沥青混凝土材料的各向异性及其对路面结构受力的影响

摘要

沥青混凝土材料作为非均匀材料，由于骨料分布的不均匀性以及压实过程中所受到的单向荷载作用等因素，沥青混凝土的材料特性具有一定的方向依赖性，力学特征在不同方向上也有不同的表现，即具有各向异性的特性。将沥青混凝土看作均质、各向同性的材料，进行沥青路面的分析研究，使得理论分析结果与实际有差异。目前对于沥青混凝土各向异性的研究，认为在垂直于压实方向的水平面上的两个方向材料特性是相同的，而沿着压实方向的垂直方向上材料特性是不同的，即为横观各向同性特性。本文以AC-20为研究对象，通过对这一级配的沥青混合料的各向异性特征分析，来推断其他级配沥青混合料的各向异性特性。
　　 首先，对沥青混凝土各向异性的成因进行分析。本文从试件在压实过程中受单向荷载作用下集料的排列方面，来研究影响沥青混凝土的各向异性的成因。以旋转压实方法成型试件，并切割得到试件的垂直切片，利用图像处理技术分析试件内部结构，得到各集料颗粒的分布规律，并进行统计分析得到各集料范围的分布排列与各向异性度的关系。
　　 其次，设计沥青混凝土的性能试验。沥青混凝土随着荷载和温度等试验条件的变化，其材料性能会有明显的变化，本文采用常用的面层混合料AC-20，通过设计试验得到沥青混凝土不同方向的材料参数，包括回弹模量、泊松比等，为路面弹性力学分析确定弹性材料参数。并建立材料的蠕变模型，回归分析材料用于蠕变分析的三参数，为车辙分析确定特定温度下的材料参数。
　　 再次，利用试验得到的沥青混凝土基本材料参数，结合有限元分析软件建立路面计算模型，代入沥青混凝土的各向异性材料参数，计算在标准荷载作用下的路面响应情况，并与在各向同性材料参数条件下得到的路面应力数据进行比较，得到更符合实际的路面应力结果。分别设定面层的回弹模量、泊松比和蠕变参数的各向异性度，分析在不同的各向异性度作用下，路面内部应力所受到的影响情况。
　　 最后，利用以上得到的各向异性材料参数对于路面结构内部的应力分析结果，基于现有的沥青路面设计方法，添加各向异性参数对沥青路面设计进行改进，并通过一个设计实例来显示设计中的修改。