基于数值模拟的降温速率对沥青路面反射裂缝扩展研究
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摘 要：为了防治反射裂缝扩展对沥青路面产生的影响，该文基于数值模拟软件RFPA温度版，对预制裂缝的沥青路面模型进行了不同降温速率条件下反射裂缝扩展的数值试验研究。模拟结果显示：（1）降温速率越快，预制裂缝的AC路面结构出现贯通破坏的时间越早，且结构声发射数量也越多。（2）分析面层多单元信息得知，引起路面破坏的最主要原因是拉应力，且在2条裂缝中间位置会出现应力的最大值。最后基于模拟结果，为了防治裂缝扩展，可以设置应力吸收层或者选择传递系数较低的沥青面层材料为寒区沥青路面的施工提出了一些工程指导意见。
关键词：降温速率;沥青路面反射裂缝;数值模拟;声发射
中图分类号：U412 文献标志码：A
0 引言
随着我国道路事业的不断发展，道路结构出现裂缝所导致的破坏已经成为一个普遍性的问题。在路面结构发生破裂后，水分会侵入路面裂缝当中，会导致路基以及基层的软化，影响路面的稳定性;其次，集料具有亲水性，因此会加速沥青材料从结构表面剥落，大大降低了路面的使用寿命。所以，提高道路的耐久性能，保证交通事业的稳定发展，是现在相关工作者面临的首要任务。
温缩裂缝作为一种由温度荷载引起的沥青路面开裂形式，主要发生在低温地区以及昼夜温差较大的地区。而在半刚性沥青路面结构中，反射裂缝是最难解决一种破坏形式，其形成的原因是在路面基层结构的反复温缩以及行车荷载的共同作用下，裂缝在沥青层底部形成并且不断扩展到道路的表面。
目前国内外相关研究者对反射裂缝的形成以及扩展原因进行了相关研究，并取得大量研究成果，郑健龙利用线弹性断裂力学、疲劳断裂力学以及热黏弹性断裂力学分析了沥青路面在荷载条件以及环境条件下的疲劳断裂性能以及黏弹性性能。通过一定的计算，得出了路面的温度应力和应力强度等参数，并且利用公式对路面寿命进行了预估。2005年杨涛采用断裂力学的方法建立了有限元模型，对温度荷载作用下疲劳断裂寿命进行了计算。元松利用ANSYS有限元软件，依据疲劳断裂理论分析了车辆荷载作用下沥青路面反射裂缝的形成机理，同时对沥青路面剩余寿命进行了分析和预估。王金昌利用有限元法对在车辆荷载作用下软土地基结构进行分析，同时对基层有横向裂缝的沥青混凝土路面进行了分析。周富杰应用三维光弹试验分析了沥青路面结构层间接触条件、基础模量等对反射裂缝产的影响。吴赣昌等基于有限元和断裂力学对路面进行了数值分析。综合国内外相关研究，低温作用下AC路面的裂缝产生主要与以下几个因素有关。
（1）面层沥青的种类。
（2）土基的材料类型。
（3）沥青面层的厚度以及弹性模量。
（4）沥青的含量。
结合国内外研究现状，对于低温环境下沥青路面结构的数据主要集中在对路面结构表面温度场的观测，所以该文将采用RFPA温度版，以高寒地区为背景，研究了3种不同降温速率下路面结构反射裂缝的扩展情况，对高寒地区沥青路面防治工作提供了一定的指导意见。
1 RFPA模拟可靠性分析
为了能表达出模型内部的温度场的变化规律，图1是相关研究者對高寒地区路面结构试验温差进行了温差变化的拟合曲线，通过与RFPA数值模拟软件所得到的温度变化进行对比，发现2条曲线变化规律近乎一致，这也证实了RFPA软件对温度分析的可靠性。
另外，相关学者对室内路面的温差进行了实测。如图2所示，当沥青路面面层的厚度在15 cm范围内时，绝对温差为-23℃。与RFPA模拟的温度场相吻合，由此说明了沥青路面的结构温度环境和数值试验环境是一致的。
综上所述，在表面降温的作用下，通过RFPA所得到的路面结构模型温度随着模型结构深度的变化和实际温度曲线变化有较好的一致性，得到的温度场的变化和实验室测得的温度场分布也有很好地一致性，所以，该文采用RFPA来研究路面结构在降温过程中的温度场的变化是可行的，模拟结果具有可信度。
2 数值模型与边界条件
沥青路面其实是一个连续性的双层结构，该文在结合相关实际的情况下，利用RFPA温度版建立了与实际生活中沥青路面适应的双层模型，模型长度为5 m，厚度为1.2 m，另外上层沥青材料的厚度为200 mm，下层基层材料的厚度为1 000 mm，上层的单元格数为40×1000个，下层的单元格数为200×1000个。模型的左右边界和下边界固定，上表面自由，接受外部降温作用。在基层上部预设3条间距为200 mm的裂缝。另外该文模型的材料参数是根据相关工程实例测定的，相关参数见表1。采用3种不同的降温速率从0℃降温到-40℃：分别是每步降温1℃、2℃、4℃。
3 不同降温速率对反射裂缝扩展的影响
3.1 破裂过程的声发射特性分析
如图3 所示，是3种降温条件下沥青路面结构损伤破坏的过程，图3体现了结构温度-应力和温度-声发射数量的变化关系。我们选取不同的降温速率进行模拟试验，可以看到当分别每步降温4℃、2℃、1℃时，对应声发射数量最多时的步数分别为5加载步，10加载步，20加载步。根据数值模拟实验结果我们可以将整个过程分为3个阶段：①线性阶段，此阶段中，随着温度的不断降低，路面结构声发射数量不断增加，且每步的声发射数量较均匀，同时观察到降温速率越快则声发射所释放的能量越大，并且在此阶段中应力-荷载成线性关系。②反射裂纹形成，扩展阶段。此阶段中路面结构声发射数量急剧增加，观察到降温到-20℃左右时，此时的声发射数量达到峰值，应力也达到最大值。这也说明了当降温的速率越快，则声发射，应力的最大值越早出现，路面结构就会越容易破坏。③回落期，此阶段的声发射频率与初期相比大大降低，释放的能量也比初期时更少。综上所述，预设了反射裂缝的沥青路面结构细观的微破裂是一个不断累积的过程，在降温到-20℃左右时会出现应力和声发射数量的峰值，在峰值之后每一步均产生较大的回落值。这是应力释放所导致的，总而言之，表面温度降低的越快，路面结构破坏越快。
3.2 降温模式下多单元应力分析
因为加载步较多，经历时间较长，数据更分散较好分析，所以选取第一种降温模式进行研究。图4是模型破坏后的对比图。首先可以看到上层沥青面层结构有较多的微破裂，2号预设裂缝区域发生了贯通式破坏，裂缝从结构的基层向面层扩展，最终导致了结构的失稳破坏，而1号和3号裂缝没有出现贯通式破坏。
选取2号裂缝破裂区进行多单元应力分析，多单元的应力分布图可以对结构单元的最大主应力和最小主应力在指定的位置显示出应力大小的分布情况，图5显示了2号裂缝在-19℃，-30℃时的最大主应力和最小主应力的分布情况。从2个不同温度下的应力图中可以看出，在-19℃时，最小主应力远远大于最大主应力，且最大主应力一直处于接近于0的状态，由此我们可以得知在整个路面结构反射裂缝发展贯通的情况下，对破坏起主导因素的是模型各单元的拉力，同时相近结构单元应力变化较剧烈，原因是材料的非均匀性，同时也是因为温度在不断降低的过程中，强度较低的单元先发生了破坏，而应力又被分散到其他相临近的单元，最后才导致图像中相邻的单元位置应力大小不一，变化幅度较大。随着温度的不断下降，最小主应力逐渐减小，一直到-30℃时，最小主应力已经从7MPa左右下降到0MPa左右，这是因为此时的结构已经开始发生破裂，导致对面层材料已经没有了约束力。
图6是面层和基层交汇处裂缝1至裂缝2之间长度为200 mm的多单元的 σx图像，其中单元最大的应力位置出现在2条裂缝中间。由于相邻单元受到不均匀性的影响，应力水平也会产生突变，在图像中显示应力为0的状态，也就是不受力状态是因为相关单元强度较低已经发生了破坏。反射裂缝的出现其实是由于面层沥青材料层受到低温作用持续收缩导致了拉应力的不断增大，而下层应力却不能及时恢复，导致路面结构发生了脆化反应，失去了原本的特性。综上所述，反射裂缝产生的主要原因还是由于温度应力大于沥青路面的抗拉强度而引起的拉应力，并且温度降低得越快，出现脆化反应的时间越早。
4 总结与展望
该文利用RFPA温度版，对预制反射裂缝的沥青路面结构进行了不同降温速率下的数值模拟试验。得到的结论如下。
（1）经过模拟试验，根据声发射以及应力发展过程，可以将整个过程分为3个阶段：线性阶段，发展贯通阶段，回落稳定阶段。声发射的爆发式增长预示着结构即将失稳破坏，在低温环境下，随着降温速率的增大，结构内部的声发射爆发时刻也会越早出现，破坏也就发生得越早，通过模拟直观说明了温度降低速率的快慢是影响沥青路面而结构失稳破坏的一个重要因素。
（2）無论降温速率快慢与否，沥青路面结构在-19℃左右时会出现大量的声发射现象，同时应力也达到最大值。
（3）分析面层多单元信息得知，引起路面破坏的最主要原因是拉应力，且在2条裂缝中间位置会出现应力的最大值，反射裂缝的扩展，贯通其实是因为在降温作用下，表面的沥青材料结构收缩导致了拉应力的增大，而下层材料来不及松弛导致的。
该文存在的不足：现实生活中反射裂缝的产生、贯通、导致结构破坏失稳的过程其实是在温度荷载、行车荷载、湿度扩散等多种情况共同作用下的结果，该文只考虑了在低温作用下预设反射裂缝的路面结构的破坏失稳过程。根据模拟结果，想要降低降温导致的危害性，可以从延缓降温速率的方面考虑，在沥青材料的选择上可以选择温度传递系数较低的材料，增加沥青面层的厚度，降低温度或者在铺设沥青材料之前在基层表面铺设一些应力应变的吸收层。
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