温度和荷载对沥青混凝土路面层间状态的影响

摘 要： 沥青混凝土路面具有典型的层状体系特征，其层间结合状态的好坏对其使用性能有着决定性影响。应用有限元计算软件Matlab分析计算了温度和荷载变化条件下沥青混凝土路面的层间黏结状态。结果表明：沥青混凝土路面的力学性能受温度变化影响很大，低温条件下容易发生裂痕等脆性病害。高温条件发生的病害主要是车辙、推移及拥抱等横向变形。

关键词： 沥青混凝土； 温度； 荷载； 变形； 应力； 破坏

中图分类号： U416.217 文献标识码： A 文章编号： 1009-8631（2011）05-0069-01

引言

沥青混凝土路面作为一种典型的层状结构体系，在我国公路建设中被广泛应用。现行设计规范假定沥青混凝土各层间完全充分接触。但事实上其层间结构介于完全光滑和完全连续两种极限状态之间。正是由于沥青混凝土路面的设计理论状态与其实际的工作状态不相符合，导致其设计状态与力学响应有所不同。目前的大部分沥青混凝土计算模型都只考虑了车辆的竖向荷载，实际上车辆在行驶过车中会对路面施加水平力，尤其是在起动、加速及制动时这种水平力达到最大。由于路面均是完全暴露在大气环境中，环境温度的变化对沥青混凝土性质的影响较大，且会在各结构层之间产生温度应力。因此，本文采用Matlab软件，考虑不同温度下混凝土路面的力学性能及竖直和水平荷载共同作用下，分析计算了接触层粘结状态。

1计算模型及参数

沥青混凝土路面由上至下分为上面层，下面层，基层，底基层以及路基土层。建立空间三维几何模型：尺寸为4.0m*4.0m*3.15m，其中上面层厚4cm，密度为2390kg/m3，导热系数为1.5W/(m*k)，热膨胀系数为2.5*10-5m/k，比热为920J/(kg*k)；下面层厚5cm，密度为2430kg/m3，导热系数为1.4W/(m*k)，热膨胀系数为1.6*10-5m/k，比热为900J/(kg*k)；水泥稳定碎石基层厚22.5cm，密度为2300kg/m3，导热系数为1.2W/(m*k)，热膨胀系数为0.98*10-5m/k，比热为830J/(kg*k)；水泥稳定碎石基底层厚22.5cm，密度为2300kg/m3，导热系数为1.2W/(m*k)，热膨胀系数为0.98*10-5m/k，比热为830J/(kg*k)；土基层厚256cm，密度为1800kg/m3，导热系数为1.5W/(m*k)，热膨胀系数为0.45*10-5m/k，比热为800J/(kg*k)。荷载考虑为移动单轴双轮组的100t标准车辆，竖直荷载为0.75Mpa，水平荷载为0.35Mpa。

计算中，考虑室外环境实际温度，取最低温度-25℃，最高温度40℃，并在此区间内插入8个温度值，其材料性能与温度关系见表1：

计算时，垂直接触面的竖向荷载对沥青混凝土路面各层的力学作用效果不会随着沥青各层间的接触状态变化而变化，但沿着接触面作用的水平荷载则遵循库仑摩擦定律。即满足：

τ=σ*μ

其中：τ为接触面上的剪应力；σ为接触面上的垂直应力；μ为摩擦系数，其取值越小，接触层间的粘结越差，其取值越大，接触层间的粘结越好，计算中考虑试验结果，沥青混凝土间取μ=1.0，混凝土与碎石间取μ=0.8，碎石层间取μ=0.6。

2计算结果及分析

考虑到路面破坏的主要形式包括疲劳开裂、低温开裂、车辙及剪切破坏。因此，在计算分析时主要选取了最大拉应力、最大剪应力及变形值3个指标进行分析。

1）在温度较低的条件下，摩擦系数从1.0变到0.6时，水平位移变化很小：μ=1.0时的水平位移值是μ=0.6时的1.113倍；但在高温条件下，水平位移值随着摩擦系数的变化急剧变化：μ=1.0时的水平位移值是μ=0.6时的2.35倍。这说明低温条件下，层间接触状态对水平位移影响很小，而高温状态下则很大。因此高温条件下，沥青混凝土路面的推挤病害较低温条件更为严重。而竖向变形在高温条件下，μ=1.0时的竖直位移值是μ=0.6时的1.02倍，高温条件下，这个倍数为1.05倍，几乎均可忽略不计；说明竖向变形量主要取决于车辆荷载，基本不受层间接触状态的影响。

2）在低温条件下，接触状况的变化对沥青混凝土各层间的最大拉应力影响较小；但在高温条件下，各结构层间最大拉应力受接触状况的影响比较明显，且这种影响随着泊松比μ的减小而迅速增大。对于不同层间状况，在高温条件下沥青混凝土上面层和下面层的最大拉应力都是负值；当T=15℃时，上面层和下面层内的拉应力取值范围均为0.222Mpa~0.488Mpa，满足沥青混凝土路面设计规范中对容许拉应力的要求。而在低温条件下，上面层和下面层内的拉应力迅速增长为上述数值的10倍左右。因此，在低温条件下，影响沥青混凝土路面面层破坏的主导因素为外界环境温度降低的量值和频率以及沥青混凝土混合料本身的抗低温开裂性能，而车辆荷载的大小对此影响很小，可以忽略。但在高温条件下，导致沥青混凝土面层破坏的主要因素则是沥青混凝土混合料本身的高温抗裂性能以及车辆荷载的压密作用，显然，此时荷载增大会导致破坏加速。

3）沥青混凝土结构层内的剪应力是使面层发生水平变形，如：拥抱，推移，起褶等病害的重要因素，显然剪应力越大，上述病害发生的可能行越大、越严重。在低温条件下，μ取不同值时剪应力的计算结果变化很大：μ=1.0时，τ=0.22Mpa；μ=0.8时，τ=0.28Mpa；μ=0.6时，τ=0.34Mpa。而当T=15℃时，μ的变化对剪应力计算结果的影响有所减小：μ=1.0时，τ=0.20Mpa；μ=0.8时，τ=0.22Mpa；μ=0.6时，τ=0.25Mpa。在高温条件下，剪应力的计算结果受μ的变化急剧变化：μ=1.0时，τ=0.12Mpa；μ=0.8时，τ=0.25Mpa；μ=0.6时，τ=0.36Mpa。综上可知，沥青混凝土路面面层内的剪应力随着温度升高有所降低，但幅度不大。而沥青混凝土混合料在低温状态下的抗剪强度则要远大于其在高温条件下的抗剪强度。故沥青混凝土路面的剪切破坏一般发生在夏季。

结语

沥青混凝土路面的力学性能受温度变化影响很大，低温条件下变形较小，但其弹性性能也很差，容易发生裂痕等脆性病害。在高温条件下，同等荷载下变形量显著增大，但不会破坏其连续性，此时发生的病害主要是：车辙、推移及拥抱等横向变形。

无论是高温条件还是低温条件，竖向荷载对沥青混凝土路面的危害都较小，荷载增大时，水平荷载受摩擦系数就非常敏感，而水平荷载又是造成路面病害的重要因素。故减小层间摩擦，路面与轮胎间摩擦对路面保护非常重要。

参考文献：

[1] 姚祖康.路面工程[M].上海：同济大学出版社，2001.

[2] 刘红波.层间接触对半刚性沥青路面力学响应的影响[M].成都：西南交通大学，2006.