為振動(dòng)壓實(shí)做功,參考振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)熱瀝青混合料的吸能效率[16],取ηl′=75%;n11、n12分別為壓路機(jī)采用低頻高幅和高頻低幅時(shí)相應(yīng)的壓實(shí)遍數(shù);v1、v2分別為壓路機(jī)采用低頻高幅和高頻低幅時(shí)相應(yīng)的碾壓速度,m/s ;f1、f2為高、低頻振動(dòng)頻率,Hz。

由式(2)可進(jìn)一步確定出路面密實(shí)度達(dá)92%時(shí)的6個(gè)壓路機(jī)壓實(shí)工藝參數(shù)組合,如表3,并對(duì)其進(jìn)行仿真分析。

表3 各壓實(shí)階段壓實(shí)工藝參數(shù)組合壓實(shí)遍數(shù)

2.2 壓實(shí)工藝參數(shù)組合的影響

經(jīng)仿真,6個(gè)壓實(shí)組合產(chǎn)生的豎向位移隨壓實(shí)遍數(shù)的變化情況如圖2,各組合靜壓、振動(dòng)壓實(shí)位移和密實(shí)度數(shù)據(jù)結(jié)果如表4,可以看出:組合一、組合二、組合五壓實(shí)后的密實(shí)度接近93.5%,超出臨界密實(shí)度范圍[92.5%,93.0%],此時(shí)混合料為過(guò)壓狀態(tài),強(qiáng)度性能較差[1],故該這3個(gè)組合不予采用;組合三、組合四、組合六的壓實(shí)密實(shí)度值分別為92.93%、92.84%和92.99%,屬于臨界密實(shí)度范圍[92.5%,93.0%],對(duì)這3個(gè)組合產(chǎn)生的豎向應(yīng)變?cè)阡撦嗇唽挿较蚝吐访嫔疃确较蛏系姆植记闆r進(jìn)行分析。

圖2 豎向位移隨壓實(shí)遍數(shù)的變化Fig. 2 Variation of vertical displacement changing with compaction times

表4 工藝參數(shù)組合仿真分析結(jié)果

2.3 優(yōu)選組合對(duì)混合料豎向應(yīng)變的影響

2.3.1 豎向應(yīng)變?cè)谳唽挿较蛏系淖兓?/p>

組合三、組合四、組合六作用時(shí),路面表層處混合料豎向應(yīng)變沿輪寬方向的衰減曲線如圖3。總體上3個(gè)組合作用后豎向應(yīng)變沿輪寬方向的減小趨勢(shì)類似,豎向應(yīng)變隨著距鋼輪幾何中心距離的增加而減小,近似呈拋物線狀減小。

圖3 組合三、組合四、組合六路面表層處輪寬方向豎向應(yīng)變隨壓實(shí)遍數(shù)變化Fig. 3 Variation of vertical strain in the direction of wheel width on pavement surface in combination 3, 4 and 6 changing with compaction times

組合三、組合四高頻低幅壓實(shí)第3遍和組合六低頻高幅壓實(shí)第6遍后混合料在路面表層處、輪寬方向鋼輪質(zhì)心正下方的豎向應(yīng)變分別為-0.127、-0.126和-0.128,距離鋼輪幾何中心104 cm處的豎向應(yīng)變分別為-0.081、-0.081和-0.082,相比鋼輪質(zhì)心正下方豎向應(yīng)變值的減小幅度分別為35.92%、35.45%和35.68%。

2.3.2 豎向應(yīng)變?cè)诼访嫔疃确较蛏系淖兓?/p>

組合三、組合四、組合六作用后鋼輪幾何中心正下方混合料豎向應(yīng)變沿深度方向的減小曲線如圖4。總體上隨著壓實(shí)遍數(shù)的增加,混合料的豎向應(yīng)變量逐漸增大,豎向應(yīng)變隨著路面深度的增加而略有減小,呈近似線性減小趨勢(shì)。

圖4 組合三、組合四、組合六鋼輪幾何中心處深度方向豎向應(yīng)變隨壓實(shí)遍數(shù)變化Fig. 4 Variation of vertical strain in the depth direction at the steel wheel geometric center of combination 3, 4 and 6 changing with compaction times

組合三、組合四高頻低幅壓實(shí)第3遍和組合六低頻高幅壓實(shí)第6遍后混合料在路面表層處鋼輪質(zhì)心正下方的豎向應(yīng)變分別為-0.126、-0.126和-0.128,路面深度6 cm處的豎向應(yīng)變分別為-0.123、-0.123、和-0.125,相較表層處豎向應(yīng)變值的衰減幅度分別為2.40%、2.40%和2.34%。

2.3.3 綜合分析

通過(guò)2.3節(jié)分析可得,3個(gè)組合作用后沿輪寬方向的混合料豎向應(yīng)變值減小幅度均較大,且差別很小。3個(gè)組合作用后在路面深度6 cm處的混合料豎向應(yīng)變衰減幅度值均較小,其中組合六的衰減幅度值為最小。

3 路面壓實(shí)試驗(yàn)

為了對(duì)仿真分析得出的壓實(shí)工藝參數(shù)組合三、組合四、組合六的仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,因3個(gè)組合的仿真分析結(jié)果差別較小,只選取組合六進(jìn)行路面壓實(shí)試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備

施工主要機(jī)械設(shè)備為:半柔性路面材料拌和攤鋪一體機(jī)1臺(tái);13 t雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)1臺(tái);16 t輪胎壓路機(jī)1臺(tái)。

3.2 拌和及攤鋪工藝

采用半柔性路面材料拌和攤鋪一體機(jī)進(jìn)行拌和,拌和轉(zhuǎn)速為350 r/min,拌和時(shí)間為8 s。

根據(jù)室內(nèi)壓實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù),松鋪系數(shù)取值為1.26～1.28。采用半柔性路面材料拌和攤鋪一體機(jī)進(jìn)行攤鋪,攤鋪模塊大小為10 m×3.75 m。

3.3 壓實(shí)試驗(yàn)

3.3.1 壓實(shí)工藝參數(shù)方案

對(duì)表4中的組合六開(kāi)展路面壓實(shí)施工試驗(yàn)。初壓采用13.5 t振動(dòng)壓路機(jī)靜壓壓實(shí)2遍,其行走速度為v=3.78 km/h;復(fù)壓以振動(dòng)頻率42 Hz、振幅0.75 mm、速度4.536 km/h碾壓6遍;終壓采用16 t輪胎壓路機(jī),以4 km/h碾壓2遍。

3.3.2 壓實(shí)結(jié)果分析

路面壓實(shí)試驗(yàn)結(jié)束后28天對(duì)成型路面取芯(12處),測(cè)試毛體積密度、最大理論密度、抗壓強(qiáng)度、馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度等參數(shù),測(cè)試方法均按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行,各參數(shù)測(cè)試及統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 壓實(shí)特性數(shù)據(jù)表

可得各測(cè)點(diǎn)的密實(shí)度、抗壓強(qiáng)度、馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度的平均值分別為93.29%、2.76 MPa、7.77 kN、0.67 MPa?？梢?jiàn),路面終壓后的密實(shí)度、馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度值滿足設(shè)計(jì)要求。路面密實(shí)度93.29%大于仿真分析結(jié)果92.99%,可知組合六的有效壓實(shí)能量偏大,結(jié)合文獻(xiàn)[1]中的低頻高幅、高頻低幅等壓實(shí)方式做功比較與計(jì)算,將匹配模型式(3)中的吸能效率ηl′修正為76.05%,將組合六中的低頻高幅高速壓實(shí)6遍組合優(yōu)化為低頻高幅高速壓實(shí)5遍+高頻低幅高速壓實(shí)2遍。

4 結(jié) 論

基于水泥乳化瀝青混合料壓實(shí)流變時(shí)變特性及壓實(shí)Bodner-Partom(B-P)本構(gòu)模型,采用數(shù)值仿真和路面壓實(shí)試驗(yàn)相結(jié)合的方法開(kāi)展壓實(shí)工藝參數(shù)研究,結(jié)論如下:

1)數(shù)值仿真分析得出,由目標(biāo)密實(shí)度與壓實(shí)工藝參數(shù)組合匹配模型推導(dǎo)出的6組壓實(shí)工藝參數(shù)組合中,3個(gè)低頻高幅低速組合壓實(shí)后的密實(shí)度值接近93.5%,超出臨界密實(shí)度范圍[92.5%,93.0%],混合料為過(guò)壓狀態(tài),不予采用;3個(gè)低頻高幅高速組合壓實(shí)后的密實(shí)度值分別為92.93%、92.84%和92.99%,屬于臨界密實(shí)度范圍[92.5%,93.0%]。表明3個(gè)低頻高幅高速組合為密實(shí)度合理組合,且該混合料路面復(fù)壓階段適合采用的主要壓實(shí)組合方式為低頻高幅高速。

2)3個(gè)低頻高幅高速組合作用后混合料豎向應(yīng)變值沿輪寬方向的減小幅度較大,輪寬方向路面密實(shí)度的差異可通過(guò)調(diào)整壓路機(jī)鋼輪的壓實(shí)重疊量來(lái)消除。3個(gè)組合作用后混合料在深度方向上的豎向應(yīng)變減小幅度較小,混合料成型厚度設(shè)計(jì)為7 cm是合理的。

3)路面壓實(shí)試驗(yàn)研究得出,組合六(低頻高幅高速壓實(shí)6遍)的有效壓實(shí)能量偏大,應(yīng)將密實(shí)度與壓實(shí)工藝參數(shù)匹配模型中的吸能效率修正為76.05%,將組合六優(yōu)化為低頻高幅高速壓實(shí)5遍+高頻低幅高速壓實(shí)2遍,組合二、組合四的壓實(shí)遍數(shù)可相應(yīng)減少。