珊瑚砂混合料在路面基層中的粘合性能研究

張淑霞

(山東省臨沂市交通運(yùn)輸執(zhí)法支隊(duì)，山東 臨沂 276000)

隨著珊瑚砂在道路修建中的的使用，珊瑚砂混合料有了廣泛的應(yīng)用[1]。此材料是一種新型的道路基層鋪設(shè)材料[2]。珊瑚砂混合料以低成本為亮點(diǎn)，是現(xiàn)階段乃至未來道路修建材料的研究熱點(diǎn)[3]。另外，由于珊瑚砂混合料本身的特性，它推動(dòng)了珊瑚砂類似材料的發(fā)展和探究，并與用于分析道路數(shù)據(jù)和力學(xué)傳導(dǎo)信息的存儲(chǔ)和管理平臺(tái)相結(jié)合[4]。珊瑚砂材料是現(xiàn)代道路鋪設(shè)中的重要材料，以其低成本、普適性好、易推廣而被廣泛研究和應(yīng)用，特別是在海島地區(qū)，珊瑚砂混合料為地區(qū)的道路建設(shè)起到了相當(dāng)大作用[5]。研究將珊瑚砂混合料的混合比例與路面修筑基層的路用性能進(jìn)行比較，以彌補(bǔ)珊瑚砂混合料混合比例與道路路用性能和拉應(yīng)力關(guān)系的研究不足。該材料它具有廣闊的研究前景。

1 珊瑚砂混合料路面應(yīng)力有限元分析

1.1 珊瑚砂水泥混合料配比設(shè)計(jì)

在混凝土生產(chǎn)技術(shù)中，粗粒的質(zhì)量不僅影響新鮮混凝土的特性，而且影響最終強(qiáng)度，抗?jié)B性，耐久性和其他性能[6]。粗粒級(jí)高密料必須具有較高的堆積密度和相對(duì)較低的孔隙率，這可以減少粘合劑的用量和用于濕潤密料表面的水量，并解決因分級(jí)不佳而引起的各種問題。在一定的體積劑量范圍內(nèi)，混凝土的強(qiáng)度隨粗密料數(shù)量的增加而增加[7]。表1顯示了各混合料的配比和響應(yīng)性能，在方案1中，當(dāng)粗細(xì)比例為65∶35時(shí)，通過率分別為100、89.90、78.90、60.67、54.54、32.09、1.01、15.90和1.01，其余級(jí)配方案的對(duì)應(yīng)通過率如表1所示。當(dāng)水泥和珊瑚砂基于以上理論分析和過去的經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)珊瑚砂水泥混合料配比時(shí)考慮了珊瑚礁沙粒的低電阻率和粒子形狀的變化。同時(shí)，確保了顆粒形成高質(zhì)量的支架，并減少顆粒之間的空隙數(shù)量。最后，選取最大密度理論方法中的反向推導(dǎo)方法用于計(jì)算聚集體級(jí)配的粒度分布，通過控制大顆粒(直徑大于4.75 mm的顆粒)的通過速度，可反向計(jì)算混合料的密度，并計(jì)算珊瑚砂料的通過百分率。

表1 級(jí)配組成Tab.1 Grading composition

1.2 珊瑚砂混合料路面應(yīng)力有限元模型建立

根據(jù)珊瑚砂混合料的機(jī)械性能，瀝青路面一般被認(rèn)為是粘彈性塑料體，在計(jì)算此類材料的應(yīng)力時(shí)，會(huì)出現(xiàn)機(jī)械和數(shù)學(xué)問題[8]。珊瑚砂的機(jī)械性能和數(shù)學(xué)問題可以使用模型來呈現(xiàn)。圖1反映了珊瑚砂混合料路面動(dòng)荷載模型，珊瑚砂混合料路面動(dòng)荷載模型：15 m×10 m×6 m，從上到下逐層構(gòu)建路面模型，創(chuàng)建頂層，中間表層，底層，基礎(chǔ)層，下層路基，以及接觸區(qū)；每層之間都填充有固體。在分析和研究瀝青路面的結(jié)構(gòu)時(shí)，通常假定路面的每個(gè)結(jié)構(gòu)層都是平坦的粘彈性層，網(wǎng)格通道是半空間中的彈性體。當(dāng)對(duì)這種類型的尺寸模型執(zhí)行有限元計(jì)算時(shí)，不能認(rèn)為模型的大小是無限的，且只能在仿真過程中建立相對(duì)較大的模型，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)需要重新計(jì)算的問題。因此，有必要正確地確定模型的大小，以確保計(jì)算的準(zhǔn)確性，而無需增加其他計(jì)算的數(shù)量。為此，對(duì)于珊瑚砂混合料路面的設(shè)計(jì)模型，需要充分考慮以上因素。

圖1 動(dòng)荷載模型Fig.1 Dynamic load model

珊瑚砂混合料路面應(yīng)力有限元模型的形狀為長方體，2D模型模塊使用具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)和1個(gè)正方形平面的雙向變形正方形元素，因此減少了積分的累計(jì)；而3D模型模塊使用十六進(jìn)制元素，雖然也是具有8個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維結(jié)構(gòu)，但是減少了積分。珊瑚砂混合料路面應(yīng)力2D模型如圖2所示，圖2(a)為輪印面積簡化圖形，根據(jù)有限元理論，網(wǎng)格單元越多，計(jì)算結(jié)果越準(zhǔn)確，越接近實(shí)際載荷情況，因此該圖形使用較小的網(wǎng)格尺寸，從而避免引起大量的計(jì)算，長為0.871 2L(L為2支點(diǎn)之間的距離，mm)，寬為0.6L，減少計(jì)算要求，因此計(jì)算速度較高。圖2(b)為珊瑚砂混合料路面應(yīng)力有限元模型的標(biāo)準(zhǔn)軸載示意圖，我國的瀝青路面通常以100 kN單軸雙軸為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)載荷，根據(jù)圖2中所示矩形區(qū)域的高度、寬度比，獲得標(biāo)準(zhǔn)軸向載荷的矩形區(qū)域：矩形長度a=22.78 cm(沿行進(jìn)方向)，寬度b=15.68 cm。在負(fù)載區(qū)域，使用網(wǎng)絡(luò)均勻分布的方法對(duì)其進(jìn)行劃分，由于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)負(fù)載模型的網(wǎng)絡(luò)分布相同，為了提高網(wǎng)格的質(zhì)量并減少分離網(wǎng)格的難度，在等效法的基礎(chǔ)上，將輪胎與地面的接觸面積簡化為等面積的矩形區(qū)域。

圖2 輪印面積與標(biāo)準(zhǔn)軸載路面應(yīng)力有限元模型關(guān)系圖Fig.2 Relationship between wheel print area and standardaxle load pavement stress finite element model

2 珊瑚砂混合料路用性能之力學(xué)響應(yīng)分析

2.1 靜荷載作用下的基層力學(xué)響應(yīng)

半剛性瀝青路面的損壞首先發(fā)生在半剛性基層的底部，此時(shí)，瀝青路面的變形非常小，并且由于上部結(jié)構(gòu)的損壞而導(dǎo)致的裂紋擴(kuò)展到路面，致使路面的變形大大增加[9]。因此，基層厚度與層底拉應(yīng)力決定了珊瑚砂混合料在其路用性能中的實(shí)際表現(xiàn)。由于底涂層的材料保持不變，因此研究從底涂層的最大拉應(yīng)力的2個(gè)影響因素進(jìn)行探討，分別為底涂層的厚度、基層的厚度。圖3展示了基層厚度與層底拉應(yīng)力關(guān)系，隨著基礎(chǔ)層厚度的增加，該層下部的最大拉應(yīng)力會(huì)增加；但這種增加在達(dá)到一定程度后會(huì)逐漸減小，下降至每個(gè)基礎(chǔ)層的模量以下，基礎(chǔ)層的厚度從25 cm增至40 cm，底層的拉應(yīng)力最小增加為9.67%，最大增加為13.03%；如果厚度從35 cm變?yōu)?0 cm，則最大張力增加僅為1.98%，因此，可看出改變底涂層的厚度對(duì)底涂層的拉伸應(yīng)力幾乎沒有影響。隨著底涂層厚度的減小，底涂層底部的最大拉伸應(yīng)力增加；當(dāng)厚度為15 cm時(shí)，基層厚度對(duì)厚度為25、30、35 cm的基層拉伸應(yīng)力不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖3 基層厚度與層底拉應(yīng)力關(guān)系Fig.3 Relationship between base layer thickness and tensile stress at bottom of layer

珊瑚砂混合料的基層模量受到層底拉應(yīng)力的影響，二者呈正相關(guān)，但是基層模量還受基層厚度的影響。圖4為不同基層厚度下基層模量與層底拉應(yīng)力的關(guān)系圖，顯示了基礎(chǔ)層模量對(duì)基礎(chǔ)層底部最大拉伸應(yīng)力的影響。

圖4 不同基層厚度下基層模量與層底拉應(yīng)力的關(guān)系Fig.4 Relationship between base modulus and bottom tensile stress under different base thickness

由圖4可知，對(duì)不同基層厚度下基層模量與層底拉應(yīng)力的關(guān)系呈現(xiàn)出一元二次相關(guān)，當(dāng)基礎(chǔ)層為40 、15 cm厚時(shí)，珊瑚砂混合料路面結(jié)構(gòu)層底部的拉伸應(yīng)力最大?；鶎酉虏恐械睦鞈?yīng)力隨著基礎(chǔ)層的模量的增加而增加，在基底層的厚度不同的情況下，基底層的拉伸應(yīng)力從771 MPa增至950 MPa，基底層的拉伸應(yīng)力的最大增加值為24.5%，最小增加值為20.79%；在基層厚度不同的情況下，土壤拉應(yīng)力最大增加為20.79%，最小為19.68%。從以上分析可以看出，增加基礎(chǔ)層的模量比改變基礎(chǔ)層的厚度對(duì)基礎(chǔ)層的拉伸應(yīng)力具有更大的影響，并且基礎(chǔ)層的厚度對(duì)基礎(chǔ)層的拉伸應(yīng)力產(chǎn)生的作用有限。

2.2 行車荷載作用下的基層力學(xué)響應(yīng)

2.2.1路面應(yīng)力在各基層模量的時(shí)間歷程走勢

在實(shí)際操作中，考慮道路結(jié)構(gòu)在連續(xù)載荷下的機(jī)械狀態(tài)，則靜態(tài)分析可以滿足要求；但在現(xiàn)實(shí)生活中，路面是短時(shí)間發(fā)生力量載荷增加的，并且長時(shí)間處于重載荷的循環(huán)狀態(tài)，因此，在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)該使用動(dòng)態(tài)分析[10]。圖5為珊瑚砂混合料路面應(yīng)力在各基層模量的時(shí)間歷程走勢。

圖5 珊瑚砂混合料路面應(yīng)力在各基層模量的時(shí)間歷程Fig.5 Time history of coral sand mixture pavement stress in each base modulus

由圖5可知，在路面應(yīng)力增大的情況下，最差的路面結(jié)構(gòu)組合的拉應(yīng)力減小。在基礎(chǔ)層的厚度為40 cm時(shí)，在15 cm寬度的道路上的較低拉伸應(yīng)力隨基礎(chǔ)層模塊的變化而變化。驅(qū)動(dòng)負(fù)載是動(dòng)態(tài)負(fù)載，并且施加在路面上的負(fù)載會(huì)隨時(shí)間波動(dòng)，根據(jù)基層的不同彈性模量，沿位移方向的土壤張力曲線隨時(shí)間變化而變化，當(dāng)運(yùn)輸負(fù)荷接近觀察點(diǎn)時(shí)，主層下部的拉應(yīng)力急劇增加；在其他情況下，壓力和應(yīng)力在基礎(chǔ)層的底部交替出現(xiàn)，但是隨著負(fù)載的增加，應(yīng)力絕對(duì)值遠(yuǎn)小于峰值，且在0～0.3 s，振動(dòng)趨勢與0.5～0.7 s時(shí)的基本相同。當(dāng)遠(yuǎn)離觀察點(diǎn)時(shí)，拉應(yīng)力在主層的底部交替出現(xiàn)；接近觀察點(diǎn)時(shí)，層下部的拉伸應(yīng)力急劇上升，這很容易導(dǎo)致基層下部的裂紋；珊瑚砂混合料路面應(yīng)力在不同街道寬度上也顯示為不同級(jí)別應(yīng)力。同樣，比較每個(gè)基礎(chǔ)層彈性模量的峰值拉伸應(yīng)力值，發(fā)現(xiàn)改變基礎(chǔ)層的模量對(duì)珊瑚砂混合料路面應(yīng)力也有一定影響[11]。

2.2.2拉應(yīng)力極大值與基層模量的關(guān)系

基層的模量差異對(duì)下層的最大拉伸應(yīng)力具有一定的影響[12]。為了研究基礎(chǔ)層模量對(duì)層底部最大拉伸應(yīng)力的影響，比較每種類型的基礎(chǔ)層模量的峰值拉伸應(yīng)力值；圖6為拉應(yīng)力極大值與基層模量的關(guān)系圖。

圖6 拉應(yīng)力極大值與基層模量的關(guān)系Fig.6 Relationship between maximum tensile stress and base modulus

由圖6可知，隨著基層模量的增加，拉應(yīng)力趨于增加，這與靜態(tài)載荷下彈性模量和拉伸應(yīng)力之間的關(guān)系基本一致[13]。同樣，比較每個(gè)基礎(chǔ)層模塊的峰值張力值，可以看出更改基層模量也會(huì)對(duì)拉應(yīng)力極大值產(chǎn)生一些影響，基層模量在道路寬度方向上的最大拉應(yīng)力隨模量的增加而增加；但與步行道路寬度方向上的最大拉應(yīng)力進(jìn)行比較，觀察到每個(gè)基層模量下的最大拉應(yīng)力的最大值低于應(yīng)力行進(jìn)方向，這也證實(shí)了在根據(jù)道路規(guī)則設(shè)計(jì)道路結(jié)構(gòu)時(shí)，基層拉應(yīng)力基于力量施加行進(jìn)方向而發(fā)生改變。隨著混合料中大顆粒比例的減少和水泥用量的增加，各種類型的抗拉強(qiáng)度也顯著增加。受路面設(shè)計(jì)和車軸載荷標(biāo)準(zhǔn)的影響，無論是靜態(tài)載荷還是動(dòng)態(tài)載荷每個(gè)接頭基層的較低拉伸應(yīng)力都比內(nèi)部測試時(shí)的斷裂值小得多[14]。

由于拉應(yīng)力和基層模量被認(rèn)為是會(huì)受一系列因素如路面載荷，抗壓強(qiáng)度和建筑成本影響，分析靜態(tài)載荷下混合料厚度，混合料彈性模量和混合料張力，結(jié)果表明，基層的拉伸應(yīng)力隨基層模量的厚度和彈性模量的增加而增加，改變基層厚度對(duì)土壤層的拉應(yīng)力的影響最大，當(dāng)把基層厚度改變5 cm時(shí)，基層厚度對(duì)土壤層的拉應(yīng)力影響最高可達(dá)36.54%；在基礎(chǔ)層的彈性模量為771～950 MPa的影響范圍內(nèi)，基礎(chǔ)層的彈性模量對(duì)層的底部的拉伸應(yīng)力的影響程度其次，占層底部強(qiáng)度的20%，厚度為25～40 cm的基層底部的最大張力增加僅為12.03%。通過靜載荷比較，可以分析出基層為40 cm厚時(shí)，基層底部具有最大拉伸應(yīng)力。基層模量受珊瑚砂混合料的比例不同而發(fā)生變化，在標(biāo)準(zhǔn)軸向載荷的作用下，除了編號(hào)2號(hào)、3號(hào)材料外，其他都達(dá)到了基層的極限載荷值；編號(hào)1號(hào)材料的應(yīng)力遠(yuǎn)高于內(nèi)部測試期間獲得的值。為確?；旌狭蠌?qiáng)度合規(guī)性和多功能性，因此編號(hào)1號(hào)珊瑚砂混合料被認(rèn)為是最佳混合料配比組合。

3 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，道路的建設(shè)已成為我國促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。但是，若缺乏建筑材料則會(huì)限制道路的修建[15]。通過有限元模擬用于適用于高速公路基礎(chǔ)層的多種珊瑚砂混合料的混合比，結(jié)果表明：在靜態(tài)條件下，基層的拉伸應(yīng)力隨基層厚度的增加而增加，基層厚度對(duì)層底部的拉伸應(yīng)力影響最大；其次是基層模量。當(dāng)基礎(chǔ)層為40 cm厚，拉應(yīng)力最大；當(dāng)遠(yuǎn)離觀察點(diǎn)時(shí)，土壤層會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，隨著移動(dòng)載荷接近觀察點(diǎn)，基層底部的拉應(yīng)力急劇上升并迅速達(dá)到峰值。除了編號(hào)為2號(hào)、3號(hào)的材料外，其他混合物的拉應(yīng)力較低；因此建議編號(hào)為1號(hào)的珊瑚砂混合料為最佳珊瑚砂混合料。由于珊瑚砂顆粒的形狀不均勻，如果使用不同形狀的珊瑚砂作為基礎(chǔ)材料，則會(huì)導(dǎo)致不同的機(jī)械性能[16]。為了獲得最佳的機(jī)械性能，有必要對(duì)每種形狀的顆粒的比例進(jìn)行適當(dāng)?shù)难芯俊?/p>