梯度功能复合路面设计原理与实现方法
发布时间：2021-08-16 18:47
路面是道路工程的主体结构,由多个结构层和功能层组成,它应同时满足车辆荷载、水、温度作用下的耐久性、行车安全性与舒适性要求.然而,目前沥青路面的结构寿命和服役性能远未达到人们对路面长寿命和高性能的期望.其原因不仅仅是材料因素与施工质量问题,还在于现有设计理论与指标体系尚不能满足长寿命路面设计的需要,路面材料-结构-工艺一体化的设计原则也未得到有效贯彻.由于设计年限较短,现有路面材料的力学性能与疲劳寿命很容易满足设计年限内重复荷载作用的要求.随着路面长寿命设计目标的提升,构建新的路面设计理论体系也成为关键性科学问题.因此,为探究路面结构的变革和发展,本文首先从沥青路面的结构性破坏特征出发,探讨了路面开裂类型及其产生的细观机制,明确了路面材料组成特性和层状结构界面状态对开裂控制的作用原理;其次,在总结分析路面弹性层状理论体系的基础上,提出了梯度功能复合路面设计理论与方法,并推荐了梯度功能复合路面的结构组合和设计流程;进而提出采用高性能功能复合材料,并通过弱化或消除界面效应的层间处治技术来实现梯度功能复合路面;最后,结合梯度功能结构设计理念在桥面铺装工程的实践,探索了梯度功能复合路面设计与施工...
【文章来源】：科学通报. 2020,65(30)北大核心EICSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
(网络版彩色)梯度功能材料的概念图[6].(a)均质材料;(b)双层复合材料;(c)梯度功能材料
我国1978版《公路柔性路面设计规范》(以下简称《规范》)采用双圆均布荷载作用下双层弹性体系理论作为力学模型,以荷载圆中心处的回弹弯沉值作为设计标准.郭大智和冯德成[17]提出的“郭大智解法”为力学响应的计算提供了极大便利.为了适应沥青路面结构厚度不断变厚、层数也不断增多的需求,1997版《规范》将多层弹性体系作为力学模型,将设计初期的路表弯沉作为设计指标,以确定沥青路面结构层厚度.2006版《规范》同样以多层弹性体系理论作为力学模型,并完善了结构组合设计原则与设计参数确定方法.2017版《规范》仍以多层弹性体系理论作为力学模型,并采用沥青层疲劳与永久变形、无机结合料稳定类基层疲劳、路基永久变形等作为沥青路面结构的设计指标.图4 均质多层路面(a)和梯度功能复合路面(b)示意图
裂纹的产生与材料自身密切相关.当沥青路面材料和结构承受交通或环境荷载时,不可避免地会在局部高应力区形成微小裂纹,并逐步扩展致断裂.沥青面层和无机结合料稳定类基层混合料均为典型的复合材料,具有多层次、多相夹杂的材料组成特点,即使外观看起来较为均匀的沥青结合料和水泥胶凝材料,实际上也是由物理和化学性质完全不同的多相成分构成.根据沥青面层混合料不同尺度下材料组成特点,从分子尺度到宏观尺度,沥青路面结构层材料内部均存在大量的原始缺陷(空隙、界面等),很容易形成局部高应力区[11].从材料设计角度出发,通过引入具有高模量和超弹性高性能复合材料,控制沥青路面各结构层材料的内部缺陷,将有助于提高沥青路面材料在承受外界荷载时的自身抗力,改善其抗裂性能.例如,树脂类结合料、聚合物改性类沥青在路面中的使用可以提高其与矿料的界面黏结性;振动拌和技术在无机结合料稳定类基层生产中的应用,则可以提升水泥和填料在混合料中的分布均匀性,减少空隙尺寸和数量,形成具有更好强度和耐久性的基层材料.当然,即使在沥青路面结构层中采用高性能复合材料,由于交通和环境荷载下结构受力特点,沥青路面中仍将存在稳定的高应力区域,裂缝的出现将不可避免,由此如何延缓裂缝的扩展将决定着沥青路面结构的服役性能.以沥青层底的bottom-up开裂为例,按照多层结构裂纹扩展规律,当上下结构界面采用高性能黏结层时,不同沥青结构层间可视为连续状态,此时沥青面层整体承担荷载作用,将可以有效降低结构层底应力水平,延缓裂纹扩展(图3(a)).层间为非连续的滑动态时,裂纹向上扩展到界面层时,将改变扩展方向,形成沿结构层界面的多裂纹扩展态.由于层间滑动导致上结构层底弯拉高应力区重分布,将进一步加剧层间多裂纹扩展,导致结构层性能劣化(图3(b)).当上下结构层力学属性相差较大时,以无机结合料稳定类基层开裂导致的向上反射裂缝为例(图3(c)),由于结构属性差异过大,此时宜从结构上着手,引入具有能量耗散作用且与上下黏结良好的功能层(如应力吸收层),降低裂纹前端的应力奇异性,并通过自身的均匀变形将扩展的裂纹分散至更大的区域中,避免裂纹的连通和失稳扩展,减缓裂纹扩展速率[12].因此,需要根据不同需求在结构层界面处设置合理的功能层.
【参考文献】：
期刊论文
[1]车桥耦合下钢桥面沥青铺装层动力响应研究[J]. 李梦琪,张锋,冯德成,于丽梅. 工程力学. 2019(12)
[2]环氧树脂在桥面铺装防水层中的应用研究[J]. 习磊,黄维蓉. 中外公路. 2016(06)
[3]新型环氧沥青桥面防水粘结层的试验研究[J]. 苏忍让,安中进,宋绪丁. 筑路机械与施工机械化. 2015(05)
[4]基于流水作业法的沥青混凝土路面双层摊铺施工组织研究[J]. 王选仓,张涛,鲍薪竹,石鑫. 公路. 2014(04)
[5]树脂混凝土制备及力学性能研究进展[J]. 王赟,张波,张科强,孟宏睿. 硅酸盐通报. 2013(10)
[6]三点弯曲纤维增强混凝土缺口梁的断裂性能试验研究[J]. 曹鹏,冯德成,曹一翔,左文锌. 工程力学. 2013(S1)
[7]桥面水泥混凝土含水率对防水层粘结性能的影响[J]. 冯德成,魏文鼎,詹苏涛. 公路交通科技. 2013(05)
[8]整桥-温度-重载耦合作用下钢桥面黏结层力学分析[J]. 钱振东,刘龑. 东南大学学报(自然科学版). 2012(04)
[9]沥青混凝土小梁断裂路径数值模拟研究[J]. 曹鹏,冯德成,曹一翔. 公路. 2012(06)
[10]沥青路面双层摊铺层间效果研究[J]. 杨育生,穆柯,王选仓,王朝辉. 公路交通科技(应用技术版). 2012(03)
博士论文
[1]沥青路面多尺度力学分析方法及模型研究[D]. 曹鹏.哈尔滨工业大学 2014
[2]深季节冻土区重载汽车荷载下路基动力响应与永久变形[D]. 张锋.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]桥面铺装热接式防水粘结层关键技术研究[D]. 魏文鼎.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3346198
【文章来源】：科学通报. 2020,65(30)北大核心EICSCD
【文章页数】：17 页
【部分图文】：
(网络版彩色)梯度功能材料的概念图[6].(a)均质材料;(b)双层复合材料;(c)梯度功能材料
我国1978版《公路柔性路面设计规范》(以下简称《规范》)采用双圆均布荷载作用下双层弹性体系理论作为力学模型,以荷载圆中心处的回弹弯沉值作为设计标准.郭大智和冯德成[17]提出的“郭大智解法”为力学响应的计算提供了极大便利.为了适应沥青路面结构厚度不断变厚、层数也不断增多的需求,1997版《规范》将多层弹性体系作为力学模型,将设计初期的路表弯沉作为设计指标,以确定沥青路面结构层厚度.2006版《规范》同样以多层弹性体系理论作为力学模型,并完善了结构组合设计原则与设计参数确定方法.2017版《规范》仍以多层弹性体系理论作为力学模型,并采用沥青层疲劳与永久变形、无机结合料稳定类基层疲劳、路基永久变形等作为沥青路面结构的设计指标.图4 均质多层路面(a)和梯度功能复合路面(b)示意图
裂纹的产生与材料自身密切相关.当沥青路面材料和结构承受交通或环境荷载时,不可避免地会在局部高应力区形成微小裂纹,并逐步扩展致断裂.沥青面层和无机结合料稳定类基层混合料均为典型的复合材料,具有多层次、多相夹杂的材料组成特点,即使外观看起来较为均匀的沥青结合料和水泥胶凝材料,实际上也是由物理和化学性质完全不同的多相成分构成.根据沥青面层混合料不同尺度下材料组成特点,从分子尺度到宏观尺度,沥青路面结构层材料内部均存在大量的原始缺陷(空隙、界面等),很容易形成局部高应力区[11].从材料设计角度出发,通过引入具有高模量和超弹性高性能复合材料,控制沥青路面各结构层材料的内部缺陷,将有助于提高沥青路面材料在承受外界荷载时的自身抗力,改善其抗裂性能.例如,树脂类结合料、聚合物改性类沥青在路面中的使用可以提高其与矿料的界面黏结性;振动拌和技术在无机结合料稳定类基层生产中的应用,则可以提升水泥和填料在混合料中的分布均匀性,减少空隙尺寸和数量,形成具有更好强度和耐久性的基层材料.当然,即使在沥青路面结构层中采用高性能复合材料,由于交通和环境荷载下结构受力特点,沥青路面中仍将存在稳定的高应力区域,裂缝的出现将不可避免,由此如何延缓裂缝的扩展将决定着沥青路面结构的服役性能.以沥青层底的bottom-up开裂为例,按照多层结构裂纹扩展规律,当上下结构界面采用高性能黏结层时,不同沥青结构层间可视为连续状态,此时沥青面层整体承担荷载作用,将可以有效降低结构层底应力水平,延缓裂纹扩展(图3(a)).层间为非连续的滑动态时,裂纹向上扩展到界面层时,将改变扩展方向,形成沿结构层界面的多裂纹扩展态.由于层间滑动导致上结构层底弯拉高应力区重分布,将进一步加剧层间多裂纹扩展,导致结构层性能劣化(图3(b)).当上下结构层力学属性相差较大时,以无机结合料稳定类基层开裂导致的向上反射裂缝为例(图3(c)),由于结构属性差异过大,此时宜从结构上着手,引入具有能量耗散作用且与上下黏结良好的功能层(如应力吸收层),降低裂纹前端的应力奇异性,并通过自身的均匀变形将扩展的裂纹分散至更大的区域中,避免裂纹的连通和失稳扩展,减缓裂纹扩展速率[12].因此,需要根据不同需求在结构层界面处设置合理的功能层.
【参考文献】：
期刊论文
[1]车桥耦合下钢桥面沥青铺装层动力响应研究[J]. 李梦琪,张锋,冯德成,于丽梅. 工程力学. 2019(12)
[2]环氧树脂在桥面铺装防水层中的应用研究[J]. 习磊,黄维蓉. 中外公路. 2016(06)
[3]新型环氧沥青桥面防水粘结层的试验研究[J]. 苏忍让,安中进,宋绪丁. 筑路机械与施工机械化. 2015(05)
[4]基于流水作业法的沥青混凝土路面双层摊铺施工组织研究[J]. 王选仓,张涛,鲍薪竹,石鑫. 公路. 2014(04)
[5]树脂混凝土制备及力学性能研究进展[J]. 王赟,张波,张科强,孟宏睿. 硅酸盐通报. 2013(10)
[6]三点弯曲纤维增强混凝土缺口梁的断裂性能试验研究[J]. 曹鹏,冯德成,曹一翔,左文锌. 工程力学. 2013(S1)
[7]桥面水泥混凝土含水率对防水层粘结性能的影响[J]. 冯德成,魏文鼎,詹苏涛. 公路交通科技. 2013(05)
[8]整桥-温度-重载耦合作用下钢桥面黏结层力学分析[J]. 钱振东,刘龑. 东南大学学报(自然科学版). 2012(04)
[9]沥青混凝土小梁断裂路径数值模拟研究[J]. 曹鹏,冯德成,曹一翔. 公路. 2012(06)
[10]沥青路面双层摊铺层间效果研究[J]. 杨育生,穆柯,王选仓,王朝辉. 公路交通科技(应用技术版). 2012(03)
博士论文
[1]沥青路面多尺度力学分析方法及模型研究[D]. 曹鹏.哈尔滨工业大学 2014
[2]深季节冻土区重载汽车荷载下路基动力响应与永久变形[D]. 张锋.哈尔滨工业大学 2012
硕士论文
[1]桥面铺装热接式防水粘结层关键技术研究[D]. 魏文鼎.哈尔滨工业大学 2012
本文编号：3346198
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