碾压混凝土基层沥青路面温度应力的研究

何磊明

(九江市公路管理局,江西九江 332000)

碾压混凝土基层沥青路面温度应力的研究

何磊明

(九江市公路管理局,江西九江 332000)

通过建立三维有限元模型,并对模型进行了验证,计算了临界荷位处碾压混凝土基层板底的拉应力,研究了碾压混凝土基层板长、板宽、厚度、热膨胀系数、温度梯度、沥青面层厚度及模量7个因素对碾压混凝土基层沥青路面温度应力的影响。研究结果表明:除碾压混凝土基层板宽和板厚增加、临界荷位处温度应力减小外,其余因素数值增加时,对应的温度应力亦增加。板宽度变化引起的临界荷位处拉应力的变化幅度不及板长度变化引起的临界荷位处拉应力的变化幅度大。为提高碾压混凝土基层沥青路面的疲劳寿命,建议使用热膨胀系数较小的材料。

道路工程;碾压混凝土;沥青路面;温度应力;有限元

道路是修筑在自然界中的带状结构物,环境因素和荷载作用是造成路面结构破坏的主要原因。由于路面暴露于自然环境中,经受着气候和气温变化的反复影响,路面与大气之间以及路面内部各结构层之间都存在着复杂的热交换过程[1]。在外界温度发生变化时,由于路面结构层内温度分布的不均匀以及路面结构层材料的温度敏感性不同,使路面结构受到自重以及其他的约束,路面结构不能自由的变形,从而在路面结构内会产生温度应力。同时,温度变化是引起反射裂缝开裂扩展的一个重要因素,对于碾压混凝土(roller compacted concrete,简称为RCC)基层沥青路面结构,容易产生温缩型反射裂缝,即在碾压混凝土基层中存在裂缝或切缝,由于路面温度受日温差周期性变化的影响,在与裂缝或切缝对应的沥青层底面产生裂缝,并向路表扩展[2]。因此,有必要对碾压混凝土基层沥青路面的温度应力进行研究。

1 碾压混凝土基层沥青路面温度应力计算模型

本研究所用模型尺寸为碾压混凝土基层长8 m(考虑最小横向切缝距离),宽4 m(考虑纵向切缝)。沥青面层及其下基层长和宽的尺寸与碾压混凝土基层相同。为反映半无限大空间基础的特性,基础采用扩大尺寸来模拟,对基础不同的尺寸进行收敛性分析。扩大基础长为10 m,宽为6 m,高为6 m。整体划分网格后碾压混凝土的路面结构模型如图1所示。在温度应力分析中,沥青面层、碾压混凝土基层、下基层及地基各结构层均采用八节点SOLID45单元进行模拟,每个节点具有3个方向的自由度,如图2所示。

图1 路面结构模型(碾压混凝土基层纵缝受力分析)Fig.1 Longitudinal seam stress analysis of roller compacted concrete base

图2 SOLID45单元Fig.2 SOLID45 unit

对碾压混凝土基层沥青的路面结构进行温度应力研究。分析各参数对碾压混凝土基层温度应力的影响,而不考虑其对沥青面层的影响。其原因是:①沥青混合料是一种对温度变化比较敏感的粘弹性材料,其弹性模量和强度随着温度的变化及材料组成的不同而变化。试验研究表明,沥青混合料的劲度模量可从100 MPa变化到6 000 MPa。在不同季节中,由于温度不同,不同材料组成沥青面层的弹性模量也有所不同。②沥青路面会因为3方面因素的单独或共同作用而产生低温横向断裂破坏:一次降温引起的温缩断裂;日温差反复作用引起的温度疲劳断裂;行车荷载的协同作用。而一次降温温缩断裂是沥青路面低温断裂最主要的因素[3]。③沥青混合料是一种复杂的材料,具有应力松弛能力。当沥青混合料的应变一定时,随着时间的增加,由此产生的应力会减小,由温度降低而产生的拉应力也会减小。在考虑带沥青面层混凝土基层的温度应力时,先分析不带沥青层路面结构的温度应力,然后对沥青面层加铺引起的混凝土基层板内温度应力差异进行换算。

本研究采用三维有限元模型对温度应力进行研究。临界荷位为纵缝边缘中部,碾压混凝土的结构层参数见表1。温度应力计算基准结构无沥青层。基准温度分布:顶面温度20℃,底面温度5℃。碾压混凝土基层温度应力计算参数为:回弹模量23 000 MPa,导热系数1.5 W/(m℃),线膨胀系数1.0×10—5℃—1,泊松比0.15。

表1 结构层参数Table 1 Structural layer parameters

通常,路面温度在午后2 h达到最高,在日出前为最低。升温历时约7 h,降温历时约18 h。以路面表面昼夜温差30℃计,升温速度为4.3℃/h,降温速度为1.7℃/h。碾压混凝土材料具有蠕变特性,夜间缓慢的降温过程中碾压混凝土基层内的应力会得到释放,因此将日出前时刻定为碾压混凝土基层的0应力、应变状态,即初始状态[4]。定义板底和板顶的升温幅度,通过有限元模型,分析路面板的温度应力。日出后,路面温度快速升高,碾压混凝土基层板膨胀,且碾压混凝土基层顶面的膨胀量大于其底面的膨胀量,基层产生的变形如图3所示。

图3 在升温时,路面结构的变形Fig.3 Pavement deformation at elevated temperatures

沥青面层表面温度的降低使得路面结构产生收缩变形,而路面结构的温度梯度又使碾压混凝土的基层产生凹形翘曲变形。在自重和上部结构的压力下,碾压混凝土基层板的凹形翘曲受到抑制。基层顶部受拉,底部受压。而当顶面温度升高时,路面结构发生膨胀,碾压混凝土基层产生凸形翘曲变形。在自重和上部结构的压力下,碾压混凝土基层板的凸形翘曲受到抑制,基层底部受拉,顶部受压。

4∶00和12∶00是路面温度梯度极值的代表时刻,路面实测温度的深度分布如图4所示。从图4中可以看出,12∶00时,路面温差为13℃;而4∶00时,路面温差为5℃。正温度梯度的路面温差是负温度梯度的近3倍。考虑路面混凝土板最不利温度荷载,需要重点分析碾压混凝土板在正温度梯度下临界荷位的应力状况。

图4 路面实测温度的深度分布Fig.4 Pavement temperature measured depth profile

2 模型验证

2.1 规范算例结果

水泥路面设计规范算例中,路面结构的参数为:温度梯度53℃/m;板厚0.26 m;板长5 m;水泥混凝土模量29 GPa;热膨胀系数10—5℃—1;计算刚度半径0.916 m。计算的过程为:

最大温度梯度时,混凝土板的最大温度应力为:

2.2 有限元模拟结果

采用同样的参数和有限元模型计算,得到临界荷位处碾压混凝土基层板底和板顶的纵向应力云图,分别如图5,6所示。

图5 板底温度应力云图Fig.5 Temperature stress cloud of bottom plate

从图5,6中可以看出,板顶受压,在板中压应力达到最大,且与是否靠近纵缝的关系不大;板底受拉,在板中拉应力达到最大,也与是否靠近纵缝的关系不大。有限元计算温度应力的最大值为0.756 MPa,规范算例的计算值为0.741 MPa。两者偏差在3%内,该结果可用于工程应用。

图6 板顶温度应力云图Fig.6 Temperature stress cloud of top plate

3 不同参数对碾压混凝土基层温度应力的影响

为分析温度荷载作用下路面结构响应的特性,固定其他参数,研究单一因素变化对碾压混凝土基层温度应力状况的影响。研究的因素有:板长、板宽、板厚、碾压混凝土热膨胀系数、温度梯度、沥青层厚度及碾压混凝土板模量。

3.1 碾压混凝土基层板长的影响

温度应力的产生是温度变形受到约束的结果。碾压混凝土基层材料的温度升高或降低时,受到周围材料的约束。板越长,其约束越大,温度变形受到的抑制越强烈,温度应力越大。为保证路面板的疲劳寿命,需要选择合适的切缝间距,即板长。同理,板越短,温度应力越小。板短意味着存在的切缝多,切缝的处理也需要耗费额外的材料和人工;切缝容易产生反射裂缝,过多的切缝对路面的长期使用性能不利[5]。因此,板长的选择需要考虑受力分析、施工状况及长期性能等方面。为了分析碾压混凝土基层板长对路面结构温度应力的影响,保持其他参数不变,按1 m递增,选择碾压混凝土基层板长5～10 m。温度荷载作用下,碾压混凝土基层临界荷位处板底温度应力与板长变化的关系如图7所示。

从图7中可以看出,随着碾压混凝土基板长的增加,板底应力迅速增加,但增幅有减小的趋势。板长从5 m变化到6 m,纵缝中部的板底拉应力增加了0.413 MPa;板长从9 m变化到10 m,纵缝中部的板底拉应力增加了0.13 MPa。可见,温度荷载作用下,临界荷位处的板底应力状态较简单,纵向拉应力较大,其余各应力分量的数值很小。为了计算方便,只单列纵向拉应力进行分析。

图7 板底温度应力与板长变化的关系Fig.7 The relationship between the layer bottom temperature stress and the plate length

3.2 碾压混凝土基层板宽的影响

温度荷载作用下,碾压混凝土基层临界荷位处板底温度应力与板宽变化的关系如图8所示。

图8 临界荷位拉应力与板宽变化的关系Fig.8 The relationship between the plate width and the critical load position pull stress

从图8中可以看出,板越宽,临界荷位处的拉应力越小。板宽变化2 m,应力减小约0.12 MPa,说明板变宽能有效地分散临界荷位处的温度应力。但是,由板宽引起的临界荷位处拉应力的变化幅度不及由板长引起的大。在地基不均匀程度较大时,加大板宽会对板的受力造成不利影响。

3.3 碾压混凝土基层厚度的影响

碾压混凝土基层的整体性良好。增加碾压混凝土基层的厚度,可以有效扩散荷载。分析厚度变化对临界荷位处层底拉应力的影响,碾压混凝土基层的厚度为14～30 cm,碾压混凝土基层温度差不变,其余参数不变。温度作用下碾压混凝土基层临界荷位处板底的计算结果如图9所示。

从图9中可以看出,随着碾压混凝土基层厚度的增加,碾压混凝土基层温度应力减小。厚度增加3 cm,层底拉应力减小约0.3 MPa。考虑到增加碾压混凝土基层厚度后温度差会有所增加,增加碾压混凝土基层厚度对减小温度应力的效果会稍微降低。增加碾压混凝土基层厚度,可以有效扩散温度变化产生的变形,减小碾压混凝土基层的应力。

图9 底部应力与厚度变化的关系Fig.9 The relationship between the layer bottom temperature stress and the plate thickness

3.4 碾压混凝土基层热膨胀系数的影响

热膨胀系数是碾压混凝土的一个关键性能参数,其值的大小对路面结构温度应力有较大影响。热膨胀是产生温度应力的原因。在计算中,选择热膨胀系数范围为0.8×10—5～1.3×10—5℃,按0.1×10—5℃递增。温度荷载作用下碾压混凝土基层临界荷位处底部应力与热膨胀系数变化的关系如图10所示。

图10 底部应力与热膨胀系数变化的关系Fig.10 The relationship between the layer bottom temperature stress and the plate coefficient of thermal expansion

从图10中可以看出,随着热膨胀系数的增大,碾压混凝土基层底部温度的拉应力呈线性增加。当热膨胀系数从0.8×10—5℃增加到0.9× 10—5℃时,碾压混凝土 基 层 底 部 应 力 增 加 了0.364 MPa。热膨胀系数越大,说明材料对温度变化越敏感,因而碾压混凝土基层内的温度应力越大。为提高碾压混凝土基层沥青路面的疲劳寿命,需要减小材料的热膨胀系数,从材料设计方面来考虑。

3.5 碾压混凝土基层温度梯度的影响

太阳辐射是路面温度场的主要热源,气温有时会是次要热源。日出后至下午2∶00,热从路表面向内部传递,使得路表面的温度高于内部的,形成正温度梯度。下午2∶00后,路面对外传递的热量大于其接收的热量,路面的温度降低了。到日出前,路表面温度稍低于其内部温度。在1 d中,正温度梯度远大于负温度梯度。碾压混凝土基层温度梯度直接影响板内的应力、应变[6]。设定板底温度5℃,板顶温度从10℃变化到30℃,温度荷载作用下碾压混凝土基层临界荷位处底部应力与其顶面升温幅度变化的关系如图11所示。

图11 底部应力与其顶面升温幅度变化的关系Fig.11 The relationship between the layer bottom temperature stress and the temperature gradient of the top

从图11中可以看出,碾压混凝土基层顶面温度升高,碾压混凝土基层层底的拉应力呈线性增加。当板底温度5℃、板顶温度为10℃时,层底拉应力为0.163 MPa;当板底温度5℃、板顶温度变化到30℃时,层底拉应力为1.239 MPa。当板底温度5℃、板顶温度升高20℃时,碾压混凝土板的温度应力增加了1.06 MPa。

3.6 碾压混凝土基层上沥青面层厚度的影响

碾压混凝土基层上沥青面层能改善其环境适用性和驾驶舒适性。沥青面层对碾压混凝土板的翘曲变形有约束作用。其余参数固定,设定沥青层厚度为0～0.25 m,考察上覆沥青层对碾压混凝土基层温度应力的影响。温度荷载作用下碾压混凝土基层临界荷位处底部应力与沥青层厚度变化的关系如图12所示。

图12 底部应力与沥青层厚度变化的关系Fig.12 The relationship between the layer bottom temperature stress and the asphalt thickness

从图12中可以看出,沥青层厚度为0 m时,板底拉应力为0.743 MPa;沥青层厚度为0.1 m时,板底拉应力为0.797 MPa。随着沥青层厚度的增加,碾压混凝土基层板底的拉应力也增加。增加沥青层厚度会引起碾压混凝土基层内应力升高。当厚度增加0.1 m时,板底拉应力升高了0.05 MPa。但若考虑到沥青层对温度梯度的折减,增加沥青层厚度有利于减小碾压混凝土基层的温度应力。

3.7 碾压混凝土基层模量的影响

碾压混凝土基层模量是一个重要的材料参数。当骨料级配相同时,增加水泥掺量,碾压混凝土的模量会有所增加,碾压混凝土材料的力学强度也会有所增加,但材料的变形协调能力会减弱。该模型的参数按照基准参数取值,变化碾压混凝土基层材料的模量,以分析模量对碾压混凝土基层临界荷位处板底正应力的影响[7—8]。在温度荷载作用下,碾压混凝土基层临界荷位处底部应力与碾压混凝土基层模量变化的关系如图13所示。

图13 底部应力与碾压混凝土基层模量变化的关系Fig.13 The relationship between the layer bottom temperature stress and the base modulus

从图13中可以看出,随着碾压混凝土基层的模量增加,碾压混凝土基层临界荷位底部的拉应力呈线性增加。其原因是:碾压混凝土基层模量的差异不会导致自由变形的差异,自由状态下得到的碾压混凝土基层温度的变形只与温度状况及其材料热膨胀系数相关;同等自由温度变形下,其模量越大,临界荷位处板底的应力也越大。

4 结论

1)碾压混凝土基层板长、板宽、厚度、热膨胀系数、温度梯度、沥青面层厚度及模量7个因素均对碾压混凝土基层纵缝边缘中部板底温度应力影响显著。

2)除碾压混凝土基层板宽和板厚增加、临界荷位处温度应力减小外,其余因素数值增加时,对应的温度应力亦增加。

3)板宽变化引起的临界荷位处拉应力的变化幅度不及板长的,建议板长6～8 m。

4)为提高碾压混凝土基层沥青路面的疲劳寿命,建议使用热膨胀系数较小的材料。

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Study on thermal stress of roller compacted concrete base course of asphalt pavement

HE Lei-ming
(Highway Administration of Jiujiang,Jiujiang 332000,China)

In order to analyze the influence of some factors(RCC plate length,width, thickness,coefficient of thermal expansion,temperature gradient,asphalt thickness and modulus)on the thermal stress of RCC base for asphalt pavement,a 3D finite element modle was built and proved.A slab tensile stress at the bottom of concrete base was calculated.The results show that the width and the thickness of RCC plate increases,the temperature stress reduces at the critical load position,remaining factors increases with the increase of the temperature stress.The plate of width changes with the change of pulled stress,but plate length changes less at the critical load position.The reduced hot expansion coefficient of materials can improve the fatigue life of RCC asphalt road.

pavement engineering;RCC;asphalt pavement;thermal stress;finite element

U416.217

A

1674—599X(2015)04—0031—07

2015—05—13

何磊明(1977—),男,江西省九江市九江市公路管理局工程师。