泡沫瀝青再生混合料力學(xué)特性研究

泡沫瀝青再生混合料力學(xué)特性研究

泡沫瀝青可再生土壤使現(xiàn)有土壤結(jié)構(gòu)成為靈活的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。因此，整個路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力適應(yīng)屬性不同于傳統(tǒng)的半剛性路面。泡沫瀝青可再生土壤的什么樣結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)組合的特點以及國內(nèi)外研究較少。此外，道路結(jié)構(gòu)的破壞與結(jié)構(gòu)的應(yīng)力適應(yīng)狀態(tài)密切相關(guān)。因此，對泡沫瀝青回收率結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、適應(yīng)性和反應(yīng)進行了分析，了解了道路可能發(fā)生的各種破壞，并指導(dǎo)了泡沫瀝青回收率基地的結(jié)構(gòu)設(shè)計。在本文中，我們使用有限分析法比較了不同路面結(jié)構(gòu)泡沫青混合材料的力學(xué)特性，并分析了不同路面結(jié)構(gòu)下泡沫青柳的不同健康過程中的應(yīng)力、適應(yīng)性和反應(yīng)特征。1元模型的構(gòu)建1.1輪胎織物的簡化采用胡小弟博士實測輪胎壓力進行計算,工況為600kPa常胎壓及2500kg標(biāo)準(zhǔn)軸載.輪胎花紋有縱向和橫向2種,本文采用11.00-20縱向花紋輪胎,實測輪胎接地面的形狀較復(fù)雜,為了方便有限元計算模型的建立,胡小弟博士對其進行了簡化.1.2邊界條件和材料依據(jù)垂直應(yīng)力及接地尺寸的特性,分析采用x,y,z向各為2.5,2.5,4.0m的實體模型.邊界條件假設(shè)為:底面完全固定,前面兩側(cè)面沒有x方向位移,左右兩側(cè)面沒有y向位移.層間完全連續(xù),路基采用彈性半空間地基模型.依據(jù)彈性層狀體系理論,使用ANSYS有限元分析程序計算.路面各層材料為各向同性,均質(zhì)連續(xù),且為線彈性體,使用彈性模量E和泊松比μ表征,不考慮材料的粘彈性性質(zhì).1.3有限面積分布為了保證計算良好的精度,一般采用精度較高的六面體八結(jié)點等參單元.在ANSYS程序中為solid45單元.有限元模型如圖1所示.2道路結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)力適應(yīng)性的影響2.1基面回彈彎沉測試采用國內(nèi)工程中典型的4層結(jié)構(gòu)體系.結(jié)構(gòu)組成及各層計算參數(shù)見表1,固定其他參數(shù)不變,變化原路面當(dāng)量回彈模量E0.表2給出了浙江省有關(guān)工程實例中,泡沫瀝青冷再生層下承層頂面回彈彎沉的調(diào)查結(jié)果.這些回彈彎沉是路況調(diào)查時,通過開挖探坑(開挖深度至泡沫瀝青再生層底),然后進行承載板測試,每個承載面測試2～3次,以平均值作為該承載面的回彈彎沉代表值獲得的.根據(jù)以上調(diào)查結(jié)果,可以看出由于泡沫瀝青冷再生層下承層原路面當(dāng)量回彈模量在50～450MPa,依此E0分別取450,350,250,150,50MPa,分析其對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能指標(biāo)的影響.計算結(jié)果見圖2a.由圖2a可以看出,當(dāng)E0>150MPa時,基層、面層內(nèi)最大剪應(yīng)力(τmax)隨E0增大而變化很小.但若E0減小至50MPa時,基層和面層內(nèi)剪應(yīng)力大大增加.由此說明,原路面剩余強度過低,采用泡沫瀝青再生基層的路面越容易產(chǎn)生剪切破壞.由圖2b,c看出,基層層底最大拉應(yīng)力(σmax)和最大拉應(yīng)變(εmax)隨著E0的增大而減小,且影響顯著;而面層層底σmax和層底εmax受E0影響不大.由圖2d得出,E0增加,路表彎沉l0減小,路基頂面最大壓應(yīng)變ε也明顯減小.由此得出,由承載板測得的E0越大,改建后路面的力學(xué)性能越好.因此,采用泡沫瀝青再生路面,原路面當(dāng)量回彈模量決定著改建后路面的路用性能.2.2基層模量e的影響采用泡沫瀝青再生混合料作為路面基層材料,因泡沫瀝青在發(fā)泡和拌和過程中加入一定量的水,其模量會隨著時間的延長而增大.路面修筑期間,其模量一般在700MPa左右,當(dāng)路面修筑完一段時期,泡沫瀝青再生基層模量(E3)增大,可達到1GPa左右.隨著時間的延長,泡沫瀝青混合料進一步壓密、瀝青老化,該混合料模量將會進一步提高.因此,有必要研究再生基層模量變化對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的影響.采用表1所示的4層結(jié)構(gòu)體系,設(shè)E0為250MPa,固定其他參數(shù)不變,設(shè)E3分別為0.5,0.7,1.0,1.5,2.0,2.5,6.0GPa.計算結(jié)果見圖3.由圖3a看出,當(dāng)基層模量E3由0.5GPa增加到2.5GPa時,面層內(nèi)τmax減小,而基層內(nèi)τmax增大,尤其當(dāng)E3達到2.5GPa時,基層與面層內(nèi)的τmax幾乎相同.可見,隨著時間的不斷延續(xù),泡沫瀝青再生基層產(chǎn)生剪切破壞或剪切疲勞的可能性增大.由圖3b,c可以看出,隨著E3的增大,面層層底拉應(yīng)力迅速減小,而基層層底最大拉應(yīng)力迅速增加,在E3較小時,面層層底拉應(yīng)力大于基層層底拉應(yīng)力,當(dāng)E3達到0.68GPa時,結(jié)果相反;面層和基層層底的彎拉應(yīng)變則隨著E3的增大均減小,不過面層層底的拉應(yīng)變對E3的敏感程度比基層層底的拉應(yīng)變的敏感程度大.由此可見,隨著時間的延長,泡沫瀝青再生基層模量增加,此時基層層底更易發(fā)生疲勞開裂.由圖3d得出,路表彎沉和路基頂面壓應(yīng)變都隨著E3的增大而明顯減小.由此得出:基層模量過大,基層層底的彎拉應(yīng)力迅速增加,基層層底易開裂;而基層模量過小,面層內(nèi)剪應(yīng)力增大,易產(chǎn)生剪切破壞,且層底易產(chǎn)生彎拉疲勞,路表彎沉及路基頂面壓應(yīng)變增大,路面產(chǎn)生車轍.因此泡沫瀝青再生基層路面鋪筑完后,多養(yǎng)生幾天再通車,對整個路面的使用壽命是有利的.2.3基層厚度對泡沫瀝青再生基層路面應(yīng)力的影響采用表1所示的4層結(jié)構(gòu)體系,設(shè)原路面當(dāng)量回彈模量為250MPa,固定其他參數(shù)不變,基層厚度(h3)取10,15,20,25,30cm,分析其對路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能指標(biāo)的影響.計算結(jié)果見圖4.從以上計算結(jié)果圖可以看出,基層厚度h3增加,面層和基層內(nèi)τmax都將減小,但減小幅度不大.h3增加,基層、面層層底拉應(yīng)力明顯下降,同時基層和面層層底拉應(yīng)變也會減小,但面層層底拉應(yīng)變變化幅度遠小于基層層底的拉應(yīng)力的變化幅度.此外,由圖4d看出,基層厚度增加,路表彎沉和路基頂面最大壓應(yīng)變迅速降低,且降低的幅度相似.由以上分析得出,基層厚度不能低于15cm,否則路表彎沉、路基頂面壓應(yīng)變、基層層底拉應(yīng)變、層底拉應(yīng)力都將達到較大值,路用性能大大降低.在經(jīng)濟條件允許下,基層厚度越厚,泡沫瀝青再生基層路面使用壽命越長.2.4抗彎拉性能分析在上文分析基礎(chǔ)上,結(jié)合工程實踐,擬定以下7種結(jié)構(gòu)組成,分析泡沫瀝青再生基層在不同路面結(jié)構(gòu)組合下的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性.各結(jié)構(gòu)組成情況如表3所示.各結(jié)構(gòu)層應(yīng)力應(yīng)變見圖5.由圖5比較結(jié)構(gòu)D-1和D-2的應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng),結(jié)果表明,在結(jié)構(gòu)D-1基礎(chǔ)上,將面層減少5cm,基層增加5cm,總厚度不變,導(dǎo)致路表彎沉和路基頂面壓應(yīng)變增加,面層和基層內(nèi)剪應(yīng)力也有所增加,但面層層底拉應(yīng)力和拉應(yīng)變將減小.由此得出,適當(dāng)增加泡沫瀝青冷再生基層厚度,減少面層厚度,能增強面層層底的抗彎拉性能,但基層τmax及σmax有所增加.比較結(jié)構(gòu)D-2—D-4的應(yīng)力應(yīng)變值得出,面層厚度增加,基層、面層內(nèi)τmax明顯降減;面層層底拉應(yīng)力、拉應(yīng)變增加,而基層層底拉應(yīng)力、拉應(yīng)變減少.路表彎沉和路基頂面壓應(yīng)變減小.由此可見,面層厚度越厚,路表彎沉、基層抗疲勞性能及路面抗車轍性能明顯增強,但過厚的面層將增強面層層底發(fā)生開裂的可能性.由圖5比較D-1,D-5,D-6,D-7四種結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為,得出:①將泡沫瀝青再生混合料作為下基層,其上鋪設(shè)15cm水泥穩(wěn)定碎石,即結(jié)構(gòu)D-5,相對于結(jié)構(gòu)D-1,該結(jié)構(gòu)面層層底拉應(yīng)力、拉應(yīng)變明顯減小,面層剪應(yīng)力減小,路表彎沉和路基頂面最大壓應(yīng)變明顯減小;②在泡沫瀝青再生基層下再鋪設(shè)15cm水泥穩(wěn)定碎石作為下基層(即結(jié)構(gòu)D-6),同樣相對于D-1,該結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力、面層層底拉應(yīng)力、拉應(yīng)變沒有明顯改善,但再生基層層底拉應(yīng)力、拉應(yīng)變大大減小,路基頂面壓應(yīng)變明顯減小;③結(jié)構(gòu)D-7(即柔性上基層+柔性下基層)基面層層底拉應(yīng)力較D-1的大,而其他指標(biāo)沒什么變化,可見在D-1基礎(chǔ)上增加15cm級配碎石底基層意義不大.由此得出,在經(jīng)濟條件允許下,在超載、重載車較多的情況下,采用結(jié)構(gòu)D-5和D-6兩種復(fù)合基層對延長路面壽命都是有利的.3泡沫瀝青再生基層的優(yōu)點(1)原路面當(dāng)量回彈模量越大,改建后路面的路用性能越好.(2)隨著時間的延長,泡沫瀝青再生基層模量增加,基層內(nèi)易產(chǎn)生剪切疲勞.而基層模量過小,面層層底易產(chǎn)生彎拉疲勞,路面易產(chǎn)生車轍.因此,泡沫瀝青再生基層路面鋪筑完后,多養(yǎng)生幾天再通車,對整個路面的使用壽命是有利的.(3)