2025-01-02
 
复合面层长寿命沥青路面力学响应分析
2025年01月02日   阅读量:25121

摘要:

为了研究沥青混凝土(AC)与高延性混凝土(ECC)复合面层结构的长寿命沥青路面的力学响应,分析了复合面层在重复交通载荷作用下的应力与变形行为并进行相关性分析。 结果显示,随着 ECC 层或基层厚度的增大,路面结构力学响应指标均逐渐减小。 ECC 层的加入显著提高了路面结构的承载能力,能更好地抵抗裂缝和车辙的形成,从而有效延长路面使用寿命沥青网sinoasphalt.com。 适当增加ECC 层厚度可以进一步提高路面的抗变形能力,延缓反射裂缝的发展。

关键词:复合面层;沥青路面;ECC;力学响应;层底拉应力


0 引言

近年来,随着车流量和载重的不断增加,传统沥青路面面临越来越多的挑战。 为了提高沥青路面的使用寿命和承载能力,研究者们不断探索新的材料和技术[1 - 2]。 高延性混凝土(ECC)是一种含有高性能纤维的水泥基复合材料,在受到拉应力时展示出极高的变形能力和能量吸收能力,从而有效控制和延缓裂缝的扩展[3]。 有研究者将 ECC 与传统的沥青混合料(AC)结合,提出 AC + ECC 复合长寿命路面,借助 ECC 下面层的刚度和高韧性有效解决传统沥青路路面易车辙开裂问题,显著提升路面的服役寿命和耐久性[4 - 5]。 但已有研究中关于 AC + ECC 复合面层的力学分析鲜有报道,本研究借助有限元软件研究复合面层在实际道路条件下的力学行为和响应,通过分析不同基层厚度和 ECC 层厚对复合结构力学行为的影响,为 AC +ECC 复合长寿命路面结构设计提供创新思路。


1 长寿命路面设计

长寿命路面也被称为永久路面,是指在设计和建造时预计在其设计寿命内无需进行重大结构性维护或重建。 长寿命路面的设计寿命通常远超传统路面,可达 40 年甚至更长,其主要特点是高耐久性和低维护需求,通过使用高质量材料、先进的设计方法和考虑全面的施工技术来实现。 长寿命路面的设计不仅考虑承受日常交通负荷的能力,还包括对极端天气条件、环境因素和可能的交通增长的考虑。

长寿命路面的设计要求各个结构层之间的功能和力学性能相匹配,考虑路面的整体耐久性、稳定性和维护简便性,以实现其长期使用的目的,因此不同结构层应根据设计要求具备相应的力学特性。 对长寿命路面而言,车辙和开裂是影响路面使用寿命的主要影响因素,为避免此类病害的发生,路面结构设计时应设置足够承载能力的抗车辙层和抗反射裂缝的应力吸收层。

研究发现 ECC 材料具有出色的延展性和自愈能力,能够在微裂缝形成后自行修复,显示出极佳的抗裂性和耐久性,相比于沥青混合料具有更大的模量和刚度,使其在承受重载和极端环境条件下表现优异,因此考虑上中面层采用沥青混合料、下面层采用 ECC、基层采用水泥稳定碎石的方案设计复合面层的长寿命路面结构,结构组合见图 1。

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2 试验方案

采用控制变量法分别设置不同的基层厚度和ECC 层厚度,以分析其对路面性能的影响。在基层厚度试验中选择水泥稳定碎石的基层厚度分别为 9 cm、18 cm、27 cm 和 36 cm,保持 ECC 层厚度固定为 15 cm,沥青混凝土层厚度固定为 10 cm。 制备相应厚度的试件,在标准条件下进行养护。 通过加载设备对每组试件施加重复交通荷载,模拟实际道路使用情况。 采用应变计和应力传感器分别测量沥青层底最大拉应变、层间剪应力、ECC 层底最大拉应力、拉应变及基层层底最大拉应力等力学指标。

在 ECC 层厚度试验中选择高延性混凝土层的厚度分别为 5 cm、10 cm、15 cm 和 20 cm,保持基层厚度固定为 27 cm,沥青混凝土层厚度固定为 10 cm。 按照同样的程序制备试件并在标准条件下进行加载试验,记录和分析各组试件在不同荷载条件下的应变和应力变化,观察沥青层底最大拉应变和层间剪应力的变化规律。

通过回归分析建立基层厚度和 ECC 层厚度与各力学响应指标的关系方程,量化其影响程度。 计算相关系数,确定各因素之间的相关性,以优化复合面层的结构设计。


3 试验结果与讨论

3. 1 基层厚度对力学响应的影响

3. 1. 1 沥青层底最大拉应变

不同基层厚度对沥青层底最大拉应变有显著影响,试验结果见图 2。 随着基层厚度的增加,沥青层底最大拉应变呈现出明显的下降趋势,这主要是由于较厚的基层能够有效分散上部传递的应力,减小应力集中现象,从而降低沥青层底的应变积累。

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由图 2 可知,当基层厚度由 9 cm 增加至 18 cm时,沥青层底最大拉应变快速降低,显示出基层厚度对拉应变的显著影响。 继续增加基层厚度至 27 cm 和36 cm,拉应变的降低趋于平缓,但仍有明显减小,这表明初期增加基层厚度能够显著提升路面的抗裂性能,而在基层厚度达到一定程度后继续增加厚度对拉应变的影响逐渐减小,体现出边际效益递减的规律。 当基层厚度达到 18 cm 以上时,沥青层底最大拉应变的降低效果最为显著,说明这一厚度可以提供较好的应力分散能力和结构支撑效果。 厚基层不仅能分散应力还能提高路面的整体刚性,减少变形量,有助于提高路面的使用寿命和抗疲劳性能。 综合考虑工程成本和效果,建议在实际工程中基层厚度采用 18 ~ 27 cm,以达到较好的抗裂效果和经济效益。

3. 1. 2 层间剪应力

基层厚度对层间剪应力的影响显著,试验结果如图 3 所示。

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由图 3 可知,随基层厚度的增大,沥青层与 ECC层的层间剪应力逐渐降低,当基层厚度大于 28 cm 时,层间剪应力基本不再发生变化。 这主要与基层的应力分散效应有关,基层的主要功能之一是分散荷载应力,当基层厚度增加时可以更有效地分散这些力,减少单个点的应力集中,从而在沥青层与 ECC 层间产生的剪应力也随之减少,且较厚的基层能够更好地抵抗由上层向下层传递的剪切力,因此剪力会随着基层厚度的增加而降低。 当基层厚度增至一定程度(如 28 cm)时,基层的荷载承载和分散能力达到一种平衡或饱和状态,此时层间的剪应力不再明显变化,表明基层已足够厚,进一步增加厚度对剪应力的影响变得微乎其微。

3. 1. 3 ECC 层底最大拉应变

不同基层厚度对 ECC 层底最大拉应变具有显著影响,试验结果见图 4。

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由图 4 可知,随着基层厚度的逐渐增加,ECC 层底最大拉应变表现出持续降低趋势,当 ECC 层较薄时,最大拉应变的减少速度初始较快,随后减缓,当ECC 层厚度超过 15 cm 后,最大拉应变的减少趋势近似线性下降。 这是因为 ECC 层较薄时即使小幅增加厚度也显著提高了下面层承载能力,因此最大拉应变快速减少。 随着厚度继续增加,ECC 层的结构和力学性能逐渐趋于稳定,荷载分散能力增强,导致拉应变降低的速率减缓。

3. 1. 4 ECC 层底最大拉应力

ECC 层底最大拉应力随基层厚度增大的变化趋势与层底拉应变基本相似,试验结果如图 5 所示。由图 5 可知,随着基层厚度的增加,ECC 层底最大拉应力逐渐减小,其原因在于 ECC 层厚对路面结构承载力的影响降低了基层应力扩散的作用程度。

3. 1. 5 基层最大拉应力

不同基层厚度对基层最大拉应力具有显著影响,试验结果如图 6 所示。

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由图 6 可知,随着基层厚度的增大,基层最大拉应力逐渐减小,说明基层厚度的增大为应力扩散提供了更多路径,有助于减小荷载传递至基层层底时的拉应力,可有效降低层底开裂风险。

3. 2 ECC 层厚度对力学响应的影响

ECC 层厚度对复合面层结构的力学响应具有显著影响,ECC 层厚拟选择5 cm、10 cm、15 cm、20 cm,试验结果见图 7 ~ 图 11。

1)沥青层底最大拉应变及层间剪应力。 由图 7、图 8 可知,随着 ECC 下面层厚度的增大,沥青面层层底最大拉应变和层间剪应力均逐渐减小。 原因是ECC 层厚度增加时,路面荷载承载能力得到提升,能够更有效分散来自沥青面层的应力,有助于均匀地分布应力,避免在沥青层层底出现应力集中,且厚度较大的 ECC 下面层提高了整个路面结构的刚性,减少了由于交通载荷引起的面层变形,因此沥青面层底部承受的应力和应变随之减少,应力的有效扩散降低了层间剪应力。

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2)ECC 层最大拉应变、拉应力。 由图 9、图 10 可知,随着 ECC 下面层厚度的增大,ECC 层底最大拉应力和拉应变均逐渐减小,主要归因于 ECC 层有效的荷载分散效应和增强的层间协作能力。 ECC 层厚度增大提高了下面层荷载分散能力,使得从上层传递到ECC 层底的应力减少,拉应变相应减小。 大厚度的ECC 层与半刚性基层的力学协作性能得到改善,有助于整个路面系统更有效的共同工作,抵抗外部荷载的影响,因此 ECC 层底最大拉应力和拉应变有所降低。

3)基层层底最大拉应力。 由图 11 可知,基层厚度较小时基层最大拉应力随 ECC 层厚增大而减小,当基层厚度大于 27 cm 时,随着 ECC 层厚的增大,基层最大拉应力基本无明显变化。 这是因为当基层厚度较小时,ECC 层的增厚改善了整体结构的应力分布和荷载承载能力,从而减轻了直接作用在基层上的应力。

但当基层厚度超过 27 cm 后,即使 ECC 层的厚度继续增加,基层中的最大拉应力也显示出基本无明显变化的趋势,这表明基层达到一定厚度之后,基层承载力及刚性已经能够有效承载和分散来自上层的应力,基层本身的荷载分散能力达到了一种饱和或稳定状态,此时 ECC 层的进一步增厚对于改善基层的应力状态带来的边际效益逐渐减小。

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3. 3 相关性分析

为了定量分析不同因素之间的关系,采用相关系数衡量基层厚度和 ECC 层厚度与各力学响应指标之间的相关性。 相关系数的取值范围为 - 1 ~ 1,其中,

1 表示完全正相关, - 1 表示完全负相关,0 表示无相关性。 计算各因素之间的相关系数,通过线性回归方法建立相应的回归方程,以进一步分析各因素对力学响应的定量影响。

1)基层厚度对沥青层底最大拉应变的影响。 通过实验数据分析,沥青层底最大拉应变与基层厚度

(Hb )的关系可以表示为:

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其中,a 和 b 是回归系数,通过数据拟合获得。 试验数据拟合得到 a = 0. 002,b = 0. 1,计算结果见表 1。基层厚度与沥青层底最大拉应变呈显著负相关,相关系数为 - 0. 89,表明随着基层厚度的增加沥青层底最大拉应变显著减小。

2) ECC 层厚度对沥青层底最大拉应变的影响。根据式(1)沥青层底最大拉应变与 ECC 层厚度的关系可以表示为:

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试验数据拟合得到 c = 0. 003,d = 0. 2,计算结果见表 2。

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ECC 层厚度与沥青层底最大拉应变也呈显著负相关,相关系数为 - 0. 85,表明随着 ECC 层厚度的增加沥青层底最大拉应变显著减小。

3) 基层厚度对 ECC 层底最大拉应力的影响。ECC 层底最大拉应力与基层厚度(Hb )的关系可以表示为:

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试验数据拟合得到 = 0. 5,f = 0. 05,计算结果见表 3。

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基层厚度与 ECC 层底最大拉应力呈负相关,相关系数为 - 0. 80,表明随着基层厚度的增加,ECC 层底最大拉应力显著减小。


4 结论

研究沥青混凝土(AC)与高延性混凝土(ECC)复合面层结构的长寿命沥青路面的力学响应,主要结论如下:①随着 ECC 层或基层厚度的增大,沥青路面层底最大拉应变、层间剪应力、ECC 层底最大拉应力、拉应变及基层层底最大拉应力均逐渐减小。 ②ECC 层的增厚可改善整体结构的应力分布和荷载承载能力,降低层底应力,厚度较大的 ECC 下面层提高了整个路面结构的刚性,减少了由于交通载荷引起的面层变形,降低了路面车辙和开裂风险。 ③ECC 层和半刚性基层都具有承载和扩散应力的作用,复合面层长寿命路面设计应综合考虑 ECC 层厚和半刚性基层层厚的关系,在满足路面承载能力的前提下可减薄层厚降低工程造价。 ④合理增加基层厚度和 ECC 层厚度能显著改善复合面层长寿命路面的力学性能,延长路面的使用寿命。 实际应用中,应根据具体的工程需求和成本效益分析,合理选择基层和 ECC 层的厚度组合,实现最佳的结构性能和经济效益。


参考文献 :

[1] 王旭东,肖情. 长寿命路面技术发展与实践[J]. 科学通报,2020,65

(30):3217 - 3218.

[2] 周兴业. 基于足尺环道试验的沥青路面结构响应及其非线性分析[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2019.

[3] 王林,王晓燕. 山东在长寿命路面技术方面的探索[ J]. 中国公路,2020(14):33 - 35.

[4] 王旭东,周兴业. 基于材料非线性的沥青路面结构当量力学分析方法[J]. 中国公路学报,2019,32(08):25 - 34.

[5] 曾鹏. 水泥混凝土路面快硬 ECC 薄层罩面材料及结构性能研究[D]. 重庆:重庆交通大学,2019.

原创作者:吴 瑶,苏交科集团股份有限公司,南京 211112。


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