（固体力学专业论文）交通荷载下旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构的疲劳性能研究.pdf

摘要 为了研究沥青路面的抗疲劳性能和疲劳开裂的过程，国内外许多科研机构 进行了不少针对沥青路面反射裂缝的计算研究和室内试验。目前采反射裂缝的 研究一般采用断裂力学，主要集中在缝端应力状态及缝端应力强度因子的计算 上，通过对比不同防裂措施及材料的缝端应力或应力强度因子对防裂效果进行 计算比较，而对疲劳寿命的计算及疲劳寿命与路面结构参数的关系研究较少； 在实验方面，大多为一些小型试件的试验，不能全面真实地反映加铺层路面状 况，也很难对整体结构进行疲劳寿命的预估，特别是针对含应力吸收层的沥青 加铺层这一新型材料和结构，理论研究和实体工程国内目前还处于起步阶段， 所以非常有必要依托高速公路沥青加铺层试验路及实体工程进行基于应力吸收 层系统加铺结构的大型疲劳试验研究。 本文在现有研究成果的基础上通过疲劳断裂分析，对反射裂缝的产生机理 进行了研究，同时采用试验和数值模拟的方法对车辆荷载作用下疲劳断裂寿命 进行了计算，为优选最佳沥青加铺层结构提供理论依据供了理论依据。本文的 研究内容主要包括以下几个方面： 1 对线弹性断裂力学和疲劳断裂理论及其数值计算方法进行了较为详细讨 论，在此基础上给出反射裂缝疲劳扩展寿命的计算方法。 2 采用大型疲劳试验仪及m t s 进行不同加铺层结构疲劳破坏的对比试验， 评价不同类型沥青加铺层特别是应力吸收层结构抵抗反射裂缝的能力，结果显 示设置s t r a t a 应力吸收层的加铺结构抵抗荷载型反射裂缝的效果最好，铺设 玻纤格栅的加铺结构次之。 3 针对含有s t r a t a 应力吸收层和未设置应力吸收层的的沥青混凝土加铺 层结构，采用数值模拟的方法，对其在车辆重复荷载作用下的疲劳寿命进行了 评估和对比。计算结果表明设置s t r a t a 应力吸收层的沥青混凝土加铺层在车 辆荷载作用下的疲劳寿命远远高于未设置应力吸收层的加铺层结构。 关键词：沥青混凝土加铺层，应力吸收层，疲劳试验，数值模拟，疲劳寿命 a b s t r a c t i no r d e rt os t u d yt h ea n t i - f a t i g u ep r o p e r t i e so ft h ea s p h a l tp a v e m e n t sa n dt h e p r o c e s so ff a t i g u ec r a c k s ，m a n yd o m e s t i ca n df o r e i g ns c i e n t i f i cr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n s d 0al o to fc a l c u l a t i o nr e s e a r c h e sa n dl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sf o r t h er e f l e c t i o nc r a c k s o ft h ea s p h a l tp a v e m e n t s n o w a d a y s ，t h es t u d yo ft h er e f l e c t i o nc r a c k sm a i n l y o o n c e n t r a t e so nt h ec a l c u l a t i o n so ft h es t r e s ss t a t eo ft h ec r a c ke n d sa n dt h es t r e s s i n t e n s i t yf a c t o ro ft h ec r a c ke n d s ，u s u a l l y ，t h ee f f e c t o ft h ep r e v e n t i n gc r a c k si s c o m p a r e db yd i f f e r e n tm e a s u r e so ft h ep r e v e n t i n gc r a c ka n d t h em a t e r i a l ss t r e s so ft h e c r a c ke n d so rt h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ，b u tt h es t u d i e so nt h ec a l c u l a t i o n so ff a t i g u e l i f ea n dt h er e l a t i o n s h i p so ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r es e l d o m i nt h e a s p e c to fe x p e r i m e n t s ，t h es t u d i e sc a n tr e f l e c tt h ep a v e m e n t ss t a t eo f t h eo v e r l a y i n g l a y e rc o m p r e h e n s i v e l ya n dt r u l ya n d i ti sd i f f i c u l tt oe s t i m a t et h ef a t i g u el i f eo ft h e o v e r a l ls t r u c t u r e e s p e c i a l l y ，t h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n de n t i t ye n g i n e e r i n gi s s t i l l u n d e r w a yi no u rc o u n t r yo nt h en e w m a t e r i a la n dt h es t r u c t u r eo fs t r e s s - a b s o r b i n ga n d o v e r l a y i n gl a y e r s oi t i sv e r yn e c e s s a r yt om a k eas t u d yo nt h el a r g ef a t i g u e e x p e r i m e n tr e l a y i n go nt h ee x p e r i m e n t i n gr o a do ft h ea s p h a l to v e r l a y i n gl a y e ro f s o m eh i g h w a ya n dt h eo v e r l a y i n gs t r u c t u r eo ft h es t r e s s a b s o r b i n gl a y e rs y s t e mo f s o m ee n t i t ye n g i n e e r i n g 1 h et h e s i ss t u d i e so nt h em e c h a n i s mo ft h er e f l e c t i o nc r a c kc o m i n gi n t ob e i n g b a s i n go nt h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t sb yt h ea n a l y s i so ff a t i g u ea n df r a c t u r e ，a tt h e s a m et i m e t h ec a l c u l a t i o ni sd o n ef o rt h el i f eo ft h ef a t i g u ea n df r a c t u r eu n d e rt h e l o a d i n go fv e h i c l e sb vt h em e t h o do ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t i n g t h ec a l c u l a t i o ns u p p l i e sat h e o r e t i c a lb a s i sf b rt h es t r u c t u r eo ft h eo p t i m u ma s p h a l t o v e r l a y i n gl a y e r t h ew o r ko ft h et h e s i si sa sb e l o w ： f i r s t l y ，e l a s t i cf r a c t u r em e c h a n i c s ，t h et h e o r yo ff a t i g u ea n df r a c t u r ea n di t s n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d sa r ed i s c u s s e dd e t a i l e d l y o nt h eb a s i so ft h e s e ，t h e c a l c u l a t i o nm e t h o di sg i v e nf o r t h ef a t i g u ea n de x p e c t a n c yl i f eo ft h er e f l e c t i o nc r a c k i i s e c o n d l y ，s o m ec o m p a r i s o n sa r ed o n eb yu s i n gt h eh u g ef a t i g u ee x p e r l m e n t i n s t m m e n t sa i l dm t st a k i n gt h ee x p e r i m e n t so ft h ef a t i g u eb r e a k a g et o d i f f e r e n t o v e r l a y i n g1 a y e r lt h e t h e s i sm a k e saa p p r a i s a lo nt h ea b i l i t yo ft h ed i f f e r e n ts t y l e s a s p h a l to v d l a y i n 舀e s p e c i a l l yo nt h ea b i l i t yo ft h ep r e v e n t i n gr e f l e c t i o nc r a c ko f t h e s t r e s s - a b s o r b i n gl a y e rs t r u c t u r e t h er e s u l ts h o w s t h a tt h eo v e r l y i n gs t r u c t u r es e t t i n g t h es t r e s s a b s o r b i n gl a y e rh a st h eb e s te f f e c to nr e s i s t i n gt h er e f l e c t i o nc r a c k0 ft h e l o a d i n gs t y l ea n dt h eo v e r l y i n gs t r u c t u r es e t t i n gf i b e r g l a s sg r i d h a st h es e c o n de f f e c t o nr e s i s t i n gt h es a m er e f l e c t i o nc r a c k t h i r d l y ，f o rt h ea s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a y i n gs t r u c t u r e so fs e t t i n gt h es t r a t a s t r e s s - a b s o r b i n gl a y e ra n dn o ts e t t i n gt h es t r a t as t r e s s - a b s o r b i n gl a y e r ，s o m e a p p r a i s a l sa n dc o m p a r i s o n sa r ed o n ef o r t h ef a t i g u e l i f eu n d e rt h er e c y c l i n gl o a d i n go f v e h i c l e sb vt h em e t h o do ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ec a l c u l a t i o n r e s u i t ss h o wt h a t t h el i f co ft h eo v e r l a y i n gs t r u c t u r es e t t i n gt h es t r a t a s t r e s s 。a b s o r b i n gl a y e ro ft h e a s p h a i tc o n c r e t ei s f a rl o n g e rt h a nt h a to ft h eo v e r l a y i n g s t m c t u f en o ts e t t l n g s t r e s s a b s o r b i n gl a y e r k e y w o r d s ：a s p h a i t c o n c r e t eo v e r l a y i n gl a y e r ； s t r e s s a b s o r b n g l a y e r ；f a t i g u e e x p e r i m e n t ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；f a t i g u el i f e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发 表或撰写过的研究成果，也不包含获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 龇：盈址日期：趁! ：亟 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、 送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容， 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名： 一导师签名_ 一 日期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 我国水泥混凝土路面始建于6 0 年代中期，8 0 年代以来水泥混凝土路面在全 国得到迅猛发展。早期修建的水泥混凝土路面有相当一部分已接近或超过设计 年限，有的虽未达到设计年限，但由于交通量剧增，汽车超载严重或设计、施 工等方面的原因，已不同程度地发生了结构性和非结构性的损坏，严重影响其 使用功能【1 1 。由于沥青路面具有噪音小、行车舒适及维修养护方便等诸多优点， 我国众多水泥路面均采用加铺沥青面层的方式进行改造，目前国内最常用的措 施是加铺沥青混凝土罩面层i ，2 j 。 路面开裂是世界各国沥青类路面使用中均会遇到的主要结构性病害之一， 其分布十分普遍，路面裂缝不仅影响行车舒适性，而且随着路表水下浸会影响 到路基的强度与稳定性。更为重要的是，在交通荷载的反复作用下，常常使得 裂缝迅速向四周扩展，大大缩短了罩面层的使用寿命。大量裂缝的存在破坏了 路面结构的整体性和连续性，并在一定程度上导致结构强度的削弱，若沥青加 铺层防裂缝扩展措施处理不当，将会大大缩短公路的使用寿命【3 j 。 为了研究沥青路面疲劳开裂过程，人们研制了多种试验设备来模拟测试沥 青路面结构的疲劳断裂性能，然而路面的疲劳破坏是一个长期而漫长的过程， 在室内实验中，建立真实反映路面情况的试件疲劳环境是很困难的，而且试件 实验成本较高、人员需求量大，针对这种情况，国内外曾开发过相关的计算机 模拟程序，但是大多局限在二维阶段，难以反应真实路面情况，所以有必要开 发一种简单易于操作的计算机真实模拟疲劳实验方案，以适应现代道路建设的 发展需求。 1 2 国内外研究概况 关于沥青路面开裂的理沦分析及抗裂措施，国内外已开展了大量的研究工 作【3 。早期的研究，大多基于经验公式或传统的层状结构力学计算方法。目前 武汉理工大学硕士学位论文 国外已广泛采用了基于断裂力学的疲劳寿命预测方法【8 l 。我国也开展了相应的研 究工作。但总体上国内外关于沥青混合料特性、沥青路面结构层厚度及上下结 构层材料性能差异、结构层间联结状态、沥青路面裂缝扩展的机理研究尚不系 统，也未提出合适的沥青混合料断裂韧性参数等材料性能指标以及沥青路面抗 裂设计方法，有关的试验测试方法也不成熟。 1 2 1 传统的沥青路面结构破坏理论【3 2 1 自从人们在道路上开始使用沥青路面结构形式以来，就开始了对沥青路面 破坏形态及其原因的探讨，并根据当时所掌握的认识水平与方法对沥青路面结 构破坏进行研究，并提出相应的抗裂设计方法。 在早期，人们主要基于对不同类型数据的调查采集，经过数据整理分析， 总结提出经验性的公式和方法，计算或预测沥青路面结构相应结构破坏的使用 寿命。后来随着塑性力学与传统的疲劳强度理论的发展与推广应用，关于沥青 路面结构破坏的研究开始进入理论分析阶段【1 0 l 。 塑性力学在道路中的应用，主要是确保结构的承载力，即利用材料的抗剪 强度指标，运用塑性破坏理论，分析道路结构层的屈服破坏，并在材料选择和 结构设计上防止这种破坏的出现，如根据早期美国各州公路工作者协会 ( a a s h o ) 实施的实地性能测试结果指出了提高结构层内粘聚力的重要性【1 1 】。 随着传统的疲劳破坏理论的发展，人们认识到，路面的破坏是由于荷载在 路面材料中引起的重复加载疲劳应力超过了路面混合料的抗拉强度而发生的。 美、英、苏、前联邦德国等国，根据十多年的大量实验，相继进行了基于疲劳 强度理论的设计上的重大改革。并且，目前各国沥青路面设计仍主要沿用这种 疲劳强度理论。只是由于各国情况不同，在取得结论的方法上也各有不同，各 国分别确定了自己的设计方法1 1 2 d 3 1 。 1 2 2 基于断裂力学的沥青路面破坏理论与应用1 2 7 d 4 传统的疲劳强度理论承载的循环作用而对材料造成的损伤的累积，但相关 的分析是针对连续完整、无缺陷的结构体系进行的，并没考虑材料、结构内部 先天存在的缺陷或因使用期内逐渐出现的缺陷对路面结构造成的不利影响，这 种得运用传统疲劳力学理论与方法对沥青路面结构进行的计算和分析结果与实 2 武汉理工大学硕士学位论文 际情况存在偏差，尽管引入了不同的修正系数或安全系数，但使设计结果仍带 有较大程度的不确定性。按照后来发展的断裂力学及其疲劳断裂力学的观点， 结构的破坏正是由于其内部存在的缺陷引起应力集中与内部损伤，当这种应力 集中与损伤累积超过材料与结构抵抗破坏的容许值时，就造成了内部缺陷的发 展，并导致结构的破坏。断裂力学及其疲劳断裂力学在工程上的应用与发展， 引起或即将引起有关结构设计的革命性改革，包括其中的设计理论、计算方法、 设计和验算指标等方面。 基于结构内部存在裂缝之类缺陷的断裂力学理论与方法在沥青路面工程中 的应用，大约开始于2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初，至今为止，依次经历了线 弹性断裂力学、疲劳断裂力学与粘弹性断裂力学等几类断裂力学理论与方法的 应用发展阶段【1 6 - 1 7 1 。 1 线弹性断裂力学 关于路面结构内部存在缺陷的沥青路面结构分析，有一种处理方法，即认 为裂缝总是有一定宽度，裂缝尖端曲率并不为零，考虑接缝处存在应力集中现 象，按照传统的强度理论进行计算。如1 9 8 0 年，m o n i s m i t h 等人用热粘弹性力 学，对交通荷载与温度荷载作用下的开裂基层( 或旧路面) 与加铺层中的应力 分布特征进行了研究，并就橡胶沥青夹层对于裂缝尖端附近应力集中消散作用 进行了分析【2 4 j 。结果表明，软弱夹层能有效地降低裂缝顶端的应力集中，延缓 反射裂缝的扩展。 此外，s e e d s 等人将降温过程中旧水泥路面缝边的张开位移作为主要特征参 数，通过力学分析提出了一种计算温度收缩引起的加铺层中的应力响应，并开 发了相关的计算机程序，可进行加铺层的设计及温缩型反射裂缝疲劳寿命的预 估【2 5 1 。 严格意义上的线弹性断裂力学，是针对裂缝尖端曲率半径为零、宏观可检 的裂缝，准确地描述裂缝尖端应力应变场、通过断裂准则计算临界裂纹尺寸或 临界荷载，并建立裂缝起裂和稳定扩展条件及其计算方法。线弹性断裂力学在 沥青路面结构开裂破坏分析中的应用，主要贡献在于，通过其应用，计算分析 了沥青路面在交通荷载和温度荷载下的开裂机理及各类防裂措施阻止沥青路面 开裂的原理，并引入应力强度因子、能量释放率及相应的断裂韧性参数等概念， 提供了人们科学认识沥青路面开裂的方法与手段( 包括计算参数及开裂判断准 则) 。 3 武汉理c 大学硕士学位论文 研究工作主要集中在两个方面：通过各种试验测试，分析阻裂措施防止开 裂的机理，对比不同阻裂措施的效果；建立力学模型和结构模型，通过数值计 算分析沥青路面的开裂机理或阻裂措施的机理。其中重点在软弱夹层、应力吸 收薄膜( s a m i s ) 、土工布、格栅等夹层体系阻止沥青路面开裂的效果及数值模 拟分析方面。 2 疲劳断裂力学 目前，关于沥青路面结构开裂研究领域主要集中在应用疲劳断裂力学理论 与方法。 由于沥青路面结构始终处在交通荷载和温度荷载的循环作用下，其破坏主 要体现为疲劳破坏特征，因此，应主要研究沥青路面内裂缝的疲劳扩展规律。 现在，人们已公认，沥青路面结构的疲劳破坏可以分为两个阶段，即传统的无 缺陷的疲劳起裂阶段及其后考虑裂缝疲劳断裂阶段，反射裂缝属于后者。关于 前者，人们已经做了大量的疲劳破坏试验与结构分析，积累了相当多的经验， 其所得成果至今仍在沥青路面结构设计方法中沿用。而关于后者，主要围绕疲 劳断裂规律性展开研究。其中牵涉到材料的疲劳断裂规律的数学模型的建立及 其描述，模型参数的测试与确定，沥青路面结构疲劳断裂分析与结构简化模型 的建立及相关计算方法，以及各类影响因素及其对模型与计算方法的影响修正 鸯苣 寸6 关于沥青混合料和沥青路面疲劳断裂破坏过程的描述，有的采用应力或应 变或荷载等力学参数，用它们与循环加载次数的回归关系作为相应的疲劳方程。 但人们普遍采用基于应力强度因子的经验性总结的p a r i s 公式，描述沥青路 面疲劳裂缝扩展过程，并以此计算疲劳裂缝扩展寿命【2 6 】。根据理论分析结果和 疲劳断裂试验数据，提出沥青路面机构的使用寿命预测方法。 利用疲劳断裂力学方法分析沥青路面疲劳开裂，可以获得有价值的结论， 用于指导工程实际或有助于沥青加铺层设计公式的提出。 由于沥青混合料性质的复杂性，至今关于沥青混合料及沥青路面疲劳断裂 的研究仍在进行中，欲提出成熟的抗裂设计方法尚存在较大的差距。 3 粘弹性断裂力学 人们早就认识到沥青混合料为一种粘弹性材料，已经开展了不少关于沥青 材料的粘弹性分析工作。由于沥青材料属于一种粘弹性材料，沥青路面开裂主 要为温度型开裂，因此，大量的粘弹性力学研究工作主要围绕沥青路面温度型 4 武汉理工大学硕士学位论文 开裂开展。但基于断裂力学的粘弹性力学方面的应用研究是近些年发展起来的。 研究工作主要集中在沥青材料的粘弹性及低温抗裂指标的试验研究及沥青路面 温度应力计算方面，应用粘弹性断裂力学理论与方法进行理论分析方面的工作 尚不多。 由于疲劳断裂力学能够很好的描述裂缝动态扩展的过程，并以此计算疲劳 裂缝扩展寿命，因此疲劳断裂力学是本研究拟采用的分析方法。 1 3 目前针对旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝的主要措施 为防止及减少旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝，国内外研究者进行 了大量的试验路铺设及理论分析研究【明【3 1 1 。防治反射裂缝的措施主要有如下几 种：增加沥青加铺层的厚度，采用土工合成材料夹层，断裂稳固旧混凝土板，铺 设大粒径沥青混合料和级配碎石裂缝缓解层，在沥青混合料中掺入纤维等阻裂 材料，设置应力位变吸收薄膜夹层，以及在沥青面层和旧水泥混凝土路面层之 间设置一层弹性模量低，韧性好的材料作为应力吸收层以吸收反射裂缝，目前 这种方法是国内外工程实践中用得较多的一项工程措施。 1 - 增加沥青面层的厚度 通过增加沥青面层厚度以防止基层反射裂缝，这种方法在早期沥青加铺工 程中应用较多，国际上通用的结论是需要将沥青面层增加至1 5 , 、, 2 5 c r n 。增加加 铺层厚度，一方面可以减少旧面层的温度变化，并降f 氐3 0 n 铺层的拉应力，另一 方面可以增加路面结构的弯曲刚度，降低接缝处的弯沉差，减少加铺层的剪切 应力，同时，可以延长其疲劳断裂寿命。 但单纯依靠增加加铺层厚度的方法有其弊端，一方面增加加铺层厚度可能 会受到路面标高的限制，另一方面增加加铺层厚度，必将大幅度增加路面造价， 而且在夏季高温时沥青混合料高温蠕变易产生车辙，所以这种方法所产生的效 果不明显在经济上不合算，还可能导致其他路面病害的发生。 2 加铺土工织物或格栅 在旧水泥混凝土顶或沥青之间设置各种土工合成材料，可以提高沥青混合 料的抗拉强度与抗变形能力。八十年代初，英国诺丁汉大学布朗教授经过三、 四年的试验和研究将塑料格栅应用于沥青路面。他通过对比加铺和未加铺土工 格栅的沥青路面，认为前者比后者可以推迟疲劳裂缝出现达1 9 倍，可以减少车 辙5 0 。 5 武汉理工大学硕士学位论文 土工织物中间层对沥青面层底的箍固作用大大增强了沥青面层的抗裂强 度，土工织物中问层国外自8 0 年代以来广泛使用，多用于具有严重裂缝旧沥青 路面或水泥路面上加铺沥青新面层的中间防裂层，品种多为编织尼龙、无纺聚 丙烯和玻璃纤维几种，其中以无纺聚丙烯( p e t r o m a t ) 效果较好，总的研究结果表 明防裂效果有好有坏，一般来说土工织物中间层对于垂直差动位移和水平位移 较大( 温缩严重) 的情况效果不大，此外其防裂效果可能较短暂【2 引。 格栅包括聚丙烯或聚醋土工格栅、玻璃格栅和金属格栅。土工格栅的厚度 为0 8 m m - 一l l m m ，模量为9 0 0 m p a 2 5 0 0 m p a ，临界应力和应变与织物相近。 金属格栅的厚度为2 m m - 4 m m ，其模量可达到8 0 0 0 m p a 1 0 0 0 0 m p a 。刚度大的 夹层对于降低加铺层内因温度下降而引起的应力和应变的作用不如软夹层，但 对于降低荷载产生的应力应变的作用则远大于软夹层，采用复合式夹层( 下层为 应力吸收层，上层为金属格栅) ，虽然可以像软夹层那样减少温度引起的反射裂 缝，但仍保留了软夹层不能降低加铺层荷载应力的缺点。 由此，各种夹层具有不同的刚度，在减少反射裂缝方面所起作用也不同。 软夹层在减少温度引起的反射裂缝中可起到重要作用，但在降低荷载应力方面 作用不大，甚至可能有不良影响，而刚( 劲) 度与沥青加铺层材料相近的硬夹层， 则对降低荷载产生的反射裂缝最为有效，但在减少温度引起的反射裂缝方面不 如软夹层有效。因而，在选择夹层类型时，应对诱发反射裂缝的主要原因以及 不同夹层减缓反射裂缝的效果进行具体分析。 3 在面层与基层之间增加级配碎石层 采用具有一定厚度的优质级配碎石作为上基层，而旧水泥混凝土板作为下 卧层，这种上柔下刚式的“组合基层”在很大程度上能够防止和减少半刚性基 层反射裂缝，同时级配碎石基层还能充当具有排水功能的基层。级配碎石层是 由特粗式开级配沥青碎石混合料所组成，具有2 0 3 5 的空隙率，它提供了一 种散逸运动的方式，能够把交通荷载与环境温度作用下所引起的原水泥混凝土 路面板产生的运动消散掉。目前国内将级配碎石作为旧水泥混凝土板面层与沥 青面层之间的中间层的设计尚不多见，但在美国、澳大利亚以及南非已作为减 少沥青路面反射裂缝的措施获得了较多应用，且效果较好。但是与其他方法相 比，增加级配碎石层的经济性较差。 4 在面层与基层之间铺设应力吸收层。 目前，国内外对防裂材料的研究主要集中在低弹性模量，高韧性的应力吸 6 武汉理工大学硕士学位论文 收材料上，用这种材料铺设的应力吸收层从结构的角度延缓了裂缝尖端的应力 集中，因此起到了较为明显的防裂效果。根据断裂力学的理论，如果面层与基 层完全失去粘结就可以完全消除由于基层开裂而对沥青面层的应力集中，但是 这种方法在现实中是不可能实施的，采用低模量的中间夹层却是可以实现的， 中间夹层通常具有较低的弹性模量且能承受很大的应变而不破坏，在路面结构 中它能依靠自身的塑性变形来吸收应力，不致把很大的应变传递到面层上。国 内外对此类防裂措施开展了不少试验研究，并取得了一定的研究成果。 常见的应力吸收层有橡胶沥青封层( s a m ) 和应力吸收膜( s a m i ) ，国外 还有用软沥青混凝土作为中间层，实践表明它对气候寒冷情况下防止反射裂缝 较为有效，成功的关键在于沥青粘度和中间层厚度的合理选择，此外国内外尚 有采用开级配沥青混凝土( 沥青碎石) 作中间层，但严格讲，沥青碎石仍具有较 高模量，能传递裂缝尖端的高应力及应变，虽然该层较厚时具有较好防裂作用， 但不经济。 目前，新型的应力吸收材料s t r a t a 系统在工程中得到了广泛应用，s t r a t a 系 统是美国k o c h 公司专门针对反射裂缝而开发的，其胶结材料采用高弹性的聚合 物材料，集料最大粒径为9 5 r a m ，混合料弹性模量较低，承受变形的能力较强。 我国武黄、汉宜高速公路在国内首次大面积的引进了s t r a t a 应力吸收层系统， 从运营几年的情况来看，其防裂效果很明显。 实践证明，这些措施达到了一定的防裂效果，但是各种防裂效果的防裂效 果和机理不相同，且各类措施防裂效果很有限。因此，如何采取措施以较少或 延缓路面的反射裂缝还应根据路面结构的实际情况，综合利用多种防裂措施与 方法以达到最佳的防裂效果。 1 4 本文研究的主要内容 本文以汉宜高速公路旧水泥混凝土路面的沥青加铺工程为依托，运用前人 关于疲劳断裂理论在沥青路面反射裂缝预测方面的研究成果，研究沥青路面反 射裂缝的扩展机理，并通过室内疲劳试验和数值模拟的方法对沥青路面的疲劳 寿命进行预测评估，并对比不同加铺层结构抗反射裂缝、延缓疲劳寿命的能力， 研究的主要工作包括以f 方向： ( 1 ) 在室内理想条件下采用试验方法对不同沥青混凝土试件进行结构疲劳 7 武汉理工大学硕士学位论文 破坏的对比试验，模拟基于应力吸收层的沥青加铺层荷载型反射裂缝的产生、 发展过程，评价不同类型沥青加铺层特别是应力吸收层结构抵抗反射裂缝的能 力。 ( 2 ) 对线弹性断裂力学和疲劳断裂理论及其数值计算方法进行了较为详细 讨论，裂纹尖端应力奇异单元处理方法、裂纹疲劳扩展理论等，在此基础上给 出反射裂缝疲劳扩展寿命的计算方法。 ( 3 ) 运用疲劳断裂理论及有限元分析软件，针对含有s t r a t a 应力吸收层 和未设置应力吸收层的的沥青混凝土加铺层结构，采用数值模拟的方法，对其 在车辆重复荷载作用下的疲劳寿命进行了评估和对比。 8 武汉理二 大学硕士学位论文 第2 章沥青混合料结构的疲劳断裂性能试验 材料承受多次重复应力的作用，会在低于材料极限强度的应力值时出现破 坏现象，称作疲劳。这是由于材料内部存在缺陷或不均质，引起应力集中而出 现微裂隙，应力的反复作用使微裂隙逐渐扩展，从而不断减少有效的承受应力 的面积，造成材料模量( 劲度) 和强度逐渐下降，终于在反复作用一定次数后 导致破坏。材料抵抗疲劳破坏的能力，可用达到疲劳破坏时所能经受的反复应 力大小( 或称疲劳强度) 和作用次数( 成为疲劳寿命) 来表示1 3 。 在运用疲劳断裂力学理论预测沥青路面疲劳开裂寿命时，由于缺乏关于沥 青混合料疲劳断裂的参数，使得所预测的疲劳开裂寿命并布准确。国内外许多 科研机构进行了不少针对沥青路面裂缝的室内试验，其中针对交通荷载引起的 反射裂缝开裂机理，人们开展了一系列关于沥青混合料疲劳断裂性能试验和关 于沥青路面疲劳开裂的模拟试验，以获得相关的材料参数，并研制了一些试验 设备及方法。 2 1 沥青混合料疲劳断裂性能试验 目前关于沥青混合料断裂性能及疲劳断裂性能的试验方法有拉伸试验、弯 拉试验。前者包括直接拉伸试验( d t ) 、间接拉伸试验( i t ) ，后者包括四点弯拉 试验( 4 p b ) 、三点弯拉试验( 3 p b ) 和半圆试件弯拉试验( s c b ) 。 2 1 1 直接拉伸试验 对杆式试件进行拉伸疲劳试验是开展材料疲劳特性试验研究的常用方法， 其受力状态简单，能直接获得试件拉伸应力与变形，从而方便获得有关的材料 疲劳特性模型及其参数。但这种试验中通常采用无预制缺陷、光滑试件，由于 材料微观结构的非均匀性( 特别对于沥青混合料之类材料) ，易导致试件出现疲 劳损伤裂纹的部位难以事先控制。因此，在一些试验研究中，为控制裂纹出现 的部位与发展路径，在试件特定部位预韦4 缺口之类缺陷，如边缺口杆式试件。 加拿大渥太华大学ash a l a b y 介绍了对现场浇制的沥青砼试件进行重复拉 9 武汉理工大学硕士学位论文 伸疲劳试验的结果。沥青为8 5 1 0 0 号，沥青用量为5 ( 重量计) ，混合料孔隙率 4 3 ，集料孔隙率1 6 1 。试件尺寸4 5 c m x l 5 c m x t c m 。试验设备有重复液压加 荷机、位移传感器l v d t ，拉力传感器和计算机数据采集系统。荷载波形为三角形， 频率1h z ，试验连续加荷卸荷，无间歇时间。对无切口、顶面切口和底面切口试 件进行疲劳试验结果表明，切口会降低试件的疲劳寿命【矧。 2 1 2 间接拉伸试验 奥地利维也纳大学e k t s c h e g g 等人采用劈裂试验来评定层间粘结强度。仃。 和单位断裂能g ，。试件有2 种：一是室内制备，试件尺寸直径1 5 c m x l 6 c m 。二 是现场取芯试件。高度1 8 c m 。试验表明：( 1 ) 在2 2 一5 范围内，采用s b s 改 性沥青聚合物作粘结层的试件的单位断裂能g ，大于无粘结层的试件，其抵抗裂 缝发展的能力显著增强。( 2 ) 现场取芯试件g ，在5 c i o 。c 范围内要比室内试件 大得多，估计是压实效应所致，这也说明了试验室试件与现场取芯试件往往由 于环境、成型条件等的不同会使试验结果产生较大的差异【2 9 1 。 2 1 3 弯曲一拉伸疲劳试验 弯曲试验常采用三点弯曲或四点弯曲法。意大利b o l o g n a 大学的g d o n d i 采 用无加筋沥青混凝土、无纺土工布、聚丙稀土工格栅和土工织网四种材料的沥 青加铺层进行三点弯曲疲劳试验，对不同防裂夹层进行评价，试验结果是无纺 土工布强度稍低，土工织网强度较高f 3 0 l 。 荷兰公路局采用一种半圆弯曲试验。沥青砼试件被切成半圆柱形。重复加 荷后可测出底部切口向上开裂的裂纹长度，从而进行断裂分析。 人们采用四点弯拉试验进行的研究比较多，这种试验试件无切口时应力分 布很简单，也用于裂缝扩展试验，此时在试件中心预制一个切口作为初始裂缝， 加载时裂缝尖端区域应力分布十分均匀。同济大学的孙立军采用无切口有加筋 层试件，加铺层结构分别为含聚乙稀网层、无纺上工布、特种钢丝格栅夹层的 试件和普通沥青混凝土，在温度为一3 、1 5 和6 0 条件下进行静载试验，试 验结果表明特种钢丝格栅夹层效果最好，直接加铺的普通沥青混凝土最差【2 9 】。 通过对材料疲劳特性的研究可以看出，决定沥青路面寿命长短的关键因素 是铺面材料所承受的最大j e 拉应力或应变值。主拉应力或应变越大，出现疲劳 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 破坏时所能经受的反复作用次数越少。在相同的荷载级位下，材料的劲度大小 对于所产生的主拉应变值往往有决定性的影响。因此，混合料的劲度对于材料 的疲劳特性也有关键性的作用，任何影响混合料劲度的因素也同样会影响到材 料的疲劳性状。 一般说来，沥青含量多、针入度低和空隙率含量少的密实型沥青混合料， 其劲度高，对疲劳开裂的抵抗能力强，使用寿命长；而空隙含量多、沥青含量 少的沥青碎石混合料，疲劳寿命低。 2 2 应力吸收层加铺层结构疲劳特性研究 一些小型试件的试验不能全面真实地反映加铺层裂缝产生的机理。特别是 针对应力吸收层的沥青加铺层这一新型材料和结构，理论研究和实体工程国内 目前还处于起步阶段，非常有必要全面深入地研究其力学特性、材料参数、疲 劳损伤断裂机理。所以依托高速公路沥青加铺层试验路及实体工程进行基于应 力吸收层系统加铺结构与其它防裂措施相对比的荷载型反射裂缝的大型疲劳试 验研究就显得尤为必要。 目前针对应力吸收层加铺层结构的大型疲劳试验有a p a 疲劳试验，足尺疲 劳试验和m t s 疲劳试验。 2 2 1a p a 疲劳试验研究 沥青路面分析仪a p a ( a s p h a l tp a v e m e n ta n a l y z e r ) 是由美国乔治亚洲p t i 公 司生产的一种多功能测试仪，它既可进行疲劳试验，又可进行车辙试验( 包括浸 水车辙试验) 。仪器宽3 5 英寸，长7 0 英寸，高8 0 英寸，总重30 0 0 磅，其工作 电压为2 0 8 2 4 0 v 。在试验中要求至少l o o p s i 的气压，以提供轮压及其内部气泵 的正常工作。当进行疲劳试验时，加载轮以预先调整的压力在试件表面来回运动 以模拟车轮荷载重复作用，加载速度为4 9 7 s t r o k e s m i n ( 一个s t r o k e s 相当于加载 轮运动一个来回) ，在加载过程中数据采集系统可定时自动对试件表面的位移变 形量进行采集，并实时绘制出位移变形与运行次数的关系曲线图。当试件断裂 或达到预设的位移差值时加载轮自动停止工作。另外可根据需要在试验时设置 不同环境温度。从试验运行的次数及采集的位移值就可了解混合料的疲劳寿命 及与疲劳性能有关的其它参数四。 武汉理工大学硕士学位论文 长沙交通学院的谢军等人做过这方面的研究，最后得出结论，采取加铺玻 纤格栅和土工布的措施明显有射裂缝的延迟发展，采取防裂措施后试件表面发 展也要缓于未采取防裂措施的试件，说明采夹层可以明显延长荷载型疲劳寿命， 采用室内a p a 疲劳试验方法，不失为一种较好的荷载型疲劳模拟试验方法，可以 方便快捷地对各种类型沥青混合料和不同夹层材料的抗裂性能作出定性评价 3 2 1o 2 2 2 足尺疲劳试验研究 足尺疲劳试验是在室内理想条件下利用大型反射裂缝疲劳试验台架进行加 铺层结构的温度型和荷载型对比试验，比较不同沥青加铺层结构，特别是应力 吸收层结构抗反射裂缝的能力，在这里我们主要研究车辆荷载作用下的材料性 能。 据典型的旧水泥混凝土路面沥青加铺层方案，试验路加铺结构，共设计了5 种沥青加铺层结构进行水泥混凝土路面沥青加铺层的荷载型大型反射裂缝疲劳 足尺试验研究。采用大型反射裂缝疲劳实验台架进行不同加铺层结构的对比试 验；模拟偏荷载作用下特别是应力吸收层加铺结构抗剪切型反射裂缝的防裂效 剿3 5 1 。 1 荷载型大型疲劳试验结构类型 表2 1 沥青加铺层大型疲劳试验结构类型 试验方 加铺层路面结构类型( 由下至上) 加铺层总 案编号厚度c m i水泥混凝土板+ 7 c m 沥青混凝土a c 1 6i 7 i i水泥混凝土板+ 玻纤格栅+ 7 c m 沥青混凝土a c 1 6i 7 i i水泥混凝土板十土工布+ 7 c m 沥青混凝土a c 一1 6i 7 水泥混凝土板+ 2 c m s t r a t a 应力吸收层+ 5 c m 沥青混泥 7 土a c 一1 6i v水泥混凝土板+ 7 c m 纤维沥青混凝土a c 一1 6i7 2 试验方法及步骤【3 1 1 ( 1 ) 水泥混凝土板浇筑：整个试验在6 m x l 8 m 大型试槽内进行。压实成型 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 二灰碎石基层( 厚度1 5 c m ) 后，一次浇筑两组( 一组2 块) 共4 块混凝土板，板厚 2 2 c m ，两块水泥混凝土板接缝间距为l c m ，平面尺寸2 0 0 c m x 2 0 0 c m ，接缝处完 全切断，养生2 8 d 后进行试验。浇板时预留小梁试件测定混凝上抗弯拉强度( 按 4 5 m p a 控制，来模拟试验段旧水泥混凝土路面抗弯拉强度) 、弹性模量等参数。 ( 2 ) 洒布粘层油：在混凝土板表面洒布a h 9 0 热沥青作为粘层油前，要保证混 凝土板的干净并适当凿毛，并标注记录好混凝土板缝位置。对于在水泥混凝土 板上铺筑s t r a t a 应力吸收层的结构，粘层油洒布量为o 。l o k g m 2 。对于直接加 铺沥青混凝土层的结构，粘层油用量为0 4 0 k g m 2 。设置玻纤格栅夹层的加铺层 结构，粘层油用量为o 4 加6 k g m 2 。设置土工布夹层的加铺层结构，铺设土工布 前后用量分别为0 3 0 4 k g m 2 和o 4 0 6 k g m z 。沥青洒布用量为0 3 8 k g m 2 。沥 青洒布要均匀一致，用量准确；玻纤格栅及土工布均采用满铺方式，特别要注 意固定、搭接和平整，保证碾压后与沥青混凝土的粘结为一体；( 4 ) a c 加铺层 的铺筑：沥青加铺层的厚度为7 c m 沥青混凝土面层a c 一1 6i 。沥青混凝土摊铺前 在水泥混凝上板四周用支挡的钢板来保证板边沥青层的厚度与压实度，混合料 拌和在煤火加热的混凝土搅拌机内进行，当矿料温度达1 4 0 1 5 0 。c 时，加入热沥 青进行拌和，一分钟左右即可出料。出料后立即进行人工摊铺与整平，并及时 用1 0 t 压路机前轮