[发明专利]基于力学的半柔性沥青混合料设计方法

说明书

技术领域

本发明属于道路材料设计技术领域，具体涉及基于力学的半柔性沥青混合料设计方法。

背景技术

沥青路面由于其行驶舒适性和噪音低等优点已成为公路和城市道路的主要路面形式。据统计，我国公路和城市道路将近80％以上的路面都是由沥青材料修筑。然而，在重载、超载、大交通量、夏季高温，以及特殊荷载状况(城市道路交叉口和公共汽车停靠站)等因素的综合作用下，很多新建的沥青混凝土路面在通车不久后就出现车辙等破坏，特别是修筑于山岭地区的沥青路面，往往在通车2～3年后就发生严重的车辙破坏，缩短了大修的周期，造成了严重的资源浪费。为此，道路行业一方面大量采用改性沥青，但造价大幅度提高，车辙问题不能有效根治；另一方面，尝试国外的半柔性路面技术。采用半柔性路面技术，虽然车辙问题得到了有效遏制，但由于以往半柔性沥青混合料都是根据经验来设计，无法全面考虑施工条件、车轮荷载、使用环境和材料特性对混合料的影响，水泥基浆液材料固化过程中发生的收缩和膨胀、施工过程中的振动以及使用过程中的季节变化，都会对大空隙基体沥青混合料产生破坏作用，使得半柔性沥青混合料路面经常会出现严重的裂缝问题。本发明提出的基于力学的半柔性沥青混合料设计方法，通过多尺度有限元方法，分析半柔性沥青混合料各构成材料体积变化对材料宏观性能的影响，并提出混合料各构成材料的设计指标，以保证半柔性路面不会出现裂缝等病害，从而延长路面以及路面结构的使用寿命。本方法可用于各等级公路和城市道路新路面建设，也可在各等级公路和城市道路的路面大修改建工程中应用；可以用于新拌制的沥青混合料，也可以用于再生沥青混合料半柔性路面。具有显著的技术、经济、社会和环境效益。

发明内容

本发明克服现有技术的缺陷，提供基于力学的半柔性沥青混合料设计方法。

本发明技术方案如下。

基于有限元的半柔性沥青混合料多尺度力学分析方法，包括如下步骤：

(1)取板式基体沥青混合料试件，备用；所述板式基体沥青混合料试件由沥青、集料和空隙组成；

(2)制作彩色水泥浆液，并将彩色水泥灌注于板式基体沥青混合料试件的空隙中，置于湿度90％以上环境养生7d；

(3)将养生后的试件切割，采集数字图像，得到集料、水泥浆液、空隙和沥青的具体位置；

(4)将数字图像所得结果使用有限元分析方法，进行多尺度力学分析，得到半柔性路面材料用水泥浆体变形需要满足的材料设计力学指标。

上述方法中，所述板式基体沥青混合料试件的大小规格为30×30×5cm。

上述方法中，半柔性路面材料用水泥浆体变形指标推荐值如下表所示：

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半柔性沥青混合料路面的开裂机理

半柔性沥青混合料作为一种刚柔共存的复合型路面材料，其内部应力的产生主要源于各组成成分不同的变形特征。当内部应力达到某一水平时，路面开始在薄弱部位开裂。一般而言，基体沥青混合料具有较良好的变形性能，在相当长的时间内能够吸收并松弛内部应力。而水泥浆液具有较大的刚度以及较差的体积稳定性，其抗拉性能较差。在水泥浆液在水化硬化过程中或温度剧烈变化的条件下，若基体沥青混合料和水泥浆液的体积的变化无法协调，且变化超过一定的量级时，半柔性材料内部将出现由于应力集中而产生的裂缝，即形成了薄弱部位。由此可见，半柔性路面材料的内部应力分析是设计水泥浆液材料的基本前提。

从力学角度讲，水泥浆液的变形主要包括水化过程中由水分散失而引起的收缩变形，以及硬化后由于温度变化引起的胀缩变形，而基体沥青混合料的体积变化对温度湿度敏感性相对较低，两种材料的变形不协调，使得混合料内部产生收缩应力和膨胀应力，当应力发生集中且超出基体沥青混合料或水泥浆液的极限抗拉强度后，裂缝开始产生，降低了半柔性路面的耐久性。因此，在设计水泥浆液时，需要保证由于其变形导致的材料内部应力小于各材料的极限强度。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

1.本发明方法可以根据实际的材料体积构成特征(沥青、集料和水泥浆体)，分析最大可能变形状态下，半柔性复合材料内部的力学反应(应力、应变等)；

2.本发明提出水泥浆体材料设计应遵循的力学指标要求，避免半柔性复合材料出现裂缝，从而延长半柔性材料所铺筑路面的使用寿命，降低路面的寿命周期成本。

附图说明