基于FLAC3D数值模拟的基层水泥含量对反射裂缝影响研究

________________BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY____________________April,20172017 年 4 月

基于

FLAC3D数值模拟的基层水泥含量对

反射裂缝影响研究

郑大为\\焉规\\郝连学2

(1.辽宁工程技术大学土木与交通学院，阜新123000;2.阜新市公路管理处，阜新123000)

摘要:为了解决半刚性基层容易产生反射裂缝的问题，提出适合辽宁地区的抑制反射裂缝效果最佳的路面结构。 以抚顺市某省级道路工程实例为研究对象，采用温缩试验以及有限差分数值软件

FLAC3D，对温度荷载作用下的沥

青混凝土路面及其路基进行数值模拟，分析其力学性能，并进行试验路的铺筑，经对比研究后得出结论为采用级配 碎石上基层结构来抑制反射裂缝效果较好。该结论可为道路设计、施工及沥青路面车辙病害治理等工程人员提供 参考，具有一定社会效益及经济效益。

关键词:水泥含量；反射裂缝；温缩试验；温度应力；级配碎石；低水泥稳定碎石

中图分类号：X703 文献标识码:A

文章编号:1001-1625(2017)04-1371-06

Effect of Cement Content on Reflection Crack

Based on FLAC3D Numerical Simulation

ZHENG Da-wei1，YAN Ni1，HA0 Lian-xue2(1. Institute of Civil Engineering and Transportation,Liaoning Technical University ,Fuxin 123000,China；

2. Fuxin City Highway Administration,Fuxin 123000, China)

Abstract：To solve the problem of the semi rigid base course, which was easily to produce reflection

cracks and set out the pavement structure which was suitable for Liaoning area. This paper taked the example of a municipal road in Fushun city as the research object, using temperature shrinkage test and finite difference numerical software FLAC3D, and researching and analyzing on the mechanical properties of asphalt concreted pavement under the action of temperature load then paving the test road. The results show that the suppression of reflection cracking effect of graded broken stone is better. The conclusion can provide reference for road design, construction and management of asphalt pavement rut engineering personnel, which is a certain social and economic benefits.

Key words： cement content； reflection crack； temperature shrinkage test； temperature stress； graded

broken stone；low cement stabilized macadam

1引言

近年来，半刚性基层沥青路面在我国公路建设中得到了广泛的应用[1]。但是随着温度的变化，这种基

层材料容易产生温度裂缝，影响路面使用性能。所以，分析不同水泥含量的基层结构路面抑制反射裂缝的效 果，找到最佳的基层结构类型具有重要的意义。

作者简介:郑大为（1972-)，男，副教授，硕导.主要从事道路桥梁与隧道工程方面的研究. 通讯作者:焉妮，硕士研究生.

1372 试验与技术

硅酸盐通报

第36卷

本文以抚顺市某省级道路工程实例为研究对象，通过对三种半刚性基层材料进行室内温缩试验研究，分 析其温缩应变、温缩系数等参数的变化规律，并且通过数值模拟的方法，选用FLAC3D软件构筑模型，对不同 路面结构施加温度场[2]，得到温度应力。根据模拟得到的结果和试验路实测结果进行对比分析，进而得出 抑制反射裂缝发生的最佳结构类型，为科学地进行半刚性基层材料配合比设计和改善其抗裂性能提供一些 基础资料，并为今后沥青路面的铺筑提供参考。

2温度对不同水泥含量基层材料温缩变形的试验研究

由于传统半刚性基层对温度变化比较敏感，经常产生温缩裂缝;当沥青面层铺筑后，基层的收缩主要是由

温度降低引起。本文拟采用改变水泥剂量的方法来减小温度对基层材料的影响，并通过温缩试验取得不同基 层材料的相关技术参数对此设计方案进行验证。本文分别采用3%、4%、4.5%水泥掺量进行温缩试验。2.

1

试验方法

按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》[3] (JTG E51-2009)中T0855-2009无机结合料稳定材料

温缩试验方法进行试验。所制备的试件为梁式试件，尺寸为100 mm X 100 mm X 300 mm，制备3个平行试 件，选用应变片法作为试验方法，本次试验的温度范围为20〜-30 1基层材料的温缩性能主要以温缩系数来衡量，计算公式如下[4]:

，

试验设备如图1、2所示。

at=T^r，式中，^为第i个温度下的平均收缩应变（xl(T6) ^为温度控制程序的第〖个温度区间（T) 温缩系数;A为温度补偿标准件的线膨胀系数。

为材料的

图1高温箱 图2测试温缩设备

Fig. 1 High temperature box

2.

Fig. 2 Temperature shrinkage test equipment

2

试验结果

试验结果如图3、表1所示。

12

108u

s

3J3sodaI9^

sli

6 4 2

-3% cement ■ ■ 4% cement -4.5% cernen

20-10 10-0

图3

0—10 *40-20 -20-30Temperature range/°C

温缩系数随温度区间的变化规律

Fig. 3 Variation of temperature and shrinkage coefficient in the temperature range

第4期郑大为等:基于FLAC3D数值模拟的基层水泥含量对反射裂缝影响研究1373

通过上述温缩试验可知，随着温度的下降，温缩系数的变化趋势基本一致，该试验路平均温缩系数为5. 86、 6. 87、7. 22,如图3所示，随着水泥掺量的增大，温缩系数逐渐增大，其抗温缩性能变差，从而可以得出降低水 泥掺量对减少水泥稳定碎石的温缩系数有明显的效果。

1温缩试验结果

Tab. 1 Temperature shrinkage test results

表

水泥掺

3.004.004.50

20-108.69.09.7

10-08.28.810

0--109.610.711.3

-10--20

9.210.210.4

-20--30

8.710.711.1

3温度场与温度应力的数值模拟分析

在温度场分析模型基础上，温度应力分析需要的参数主要有：（1)材料的温缩系数;（2)材料的热容量;

(3)材料的导热系数。通过试验及查找相关规范确定该试验路各结构层的主要参数如表2所示[5_7]:

2温度场分析模型参数

Tab. 2 Temperature field analysis model framework

表

材料

细粒式沥青混凝土中粒式沥青混凝土级配碎石3 %水泥稳定碎石4%水泥稳定碎石4. 5%水泥稳定碎石

稀浆封层土基

导热率(/2 .丈）

1.31.31.21.21.21.21.20.98

Wm

热容量(/

Jkg-丈）

9008506009009009009001000

温缩系数(1/

1.5

1.510.8920.9781.0461

T)

3.1温度场模型建立

根据调查总结可知，辽宁省沥青路面，经过一个冬季后，横向裂缝间距一般在20 m左右，这说明实际路 面在使用阶段沿行驶方向并非是无限远的。为了能够模拟真实路面结构在环境载荷（温度载荷）作用下的 力学反应[8]，故在该试验路沥青路面温度场模拟中，对于路面结构模型长度确定为20 m。模型宽度根据试 验路的实际宽度确定，即12 m，高度方向取5 m[9]，建立的模型如图4。三种结构均选取水泥掺量为4.5%的 水泥稳定碎石作为底基层材料，上基层材料的选取各不相同:基本型结构选取水泥掺量为4%的水泥稳定碎 石、低水泥结构选取水泥掺量为3%的水泥稳定碎石、级配碎石结构选取水泥掺量为0%的水泥稳定碎石。

图4

温度场几何及网格划分模型

图5

典型基本型结构温度应力云图

Fig. 4 Temperature field geometry and mesh modelFig. 5 Temperature stress cloud of typical basic structure

1374 试验与技术

3.2温度应力值计算及分析

硅酸盐通报

第36卷

按照连续降温的情况分析计算路面的温度应力。本文中根据实际气候调查，确定温度场的两个温度边 界为30 1和-30 1 [1°]。运用有限差分软件模拟该试验路各结构温度场如图5〜7所示。

冲崎

i

s：：V. i-i：!^t；% \\图6低水泥结构温度应力云图 图7级配碎石结构温度应力云图

Fig. 6 Temperature stress cloud of low cement structure Fig. 7 Temperature stress cloud of graded crushed stone

上述云图反映出各结构沥青路面在温度改变时其内部的应力状况，基本型结构温度应力值较大，低水泥 结构相比基本型结构温度应力值较小，而级配碎石结构是松散粒料，在温度影响下，应力值较小，优于前两种

结构。根据该试验路各结构的温度应力云图，设置监测点，得各结构层层底弯拉应力如表3所示。

3路面结构层温度应力值

Tab. 3 Temperature stress value of the pavement structure layer on the line

表

基本型

上面层上基层下基层

0.9821.2361.584

/MPa

低水泥

0.65140.71420.7825

级配碎石

0.3810.5130.562

通过表3，绘制该道路各结构层的温度应力值曲 线如图8所示。

由试验结果可得，基本型下基层层底弯拉应力值为 1.584,低水泥结构下基层层底弯拉应力值为0• 7825比

，

基本型降低50. 6%级配碎石上基层结构下基层层底

，

弯拉应力值为〇. 562,比基本型降低64. 52%，可以看 出级配碎石结构层底弯拉应力值小于低水泥结构小于 基本型结构，故级配碎石结构防治反射裂缝的效果更 优。

图8

Structure type

路面结构层温度应力值

4试验路面性能长期观测和评价

4.1 试验路现场观测结果

Fig. 8 Temperature stress value of the

pavement stmetoe layer* on the line

为了得到各结构层对反射裂缝的具体抑制效果，

本文进行了试验路的铺筑，试验路段落划分如图9所示，并在试验路铺筑完成之后对各路段进行了追踪检 测，评估各结构层对反射裂缝的抑制水平。主要通过路面初期破损情况的调查来反映各试验路段对反射裂 缝的抑制能力[11]。通过对各试验路段的裂缝情况进行调查，统计各路段裂缝数量与开裂程度，分析不同时 期各结构类型对反射裂缝的抑制能力，对各类型结构层进行总体评估。本文在研究中的试验路正常使用一 段时间后，对各结构层试验路段进行多次系统的调查与检测统计其变形（或损坏）趋势，全面分析各结构类 型对反射裂缝的抑制能力。

通过观测与计算得到三种结构的横向对比图9、10及表4、5所示。

第4期郑大为等:基于FLAC3D数值模拟的基层水泥含量对反射裂缝影响研究1375

K1+200K2+949

低水泥剂

K3+744

M级配碎石

K4+100

典型搖本结构

上甚层结构

级配碎石上基层

细粒式沥

■ !：:^1 ■ _____:芯f

40观1

〗50_

fV混凝土

30剛

4%水泥稳定碎石 ].505%水泥稳定碎石200

m;n |中粒式沥资混凝土 n>m i 3%水泥稳定碎石

中粒式沥宵混凝土 40咖 稀浆封培 级配碎石

iOiiiHl

120剛

_小5%水泥稳定碎石200晒

改建前原路商

改建前原路面

4. 5%水泥稳定碎石200

改建前原路面

isim

smicturc Structare type

图9

试验路段落划分

图1

0

stone

破损率对比图

Fig. 9 Test road section division

表4

Fig. 10 Comparison chart of damage rate

每百米裂缝条数对比表

Tab. 4 Comparison of the number of cracks per hundred meters

基本型

2015.42015.52015.62015.12

16.5316.473.8217.05

低水泥5.755.751.8756.125

级配碎石1.751.7502.25

5贯通缝平均间距对比表

Tab. 5 Comparison of average distance between through seam

表基本型

2015.42015.52015.62015.12

72.8860.3176.0454.66

低水泥72.2772.2772.2749.69

级配碎石118.67118.67059.3

四次裂缝检测中，随路面使用时间的延长，或行车荷载作用次数的增加，路面每100 m裂缝数量和破损 率4月份和5月份基本保持不变，由于6月份温度相对较高，故在热胀效应下裂缝数量和破损率相比有所下 降，而由于12月份温度相对较低，故在冷缩效应下裂缝数量和破损率比之前提高，说明路面裂缝多为温缩和 干缩型，荷载型裂缝很少。温度型裂缝在温度高时，发生膨胀修复裂缝，在温度低时，发生收缩破损严重。经过横向对比可得，基本型结构破损率较大，每百米裂缝条数为16. 5,低水泥结构破损率略低于基本 型，每百米裂缝条数为6，而级配碎石结构破损率及每百米裂缝条数均接近0，故其抑制反射裂缝的能力优于 低水泥结构，优于基本型结构。4.2评价分析

根据现场试验路实测数据对比室内温缩试验及数值模拟的结果，可见其结论基本一致，均可得到级配碎 石结构抑制反射裂缝效果优于低水泥结构优于基本型结构，即随着水泥掺量的减少，抑制反射裂缝的效果越 优。验证了数值模拟研究在分析水泥含量对反射裂缝影响研究的合理性。

5结论

本文以抚顺某省级道路为例，利用温缩试验以及FLAC3D有限差分数值分析软件对三种路面结构进行

了试验及温度变化力学分析。根据试验、数值模拟及试验路实测结果得到如下结论：

(1)随着水泥剂量的增大，温缩系数增大，抗温缩能力减弱，由于低水泥结构与级配碎石结构水泥剂量

1376 试验与技术硅酸盐通报

第36卷

相对于基本型水泥剂量低，故能够更好的适应中轻交通的路用要求，抑制反射裂缝的产生，增长使用年限，降 低使用成本；

(2) 从数值模拟结果分析，级配碎石结构与低水泥结构下基层层底弯拉应力值分别比基本型减少64. 52%和50. 6%，故级配碎石结构受温度变化产生的应力影响更小，产生反射裂缝几率更小，抑制反射裂缝效 果更好，更适用于中轻交通路面的铺筑使用；(3) 通过实际现场检测，级配碎石结构破损率接近0,每百米裂缝条数在1左右，明显低于基本型结构及 低水泥结构，且平均裂缝间距较大，没有明显的破坏现象出现，故防反效果更好，适应中轻交通能力更强。

综上所述，随着水泥掺量的减小，反射裂缝的产生得到了较好得控制。其中级配碎石结构上基层水泥掺 量为〇%，在满足路面使用条件下，其各方面均有较优的使用价值，故适用于辽宁地区中轻交通路面的使用， 有较优的推广价值，值得在沥青路面铺筑时合理利用，具有一定社会效益及经济效益。

参考文献

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交通部公路科学研究院

•信 息•

合肥研究院在应用低温等离子体改性材料方面取得系列进展

近日，中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所李家星课题组基于对等离子体改性材料的 研究，应用低温等离子体方法成功设计合成了氨基功能化的鱗片石墨材料，实现对u( VI)的高效富集。相 关研究成果发表在美国化学会环境类核心期刊上。低温等离子体 方法在改性材料方面具有许多优势，如环境友好、处理材料方便、不会产生二次污染。而鱗片石墨作为最稳 定的碳同素异构体之一，不仅来源广泛而且比表面积大，具有独特的“三明治”结构。课题组应用低温等离 子体方法将氨基修饰到鱗片石墨上，实现对U(VI)的高效富集。此外，随着对鱗片石墨等离子体处理的时 间越长，氨基功能化的鱗片石墨对U( VI)的富集效果越好。原因在于随着等离子体处理时间的增加，鱗片 石墨表面的氨基数目以及活性位点均会相应增加，从而实现对U( VI)的高效富集。该方法具有成本低、效 率高、环境友好等优势，在水污染处理领域具有广阔的应用前景。

另外，课题组利用低温等离子体方法成功将富勒烯C60嫁接到碳纳米管表面。相关研究成果发表在英 国

皇

家

化

学

会

兄

A办•，2017, 7, 21124-21127)。

Process Polym. , 4 APR. 2017, online)上。

鉴于所在团队在低温等离子体化学方面取得的研究成果，该课题组受邀撰写了关于应用等离子体修饰 材料并将其用到水污染处理的综述文章，发表在等离子体应用期刊

(来源:中国科学院合肥物质科学研究院）