泡沫瀝青再生混合料力學特性研究

泡沫瀝青再生混合料力學特性研究

泡沫瀝青可再生土壤使現(xiàn)有土壤結構成為靈活的基礎結構。因此，整個路面結構的應力適應屬性不同于傳統(tǒng)的半剛性路面。泡沫瀝青可再生土壤的什么樣結構、結構組合的特點以及國內外研究較少。此外，道路結構的破壞與結構的應力適應狀態(tài)密切相關。因此，對泡沫瀝青回收率結構的應力、適應性和反應進行了分析，了解了道路可能發(fā)生的各種破壞，并指導了泡沫瀝青回收率基地的結構設計。在本文中，我們使用有限分析法比較了不同路面結構泡沫青混合材料的力學特性，并分析了不同路面結構下泡沫青柳的不同健康過程中的應力、適應性和反應特征。1元模型的構建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標準軸載.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.邊界條件假設為:底面完全固定,前面兩側面沒有x方向位移,左右兩側面沒有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.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道路結構參數(shù)對應力適應性的影響2.1基面回彈彎沉測試采用國內工程中典型的4層結構體系.結構組成及各層計算參數(shù)見表1,固定其他參數(shù)不變,變化原路面當量回彈模量E0.表2給出了浙江省有關工程實例中,泡沫瀝青冷再生層下承層頂面回彈彎沉的調查結果.這些回彈彎沉是路況調查時,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)以上調查結果,可以看出由于泡沫瀝青冷再生層下承層原路面當量回彈模量在50～450MPa,依此E0分別取450,350,250,150,50MPa,分析其對路面結構力學性能指標的影響.計算結果見圖2a.由圖2a可以看出,當E0>150MPa時,基層、面層內最大剪應力(τmax)隨E0增大而變化很小.但若E0減小至50MPa時,基層和面層內剪應力大大增加.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生剪切破壞.由圖2b,c看出,基層層底最大拉應力(σmax)和最大拉應變(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,改建后路面的力學性能越好.因此,采用泡沫瀝青再生路面,原路面當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構內部應力應變的影響.采用表1所示的4層結構體系,設E0為250MPa,固定其他參數(shù)不變,設E3分別為0.5,0.7,1.0,1.5,2.0,2.5,6.0GPa.計算結果見圖3.由圖3a看出,當基層模量E3由0.5GPa增加到2.5GPa時,面層內τmax減小,而基層內τmax增大,尤其當E3達到2.5GPa時,基層與面層內的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,面層層底拉應力迅速減小,而基層層底最大拉應力迅速增加,在E3較小時,面層層底拉應力大于基層層底拉應力,當E3達到0.68GPa時,結果相反;面層和基層層底的彎拉應變則隨著E3的增大均減小,不過面層層底的拉應變對E3的敏感程度比基層層底的拉應變的敏感程度大.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,基層層底的彎拉應力迅速增加,基層層底易開裂;而基層模量過小,面層內剪應力增大,易產生剪切破壞,且層底易產生彎拉疲勞,路表彎沉及路基頂面壓應變增大,路面產生車轍.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力的影響采用表1所示的4層結構體系,設原路面當量回彈模量為250MPa,固定其他參數(shù)不變,基層厚度(h3)取10,15,20,25,30cm,分析其對路面結構力學性能指標的影響.計算結果見圖4.從以上計算結果圖可以看出,基層厚度h3增加,面層和基層內τmax都將減小,但減小幅度不大.h3增加,基層、面層層底拉應力明顯下降,同時基層和面層層底拉應變也會減小,但面層層底拉應變變化幅度遠小于基層層底的拉應力的變化幅度.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、路基頂面壓應變、基層層底拉應變、層底拉應力都將達到較大值,路用性能大大降低.在經濟條件允許下,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上,結合工程實踐,擬定以下7種結構組成,分析泡沫瀝青再生基層在不同路面結構組合下的結構力學特性.各結構組成情況如表3所示.各結構層應力應變見圖5.由圖5比較結構D-1和D-2的應力應變響應,結果表明,在結構D-1基礎上,將面層減少5cm,基層增加5cm,總厚度不變,導致路表彎沉和路基頂面壓應變增加,面層和基層內剪應力也有所增加,但面層層底拉應力和拉應變將減小.由此得出,適當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.比較結構D-2—D-4的應力應變值得出,面層厚度增加,基層、面層內τmax明顯降減;面層層底拉應力、拉應變增加,而基層層底拉應力、拉應變減少.路表彎沉和路基頂面壓應變減小.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-7四種結構的力學行為,得出:①將泡沫瀝青再生混合料作為下基層,其上鋪設15cm水泥穩(wěn)定碎石,即結構D-5,相對于結構D-1,該結構面層層底拉應力、拉應變明顯減小,面層剪應力減小,路表彎沉和路基頂面最大壓應變明顯減小;②在泡沫瀝青再生基層下再鋪設15cm水泥穩(wěn)定碎石作為下基層(即結構D-6),同樣相對于D-1,該結構剪應力、面層層底拉應力、拉應變沒有明顯改善,但再生基層層底拉應力、拉應變大大減小,路基頂面壓應變明顯減小;③結構D-7(即柔性上基層+柔性下基層)基面層層底拉應力較D-1的大,而其他指標沒什么變化,可見在D-1基礎上增加15cm級配碎石底基層意義不大.由此得出,在經濟條件允許下,在超載、重載車較多的情況下,采用結構D-5和D-6兩種復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,基層內易產生剪切疲勞.而基層模量過小,面層層底易產生彎拉疲勞,路面易產生車轍.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)