2025-01-02
 
橡胶沥青应力吸收层性能研究
2025年01月02日   阅读量:80966

摘要:

利用数值模拟和室内试验相结合的方法,研究了橡胶沥青应力吸收层对沥青路面力学性能的影响规律,分析了橡胶沥青最佳洒布量和碎石最佳满铺率。结果表明:沥青路面设置橡胶沥青应力吸收层会增大路表弯沉和沥青面层层底剪应力,减小沥青面层层底拉应力;其厚度不宜设置过大,橡胶沥青最佳洒布量为 2.2kg/m2,碎石最佳满铺率为70%。

关键词:橡胶沥青应力吸收层;力学性能;沥青最佳洒布量;碎石最佳满铺率


将废旧轮胎加工成废旧胶粉用于道路工程,可以达到废旧物无害化处理和利用的作用 [1]沥青网sinoasphalt.com。对于新建路面可以减薄路面,提高沥青路面的使用寿命;用于旧沥青路面改建或罩面,能够减缓原路面反射裂缝和减轻行车噪声,进一步改善公路工程质量,解决社会环保等问题 [2-5]。

为此,国内外众多学者对橡胶沥青做了大量科学研究。李任琼等 [6] 采用环形加载试验对橡胶沥青再生公路路面的抗裂性能进行检测研究,研究结果表明,当橡胶沥青混合再生料中 RAP 掺量提高后,试件的极限荷载与劲度指数均得以提高,破坏变形与断裂能 2 项指标则不断降低。Venudharan 等 [7] 发现胶粉级配的变化显著影响橡胶改性沥青的基础性能及抗变形能力。Mashaan 等 [8]用 2 种胶粉级配进行研究,发现粗胶粉级配提高了橡胶沥青的流变性能和抗紫外线老化性能。唐乃膨等 [9] 解释了化学组成、分子结构、分子量、表面形貌等方面对橡胶沥青宏观性能的影响,分析了橡胶沥青老化机理。曹彦东等 [10-12] 研究了橡胶沥青应力吸收层在道路工程中的应用,提出了橡胶沥青应力吸收层关键施工技术要点。龙花 [13] 建立了适用于高黏复合改性橡胶沥青黏韧性、韧性试验及计算方法,提出了采用第一直线上升段包络面积的两倍用于计算 A1 的思路。

基于上述分析,针对橡胶沥青的研究主要集中在橡胶沥青混合料路用性能及橡胶沥青自身的力学性能方面,而有关橡胶沥青应力吸收层对沥青路面力学性能的影响、橡胶沥青最佳洒布量、碎石最佳满铺率的研究较少。为此,本文基于 ABAQUS 有限元软件建立三维沥青路面数值模型,分析交通荷载作用下橡胶沥青应力吸收层设置前后沥青路面结构力学响应规律,并与水稳基层 - 橡胶沥青应力吸收层 - 沥青面层复合试件的剪切试验和拉拔试验结果进行对比,找出橡胶沥青最佳洒布量和碎石最佳满铺率,以期为橡胶沥青应力吸收层的设计与施工提供理论支持。


1 沥青路面力学响应分析

1.1 模型的建立

基于沥青路面多层弹性体系理论,采用 ABAQUS有限元软件建立尺寸为 6m×5m×3m 三维沥青路面数值模型。模型底部限制竖直方向和水平方向的位移,四周限制水平方向位移。模型结构层材料参数见表 1。

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我国现行 JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》规定,路面设计荷载采用双圆垂直均布荷载,标准轴载为 BZZ-100,接触地面压力 0.7MPa。在实际路面力学研究过程中,为方便计算,往往采用 7t 的 FWD 冲击荷载模拟标准轴载,一般来说,简化后的荷载应可反映实际的轮载作用形式和接地压力。FWD 冲击荷载变化曲线如图 1 所示。

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为了提高荷载区域力学计算结果,对沥青路面模型采用不等间距划分网格,从四周逐渐向荷载区域加密,尺寸由 0.15m 到 0.03m,荷载施加区的网格密度设置为0.03m×0.03m。沥青路面网格模型如图 2 所示。

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1.2 吸收层模量对路面力学响应的影响

设置橡胶沥青应力吸收层厚度为 1cm,模量选取 10、20、30、50、70、90 MPa,其他参数不变。计算模量与沥青路面路表弯沉、面层层底拉应力及面层层底剪应力之间的关系,并与无橡胶沥青应力吸收层路面力学响应进行对比。计算结果见表 2~ 表 4。

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综合表 2~ 表 4 结果可知:

(1)路面结构设置橡胶沥青应力吸收层时,路表弯沉要比没有设置橡胶沥青应力吸收层的弯沉大。当橡胶沥青应力吸收层模量很低时,弯沉增长幅度较大,随着橡胶沥青应力吸收层模量的增大,路表弯沉增长幅度逐渐减小。这是因为橡胶沥青应力吸收层模量比沥青混凝土及水稳基层的模量低,其相对于路面结构而言属于软弱夹层,设置有橡胶沥青应力吸收层时,会造成路表弯沉的增大,随着应力吸收层模量的增加,这种影响会逐渐减弱。

(2)橡胶沥青应力吸收层模量较低,应力吸收层层底拉应力较小,在橡胶沥青应力吸收层消散应力的作用下,沥青面层层底拉应力有一定幅度的下降。随着橡胶沥青应力吸收层模量的增高,应力吸收层及沥青面层层底的拉应力都有所增加,并且随着模量的增加,沥青面层层底拉应力增大幅度也越来越大。

(3)与此同时,应力吸收层模量较低会造成沥青路面结构层间位移增大,致使面层层底剪应力相对没有设置应力吸收层时有所增加。随着应力吸收层模量的增高,应力吸收层剪应力越来越大,沥青路面结构层间相对位移增加量越来越小,面层层底剪应力越来越小。

1.3 吸收层厚度对路面力学响应的影响

为进一步分析橡胶沥青吸收层对沥青路面路表弯沉、面层层底拉应力及面层层底剪应力的影响,分别选取应力吸收层厚度为 1、1.5、2、2.5、3 cm,模量设置为 60MPa,对路面力学响应进行分析。计算结果见表 5~ 表 7。

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由表 5~ 表 7 可知,随着应力吸收层厚度的增加,路表弯沉、面层层底拉应力及面层层底剪应力也越来越大,尤其是路表弯沉和面层层底剪应力增幅较大。这说明应力吸收层厚度增加,相当于软弱夹层越来越厚,各层间相对位移越来越大,路表弯沉和剪应力也越来越大。

综合 1.2 和 1.3 所述可知:沥青路面设置橡胶沥青应力吸收层会增大路表弯沉和沥青面层层底剪应力,减小沥青面层层底拉应力;从路表弯沉和面层层底剪应力角度来看,应力吸收层厚度不宜过大。


2 橡胶沥青应力吸收层强度性能研究

2.1 抗剪强度

首先成型水稳基层试件,放置于 10cm 的加厚车辙模板中,并在水稳基层试件表面均匀洒布橡胶沥青,洒布温度为 185~195 ℃,紧接着将水洗后的预热碎石均匀洒布在橡胶沥青上,之后采用车辙成型仪碾压两遍,碾压方式同普通车辙试件;碾压完成后,在应力吸收层上面加铺 5cm 厚 AC-25C 粗粒式沥青混凝土,并碾压密实,待沥青面层冷却 24h 后拆模,使用钻心机钻芯取样,芯样半径和高度均为 10cm,成型的复合试件如图 3 所示。采用剪切仪测试抗剪强度,剪切仪示意图如图 4 所示。

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2.1.1 橡胶沥青洒布量的影响

相关研究结果表明,吸收层抗剪强度随温度增加而降低,因此主要考虑高温抗剪能力。试验温度为 60℃,采用固定变量法,固定碎石满铺率为 60%,沥青洒布量为 1.6~2.6 kg/m²,浮动单元为 0.2kg/m²。试验结果见表 8。

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由试验结果可以看出:1)在碎石满铺率确定的情况下,抗剪强度随橡胶沥青洒布量出现先增大后减小的情况;2)当碎石满铺率为 60% 时,沥青洒布量在 1.6kg/m²至 2.4kg/m² 时,抗剪强度越来越大,沥青洒布量增加至2.6kg/m²时,抗剪强度减小。

结合数值分析结果可知,应力吸收层的抗剪强度应不低于 0.093MPa,故试验结果均能满足要求;从经济性考虑,当沥青洒布量为 2.4kg/m²,吸收层抗剪强度相比于沥青洒布量为 2.2kg/m² 的抗剪强度增幅较小。因此,橡胶沥青适宜洒布量 2.2kg/m² 视为最佳洒布量。

2.1.2 碎石满铺率的影响

固定沥青洒布量为 2.2%,碎石撒布量为 40%~90%,浮动单元为 10%,其它试验条件不变。试验结果见表 9。

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由试验结果可以得出:1)在沥青洒布量确定的情况下,抗剪强度随碎石满铺率的增加出现先增大后减小的情况;2)当沥青洒布量为 2.2kg/m² 时,基于抗剪强度的橡胶碎石最佳满铺率为 70%,碎石满铺率在 40% 至70% 时,抗剪强度越来越大,而碎石满铺率在 70% 至90% 时,抗剪强度呈减小趋势变化。

综合考虑力学分析结果及经济性,碎石满铺率宜为70%。

2.2 拉拔强度

拉拔试验试件尺寸及成型方法同抗剪试验,正式试验前,应至少提前一天采用环氧树脂胶将拉拔头与试件上下表面粘牢,当试验过程中出现拉拔头与试件提前断裂的情况,应废弃试验。拉拔试验示意图如图 5 所示。

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2.2.1 沥青洒布量的影响

试验温度及试验条件同抗剪试验,试验结果见表10。

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由试验结果可以得出:1)在碎石满铺率确定的情况下,试件抗拉强度随沥青洒布量出现先增大后趋向于稳定;2)当碎石满铺率为 60% 时,沥青洒布量在 1.6kg/m²至 2.2kg/m² 时,抗剪强度越来越大,且增幅较大,而沥青洒布量在 2.2kg/m²至 2.6kg/m²时,抗剪强度增加非常缓慢。

由力学分析结果可知,试验中应力吸收层的抗拉强度均能满足使用要求,但沥青洒布量过大时,对抗拉强度贡献并不大,相反会大大增加其成本。因此,橡胶沥青洒布量宜为 2.2kg/m²。

2.2.2 碎石满铺率的影响

固定沥青洒布量为 2.2%,碎石撒布量为 40%~90%,浮动单元为 10%,其它试验条件不变。试验结果见表11。

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由试验结果可以得出:1)在沥青洒布量确定的情况下,抗拉强度强度随碎石满铺率增加出现先增大后减小的情况;2)当沥青洒布量为 2.2kg/m² 时,基于抗拉强度的碎石最佳满铺率为 70%,碎石满铺率在 40% 至 70%时,抗剪强度越来越大,碎石满铺率在 70% 至 90% 时,抗剪强度越来越小,并且当满铺率超过 80%,抗剪强度急剧减小。

考虑力学分析结果及经济性,碎石满铺率宜为 70%。

综合 2.1 和 2.2 分析,应力吸收层最佳沥青洒布量和碎石满铺率分别为 2.2kg/m²和 70%。


3 结论

(1)沥青路面设置橡胶沥青应力吸收层会增大路表弯沉,随着橡胶沥青应力吸收层模量增大,路表弯沉会逐渐减小,而随橡胶沥青应力吸收层厚度增大,路表弯沉会逐渐增大,表明橡胶沥青应力吸收层的厚度不宜设置过大。

(2)沥青路面设置橡胶沥青应力吸收层会减小面层层底拉应力,随着橡胶沥青应力吸收层模量和厚度增大,面层层底拉应力会逐渐增大。

(3)沥青路面设置橡胶沥青应力吸收层会增大面层层底剪应力,随着橡胶沥青应力吸收层模量增大,面层层底剪应力会逐渐减小,而随橡胶沥青应力吸收层厚度增大,面层层底剪应力会逐渐增大。

(4)橡胶沥青最佳洒布量为 2.2kg/m2,碎石最佳满铺率为 70%。


原创作者:霍延敏 1,位可可 2,1 河南交通投资集团有限公司济洛西项目部,河南济源 454650;2 河南省中工设计研究院集团股份有限公司,河南郑州 450000。

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