半柔性路面材料动态模量的数值模拟分析文献综述

 2023-08-28 03:08

文献综述(或调研报告):

摘要:下文以半柔性路面材料动态模量的数值模拟分析为研究中心,首先就国内外对半柔性路面的研究现状做了陈述,展示了半柔性路面材料广泛的应用前景。其次对国内外关于沥青混合料动态模量的相关试验和研究做了总结,最后,对有限元分析的方法在沥青混合料动态模量数值模拟以及预测领域的应用举了几个实际案例,对其应用于半柔性路面材料动态模量的数值模拟分析具有借鉴和参考价值。

关键词:半柔性路面,动态模量,数值模拟,有限元分析

3.1引言

随着我国交通运输行业的发展,半柔性路面作为一种刚柔并济的新型路面形式逐渐走进了我们的视线。相较于刚性路面和柔性路面,半柔性路面具有更优秀的抗车辙能力、高温温度性以及耐久性,故而广泛应用于停车场和机场等重载交通路段,具有广泛的应用前景。关于半柔性路面的各类研究中,半柔性路面材料动态模量方面的研究一直是热点之一。同时,有限元分析的方法因其对非线性问题分析的准确性也广泛应用于相关领域的研究中。下文就国内外对半柔性复合路面材料的相关研究、应用现状,沥青混合料动态模量的测定及动态模量主曲线的研究现状,有限元方法的引入三部分内容分别做了简述。

3.2国内外研究现状

3.2.1半柔性路面

在国外,法国最先针对半柔性路面材料开展了相关研究工作。“灌水泥开级配沥青混凝土路面施工法”于1954年在法国研制成功,随即应用于喷气式飞机机场跑道试验段的铺筑中,主要利用它来抵抗热损害,这也是最早的灌入式半柔性路面[1]。之后英国,美国,德国,日本等国家也对半柔性路面材料开展了相关研究。1961 年,日本在经过相关研究之后,申请了以“半柔性路面和半柔性路面施工法”为名的专利,次年即应用于东京高速公路的铺筑上。半柔性路面这种路面形式随即在日本迅速发展,日本大林道路株式会社、日本铺道株式会社以及鹿岛道路株式会社等多家施工单位都进一步开展了相关研究[2][3]。前苏联将水泥砂浆作为第二结合料加入沥青混凝土中进行了拌和压实[4],成功提高了混合料的温度稳定性以及路面抵抗车辙的能力,但是路面的抗裂性则相对较差。英国在摊铺后的开级配沥青碎石路面中灌入树脂水泥砂浆以提高沥青混合料的温度稳定性[5][6]。这些研究都从不同方面说明了半柔性沥青路面相对于传统沥青路面具有更优秀的高温稳定性、低温抗裂性并延长了路面的使用寿命。相应的研究成熟之后,半柔性路面也得到了更为广泛的实际应用,包括各级公路、停车场、机场等重载交通路段。1970年后,丹麦在哥本哈根机场铺筑的半柔性路面超过30万平方米,证明了此种路面结构可以应用于重载交通路段[7][8]。1987-2002年间,美国在10个以上的州的路面工程以及10余条机场路面的铺筑中采用了灌注式半柔性面层,均取得了良好的效果[9][10]。而近年来,半柔性路面更多地在机场路面得到了应用。丹麦的Densit[11]公司除了研制出Densiphalt(一种性能良好的半柔性材料,广泛应用于停机坪、除冰带等)外,还通过引入钢筋研制出了可以明显改善半柔性铺面的钢筋半柔性铺面,很大程度上提高了半柔性路面抗静荷载的能力并改善了它的抗车辙性能。且半柔性路面材料在多年实际应用中已形成一套从铺筑到路面打磨的成熟施工体系,其高强度、抗车辙的特性也使得半柔性铺面经打磨后致密、美观且耐久性好。除了综合性能满足使用需求之外,半柔性路面材料还具有价格优势和施工后24小时可交付使用的特性,这使得半柔性材料的应用更加广泛[12]

国内对于半柔性路面材料的研究起步较晚。1986年,同济大学林秀贤[13]教授等人最早以《新型路面的复合材料-特种沥青混合料的研究》为研究课题,采用拌和或灌浆法将水泥浆体作为第二结合料掺入到开级配的沥青混合料中制成一种特种沥青混合料,其具有较好的高温稳定性、低温抗裂性、耐久性等,并于同年年底应用于广东省惠深线试验路段。1997年,华南理工大学张肖宁教授与吉林省交通厅合作立项题为“半柔性铺装材料的研究”课题[14][15][16],针对我国东北严寒地区,提出了适用的半柔性路面材料设计方法与性能评价指标。长安大学的郝培文[17][18]等人以灌注式半柔性复合路面材料性能为方向,主要针对改善复合材料低温稳定性等进行了研究,对水泥胶浆的配比进行优化设计,并提出了系统的配合比设计方法以及采用合理的性能评价体系进行综合的评估。长安大学的程磊[19]从微观角度,利用扫描电镜获取微观图片以分析半柔性路面材料的强度形成机理,认为在水泥胶浆的凝结硬化过程中所产生的针状和棒状晶体通过嵌入到沥青膜中而使得结构联结成为整体,其水化产物透过沥青层与集料相作用。在水泥浆体,矿料及沥青三者相互间的物理-化学作用下,形成一种以沥青胶浆凝胶结构与水泥胶浆晶体、凝胶体水泥石形成的复杂的网络结构,是一种极具发展前景的新型复合材料。长沙理工大学的查旭东[20]通过对母体沥青混合料以及树脂水泥砂浆的组成及配合比研究,确定了树脂改性水泥砂浆的配合比和评价方法,进而分析其强度形成机理。上海市政研究院的刘益群[21]也针对灌浆式半柔性复合路面混合料的路用性能进行了相关试验。国内各高校及设计单位对半柔性路面材料的研究主要集中于配合比设计以及应用手段方面,而对水泥胶浆渗透性与收缩特性、有机-无机界面的粘合增强及抗裂性能等方面研究还不够深入。但不可否认的是,这些研究都一定程度上从不同角度证明了半柔性路面材料所具有的优良路用性能和广泛应用前景。事实上,目前半柔性路面材料在我国工程实例中的应用已不在少数,除了大量应用于普通重交通量路段之外,还少量应用于市政道路及市政道路的维修处置项目:2016年,超早强半柔性路面技术依托于南京市江宁区诚信大道交叉路口的路面车辙处置工程进行了实地的铺筑应用。在进行相应的室内试验以及路段的使用过程中路用性能的观测与评价后,分析得出半柔性路面具有优秀的高温抗车辙性能以及经济成本优势,应用于市政道路维修改造工程中也可以带来显著的社会效益[22]。这些无一不论证了半柔性道路在国内良好的发展趋势。

3.2.2动态模量

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