铺层设计范文（精选11篇）
铺层设计 第1篇
关键词：加铺,典型结构图谱,级配设计
随着广东省经济的迅猛发展,车辆的数目急剧增加,轴重趋于重型化,导致许多以前修筑的旧水泥路面都出现了不同程度的破损,已经不能很好地提供优良的服务性能,于是在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层成为了一种常见的路面修复技术,具有工期短,对交通影响小,修复后路面的服务性能好等优点。但目前国内对旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层尚未形成一个完整的体系,用来指导设计和施工,同时结合各地地域差距,路面的结构类型的差异性,也没有一种统一的方法适用[1—4]。因此,结合增城市荔三公路水泥路面加铺沥青面层的矿料级配设计和《广东省路面典型结构图谱及说明》的具体运用,对在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层的设计过程中所遇到的一些问题进行探讨。
1旧水泥路面概况
增城市荔城到三江公路大修工程,起于增城境内的广汕公路(324国道),途径荔三公路收费站、广惠高速、广深铁路、止于江龙大桥收费站,道路全长约13.02km,路线呈南北走向,双向四车道,城镇路段为双向六车道。采用原国家颁布规范一级公路标准,计算行车速度为60km/h,路基宽度为(26—34)m,非城镇路段路面宽度为15.5m,城镇路段路面宽度(24—34)m(不含人行道)。现状路面建于1993年,交通量等级为中等。根据现状调查及检测数据表明,现状路面经过多年的运营,损坏程度已相对严重,路面破损状况等级评定基本为差或次;具体病害主要体现在露骨、破碎板及裂缝上。现为了延长道路的使用寿命,提高城市的形象,对该条道路实施路面大修。其中路面部分考虑该工程沿线已经进行大量开发,城镇规模已经初步形成,车辆及人群横穿现象较为严重,为了保证行车舒适及行人安全,不宜提高现有道路等级、线形标准及设计速度,故采用在原水泥混凝土路面上做加铺沥青混凝土面层的处理[5]。
2加铺层级配设计
在加铺层级配设计的原则上,主要考虑和依据的标准是现行国颁、部颁的标准、规范和实验规程,并参考了《广东省路面典型结构图谱及说明》。该图谱是为了提高广东省路面质量,总结了广东省多年来路面设计和使用的经验和教训,并吸收国内外路面研究的最新研究成果制定出来的。适用于广东省不同地区,不同地质条件和交通量等级的二级及二级以上的高等级公路[6]。结合本项目的具体特点,设计时按照一级公路的设计标准和交通量等级为中等,经综合分析论证,最终确定加铺的沥青混凝土面层为双层SBS改性4cm AC-13C+6cmAC—20C的结构层组合方案。
2.1路面加铺层的级配设计
整个加铺层的正常路段的设计厚度为10cm,路面结构组合自上而下依次为:4cm厚AC—13C沥青混凝土、6cm厚AC—20C沥青混凝土。在具体的级配设计上,参照了《广东省路面典型结构图谱及说明》,本工程的交通等级为中等交通,在一级公路荷载条件下,考虑提高路面的抵抗变形能力的基础之上,加铺的沥青混合料设计均采用构造深度良好的粗集料断级配密实型混合料,级配范围和目标级配如表1所示。
在这样的级配范围下设计的混合料,已经在广东被实践使用超过10年时间了,较早的深圳机荷高速、广州广珠东线高速和广深高速的大修工程、中山市的105国道改造工程等,这样的断级配密实型混合料,主要是在密实的前提下,很大程度上提高了粗集料在混合料中的含量,这样在兼顾密实原则下,同时保证表面层具有良好的抗滑性能和高温稳定性。
根据这种级配设计的沥青混合料,由于碎石含量的增加,在同等条件的细集料情况下,为了达到相应的路面性能要求,必然要增加沥青的含量,这就必然增加了经济上的投入,于是从另外一个方面考虑,就是提高矿粉的含量。在这种级配的混合料中,碎石的质量比重过大,细集料偏少,对于混合料中的结构沥青的形成会造成不利的影响,进而导致混合料中的有效沥青含量偏低、空隙率难于控制,为此,就需要增加矿粉含量。矿粉含量的提高,对于结构沥青的形成起到枢纽连接的作用,有效地提高了结构沥青的含量,同时混合料的密实性也得到了保证,相应的混合料的抗疲劳性能也会有所增强。
混合料的目标级配曲线图结果如图1和图2。
从级配曲线图来看,在设计的过程中,既考虑了目标级配曲线在国家规范的上下限范围内,并且整条曲线是走了偏下限的趋势,这正符合了《广东省路面典型结构图谱及说明》对AC—20C和AC—13C的级配范围要求.
2.2最佳沥青用量确定
按照T 0709—2000(JTJ 052—2000)规程[7]及上述确定的级配进行马歇尔试验,测定试件的稳定度、流值、空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等指标,绘制曲线,见图3—图4。由AC—20C、AC—13C各自的马歇尔配合比设计要求和《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40—2004中热拌沥青混合料配合比设计方法[8],得出:AC—20C的建议沥青用量(油石比)范围为4.6%—5.2%,初步确定最佳沥青用量为(油石比)4.8%;AC—13C的建议沥青用量(油石比)范围为5.2%—6.0%,初步确定最佳沥青用量为(油石比)5.6%。并按这两个沥青用量进行相应的性能检验试验。
2.3沥青混合料路用性能的检验
按照《公路沥青路面施工技术规范》JTG F40—2004要求,对用于高速公路和一级公路的密级配沥青混合料,需在配合比设计的基础上按本规范要求进行各种使用性能的检验,对于不符合要求的沥青混合料,必须更换材料或重新进行配合比设计[8]。
2.3.1 高温稳定性检验
采用车辙试验的动稳定度来检验参照了《广东省路面典型结构图谱及说明》设计出来的AC—20C和AC—13C沥青混合料的高温稳定性。试验结果:车辙动稳定度(60℃ ,0.7 MPa)DS分别为:7 803.1 次/mm(AC—20C)、8 389次/mm(AC—13C),都大于6 000次/mm。说明根据这种级配范围设计出来的沥青混合料充分发挥了粗集料的嵌挤作用,形成骨架密实结构,较国家规范要求的连续密级配沥青混合料(AC)大幅提高了其高温稳定性,适合于广东省的夏季炎热高温的气候特点和交通量繁重路段。
2.3.2 水稳定性检验
采用浸水马歇尔试验测试混合料的48 h残留稳定度、测试混合料的残留强度比来检验混合料的水稳定性。试验结果:AC—20C的48 h残留稳定度为91.7%,大于80%;AC—13C的48 h残留稳定度为87.9%,大于80%。说明该种结构的沥青混合料形成了骨架密实结构,与连续密级配一样具有较小的空隙率,具有较强的抵抗水损害的能力,适合于广东多雨的气候特点。
2.3.3 渗水系数检验
采用最终确定的油石比制备车辙试件,按T 0730—2000(JTJ 052—2000)规程进行了AC—20C、AC—13C沥青混合料渗水试验,试验结果为:AC—20C沥青混合料的渗水系数为95 mL/min;AC—13C沥青混合料的渗水系数为64 mL/min。满足沥青混合料配合比设计检验指标中渗水系数不大于120 mL/min的要求。由试验结果来看,虽然所采用的级配曲线是走的偏粗的趋势,但是反映在渗水方面,并没有出现空隙率偏大的现象,主要是粗骨料之间形成了很好的嵌挤作用,之间的空隙被细集料、矿粉和沥青组成的胶浆很好地填充,形成一个空隙率较小的骨架密实结构,所以渗水试验的结果较好。
2.3.4 马歇尔试验技术指标的检验
按照规范规定,其他指标的检验结果见表2和表3。各项指标均符合要求:
3讨论
目前,尚无专门的针对旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层的矿料级配的研究,更多的是一律采用规范规定的连续密级配型混合料的常规设计,不能很好地结合当地的实际路面状况、原材料性质等情况进行适应性设计,由于我国的幅员辽阔,地域的差别很大,体现在路面的设计上,这也是不可忽视的因素,那么即使在一地适用的设计,换在另外的一个地方也不一定适合,另外一方面,现今的规范与以前的规范标准的不一致性,让我们在对原旧路面的实际情况的分析和准确数据的获取上存在偏异性,在这些困难面前,很难做出准确的设计,只能寄希望于在不远的未来,更多的研究者们,投入人力、物力到这方面的研究工作上,在更多的实际经验和准确数据的支持下,能做出更好的符合当地的矿料级配设计,而不是照搬其他地方的成功经验。
4结语
本文结合增城市荔三公路旧水泥路面加铺沥青面层的工程实践,针对广东省雨量大、雨季长,夏季气温高、时间长,冬季绝大部分地区无负温的气候特点,在现行规范缺少相关指导之下,对旧水泥混凝土路面上沥青加铺层的矿料级配进行了一次地方适应性研究和设计,突出解决高温稳定性,兼顾水稳定性原则,参考了《广东省路面典型结构图谱及说明》的技术成果,但是在设计的过程中,看到只是目标级配的确定是参考了符合广东省的级配范围,由于和国家规范存在差别,而又缺乏相应的性能参数指标,故而后面的性能指标检验依然是沿用了国家标准,所以还是希望通过实际路面实际效果的长期的跟踪调查,和室内试验的结果作对比,在这样的实际探索中,为旧水泥混凝土路面上沥青加铺层路面级配设计提出有益的参考。
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含铺层拼接层合板的力学性能 第2篇
为研究铺层拼接对复合材料层合板力学性能的.影响,设计了含不同铺层拼接形式的碳/双马复合材料层合板试件.采用拉伸试验方法测定了材料力学性能,得到了不同拼接形式下层合板的拉伸强度.试验表明,含铺层拼接层合板的失效模式为层间剪切破坏和纤维断裂.建立了铺层拼接层合板的有限元模型,分析了铺层拼接对层合板应力分布和层间应力的影响.
作 者：李亮 贾普荣 矫桂琼 王文贵 戴棣 作者单位：李亮,贾普荣,矫桂琼(西北工业大学工程力学系)
王文贵,戴棣(北京航空制造工程研究所)
CPD铺层自动创建技术 第3篇
关键词 VB 6.0 复合材料 CPD 二次开发 铺层自动创建
中图分类号： TH744 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00
1 研究背景
CPD平台提供了两种铺层创建方法。第一种是基于区域的批量式铺层创建方法，这种方式效率很高，操作难度也偏高；第二种是基于单一铺层的手工铺层创建方法，该方式操作难度较低，重复性强，效率偏低。CPD平台中复合材料件的设计流程主要包括几何元素建立、铺层创建、可制造性分析、展开图建立、铺层信息输出、建立零件实体和MBD标注，其中铺层创建环节大约占总工作量的30%，因此快速准确的完成铺层创建工作，可以大幅提升工作效率。本文铺层自动创建程序可以根据铺层表，协助设计员完成手工铺层创建过程中的重复性工作，效率提升显著。
2铺层自动创建程序的主要功能
本文程序以后台调用的形式，从指定的铺层表中获取复合材料零件的铺层信息，按照铺层表中的层级关系，自动完成铺层重命名、铺层材料选择、铺层角度设定等铺层创建工作。对于蜂窝夹芯复合材料零件，程序还可以根据铺层与蜂窝芯的相对位置，将铺层划分为“OML Plies”、“Core”和“IML Plies”三个铺层组，提升后续的铺层管理效率。
3铺层自动创建程序开发流程
如何准确的从非打开状态的铺层表中获取铺层信息，以及如何准确的根据铺层表定义的层级关系完成铺层创建工作，是本程序的技术要点，详细介绍如下：
ADODB是Active Data Object Data Base的简称，它是一种PHP存取数据库的中间函数组件。本文程序通过调用自定义的“GetPlyTable”函数，借助ADODB函数组件，实现对铺层表的后台调用。调用“GetPlyTable”函数后，程序首先通过CreateObject方法建立Connection对象，然后通过Connection对象的Open方法，后台打开Excel应用程序。接下来通过CreateObject方法建立Recordset对象，并设置其CursorLocation值，然后通过Recordset对象的Open方法以及MoveNext方法循环调用其Fields属性，即可获取相应的铺层信息。当Recordset对象的EOF属性为True时，铺层信息读取完毕。然后程序自动调用CPDPlyCreator过程，进入铺层自动创建环节。
4 应用实例
下面以某项目蜂窝夹芯复合材料零件为例，阐述铺层自动创建程序运行过程。首先在零件模板中创建“OML Plies”、“Core”，“IML Plies”等铺层组节点，如图1所示。
图1 零件模板
其次程序依次根据铺层材料以及铺层角度，运用Item方法从零件模板中选取目标铺层，通过Copy、Paste方法完成铺层创建，然后根据铺层所述的序列和铺层名称完成新建的铺层的重命名，如此循环往复，直至完成所有铺层的创建。最后运用Save As方法保存零件，并退出程序。
5 结论
本程序已应用于某项目蜂窝夹芯复合材料零件的设计中。应用实例表明，本程序可以在快速准确地根据铺层表完成除铺贴面替换及铺层轮廓线设置外的所有铺层创建工作，较手工铺层创建方法效率提升20倍以上，且程序可视化效果好，运行稳定，具有较高的工程价值，值得推广。
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铺层设计 第4篇
加铺层可用于修补原路面的功能性或结构性损坏,即分为功能性加铺和结构性加铺两种。
路面发生一定程度的损坏时,首先应当准确分析路面的病害类型,从而确定路面存在功能性还是结构性损坏,并据此提出适当的加铺层类型和设计方法。对于沥青路面,加铺沥青补强层是一个十分可行的方案。当然,存在下列情况时,沥青加铺层的方案不再可行:
(1)存在大量的严重路面龟裂,以致于原路面面层需要完全切除和重建;
(2)存在大量的路表车辙,即原路面的路面材料已经缺乏足够的热稳定性;
(3)原路面的沥青面层出现严重松散和剥离现象,需要完全切除和重建;
(4)原路面基层已出现严重破坏,此时,直接加铺补强层已失去意义;
(5)原路面的底基层和垫层由于软弱土基的渗透和污染而必须清除重建。
2 加铺层设计需要考虑的事项
2.1 加铺前的修补和反射裂缝的控制
原路面病害包括直接可见病害和那些表面上看不见但可以通过其他方法检测到的病害。加铺前应考虑如何对这些病害进行修补,如果原路面病害影响到加铺层的使用性能,那么这些病害必须在加铺前得到合理修补。大量实践表明,许多加铺层的损坏,都是由于原路面病害没有得到很好的修补造成的。此外,还应当分析其经济可行性,如果加铺前需要进行大量修补,以致设计成本较高,就需要考虑选择一种对原路面状况较不敏感的加铺类型。就通常情况而言,沥青路面加铺设计前应当对下列病害类型进行修补(见表1)。
反射裂缝是加铺层损坏最常见的原因之一,AASHTO提出的加铺层厚度设计方法中并没有考虑反射裂缝的影响,因此必须采取措施来减少反射裂缝的发生和严重程度。控制反射裂缝的措施如下:
(1)设置合成土工织物和应力吸收层可有效控制低等和中等严重程度龟裂的反射裂缝。该方法与填缝处理结合使用时,还可有效控制温度裂缝的反射裂缝。然而,这些措施通常对有明显水平或垂直变形的反射裂缝的减缓作用较小。
(2)采用厚度大于7.5cm的裂缝缓解层可有效控制有较大变形的反射裂缝。这些裂缝缓解层是由开级配粗集料和低剂量沥青结合料组成的沥青混合料。
(3)在沥青加铺层中与其下沥青面层的裂缝相一致的位置进行锯缝和填缝处理可控制反射裂缝的恶化。
(4)增加沥青加铺层厚度可减少荷载作用下的挠曲及竖向剪切变形,还可以减少原路面的温度变化。因此,较厚的沥青加铺层比较薄的加铺层对延缓反射裂缝的发生和恶化更有效。但是,增加沥青加铺层的厚度会导致造价较高。
2.2 既有沥青路面车辙和面层铣刨
应当在沥青加铺层设计之前,确定出原沥青路面车辙的产生原因。如果严重的车辙是由于原路面各结构层的不稳定而产生的,那么就不适合在其上再做加铺层,针对这种情况可先将存在严重车辙的沥青结构层铣刨掉。
2.3 加铺层设计可靠度
AASHTO提出的加铺层设计方法是通过确定设计期内设计可靠度下的路面承载力SNf来实现的,与新建路面相比,加铺层设计中存在大量的不确定性。因此,设计可靠度对加铺层厚度有很大影响。
3 原路面的结构承载力评价
确定路面功能性和结构性损坏、加铺前选择合适的路面病害修补方法以及进行合理的加铺层设计,都需要对原路面的结构性能进行评价。AASHTO加铺层设计方法认为:随着时间和交通荷载的作用,路面承载能力不断降低,但是设计期内的路面结构承载能力可以通过铺筑加铺层得到提高。
图1说明了结构性损坏和有效结构承载力的关系,对于柔性沥青路面,用路面结构数SN表示路面结构承载力。
路面结构承载力随时间和交通荷载而衰减,在加铺层设计前进行路面评价时,对于柔性沥青路面,结构承载力衰减至SNeff。在加铺层设计阶段,如果承受未来预期交通量必需的结构承载力为SNf,则在原路面结构上铺筑的加铺层的结构承载力为SNol(即SNf-SNeff)。显然只有原路面结构承载力评价准确,路面加铺层结构承载力才能预估准确,因此路面评价的主要目的是确定原路面的有效结构承载力。AASHTO指南推荐使用以下三种方法来确定路面有效结构承载力:
(1)基于调查路面可见病害和路面材料试验确定结构承载力,包括病害和排水状况调查以及取芯材料试验等;
(2)通过无破损检测(NDT)的方法确定结构承载力;
(3)通过分析交通荷载作用下的路面疲劳损坏来确定路面结构承载力,即预估路面的剩余疲劳寿命,该方法更适用于表面可见病害较少的路面。
通常可以综合使用以上三种方法来最终确定原路面结构的有效承载力。
4 沥青加铺层厚度设计
对于用于提高路面承载力的加铺层,即结构性加铺层,其厚度Dol是满足未来交通荷载要求所需的路面结构数SNf和原路面有效结构数SNeff的函数,可由下式表示(对于柔性沥青路面,用路面结构数SN表示路面结构承载力):
SNol=αol×Dol=SNf-SNeff (1)
其中,SNol—所需的加铺层结构数;
αol—沥青混凝土加铺层的结构层系数;
Dol—所需的加铺层厚度,英寸;
SNf—承受未来交通荷载所需的结构数;
SNeff—原路面的有效结构数。
上述各参数可通过下面的方法来确定。
4.1 承受未来交通荷载所需的结构数SNf
通过试验室检测、路表弯沉数据反算或者利用已知的土基参数和回弹模量来确定路基的有效设计回弹模量MR;确定加铺层设计可靠度R(%)和总标准方差S0,最后利用新建柔性沥青路面设计方程(式2)来计算SNf。
式中:W18—设计年限内,标准轴载为单轴轴重18千磅力(约80kN)的累计当量轴载作用次数;
ZR—对应设计可靠度R(一般为90%～99%)的标准正态离差(当R=90%时, ZR=-1.282;R=95%时,ZR=-1.645;R=99%时,ZR=-2.327);
S0—交通量或使用性能预估的总标准差,一般为0.4～0.5;
SN—路面结构数;
ΔPSI—现时服务指数损失量;
MR—土基回弹模量,psi。
4.2 原路面的有效结构数SNeff
如上所述,确定沥青路面的有效结构数有以下三种方法:
(1)路面状况调查法
SNeff=α1D1+α2D2m2+α3D3m3 (3)
其中,D1、D2、D3—原路面面层、基层和底基层的厚度;
α1、α2、α3—相应的结构层系数;
m2、m3—粒料基层和底基层的排水系数。
(2)NDT方法
假设路面结构承载力是路面总厚度和整体刚度的函数,则有下列关系式:
其中,D—路基以上所有路面结构层的总厚度,英寸;
Ep—路基以上路面结构层的有效模量,psi。
(3)剩余疲劳寿命法
其中,RL—剩余寿命,%;
Np—至今路面承受的总交通量,ESALs;
N1.5—至路面“损坏”时路面承受的总交通量,ESALs。
N1.5可利用新建路面设计方程来估计,推荐路面“损坏”时的PSI等于1.5,可靠度为50%。SNeff可通过式(6)确定:
SNeff=CF×SN0 (6)
其中,CF—由RL确定的状况系数;
SN0—路面新建时的结构数。
利用该方法确定的SNeff不能反映加铺前对原路面进行修补的作用,如果加铺前对病害(如龟裂)进行了修补,则路面SNeff值将更高。若不加以修正,确定SNeff的方法不适用于已经铺设了一层或多层沥青加铺层的沥青混凝土路面。
5 结论
AASHTO加铺层设计方法是基于AASHO试验路大量试验数据建立起来的,虽然在材料参数输入、设计可靠度等方面有所改进,但仍属于一种经验法,因此仅在一定范围内适用,随着轴载和交通量的日益增加,该方法必然存在局限性。但是,该方法考虑了路面有效结构承载力,高速公路在补强时往往会有部分有效结构承载力(即剩余寿命),而我国现有规范补强设计中没有考虑原路面有效结构承载力对加铺后路面结构的作用,因此这种考虑有效结构承载力的设计思想是值得借鉴的。
摘要：系统总结了美国AASHTO指南中的加铺层设计方法,并对其进行分析评论,为完善我国半刚性基层沥青路面的加铺层设计方法提供借鉴。
关键词：AASHTO指南,柔性路面,加铺层设计
参考文献
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铺层设计 第5篇
纤维方向对铺层拼接件的力学性能影响
以碳纤维增强树脂基复合材料为研究对象,讨论了纤维取向对复合材料平板柔度及其变形的.影响规律.采用有限元法分析了不同纤维方向对铺层拼接件的力学性能影响,计算表明拼接区的应力变化复杂,应力集中显著.根据计算数据求出最大应力随纤维偏角的变化关系,并通过引入应力集中系数,得到了计算铺层拼接件最大应力的表达式.
作 者：贾普荣 矫桂琼 王文贵 戴棣 作者单位：贾普荣,矫桂琼(西北工业大学力学与土木建筑学院)王文贵,戴棣(北京航空制造工程研究所)
刊 名：航空制造技术 ISTIC英文刊名：AERONAUTICAL MANUFACTURING TECHNOLOGY 年，卷(期)： “”(z1) 分类号：V2 关键词：复合材料 纤维方向 铺层拼接 应力集中铺层设计 第6篇
（暨南大学力学与土木工程系，教育部重大工程灾害与控制重点实验室，广东 广州510632）
引 言
结构耐撞性在汽车、火车、飞机及电梯等的设计中极具重要性。早期的吸能结构、元件主要采用金属材料，但是结构偏重，由于轻量化的要求，迫使人们将目光转向轻质材料［1］。随着复合材料在工程领域逐渐深入地应用，将复合材料壳体作为吸能结构成为国内外学者关注的焦点。在复合材料管吸能特性的研究方面，吴文科，秦瑞芬采用有限元分析程序对管形件冲击试验过程进行了计算机仿真分析［2］，李道奎等对轴压含脱层的复合材料圆柱壳的稳定性问题进行了试验研究，设计了具有针对性的试验方案，对含各种深度脱层与不含脱层的圆柱壳进行了试验，并进行了精度分析［3］。刘瑞同等发现设计合理的复合材料对称元件可以比金属元件吸收更多的冲击能量［4］。Tabiei和Bisagni等对复合材料对称试件的研究表明，复合材料对称试件是通过弹性变形之后的后续压溃阶段来达到吸收能量的目的，特殊的对称结构可以更好的引发破坏，并且使破坏的过程更加易于控制［5，6］。梁希、张会杰、杨秋红等通过对复合材料圆柱壳轴向压缩试验研究了复合材料结构的缓冲吸能特性［7～9］。
吸能元件经破坏形式耗散冲击能量的过程称为能量吸收。复合材料圆柱壳受冲击载荷的压缩过程中表现为复杂的脆性破坏，其破坏吸能模式与纤维的排布方式、纤维的体积分数、纤维／基体的界面性能等都有关系，表现出很强的各向异性和非线性。
宋毅、王璠等已经通过静态试验研究玻璃纤维／聚酯树脂基体复合材料圆柱壳的吸能特性［10］，并进行了数值模拟。
1 试件材料及尺寸
试件委托广州玻璃钢厂制备，以玻璃纤维为增强相，聚酯树脂为基体的复合材料圆柱壳，［±θ］5铺层结构，其尺寸规格如图1所示：底面半径50 mm，壁厚2.5 mm，高度100 mm。材料制备中标准试件的引发方式为如图1所示直角无花纹。
2 冲击试验的装置及试验方法
2.1 试验仪器
试验采用美国INSTRON落锤冲击试验机，型号DYNATUP 9250 HV，外观如图2所示。
由于仪器的原装冲头没有合适的冲击平面，所以重新加工专用冲头，冲头装配位置见图3，冲头形状如图4。左侧冲头的材质是铝合金的，右侧的材质是合金钢的，圆形的冲击平面的半径大于试件半径，为40 mm。
图1 样品尺寸Fig.1 Sample size
图2 INSTRON落锤冲击试验机Fig.2 The INSTRON drop hammer impact test machine
图3 冲头安装位置Fig.3 The position of the punch
图4 冲头Fig.4 The punch
2.2 试验方法及分析
试验分组：①按照铺层角度分，分为45°，60°，70°，75°，90°，共5组；②按照4种引发方式分，分为内倒角、外倒角、圆角、尖角，共4组。试验以5个同类型规格的试件为一小组进行分组试验。在冲击试验中，采用4 m／s的低速冲击动态加载。数据结果按每组平均值作比较，以研究铺层方式和引发方式对吸能效果的影响。
3 正交各向异性材料的偏轴弹性特性
3.1 偏轴弹性常数
复合材料最常用和最基本的量是4个沿轴工程常数E1，E2，ν12，G12。试件的材料常数如表1［4］。
表1 玻璃纤维／环氧树脂复合材料的性能参数Tab.1 The parameters of the glass fiber／epoxy composites
按照复合材料宏观力学的基本理论，偏轴弹性模量Ex，Ey，Gxy。
则本试验所采用的玻璃纤维增强聚酯树脂基体复合材料Ex，Ey，Gxy三个偏轴工程常数随θ角度的变化如图5所示。
从图5可以看到：θ＝0°的时候，Ex有极大值，θ＝90°，Ex有极大值，但在θ＝60°附近时，Ex有极小值。为了说明这一现象，对式（1）求导
得sin2θ＝0，即θ＝0°和90°，－3.68cos2θ＋0.94＝0，解得θ＝59.64°。
图5 材料的偏轴工程常数与θ的关系Fig.5 Relationship between the off－axis of the material engineering constants andθ
通过计算反应了偏轴工程常数Ex的特性，Ey的特点基本与Ex一致，而Gxy关于θ＝45°对称分布。
3.2 偏轴耦合系数
为了使离轴柔度具有明显的物理意义，定义离轴工程耦合系数ηxy，x为仅由σx引起的νxy与εx的比值：
以表达正交异性单层的宏观弹性性能耦合现象。工程常数ηxy，x，ηxy，y随θ角的变化为：
其中：
图6为本试验所采用的玻璃纤维增强聚酯树脂基体复合材料工程常数ηxy，x，ηxy，y随θ角的变化曲线。
图6 工程常数ηxy，x，ηxy，y 随θ角的变化情况Fig.6 The engineering constantsηxy，x ，ηxy，y with angleθ changes
4 试验结果及分析
4.1 纤维层铺层角度对吸能效果的影响
图7为铺层角为45°，60°在4 m／s的轴向冲击荷载作用下的破坏试件，从破坏的形式看到，铺层为45°，60°的试件的破环形式为基体断裂、纤维脱粘，纤维很少发生断裂，整体脆断。
这是因为角度设置较小的铺设纤维主要起到圆柱壳的轴向增强作用，大量的裂纹首先在强度较低的周向生成，并且随着冲击载荷的增加，管壁内大量平行纤维方向的基体裂纹在单层或相邻层内沿纤维方向扩展，基体的周向开裂使纤维沿周向开裂成分离的层束，试件破环，试件停止吸能，吸能效果较差。
铺层角度为70°，75°，90°在4 m／s的轴向冲击荷载作用下的破坏试件如图8所示，其破坏形式主要表现为横向剪切模式。
70°，75°，90°的纤维缠绕角度使此类元件圆柱壳周向刚度和强度相较45°，60°的元件要大，裂纹沿轴向扩展，管壁发生剪切破坏，纤维大量断裂。基体和纤维的断裂吸收了大量的能量，产生很多细小的碎片。因此此类元件比吸能较高，能承受更好的冲击能量，并且不容易整体失效。
此外，45°，60°元件表现出的破坏形式比较复杂，它的破坏模式、吸能效果与试件的成型工艺、加载速率、缺陷分布及均匀度、压缩时的边界条件（如端部有无润滑）等相关。其压溃过程中可能出现稳态、非稳态或混合模式，任何参数的变化都可能导向不同的现象。
从图7与图8的对比可以看到45°，60°元件与70°，75°，90°元件有着不同的破坏模式，原因与铺层角度造成横向刚度、竖直刚度、剪切模量等工程常数有关。从图5和图6中数据可以发现，竖直弹性模量Ex在60°附近有明显升高、通过理论推导发现θ＝59.64°时Ex才有极小值，剪切模量Gxy在60°附近有明显下降，工程常数ηxy，y在θ＝60°附近的数值在0的附近，由负值变化为正值，这些都是元件在60°左右破坏形式发生改变的原因。
图9为不同铺层角度下玻璃纤维增强聚酯树脂圆柱壳在4 m／s的轴向冲击荷载作用下的位移—荷载曲线。从中可以看到铺层角为70°时，载荷位移曲线包含的面积最大，为了清楚地说明吸能效果，用比吸能（单位质量吸收的能量）柱图表示在图10中。
纤维铺层方向这一影响因素有些特殊，对于不同的材料而言，纤维取向的影响趋势是不同的。对于纤维缠绕成型的［±θ］n复合材料圆柱壳，随着缠绕角从45°变化到90°，试件的破坏模式经历层束弯曲、局部屈曲、横向剪切中一种或者多种模式混合的破环模式。复合材料圆柱壳的比吸能随纤维层方位的改变而变化，其主要原因是由于纤维缠绕角度的不同引起的壳体轴向刚度的不同，由此在轴向冲击的情况下导致了破坏模式和损伤机理的不同。
图7 铺层为45°，60°试件的破环形式Fig.7 The broken form of the specimen which ply is 45°and 60°
图8 铺层为70°，75°，90°的试件破坏形式Fig.8 The broken form of the specimen which ply is 70°，75°and 90°
图9 不同铺层角度位移－荷载曲线Fig.9 The displacement－load curve with the different plies angle
图10 不同铺层的比吸能Fig.10 The energy absorbed per unit mass with different plies
4.2 倒角引发形式对吸能的影响
复合材料圆柱壳结构作为缓冲吸能元件，一般要求在不减少比吸能的情况下有较长的引发阶段和较低的载荷峰值。研究表明，对复合材料管端部进行削弱处理，可以引导渐进破坏过程并降低初始载荷。将铺层角度为75°的玻璃纤维增强聚酯树脂基圆柱壳试件经过内倒角、外倒角处理，并进行4 m／s的轴向冲击动态试验，得到载荷位移曲线，图11为引发方式对荷载位移曲线的影响。
通过图11可以清晰地看到，经过管端部倒角处理的试件对于降低载荷峰值有着很好的效果，如经过管端部内倒角处理试件的载荷峰值从65 000 N左右降低到40000 N以下，下降了38.5%左右。
端部的倒角是否会对试件的吸能效果产生影响，图12是标准件与倒角试件吸能的比较图。
从图12可以发现倒角结构对吸能的影响是微小的。内、外倒角与无倒角处理对壳体缓冲吸能影响的差异值如表2所示。
表2 倒角结构对吸能的影响Tab.2 Chamfer structure affects energy absorption
从上表可以看到试件的倒角对试件的吸能效果的影响不大，控制在5%以内，所以对倒角处理是合理的，既可以起到降低载荷峰值的作用，又不影响到试件的吸能效果。
图11 倒角与标准件的荷载—位移曲线比较Fig.11 The displacement—load curve with the chamfer specimen and standard specimen
图12 标准件与倒角试件比吸能比较Fig.12 The energy absorbed per unit mass with the chamfer specimen and standard specimen
图13 ［±75°］5的两种特殊引发方式Fig.13 Two special trigger mode of［±75°］5
图14 尖角、圆角引发方式对破坏模式的影响Fig.14 The effect of miter，round trigger mode on failure mode
4.3 特殊引发结构对吸能的影响
正是由于复合材料层合结构对初始缺陷非常敏感，采用何种引发方式可以更有效地引发破坏，并且使得破坏过程更易于控制成为了目前的研究热点。本试验设计了铺层方式为［±75°］5的两种引发方式：尖角型、圆角型，如图13所示。尖角型和圆角型高度均为98 mm，引发结构部分的最高点到最低点距离均为15 mm，结构呈轴对称分布。
由图14中可以看出，无论是尖角型还是圆角型的引发方式，破坏模式均与［±75°］5的标准件类似。以下从试验数据探讨这两种特殊引发方式对吸能效果的影响，其典型载荷—位移曲线如图15所示。
图15 倒角与标准件的荷载－位移曲线比较Fig.15 The displacement－load curve with the chamfer specimen and standard specimen
由图15可以清晰地看到经过重新切削处理管端部的特殊的引发方式，对于降低载荷峰值有着很好的效果，载荷峰值从66.6 k N降低到30 k N左右，比倒角的效果更明显，下降了57%左右。而且从图15可以发现，这种特殊的引发方式可以降低荷载上升的坡度，减缓峰值到达最高点的时间，作为缓冲元件，可以更好的保护其他主要元件。通过图16可以看这到两种特殊的引发结构对比吸能的值有较大的影响。
从表3可见，圆角、尖角特殊的引发结构试件的吸能效果比标准的试件增加了约80%。
由上述数据可以看到，无论是尖角型还是圆角型引发方式，破坏模式与［±75°］5的标准件相同，荷载的峰值降低了，荷载的增加速度减缓了，吸能效果增加了。
经过重新切削处理管端部使得冲头与试件端部的接触更加平滑，端部的刚度会明显降低，在冲击过程中刚度逐渐变大，减缓峰值到达最高点的时间。同样的，能量吸收的过程通过变缓，材料的纤维得到更多时间进行形变吸能，使试件整体的吸能效果得到提升，如图16所示。
表3 特殊引发结构对吸能的影响Tab.3 The effect of special trigger mode on energy absorption
图16 标准件与倒角试件比吸能比较Fig.16 The energy absorbed per unit mass with the chamfer specimen and standard specimen
4.4 讨论分析
以上试验是采用铝合金冲头完成的，考虑到使用的冲头的材料是铝合金的，材料质地软，密度低，冲压情况下，有可能通过自身变形，吸收部分能量，对试验的数据造成一定的影响，采用合金钢冲头进行试验。图17是合金钢冲头、铝合金冲头试验结果的对比。
由图18可以看到，整体上说冲头的材质对试件的吸能效果还是有一定影响的，但是影响不大，控制在2%～5%以内，在合金钢冲头冲击下的试件吸收的能量大于铝合金的。说明铝合金材质软吸收了的能量比合金钢冲头多，所以选用硬度大一些的冲头对试验的影响会小一些。
图17 不同冲头下的荷载－位移曲线Fig.17 The displacement－load curve in different punch
图18 冲头材质对吸能结果的影响Fig.18 The effect of material of punch on energy absorption
5 结 论
（1）复合材料层合结构虽然有较好的吸能特性，但是如果不经处理，较高的初始峰值很可能会伤及被保护的物件，因此也不能称为理想的缓冲结构。各种引发方式，无论是内、外倒角还是尖角型和圆角型，都能达到降低初始峰值的作用，对被保护物件起到很好的保护作用。
（2）铺层45°，60°与铺层70°，75°，90°的破坏方式不同，铺层45°，60°在冲击下容易整体失效，而没有充分吸收能量。铺层70°，75°，90°的试件吸能效果明显高于铺层45°，60°的试件。在60°附近竖直弹性模量Ex有明显升高、Ex为极值点，剪切模量Gxy明显下降，工程常数ηxy，y数值在0的附近，由负值变化为正值。
（3）在各种引发方式的对比中，尖角型和圆角型的引发方式能极大地延长到达峰值所需的压溃位移长度，比吸能比标准试件有所提高。
（4）倒角的引发方式的加工仅需对原有试件进行略微的处理就可达到较为满意的结果，尖角型和圆角型的引发方式则必须对原件做大规模的设计改动。因此，倒角的处理模式可以方便地得到广泛应用。然而，尖角型和圆角型的引发方式具有强大的可设计性，破坏进程的可控性更强，比吸能还有很大的提升空间，因此值得进一步的研究探索。
（5）使用硬质的冲头要比使用软材质的冲头对试验的影响要小，本试验中使用合金钢冲头对试验的影响会小一些。
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铺层设计 第7篇
1 设计过程中的控制
1.1 评定现有路面状况
路面状况的调查和评定, 主要从以下几方面进行:1) 旧路面的结构和材料组成, 材料性质试验, 排水状况, 养护历史;2) 路面损坏状况调查, 以了解路面损坏的类型、轻重程度和范围;3) 路表面弯沉测定, 以反算路面各结构层的模量参数, 评定路面结构的承载能力 (剩余寿命) , 评价水泥混凝土面层接缝的传荷能力, 检查其板底脱空情况;4) 量测路面的平整度, 评定其行车舒适性;5) 量测路表面的抗滑能力, 评定其行车安全性;6) 交通荷载调查, 以了解路面的受荷历史 (已承受的标准轴载累计作用次数) 并预估今后的趋势和发展;7) 环境 (温度和湿度状况) 影响分析。
1.2 旧水泥混凝土板处理
纵观国内水泥混凝土路面上沥青混凝土加铺层设计, 最关键的问题是对旧水泥路面板的处理。首先对其使用状况进行全面彻底的调查, 对出现的路面病害、部分结构承载力不足等进行深层次的分析。一般通过人工调查对旧水泥路的病害按段落桩号进行统计, 采用探地雷达、弯沉仪对混凝土板的脱空和其结构层的均匀情况、路面承载能力进行检测评价。尤其在传荷能力较差的接缝处, 板下脱空影响重大, 必须对水泥混凝土路面的处治给予高度重视。其次针对不同种类的病害进行有效的处理。对边角破碎损坏较深和较宽的路面, 先用切割机切除损坏部分, 然后浇筑同标号混凝土;对破损较浅、较窄的, 可凿除5 cm以上, 然后用细石拌制的混凝土混合料填平;对发生错台或板块网状开裂的, 应首先考虑是路基质量出现问题, 必须将整个板全部凿除, 重新夯实路基及基层, 浇筑同标号混凝土;对于板块脱空、桥头沉陷、板的不均匀沉陷及弯沉较大的部位, 钻穿板块, 然后用水泥浆高压灌注处理。
1.3 反射裂缝的防治
1.3.1 温度型反射裂缝
在已经由裂缝或者两块板接缝处加铺沥青混凝土面层以后, 冬季突然降温的过程中, 老路的裂缝会由于温度收缩而继续拉开, 它将给也在温度收缩的新铺沥青混凝土面层一个附加应力;两个拉应力叠加一旦超过沥青混合料的抗拉强度, 新沥青混凝土面层的表面在老路裂缝 (接缝) 的上方开裂, 并逐渐向下延伸, 直到与老路的裂缝相连, 即形成对应裂缝。相反, 在老路上铺薄沥青混凝土面层情况下, 裂缝将从面层底面开始, 面层底面一旦开裂, 除在负温度下缝端有拉应力外, 在正温度差 (升温造成的温差) 下缝端既可由负温度差也可由于正温度差而向上扩展形成裂缝。
1.3.2 荷载型反射裂缝
车辆荷载驶经接缝或裂缝过程可分为3个阶段:轴载位于接、裂缝一侧时, 接、裂缝两侧产生较大的相对位移, 在沥青混凝土面层中造成较大的剪切应力;轴载位于接、裂缝顶面时, 两侧无相对位移或相对位移较小, 沥青混凝土面层主要承受弯拉应力作用;轴载驶离接、裂缝时, 在面层内产生与第一次方向相反的剪切应力。在整个过程中沥青混凝土面层受到两次剪切一次弯拉作用, 其作用的直接结果是引起反射裂缝的产生和扩展, 荷载因素是引起反射裂缝的一个重要因素。
1.3.3 反射裂缝的处理
1) 在沥青加铺层上锯切横缝。在沥青加铺层上, 对准旧混凝土面层的横缝位置切出新的横缝, 并在开放交通前, 尽早在缝内填入封缝料, 以保持接缝有效地密封, 防止水或异物进入。预先锯缝, 可以释放加铺层内因温度收缩受阻而产生的拉应力, 提供预定的不连续断面位置, 从而控制随意裂缝的出现。2) 采用厚加铺层。增加加铺层厚度, 一方面可以减少旧面层的温度变化, 并降低加铺层底面的拉应力, 另一方面可以增加路面结构的弯曲刚度, 降低接缝处的弯沉量和弯沉差, 减小加铺层的剪切应力。同时, 对于较厚的加铺层来说, 裂缝由加铺层底面扩展到顶面需要经历较长的距离, 也可延长其使用寿命。3) 裂缝缓解层。在沥青加铺层和旧面层之间可以设置一层由开级配沥青碎石混合料组成的裂缝缓解层。混合料含有25%～35%的连通孔隙, 因而可提供缓解作用, 使旧面板层板接缝处的弯沉差难以影响到沥青加铺层的上层, 从而减少反射裂缝产生的可能性。4) 设置夹层。在旧混凝土面层和加铺层之间设置夹层, 可以使沥青加铺层底面的应力或应变因离开应力集中的接缝端部而降低, 同时也可改变加铺层结构的抗拉和抗剪能力。
1.4 沥青混凝土加铺层厚度控制
设计厚度标准应与一般的沥青混凝土路面设计一样, 在满足承载能力的前提下, 路面结构层厚度应有良好的水稳定性和高温强度, 沥青混凝土面层应满足使用功能的要求, 加铺层厚度首先要满足原路面纵向线形, 同时为避免过多的破碎和替换混凝土板, 考虑旧路局部地方下沉、部分板翘曲、旧路路面横坡度变化等情况, 注意将调坡与路面现有承载力调查法相结合。旧路改造一般采用两层密实型沥青混凝土结构, 沥青混凝土面层的最小厚度为8 cm～10 cm比较理想, 一层为最小厚度5 cm的沥青混凝土整平层, 一层为4 cm左右的抗滑表层, 实现与其他沥青路面一样, 具有良好的平整度、构造深度和密实度等。
1.5 沥青混凝土面层材料的选择
原材料是影响沥青混凝土质量的根本所在, 严格把好进场材料关对沥青混凝土生产质量将产生至关重要的影响。生产沥青混凝土所需材料为沥青、石料、填料。关键的材料沥青要选重交通道路石油沥青、改性沥青, 其性能、指标必须符合高等级路面施工要求。集料在沥青混合料中起到一个整体骨架作用来抵抗路面的变形, 集料本身的强度特性、集料与沥青的粘附性、集料的棱角性和集料的级配对沥青混凝土路面的强度、高温稳定性和水稳性起决定性作用。石料应结合当地的地材情况, 根据路面的使用性能和要求确定。要采用优质石料用先进的锤式破碎机生产。控制石料中的扁平状含量, 扁片颗粒含量多会增加石料的表面积和沥青用量, 也会降低混合料的抗形变能力。一般选破碎面较多、扁平颗粒较少的石料, 并且必须达到洁净、无杂质、无风化, 具有良好的颗粒形状, 抗压强度应不低于三级, 压碎值小于25%, 与沥青材料粘结力不低于三级的要求。矿粉要洁净、干燥、无杂质, 有30%能通过0.074 mm筛, 亲水系数小于1.0, 外观无团粒、结块。砂的细度模数为2.3～3.0, 含泥率小于1%。
2 结语
旧水泥混凝土上加铺沥青混凝土面层, 是改造旧水泥混凝土路面行之有效的方法之一, 在公路的改建和扩建中大部分地区已普遍采用。虽然目前我国尚未有比较成熟的相关设计规范和方法, 对加铺沥青混凝土的板块未提出相应的评价指标, 对于特重交通路面结构设计的经验也很不足, 但近年来国内许多科研、设计单位面对广大工程改造的迫切需要, 在这方面的研究中取得了不少有益的、值得借鉴的经验, 成功的关键在于精心设计、精心施工。
摘要：分析了水泥混凝土路面加铺沥青路面面层后不同形式的反射裂缝产生的机理, 并提出了旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层质量控制的关键, 以有效利用旧水泥混凝土路面延长道路的使用寿命。
关键词：水泥混凝土路面,沥青加铺层,反射裂缝
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铺层结构三维等效弹性常数研究 第8篇
层压复合材料主要是指在电气工业、航空及机械制造等领域中广泛应用的一类纤维增强复合材料层压结构[1,2],包括由相同组分铺层叠合而成的层压杆、板、壳结构,或由不同组分铺层叠合而成的层间混杂层压结构[3],目前,这类结构有限元分析中材料属性的等效计算研究十分匮乏。随着复合材料结构的日益复杂和有限元分析水平的不断提高,复合材料的仿真分析逐渐由二维应力向三维应力分析过渡[4]。得到准确的材料性能参数是进行仿真分析的前提,但目前国内外复合材料力学性能表征体系一般只有单层板的材料性能数据,所以,研究复合材料的三维弹性参数对深入研究复合材料结构的力学特性和进行复合材料结构优化设计具有重要意义。
在大型回转机构的研究分析中,一些部件由多种材料层压复合而成,结构十分复杂,对其进行有限元建模及材料属性赋值时比较困难,关于这方面的理论研究也相对较少。文献[5]采用超声技术对电机铺层结构弹性参数进行测定,但空气会对测试结 果带来一 系列偏差。 文献 [6]采用Halpain-Tsai修正混合率公式对定子线棒结构的材料属性进行等效,等效前后3阶固有频率最大超过10%。文献[7]在对电机绕组的等效中确定了弹性模量,但无法计算出合适的泊松比,只给出了假设值。本文对三维层合板复合材料弹性常数等效方法进一步改进,通过编写MATLAB程序, 将其应用于某大型回转机械平行铺层和曲面铺层部件的材料等效中,计算等效后的弹性常数,并分析比较等效前后结构的模态计算结果。
1三维弹性常数等效的理论分析
在工程实际中应用的复合材料层板,常采用多铺层结构相同的子层板叠层。假设一个三维厚层压板由M个交叠合的子层板组成;子层板又包含了N个正交各向异性的纤维增强复合材料单层,每个单层的铺层方向可以 是任意的,如图1所示。
典型单元的宏观有效力与应变的定义如下:
式中,σij为每一单层的应力;εij为每一单层的应变;V为典型单元整个厚度内的体积。
假定面内尺度是微小的,因此每一单层内的应力与应变在单元面内方向可以看成均匀分布的,即为常数。于是由式(1)可得
其中,φk表示第k单层的体积分数,由下式确定:
式中,tk、h分别为第k单层和子层的厚度。
根据应力和位移在单层界面上的连续条件, 可以假定:
根据弹性力学中等效应力与应变的关系[8], 在层板中可得如下关系式:
根据式(2)~式(4),经过推导,可以得到一组形式如式(5)的方程式,从而得到有效弹性系数矩阵。对于由N个任意厚度的正交各向异性单层组成的 子层板,其三维有 效弹性常 数公式[9,10]为
式中,cij(k)为子铺层组中第k层的弹性常数,m =1,2;l= 1,2,3;r,s=4,5。
等效密度为
式中,ρi为各个单层的密度。
2数值计算及验证
2.1平行铺层部件的等效计算及验证
对于非均衡层板和一般形式的 层间混杂 层板,可使用三维有效弹性常数的一般表达式。 部件主要由不锈钢、铜、中间垫层和外包裹层叠合而成,其端面结构如图2a所示,整体视图见图2b,材料属性参数见表1。对于部件中材料为各向同性的层板,在计算其柔度矩阵时,其剪切模量可以通过弹性模量E和泊松比ν 用公式G=E/2(1+ν) 求得。利用等效公式(6)~ 式(13)在MATLAB中编写等效程序,将各组分的材料参数输入程序, 即可计算出等效后的刚度矩阵和柔度矩阵。
依次列出该部件各组分的柔度矩阵和刚度矩阵,再利用等效公式编程求解,可得等效后的刚度矩阵为
等效后的柔度矩阵为
有效工程常数与柔度矩阵元素的关系[11]为
式中,为等效后柔度矩阵中所对应的系数。
求解上式即可得到等效后的弹性参数,包括弹性模量,如表2所示。
为了验证该等效结果的可靠性,在ANSYS中建立部件有限元模型,利用等效前后的弹性参数进行模态分析比较。
部件的APDL建模过程如下:首先按照几何约束关系及相应尺寸建立完整的部件轴线平面展开线,接着将该曲线离散成一系列的节点,并将节点编号,再通过二维到三维的坐标变换把这些节点还原到三维中,形成部件端部绕组的三维轴线, 最后根据截面的形状建立多个矩形块,生成等效前的部件有限元模型,截面如图3a所示,同时将截面只划分成一个矩形,生成等效后的有限元模型,截面如图3b所示。
将等效前后的模型赋上相应的弹性参数,对整个部件进行模态分析,振型如图4所示,固有频率如表3所示。
由表3中比较结果可知,等效前后部件前3阶固有频率的变化率中最大的为第3阶,减小了4.94%,最小为第1阶,增加了2.67%,所有变化率都在5%之内,变化较小,说明部件使用该等效方法是合理的。
2.2环形铺层部件的等效计算及验证
该环形部件的结构如图5所示,主要由内层、 中间层和外层组成,呈周期排列,材料参数如表4所示。对于此类的各项同性层板,等效三维弹性常数可以由式(6)~式(13)进一步简化:
将各个组分的材料参数输入等效程序中进行等效计算。 得到等效后的参数E =222GPa, ν=0.32,ρ=2848kg/m3,将等效前后的弹性参数分别赋给等效前后的模型进行有限元分析,结果如图6所示。
由表5中比较结果可知,等效前后部件前3阶固有频率的变化率中最大的为第3阶,增大了4.3%;最小为第1阶,增大了3.2%,变化均在合理范围内,说明该方法对环形铺层结构等效也是可行的。
3结论
(1)对复合材料三维等效弹性参数进行了理论推导,以某大型回转机械的平行铺层和环状铺层部件为例,对其弹性常数进行了等效计算和验证。
(2)分别建立了平行和环状铺层部件等效前后的有限元模型,对比分析等效前后的3阶固有频率和振型,得到比传统的如Halpain-Tsai修正公式更小的误差,说明该等效方法更加合理。
(3)针对此类多层板复合的特殊结构,提出了各向异性和各向同性两种铺层结构的等效算法, 并以MATLAB为平台开发了模块化程序,为该类型结构的等效计算提供参考。
摘要：从铺层结构的三维宏观弹性特性出发,利用三维层压结构理论,获得了复合层板的三维弹性常数的等效公式。以MATLAB为平台,编写模块化程序,将层压结构理论运用于某大型回转机械平行铺层和环状铺层结构的三维弹性常数等效中,输入每个单层结构的弹性参数,该程序可自动生成部件等效刚度矩阵、柔度矩阵和等效弹性常数;结合APDL参数化语言建立有限元模型,对等效前后的结构进行模态分析比较。结果表明,等效前后部件前三阶固有频率的变化率都小于5%,说明该方法对此类复合铺层结构的三维弹性常数等效是可行的。
非粘结混凝土路面加铺层 第9篇
(一) 优点
非粘结混凝土加铺层对现有混凝土路面状况较差的情况特别适用。与其他加铺层技术相比, 它在加铺层施工前对现有路面的处治工作量较小, 只需要对板下有较多空隙及活动混凝土面板等进行修复, 但通过这引处治, 可使加铺层及隔离层的顾度减薄, 从而使工程总体较经济。非粘结混凝土路面加铺层在路面性能退化的较长时期内, 性能和费用都优于沥青加铺面。
非粘结混凝土加铺层可避免因路面重建而带来的费用大、工期长、对正常交通秩序干扰大等一系列问题。它可以在现有路面上直接施工, 而不需要挖除全部现有混凝土路面再对基层进行处治。加铺层混凝土的铺筑方法同新铺筑混凝土路商施工基本一样, 可做在带传力杆或不带传力杆接缝的素混凝土路面, 也可做成钢筋混凝土或连续式钢筋混凝土路面, 施工便利。与挖除重建相比, 虽然个别路段可能会遇到调坡或抬高桥面问题, 便其费用常大大低于重建的费用。
非粘结混凝土加铺层没有反射裂缝发展的问题。反射裂缝发展是历清类加铺层常见的现晚, 它会明显缩短加铺层的使用寿命, 而非粘结混凝土加铺层由于设置了隔离层, 阻止了反射裂逢对加铺层的影响, 延长了路面的使用寿命。
(二) 设计建议
加铺层的设计通常包括加铺层的厚度设计和接缝设计。但对所有混凝土路面, 都应正确设计接缝间距, 荷载传递和排水系统, 这样可避免将来的麻烦。
最常用的设计方法是“结构缺陷”法。它的依据是在现有路基上新修混凝土路面所需的厚度。非粘结混凝土加铺层厚度的设计步骤, 应包括对现有路面状况的评价。首先应对现有路面进行目视实地调查, 确定需要在加铺前进行处理的缺陷范围和方式, 并根据弯沉仪或取芯试验提供的结构信息进行结构评价, 然后进行设计计算, 对素混凝土加铺层而言, 最小厚度应不小于13cm, 大多数厚度在18～23cm。
一些工程师担心, 加铺层混凝土面板的翘曲作用会导致面板较早断裂。翘曲是贯穿板厚的温度梯度作用的结果, 温度梯度随气候情况及每天的时间而变化。设计时可采用短的接缝间距或连续配筋的方法, 减少加铺层混凝土板中的翘曲应力作用。
对不加筋非粘结混凝土加铺层, 其最大的接缝间距不超过板厚的22倍, 但最短也不宜短于3m。
(三) 加铺前的处治
加铺前仅需对几种严重病害进行自治, 如对严重破碎板, 沉陷、活动的板等进行修复。处治工作量宜与加铺层的厚度综合考虑, 因为对路面病害的处治, 可提高现有路面的结构值, 相应可减薄加铺层的厚度。但是, 不倾向用增加加铺层厚度的方法来代替现有路面病害的修复, 况且增加加铺层厚度并不能解决所有的病害, 如板失去均衡支撑出现活动, 缺少排水系统、唧泥等。对这引起病害必须进行处治。
1. 破碎板的处治:
不需要对所有破碎板都进行更换, 仅需对那些失去基层均衡支撑及损坏严重的板进行更换。对沉陷井唧泥的破碎板必须进行更换, 同时还应修复基层, 对已发生唧泥和基层浸蚀的还应进行边部排水。
2. 不稳定板的处治:
大多数不稳定板是失去均衡支撑、可活动和唧泥的, 但破损尚不严重。可用稳定 (压浆) 或座实技术处治。压浆通常是用水泥火山灰浆, 通过混凝土板表面钻的孔, 将浆压入到路面板下, 座实技术是把板座实防止偏转, 常用落锤式设备把板击成每边长1m以上的块, 然后用重型压路机压实, 具体吨位和遍数应通过试验确定。
3. 错合的处治:
接缝或裂缝处当错台大于0.6cm时, 可采用两种方法处治:消除错台或铺设较厚的隔离层, 若选用较厚的中间隔离层, 通常采用热拌沥青混合料。
4. 破碎:
对于路面结构非常差的情况, 可用共振、落锤式或其他破碎设备将现有路面破碎, 然后用50t或25t的钢轮压路机座实。通常用50t压路机只需压一遍, 而用25 t则需压两遍, 对座实后的情况应进行评定。应特别注意现有路同板的破碎, 因为这样将减弱结构的性能, 需采用较厚的加铺层来弥补, 同时中间隔离的材料及厚度也需要有保证。美国一些应用这项技术建成的路段状况良好, 然而其成本效益要与加铺前局部修复处理进行比较综合评定。
(四) 加铺层及隔离层的材料
加铺层混凝土可用标准的, 也可用早强的混凝土混合料, 在交通繁忙路段, 使用早强混凝土可减少道路封闭时间, 早强混凝土在铺筑5～24h后即允许开放交通。
中间隔离层应覆盖现有的整个路面, 以保证加铺层的独立性。不合适的隔离层会影响加铺的寿命。研究表明, 沥青混合料是中间隔离层的最好材料, 混合料要符合有关规范规定, 并彩常规的级配骨料, 最大粒径要根据隔离层的厚度选定。隔离层的厚度应根据现有路面状况进行选择。对现有路面裂缝或接缝处错台超过0.6cm的情况, 采用2.5cm厚的沥青混合料作中间隔离层是合适的。
(五) 施工中的几个问题
1. 中间隔离层的铺设:
中间隔离层的铺设可采用标准施工程层的收缩裂缝也会增多, 此时使用由熟石灰和水组成的石浆水, 喷酒在中间隔离层的表面可减轻这些问题。
2. 加铺层的接缝:
加铺层的锯缝应尽可能早些, 以释放其初始应力, 纵横缝的锯缝深度不小于加铺层1/3。加铺层与现有路面的铺缝若做得好, 可延长加铺层的寿命。特别对传力杆的接缝, 错缝有助于跨缝荷载的良好传递, 这是由于每个接缝都是设在连续的混凝土板上。一些州还特别规定力, 铺层接缝与现有路面的接缝及裂逢的错缝间距至少为90cm;另外, 为防上接缝处原路面板下唧泥的发生, 加铺层设逢与原路面接逢或裂缝应交错布置。在铺设隔离层前, 承包商应准确标明现有路面的接缝和裂缝位置, 允许误差在10cm内。同进允许在规定的最大缝距内进行缝的调整, 以利错缝。对于重交通荷载的道路, 必须设置带传力杆的接缝, 但对错缝不强调。传力杆的直径为32～38mm, 根据其加铺层厚选用。
(六) 结语
美国曾于1989年对非粘结加铺层的服务状况进行了调查, 调查显示服务状况良好, 说明该项技术对路况较差的混凝土路面是合适的, 该项技术与重建及其他技术措施相比具有成本低效果好的特点。
综上所述, 非粘结混凝土路面加铺层具有施工简便、使用耐久、造价低的特点, 因此, 该种路面结构值得推广。
摘要：混凝土路面在经过一段时间的使用后, 其路面状况会越来越差, 病害越来越严重。若选用非粘结混凝土路面铺层, 则不失为一种好方法。文章对其优点、设计及施工中要注意的问题进行了介绍。
浅析水泥混凝土路面的沥青加铺层 第10篇
关键词：指标,方法,裂缝
旧水泥混凝土路面上进行加铺主要有两种类型:水泥混凝土加铺层和沥青加铺层。由于高等级公路上交通量大, 修复过程中不允许全幅中断交通, 而沥青加铺层具有修复周期短、行车舒适等优点, 在旧水泥混凝土路面上加铺沥青加铺层已成为我国高等级公路及城市道路的一种切实可行、简单有效的修复措施。
1 旧路面状况的调查与评定
加铺层设计是在对现有路面结构性能作出正确评定的基础上进行的。为此, 需对路面的损坏状况和结构状况进行调查和评价。
1.1 调查的内容
调查的内容包括:交通及经济调查, 路面破坏状况调查, 路面结构承载力调查, 设计、施工及维修调查。
路面结构承载力通常采用无破损测试的方法, 在路表面测定弯沉值, 通过分析判断路面结构的承载能力。
弯沉测量应分两批进行。第一批分别对每块板的板中进行弯沉测量, 第二批分别对每条接缝两侧的板边进行弯沉侧量。板中的弯沉值用以反算板的回弹模量和分析板下是否脱空;板边的两个弯沉值的平均值用以分析板边的支承情况, 两个弯沉值之差则用以评价接缝的传荷能力。
对于水泥混凝土板的脱空调查, 运用透地雷达进行检测, 可以快速、精确地检测水泥混凝土板下的脱空发育程度。
1.2 路段的划分
路段划分的目的是给每一个路段设计一种适当的改建对策。路段划分时, 应考虑同一路段的路基路面结构、使用性能、交通等状况基本相同, 以及各路段的最小长度应与施工方法相适应。
1.3 现有路面状况的评定
对于水泥混凝土路面上的沥青加铺层设计, 旧路面使用状况可采用路面状况指数PCl、板下脱空度V和接缝性能指数S来评定。
l.3.1路面状况指数PC1
路面状况指数PC1可根据公路养护技术规范得出, 建议根据PC1将路面破损分为优、良、中、次、差五个等级, 见表1。
1.3.2 脱空值V
检查板下的脱空情况有两种方法:弯沉检测法和透地雷达检测法。脱空的严重程度应通过脱空区的高度和脱空区的面积两方面来描述。建议用脱空值V作为评价脱空严重程度的指标。脱空值V (cm3) 为单个脱空区高度h (cm) 和脱空区面积s (cm) 之积, 即:V=s×h。根据脱空值V的大小, 将脱空区的严重程度分为轻、中、重三个等级。对于以采用弯沉检测法的则以板中实测弯沉值作为指标。建议的评定标准见表2。
1.3.3 接缝性能指数
接缝的使用性能包括传荷能力和基层的支承能力两部分。建议采用接缝性能指数 (s) 来评价接缝的使用性能。用wl和W2分别代表接缝两删有轮载作用下的板边弯沉值 (0.01mm) 和无轮载作用的板边弯沉值 (0.01mm) 。S用下式表示:
式中第一项用以分析接缝的传荷能力, 第二项用以分析接缝处基层的支承情况。根据s值的大小, 可将接缝的使用性能分为良、中、差3个等级, 见表3。
2 加铺层设计
2.1 加铺层厚度计算方法
水泥凝凝土路面上加铺沥青层设计, 目前国内外主要采用一些经验方法。
2.1.1 地沥青学会挠度法
对于普通水泥混凝土路面, 接缝处的竖向挠度最为重要。如用贝克曼粱量测, 接缝两俯板的挠度差 (W1-W2) 应小于0.05mm, 平均挠度 (w1+w2) /2应小于0.36mm。若这些准则不能满足, 则需加固和作底封。密级配沥青混凝土可减小挠度0.02/cm。如挠度分析表明要减小50%以上, 则不能单用沥青加铺层。减小挠度最经济的方法是应用底封。
例1:某条水泥混凝土高速公路, 板长为5m, 公路所处地区年平均温差为39℃, 用贝克曼梁测定接缝处板边的弯沉w1和W2分别为38 (0.01mm) 和43 (0.01mm) , 则平均挠度为40.5 (0.01mm) , 超过标准13%, 采用沥青混凝土加铺, 按每lcm厚沥青加铺层减小挠度2%计算, 加铺层厚度需7cm。
此厚度与加铺层厚度设计通用表比较, 使反射裂缝减小到最低程度所需的加铺层最小厚度为10cm, 故加铺层厚度可按10cm设计。
2.1.2 CO E法
美国工程师部队 (COE) 按照补足厚度缺额的概念, 提出了旧水泥混凝土面层上加铺沥青层的经验厚度计算公式:
式中:
h———按现有地基承载力和未来交通要求, 由新建混凝土路面设计方法确定的单层混凝土面层所需厚度 (cm) ;
ho———旧混凝土板的厚度 (cm) ;
cb———旧面层板的状况系数, 含有细微的初始裂缝时, ch=1;含有多条裂缝或角隅断裂时, c=0.75;
f———控制旧面层板在加铺后裂缝进一步发展程度的系数, 随交通和路基强度变动于0 6~1.0间取值;
A———混凝土层厚与沥青层厚的当量转换系数, A=2.5。
hd不但与交通量和地基承载能力有关, 还与板长、温差等因素有关, 精确的计算比较困难。对于沥青加铺层设计, hd可参照表4取值。ch值变动的范围较大, 具体选用时难以正确把握, 建议根据旧混凝土路面状况指数的评级结果, 按表5取值。
例2:某条高速公路混凝土面板厚为25cm, 板长为5m, 现交通等级为特重, 旧路面状况评级为中等, 公路所处地区年平均温度差为39%, 计算沥青加铺层的厚度由表4h取28em, 由表5cl取0.86, A取2.5。对于f值, 我们一般希望加铺沥青层后, 旧混凝土面板的裂缝不再进一步发展, 故f取1, 则由式⑴计算沥青加铺层厚度为16.3cm。此厚度与加铺层厚度设计通用表比较, 满足最小厚度要求, 故本路段沥青加铺层厚度可取16cm。
2.1.3 AASHT0法
美国AASHTO的路面设计指南也采用补足厚度缺额的概念确定沥青加铺层的厚度, 但放弃了修正系数的考虑。其计算公式为:
式中:C1为考虑损坏接缝和裂缝是否修复的系数, 加铺前已进行全厚度修补时, C1=1:否则按每公里未修复接缝和裂缝的数量在0.6~1.0范围内选取。C2为考虑旧面层是否存在耐久性问题 (耐久性裂缝或反应性集料病害) 的系数, 无耐久性问题时, C=1.0;有耐久性裂缝但未裂碎时, C2;0.96~0.99, 有少量碎裂时, C2=0.88~0.95, 严重碎裂时, C2=0.80~0.87;C3为考虑疲劳损坏程度的系数, 少量横向裂缝板 (<5%) , C3=0 97~1.0, 较多横向裂缝板 (5%~15%) , C3=0.94~0.96, 大量横向裂缝板, C3=0.90~0.93;B为混凝土层厚与沥青层厚的当量转换系数, 它是混凝土厚度缺额的函数, 由下式确定:
例3:例2中混凝土面板有较多的耐久性裂缝但未碎裂, C2取0.96, 有较多的横向裂缝, C3取0.94, 在加铺沥青层前对旧路面中损坏较严重的裂缝和接缝进行全厚度修补, 损坏较轻的不修补, 则C1可取0.9。则由式⑶得hr=20.3cm, 由式⑷得B=1.85, 由式⑵得沥青加铺屋厚度为14.2cm。
所得厚度小于按COE:法计算的加铺层厚度, 是因为加铺沥青层前对旧路面中损坏较严重的裂缝和接缝进行了全厚度的修补。
2.1.4 破碎稳固法
对于破损严重的水泥混凝土路面, 可采用破碎稳固法进行加铺层设计。具体步骤是先将原水泥混凝土板块破碎成30×30cm以下的小块, 用振动压路机碾压, 使其与基层充分接触, 并用水泥砂浆进行稳固, 增设一定厚度的半刚性基层, 然后再铺筑沥青面层。由于板块尺寸减小, 温度下降时混凝土块的收缩位移大大降低, 从而降低了加铺层的拉应力。这对减小反射裂缝是有利的。但是, 原路面结构的强度也会相应的降低, 所以需要增加较厚的半刚性基层。沥青面层的厚度宜在10~18cm之间。基层的厚度可通过将破碎的旧面层当作底基层, 用弯沉测定反算破碎层的抗压模量, 按半刚性基层沥青路面设计方法确定。
上述的四种加铺层设计方法中, 地沥青学会挠度法主要依据混凝土板接缝处的板边弯沉测定值, 这种方法考虑了面板接缝的传荷能力和接缝处基层的支承能力, 但未考虑混凝土板的其它损坏, 可用于板块纵横裂缝较少, 板块整体性较好的加铺层设计。COE法和AASHTO法都是根据旧混凝土板裂缝类的损坏状况, 按补足厚度缺额的概念计算加铺层的, 而AASHTO法不但考虑了裂缝损坏的严重程度和裂缝的性质, 还考虑了加铺沥青层前, 是否对有损坏的接缝和裂缝进行修复以及未修复接缝和裂缝的数量。可以认为按AASHT0法计算的结果比COE法计算的结果较为可信。
破碎稳固法主要依据破碎层表面的弯沉值, 加铺路面面层确定后, 按半刚性基层沥青路面设计方法确定的基层厚度。
2.2 建议的加铺层厚度
经过处理后的旧水泥混凝土板作沥青加铺层的基层, 其刚度一般较大, 基层上的弯沉较小。沥青面层合理厚度的确定, 主要是考虑防止反射裂缝。沥青加铺层太薄, 容易产生反射裂缝;加铺太厚, 造价又太高。根据国内外的经验, 建议沥青加铺层的厚度取10~18cm。当计算得到的沥青加铺层厚度超过18cm时, 应当考虑在旧路面上增设一定厚度的半刚性基层。半刚性基层厚度通过计算确定, 但不应小于15cm。
2.3 排水设计
预防水对路面的损害有两种方案, 一是在沥青加铺层下设置排水系统, 二是在加铺层下设置下封层。具体方案如下: (1) 恢复路面横坡; (2) 喷洒透层沥青; (3) 设置防水下封层; (4) 设置排水底面层; (5) 减小沥青面层的渗透性; (6) 恢复硬路肩内纵、横向排水设施。
3 反射裂缝的防止
3.1 提高沥青加铺层的抗裂性
采用低稠度的优质沥青, 在混合料拌和过程中, 严格控制物料温度, 保证沥青不过多氧化;提高沥青混合料压实度;增加沥青的含量。
3.2 原有路面裂缝的处理
对于宽度大于6mm的裂缝进行清缝和灌缝处理;对脱空的水泥混凝土板进行压浆。
3.3 设置应力消减夹层
设置橡胶沥青夹层;设置土工织物夹层;设置格栅夹层;设置厚8cm以上开级配沥青混凝土底层。
4 结语
铺层均匀性对平整度的影响 第11篇
1) 加铺层材料的压实作用不均匀, 即材料所受到的压实功不一致。
2) 铺层混合料的密度和力学特性不均匀。混合料的级配离析和温度离析造成的松铺混合料的力学特性不一致即材料抵抗压实的性能不一致, 导致混合料预压实度不均匀, 行车荷载作用下的路面继续压实, 空隙率减小造成平整度下降。
3) 铺层厚度的不均匀。松铺层的厚度包含两个意义:一是压实层的绝对厚度;二是与混合料中骨料最大粒径有关的厚度, 即相对厚度。
前两方面的因素归结为压缩比 (即松铺层混合料密度与压实后混合料密度之比) 的不均匀反映出来。后一方面的因素是直接通过压缩量的变化反映出来。
2 离析的定义及影响机理
离析:沥青混凝土在拌和、运输、摊铺过程中产生的离析是影响到铺层均匀性的主要因素, 沥青混合料的离析分为集料离析与温度离析。
2.1 集料离析
从理论上分析, 沥青路面常见的集料离析一般可分为2种类型。
2.1.1 条状离析
条状离析分布在摊铺机螺旋布料器分动箱处、支撑处 以及末端, 是由于混合料中的大集料滚落到螺旋布料器非连续处的空隙中积聚形成的。
2.1.2 收斗离析
由于施工工艺的缺憾, 在路面施工中, 一车料卸完后, 下一车料并不是马上开始卸, 而是等摊铺机收斗以后, 待摊铺机料斗中混合料摊铺剩余不多时, 才开始卸下一车料, 然后接着摊铺。在这个过程中, 上一车料车厢中最后被卸下的那部分混合料中, 粗集料占多数, 其中的一部分料被卸在了摊铺机料斗两翼的翼板上面, 不能被刮板输到摊铺室。只有在摊铺机收斗时, 才能把料斗两翼的粗集料再次集中, 而下一车料卸料初的一部分也是粗集料占多数。这样摊铺出来的铺层, 就很有规律的每隔20～30 m 出现一小段粗集料占多数的路面, 与生产级配差异较大, 与原设计相比, 这些离析区域的混合料级配更像开级配, 即收斗离析。
发生集料离析以后的混合料, 如图1所示:形成粗集料和细集料聚集, 使得松铺层的相对厚度产生不均匀, 同样的压实功作用下, 相对厚度大 (细集料聚集) 的部位其压缩量要大, 相对厚度小 (粗集料聚集) 的部位其压缩量要小。
沥青混合料发生集料离析以后路面在压实过程中会产生“过桥效应”, 接触点处的粒料在极大的压力下, 部分粒料被压碎, 而与钢轮没有接触的混合料铺层粒料, 仅受到周围粒料的挤压作用, 其结果是铺层的压实度出现横向、纵向不均匀。在行车荷载作用下, 压实度进一步增加, 空隙率减小, 路面纵向、横向平整度下降。
根据混合料密度计算方法得知, 集料级配的改变, 必将引起其密度的改变。所以铺层集料的不均匀将引起铺层密度的不均匀, 其压缩比随之也会发生变化, 导致路面的平整度变差。
2.2温度离析
温度离析是指原来经充分搅拌、温度均匀的沥青混合料, 在运输、摊铺的过程中, 由于不同位置的混合料温度下降不一致, 导致混合料的温度差异, 产生温度离析。
2.2.1 沥青混合料在卸料初期的温度离析
图2是在运料汽车刚刚开始卸料时拍摄的, 汽车尾部顶面的料首先整体滑下来, 露出混合料在到场后的一个温度横断面, 直观地显示出混合料在运输、等待卸料后的温度散失情况 (热像图所拍摄的均为由SBS改性沥青拌制的沥青混合料) 。由图2可以看出, 高温混合料的温度最高达到188.3 ℃, 表层冷料温度最低温度只有120.7 ℃, 温度差值达到67.6 ℃。
2.2.2 沥青混合料在卸料中期的温度离析
图3是在运料汽车卸料过程中拍摄的, 这时混合料从车厢后挡板下方缓缓挤出, 此时摊铺出来的都是高温混合料。顶面混合料只有局部滑动, 部分低温料甚至聚集, 再次发生温度离析。
2.2.3 沥青混合料在卸料末期的温度离析
图4是在运料汽车卸料末期拍摄的, 由于车厢内余料不多, 而且大部分为原来汽车底面和前部的低温混合料, 平均温度只有110.6 ℃, 远远低于规范规定的摊铺温度要求。达到纵向摊铺温度曲线的波谷。
从图2、图3、图4反映一辆运料车的卸料过程, 可以看出摊铺机摊铺出路面上沥青混合料的纵向温度变化:刚开始时车厢尾部的低温料, 然后是车厢内部的高温料, 最后是车厢前部和顶面聚留的低温料, 简而言之先低温再高温最后又低温, 每车料形成一个循环周期, 这样形成了混合料的纵向温度离析。如图5所示。使用红外热像仪对摊铺机熨平板后面的混合料每隔1 min所测得的数据曲线, 也反映摊铺路面纵向温度离析呈波浪形变化的这一规律。
3温度与空隙率的关系
由于沥青结合料的粘滞性与温度有密切的关系, 压实过程应具有一定的温度范围, 低于或高于一定温度时, 压实过程就无法进行。温度的高低, 直接影响沥青混合料的压实质量。温度较高时可以得到较好的压实度和压实效果。温度过低时, 由于混合料的粘度增大, 导致压实无效, 压实度较差。由图6得知, 由于温度离析的存在, 混合料温度不均匀, 形成纵向的波浪起伏, 压实度也随之起伏, 变得不均匀, 研究表明:混合料温度在149 ℃的情况下进行碾压时, 空隙率只有6.8% , 而当温度降低到93 ℃时, 空隙率增加到9.3% (见表1) 。在行车荷载作用下将随着压实度的进一步增加, 空隙率的减小, 路面平整度迅速下降。
4 结束语
沥青混合料的离析对其压实度、空隙率的影响非常大。一旦混合料发生离析以后, 压实出来的沥青路面其空隙率将不再是设计中值, 变异性比较大, 压实度也将不再均匀。为了减小离析对沥青路面这方面危害, 在施工过程中应当尽量避免温度的不均匀变化。如加强在运输过程中的保温措施、使用转运车进行二次搅拌等。沥青混合料集料在拌合、运输、卸料过程中应当采取正确合理的堆放方法, 合理的卸料高度等来避免集料离析的产生。严格控制施工工艺, 将离析对平整度的危害减到最小。
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