橡塑改性沥青路面top-down开裂性能分析.pdf

实验合成橡胶工业,2023-05-15,46(3):183-186CHINA SYNTHETIC RUBBER INDUSTRYDOI:10.19908/ k i.ISSN1000-1255.2023.03.0183橡塑改性沥青路面top-down开裂性能分析何伟，李鑫（天津市交通科学研究院，天津300074）摘要：通过劈裂试验、三轴重复荷载试验和小梁弯曲试验对比了橡塑改性沥青混合料与SBS改性沥 青混合料的性能，通过构建有限元模型分析了动荷载作用下沥青路面上面层裂缝的应力变化规律。结果 表明，橡塑改性沥青混合料的抗拉性能与高温抗变形性能优于SBS改性沥青混合料，橡塑改性沥青可提 高沥青混凝土路面的抗变形能力；橡塑改性沥青混合料的低温抗裂性能优于SBS改性沥青混合料，前者 可提高沥青路面抗t o p-do w n裂缝开裂性能；在动荷载作用下，沥青路面结构层中的上面层拉应力逐渐增 加，导致沥青路面发生t o p-do w n裂缝开裂，橡塑改性沥青混合料可增加上面层破坏时的最大拉应力，从 而降低沥青路面发生t o p-do w n裂缝开裂的可能性。关键词：道路工程；橡塑改性沥青；t o p-do w n开裂性能；力学性能；有限元模拟中图分类号：U 414 文献标志码:A 文章编号:1000-1255（2023）03-0183-04我国现行的沥青路面设计规范已将沥青 层较厚的柔性基层或组合式基层沥青路面作为 沥青路面的主要类型进行推荐切。沥青路面破坏 的形式因结构的不同而不同。自上而下的纵向裂 缝也称top-down裂缝，是面层较厚的半刚性基层 沥青路面的主要破坏形式。top-down裂缝最先出 现在路表面，随着时间的推移，在环境和交通荷 载作用下，裂缝由路表延伸至基层甚至路基处，形成了“自上而下”型的裂缝。目前，国内对于 top-down开裂的研究多集中在通过有限元方法 研究top-down裂缝产生的机理上,且部分有限元 分析采用二维模型，而鲜有使用三维模型进行拟 合分析方面的研究炉現本工作采用数值有限元模 拟和试验方法，对津石高速典型路面结构进行三 维有限元建模,并通过劈裂试验等评价橡塑改性 沥青混合料与苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚 物（SBS）改性沥青混合料的抗拉性能及耐高、低 温性能，通过对比以期得到力学性能优异的路面 材料，并将其应用到沥青路面上面层，以提高沥 青路面的使用性能和耐久性。1原材料指标与试验设计1.1原材料指标本工作所用沥青种类为橡塑改性沥青和SBS改性沥青，相应的技术指标列于表loTech n ica l specif ica t io n SBS mo dif ied a sph a l tmo dif ied a sph a l tTable 1 Technical specifications for two kinds of modified asphaltsPen et ra t io n(25 弋)/0.1 mm54.067.0Duct il it y(5/cm30.427.0So f t en in g po in t/T79.57&1El a st ic reco v ery(25 弋)/%8&372.0Af t er ro l l in g t h in f il m o v en t estMa ss f ra ct io n o f l o ss/%-0.01-0.248Residua l duct il it y(5 TO/cm16.015.2Pen et ra t io n ra t io/%72.265.7本工作结合沥青路面top-down裂缝病害机 理及防治技术研究项目试验段方案，以行车荷载 作用下的六层连续体系作为沥青路面三维有限 元分析的基本模型,其原结构六层连续体系中的 各层分别为上面层（SBS改性沥青玛蹄脂碎石）、中面层（橡胶改性沥青混凝土）、下面层（沥青稳收稿日期：2022-03-23；修订日期：2023-04-22。作者简介：何伟（1996）,男，河北秦皇岛人，硕士，助理 工程师。主要从事改性沥青方面的研究工作，巳发表中文核心 期刊论文2篇。-184 合成橡胶工业第46卷定玛蹄脂碎石）、基层（水泥稳定碎石、水泥稳定 见表2。其中,试验路结构层与原结构层不同之处玛蹄脂章碎石）和土基。路面结构各层材料参数 在于前者上面层为橡塑改性沥青玛蹄脂碎石。Table 2 Summary of asphalt pavement structure and material parametersPa v emen t st ruct ura l l a yerLa yer t h ick n ess/mmSpl it t in g st ren gt h/MPaSurf a ce l a yerSBS mo dif ied a sph a l t ma ca da m(SMA-13)o r rubber-pl a st ic mo dif ied a sph a l t ma ca da m(SMA-13)40Act ua l mea sured v a l ueRubber mo dif ied a sph a l t co n cret e(ARHM-20)6012Bit umen st a bil ized ma ca da m(ATB-25)1201.0Gra ss-ro o t s l a yerCemen t st a bil ized crush ed st o n e ba se4000.5Cemen t st a bil ized ma ca da m suh ba se2000.5So il ba seSMA w a s st o n e ma t rix a sph a l t;ARHM w a s a sph a l t rubber h o t mix;ATB w a s a sph a l t-t rea t ed ba se.1.2试验设计本工作通过劈裂试验、三轴重复荷载试验和 小梁弯曲试验对橡塑改性沥青与SBS改性沥青 在SMA-13级配下的沥青混合料进行性能研究。其中，通过劈裂试验获取沥青混合料的劈裂强 度，并将试验结果应用到有限元模型建模中；通 过三轴重复荷载试验评价高温环境下沥青混合 料永久变形性能;通过小梁弯曲试验获取沥青混 合料的抗弯拉强度与弯拉应变，以评价沥青混合 料的低温性能。2室内试验数据与数值模拟分析2.1试验数据分析沥青混合料试验结果如图1和表3所示。由 图1可以看出,2种沥青混合料在当前试验条件 下均在永久变形达到5.00%时停止试验。橡塑改 性沥青混合料在循环次数为0-800时，试件的永 久变形陡然增加，并在循环次数为800时达到 0.85%。之后,永久变形随着循环次数的增加而平 稳上升，当循环次数为7 821时停止试验,此时试 件永久变形为5.00%。SBS改性沥青混合料在循 环次数为0-850时,试件的永久变形陡然增加,并在循环次数为850时达到1.15%。之后,永久变 形随着循环次数的增加而平稳上升，当循环次数为6 436时，试件永久变形为5.00%。在60七环 境温度下,2种试件的永久变形均达到5.00%时，橡塑改性沥青混合料较SBS改性沥青混合料的 作用次数增加了 21.5%。由此说明橡塑改性沥青 混合料的耐高温性能及抗变形性能更优。由表3 可知,橡塑改性沥青混合料的劈裂强度较SBS改 性沥青混合料增加约19.0%,说明橡塑改性沥青 混合料的抗拉性能优于SBS改性沥青混合料。橡 塑改性沥青混合料的抗弯拉强度与最大弯拉应 变较大，分别为16.34 MPa与4 786“。橡塑改性 沥青混合料较SBS改性沥青混合料抗弯拉强度 与最大弯拉应变分别增加25.4%和14.6%,橡塑 改性沥青混合料的低温抗裂性能优于SBS改性 沥青混合料,上面层使用橡塑改性沥青混合料可 提高沥青路面抗top-down裂缝开裂性能。Fig 1 Tria xia l repea t ed l o a d t est resul t sTable 3 Test results of mechanical properties of asphalt mixturesPil o t pro j ectTest pa ra met erSBS mo dif ied a sph a l t(SMA-13)Rubber-pl a st ic mo dif ied a sph a l t(SMA-13)Spl it t in g t estSpl it t in g st ren gt h/MPa1.371.63Lo w t empera t ure t ra becul a rBen din g a n d t en sil e st ren gt h/MPa13.0316.34Ben din g t estMa ximum f l exura l st ra in/|JL4 1764 786第3期何 伟等.橡塑改性沥青路面t o p-do w n开裂性能分析 185 2.2数值模拟分析将橡塑改性沥青混合料和SBS改性沥青混 合料的劈裂强度进行有限元对比研究分析。本工 作采用六面体八节点单元分析了荷载作用下各 结构层受力的变形情况页。计算模型采用SOLID 186实体单元，选择建模的物理尺寸为3 mx6 m,网格划分尺寸由上至下分别取0.01,0.08,0.10,0.50,0.50mi。在上面层设置裂缝，路面结构所 加荷载为动荷载，作用面积为0.24 mx0.15 m8-10o 标准轴载100 kN条件下轮胎接地压力为0.7 MPa。本工作依次提取了上面层、中面层、下面层及基 层中 8 个关键节点 652 613,652 627,652 648、652 671,652 701,652 760,652 797,652 850 处应 力的变化(如图2和图3所示)。可以看出，在动 荷载作用下，沥青路面结构层裂缝向四周延伸，在层间连接处达到最大，原结构模型裂缝尖端区 域拉应力为435&10伙,剪应力为试验 路结构模型裂缝尖端区域拉应力为5.125x10,剪应力为2.542x10s N。试验路结构模型裂缝尖端 区域拉应力与剪应力较原结构模型分别增加了 17.7%和46.8%,由此说明橡塑改性沥青的各项 性能均优于SBS改性沥青,这与前述二者的试验 结果规律相一致，说明此处为最不利位置。随着深 度的增加，拉应力逐渐减小，沥青路面上面层裂 缝向下延伸，损伤不断累积，从而导致top-down 裂缝的出现。(a)Origin a l st ruct ura l mo del(b)Test ro a d mo delFig 2 Va ria t io n o f t en sil e st ress a t cra ck t ip iiSh-ii irn l iri(a)Origin a l st ruct ura l mo del(b)Test ro a d mo delFig 3 Ten sil e st ress a n d sh ea r st ress o f dif f eren t k ey n o desniirnliir3结论a)橡塑改性沥青混合料的抗拉性能、高温抗 变形性能和低温抗裂性能优于SBS改性沥青混 合料，使用橡塑改性沥青可提高沥青路面抗top-down 裂缝开裂性能，沥青路面抗变形能力得以增 强,力学性能更为优异。b)在动荷载作用下，随着沥青路面结构层裂 缝由其尖端向四周扩展，拉应力逐渐增大，在层 间连接处达到最大,试验路结构模型裂缝尖端区 域拉应力与剪应力较原结构模型分别增加了 17.7%和46.8%；提高沥青路面面层材料的抗拉 性能可以减小沥青路面top-down裂缝并延缓裂 缝扩展速率;数值模拟分析结果与试验结果规律 相一致。参考文献：1 杨三强，刘娜，张帅.荒漠地区耐久性沥青路面结构设计指 标与路面结构力学分析J.河北大学学报(自然科学版)，2016,36(6)：574-582.2 张永平，陆永林，张洪亮，等.基于弹性理论的沥青路面 To p-Do w n开裂机理研究J.公路交通科技，2014,31(4):16-21.3 吕悦晶，应保胜，邹丽琼，等.随机荷载作用下沥青路面应 力应变分析J.公路工程，2018,43(1):94-101.4 艾长发，肖川，曾杰，等沥青路面动应变响应及其动荷载 作用等效换算J.土木工程学报，2017,50(1):123-132.5 宋小金，樊亮.移动荷载作用下沥青路面应力响应的持 续时间J.湖南大学学报(自然科学版)，2018,45(7):71-76.6 钱喜红，关永胜，臧国帅，等.高模量沥青混合料技术路径 与合理评价指标应用研究J.公路,2020,65(1):231-23&-186 合成橡胶工业第46卷7 叶丹燕，廖四萍，张倩，等.沥青路面坑槽修补开槽角度有 限元分析与优化J.公路，2020,65（10）:84-90.8 焦文汇，张月，曹鑫移动荷载作用下半刚性基层沥青路面动 响应分析J.公路交通科技（应用技术版）,2018,14（7）:66-69.9 孙爽，张铁志，周群华.基于离散元法的荷载作用下排 水沥青路面细观分析J.公路交通科技，2019,36（11）:8-16.10吕松涛，李亦鹏，刘超超，等.基于劈裂试验的沥青混合料 拉压模量同步测试方法J.中国公路学报，2017,30（10）:1-7.Analysis on top-down cracking resistance of rubber-plastic modified asphalt pavementHE Wei,LI Xin（Tianjin Institute of Transportation Science,Tian jin,300074,China）Abstract:The properties of rubber-plastic modified asphalt mixture and SBS modified asphalt mixture were compared by splitting test,triaxial repeated load test and small beam bending test,and the stress variation law of the upper layer cracks on asphalt pavement under dynamic load was analyzed by constructing finite element model.The results showed that tensile property and high-temperature deformation resistance of rubber-plastic modified asphalt mixture were better than those of SBS modified asphalt mixture,and rubber-plastic modified asphalt could improve deformation resistance of asphalt concrete pavement.Low-temperature cracking resistance of rubber-plastic modified asphalt mixture was better than that of SBS modified asphalt mixture,and the former could improve the top-down cracking resistance of asphalt pavement Under the action of dynamic load,the tensile stress of the upper layer in the structural layer of asphalt pavement increased gradually,leading to the cracking of top-down crack of asphalt pavement,and rubber-plastic modified asphalt mixture could increase the maximum tensile stress during the failure of the upper layer,resulting in the reduction in the cracking possibility of top-down crack of asphalt pavement.Key words：road engineering;rubber-plastic modified asphalt;top-down cracking resistance;mechanical property;finite element simulation广告索引中国石油石油化工研究院（封2、插1）国家合成橡胶质量监督检验中心&全国橡标委中国石油兰州化工研究中心（插2、插3）合成橡胶分技术委员会（插9）中国石油大庆化工研究中心（插4、插5）大连天晟通用机械有限公司（插 10）合成橡胶评价用国家标准物质/样品（插6）中国石油合成橡胶试验基地低碳环保绿色出行公益广告（插7）多功能溶液&连续乳液聚合中试装置（封3）液体丁睛橡胶产品（插8）中国合成橡胶工业协会（封4）