橡膠瀝青透水應力吸收層在路面結構中的應力分析

1、<p>　　橡膠瀝青透水應力吸收層在路面結構中的應力分析</p><p>　　摘要：本文利用ABAQUS有限元軟件，計算和分析在有橡膠瀝青透水應力吸收層和無橡膠瀝青透水應力吸收層的情況下，半剛性基層和柔性基層路面結構的應力應變規(guī)律，提供合理的瀝青路面結構組合和設計參數(shù)，以供參考。 </p><p>　　關鍵詞：有限元；橡膠瀝青；透水應力吸收層；應力應變；瀝青路面 </p&g

2、t;<p>　　中圖分類號：U416.217 文獻標識碼：A 文章編號： </p><p><b>　　0 引言 </b></p><p>　　本文以有、無橡膠瀝青透水應力吸收層的半剛性和柔性基層路面結構為研究對象，通過力學計算，分析得出瀝青路面的應力應變規(guī)律，為道路工程實踐提供相應的技術指標和參考。 </p><p>　　1 關

3、于橡膠瀝青透水應力吸收層 </p><p><b>　　1.1概述 </b></p><p>　　將廢舊輪胎加工成為橡膠粉是其變廢為寶，循環(huán)利用的有效途徑，而橡膠粉主要由天然橡膠、合成橡膠、碳黑、硫和硫磺等成分組成，這每一種成分都是瀝青的優(yōu)良改性劑。將橡膠粉摻入瀝青中可看做是一種復合改性作用，它能夠改善瀝青的高低溫性能、抵抗瀝青老化、延長路面的使用壽命、延緩甚至消除反

4、射裂縫、減薄路面、降低行車噪音等。可見，橡膠瀝青是一種節(jié)能環(huán)保、性能優(yōu)越的改性瀝青。 </p><p>　　橡膠瀝青透水應力吸收層是作為一種粘性材料而鋪設在路面結構基層和瀝青罩面之間的低模量中間層。它能夠?qū)⑺肿杂膳懦访娼Y構而防止路面結構產(chǎn)生水損害，其良好的應力吸收能力又能夠高效的延緩和抑制反射裂縫的形成與傳播。第十八屆世界道路會議已提出，除了增加瀝青面層的厚度外，許多國家都采用了在路面結構中增設一層由各種材料

5、組成的抗裂層的方法以延緩道路表面產(chǎn)生反射裂縫。橡膠瀝青透水應力吸收層則成為了這個“抗裂層”家族中最為出色的一員。[1][2] </p><p>　　1.2橡膠瀝青透水應力吸收層作為路用材料的優(yōu)點 </p><p>　　高溫穩(wěn)定性。橡膠瀝青可以顯著增加瀝青的粘度，提高其抗高溫產(chǎn)生的車轍和變形能力。黃文元教授研究指出，在ARLC摻入橡膠瀝青后，其60℃旋轉(zhuǎn)粘度提高了10多倍，軟化點也提高了16

6、℃，針入度降低20（0.1mm）。[3] </p><p>　　抗水損壞。在基層與面層之間插入10cm厚橡膠瀝青透水應力吸收層，路面會形成一層瀝青薄膜，這層瀝青薄膜能夠防止雨水下滲；在鋪筑瀝青混合料時，橡膠瀝青透水應力吸收層頂部瀝青會再次融化并隨之充分填充面層底部的裂縫，排除層間存水，起到保護路基的作用。[4] </p><p>　　抗裂性能。由于瀝青路面在低溫狀態(tài)下變形能力很差，故低溫條

7、件下最易產(chǎn)生裂縫。橡膠瀝青透水應力吸收層具有低勁度和較大抗變形能力的特點，它將面層與基層聯(lián)合成一個整體，同時能將裂縫處基層位移引起的應變消散在自身范圍內(nèi)，緩解應力集中現(xiàn)象，也使得在行車荷載和其他因素的反復作用下不至產(chǎn)生疲勞開裂。[5] </p><p>　　粘結性能。橡膠瀝青具有超強的粘結性，穩(wěn)固粘結基層與面層增強了路面結構的穩(wěn)定性，確保了道路高質(zhì)量服務的同時也很好地延長的道路的使用壽命。 </p>

8、<p>　　橡膠瀝青作為一種綠色環(huán)保的路用材料，日益彰顯著它在研究和運用價值方面的巨大優(yōu)勢，它的推廣和利用定會在我國道路建設和養(yǎng)護中以低成本、高收益而倍受青睞。 </p><p>　　2 材料參數(shù)的確定 </p><p>　　依照《城市道路路面設計規(guī)范》CJJ169-2012，本文選取在20℃下瀝青面層和橡膠瀝青透水應力吸收層（以下簡稱“夾層”）的彈性模量、泊松比分析半剛性基層

9、和柔性基層路面結構在有無夾層情況下的應力應變規(guī)律。 </p><p>　　路面結構參數(shù)見表1、表2、表3和表4。 </p><p>　　表1 無夾層半剛性基層路面結構參數(shù) </p><p>　　表2 有夾層半剛性基層路面結構參數(shù) </p><p>　　表3 無夾層柔性基層路面結構參數(shù) </p><p>　　表4 有夾層

10、柔性路面結構參數(shù) </p><p>　　3 建立有限元分析模型 </p><p>　　本文采用ABAQUS有限元軟件建立瀝青路面道路結構模型，道路結構簡化為瀝青面層、基層、底基層和土基四個部分。 </p><p>　　3.1基本假定[6] </p><p>　　根據(jù)我國現(xiàn)行瀝青路面設計規(guī)范，假定彈性層狀路面結構體系： </p>

11、<p>　?。?）各結構層都是連續(xù)、均勻各向同性的彈性體。 </p><p>　　（2）路面結構層之間緊密聯(lián)系，位移完全連續(xù)。 </p><p>　　（3）裂縫間不傳遞荷載。 </p><p>　?。?）不計路面結構自重。 </p><p>　　3.2有限元模型建立[7] </p><p>　　假設路面結構在

12、標準軸載（BZZ-100）作用下，輪胎內(nèi)壓為0.7Mpa，單個輪壓作用范圍18.6cm×18.6cm，接觸面積為349.96cm2，雙輪等效間距為12.8cm。其中X為深度方向，Y為路面橫斷面方向，Z為行車方向。坐標原點在雙輪輪隙中心。具體荷載位置如圖1所示。 </p><p>　　圖1 荷載作用位置圖 </p><p>　　有限元模型采用等參八節(jié)點C3D8R單元，模型長寬高均為

13、3m，網(wǎng)格最小為0.06m。路面結構有限元模型如圖2所示。 </p><p>　　圖2 瀝青路面結構有限元計算模型 </p><p><b>　　4 計算結果分析 </b></p><p>　　4.1路表彎沉分析 </p><p>　　路表彎沉是評價路面整體結構承載能力和使用狀況的重要技術指標。本文利用有限元分析軟件，模

14、擬分析了半剛性基層和柔性基層路面結構以及二者在有夾層和無夾層的情況下路表彎沉的變化規(guī)律。結構如圖3所示。 </p><p>　　圖3 路表彎沉分布圖 </p><p><b>　　由圖3分析可知： </b></p><p>　?。?）半剛性基層和柔性基層以及二者在有、無夾層的情況下彎沉變化趨勢相 同，最大彎沉值都發(fā)生在輪隙作用間區(qū)。 </

15、p><p>　　(2)在輪隙作用間區(qū)，柔性基層（有、無夾層）路表彎沉值大于半剛性基層（有、無夾層）路表彎沉值。 </p><p>　　(3)在輪隙作用間區(qū)，同類型基層，有夾層的路表彎沉值大于無夾層路表彎沉。 </p><p>　　由此可見，在同類型基層的路面結構下，通過設置應力吸收層并依靠其自身良好應變能夠消散面層底面的應力集中現(xiàn)象從而有效防止和延緩了反射裂縫的形成與發(fā)

16、展。 </p><p>　　4.2面層層底應力特征 </p><p>　　瀝青路面面層層底應力與面層裂縫形成與發(fā)展密不可分，分析其應力應變規(guī)律能幫助我們更好地防止裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展，同時能更好地為工程實踐服務。下圖4所示為半剛性基層（有、無夾層）和柔性基層（有、無夾層）路面結構面層層底應力圖。 </p><p>　　圖4 面層層底應力 </p><

17、p>　　由圖4可得出以下結論： </p><p>　　(1)在標準荷載作用下，半剛性基層和柔性基路面結構面層層底應力變化趨勢相同；有夾層半剛性基層和有夾層柔性基層路面結構面層層底應力變化趨勢相同。 </p><p>　　(2)在標準荷載作用下，對于半剛性基層和柔性基層路面結構，在輪隙區(qū)間有夾層路面結構面層層底的拉應力迅速削減，擴散成為壓應力?？梢娫O置應力吸收層消散了面層層底拉應力。

18、</p><p>　　4.3夾層層底應力特征 </p><p>　　橡膠瀝青具有超強的粘結性，穩(wěn)固粘結基層與面層從而增強了路面結構的穩(wěn)定性?；鶎幼鳛槁访娼Y構的主要承重層，須具備足夠的強度和剛度以及良好的應力擴散能力。以下通過圖5、圖6、圖7所示的結構進行整體對比，分析半剛性基層（有、無夾層）和柔性基層（有、無夾層）路面結構夾層層底應力、上、下底基層層底應力。 </p><

19、;p><b>　　圖5夾層層底應力 </b></p><p>　　圖6 上基層層底應力 </p><p>　　圖7 下基層層底應力 </p><p>　　由圖5、圖6和圖7共同比較可得出以下結論： </p><p>　　(1)柔性基層路面的輪隙作用區(qū)間內(nèi)，有夾層路面結構夾層底部拉應力遠小于無夾層路面上基層層底的拉應

20、力。 </p><p>　　(2)柔性基層的夾層層底拉應力小于半剛性基層的夾層層底拉應力，故柔性基層能更好的吸收應力。 </p><p>　　(3)有夾層半剛性基層上、下基層層底拉應力小于無夾層半剛性基層上、下基層層底拉應力。 </p><p>　　4.4瀝青面層最大剪應力 </p><p>　　面層是剪應力的主要集中區(qū)域，而基層的剪應力相對

21、較小。以下是對半剛性基層（有夾層和無夾層）結構路面和柔性基層（有夾層和無夾層）結構路面的最大剪應力分析。 </p><p>　　圖8 面層層底最大剪應力 </p><p><b>　　由圖8可知： </b></p><p>　　(1)有夾層路面結構面層層底最大剪應力比無夾層路面結構面層層底最大剪應力小，故夾層能夠有效吸收面層層底剪應力。 <

22、;/p><p>　　(2)在半剛性基層路面結構中設置夾層對面層層底剪應力的吸收效果更為明顯，故能更好的抑制裂縫的形成。 </p><p><b>　　5結論 </b></p><p>　　通過前文的對比分析，得出了在設置有橡膠瀝青透水應力吸收層與無此吸收層情況下半剛性基層路面結構和柔性基層路面結構的應力應變規(guī)律，總結如下： </p>

23、<p>　　(1) 在路面結構中設置橡膠瀝青透水應力吸收層能增強路面結構的水密性，防止水分通過路面裂縫下滲到路基，有效防止了路面結構的水損害。 </p><p>　　(2) 路面面層是車輛荷載的直接承受載體，設置橡膠瀝青透水應力吸收層的路面結構能有效地消散部分拉應力從而避免結構層底面開裂而產(chǎn)生早期破壞。 </p><p>　　(3) 基層為主要承重層，隨路面結構深度的增加，壓應力

24、逐步轉(zhuǎn)變成為拉應力。設置了橡膠瀝青透水應力吸收層的路面結構有效吸收了部分拉應力，從而延緩了反射裂縫的形成與發(fā)展。 </p><p>　　(4) 面層層底剪應力是路面結構產(chǎn)生破壞的重要指標，在設置了橡膠瀝青透水應力吸收層的路面結構層中面層層底剪應力得到相當大的削弱，有效保護了路面結構。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p><p&

25、gt;　　[1]曹榮吉，白啟峰.橡膠瀝青應力吸收層在鹽通高速公路上的應用研究[J]. 公路交通科技（應用技術版），2006，（10）:120-122； </p><p>　　[2]李祖仲.應力吸收層瀝青混合料路用性能研究[D].西安，長安大學，2005; </p><p>　　[3]黃文元，姜勇杰.橡膠瀝青的技術特性及其在路面工程中的應用[C].中 國公路學會2005年學術年會論文集; &

26、lt;/p><p>　　[4]趙進 .橡膠瀝青混凝土在城市道路中的應用 [J].黑龍江交通科技 ，2009； </p><p>　　[5]趙文嬌 .高等級公路瀝青路面施工質(zhì)量控制技術研究[D].長安大學，2008； </p><p>　　[6]何兆益，雷婷..瀝青路面車轍變形的三維粘彈性動力有限元分析[J].重慶建筑大學學報，2008;30（6）:32-41； <