AMSE 材料科学与工程的发展 1687 - 8442 1687 - 8434 Hindawi 10.1155 / 2021/7073229 7073229 研究文章 研究路面结构的变形与多元有机水硬性混合驱动负荷下基于仿真和实验 顾 Hairong 1 赵 Lingying 1 https://orcid.org/0000 - 0002 - 8301 - 5843 叶 最小值 1 李 庸 1 徐 鑫鑫 1 2 左 Xianbao 2 Criado 玛拉 1 公路养护设备国家工程实验室 长安大学 西安710064年 中国 chd.edu.cn 2 河南Gaoyuan维修技术的高速公路有限公司。 新乡453003 中国 2021年 11 10 2021年 2021年 14 4 2021年 13 9 2021年 11 10 2021年 2021年 版权©2021 Hairong Gu et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

全球变暖与交通量的持续增长,对路面车辙变形是常见的。一种新型的路面混合,提出了一种半柔性的混合物,解决传统的容易变形和低骑质量路面混合物。它可以分为浇注类型和混合类型根据施工方法。然而,很少有研究混合半柔性的混合物(即。,multiplex organic hydraulicity (MOH) mixtures) in the current literature, so the deformation of pavement under driving loads was studied based on the MOH mixture in this paper. Four types of pavement composed of the traditional mixture and MOH mixture (i.e., AC13-AC20, AC13-MOH, MOH-MOH, and MOH-AC20) were selected to achieve the purpose of the research. Based on these four types of pavement, the deformation of the pavement was studied by simulations and experiments. The results show that the deformation of the upper layer is almost the same for these four types of pavement and that the deformation of the middle layer changes substantially for these four types of pavement. In regard to the deformation, the relationship is MOH-MOH < AC13-MOH < MOH-AC20 < AC13-AC20. In addition, the contribution rate of the deformation of the middle layer is much greater than that of the upper layer. The antideforming ability of the whole pavement can be improved by using the MOH mixture as the middle layer of the pavement, which means that the performance of the MOH mixture can achieve the best performance when it is applied to the middle layer.

 国家科技支撑计划 2015年baf07b08 中国国家重点研发项目 2018年yfe0120200 河南省重大科技项目 191110211500 1。介绍

全球变暖以及交通量的持续增长,路面损坏路面上很常见,特别是路面的车辙变形,如图 1( 1]。提出了一种新型的路面混合解决容易变形和低骑传统路面混合物的质量。这种新的混合不仅沥青混合物的灵活性,但也有水泥混合物的刚度,所以它被称为半柔性的混合物或半刚性的混合物 2]。半柔性的混合物分为浇注类型和混合类型根据施工方法( 3]。前者是热混合和冷涌的结合,这个过程是复杂的,具有挑战性的控制施工质量。然而,卫生部的混合半柔性的混合物是一种混合物的乳化沥青水泥混合物作为粘结剂( 4, 5]。这可以实现典型温度建设,特别是在高山地区( 5]。混合半柔性的混合物已经极大的兴趣公路全球专家近年来因其施工方便、减少能源消耗和环境保护。根据文献,能源消耗和碳排放的卫生部混合物在施工期间81.60 MJ / t和6.05公斤/ t分别低71.20%比传统沥青路面( 6]。

路面的车辙损坏。

乳化沥青水泥砂浆混合物的研究主要集中在混合比( 7, 8)、性能( 5, 9- - - - - - 14),混合时间( 15)、强度形成机理( 7, 16, 17),等等。路面材料,理解他们的表现是最重要的。锣等人研究了裂纹阻力的半柔性的混合物,和结果表明,混合使用改性沥青粘结剂和纤维有更少的裂缝 18]。刘等人研究了粘结剂对混合物的性质的影响。的影响结果表明,水泥和乳化沥青的性能(抗拉和抗压强度)是非线性的,乳化沥青和水泥的最佳数量被确定为2.9%和1.5%回收材料,分别是( 16, 19]。Jahanbakhsh等人研究了水泥乳化沥青砂浆的抗疲劳开裂行为,和最合适的参数来评价抗疲劳开裂是指定的 20.]。Moghadas等人认为水泥乳化沥青砂浆的力学和疲劳性能;结果表明,单轴抗压强度和间接抗拉强度提高通过将硅灰 21]。张等人研究了乳化沥青水泥砂浆的粘度。得出水泥水化物的结构不仅改善了砂浆的一致性,但也导致了优化乳化沥青的粘附和成膜效果 22]。

发挥最佳性能(即方法。,rutting resistance) of the pavement mixture are worthy of attention and research. At present, asphalt pavement composed of a bottom layer, middle layer, and upper layer [ 23)已经被大量研究。例如,李等人研究了两种双层沥青路面高温性能由AC-13、AC-20,并使用基于分形理论的分形维度SMA-13混合物;结果表明,变形(即分为两个阶段。,densification and flow deformation), ant that the top layer made of AC-13 presented obvious densification [ 24]。胡等人分析了三层沥青路面的车辙性能由AC-25 AC-20, SMA-13使用有限元软件的温度场有限元分析。结果表明,每一层的贡献率的总变形路面是不同的;中间一层是最大的,底层是最低的,上层是最小的 25]。胡等人研究了沥青混凝土的变形(AC)层路面使用有限元方法与不同的变量,如AC层模量、AC层厚度,垂直轮载荷,轮胎压力。结果表明,每个交流的永久变形(PD)贡献层变化的函数AC系数和轮胎压力的分布有非常重要的影响在PD的前AC层( 26]。江等人研究的影响(即材料。,AC-16, AC-20, AC-25, and AC-13) and the thickness of double-layer asphalt pavement on the high-temperature performance, and a double-layer pavement structure with a 3 cm AC-16 surface layer and a 7 cm AC-20 bottom layer was recommended [ 27]。江等人提出了一个反向的沥青路面结构(4厘米AC-13混合物+ 8厘米AC-25混合物+ 6厘米AC-20混合物+ 54厘米作碎石),结果表明,它最好发情的阻力比传统的沥青路面结构(4厘米AC-13混合物AC-20混合物+ 8 + 6厘米厘米AC-25混合物+ 54厘米作碎石)( 28]。

基于上面的分析,可以发现,整个路面的性能很少研究当卫生部混合物应用到人行道上。为了弥补这个研究缺口,路面的变形在驱动负载的情况下,研究了基于卫生部混合物。四种类型的路面由卫生部混合物和传统的混合物(即。,AC13-MOH AC13-AC20 MOH-MOH和MOH-AC20)作为研究对象。AC13-AC20是一种路面结构的上层采用一个AC-20 AC-13混合物和中间层采用混合物。其他类型有相同的意义。基于这四个类型的路面,路面变形的仿真和实验研究。

 2。路面永久变形的理论

道路结构通常是由一个表层,基层、底基层,路基,表层包含一个上层,中层和底层。路面变形通常发生在表层。永久变形的计算通常是基于最大竖向压应力的每一层的表层;即( 29日), (1) R 一个 = ∑ 我 = 1 n R 人工智能 R 人工智能 = 2 。31×1 0 −8 k 国际扶轮 T pef 2 公布 p 我 1 .80 N e 3 0 的相关性 h 我 h 0 R 0 我 , 在哪里 R一个和 R人工智能是表面的永久变形层,每一层的表层,分别。 N表层的层数。 Tpef相当于永久变形的温度。 Ne3累计数量的应用负载。 h我是第i个层的厚度在表层。 h0是发情的试样的厚度。R0我是永久的车辙变形i层60°C, 2520年0.7 MPa,加载周期。 k国际扶轮综合修正系数,其计算公式见方程( 3)。 p我是垂直压应力的顶部吗 我th层;即( 29日), (2) p 我 = p p ¯ 我 , p ¯ 我 = f h 1 δ , h 2 δ , … h n − 1 δ ; E 2 E 1 , E 3 E 2 , … , E 0 E n − 1 , 。 在哪里 p ¯ 我 是理论压应力系数。 p和 δ是轮压力和标准轴载的当量半径,分别。 h我和 E我是每一层的厚度和弹性模量在路面结构,分别。 E0路基的弹性模量。

综合修正系数可以表示如下( 29日]: (3) k R 我 = 0.9731 z 我 d 1 + d 2 ⋅ z 我 d 1 = − 1.35 × 10 − 4 h 一个 2 + 8.18 × 10 − 2 h 一个 − 14.5 d 2 = 8.78 × 10 − 7 h 一个 2 − 1.5 × 10 − 3 h 一个 + 0.9 , 在哪里 z我的深度吗 我th层和 h一个表层的厚度。

 3所示。基于路面变形的仿真分析

得到每一层的最大竖向压应力在表层和学习卫生部混合物应用于路面的变形,基于数值模拟在人行道上。在这项研究中,选择不同的混合物并应用于表层形成对比。

3.1。数值模拟设置 3.1.1。道路结构和参数

表面组成的路面结构层(上层、中层和下层),基地,底基层和路基被选中。每一层的路面的材料和参数如表所示 1。回弹模都是引用( 30.- - - - - - 34]。四个不同的路面结构组合设计,如图 2。因为其他层中使用的材料是一致的,只有上层和中层的路面表层绘制在图 2。

路面结构材料和参数。

路面结构层 厚度(cm) 弹性模量(MPa) 泊松比
上层 AC-13 4 1400年 0.35
MMOH 1600年
中间层 AC-20 6 2000年 0.35
CMOH 2400年
较低的层 AC-25 8 3500年 0.35
基地 施 40 1200年 0.2
底基层 施 25 300年 0.3
路基 SG - - - - - - 45 0.4

AC:沥青混凝土;MMOH:中等粒度的卫生部混合物;CMOH:粗粒度的卫生部混合物;施:水碎石基地;SG:路基。

组合类型的路面结构。(一)1型。(b) 2型。3型(c)。4 (d)类型。

 3.1.2。有限元模型

基于上述道路结构,使用有限元分析软件建立三维有限元模型。模型的尺寸是6米×6米×3 m(长×宽×高)。以下假设是由路面减少仿真时间。(1)每一层均匀,连续、各向同性的路面结构。(2)重力和不均匀的道路将被忽略。(3)之间的连接层完全是连续的。

因为两个侧面和底部的人行道上被限制在一定程度上,路面模型的边界条件设置;也就是说,底部表面完全约束,在两个水平方向的侧向位移是有限的。

负载面积为0.8米×0.6米是顶部的模型来模拟车轮负载( 35]。采用标准轴负载bzz - 100 ( 36]。负载是简化为0.23米×0.16米均匀矩形荷载促进网格划分。的详细布局加载如图 3。

布局矩形荷载。

在仿真开始之前,需要网格模型。节省仿真时间,提高计算精度,负载的啮合区域很好,和远离负载部分区域是粗糙的。模型的网格图所示 4。

有限元模型的网格。

 3.2。基于变形仿真结果和讨论 3.2.1之上。在路基垂直压力

路基的顶部垂直应变如图 5。因为一个路面结构类型使用在这项研究中,只有压力的组合式AC13-MOH图所示 5(一个)。参见图 S1在补充材料的应变图其他组合类型。在图 5(一个), X和 Y代表了两个轮子的中心,距离 X代表距离行驶方向和Y代表的横截面上的距离。这个意思也适用于其他数据在这个研究。图 5(一个)表明路基顶部逐渐的应变值随距离增大而减小两个轮子的中心。直观地表达四种组合类型之间的关系,人物 5 (b)显示了路基的顶部的压力 X= 0。图 5 (b)表明AC13-AC20加载下的应变值大于MOH-MOH,这表明AC13-AC20容易相比MOH-MOH永久变形。

在路基垂直压力。(一)AC13-MOH。(b) X= 0。

 3.2.2。瞬时垂直位移

图 6显示了每一层的瞬时垂直位移的四种不同类型的路面组合,和轮廓线的值的单位是毫米。图所示 6表明,垂直位移不太可能发生远离路面。的垂直位移AC13-MOH和MOH-AC20结构几乎是等于在每一层。AC13-AC20的位移大于MOH-MOH。另外,它可以发现AC13-AC20的瞬时垂直位移是不同于其他类型的组合中心的两个轮子。这可能是由于弱阻力AC13-AC20结构的外部力量。车轮在路面上运行时,路面与车轮接触变形瞬间抵抗外力,并迫使扩展两个轮子的中心更小。因此,AC13-AC20结构没有区域的变形具有相同程度的变形,辊表面的两个轮子的中心。

瞬时垂直位移的轮廓。(一)AC13-MOH。(b) MOH-AC20。(c) MOH-MOH。(d) AC13-AC20。

更直观地显示的垂直变形路面,路面表面的瞬时垂直位移 X= 0如图 7。在图 7,它可以发现附近的路面车轮消退不同程度在载荷的作用下,两个轮子的中心附近向上抬起。因此,路面上形成字母W。结合数据 6和 7之间的关系,可以得出结论,垂直位移的四种组合类型如下:MOH-MOH < AC13-MOH < MOH-AC20 < AC13-AC20。

瞬时垂直位移的路面 X= 0。

 3.2.3。垂直应力和表层的永久变形

从方程( 1),可以看出参数π的值是需要计算的路面表层变形。表层是分层的。在这项研究中,上部层分为两层,中间一层分为三层,底层是分为两层。基于这层和仿真结果,垂直压力可以得到每一层的顶部。然后,表层的永久变形。

图 8显示了人行道上的垂直应力分布。因为一个路面结构类型使用在这项研究中,只有压力的组合式MOH-MOH图所示 8(一个)。参见图 S2其他补充材料的压力图组合类型。在图 8(一个)的单位值显示在轮廓kPa,和一个负号表明压力是压。图 8(一个)表明垂直路面的应力随深度增大而减小。上层和中产层承担大部分的压力。因此,变形阻力的上部和中部层应该考虑。每一层的最大应力在表层如图 8 (b)。如图 8 (b)的应力值相应层的每个组合类型几乎没有区别。相比之下,其他层,中间一层有一个相当大的应力变化率。

垂直压力。(一)MOH-MOH。(b)表层。

根据方程( 1)和图 8 (b),可以获得表面的变形层。与实验结果相符,10下路面的变形结果5负载周期计算,如表所示 2。如表所示 2,当AC-13混合物和卫生部的混合物用于上层,上层的变形几乎是相同的。然而,当卫生部混合物和AC-20混合物被选中作为中间层,中间层的变形变化显著,这意味着提高路面的antideforming能力的关键是中间层。的总变形AC13-AC20和MOH-AC20表面比AC13-MOH和MOH-MOH层更大。

变形的表层下105负载周期。

类型 AC13-MOH MOH-AC20 MOH-MOH AC13-AC20
变形(毫米) 上 2.03 2.02 2.02 2.03
中间 6.08 9.80 5.25 12.29
表面 9.56 13.89 8.30 16.75
4所示。实验基于路面表层 4.1。实验装置 以下4.4.1。实验仪器

垂直加载环路测试应用,它可以模拟道路压力条件。设备的结构如图 9。路面的变形在驱动负载的情况下可以快速获得通过使用设备。如图 9(一个),设备由一个室、仪器面板,和运行机制,推动道路旋转,加载应用程序机制,适用于轮加载试样,和一个恒温机制,控制室内的温度。液压缸的上下运动图 9 (b)调整,将仪表盘上的手轮。这时,车轮的压力是通过压力传感器在仪表盘上显示的车轮传感器轴实现调整的压力。仪表盘上的速度控制器可以实现旋转运动的道路通过传输和权力机制。室的温度由温度控制器控制,可以实现加热或停止的空气流经加热炉。

垂直加载环路测试人员。(一)原理图。(b)实际图。

在这个设备,移动相对于车轮的必经之路。标本被固定在旋转道路通过孔与螺纹紧固件,如图 9 (b)。通过反复的旋转旋转路,标本的表面变形轮压力的作用下,然后这个实验的目的是实现。在测试期间,测试人员的工作条件如图 9如下。负载的标本被选为标准轴负载bzz - 100;即轮副标本为0.7 MPa的压力和车轮负载是100 kN。温度和车辆速度会影响道路的变形。在这个实验中,所选参数更极端,即夏季路面温度和行车速度越慢。测试温度是60°C。道路的运行速度是10公里/小时,道路被加载固定轮铁路,和没有横向运动。

 4.1.2。材料和样品制备

由于实验条件的限制,只有上层和中产层路面结构选择的测试。所需的原材料在这个实验中骨料,水泥、水、乳化沥青、矿物粉、卫生部和纤维混合物由骨料、水泥、水、乳化沥青和纤维( 15),而沥青混合料由骨料、矿物粉,沥青( 37]。测试中使用的骨料玄武岩。矿物粉是石灰粉。测试中使用的乳化沥青缓慢阳离子乳化沥青开裂和快速设置。波特兰水泥42.5级,和内容是1%。纤维是聚丙烯纤维含量为0.1%。水是自来水。每种类型的骨料级配和沥青骨料比例的混合物如表所示 3和图 10。这种油石比是最好的比例由马歇尔方法( 38]。原材料的主要特征如表所示 4。

油石比。

类型的混合物 AC-20 AC-13 CMOH MMOH
油石比(%) 4.2 4.7 5.4 6.0

每种类型的分类混合物。

原材料的属性。

材料 参数 价值
总 表观密度(g / cm3) 2.71
压碎值(%) 16.7
磨损率(%) 18.2
flat-elongated粒子的百分比(%) 3
沥青 标准粘度(年代,这件,3) 21
渗透(0.01毫米,100克,25°C, 5 s) 78年
软化点(°C) 55
延性(厘米,5°C) > 100
稳定(% 1天) ≤1
矿物粉 表观密度(g / cm3) 2.669
含水量(%) 0.04
亲水系数 0.7
颗粒大小的比例(%) < 0.6毫米 One hundred.
< 0.15毫米 95.8
< 0.075毫米 91年
水泥 需水量(%) 26
初凝时间(h) 3.95
最后设定时间(小时) 4.92

样品的生产过程是使标本的中间层,然后上层。之前铺平了上层,乳化沥青应用于中间层的表面来提高两者之间的附着力( 24]。样品制备的具体操作过程可以称为工作( 24]。因为最后形成路面标本是安装在试验机的试验中,试样专用成形设备是应用标本符合试验机。两个标本为路面结构来减少错误的结果。

 4.2。实验结果和讨论 4.2.1。准备图像处理和标本的结果

直观地观察的标本是由图像处理加工的变形加载下的人行道上。处理方法如下:(1)在标本之前安装在试验机,网格间距为1厘米喷洒在端面的标本。(2)电网喷涂完成后,试样的横截面的图像信息在测试前收集。摄像机之间的相对位置和每个标本应该不变。相机之间的距离和这个实验试样是40厘米。(3)测试后,标本被从测试仪,截面的图像信息收集的标本是相同的方法在测试前使用。

通过比较图像的端面标本测试之前和之后,标本之前和之后的变化负载可以直观地观察到,如图 11。图 11表明MOH-AC20和AC13-AC20大变形下加载时间,而AC13-MOH和MOH-MOH相对较小在相同的加载时间。此外,从网格线的变化,路面的变形载荷作用下三维;也就是说,它不是一个简单的单向变形,但变形向四面八方扩散。

比较之前和之后的标本装载。(一)AC13-MOH。(b) MOH-AC20。(c) MOH-MOH。(d) AC13-AC20。

 4.2.2。试样的变形分析

图 12显示每个试样的变形深度下105加载周期。图 12表明AC13-AC20的深度是最大的。当路面的上层是一个AC-13混合物或卫生部混合物,中间层的antideforming能力使用卫生部的混合比AC-20混合物。中间层是卫生部混合物时,上层可以使用卫生部混合物或AC-13混合物。当中间层的路面是一种AC-20混合物,antideforming能力与卫生部的上层路面混合比的AC-13混合物。

绝对变形深度。结构类型的标本AC-13-MOH数字1和2。结构类型的数字3和4是MOH-AC-20标本。结构类型的标本MOH-MOH数字5和6。结构类型的标本数量AC13-AC20 7和8。

最终的变形结果的平均变形值相同结构实验标本。然后,实验结果与仿真结果。的标本由中层和上层,所以总变形的上层和中产层比较,如表所示 5。错误是一个相对合理的范围内,表明仿真结果的正确性。

实验和模拟结果之间的误差。

类型 AC13-MOH (%) MOH-AC20 (%) MOH-MOH (%) AC13-AC20 (%)
相对误差 1.1 3.7 5.4 8.3
4.2.3。贡献率的分析每一层总变形

比较和分析使用不同的混合物在中间的影响,上层的贡献率不同层的变形分析。上层和中层的比例变形在总变形是通过测量获得的每一层的厚度变化前后的加载,如图 13。变形贡献率的上层和中产层在不同结构类型的测试数据可以得到平均样本具有相同的结构,如表所示 6。从图可以看出 13和表 6中间的表层的变形贡献率远远大于上层,所以中间层的antideformation应该被考虑。卫生部的antideforming能力混合比的AC-20混合物,所以整个路面结构的antideforming能力可以提高通过卫生部中间混合层。

每一层的变形贡献率标本。结构类型的标本AC-13-MOH数字1和2。结构类型的数字3和4是MOH-AC-20标本。结构类型的标本MOH-MOH数字5和6。结构类型的标本数量AC13-AC20 7和8。

变形贡献率不同路面结构的每一层。

路面结构类型 变形的贡献率(%)
上层 中间层 上层 中间层
AC-13 卫生部 31.0 69.0
卫生部 AC-20 16.8 83.2
卫生部 卫生部 27.8 72.2
AC-13 AC-20 12.9 87.1
5。结论

根据卫生部的混合物,不同路面结构在行车荷载变形进行了研究。是得出以下结论:

关于顶部的垂直压力和瞬时垂直位移的路基,路面的四种类型之间的关系如下:MOH-MOH < AC13-MOH < MOH-AC20 < AC13-AC20,这表明AC13-AC20容易发生永久变形。

垂直应力相应层的每个组合类型表现出一些差异,但中间层最广泛的变化率较上层的压力和较低的层。

这四个类型的人行道上,上层的变形几乎是相同的,和中间层的变形变化显著。

10下路面变形的结果5负载周期表明,变形AC13-AC20和MOH-AC20大于AC13-MOH和MOH-MOH。

中间的变形层的贡献率远远大于上层。卫生部的混合物中使用中间层可以提高antideformation整个路面结构的能力。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。

 确认

这项工作是由美国国家科学和技术支持项目在资助2015 baf07b08,国家重点研发项目,中国yfe0120200格兰特在2018和河南省重大科技项目拨款191110211500。

 补充材料

图S1:垂直应变顶部的路基。图S2:垂直截面的应力。

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