PR PLASTS沥青混凝土路面塑性变形特性数值模拟研究

王菲

摘要：用ANSYS在粘弹性理论基础上做掺有PR PLASTS沥青混凝土路面塑性变形仿真计算，进行掺有PR PLASTS沥青混凝土的压缩回弹模量试验和蠕变试验。对两种试验数据进行回归分析，得到不同掺量和不同温度条件下PR PLASTS沥青混凝土的材料参数。利用得到的材料参数进行数值模拟计算，分析了宏观的变形特征，PR PLASTS的掺量与路面变形的关系，温度对路面变形的影响。结果表明：PR PLASTS掺量处于0.4%-0.6%时，沥青混凝土路面具有较好的抵抗路面车辙的能力，路面塑性变形与中面层的弹性模量呈指数关系;随着温度的升高，掺有PR PLASTS的沥青路面车辙变形增大幅度小于普通沥青路面。以上研究结果可为PR PLASTS沥青混凝土在沥青路面中的应用提供理论依据。

关键词：PR PLASTS;外加剂;沥青混凝土;塑性变形;数值模拟

中图分类号：TQ177.6+3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0035-05

沥青混凝土其力学性能复杂，大多数情况，它表现出粘弹性，激励速率和试验温度对力学性能的影响很大，蠕变和松动现象明显。

文章掺加PR PLASTS外加剂在常用沥青混凝土中，可提高沥青混凝土的弹性模量，同时具备良好的抗车辙性和温度疲劳開裂的低敏感性，可以有效地改善路面抗车辙能力。文章针对普通沥青混凝土和掺有PR PLASTS的沥青混凝土路面塑性变形的宏观特性，PR PLASTS掺量和温度对变形的影响分析。

1 粘弹性数值模拟模型

1.1模型的选取

常见的沥青混凝土力学模型有Kelvin模型、Max-well模型、Burgers模型等，且每个模型都有其各自的优点和缺点。多数学者在模拟沥青混合料的粘弹特性时选取Burgers模型，但是在该模型下，模拟结果与试验结果会随着荷载时间的增加变得不一致，本文方法选用ANSYS中的时间硬化Bailey-Norton蠕变模型”对沥青混凝土进行计算分析。

1.2模型的适用性

利用ANSYS软件，并数值仿真模拟了沥青混凝土试件的蠕变性能。然后对比了数值模拟和蠕变试验的结果，对所选模型的适用性进行了验证。采用二维模型进行验证，在验证过程中建立试样的阴影部分模型，如图1所示。比较了有限元数值模拟和蠕变试验结果，如图2所示，蠕变试验结果和数值模拟结果基本一致，蠕变应变误差约为2.09%。由此可以看出，采用ANSYS的时间硬化蠕变模型模拟沥青路面车辙是可行的。

2混凝土路面（沥青）塑性变形模拟数值

2.1模型建立

文中利用二维平面模型进行研究。图3为道路结构图。图4和图5为模型透视图和网格划分的几何模型。

2.2材料参数

鉴于基层下方路面结构层的塑性变形很小，而蠕变大部分情况下发生在沥青层范围，确定试验材料。通过对蠕变应变率进行积分处理，可得到：

式中，ε_cr为蠕变应变率，σ为等效应力，t为时间，C₁、C₂和C₃为材料参数。

绘制应变一时间关系曲线，然后根据式（1）对试验数据进行多元回归分析，可等得到（不同试件、不同温度）材料参数、和，具体数值如表1所示。

根据多位学者的研究，发现路基和基层的应力较小，产生的塑性变形可忽略不计，因此将路基和基层考虑为弹性材料，其弹性漠量和泊松比取值如表2所示。

在数值模型中设置加载时间60000s，车轮纵向接地长度0.2m。

2.3数值计算结果分析

根据数值计算结果主要对宏观变形特征，不同掺量外加剂PR PLASTS、温度对路面变形的影响。

2.3.1宏观变形特征

经过一定时间的加载卸载过程，可以得到数值模型的单元竖向变形和蠕变应变，如图6、图7所示。

如图6所示，垂直压应力在车轮中心附近最为明显，并且发生下沉变形;侧向压力在轮隙附近效果显著，下沉变形因受到限制而向上隆起;轮缘外侧由于水平挤压而向上起。各自受到的挤压效果的程度决定轮隙中心和轮缘外侧的隆起高度。从图7可以看出，中间层网格最紧凑，其垂直变形最大，其次是下面层。

2.3.2不同掺量PR PLASTS对路面变形的影响

在50℃下，针对不同掺量PR PLASTS的沥青混凝土，试验了蠕变和压缩回弹模量，将所得参数输入数值计算模型，然后进行模拟计算。最后根据数值模拟获得道路变形数据，具体见表3和图8。

由表3数据可知，沥青路面的变形随着中间层中PR PLAS7S的掺量增加而减小，PR PLASTS的掺量从0增加到0.4%时，车辙变形降低了39.76%左右，幅度是非常显著的。随着PR PLASTS含量增加，车辙变形继续减小，但减小速度较慢;PR PLASTS含量从0.4%增到0.8%时，车辙变形从9.488mm减小到8.611mm，仅减小9.2%。

路面结构的车辙变形幅度在负载范围内较大，且负载情况下在负载区域周边出现隆起情况。普通沥青路面结构（即PR PLASTS掺量为0）在载荷作用下产生深沟，车辙深度（max）达到15.74mm，为严重的道路车辙损坏。

由图8可知，车辙变形与弹性模量的关系。由回归方程可知，沥青路面车辙变形随中层模量的增加而减小。由此可知，增加中层模量有利于减少路面车辙变形。然而，当中间表层的模量增加到一定值，若继续增加，减少车辙变形范围将会缓慢。持续增加中间表层模量对减少车辙变形的作用将不明显，而且只靠持续增加中间表层的模量也是不经济的。结果得出在不同层面掺加0.4-0.6%的PR PLASTS质体，对于车辙变形路面有利。

如图8所示，根据数据的回归分析，随着中面层弹性模量的增加，道路车辙的变形呈指数关系下降，因此，增加中层弹性模量有利于减小车辙变形。但是，如果中间层的模量增加到一定值，变形随着弹性模量的增加其减小效果变得不再显著，而且为了权衡经济和变形效果，也不宜持续增加PR PLASTS的掺量来提高其弹性模量。

以上分析发现，在中面层中添加0.4%-0.6%的PR PLASTS有利于抵抗路面的车辙变形。因此，在下节的分析中中面层的PR PLASTS掺量均取0.4%。

2.3.3温度对路面变形的影响

由于温度是粘弹性的影响因素，文章采用有限元法对普通沥青和0.4%摻量PR PLASTS在不同温度下中面层的沥青路面进行了数值模拟计算，计算数据如下，如表4所示。

由表4数据可知，沥青路面车辙变形随温度升高而逐渐增大。通过下车辙变形在不同温度情况下，发现试验温度在从20℃升到35℃阶段，车辙变形急剧增加。当试验温度从35℃升高到50℃阶段，车辙变形的增加趋势显著减小。当试验温度从50℃持续上升至60℃阶段，车辙变形幅度变大。与前两阶段车辙变形趋势相比较，50-60℃车辙变形更为明显。随着温度的升高，沥青混凝土的黏度系数和弹性模量降低，表明温度的升高导致车辙抗力降低，车辙变形显著增加。通过对不同温度阶段下同类型路面结构变形的发展趋势，可以看出车辙变形与温度的增高成正比。综上所述，路面变形的重要因素为高温。

对比普通沥青路面和掺有PR PLASTS的沥青路面变形试验结果，发现随着温度的升高，掺加PRPLASTS质体车辙后的沥青路面变形增加幅度小于普通沥青路面。当温度从15℃增加到60℃时，普通沥青路面车辙变形增加9.8倍（从3.3mm增加到32.4mm）;掺有PR PLASTS的沥青路面的车辙变形增大了8倍（从2.29mm增至18.47mm）。以上试验结果表明，掺有PR PLASTS的沥青路面能够较好抑制温度升高对路面变形的影响。因此，得出结论为避免这种情况出现，可以通过增加弹性模量方法来降低变形情况，即在中面层添加PR PLASTS，可使路面抵抗车辙变形的能力增强。

通过对普通沥青路面和掺有PR PLASTS的沥青路面的温度一变形关系进行回归分析，得出两者之间呈现R2均大于0.9的指数关系。

3 结论

1）沥青混凝土路面塑性变形主要是车轮中心位置，出现较为明显的下沉变形，同时由于侧向压力的影响导致轮隙中心和轮缘外侧出现隆起变形。

2）掺加PR PLASTS的沥青混凝土路面塑性变形与中面层的弹性模量呈指数关系，即变形随着模量的变大而变小;PR PLASTS掺量处于0.4%-0.6%时，沥青混凝土路面具有较好的抵抗路面车辙的能力。

3）随着温度的升高，普通沥青路面与沥青路面（掺有PR PLASTS）车辙变形同等条件对比得出，普通沥青路面变形幅度大，说明沥青路面（掺有PRPLASTS）能够减弱温度升高对路面变形的影响。