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原文传递碾压混凝土基层沥青路面裂缝扩展研究

论文题名：	碾压混凝土基层沥青路面裂缝扩展研究
关键词：	沥青路面;碾压混凝土基层;裂缝扩展;疲劳寿命;扩展有限元
摘要：	随着我国交通量和重载车辆剧增，传统半刚性基层沥青路面易出现早期病害、耐久性较差等缺点逐渐显现出来。研究实践证明，碾压混凝土基层可以弥补半刚性基层的上述缺陷，且契合“长寿命基层”思想。但碾压混凝土基层由于单位用水量较少，故工作性能较差、施工质量难以控制，阻碍了其在高等级公路的大规模应用。同时，碾压混凝土基层材料由于自身特性及环境因素的影响，极易发生收缩开裂，产生不规则初始裂缝，在温度-荷载的共同作用下，会逐渐向面层扩展形成反射裂缝，降低路面承载能力，从而缩短路面服役寿命。　　为此，本文首先进行碾压混凝土基层配合比设计和外掺剂研究，进而建立碾压混凝土基层温缩开裂模型，分析切缝参数对碾压混凝土基层温缩开裂的影响，确定碾压混凝土基层最佳切缝参数。最后，采用扩展有限元法对碾压混凝土基层沥青路面建模分析，研究面层模量、碾压混凝土基层模量、行车荷载及行车速度等因素对碾压混凝土基层沥青路面裂缝扩展的影响。主要研究内容和成果如下：　　（1）采用极差法分析配合比各因素对碾压混凝土基层材料抗压强度的影响程度为：水泥用量﹥用水量﹥级配组成，对碾压混凝土基层抗弯拉强度的影响程度为：水泥用量﹥级配组成﹥用水量，对碾压混凝土基层新拌混合料工作性的影响程度为：用水量﹥水泥用量﹥级配组成。此外，在碾压混凝土基层材料中掺入粉煤灰和聚羧酸减水剂后，抗折强度增加9.4%，改进VC值下降22.6%，说明加入外掺剂可以有效提高施工和易性及路用性能。同时，结合微观结构分析及宏观试验结果，推荐出碾压混凝土基层材料组成如下：级配为0~5mm集料:5~10mm集料:10~20mm集料:20~30mm集料=4:2:2.5:1.5，水泥用量为11.5%，水灰比为0.45，粉煤灰取代量为20%，聚羧酸减水剂掺量占胶凝材料总量的0.7%。　　（2）通过室内试验获得了采用前面推荐材料组成制备的碾压混凝土基层断裂参数，建立了基于扩展有限元的碾压混凝土基层三维温缩开裂模型，分析了碾压混凝土基层温缩开裂的影响规律。结果表明，降温温差为30℃比降温温差为5℃的应力强度因子KⅠ增大7.18倍，J积分增加65.84倍；环境温度从40℃下降到30℃情况下，降温速度为0.3℃/h各指标明显低于降温速度2.0℃/h，降温速度0.3℃/h的应力强度因子是降温速度2.0℃/h的60%，降温速度0.3℃/h的J积分是降温速度2.0℃/h的40%。　　（3）碾压混凝土基层切缝间距和切缝深度对碾压混凝土基层温缩开裂的影响分析表明，切缝间距低于6m或超过7m、切缝深度低于基层厚度的3/8或高于基层厚度的3/10时，应力强度因子和J积分会发生突变。因此，碾压混凝土基层最佳切缝间距为6~7m，最佳切缝深度为基层厚度的3/8~3/10。　　（4）采用ABAQUS有限元软件构建基于扩展有限元的碾压混凝土基层沥青路面结构三维模型，对温度-车载耦合作用下碾压混凝土基层沥青路面裂缝的扩展过程进行模拟，分析面层模量、碾压混凝土基层模量、行车荷载及行车速度等因素对碾压混凝土基层沥青路面裂缝扩展的影响。结果表明，碾压混凝土基层沥青路面的裂缝疲劳扩展寿命为6.9732×106次，相比于传统半刚性基层沥青路面的裂缝疲劳扩展寿命增加12.68%。行车荷载是造成碾压混凝土基层沥青路面裂缝扩展的最重要因素，超载100%情况下的裂缝疲劳扩展寿命为2.5462×106次，比不超载情况下的裂缝疲劳扩展寿命下降63.39%。　　（5）按照前面确定的推荐材料组成及最佳切缝参数在保神高速公路铺筑了碾压混凝土基层试验段，对试验段中容易出现的拌和不均匀、平整度较差等问题进行研究，提出相应的质量控制措施。通过对试验段进行跟踪检测，碾压混凝土基层试验段施工效果良好，抽检结果均满足施工要求，并且除预切缝外，无明显裂缝产生。同时，发现碾压混凝土基层沥青路面相比传统半刚性基层沥青路面的工程造价降低13.29%，具有很好的经济效益，应用前景广阔。
作者：	束裕
专业：	道路与铁道工程
导师：	Robert L.Lytton
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022