复合式长寿命路面（共5篇）
复合式长寿命路面 篇1
据调查显示, 目前中国的高速路面设计寿命常规为30年左右, 可是实际的使用年限却不到10年, 更甚者只是具有4年左右的运营时间, 此后就开始频繁的修葺环节, 这不仅影响了车辆的正常通行造成人民出行的极为不便、浪费赶路时间、增加汽车用户的燃料费用, 而且给国家带来巨大的维修费用和资源的滥用, 严重违背可持续发展战略和绿色环保的时代理念, 为社会带来严重的经济影响, 宏观来讲, 对设计年限外的道路进行修葺是不经济的社会行为, 是应该尽量去避免的;如何延长设计打破设计年限的30年大关, 如何保证道路的实际使用寿命是国内外学者纷纷探讨的话题, 并已取得一定成就, 复合式长寿命路面就是解决道路寿命问题的最佳产物[1]。笔者针对设计年限和使用年限问题, 从路面的要求和建设标准、路面结构入手, 以注重延长使用寿命为主体, 对复合路面进行深度探究和分析。
1 长寿命路面的定义
长寿命路面在使用上的定义年限为40年, 长寿命路面即设计年限超过40年的路面结构。随着时代的不断进步, 人们也为长寿命道路提出了新的要求;第一, 设计使用寿命超过40年, 不包括40年;第二, 实际年限内, 只是进行必要的常规保养, 没有主要承重层和结构性的修改;第三, 具备足够的承重层厚度, 具备设计年限内的最经济道路选择, 即保证最低维修费用;第四, 在设计的使用年限内, 道路结构完整, 不发生道路结构的长大损坏和重修;因其具备社会最经济特征, 故而在使用期间, 如果出现道路问题也不会对交通产生重大干扰, 可以尽量避免道路的堵塞, 由此带来的道路使用群体不满、愤懑情绪以及道路有关部门、当地政府的压力将会得以减轻, 一定程度上确保社会的稳定和长治久安。
2 复合式长寿命路面的设计要求
1) 复合式长寿命路面应该具备较高的路基稳定性。路基是道路稳定的基础也是路面结构的基石, 是道路的最终承重者和路面工作的平台, 较高的路基稳定性, 不仅可以改善路面的水温情况, 还可以更好的保证路面的完整性[2]。对于复合式长寿命路面结构而言, 设计的过程中应该尽力的提升路基的稳定性和承重能力, 为路面的使用年限划下最大的边际范围。
2) 材料的性能要求。针对于路面的使用长寿命, 从路面结构上来说, 首先, 路面的表层材料应该具有耐高温、高强度、高硬度、强水温稳定性和避免水损坏性, 保证过往车辆的安全;其次, 要具备抵抗大型车辆或过重车辆荷载过行碾压留下的车辙痕迹功能, 保证路面的光滑和平整;笔者认为, 柔性基层、碾压混凝土、半刚性材料理论上均可用作沥青复合长寿命路面的基垫层材料。
3) 结构层厚度的要求。长寿命路面的结构层厚度是设计和建设长寿命路面重中之重的问题, 是各方学者争相研究的焦点, 同时也是现有路面出现短时间破损的根本所在, 至道路承建商频繁出现偷工减料的环节。长寿命则必须要求路面的结构层厚度足够厚, 才能在车辆荷载通行时不影响路面结构, 在使用年限内保证道路结构上的完好。据调查, 目前国内高速路面的路面设计板厚度一般为25 cm, 而想要使得使用寿命达到40年, 这一厚度显然是远远不够的。想要实现复合式路面的长久使用, 则要求道路的结构层达到一定的厚度, 在能实现使用年限内只进行表层的修复而不进行结构上的修葺。
4) 路面的结构组成要求。路面结构的组成科学合理才能有效的延缓和制止道路出现结构性损坏, 在路面表层满足长寿命道路标准以后, 还需要严格的进行铣刨表面层重新加铺[3]。表层以下的结构分布主要能力就是缓冲结构间的直接压迫和抗裂性能, 让道路具有强力的抗疲劳能力, 让路面的使用年限得以延长, 同时路面的整体性也要适可注意, 底基层、基层、垫层、路基也要和长寿命道路设计思想一致;结构层底的拉应力是保证道路结构完整性的重要指标, 只有牢牢把握好这一指标, 才能更好的对路面进行预计和检测, 延长路面的使用年限。
3 复合式长寿命路面的设计标准
1) PCC+AC路面结构模式。PCC+AC长寿命路面 (沥青混凝土+应力吸收层+水泥混凝土+沥青联结层) 结构形式。采用路面结构的三维参元法以及弹性层状体系理论, 对PCC+AC复合式路面进行荷载应力分析。结构模式如图1所示。
2) 结构参数。文中结构计算参数的来源采用设计实际长寿命路面工程的最佳实际道路结构参数, 如表1所示。
3) 温度翘曲应力。道路的使用年限一定程度上受影响于混凝土板内温度应力, 其温度应力主要分为翘曲应力和胀缩应力, 由于胀缩应力的影响小之又小, 故而笔者认为温度应力影响甚大的还是温度的翘曲应力, 温度应力的产生原因是同一深度上的不同层面存在着温度梯度, 一天内, 路面层次间的温度变化时刻因沥青层厚度的增加而显得逐渐延后。据科学预测, 水泥混凝土的最大温度梯度一般出现在中午时刻, 相对于复合式长寿命道路, 因为结构层的不断加厚, PCC+AC路面的最大温度梯度则会出现在午后3:00左右。通过反复计算发现, 温度翘曲应力会随着PCC板的长度增加而逐步减少, 因此, 为了延长道路的使用寿命, 减少温度应力的影响, 可以适当的对PCC板长进行调整[4]。
MPa
4) 边界条件。a.复合型长寿命道路设计时, 其层面的边界不是随意设定的, 而是具有科学的、无数次试验得出的参数指标。AC表面层、PCC结构板层为有限的参数尺寸;复合式长寿命路面的地基为弹性半空间地基, 根据计算精度要求, 科学取尺寸为8 m×10 m×7 m。b.道路的表面层和结构层、地基的周围科学上应该保持悬空空间, 而地基的地面为大地是固定面;AC层与PCC板之间不是间隔分离的, 而是应该保证完全连续接触。
5) 法律上的要求。复合长寿命道路的表层设计基准为8年, 主要承重层即PCC层的设计基准为40年, 以道路使用过程中产生的疲劳断裂为道路强度验算指标;其材料设计要符合《公路沥青路面设计规范》和《公路沥青路面施工技术规范》的要求。
6) 沥青层寿命。即使路面的使用年限可以达到40年之久, 但是表层沥青的使用年限肯定是达不到的。所以在进行复合式长寿命道路结构设计时, 不要刻意的去强化路面沥青的使用寿命, 应该去考虑主体结构的完整和优良性, 沥青层的年限更加注重的是材料选取, 力求尽可能的长久, 必要时进行路面的表层维护。
4 结语
文章采用路面结构的三维参元法以及弹性层状体系理论, 对PCC+AC复合式路面进行荷载应力分析, 通过验算和校正, 复合式长寿命路面结构承重能力得到很大的提高, 比常规路面设计的使用寿命大大提升, 其主要的合理性在于, 各层面之间的力学调整, 符合时代长寿命的要求。虽然道路的设计年限为40年, 这一要求是针对于路面的承重层即PCC层, AC层则需要一段时间内进行翻新和养护。
摘要：采用路面结构的三维参元法以及弹性层状体系理论, 对PCC+AC复合式路面进行了荷载应力分析, 并对复合长寿命路面结构进行了验算, 结果表明, 复合式长寿命路面改善了层弹性模量对PCC板底温度应力的影响, 提升了路面的实际使用寿命。
关键词：复合式长寿命路面,温度应力,使用寿命
参考文献
[1]李淑明, 许志鸿, 蔡喜棉.土工织物对复合式路面结构内力影响分析[J].中国公路学报, 2006, 19 (1) :28-31.
[2]刘晓曦, 王硕太.机场混凝土道面封缝材料疲劳特性[J].交通运输工程学报, 2006, 6 (1) :44-47.
[3]Lee Hyun Jong, Lee Jung Hun, Park Hee Mun.Performance evaluation of high modulu asphalt mixtures for long life asphalt pavements[J].Construction and Building Materials, 2007, 21 (5) :1079-1081.
[4]JTG F40-2004, 公路沥青路面施工技术规范[S].
长寿命沥青路面设计探讨 篇2
近二十多年来我国高速公路迅猛发展, 但由于我国经济基础较差, 技术水平不高, 高速公路沥青路面开始出现各种各样的病害。特别是近些年, 局部地区局部路段的高速公路沥青路面的早期损坏比较严重, 一些高速公路建成通车后不久, 就发生了开裂、水损害、泛油、坑槽、车辙等早期损坏现象, 路面常常达不到设计年限就出现了损坏, 需要进行大修。为了提高沥青路面的性能和使用寿命, 减少沥青路面的病害, 降低沥青路面的维护费用, 我国引入长寿命沥青路面设计理念。
1 长寿命路面概述
长寿命沥青路面, 是指路面设计寿命超过40年, 全寿命期总体费用最经济的路面结构。相对于现有设计寿命为15年的沥青路面, 由于长寿命沥青路面通常采用较厚的沥青层, 其建设期投入成本高, 但其损坏仅限于沥青表面层, 减少沥青路面底面的开裂, 避免结构性车辙, 因此日常养护费用低, 维护方便。国外的长寿命路面追求的寿命是50年, 即50年不进行结构性维修。典型的长寿命沥青混凝土路面可用概念图1表示。
长寿命沥青路面结构分层以及各层功能特点为:
轮载下100~150mm区域是高受力区域, 也是各种损坏 (主要是车辙) 易发区域;
面层:40~75mm高质量沥青混凝土, 能为车辆提供良好的行驶界面, 应具有足够的表面构造深度, 抗车辙, 水稳定性好;
中间层:100~175mm高模量抗车辙沥青混凝土, 能起到连接和扩散荷载的作用, 应具有高模量 (刚度) 和抗车辙特性;
HMA基层:75~100mm高柔性抗疲劳沥青混凝土, 能起到消除疲劳破坏的作用, 由于最大拉应变产生在HMA基层底部, 该区域最易发生疲劳破坏, 所以该层应具备柔性高、抗疲劳能力强、水稳定性好等优点;
路面基础不仅为沥青面层的铺筑提供良好的界面, 而且对于路面的变形、抗冻都是至关重要的。
2 长寿命沥青路面设计理念
2.1 长寿命沥青路面设计指标
(1) 沥青层层底弯拉应变指标。目前路面的结构性破坏之一是路面疲劳开裂。路面疲劳开裂是指在荷载的重复作用下沥青面层弯拉应变引起的, 并由下而上发展贯穿整个沥青面层, 从而引起路面的破坏。长寿命路面设计必须使底面的弯拉应变低于材料的疲劳极限, 这样才能预防或减少路面结构性破坏。在路面设计时, 必须使材料的疲劳寿命大于累计标准荷载。
式中:Nf—实际路面结构中的疲劳寿命;
Nlab—沥青混合料室内试验的的疲劳寿命;
SF—修正系数;
TCF-温度修正系数。
研究表明随着沥青层厚度增加, 层底的弯拉应变逐降低, 因此提高沥青层设计厚度能预防或减少路面疲劳开裂。
(2) 路面面层抗剪指标。路面抗剪指标主要是控制面层局部损坏过早发生, 实际道路中最大剪应力应小于抗剪试验所提的混合料最大抗剪强度。抗剪强度公式:
沥青混合实际的容许剪应力公式:
式中:σα———结构层可能破坏面;
c———材料的粘聚力;
τR——容许剪应力。
研究表明沥青路面最大剪应变发生0~10cm, 特别是中面层剪应变较为突出。
(3) 路基顶面的压应变指标。路基顶面的压应变是各种力学-经验设计方法中普遍采用的另一个指标, 其主要目的是控制路面的总变形量。长期以来, 我国的沥青路面一直以来采用路表弯沉作为路面结构的主要设计和控制指标。认为弯沉指标是一个能够反映路面发生沉陷、网裂等综合强度的指标。但是随着我国近些年来对路面损坏的大量调查, 对弯沉指标指标有了更加深入的认识, 大量工程实践表明采用弯沉作为控制指标, 不能很好地表征路面的使用状况, 即较低的弯沉指标并不意味着较高的路用性能, 相反路面弯沉较小的路面可能会较路面弯沉大的路面破坏的情况严重得多。根据国外的经验和我国很多地方在进行长寿命路面的研究, 采用了路基顶面的压应变作为结构设计指标, 如江苏、山东等。
上海地区资料导出的路基顶面的压应变与路面寿命的关系, 可用下式表示:
式中:εz———表示路基顶面的压应变
2.2 长寿命沥青路面结构层材料设计理念
(1) 长寿命沥青路面结构层材料设计。长寿命沥青路面各结构层材料设计是保证路面良好路用性能的关键, 根据各结构层功能进行路面材料设计, 提出材料指标要求。
(1) 各结构层功能。磨耗层要求抵御车辙、老化、温度开裂和磨耗;中间层要求抵御车辙, 传递、分散荷载;基层要求作为承重层抵抗层底弯拉应变。
(2) 各结构层材料设计。磨耗层材料设计应选择SMA、密级配混合料或OGFC等类型混合料。
HMA中间层材料设计须同时具有耐久性、稳定性和抗车辙性能。耐久性是其抗疲劳性能、水稳定性、抗老化性能的综合反应, 其与混合料的空隙率有密切关系。提高中间层沥青混合料的耐久性能, 可以通过合理选择材料和增加骨料表层沥青膜的厚度来实现。稳定性可以从粗骨料间的骨架结构及采用合适的高等级沥青来获得, 这对面层上部150mm区域是至关重要的。抗车辙性能材料设计时可采用改性沥青、塑料隔栅, 混合料采用骨架嵌锁结构。值得注意的是, 必须考虑粗集料混合料的离析。
HMA基层材料设计要求有一定的抗车辙能力和具有很好的耐久性、优良的抗疲劳性能。HMA基层抗疲劳设计必须使底面的弯拉应变低于材料的疲劳极限, 这样才可预防或减缓路面结构性破坏。可以采用增加混合料的柔性、增加路面的厚度和采用基层材料抗疲劳设计的新方法。
长寿命沥青路面路基设计包括土基、垫层、地基层, 是路面“长寿命”的关键。路基功能要求设计和修筑高强、稳定和均匀的路基, 且设计路面时应将排水性能也作为重要指标, 使路基具有最基本的刚度要求, 以满足整个施工阶段和服务阶段的需要。
(2) 长寿命沥青路面结构和材料设计一体化研究。基本思路为:以材料路用性能为设计的根本, 保证设计的实用性及区域的适用性;将结构设计与材料设计有机结合;在室内进行模拟不同施工环境下混合料性能测试及分析, 以建立不同环境下施工参数与设计参数控制指标关系;结构设计和材料设计的实施效果直接受施工控制的影响, 因此施工控制的指标是结构设计和材料设计必须考虑的因素;设计中应针对具体技术水平提出相应的方案, 保证结构、材料设计指标的实现。
3 长寿命沥青路面设计实例
某高速公路全长78km, 是国内比较有代表性的长寿命路面。它采用了“柔+刚+柔” (沥青混凝土+水泥混凝土面层+沥青联结层, 简称A·P·A) 的路面结构设计新思路。具体结构形式为:石灰土或固化剂垫层+二灰碎石基层+防水连接层+水泥混凝土面层+应力吸收层+改性沥青混凝土面层。如图2所示。
(1) 路基设计:通过冲击压实以及固化剂处理土基两项技术对路基进行处理, 极大地提高了路基的压实度以及整体强度, 提前完成了4cm左右的沉降量, 为整个长寿命路面结构提供了均匀、连续的支撑条件, 保证了整体结构的稳定性。
(2) 基层设计:在二灰稳定碎石基层中掺加了硫酸钠早强剂, 提高了二灰碎石的早期强度, 而且增强了二灰稳定碎石的成型初期的抗干燥收缩的能力与中长期的抗温度收缩的能力。此外, 基层顶部设置了防水联结层, 这样不仅起到了防水功能, 而且实现了混凝土板的“软着陆”, 并能改善半刚性基层对混凝土面板约束状况。
(3) 面层设计:采用28cm厚水泥混凝土面板, 比常规26cm厚混凝土板的极限寿命提高40年左右, 大大提高了水泥混凝土路面的极限寿命。并且创造性地利用了板块划分技术, 采用3m×4m板块划分方式, 大大延长了水泥混凝土面板的使用寿命。另外, 混凝土面板全部缩缝设传力杆, 使行车荷载在板块之间平稳过渡, 防止重载车辆对路面的损坏, 保证了路面行驶的舒适性。
在沥青混凝土表面层下设置了2cm的SBS改性沥青玛蹄脂石屑作为应力吸收层, 起到了很好的防水、防反射裂缝的作用。它所采用的改性沥青稳定密级配混凝土, 可大大缓和行车荷载对水泥混凝土板的冲击振动, 并有利于扩散荷载以及便于养护维修, 对延长路面使用寿命, 增强路面耐久性起到关键作用。
该高速公路的建设实践在一定程度打破了我国高速公路半刚性基层沥青路面一统天下的格局, 促时了长寿命沥青路面在国内的发展。
4 长寿命沥青路面的经济效益
长寿命沥青路面的初期建设费用虽然很高, 但由于其路面性能很好, 能够承受更大的交通量, 按照全寿命成本效益计算更加经济, 主要表现在以下几个方面:
(1) 路面的沥青层厚, 沥青层底不容易开裂, 结构性车辙少。
(2) 路面的损坏仅限于路面顶部 (2.5~10cm) , 不存在结构性破坏, 只要定期进行表面铣刨、罩面修复, 不需大的结构性的重修。
(3) 日常维护比较方便, 维护费用低。
(4) 结构设计寿命达到30~50年;磨耗层寿命10~20年;
(5) 行车舒适, 可维持较高的服务水平等。
总之, 长寿命沥青路面比传统的沥青路面具有较低的寿命周期费用, 特别是重载货物交通道路。如德国修建的道路大部分费用用在初始道路修建, 道路标准较高, 因此服务期内所需维修费用较低, 初期建设费用和后期维修一般比例为95:5。因此在费用周期内可以基本不考虑维修费用。
5 结束语
随着路面设计施工技术的进步、交通量的增加、轴载的加重和频繁的维修带来的费用等一系列问题的产生, 使得人们越发认识到重交通地段修建长寿命路面的必要性, 进行长寿命路面的研究和应用, 具有重要的现实意义。长寿命沥青路面在美国、欧洲、加拿大、澳大利亚甚至于南非都已开展了广泛的研究, 但到目前为止, 其设计方法在设计参数等方面还没有一个统一的标准, 还处在发展与完善当中。我国在引入这种长寿命路面设计理论时, 要注意研究以下问题:
(1) 设计指标:沥青混合料层底部水平拉应变以及基层和路基顶面的竖向压应变是长寿命路面的设计指标。这些指标的设计标准取值影响因素很多, 需要结合我国的原材料性质、混合料类型、土质情况、气候条件和施工技术水平等因素进行研究, 提出适合我国实际的设计标准;
(2) 设计轴载及超载:结合我国交通情况, 确定合理的设计轴载及超载处理方案;
(3) 沥青混合料力学参数:使用长寿命沥青路面设计是采用沥青材料的“动态”回弹模量反映原材料性质、沥青用量、矿料级配、温度等对沥青混合料力学性能的影响, 我国有必要结合国情研究出科学、合理的沥青混合料力学参数确定方法;
(4) 路面设计修正系数:路面设计中的材料参数、力学模型等建立在试验或理论的基础上, 往往对实际情况进行了很多的简化, 如对路面材料、土基完全弹性的简化, 对结构层间连接状态的简化等, 必须在设计中引入相关的修正系数, 来消除这种简化带来的误差;
(5) 路况监测、评价车辙、表面裂缝以及路表功能的丧失都需要通过表层处理予以修复。确定表面修复时间要考虑两个方面:一方面防止表面损坏发展影响路面结构安全、降低路面运营成本;另一方面修复过早会增加路面运营成本, 修复延后会影响路面结构安全和降低服务水平。合理地确定路面修复时机需要借助于完善的路况监测、评价体系和科学的道路运营费用分析系统。
参考文献
[1]长寿命沥青路面设计方法研究[D].西安:长安大学硕士学位论文, 2008.
[2]长安大学长寿命路面结构研究课题组.高速公路长寿命路面典型结构成套技术研究[R].西安:长安大学, 2005.
[3]崔鹏, 孙立军, 胡晓.高等级公路长寿命路面研究综述[J].公路交通科技, 2007, (10) :10-14.
复合式长寿命路面 篇3
1 长寿命路面概述
长寿命沥青路面的概念出现在20世纪60年代, 其理念是要建造一个不会发生结构性破坏且表面层材料根据需要很容易进行修复的路面结构。
在美国, 长寿命路面称作长效性或永久性路面, 其定义为:路面使用年限至少为35年, 并且在使用年限内路面不会发生结构性破坏, 只需进行周期性养护, 平均罩面时间不少于12年。
在日本, 长期使用路面简称LSP, 它的设计目标是拥有2倍于现行路面的使用性能, 因功能破坏而维修的周期在15年以上, 结构性寿命在40年~60年。
在国外许多国家, 如加拿大、澳大利亚、南非等国家都对长寿命路面进行了研究, 并取得了一定成果。目前, 长寿命路面在设计参数、标准上还没有统一的标准, 仍处在发展完善阶段。
在我国, 长安大学、交通部公路科学研究所、江苏交通科学研究院等单位对长寿命路面进行了研究, 取得了不少成就。2003年, 河南瑞贝卡实业有限公司与长安大学合作进行了《高速公路长寿命路面典型结构成套技术研究》, 并在尉许高速上 (2005年通车) 进行了修筑, 延长道路使用寿命从15年提高到50年以上, 荣获“2006年度河南省科技进步一等奖”。2012年, 北京市路政局选取国道108线作为长寿命路面示范工程试验段进行了修筑, 取得了良好的效果。
2 我国常用高速公路结构
在我国, 新建高速公路的路面损坏现象也十分严重。常用的高速公路结构主要有沥青混凝土路面、水泥混凝土路面与复合式路面三种。
1) 沥青路面 (见图1) 。优点:行车舒适性好;噪声小;适应性强;养护维修方便。缺点:耐水性差;温度稳定性差;平整度的保持性差。
2) 水泥路面 (见图2) 。优点:稳定性好;强度高;耐久性好;有利于夜间行车;长期保持平整度。缺点:有接缝;修复困难;易脱空, 产生断裂破坏。
3) 复合式路面 (见图3) 。优点:综合了沥青混凝土路面和水泥混凝土路面两者的优点, 可承受重大交通作用;改善平整度;有效利用旧水泥路面;改善公路环境;造价降低。缺点:反射裂缝;水损害;推移。
我国常用的路面结构在设计上还不够完善。因此, 研究设计适合我国经济条件、自然条件、资源条件的长寿命沥青路面是我们亟需解决的问题。
3 长寿命路面结构设计及施工
在河南尉许高速路面设计中, 采用了“沥青混凝土+水泥混凝土面层+沥青联结层”的结构设计 (见图4) , 水泥混凝土板提供持久强大的承载力, 沥青混合料面层提供行车的安全性和舒适性。
3.1 路基施工
路基是路面的基础, 应具有足够的稳定性和耐久性, 能够承受行车的反复荷载作用和抗御各种自然因素的影响。
施工技术:机械碾压法 (见表1) 、强夯法、冲压 (见图5) 、土壤改良等。
压实施工:
1) 碾压前, 应检查土的含水量 (过湿则摊铺晾晒, 过干则洒水湿润) 。
2) 开始时宜用慢速, 直线段由两边向中间, 小半径曲线段由内侧向外侧, 纵向进退式进行。
3) 采用振动压路机碾压时, 第一遍应不振动静压, 然后先慢后快, 由弱振至强振。
4) 压实度须分层检测, 保证无漏压、无死角, 确保碾压均匀。
3.2 基层施工
该层应具有足够的抗冲刷能力和一定的刚度, 以防止唧泥和错台等病害产生, 采用18 cm厚的二灰 (石灰、粉煤灰) 稳定碎石为基层。可掺入适量硫酸钠, 以提高早期强度, 降低施工难度, 保证工程质量。
施工工艺:
准备下承层→施工放样→备料→拌和→运输→摊铺→碾压→接缝处理→养生 (见图6) 。
硫酸钠的剂量不宜超过二灰干质量的3%, 以1%~2%为宜。
质量控制的基本要求:土块要打碎, 生石灰须经充分消解才能使用;混合料拌和均匀;碾压达到要求的压实度, 养生期符合规范要求;表面平整密实、无坑洼;接槎平整、无缝隙。其他要求见表2。
3.3 防水联结层施工
该层由良好级配的矿料、乳化沥青、填料、水及添加剂等组成。作为沥青垫层, 必须具备良好的均匀性和密水性, 有一定的抗变形能力和延展性。采用1.5 cm厚双层改性沥青稀浆封层, 要求蒸发残留物的5℃延度不小于50 cm。
施工程序:路基检测→封闭管制交通→清扫路面→放样放线→摊铺 (见图7) →修补修边→早期养护→开放交通。
施工前必须提供矿料、乳化沥青、填料、水及添加剂的试验报告, 在确认符合要求后, 方可使用。
防水联接层表面应该平整, 密实, 无松散, 无轮迹;纵、横缝衔接平顺, 外观色泽均匀一致;衔接平顺, 无污染;摊铺范围以外无流出的稀浆混合料;表面粗糙, 无光滑现象。
3.4 水泥混凝土面板施工
在尉许高速的水泥混凝土面板施工中, 半幅12 m宽、28 cm厚, 采用滑模摊铺机一次摊铺成型 (见图8) , 配置拉杆和传力杆并采用自动植入技术, 表面进行裸化处理。
施工工艺:测量放样→混合料的拌和与运输→铺前检查→滑模摊铺→拉杆与传力杆植入 (见图9) →表面裸化→养生。
水泥采用强度等级为5.25的硅酸盐高强水泥。水泥混凝土混合料的坍落度要求在2.0 cm~4.0 cm范围内。
传力杆钢筋每根45 cm长, 将其头部磨光然后套上塑料套筒, 套筒长度比传力杆长度的一半多10 cm, 以保证传力杆在面板中的一头可以滑动。
裸化施工时间一般控制在滑模施工后的150 h~180 h进行。
3.5 应力吸收层与上面层施工
应力吸收层 (见图10) 必须具有突出的粘结力、足够的高温抗变形与低温抗开裂能力、能够防水与排水;上面层必须具有足够的抗剪强度、抗拉强度及抗变形、抗水损坏能力。尉许高速设置了2 cm厚的应力吸收层和4 cm厚的改性沥青混凝土上面层。
应力吸收层和上面层的施工采用摊铺机进行摊铺施工。
由于应力吸收层和上面层的集料粒径较小, 可采用一次全幅摊铺的方法。
摊铺机摊铺时应缓慢、均匀、连续且不能间断, 摊铺过程中不得随意变换速度或中途停顿, 以保证施工质量。
4结语
长寿命路面是一个使用寿命超过40年且没有主要结构性修复或重建的耐久性能优越的沥青路面结构。长寿命路面不仅适用于大交通量道路, 将其结构进行适当的调整后, 也适用于中、低等级交通量道路。尉许高速是我国第一条长寿命路面高速公路, 对我国公路建设的经济效益和社会效益都是难以估量的。
相比较常用路面结构形式, 无论从性能价格比还是寿命周期费用方面分析, 长寿命沥青路面较传统沥青路面都具有明显的优势。
在我国研究和推广长寿命路面, 对于提高道路使用性能, 节约道路建设、养护、维修综合费用都具有重要意义。
参考文献
[1]薛振华.重载交通长寿命路面结构设计研究[J].公路与汽运, 2013 (2) :9-10.
[2]长寿命路面结构施工.http://wenku.baidu.com/view/fb8c343e580216fc700afd17.html.
[3]长寿命路面成套技术分析和应用.http://wenku.baidu.com/view/05bc17d033d4b14e85246832.html.
复合式长寿命路面 篇4
关键词：长寿命铺装,复合结构,四点弯曲试验,三点弯曲试验,疲劳性能
1 引言
在低碳环保城市、海绵城市以及智慧城市建设背景下,城市快速通道建设水平对提升城市品质意义非凡,其中铺面工程对提升城市快速通道建设水平尤为重要。混凝土高架桥梁依然是城市快速通道首选方案,随着总长114.5km的苏州中环快速路一期工程于2015年5月31日正式通车,中环二期工程也已完成了总长358km的规划方案,兼之内湖第一长桥—太湖大桥“老桥-复线”姊妹桥(双向总长8.74km)也将于2016年实现通车。作为城市主动脉或国家级旅游度假区形象的通道工程,对铺装提出了较高的低碳环保和低噪等功能要求、良好的施工和易性以及可靠的后期维保性要求。
苏州内环快速路和太湖大桥老桥铺装使用情况调研结果显示,城市快速通道铺装层在承受日益繁重的交通荷载反复作用下,极易出现铺装疲劳开裂现象,使得中断交通进行维养的频率较高;作为旅游通道的太湖大桥老桥,其铺装维修率高达每年数次,且多数为结构层破坏,需局部刨铣翻修。长寿命桥面铺装,定位在“长寿”而非“永久”;同时,上下层结构均使用高性能材料,既不经济也无必要。桥面板“永久”、铺装下层“长久”、铺装上层“耐久”的“三久”铺面工程,是本文针对长寿命桥面铺装所下定义,希望铺装体系下层结构层强度高、疲劳性能好,设计与施工得当,一定使用期限内不需维修;铺装体系上层磨耗层抗车辙、耐磨抗滑,维养方便且能快速通车[1,2]。
依据长寿命铺装定义,文中选取几种典型沥青混合料进行设计组合,分别开展双层异质铺装体系以及带桥面板的三层复合梁体系疲劳试验,通过一定分析手段,优选出适用于混凝土桥梁的长寿命铺装体系推荐方案。
2 双层异质结构疲劳试验
基于文中长寿命桥面铺装定义,选用构造深度较大、抗滑耐磨的AC-13和改性沥青SMA-13作为铺装上层即磨耗层;鉴于近年来环氧沥青国产化取得成功,成本下调,并逐渐形成钢桥用、混凝土桥用以及路面用三种价格、三类标准的格局,本文选用高模量、耐疲劳的环氧沥青混合料(EA-13)作为铺装下层即结构层。将所选三种材料进行组合,形成如表1所示方案,每种方案4个平行试件,图1所示为三类材料的矿料级配。
由双层异质沥青混合料组成的车辙板成型后24h脱模,其中,热固性环氧沥青混合料需置入烘箱120°C固化4h,试件尺寸为63.5mm×80mm×400mm,如图2所示。
根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)中T0739方法,在UTM万能试验机上实施15℃条件下、10Hz正弦波加载的双层异质结构小梁四点弯曲疲劳试验,试验仪器如图3所示。
采用控制应变加载模式,试验终止条件为达到复合结构弯曲劲度模量降低至初始数值的50%对应加载循环次数,定义为疲劳寿命。为真实重现桥面铺装服役条件,根据有限元计算结果[3],获得15℃条件下铺装层在0.7MPa、1.1MPa和1.38MPa作用下的最大拉应变分别为346με、517με和637με。为保证试验数据可用性,综合考虑小梁在一个应变水平作用下达到规定最大循环加载后(1,000,000)不发生破坏,而在其他应变水平下达到规定最大循环加载次数之前会发生破坏或满足试验终止条件。因此,本研究测试选取600με、700με、800με和900με四个应变水平。
3 三层复合梁疲劳试验
三层复合梁,顾名思义,即在双层异质结构铺装基础上增加混凝土桥梁面板,组合而成的三层复合梁结构。箱型梁桥局部铺装体系有限元计算结果表明[4],桥面铺装在轮载作用下层表拉应力和拉应变峰值均出现在箱梁斜腹板与桥面板连接位置,如图4所示O点。为模拟实桥状态下腹板加劲使得铺装表面出现应力集中现象,首先以腹板与面板的固结点为中心,截取一段包含铺装层和桥面板在内的长380mm、宽100mm的复合梁体,然后将其倒置,荷载由上至下施加在中心位置,实际类似于小梁三点弯曲受载。
成型脱模后的三层复合梁如图5(a)所示。根据图4复合梁简化加载原理,设计出的特殊夹具与加载板如图5(b)所示。
已知铺装体系有限元模型三个不同荷位铺装层表最大拉应力为0.2892MPa、0.4094MPa和0.522MPa[4],基于等效最不利应力原则,在复合梁有限元模型中进行反算获得等效加载力为5.19k N、5.89k N与7.12k N[4]。已知复合梁室内破坏荷载均值为12.58k N[4],综合考虑试验效果与持续时间,选用极限加载的50%~70%范围,即6k N、7k N、8k N与9k N作为三层复合梁疲劳试验加载力。根据AASHTO T321-03方法,实施15℃、正弦波荷载控制的复合梁三点弯曲试验,加载频率10Hz,如图6所示。
4 试验结果与分析
4.1 双层异质结构疲劳特性
SMA和AC属于柔性路面材料,而EA的力学特性介于刚柔之间,体现较为明显的半刚特性,综合借鉴国内外有关刚、柔路面疲劳研究成果[5,6],文中采用双对数疲劳方程进行描述:
其中,ε是应变水平;N是疲劳寿命,次;α和β为回归参数,α越大截距越大,疲劳性能愈优,β越大斜率越大,疲劳性能受应变水平变化的灵敏度越高。
已有研究结果表明[1],由沥青混合料组成的复合结构小梁疲劳寿命服从双参数Weibull分布,本文选取失效概率p为0.1条件下基于Weibull分布回归得到的试验数据为例。图7即给出了三类异质结构的疲劳曲线(p=0.1),图中可以直观看出,三条回归线斜率略有差异,但截距相差较大,且相邻A与B的截距差要大于相邻B与C,可以初步认为:方案A疲劳性能劣于B方案,方案C最优。
表2左半幅为三类双层异质结构在文中规定情形下的荷载重复作用次数(每种应变条件下的疲劳寿命为4根试件的测试均值),表2右半幅为疲劳方程回归系数。
表2左半幅数据直观表现出,随着应变水平提高,同一方案疲劳寿命逐渐劣化,这与常规认识相符;同一应变水平下,A方案疲劳寿命小于B方案,而B方案小于C方案。表2右半幅数据分析表明,双层铺装结构下面层替换为EA材料后,疲劳方程的回归系数发生了不同程度的提高。
C方案相较B方案,对A方案α值与β值的提高率更大;同时,C方案对B方案α值与β值的提高程度要逊于B方案对A方案的提高程度。同为AC磨耗层,结构层由SMA替换为EA后,复合结构疲劳性能得到显著优化;而同为EA结构层,磨耗层由AC替换为SMA后,疲劳性能再次提升,但幅度稍逊于前述结构层材料的替换效果。这主要源于热固性EA材料自身的高强度与耐疲劳性,间断级配的改性沥青SMA其力学性能又优于普通改性密级配AC。综合上述分析,初步推荐C方案(EA+SMA)作为混凝土桥梁的一种长寿命铺面结构。推荐方案的疲劳寿命预估方程采用90%和95%存活率下(失效概率0.1和0.05)的双对数方程表示:
4.2 基于模量损耗的复合梁疲劳特性
复合梁模量会随着荷载反复作用呈现降低趋势,其疲劳寿命对应了模量损耗过程。图8反映了“C方案+桥面板”组成的三层复合梁在不同荷载下的模量与疲劳寿命之间的关系。
双层异质结构增添混凝土桥面板后,提高了复合梁整体刚度,图8数据显示,各加载水平下初始模量约在10900~12950MPa,且与加载大小相关性较小。重复加载一定次数后,复合梁模量发生急剧下降现象,数据出现拐点,之后试件破坏。
加载力分别为6k N、7k N、8k N、9k N时,复合梁模量拐点分别发生在8250MPa、8594MPa、7164MPa、8219MPa附近。与各自初始模量对比,易知6k N、7k N、8k N与9k N工况下,模量分别落至初始值的68%、74%、64%与75%时,复合梁发生了疲劳破坏。本文将模量降至初始70%所需的荷载作用次数定义为三层复合梁结构疲劳试验的终止条件。
复合梁模量在低应力作用下损耗持续时间较长,而在高应力作用下较短时间内即达到失效点,说明常温条件下桥面铺装确实应尽量避免重载,延长铺面的模量损耗过程,减缓疲劳破坏现象。
4.3 三层复合梁疲劳破坏分析
“A方案+桥面板”在7k N工况下,荷载重复不足50万次复合梁即发生了断裂;“B方案+桥面板”在其基础上使用EA替换了下面层SMA后,虽然疲劳寿命提高了近40%,但复合梁铺装层仍然发生了开裂。同样在7k N工况,“C方案+桥面板”的疲劳寿命相对其它两种复合梁分别提高了100%和50%,且在重复荷载近100万次时,桥面板与防水粘结层出现脱空现象,但铺装未有明显裂缝;说明刚柔接触面确是复合构造受力薄弱处,但同时再次验证了C方案的优良疲劳性能。
综上,三层复合梁与双层异质结构疲劳试验结论基本一致。针对长寿命桥面铺装对结构层耐久性的高要求标准,推荐类似半刚性材料的EA作为铺面下层。虽然C方案对应变水平的敏感度略高,但从材料力学方面考察,改性沥青SMA的构造深度、强度以及抗车辙性等均优于普通密级配AC,更适合铺面磨耗层的功能定位。因此,“桥面板+EA-13+SMA-13”能够满足力学性能与结构要求,同时,在如今环氧沥青已走下价格神坛转变为经济型材料背景下,该方案可以作为混凝土桥梁一种长寿命铺装推荐结构型式。下一阶段将重点针对提高桥面板与铺装的协同变形开展相关研究,进一步优化推荐结构设计。
5 结论
(1)综合双层异质结构以及三层复合梁疲劳试验结果,A方案(SMA-13+AC-13)劣于B方案(EA-13+AC-13),B方案中磨耗层材料替换为EA后,疲劳性能再次得到提升,C方案(EA-13+SMA-13)最优。
(2)通过分析复合梁模量损耗与重复加载次数之间关系,将模量比降至70%对应荷载重复作用次数定义为三层复合铺装体系疲劳试验终止条件。
(3)“桥面板+EA-13+SMA-13”复合梁在7k N工况下,承受近100万次重复加载铺装未发生疲劳破坏,但桥面板与防水粘结层出现脱空现象;铺装层与桥面板之间协同作用优化将是未来研究重点。
(4)“EA-13+SMA-13”的双层异质铺装结构满足本文提出的长寿命桥面铺装使用与设计要求,推荐作为水泥混凝土桥梁一种长寿命铺装型式。
参考文献
[1]钱振东,王江洋,王亚奇.水泥混凝土桥梁长寿命桥面铺装层复合结构疲劳特性研究[J].中国公路学报,2012,25(5):67-73.
[2]王江洋,钱振东,陈磊磊,等.基于能耗法分析水泥混凝土桥梁铺装层复合结构疲劳特性分析[J].公路交通科技,2013,30(9):74-79.
[3]东南大学智能运输系统研究中心.长寿命桥面铺装研究[R].南京:2013.
[4]东南大学智能运输系统研究中心.水泥混凝土桥梁新型耐久性铺装设计方法与施工技术研究[R].南京:2011.
[5]平树江,申爱琴,李鹏.长寿命路面沥青混合料疲劳极限研究[J].中国公路学报,2009,22(1):34-38.
复合式长寿命路面 篇5
近地球轨道(LEO)环境与大气层环境截然不同,其主要特征是原子氧(AO)含量高、冷热温差大、紫外线辐射(UV)强以及充斥带电粒子、微陨石、空间碎片等。这种环境条件会对空间飞行器用材料产生各种不利影响。在诸多因素中,影响最大的是AO,且在UV和高低温循环的协同作用下对材料产生更大的危害[1,2]。而近地空间飞行器的寿命主要取决于能源供应与保障,太阳电池作为其主要电源,它的寿命主要取决于互连材料的寿命。目前国内空间太阳电池组件的电连接多采用银互连片,但在近地轨道,由于原子氧的作用,银容易被侵蚀 而剥落,造成空间 飞行器寿 命一般仅 有2~3年,要提升LEO空间太阳电池用材料的使用寿命,必须对其进行防 原子氧保 护或选用 其它类型 互连片。deRooij[3,4]在研究镀金的银互连片时发现,Au受AO的侵蚀速率是Ag的1%,镀金层整体能起到很好的AO防护作用,但是镀层如果有缺陷,将会发生严重的点蚀,金层的点蚀机制使其下层的银严重氧化。银箔表面通过镀金等保护性涂层,也只能将寿命提高到3~5年。因此设计新型耐复杂空间环境的互连材料是空间技术发展的重要方向。
1基体材料的选择
互连材料的主要功能是实现单体电池的串、并联连接,形成电流通路,根据工作环境特性,太阳电池互连元件的设计在互连材料选择方面须考虑4个因素:导电性、制备加工性能、环境适应性和成本。电导率决定材料的导电性,应尽可能选择电导率高的材料,以减小输电损耗。热膨胀系数、导热系数、抗拉强度和AO反应系数等决定材料的环境适应性,热膨胀系数是否与电池材料匹配会影响空间冷热交替时产生的应力;导热系数会影响电池工作产生的热量能否及时散发出来进而影响电池的效率;抗拉强度的大小决定材料能否承受航天器发射、运行时的振动冲击和冷热交变应力;AO反应系数越高,互连片越耐AO腐蚀,寿命越长。硬度、熔点和焊接性能决定材料和制备加工性能,太阳能电池焊接时要求焊接温度尽可能低以避免烧坏电池片。此外还须考虑成本,密度会影响电池总体质量从而影响航天器的发射成本。
表1给出了空间太阳电池用半导体材料Ge及可选互连材料的物理性能及其AO反应系数(表示每个氧原子腐蚀金属薄膜的体积),其中AO反应系数取自美国国家航空航天局(NASA)对相关金属的薄膜材料在低轨空间的长期暴露装置中试验(LDEF)结果[5]。通过分析发现,没有一种单一材料能同时满足互连片电、热性能以及焊接封装、低成本和耐原子氧腐蚀的要求。Ag箔是国内外常用的空间太阳电池互连材料之一,尽管其AO反应系数 只有2.9×10-27cm3·atom-1,但银的氧化物晶格常数比银大55%,在热循环应力作用下易脱落,从而造成周而复始的侵蚀脱落。因此,国际上空间太阳电池互连材料已向复合材料方向发展,其设计思路是以具备上述部分性能要求的元素作为主体材料,不足之处以功能性涂层来弥补,从而构成满足长寿命需求的空间太阳电池复合互连材料。
为了从本体上提高互连材料寿命,复合互连材料基材的选择应优先考虑其环 境适应性,即耐AO腐蚀和抗 冷热循环。因此材料的AO反应系数越小越好,同时热膨胀系数与空间太阳电池半导体材料Ge匹配。从表1可以看出,Mo、Kovar、W是较理想的选择,其中Kovar合金耐原子氧腐蚀性能经美国[6]和日本[7]分别在LEO和地球同步轨道(GEO)中验证,具有较高的寿命,但其具有铁磁性,对空间飞行器的电磁性能有一定的影响,且其电导率不足Ag的3.5%,也不到W、Mo的12%。W、Mo的电导率相近,热膨胀系数跟Ge匹配,其AO影响因子都比Ag小,但W密度接近Ag或Mo的2倍,且W熔点高、硬度大,要加工成箔材非常困难。因此,Kovar和W均不是最佳选择,而Mo密度比Ag略低,AO反应系数不到Ag的1/2,具有较好的加工性能,是长寿命复合互连材料的理想基材,但Mo的熔点高且可焊性能差,可以通过在其表面镀制提升焊接性能的功能涂层构成复合材料来满足具体的使用要求。为此,需要从导电性、可焊性、应力状态及使用寿命等几方面对复合材料进行设计。
2太阳电池复合互连材料设计
2.1复合互连材料结构设计
为了改善钼的焊接性能,可在钼箔表面沉积一层低熔点金属薄膜,目前空间太阳电池互连元件采用Ag箔互连,为了不改变现有的互连工艺,选择Ag薄膜作为钼表面焊接功能涂层。从表1可以看出,Ag的熔点只有Mo的1/3,有利于电阻焊或超声焊等。但其热膨胀系数为Mo的3.5倍。航天器在低地球轨道运行期间要经受-100~+120℃的温度变化[8],工作寿命为10年的航天器大约要经受50000次冷热循环。对于应用于航天器上的Ag/Mo复合互连材料,由于材料之间的线膨胀系数的差异,将产生热应力,热应力值随温度差值的增加而增大[9,10]。而伴随热应力的是材料发生变形,若在钼箔的一面镀银薄膜,势必导致复合互连材料的弯曲、翘曲等变形,严重时可 导致脱焊,从而引起 部分阵列 失效。根据对称性原则,在钼箔表面双面镀银薄膜,形成Ag/Mo/Ag三层夹心结构(简称AMA),有利于解决上述问题。
通过有限元计算软件(ANSYS)模拟了复合材料的热应力,其模型选用轴对称二维圆柱体,如图1所示。单元类型为PLANE13(K3选axisymmetric),网格大小为Fine。为了与实际情况更加符合,边界条件设定为限制原点O的x、y两个方向的自由度,限制y轴上点的x方向的自由度,温度范围为-100~+120℃。为简化分析做如下假设:衬底、膜层均为弹性且各向同性;层间结合良好;模型内温度一直是均匀的,不考虑瞬态效应;将120℃设为零应力点(零应力点一般为薄膜的沉积温度,此处考虑为LEO轨道中互连材料极限的应力应变状态)。
采用上述模型 模拟Ag/Mo双层结构 (单面镀Ag)和Ag/Mo/Ag三层夹心结构(简称AMA,即双面镀Ag)两种结构应力与变形情况,如图2所示,其中Mo基体厚20μm,长200μm,每层Ag厚度为3μm。由图2可知双层结构在y轴心部应力集中为337MPa,形变量达7.85μm,三层夹心结构能有效缓解薄膜的形变,其y轴心部应力集中达370 MPa,形变量仅为3.17μm。因此,单面镀Ag的Mo箔由于应力的释放产生较大的翘曲和形变,而AMA三层夹心结构能有效缓解复合材料的变形。
2.2基材厚度及 Ag膜厚度设计
互连材料厚度设计需要考虑的影响因素众多,而这些因素往往交互影响,为此采用线性规划思路来获得最优解。根据上述结构设计结果,考察AMA结构,设Mo箔厚度为x,每面Ag薄膜厚度为y/2,Ag薄膜总厚度为y。分别针对复合互连材料的强度、原子氧腐蚀速率、可焊性、互连片质量、热膨胀匹配性等方面建立复合材料各层厚度的控制方程。
(1)抗拉强度决定的厚度控制方程
目前互连材料多采用30μm厚纯银箔,Ag的抗拉强度为125MPa,Mo的抗拉强度为600MPa[12],如果将Ag换成Mo,Mo箔最小厚度为纯Ag箔厚度的1/5(即6μm)即可达到互连材料所需的抗拉强度。但超薄Mo箔的加工难度非常大,加工成本也很高,为此取Mo箔的最小厚度为12μm,目前可用30辊轧机生产。由此可得到由材料强度决定的互连材料厚度控制方程L1:x≥12。
(2)热膨胀匹配决定的厚度控制方程
由于空间高低温循环的环境特征,要求互连材料的热膨胀系数与电池材料Ge片相匹配,即热膨胀系数α在6×10-6~7×10-6K-1之间。由微 观层板理 论微观力 学分析可 知,AMA复合材料的纵向热膨胀系数计算公式[13]为:
式中:α1、E1、v1、α2、E2、v2分别为材料Ag和Mo的热膨胀系数、弹性模量、体积分数,Ag、Mo弹性模量分别取82GPa、320GPa,热膨胀系数取表1中相关数据。假定材料各向同性,对于AMA复合材料,体积分数v1、v2分别与Ag、Mo厚度成正比,设考察的复合材料面积为S,即:
令α=6×10-6~7×10-6K-1,则可得由热膨胀匹配决定的复合互连材料厚度控制方程L2(L3):0.17x≤y≤0.5x。
(3)耐原子氧腐蚀寿命决定的厚度控制方程
空间太阳电池互连片主要失效形式有两种,一是被原子氧全部腐蚀,二是互连片不能承受冷热循环产生的应力而被拉断,造成电池组件间短路。已知LEO轨道中原子氧通量为8.8×1015(cm2·s)-1[14],根据表1中的原子氧反应系数可计算出第一年Ag被AO腐蚀的厚度为8μm(=8.8×1015×2.9×10-27×365×24×3600×104),Mo的腐蚀厚度为4μm。按照银互连片安全设计标准,30μm厚工作3年,被AO腐蚀24μm,剩余6μm,将该剩余厚度设定为Ag互连片的失效临界值,即Ag厚度小于等于该值即有可能被应力拉断,而Mo的抗拉强度是Ag的4.8倍,考虑到安全因子,取Mo互连片的失效临界厚度为2.4μm。由于Ag的氧化物易剥落,而Mo的氧化物能对Mo起到很好的保护作用[15],因此,Ag的氧化与时间呈线性关系,而Mo的氧化符合氧化反应动力学Wagner理论[16],即氧化物膜厚度与时 间符合抛 物线关系:D2=kt。其中,D为氧化物膜厚度,即Mo被AO腐蚀的厚度,k为氧化动力学常数,t为氧化时间。假设前半年为Mo表面形成氧化物保护膜的时间,即在这半年内Mo氧化与时间呈线性关系,则可得Mo的氧化动力学常数k=22/0.5=8μm2/a。AMA互连片的寿命则可以表示为表层Ag薄膜的耐蚀寿命与Mo箔被腐蚀到失效临界厚度时的寿命之和,若互连片寿命要求为10年,则可得复合互连材料厚度控制方程:(x-2.4)2/8+y/8≥10。该方程不是线性方程,为此将其转化为x≥(80-y)0.5+2.4,当y取0时,不等式右边取得最大值11.4,从而可以将上述方程简化为线性方程L4:x≥11.4。
(4)Ag薄膜焊接功能决定的厚度控制方程
Ag薄膜作为一种焊接功能涂层,其厚度必须考虑能满足焊接要求,由于太阳能电池焊接时的焊点几何尺寸很小,在焊接过程中吸热少而散热强烈,使焊接区沿互连材料厚度方向温度梯度很小,焊接贴合面和外表面温度基本相等,造成焊接贴合面上难于形成集中加热的效果[17]。因此,若Ag膜太薄,热惯性太小,则不足以使焊点充分发生扩散再结晶。根据目前空间太阳电池互连片焊接经验(锗片上镀银厚度至少为1μm),确定AMA单面银涂层厚度大于1μm,由此可得AMA中Ag薄膜的厚度控制方程L5:y≥2。
(5)发射成本决定的厚度控制方程
空间太阳电池必须与航天飞行器同步发射,航天发射每增加1g的质量均会增加较多的发射成本。一般航天飞行器设计时通常会对各分系统限定质量,因此设定AMA复合互连片的质量不大于原有纯Ag箔互连片的质量(纯Ag箔互连片厚度取30μm),当两种材料互连片形状相同时,应要求:ρMo·S·x+ρAg·S·y≤30S·ρAg。将表1中Ag和Mo的密度代入,可得由发射成本决定的复合互连材料厚度的控制方程L6:10.2x+10.5y≤315。
根据上述几个厚度控制方程作图,如图3所示。
由图3可知,合理的互连片厚度取值范围在由L1、L2、L3及L6所围成的区域内。边界点A、B、C、D坐标分别为(12,6)、(20.4,10.2)、(26.3,4.5)、(12,2)。在选取最优解时,优先考虑发射成本和电导率这两个因素,即选取的点距离L6尽可能远,且Ag薄膜厚度尽量大,不难看出AMA复合材料的最佳厚度值为A(12,6)。
3设计验证
3.1互连片应力状态验证
对三层夹心结构的互连片进行热应力模拟分析,仍采用轴对称二维圆柱体模型。Mo箔厚度取12μm,Ag层膜厚度取3μm或5μm。图4给出了Ag不同膜层厚度下的应力分布情况。由图4可知,Ag膜层受到拉应力作用,而Mo基体受到压应力作用。当膜厚由3μm增加至5μm时,Ag膜层受到的最大拉应力由对称中心(图4(a))转移到末端(图4(b)),此时Ag膜受到的最大拉应力与Mo箔受到的最大压应力都集中在一起,这种压应力和拉应力的突变极易导致涂层表面的破坏[18]。
由上述分析结果可知,对于AMA互连片,Mo箔厚度为12μm,Ag膜层单面厚度为3μm的设计是合理的。
3.2焊点应力状态验证
互连片实现了电池板之间的互连,一个互连片至少要完成两个太阳能电池板焊点之间的互连。焊点之间的材料随温度变化而产生的机械应力和互连片自身内部的热应力(互连片为复合材料时)共同作用将对互连条及焊点产生复杂的作用力。因此在设计互连片时,必须尽可能减小这些不利影响。互连片设计中最常见、实用的设计为平面内伸缩环,即在互连片上冲出一些圆孔或方孔,在互连片受热(冷)时使互连片在平面内变形而释放应力。因此,有必要考察纯Ag箔和AMA复合互连片焊点应力情况。
建立有限元模型,单元类型为SOLID98,网格大小0.02。由焊点之间的对称性,可将边界条件设定为限制焊点底面z方向的自由度、左侧面及互连片右侧面x方向的自由度。衬底材料为Ge,镀有2μm厚的Ag薄膜,焊点大小为200μm×200μm,互连片大小400μm×200μm,纯Ag箔互连片厚度为30μm,AMA复合互连片厚度为前面设计的最优值。分别对有或无应力释放环的纯Ag箔和AMA复合互连片做相应ANSYS应力模拟,并查看vonMises应力,结果如图5所示(图5(b)、(d)为(a)、(c)中互连片部分的上、下各有20μm×150μm长方形冲压切口的应力释放环模型)。
纯Ag型互连片在无应力释放环时焊点处应力集中高达1810MPa,如图5(a)所示;有一对应力释放环时应力集中值减小到1130MPa,如图5(b)所示。而AMA型复合互连片在无应力释放环时为1150MPa,如图5(c)所示;配有一对应力释放环时焊点处应力集中值仅为668 MPa,最大应力值位置转移到互连片上,如图5(d)所示。
一般来说,太阳能电池互连片的失效往往发生在焊点应力集中处,AMA复合互连片较小的应力集中及焊点最大热应力位置的转移将提高互连片的耐冷热循环性能。上述结果表明,AMA复合互连片的设计是合理的。
3.3AMA复合材料的制备验证
Mo与Ag为互不固溶、互不化合体系,生成热为正[19]且互不浸润,因此在Mo基体表面镀Ag薄膜难度大,主要表现在膜基结合不牢,甚至在镀膜过程中两者就会分层。目前,国内外制备Ag/Mo复合互连材料的方法主要是电镀法。但电镀的方法往往存在粘接力不牢、膜层质量差等问题。
本工作采用离子束辅助磁控溅射沉积法制备AMA复合互连片来验证AMA复合材料的制备可行性。该方法的基本工艺流程包括:Mo箔预处理,低能清洗,中能离子束辅助轰击Ag离子注入,磁控溅射。
图6为离子束辅助磁控溅射沉积法制备AMA复合互连片的电阻点焊拉伸 曲线。由图6可见,由本方法 制备的AMA复合互连材料电阻点焊最大拉伸力高达3.23N。该种材料航天用户的电阻点焊力学性能指标要求为1.57N,离子束辅助磁控溅射沉积法制备的AMA复合互连片完全能满足该要求。
对中能离子束辅助轰击Ag离子注入所制备过渡层试样进行沿深度方 向的成分AES分析,溅射速率 为2nm/min(SiO2),结果如图7所示。由图7可知,经中能离子束辅助轰击注入工序后,Ag在Mo中的分布深度达到100nm。中能离子束辅助轰击Ag离子注入能获得良好的过渡层。而对于Ag-Mo互不固溶体系的金属,良好的过渡层有助于复合互连材料获得高的粘接性能。
离子束辅助磁控溅射沉积法综合了几种离子束技术的优点。低能清洗能有效提高薄膜与衬底的粘接性能[20]。在离子束辅助轰击注入时,会发生离子束混合、级联碰撞、膜原子扩散与基体的阻挡、固溶化合等系列物理过程,可以大大提高薄膜的粘接性能[21]。磁控溅射[22]相对于离子束辅助沉积,具有溅射速率高、沉积温度低等优点。磁控溅射所制备的Ag薄膜色泽光亮,晶粒取向度高,薄膜致密度大。综上,离子束辅助磁控溅射沉积法能制备出性能优异的AMA复合互连片。
3.4AMA复合互连片与 Ge基板焊点分析
AMA复合互连材料用于连接太阳能电池,因此要验证所设计的AMA复合材料是否可行,必须对其可焊接性进行分析。太阳能电池单体焊接时,焊点内并无熔核产生,焊接接头的形成靠的是扩散再结晶[23]。在互连片膜厚、焊接压力一定时,焊接功率对焊接性能、焊点状态有重要影响。功率过大将使Ge衬底融化,这在太阳能电池的焊接中是不允许出现的;功率不足时,Ag薄膜将无法充分形成扩散再结晶,这将导致焊接强度的低下。图8为不同焊接功率下,焊点经拉脱后的表面形貌。
由图8可知,在60 W功率下,AMA复合互连片焊点没有充分扩散再结晶。当功率为70 W时,两个焊点均形成有效的固态连接。当功率增至75 W时,焊点固态连接面积扩大。而80 W功率下,两个焊点完全融为一体,Ge衬底呈熔融状。由上述分析可知,AMA复合互连片与Ge衬底焊接时焊接功率以70~75 W为宜。
综上可知,离子束辅助磁控溅射沉积法所制备的AMA复合互连片在合适的焊接功率下能与太阳能电池Ge衬底形成有效的焊接。
3.5电损耗
考虑简单并联模型,复合材料的电导率应满足:
式中:Mo的电导率为k1,厚度为d1,Ag层总厚度为d2,电导率为k2。由式(3)可知,A点复合材料的电导率为0.482。
互连元件电设计是否合理应根据电损耗功率来判断。不同电导率材料引起的传输电损耗[8]为:
式中:k为电导率,L为两个焊点之间电流通路的长度,w、d分别为互连片“腿”的宽度与厚度;N为每片电池上互连元件“腿”的数目;I为电池的标称输出电流。由式(4)可知在其他条件相同时电池阵的电损耗和互连片的电导率与厚度的积成反比。
实际上互连片在LEO轨道环境中的电损耗不是一成不变的,由于原子氧的影响,互连片上的Ag、Mo将逐渐被侵蚀而减薄,电损耗不断增大。AMA互连片工作10年后Mo箔的有效厚度为3μm,此时互连片元件的电损耗率为1.8%,在允许的范围内(L=10mm,w=10mm,I=1A,N=1)。而在实际中“腿”的数目N往往大于1,电损耗将会更低。
综上可知,AMA复合互连片电性能设计是合理的。
4结论