（土木工程专业论文）基于半刚性基层沥青路面温度场和温度应力数值模拟的研究.pdf

摘要 摘要 路面结构完全暴露在自然环境中，经受着持续变化的大气影响，如太阳辐射、 天空辐射及外界气温的影响。太阳辐射与天空辐射的一部分从路表面被反射，余 下的部分被吸收并转为热能。这部分热能与外界气温相叠加，因此蓄积了可观的 路表温度，产生热传导作用，使温度沿路面厚度向较低处传导。表面温度在一天 内不断变化，使路面结构内部产生了不稳定热流。 从力学上分析，由于路面结构内的不稳定热流，路面结构的每一部分都将随 着温度的升高或降低而趋于膨胀或收缩，但由于层状路面结构各部分的相互约束， 这种变形不能自由发生，于是就产生了温度应力，当温度应力超过路面结构材料 的抗拉强度时，沥青路面就开裂；从材料学上分析，半刚性基层沥青路面对温度 十分敏感，沥青混合料的强度、劲度以及温缩性能等都随着温度的变化而变化。 由于这种非线性关系，使得半刚性基层沥青路面温度场和温度应力的分析变得相 当复杂。道路使用的长期实践使人们逐渐认识到路面温度状况会对路面结构的强 度和使用效果带来很大影响。 为准确细致的研究淮南地区半刚性基层沥青路面开裂问题，首先应确定淮南 路面结构的温度场和温度应力，最直接的手段是广泛地进行路面实地观测，这种 实测工作必须对淮南范围内有代表性的地区进行。这项工作需要耗费大量的人力、 物力和时间。而且即便是全年进行这种实测，遇到极端温度的可能性也很小。 因此，本文首先搜集回顾了大量国内外相关文献和研究成果，尤其对沥青路 面温缩裂缝类早期破损的现象和机理识别进行了详细的研究和总结。根据路面结 构所处的地区和位置，借助已有的标准气象资料，在传热学和气象学的基本原理 上，利用a n s y s 有限元软件计算出道路结构实际温度场，进而计算沥青路面的 温度应力；其间将温度作为沥青路面的荷载，在一个或多个循环周期典型气候条 件下进行有限元数值分析，得到路面结构内应力的同变化规律和分布状态，为开 裂分析提供了可靠的基础数据：从建立更符合实际情况的理论体系和计算方法入 手，系统分析沥青路面的力学行为与各影响因素之间的定量关系，以期对沥青路 面使用寿命提供较准确的预测。该研究对提高沥青路面结构抗裂性能，适时采取 抗裂措施，改进现有的路面设计方法都有非常重要的意义。 图3 0表1 8参6 5 关键词：沥青路面；开裂破坏：温度场；温度应力；数值模拟 分类号：u4 1 6 2 1 7 ； 摘要 a b s t r a c t t h ep a v e m e n ts t r u c t u r ec o m p l e t e l ye x p o s e si nt h en a t u r a le n v i r o n m e n t i tb e a r s t h ei n f l u e n c eo fa t m o s p h e r e ，w h i c hc o n t i n u e sc h a n g i n g ，l i k es o l a rr a d i a t i o n ，s k y r a d i a t i o na n da m b i e n tt e m p e r a t u r e t h es o l a rr a d i a t i o na n dt h es k yr a d i a t i o na r e p a r t i a l l yr e f l e c t e df r o mt h er o a ds u r f a c e ；t h er e s ti sa b s o r b e da n dt r a n s f e r r e di n t oh e a t t h i sh e a ta n dt h ea m b i e n tt e m p e r a t u r es u p e r i m p o s ea n da c c u m u l a t el a r g ea m o u n to n r o a ds u r f a c e ，w h i c hl e a d st oh e a tc o n d u c t i o ne f f e c tt h a tm a k e st h eh e a ts p r e a df r o m l l i g ht e m p e r a t u r et ol o wa l o n gt h et h i c k n e s s t h es u r f a c et e m p e r a t u r ek e e p sc h a n g i n g i nt h ed a y ，w h i c hc a u s e si n s t a b l eh e a tc u r r e n ti ni n n e rr o a ds u r f a c e f r o mm e c h a n i c sa n a l y z i n g ，b e c a u s eo ft h ei n s t a b l eh e a tc u r r e n ti n s i d et h e p a v e m e n t ，e a c hp a r to ft h ep a v e m e n tw i l le x p a n do rc o n t r a c tw i t ht h et e m p e r a t u r e g e t t i n gh i g ho rl o w b u tb e c a u s eo fr e c i p r o c a lb o n do fe a c hp a r to ft h el a y e r e d p a v e m e n t ，t h i sd e f o r m a t i o nc a nn o tp r o c e e df r e e l y ，s o ，t h eh e a ts t r e s sa p p e a r s ，w h e ni t e x c e e dt h et e n s i l es t r e n g t ho ft h em a t e r i a l su s e di nt h er o a ds u r f a c e ，t h ea s p h a l t p a v e m e n tw i l lc r a c k f r o mt h ea n a l y s i so f m a t e r i a ls c i e n c e ，t h eb a s i cs e m ir i g i da s p h a l t p a v e m e n ti s s e n s i t i v et ot e m p e r a t u r e ，a n dt h es t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n dt e m p e r a t u r e c o n t r a c t i o nc a p a c i t yo f t h ea s p h a l tm i x t u r ew i l lc h a n g ew i t hd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e d u e t ot h i sn o n l i n e a rr e l a t i o n s h i p ，t h ea n a l y s i so ft e m p e r a t u r ef i e l da n dt e m p e r a t u r es t r e s s o ft h eb a s i cs e m ir i g i da s p h a l tp a v e m e n tg e t sr a t h e rc o m p l e x t h ee x p e r i e n c eo fl o n g t i m er o a du s i n gm a k ep e o p l eg r a d u a l l yr e a l i z et h a tt h et e m p e r a t u r es t a t eo ft h er o a d w i l lg r e a t l ya f f e c tt h es t r e n g t ha n du s i n ge f f e c to ft h ep a v e m e n t i no r d e rt os t u d yt h ec r a c kp r o b l e m so ft h eb a s i cs e m ir i g i da s p h a l tp a v e m e n ti n h u a i n a nd i s t r i c ta c c u r a t e l ya n di nd e t a i l ，t h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt e m p e r a t u r es t r e s s o ft h ep a v e m e n ti nt h i s d i s t r i c ts h o u l db ef i r s t l yd e t e r m i n e d ，a n dt h em o s td i r e c t m e t h o di st oc o n d u c tp r a c t i c a lo b s e r v a t i o ni nr e p r e s e n t a t i v ea r e a s t h i st a s kw i l lc o s t l a r g ea m o u n to fm a np o w e r ，t i m ea n do t h e rt h i n g s ，b u tt h ep o s s i b i l i t yo fm e e t i n gt h e e x t r e m et e m p e r a t u r ei sl o wa l t h o u g ht h ep r a c t i c a lo b s e r v a t i o ni sc o n d u c t e da l ly e a r a r o u n d t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l e c o l l e c t m a n yr e l a t i n gd o c u m e n t a t i o n s a n dr e s e a r c h a c h i e v e m e n t sd o m e s t i c a l l ya n da b r o a d ，a n ds t u d ya n dc o n c l u d et h ei d e n t i f i c a t i o no f p h e n o m e n o na n dm e c h a n i c so ft h ee a r l ys t a g ef a i l u r eo ft h et e m p e r a t u r ec o n t r a c t i o n i i 摘要 c r a c ko fa s p h a l tp a v e m e n t a c c o r d i n gt ot h ea r e aa n dp o s i t i o nt h ep a v e m e n te x i s t s ，a n d w i t ht h eh e l po fs t a n d a r dm e t e o r o l o g i c a ld a t a ，t h et e m p e r a t u r es t r e s si sc a l c u l a t e di n u s eo fa n s y so nt h eb a s i cp r i n c i p l e so fh e a tt r a n s m i s s i o na n dm e t e o r o l o g y d u r i n g t h a tc o u r s e ，t h et e m p e r a t u r ei sa n a l y z e db yn u m e r i c a lm o d e l i n gi no n eo rm o r ec y c l e p e r i o d i c a lt i m eo f t h et y p i c a lc l i m a t ea st h el o a do f t h ea s p h a l tp a v e m e n t ，a n dt h ed a i l y c h a n g i n gr a t ea n dt h ed i s t r i b u t i o no ft h ep a v e m e n ta l eg a i n e dw h i c ho f f e rr e l i a b l eb a s i c d a t at ot h ec r a c ka n a l y s i s b e g i n n i n gw i t hb u i l d i n gm u c hm o r ep r a c t i c a lt h e o r ys y s t e m a n dc o m p u t a t i o nm e t h o d ，t h ea n a l y s i so ft h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e m e c h a n i cb e h a v i o r so ft h ea s p h a l ta n de a c hi n f l u e n c i n gf a c t o ri sc o n d u c t e di no r d e rt o o f f e rm o r ea c c u r a t ep r e d i c t i o nt ot h eu s i n gl i f eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n t t oi m p r o v e t h ec r a c k r e s i s t c a p a c i t yo ft h ea s p h a l tp a v e m e n t ，t a k ei m m e d i a t em e a s u r e s ，a n d i m p r o v et h ee x i s t e dp a v e m e n td e s i g n s ，t h i sr e s e a r c hi so f g r e a ts i g n i f i c a n c e f i g u r e3 0t a b l e18r e f e r e n c e s6 5 k e y w o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t s ，c r a c kd e s t r u c t i o n ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，t e m p e r a t u r es t r e s s ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n c h i n e s eb o o k sc a t a l o g ：u4 1 6 2 1 7 1 1 1 作者简介及读研期间主要科研成果 主要符号与说明 五材料的导热系数 口导温系数 c 。比热 p 材料的密度( 容重) b 年平均热交换系数( w m 2 o c ) 7 ：“日最高气温( ) z 产日最低气温( ) 口路表对太阳辐射的吸收率 c 0 波尔兹曼常数 毛大气的黑度 r ，疋路表和大气的温度( ) c ，有效辐射系数 d ，一年中路面因有效辐射而损失的热量系数 d ，一年中路面的蒸发耗热系数 z ：“月平均气温最高值( ) z 茅月平均气温最低值( ) e 材料的弹性模量 材料的泊松比 巳，盯，吒，f ，在点( x ，y ) 处各个方向的应力分量 q ，0 ，乞，y ，心在点( x ，y ) 处各个方向的应变分量 c 平均线胀缩系数，1 厶试件在起始温度下的长度( c m ) 工测定时温度的变化范围， r 韫度下降t 时的，试件长度的变化，( c m ) x 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞徽堡王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王诅i 垡日期：二：净j 月三珀 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞煎望至太堂有保留、使用学位论 文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位 属于塞微垄王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽 理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：硼；坞兰签字日期：冽年f 月j 日 导师签名：签字日期：年月 日 引言 引口 改革开放以来，我国的公路交通建设迅猛发展，修建了大量的高等级公路， 尤其是近年，铺筑了大量的高等级沥青路面。半刚性基层沥青路面具有强度高、 工程造价低、整体性和水稳性好、使用寿命长等一系列优点，被作为一种典型的 路面结构而在现代城市道路和高等级公路的建设中得到了广泛的应用。但是目前 所修建的半刚性基层沥青路面结构仍存在一些问题，例如：这种路面结构因温度 效应和荷载的重复作用容易产生横向收缩裂缝和反射裂缝，早期损伤相当严重， 即为其所存在的主要问题之一，有待进一步研究解决。 如何认识沥青路面开裂机理、阻止或延缓裂缝的发展，准确预测和延长沥青 路面使用寿命，更是世界性的难题。本文着重讨论温度应力的交变作用导致沥青 路面疲劳破坏这一主要因素，其中温度场是研究的基础。 本文以淮南地区两淮路作为原始模型，收集了2 0 0 6 年及近年来详细气象资 料，运用气象学和传热学知识计算基本参数，利用a n s y s 有限元软件先计算出 路面温度场，进而计算出路面应力，了解路面体真实的受力状态，与理论设计值 和实测值进行比较分析，最终通过路面材料的性能选料和应用，对路面开裂破坏 时间进行了预测，并提出若干防治措施。从而改善道路结构性能和使用性能，不 仅可以节约大量的维修和重建费用，避免资金浪费，减轻财政负担，还可以提高 行车的舒适性、经济性、畅通性。 安徽理工大学硕士论文 l 概述 1 1 课题的提出及研究意义 随着国民经济的不断发展和社会运输市场的日益繁荣，公路交通的大幅度增 长，汽车轴载明显剧增，公路运输事业正向大吨位、高速度方向发展，要求公路 建设向高等级、高标准方向发展。 半刚性基层材料以强度高、稳定性好、刚性大以及板体性好等优点满足了公 路经济与技术方面的要求。因此，具备优良的工程性能和显著的经济效益的“强 基薄面”的半刚性基层沥青路面在我国公路建设中得到广泛的应用，已成为高等 级路面的主要结构形式。然而半刚性材料由于脆性和对温度、湿度的敏感性，在 形成和使用过程中会因温度与湿度的变化产生温缩、干缩裂缝，当沥青面层较薄 时往往会扩展到面层形成反射裂缝。又由于沥青混合料是一种粘弹性材料，在寒 冷冬季或在温差较大的季节，变形能力降低，变得脆硬，在温度和荷载作用下易 产生初冻或初融裂缝、冻胀裂缝、低温收缩裂缝及温度疲劳裂缝等破坏现象，其 中以低温收缩裂缝更为普遍。 我国地处世界欧亚大陆板块的东部， 别是在北方地区，裂缝十分普遍和严重， 是季风气候最典型、最强烈的大陆，特 同时，沥青路面的开裂也是世界各国普 遍存在的问题。低温收缩裂缝通常起源于应力集中部位，然后逐渐扩展为贯通路 幅全宽的裂纹。随着使用年限的增长，横向收缩裂纹的数量也逐渐增加，加密到 一定程度后横向裂缝趋于稳定。愈来愈多的研究报告注意到裂缝的危害性，归纳 起来如下：一是裂缝的存在使车辆行驶质量下降，破坏了路面结构的整体性和连 续性，裂纹边缘的破坏直接影响到路面的平整度，并在一定程度上削弱了路面结 构强度；二是边角处的折断、边缘处的折断使碎裂和网裂不断发展；三是随着缝 宽的增大，水份易于渗入，随水分的进入，基层甚至路基软化，路面承载能力下 降，产生唧浆、台阶、网裂等病害，从而加速了路面的破坏、沉降。 路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的，影响裂缝轻重的主要因素有： 沥青和沥青混合料的性质、基层材料的性质、气候条件、交通量和车辆类型以及 施工因素等。但就沥青路面开裂的主要原因而论，可以分为两大类，即荷载型裂 缝和非荷载型裂缝。由于采用的半刚性基层有足够的强度，荷载型裂缝不是主要 的，而非荷载型裂缝引起了我国道路工作者的普遍关注，这些裂缝与沥青及沥青 混合料的抗裂性能密切相关。 2 1 概述 非荷载型裂缝引起的大部分为横向裂缝，主要是由于降温及温度循环反复作 用在沥青路面产生温度收缩裂缝以及由于半刚性基层收缩开裂产生的反射裂缝， 而且许多裂缝是多方面的因素共同作用而引起的。例如，沥青路面在太阳辐射和 大气对流热交换的共同作用下产生可观的路表温度，一天内不断变化的路表温度 通过热传导，沿路面厚度方向产生不稳定的热流，因此形成较大的温度梯度，而 沥青混合料对温度的变化极为敏感，强度受温度的影响很大，因此，在这种温度 梯度的作用下，沥青路面内部将产生分布不均匀并且局部较集中的温度应力。当 这种车辆和温度变化的复合荷载循环到低温季节的时候，虽然沥青混合料具有很 高的抗压强度，但是其抵抗变形的能力却显著降低。在周期性变化的温度场作用 下，沥青路面内部将产生较大的温度应力，再加上车辆荷载的反复作用，当基层 整体强度较低时，在面层底部将出现较大的弯拉应力，如果沥青路面内部已经存 在一些微观的缺陷或疲劳损伤累积，当应力超过材料的疲劳极限时，就会发生疲 劳开裂破坏。所以，行车荷载的无规律反复作用和温度应力的交变作用是导致沥 青路面疲劳破坏的两个主要因素，其中温度场是研究的基础。 综上所述，裂缝的存在具有普遍性，目前各国均尚未完全解决这一难题。我 国的公路建设正处于一个快速发展的阶段，就己开通的高等级公路的使用状况来 看，已经存在十分严重的早期破坏问题。这反映了我国在道路设计、施工等过程 中，对道路结构及材料性能，特别是环境与交通荷载长期、循环作用对道路的影 响、施工质量控制等缺乏足够的认识。借鉴发达国家的经验和教训，在公路建设 中，特别是路面设计中，应充分考虑路面的长期使用性能。路面长期性能研究是 一基础性科研项目，具有长期性、复杂性和艰巨性。从长远观点来看，路面长期 性能研究蕴含着巨大的经济效益和社会效益，通过指导设计、施工、养护、维修， 改善道路结构性能和使用性能，不仅可以节约大量的维修和重建费用，避免资金 浪费，减轻财政负担，还可以提高行车的舒适性、经济性、畅通性。 道路结构为交通运输服务，除了承受车辆荷载作用以外，还受外界环境如气 温、辐射、风、雨等因素的影响，因此道路结构不仅要满足行车荷载的要求，还 要适应所处的自然环境。只有如此，才能保证其长期使用性能，否则，如果不能 适应两者的要求，道路结构势必产生早期破坏。道路温度场的研究是路面长期性 能研究的一个方面，通过建立道路性能与环境之间的联系，为道路设计、材料选 择等提供依据和指导，提高道路的长期使用性能，更好地服务于社会。可以说， 道路温度场研究是一个具有十分重要意义的基础性课题。 为了确保沥青路面在低温下的抗裂稳定性，就必须深入研究它在低温条件下 3 安徽理工大学硕士论文 的性能，确定准确的沥青路面的温度场和应力，对沥青路面低温缩裂问题的解决 有十分重要的现实意义，可以进一步探讨改善路面的低温缩裂性能的措施，对减 少裂缝、延长道路使用寿命，十分重要。 1 2 国内外研究状况 为了解决沥青路面的低温缩裂问题，提高半刚性基层沥青路面的使用品质， 使其能满足低温气候条件，交通荷载等复杂因素的作用，国内外一直从两方面着 手进行研究，一方面是对低温裂缝产生的原因，及影响因素调查、分析、研究沥 青路面低温抗裂的评价指标和设计方法。另一方面为改善半刚性基层沥青路面的 低温性能，从路面材料、路面结构方面研究、改进，以保证沥青路面在低温条件 下的使用质量。 国内研究人员通过对半刚性路面开裂原因的调查，得出了影响半刚性路面的 因素有：沥青品种和性质、沥青混合料的组成、面层厚度、基层材料的收缩性、 气温、路龄、交通量以及施工因素。 1 2 1 沥青面层低温缩裂的试验研究 自加拿大率先从6 0 年代开始进行调查研究以来，路面抗裂与材料低温性能指 标一直是国际道路学界的重要研究内容，特别是美国，s h r ps u p e r p a v e 的沥青结 合料路用性能规范中明确提出了以沥青结合料弯曲蠕变试验( b b r ) 的极限劲度模 量和沥青劲度模量曲线的斜率，以及直接拉伸试验破坏时的极限拉伸应变作为评 价沥青低温性能的指标，沥青混合料配合比设计也包括了沥青路面抗裂能力的检 验。加拿大、日本、澳大利亚及欧洲许多国家也先后在国家计划中进行了重点研 究。针对沥青路面温度开裂问题，各国铺筑了许多试验路，研究影响温度开裂的 因素，一致的结论是：沥青本身的特性是影响低温开裂的主要因素，并提出了表 征其低温品质的指标，这些指标包括：沥青针入度、劲度、针入度指数p i 、针入 度粘度指数p v n 、低温延度、弗拉斯脆点等。 我国在“七五”和“八五”两个国家攻关专题1 2 4 1 中曾对沥青及沥青混合料的 低温性能作了深入研究，并提出了相应的建议值。现行规范对重交通道路沥青技 术要求规定用1 5 。c 延度评价沥青的低温抗裂性能。国家“八五”科技攻关专题 对各种实验方法作了比较，选择了1 0 0 c 延度及当量脆点z ：，作为沥青的低温抗裂 性能指标。哈建大谭忆秋等采用重复荷载作用下测定沥青的粘弹性比例关系，并 认为d o p e a 及d o , d n 可充分说明沥青的低温性能，其中，d 。表示残余变形，见表 4 1 概述 示总变形，n 表示荷载作用次数。 目前国内外用于研究沥青混合料低温抗裂性能的试验方法m 1 有多种，主要包 括：等应变加载的破坏试验( 间接拉伸试验、弯曲、压缩试验) 、直接拉伸试验、 弯曲拉伸蠕变试验、受限试件温度应力试验、三点弯曲j 积分试验、c 积分试验、 温度收缩系数试验、应力松弛试验等理论研究方面，加拿大h i l l s 与b r e i n 在1 9 6 6 年的a a p t ( a s s o c i a t i o no fa s p h a l tp a v i n gt e c h n o l o g i s t sa n n u a lm e e t i n g ) 美国物理 玉 教师协会年会上，提出了计算温度收缩应力的公式听= 吩e s , r o a t 当此温度应 毛 力超过其极限抗拉强度时路面发生开裂，国内外很多研究人员常利用此式来预估 沥青混合料的开裂温度。由上式绘制温度应力随温度变化的关系曲线，同时在该 图上绘制抗拉强度一温度曲线，两曲线的交点即为开裂温度。但此方法具有一系 列理想化的假定，故开裂温度是一个相对值，只能用来做相对比较；同济大学改 进了h i l l s 与b r e i n 的计算方法，提出了劲度模量与温度的函数关系：1 9 7 2 年，加 拿大h a j e k 和h a s s 提出了裂缝指数预报方程式。h i l l s 在1 9 7 4 年提出了由沥青的 开裂温度预估沥青混合料的开裂温度的方法。迈克劳特认为采用限制劲度法，将 沥青或混合料的劲度限制在某一较低范围内便可消除裂缝；松弛理论简化法及能 量判据法也是评价抗裂性的有效方法：长安大学公路学院郝培文提出利用低温抗 裂系数p = 三坚- 来评价沥青混合料的抗裂性能，其中，占。为沥青混合料的极限拉 应变，幺为温度收缩应变。当p = 1 时，混合料处于临界开裂状态，此时的温度也 被称作开裂温度，并经试验验证，p 值越大，低温抗裂性能越好。 美国s h r p 计划推荐约束冻断试验( t s r s t ) 作为优选方法，认为该试验能够 模拟沥青路面温缩裂缝的受力过程，反映了实际路面温度的变化，能较全面的反 映出各种因素对沥青混合料低温性能的影响。我国“八五”攻关成果中推荐的混 合料低温评价方法是弯曲蠕变试验，并提出沥青混合料低温弯曲蠕变速率越大， 低温抗裂性能越好。 1 2 2 沥青路面结构温度场的理论研究 国外针对沥青路面结构温度场的研究工作始于上世纪2 0 年代，至今已有8 0 多年的历史。早在1 9 2 6 年，美国就在a r l i n g t o n 地区对自然条件下沥青路面中的 温度状态进行了现场检测，随后，美国、前苏联、德国、日本等国家均对沥青路 面或水泥混凝土路面的温度状况进行了大量的试验研究【1 1 。已有的研究方法大致 5 安徽理工大学硕士论文 可以分为统计回归分析法和理论或半理论分析法两类。 日本的近腾佳宏和秋山正近等人对两种不同厚度的沥青混凝土路面的温度场 分布与变化特征进行了一年的实测，并采用统计回归分析方法进行了研究，认为 路面结构内不同深度的最高或最低温度与路表温度及气温成线性关系。1 9 7 2 年加 拿大的j t c h r i s t i s o n 和k o a n d e r s o n 对四种不同结构的沥青混凝土路面的路表最 高温度与最低温度，以及路面变温幅度与气温变温幅度之间的相关关系分别进行 不同的回归分析，亦得到了线性的相关关系【l 】。 但是，采用统计分析方法无法揭示路面温度变化规律与其影响因素之间的内 在联系，上世纪5 0 年代后期，采用理论或半理论分析方法研究路面温度场的工作 越来越多。 所谓理论或半理论分析法是指采用传热学嘲和气象学的基本原理确定路面结 构温度场的方法。1 9 5 7 年，巴博( b a r b e r ) 首先用半无限表面的介质温度周期变化 时的热传导方程来确定路面最高温度的解，提出了不同沥青路面结构中最高温度 的计算公式，但却不能用于计算路面结构的最低温度【”。前苏联的戈雷茨基在 1 9 5 2 1 9 6 2 年的十年间，对前苏联的莫斯科等六个不同气候区水泥混凝土路面温 度变化规律进行了现场的检测和分析，将问题归结为边界温度按周期性变化的半 无限体的热传导问题。为了使基层和路基的导热性能在沥青路面温度场的理论方 程中有所反映，近3 0 年来，半无限层状结构的力学模型在路面的温度场分布中得 到广泛的应用，但由于难以得到解析解，故大多采用有限元方法等数值方法研究， 如p c p r e t o d o u s 就曾在他的论文中采用有限元方法对层状结构的温度场进行了 研究。 。 近年来，我国亦进行了大量的沥青路面温度分布与变化规律的实测工作，并 采用统计方法对观测结果进行了回归分析，得到了一些有价值的结果。同济大学 严作人、朱照宏【l 】等人在层状体系假设的基础上，从传热学和气象学的基本理论 出发，用解析法对水泥混凝土路面一维温度场进行了较深入的研究，并从理论上 分析了不同基层材料对路面温度场的影响，其结果可以用于计算水泥混凝土路面 结构层内的最高和最低温度以及最大温度梯度等。吴赣昌”等人则采用二维层状 体系模型，提出了一套计算路面温度场的方法，其研究工作比较系统，但由于采 用了二维模型，计算过程复杂，故一直未在工程部门得到推广应用。2 0 0 1 年，长 安大学的韩子东、夏永旭、王秉纲等，在国内外首次给出了一个道路结构温度场 年变化的解析表达式，求解过程中温度边界条件中的相关参数通过现场实测确定 1 2 1 。 6 1 概述 1 2 3 沥青路面结构温度应力的研究 目前，国内外对沥青路面的温度应力进行了深入的研究，其中东南大学利用 三维有限元分析了沥青罩面的碾压混凝土路面板的温度应力，并分析了沥青罩面 厚度、碾压混凝土的线膨胀系数、板长以及板厚对温度应力的影响，最后确定了 温度翘曲应力系数。长安大学利用有限元分析了有碾压混凝土与沥青混凝土复合 式路面的温度应力，其结果能较好地反映实际情况。但结合安徽特别是淮南地区 半刚性基层沥青路面温度应力的研究尚未开展。 1 3 本论文主要研究内容和研究方法 在沥青路面结构温度应力的研究领域中，还是以室内试验为主，并且这些试 验主要集中在沥青混合料的低温稳定性方面，很少直接结合沥青路面的实际温度 场进行研究，这样就导致在理论分析中采取许多的简化处理，例如采用恒定的降 温速率( 1 0 * c h ) 、采用固定的起始温度( 1 0 。c ) 以及忽略基层收缩对面层的影响等 等。根据上述几方面存在的问题，本文在传热学和气象学的基本原理上，利用 a n s y s 有限元软件计算出道路结构实际温度场，进而计算沥青路面的温度应力； 将温度作为沥青路面的荷载，在一个或多个循环周期典型气候条件下进行有限元 数值分析，得到路面结构内应力的日变化规律和分布状态，为开裂分析提供了可 靠的基础数据；从建立更符合实际情况的理论体系和计算方法入手，系统分析沥 青路面的力学行为与各影响因素之间的定量关系，以期对其沥青路面使用寿命提 供较准确的预测。因此，有关沥青混凝土路面结构低温开裂特性研究的一个比较 完整的研究技术路线应如图1 所示： 按照图1 的研究技术路线，本文根据沥青混凝土路面温度场的实际情况，主 要采用有限元数值分析的方法，研究的内容重点集中在三个方面：首先在弹性层 状体系理论的基础上，分析y - - 维沥青路面体系在夏天和冬天典型气候条件二维 平面应变状态下，某一天各主要时刻道路结构的稳态温度场和瞬态温度场的日变 化过程，以及对应于该温度场的温度应力日变化规律，最后在此基础上采用文献i l i 试验得到的沥青混合料力学参数，用文献h 1 中所使用的回归经验公式预测了沥青 混凝土路面的使用寿命。 7 安徽理r 人学硕七论文 图i 研究路线 f i g 1t e c h n i c a li t i n e r a r yo fr e s e a r c h 8 2 沥青路面裂缝形成过程与机理分析 2 沥青路面裂缝形成过程与机理分析 沥青面层的破坏形式中，裂缝是其早期最普遍的破坏形式，虽然裂缝均受到 了诸如环境、荷载、材料、施工条件质量的影响，但不同裂缝产生的主要原因也 有所区别。按照它的出现形式以及产生成因，可以将裂缝分为不同类型，深入系 统的研究沥青路面裂缝形成机理及其影响因素，对于路面防裂、抗裂、养护等等 工作均有重要的现实意义。 2 1 裂缝类型 沥青路面产生裂缝的原因很多，裂缝的种类也是多种多样的。美国联邦公路 局( f h w a ) 通过系统的调查、研究，将裂缝分为以下9 类。每类根据破损程度分 为轻、中、重三个等级，见表l 。 表1 裂缝分类 ! ! ! ! ! ! 曼! 竺! ! ! 兰! ! 垒 破损分类裂缝类型 裂缝产生的主要原因 1 9 9 5 的原西安公路交通大学( 现长安大学) 也对我国的沥青路面出现的裂缝加 以分类，每种裂缝根据严重程度不同划分为重、中、轻三种，见表2 。 对于裂缝的定量评价可用计算裂缝率和计算最大缝宽两种方法。按照我国公 路路基路面现场测试规程( 0 5 9 _ - 9 5 ) 的规定，可有人工检测方法或用量尺测试路 面上各类破损的位置、长度或面积，描绘破损示意图，并且按照破损类型和破损 严重程度，而将调查的裂缝破损类型分为龟裂、不规则裂缝和纵裂及其它。每种 裂缝按照破损的严重程度分为轻、中、重三级，调查指标为破损面积，最终通过 换算成p c i ( 路面状况指数) 进行评价。 9 安徽理i ：大学硕十论文 表2 我国沥青路面裂缝分类 ! ! ! 堕! 垒! ! ! ! 型! 坚! 竺! 璺! ! ! ! 磐墅垒! ! 曼! ! ! ! 裂缝名称产生原因 发展趋势 结合国、内外裂缝的分类，可简单的将裂缝分为荷载型裂缝和非荷载型裂缝 两类。前者是由于荷载影响导致沥青路面出现裂缝，主要是荷载引起的疲劳开裂： 后者非荷载性裂缝，主要是由于温度引起的裂缝，温度引起的裂缝主要是横向裂 缝，也有块状裂缝和纵向裂缝。相关研究资料显示，通过对裂缝的钻芯取样发现： 横向裂缝的特点往往是路面中间裂缝较宽，两端裂缝较窄。其中相当一部分裂缝 是属于上下贯通式的通缝，相当一部分的裂缝宽度为面层裂缝较窄，基层较宽， 基层裂缝宽度上宽下窄；也就是说相当一部分的裂缝为基层开裂导致的反射裂缝。 资料中还发现裂缝密集处往往是在基层施工后没有及时铺筑面层的路段以及基层 成型不好、有松散、以及排水不良路段。而由温度引起的非荷载型裂缝，主要因 温度的降低导致沥青路面的收缩产生裂缝，以及在温度变化大的季节里的昼夜温 差反复作用下所产生疲劳应力引起的疲劳开裂。也就是说，导致裂缝产生的非荷 载型因素主要为温度以及湿度的。 2 2 影响沥青路面开裂的的主要因素 2 2 1沥青及沥青混合料的性质 沥青路面所铺筑的沥青混合料主要是由沥青结合料、粗集料、细集料和矿粉 等多种成分组成的复合材料。在混合料组成中，由于材料质量的差异和数量的多 少，可形成不同的组成结构，表现为不同的物理性质和力学性能。沥青和沥青结 合料的性质是影响沥青路面温度开裂的最主要原因，沥青混合料的低温劲度是决 定沥青路面是否开裂的最根本因素，沥青劲度又是决定混合料劲度的关键因素。 1 沥青1 5 沥青由一些化学成分极其复杂的烃类，如环烷烃、芳环烃和这些烃类的非金 1 0 2 沥青路面裂缝形成过程与机理分析 属元素( 氧、氮、硫) 的衍生物等组成。沥青是一种随时间而老化硬化的典型的粘 弹性材料，其材料性能与力学行为与应力、温度、时间、载荷频率及温度频率等 有关，同一等级沥青的温度敏感性差异很大。而我国现行沥青只是根据针入度来 分级，不能真正反映沥青的三大指标。另外，旌工时沥青用量偏少也是沥青路面 早期裂缝的一个重要原因。 毋庸置疑，沥青混合料的使用性能受沥青结合料影响，沥青质量的优劣与沥 青路面的质量有密切关系，将直接影响到沥青路面的使用性能。由于近十年来公 路交通量剧增以及重载和超载车辆的增多，一般品质的沥青材料已不能满足重载 交通沥青路面结构的需要。从大量路面结构损坏原因的调查分析来看，路用沥青 品质不良是其主要原因之一。由于国内石油品质及沥青炼制工艺流程的特点，致 使路用沥青大多数含蜡量高，延度小，温度敏感性强，使得许多沥青路面面层结 构在远小于使用寿命的年限内出现损坏，含蜡量一般要求控制在3 以内。沥青 的物理性质对路面车辙也有很大影响。在一定的温度和加载速率下，高粘度的沥 青会生产劲度高的沥青混合料，较高的劲性模量则产生较高的抗车辙能力。沥青 类型对路面开裂也有很大的影响，使用稠度低、温度敏感性低的沥青可以减少或 延缓路面的开裂。 2 矿料 矿料质量的好坏直接影响到沥青混合料的强度，是沥青路面产生裂缝等早期 破损的主要因素。碎石的压碎值、磨耗值不符合要求，将造成沥青混合料的稳定 度偏低，引起沥青路面早期的开裂和剥落。碎石与沥青材料的粘附性大小，对沥 青混合料的强度和耐久性有很大的影响。沥青混合料一般使用碱性矿料，若使用 酸性矿料，必须添加一定数量的抗剥落剂以改善与沥青的粘附性。 另外，还应该注意到石料的吸水率问题，因为吸水率大不仅会降低加热效率， 影响拌和料的生产能力，而且残存在孔隙中的水分影响施工压实及空隙率，这将 使混合料易于剥落。另外就是矿料的筛分问题，因为矿料很细，筛分时很不容易 通过筛孔，特别是不干燥的矿粉，筛分难度更大，往往出现筛分结果偏粗的现象， 使得配合比中实际矿粉偏多。同时，还应注意细骨料中0 0 7 5 m m 以下的成分，因 为它们在烘干过程中己经有很大一部分被吸尘设备排出，因此，配合比设计中应 予适当扣除。另一方面，拌和时有一部分超粒径颗粒被排除，因此，配合比设计 时，应将超粒料剔除，否则，将会造成沥青混合料强度不足。 3 矿料的级配和空隙率 认真选择矿科级配非常重要，最主要的指标是混合料的设计空隙率和路面的 安徽理工大学硕士论文 实际空隙率 6 1 。沥青路面的实际空隙率在7 以下时，沥青层中的水在荷载作用 下一般不会产生动水压力，不易造成水损坏。排水性混合料的路面空隙率大于1 5 时，水能够在空隙中自由流动，也不易造成水损坏。而当路面的实际空隙率在 7 一1 5 范围内时，水容易进入混合料内部，且在荷载作用下产生较大的毛细压 力或动水压力，造成沥青混合料的水损害，在薄弱处最先产生裂缝和坑槽。 不管沥青面层是一层、二层还是三层，各层采用密实型的i 型沥青混凝土， 抗滑表层也采用空隙率不大于3 巧密实型沥青混凝土，在施工中容易控制空隙 率，达到防水目的。如果采用i i 型沥青混凝土，各层均需在配合比设计和施工中 严格控制空隙率。 2 2 2 基层材料的性质 基层材料的收缩性愈小，面层裂缝愈少。基层上有透油层以加强与面层的粘 结对抗开裂是有好处的，基层材料种类对沥青面层的裂缝率有明显影响。 半刚性基层开裂主要原因如下： 1 干燥收缩。这是由于混合料失去水分引起的，混合料中游离水分的减少缩 小了颗粒间的空隙，干缩系数与材料的性质和含水量有关。无机结合料稳定细粒 土比稳定粗粒土干缩变形大，易开裂。当失水2 5 时石灰土的干缩系数达至1 ( 1 2 0 0 1 5 0 0 ) x l o 。6 并产生( 3 0 0 0 - - 3 7 5 0 ) 1 0 。干缩应变；水泥稳定碎石失去5 0 水分时的 干缩系数为( 5 3 8 ) x 1 0 _ 6 ，干缩应变为( 1 3 1 8 ) x l o 6 ；密实型二灰碎石失水5 0 时 干缩系数为( 1 3 5 1 5 5 ) 1 0 - 6 ，干缩应变为( 2 5 , - - 2 7 ) x 1 0 6 。 2 、低温收缩开裂。半刚性基层多在夏季高温和常温时施工成型，入冬后温度 骤降，特别是我国西北地区，季节温差很大，混合料遇冷收缩，在收缩过程中受 到下层的约束产生收缩拉应力。如果收缩应力大于材料的极限抗拉强度，就会产 生温度