（市政工程专业论文）纤维封层力学性能试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 纤维封层是我国新引进的一种沥青路面养护方法，是指采用纤维封层专用设备同时 洒布沥青结合料和纤维，然后在上面撒布碎石，通过胶轮压路机及自然行车碾压后形成 的薄层复合材料，主要应用于预防性路面养护的表面磨耗层，能较好地封闭原路面的龟 网裂，提高原路面的防水性能，具有较好的经济成本效益。目前，纤维封层的材料配合 比及施工质量控制主要依靠经验法。通过试验方法研究纤维封层的层间黏结强度和整体 抗拉强度等力学性能指标，对于促进纤维封层的推广应用具有较好的理论指导意义。 本文首先依托试验路对纤维封层层间的拉拔强度增长趋势进行现场试验检测，并进 行室内模拟试验，确定了试件成型的设备、碾压次数、黏结强度的检测方法，结合理论 分析，初步掌握了纤维封层强度的形成机理。室内外试验结果表明，纤维封层的层间拉 拔强度在施工后初期黏结强度增长迅速，随后其强度增长趋势减缓，并趋于稳定。 在此基础上，对纤维封层进行了拉拔试验和剪切试验，研究乳化沥青、玻璃纤维、 裂缝和麻面对层间的黏结强度的影响。试验结果表明，纤维封层层间剪切强度随乳化沥 青及纤维用量的增加有减小的趋势；在裂缝宽度相同的条件下，龟网裂缝对纤维封层层 间的黏结强度影响最大；路面麻面的存在将使纤维封层层间的剪切强度减小。 最后，采用直接拉伸试验检测了纤维封层和沥青+ 纤维两种类型板带的抗拉强度， 研究乳化沥青、纤维含量及纤维长度对板带拉伸应力的影响。试验结果表明，纤维封层 板带的直接拉应力随乳化沥青含量的增加而有所减小；两种板带的直接拉伸应力均随纤 维含量的增加呈现不断增大的趋势；适当延长纤维长度可提高纤维封层的抗拉强度。 作为工程应用，本文根据纤维封层层问黏结强度和板带拉伸强度的力学性能试验结 果，提出了纤维封层材料配合比设计时乳化沥青用量、纤维用量及纤维长度的适用范围。 关键词：纤维封层；力学性能；层间黏结；拉伸试验；配合比设计 纤维封层层间黏结及力学性能试验研究 e x p e r i m e n ti n v e s t i g a t i o no f p e r f o r m a n c e so nm e c h a n i c so f f i b e r - r e i n f o r c e dc h i ps e a l a b s t r a c t f i b e r - r e i n f o r c e dc h i ps e a lw h i c hi san e wp r e v e n t i v em a i n t e n a n c em e t h o di nc h i n at h a ta t h i na b r a s i c e n e s sl a y e rc o n s i s t i n go fe m u l s i f i e db i t u m e na n dg l a s sf i b e rs p r i n k l e db ys p e c i a l e q u i p m e n ta tt h es a m et i m ea n dt h ea g g r e g a t es p r i n k l e do nt h ee x i s t i n gr o a di sf o r m e db y p r e s so fg l u ew h e e lr o a dr o l l e ra n da u t o m o b i l e s a n dt h ef i b e r - r e i n f o r c e dc h i ps e a li sa b l et o h e a lb l o c kc r a c k i n ga n di n c r e a s et h ep e r f o r m a n c eo fw a t e r p r o o fa n dh a v eb e t t e rc o s t e f f i c i e n c y a tt h ep r e s e n tt i m et h ew a yo ft h em a t e r i a lb u i l d u pa n dc o n s t r c t i o nq u a l i t yc o n t r o l a b o u tf i b e r r e i n f o r c e dc h i ps e a li se x p e r i e n t i a lm e t h o d t h ep u r p o s e so ft h i sp a p e ra r et os t u d y t h ei n f l u e n c ef a c t o r so fi n t e r l a y e rb o n d i n g ，t e n s i l es t r e s sa n dc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ep a r a m e t e r f o r p o p u l a r i z i n gt h ea p p l i c a t i o no f f i b e r - r e i n f o r c e dc h i ps e a l t h ei n c r e a s i n gt r e n di sc h e c k e dw h i c hi sa b o u ti n t e r l a y e rd r a w i n gs t r e n g t ho ft r i a lr o a d f o rt h ef i b e r r e i n f o r c e dc h i ps e a lb yt e n s i l eg a u g e t h ed e g r e eo fp r e s s ，i n s t r u m e n ta n d m e t h o do ff o r m a t i o na r ed e t e r m i n e dt h a ti st os i m u l a t et h em o l d i n go ff i b e r - r e i n f o r c e dc h i p s e a lt h r o u g hc u r r e n tt r a f f i c t h er e s u l t sd e m o n s t r a t et h ev a l u eo ft h ed r a w i n gs t r e n g t hi s i n c r e a s i n gn o n l i n e a r l yq u i c k l yd u r i n gt h ee a r l yt i m eo fc o n s t r u c t i o nw h i c h ，a f t e rw h i c ht h e v a l u ei si n c r e a s i n gs l o w l ya n da d d su pt ot h ep e a l ( v a l u e t h em o l d i n gs p e c i m e no ff i b e r r e i n f o r c e dc h i ps e a lu s i n gt r a c km o l d i n gi n s t r u m e n ti s c h e c k e db ys h e a r i n ga n dd r a w i n gt e s tw h i c ha n a l y s e st h ei n f l u e n c eo ft h ed o s a g eo f e m u l s i f i e db i t u m e na n dg l a s sf i b e r , t h es t y l e so fc r a c ka n dr a v e l e ds u r f a c e sf o ri n t e r l a y e r b o n d i n gs t r e n g t h t h er e s u l t si n d i c a t et h es h e a r i n gs t r e n g t hi sl o s i n ga ta r a t ew i t ht h e i n c r e a s i n gd o s a g eo fe m u l s i f i e db i t u m e na n dg l a s sf i b e r ，a n dt h ei n f l u e n c et h a tt h em a p c r a c k i n gi si m p a c t i n go nb o n d i n gs t r e n g t hi sm o s ts e r i o u sa m o n gt h es t y l e so fc r a c ki nt h e s a m ec r a c kw i d t h ，a n dc o m p a r i n gt on o r m a lp a v e m e n t ，t h o u g ht h er a v e l e ds u r f a c e sm a k et h e s h e a r i n gs t r e n g t hs m a l l e r t h et e n s i l es t r e n g t ho ff i b e r - r e i n f o r c e dc h i ps e a lb a n di sc h e c k e db yt h et e n s i l et e s t w h i c ha n a l y s e st h ei n f l u e n c eo ft h ed o s a g eo fe m u l s i f i e db i t u m e na n dg l a s sf i b e ra n df i b e r l e n g t h t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e n s i l es t r e s si si n c r e a s i n ga tar a t ew i t ht h ei n c r e a s i n g d o s a g eo fg l a s sf i b e ra n dl e n g t ho fg l a s sf i b e r , a n dl e n g t h e n i n gp r o p e r l yt h el e n g t ho fg l a s s f i b e rm a ym a k et h et e n s i l es t r e n g t hi n c r e a s i n g 一i i 大连理工大学硕士学位论文 t h i sp a p e ra l s or e p o r t st h et e c h n i q u ep a r a m e t e ro fe m u l s i f i e db i t u m e na n dg l a s sf i b e r a n dt h ef i b e rl e n g t hi nc o n s t r u c t i o nb ym e c h a n i c st e s tw h i c ha r eh a p p e n i n gt ot h ei n t e r l a y e r b o n d i n ga n dt h eb a n df o rt h ef i b e r - r e i n f o r c e dc h i ps e a l k e yw o r d s ：f i b e r - r e i n f o r c e dc h i ps e a l ；m e c h a n i c sp e r f o r m a n c e s ；i n t e r l a y e rb o n d i n g ；t e n s i l e t e s t ；g r a d a t i o nc o m p o s i t i o nd e s i g n i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 ( 、 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：笃难封盈! 兰i 上竺卤塾! 塑蔓垒堑生 作者签名： 签兰! 翌 一 日期：之芝堕年月生日 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期问 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1问题的提出 随着我国经济技术的高速发展，公路交通基础设施建设也取得了辉煌的成绩；由于 沥青路面具有行车舒适、噪音低、养护方便等优点，因此在国内外公路和城市道路建设 中被广泛采用。在我国的路面结构中，沥青路面占有重要的位置。截止到2 0 0 7 年底， 我国公路通车总里程达3 5 7 3 万公里，其中高速公路5 3 6 万公里【，然而沥青路面在交 通荷载和气候环境影响下，随着时间的推移，路面的服务能力逐渐恶化，为了路面良好 的使用性能、延长它的使用寿命和节约道路的寿命周期成本【2 】，在路面寿命周期的不同 阶段实施不同的养护措施尤为重要。 由于提出了公路建设和防治相结合的思想，我国已经出现了一些沥青路面养护维修 新材料、新技术和新工艺，目前我国沥青路面主要的养护措施有p 吲： ( 1 ) 同步碎石封层。 ( 2 ) 微表处和稀浆封层。 ( 3 ) 热拌沥青混合料薄层罩面。 与其他封层相比，同步碎石封层与纤维封层的施工技术比较的相似，同步碎石封层 是指用专用设备即同步碎石封层车将单一粒径的石料及沥青胶结料同时洒布在路面上， 在胶轮压路机或自然行车碾压下，使胶结料与石料之间有最充分的表面接触，以达到它 们之间最大限度的粘结性，从而形成保护原有路面的沥青碎石磨耗层。同步碎石封层施 工过程中施工机械的布置以及碎石的撤布厚度都对施工的经济效益和施工效果产生较 大的影响1 w 。 有研究表明f l o , l q ，同步碎石封层具有良好防水性能、独特的层间排水功能、高强的 层间粘结力和抗剪力、良好的抗裂性和防路面反射裂缝功能、较低工程成本和延长路面 使用寿命以及施工进度快等优点。 纤维封层技术是我国在2 0 0 7 年6 月新引进的沥青路面养护方法，目前，纤维封层 的材料配合比及施工质量控制主要依靠经验法。与同步碎石封层的施工方法类似，不同 之处在于纤维封层在施工时添加了纤维，而同步碎石封层施工没有添加纤维，如图1 1 所示。有研究表明，对于层状沥青混合料薄层路面层间容易产生滑移、拥包等病害1 1 2 。1 4 】； 由于纤维封层的厚度较薄，在交通量增加、交通荷载不断增大的情况下，在汽车启动和 急刹车时，要求纤维封层层间具有较好的层间黏结力，同时待养护的路面存在裂缝、麻 面等病害，路面的状况较差，纤维封层要具有很好的抗拉强度，减缓路面裂缝的产生的 纤维封层层问黏结及力学性能试验研究 能力。另外，待养护路面的路面状况以投纤维封层的施工质量的控制对黏结性能和抗拉 性能的影响也是有待解决的问题。 图l - 1 纤维封层结构 f i g iif i b e r - r e i n f o r c e dc h i ps e a ls t r t l c f q j r e 12 国内外研究概况 纤维封层技术是指采用纤维封层核心设备同刚洒布沥青粘结料和玻璃纤维，然后在 上面洒布碎石经碾压后形成新的磨耗层或者应力吸收中间层的一种新型道路建设施工 和养护技术。丰要用于道路卣层或粘结层的施工。 在国外纤维封层的应用有将近2 0 年的历史，2 0 世纪9 0 年代，美国德卅la & m 人学 ( t e x a s a & mu n i v e r s i t y ) 进行了项长达15 年、分布于4 个不同国家的纤维封层性能 * h 踪试验，试验表明：纤维封层能够明显改善沥青路面的质量，抗拉强度增加3 0 咀上， 抗疲劳强度增加3 0 ，抗车辙性能增加3 0 0 以e 【】“。欧技术在英国、美国、澳大利亚 和法国等国家已经得到j i 泛的应用。 我国引进该技术的时间还比较短，2 0 0 7 年6 月底，在辽宁省成功的进行了设备调试 和施工试验，已经开始进行大规模的施工，分别在抚顺地区的沈通线、沈环线；大连地 区的鹤大线、熊城线；营口地区的岫水线、新后线、上白线进行了试用，面积达5 6 万 平方米。这是法国纤维封层创新技术在中国的初步实践应用。目前我国h 是对纤维的施 工工艺进行了初步的研究与阐述【1 6 1 8 1 ，对纤维封层的层问黏结性能、抗拉性能等力学性 能指标及各项指标的影响因素的研究还处于起步阶段，还没有得出定性和定量的研究结 论。 绷 纠 雅 獬 捐 大连理工大学硕士学位论文 1 3 研究的目的及意义 从节约道路的使用寿命周期成本出发，所以引进和研究开发新的路面养护方法是必 要的，纤维封层技术就是我国引进的一种新的沥青路面养护方法。本文用现场观测的交 通量对纤维封层的施工及成型进行了实验室模拟，为纤维封层的室内成型提供了的探索 性的方法。对纤维封层层间的初期的拉拔强度进行了试验检测，定量的了解纤维封层层 间拉拔强度的形成过程。试验分析了原路面存在裂缝和麻面病害对层问黏结强度的影 响，有助于纤维封层施工前的路面病害状况的处理措施的选择。另外，本文还试验检测 了乳化沥青和纤维用量对层间黏结性能的影响以及乳化沥青、纤维用量和纤维长度对纤 维封层板带的抗拉性能的影响。并且从纤维封层的层间黏结性能试验和纤维封层的板带 试验，提出了纤维封层施工时的材料技术参数，对纤维封层的施工质量的控制和在我国 的推广应用提供了理论依据。 1 4 主要内容和技术路线 1 4 1主要内容 ( 1 ) 纤维封层层间黏结强度形成机理 首先介绍了纤维封层的材料组成和应用，阐述了纤维封层从施工到开放交通后的自 然行车碾压，纤维封层层间黏结强度的形成机理，并定性分析了纤维封层层间黏结强度 在道路运营期间的变化过程。并用试验路的检测数据验证纤维封层施工后初期的层问拉 拔的变化过程。针对纤维封层的抗拉性能，理论分析了裂缝的形成机理，进而分析了纤 维封层的抗裂机理。 ( 2 ) 纤维封层层间拉拔强度试验研究 试验路层间拉拔试验分析 试验检测了纤维封层试验路的层间拉拔强度的变化过程，定量的了解纤维封层层间 拉拔强度增长趋势及影响因素。 层间拉拔模拟试验分析 用现场观测的交通量确定纤维封层实验室成型的碾压次数，并且用实验室模拟现场 纤维封层试件检测了其层间拉拔强度的变化，用直接拉拔试验检测从施工起2 0 天内的 拉拔力的变化过程。并用试验路的试验数据对实验室模拟的试验数据进行检验，确定在 实验室模拟纤维封层成型的正确性。 ( 3 ) 纤维封层层间黏结强度影响因素 纤维封层层间黏结及力学性能试验研究 首先确定纤维封层在实验室内成型的碾压次数，然后在沥青混凝土垫块上模拟原路 面的裂缝及麻面病害状况，再在垫块上铺一层纤维封层，在车辙成型机上碾压5 0 0 次成 型，用层间的纯剪和拉拔试验检测原路面的裂缝及麻面对层间黏结强度的影响，用斜剪 试验研究了沥青和纤维的用量对层间剪切强度的影响。 ( 4 ) 板带的抗拉强度试验分析 用车辙仪对纤维封层板带进行了成型，对纤维封层板带在一定的温度和速率下直接 进行拉伸试验，检测抗拉强度和应变的值。试验分析了乳化沥青及纤维用量对纤维封层 板带的抗拉性能的影响。 用沥青+ 纤维板带试验分析了纤维用用量和纤维长度对纤维封层板带的抗拉性能的 影响，并且对纤维封层和沥青+ 纤维板带的拉伸试验结果进行了相关性分析。 ( 5 ) 纤维封层施工技术参数分析 通过对集料的筛分和纤维封层碎石用量的经验值提出了碎石用量的建议值，通过纤 维封层层间的黏结性能和纤维封层板带的拉伸试验结果提出纤维封层乳化沥青和纤维 的用量 1 4 2 技术路线 大连理工大学硕士学位论文 。 纤维封层力学性能试验研究 】 。层间黏结强】【板带力学性1 l 纤维封犀强窍形癌加理1 抗拉强度 一j li 2 0 天内拉拔强度强度影响因素 【纤维封层板带 沥青+ 纤维板带 i l 【结论】 li 沥青和纤维含量裂缝类型 l l 1 i l 结论l 纵横裂缝十字裂缝米字裂缝 ii i l ( 结论】 。纤维封层施工技术参数】 图1 2 本文技术路线 f i g 1 2 t e c h n i c a lc o u r s eo f t h ep a p e r 纤维封层层间黏结及力学性能试验研究 2 纤维封层强度形成及抗裂机理 21 纤维封层的材料性质和应用 21 i 纤维封层的材料性质 ( 1 1 粘结料 所谓的乳化沥青，就是将沥青热融，经过机械的作用，沥青以细小的微滴状态分散 于古有乳化剂的水溶液中，形成水包油状的沥青乳液。乳液包括油包水型和水包油型。 当连续相为水、不连续相为油时，即为水包油型如图2i 所示，反之为油包水型。 蚓2i 乳液类挝 f i g21 s t y l eo f e m u l s i o n 水包油型乳液中根据其颗粒的大小，可分为普通乳液和精细乳液。普通乳液的颗 粒一般为l 2 0 f m ，精细乳液的颗粒一般为0 , 0 1 0 0 5 岫。乳化沥青为普通乳液时，其 典型的颗粒粒径r ( 岬) 分布如表l 9 i ： 表21 乳液不同颗粒粒径的百分含量 t a b21 p e r c e n t a g eo f d i f f e r e n t g r a n u l e i ne m u l s i o n 大连理工大学硕士学位论文 乳化沥青除了含有沥青、水和乳化剂三种主要物质外，还需要添加一些改性剂和稳 定剂等。改性乳化沥青有喷洒型( p c r ) 和拌和型( b c r ) 两个品种，分别适用于粘层、透层 和桥面防水粘结料和使用于改性稀浆封层和微表处粘结料。纤维封层采用的是s b r 改 性喷洒型阳离子乳化沥青( p c r ) 。 ( 2 ) 纤维 纤维作为一种高强、耐久、质轻的增强材料，在沥青混合料中的研究和应用最早可 以追溯到2 0 世纪6 0 年代，最初目的是用于预防路面反射裂缝【2 0 l 。随后纤维用于提高路 面的防水性能和抗疲劳强度，随着人民对纤维研究应用的深入，相继出现了纤维织物和 纤维格栅用于沥青路面中。同时聚合物纤维( 如聚脂纤维、聚丙烯纤维、聚丙烯睛纤维 等) 、木质素纤维、玻璃纤维得到广泛应用【2 0 】。 其中玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，它大多以天然矿石如硅砂、石灰 石、硼钙石、莹石等为原料，这些原料经过精细研磨，再经过对各原料成分的科学计算 和合理配比、按要求混合后送入特制窑炉内熔制成熔融玻璃态，以外力拉制、喷吹、或 以离心力甩成极细的纤维状材料，经过拉丝、捻纱、浆纱、织布、热处理等工序最后形 成各类产品【2 0 】。玻璃纤维单丝的直径从几微米n - - 十几微米，相当于一根头发丝的 l 2 0 - 1 5 ，每束纤维原丝都由数百根甚至上千根单丝组成。 由于它具有成本低、不燃烧、耐热、耐化学腐蚀性好、拉伸强度和冲击强度高、断 裂延伸率小、绝热性及绝缘性好等特点，故在复合材料领域中广泛用于聚合物基复合材 料的增强材料或无机非金属及复合材料的增强材料，并取得了很好的增强效应。 为了更好的理解玻璃纤维及其生产工艺，下面介绍有关玻璃纤维的几个概念。 单丝：由漏板一个漏孔中拉成的丝。 原丝或股：由漏板总漏孔拉成的单丝经集束轮汇成一束即称原丝或股。 捻度：指每一米玻璃纤维原丝经过多少转的加捻次数，以捻m 表示。根据加捻 方向，有顺时针回转( z 捻) 和反时针回转( s 捻) 之分。 纱：原丝经过退绕加捻而成基本单纱，合股后称合股纱。 无捻粗纱：浸有强化型浸润剂的原丝成股后不经加捻而合股者。 支数：1 9 原丝有多少米长，就称为该原丝的支数。如4 5 支原丝，就是1 9 原丝 有4 5 m 长。 浸润剂：漏孔中流出的熔融玻璃纤维经集束轮集束，而后卷绕在高速旋转的绕 丝筒上。玻璃纤维经过集束轮的同时，即涂上浸润剂。此浸润剂的作用在于保护新生原 丝便于以后加工，以及使最终增强制品性质最佳化。 纤维封层施工所用的纤维为喷射无捻粗纱型玻璃纤维，纤维的长度取值还没有定量 的研究，在我国施工时纤维的长度为4 0 m m ，有经验表明纤维的长度取6 0 m m 为宜。 ( 3 ) 碎石 纤维封层普遍采用开级配抗滑磨耗层进行路面养护。此种级配的石料中粗集料多， 细集料少。纤维封层所用粗集料技术要求与沥青混合料用石料基本相同，应洁净、干燥、 无风化、无杂质，并具有足够的强度和耐磨耗性，且应具有良好的颗粒形状，目的是使石 料具有凹凸不平的表面，用以增大石料的表面积，使石料与沥青的接触面积增大，同时 沥青嵌入碎石间隙之中，固化后形成牢固的机械嵌锁力。 用于纤维封层的碎石有玄武岩、石灰岩和花岗岩等，由于纤维封层可以用于应力吸 收层和路面的磨耗层，所以其常用碎石粒径范围为3 5 、5 - 1 0 和1 0 - - - 1 5 。用于应力吸 收层碎石粒径通常为3 5 ；而用于磨耗层的碎石粒径通常以5 - - 1 0 的玄武岩为宜，要满 足路面强度、平整度和抗滑性能的要求选择碎石的粒径。 2 1 2 纤维封层的应用概述 ( 1 ) 纤维封层的施工工艺 施工准备： 对原路面进行病害调查处理：对旧沥青路面如果存在拥包，要先进行铣刨，保证路 面平整。对于强度不足的路段要进行补强；坑槽要进行修补，对大于5 m m 的裂缝要进 行灌缝，大缝要填充灌缝料，小于5 m m 的裂缝，用压缩空气吹扫后用乳化沥青灌缝。 施工设备：赛格玛纤维封层设备一台。与纤维封层技术施工相关的配套设备；3 0 t 保温沥青罐车一台，1 0 n 1 3 以上碎石撒布车2 台、5 0 型装载机1 台、1 0 t 胶轮压路机1 台、自卸车l 台、路面清扫工具等其他小型机具。 施工原材料：改性乳化沥青、玻璃纤维及5 1 0 m m 的玄武岩石料。 施工人员：施工中劳务人员1 0 人。 现场交通组织及路面清洁； 纤维封层车同时撒铺乳化沥青和纤维； 撒铺碎石： 胶轮压路机碾压； 初期养护，乳化沥青破乳，限速开放交通； 自然行车碾压。 ( 2 ) 纤维封层应用范围 大连理工大学硕士学位论文 由于破碎纤维细丝形成不规则网状结构与沥青结合同时洒布在路面上，极大增加了 沥青粘结层的强度，这种工艺有效解决了路面裂缝反射的问题，有效吸收应力和分散应 力，防止裂缝产生，无论在低级公路或高等级公路，都可产生显著的经济效益和社会效 益。可以使磨损、老化、裂缝、松散等病害迅速得到修复，起到防水、防滑、平整、耐 磨等作用，使旧路面焕然一新，是一种优良的保护层，起到了延长路面使用寿命的作用。 具有优良性能的纤维封层工剖蛤1 8 】，可广泛应用于以下道路施工及道路养护： 用作新建路基、面层层间粘结应力吸收层，防止反射裂缝。 新、旧沥青路面铺设磨耗层，进行预防性养护。 各等级公路下封层施工。 旧水泥路面改造。 桥梁防水层的施工。 2 2 纤维封层层间黏结强度形成机理 2 2 1纤维封层层问黏结强度变化的定性分析 纤维封层从施工到通车运营以后，其层间黏结强度的变化可以定性的表示为图2 1 的形式。 越 蝴 螈 篙 射阑 图2 2 层间黏结强度随时间变化曲线 f i g 2 2 c h a n g eo fb o n d i n gs t r e n g t hw i t ht i m e 其中，a b 段表示纤维封层施工从撒铺改性乳化沥青、纤维和碎石，然后进行胶轮 压路机碾压、初期养护到限速开放交通前的强度变化； b c 段描述了限速开放交通期间和在自然行车的碾压下，纤维封层的层间黏结逐渐 上升，至黏结强度达到到最大值的过程； 纤维封层层间黏结及力学性能试验研究 c d 段代表路面养护后其纤维封层层间黏结强度达到峰值后，其服务能力在交通荷 载和环境作用f i l e 务能力逐渐下降层间的黏结强度也在逐渐降低：在c d 段层问黏结 强度变化期间，根据路面状况和对其服务能力的要求选择下一次的养护方法。 2 22 纤维封层层问黏结强度形成机理分析 f 1 1 a b 段强度变化分析 纤维封层层间黏结强度的形成是从撒铺改性乳化沥青开始的撤铺乳化沥青和纤维 后，立即撤铺碎石进行碾压，撒铺碎石后的纤维封层如图2 2 所示。刚撤销的s b r 改性 沥青流动性较好，与原路面充分接触并h 原路面施工时较干燥，乳化沥青容易渗透到 路面嶷料空隙及孔隙中，为提高上封层与原路面的层洲黏结性能提供了前提条件。 基蛰盆釜蛰耋避： j ：i j 。键_ ；毒j 謦| v 三 圈23 碾压前纤维封层幽示 f i g2 3 f i b e r - r e i n f o r c e dc h i ps e a ls l r u c u c 纤维封层采用的是喷射无捻粗纱型玻璃纤维，这种玻璃纤维是浸有强化犁浸润剂的 原丝成股后不经加捻而合股而成，这种浸润剂能满足拉丝工岂要求，而且还使玻璃纤维 具有特定的二次加工性，如短切性、分散性、成型性。增强型浸润剂不含石蜡等油类， 配方组分与被增强的基体有良好的相容性、反应活性或粘结性口“。施工中的玻璃纤维被 剪切后均匀的撒铺在两层改性乳化沥青之间，使纤维能够被乳化沥青完全襄覆，能增强 乳化沥青与纤维之f h j 的吸附作用。 经过胶轮压路机的碾压，流动性较好的乳化湖青与砰石更好的充分接触，乳液中i c 5 青微粒带正电荷，而湿矿料表面带负电荷，两者在有水的情况下仍可以吸附结合【1 ，微 观结构如图2 3 所示；碎石表面的洁净程度将影响碎石与乳化沥青的黏附性口2 j ：被吸附 的乳化沥青从水溶剂中分离出来首先完成破乳，乳化沥青的爬升高度约为碎石高度的 2 3 ，乳化沥青破乳速度加快，上面层的碎石初步嵌挤稳定。乳化沥青中的水分部分和澌 青微粒一起渗透到原路面中，部分被蒸发，部分被碎石吸收，还有一部分在沥青乳液中， 大连理工大学硕士学位论文 开放交通前乳液中的水分继续分离蒸发出来，乳化沥青逐步完成破乳、凝结和固化过程。 沥青微粒与沥青微粒、玻璃纤维和集料之间黏结强度逐渐形成。 图2 4 沥青微粒与集料的粘结 f i g 2 4b o n d i n go fb i t u m e na t o ma n da g g r e g a t e ( 2 ) 曰c 段强度变化分析 从开放交通初期限制车速到自然行车的碾压，破乳后的乳化沥青存在的少量的水被 逐渐的蒸发出来，渗透到原路面中的乳化沥青固化程度加强，原路面上的一薄层沥青起 到连接上封层和原路面的粘结层作用，增强了层间粘结性和抗剪能力。 纤维封层中玻璃纤维与其吸附的乳化沥青之间的粘结力随着水分的蒸发也在逐渐 的增大，玻璃纤维被牢牢的粘结在上封层和原路面之间，其在层间的位置同时被固定。 碎石在车辆荷载的作用下，进一步嵌入原路面中，碎石表面大约3 4 的面积被固化 的乳化沥青裹覆，碎石和碎石之间、碎石和沥青之间的密实性也在增强；这时路面的构 造深度在汽车荷载和自然环境的作用下不断的减小，在一定时期内应满足相关的要求 【2 2 1 。沥青、原路面、纤维和碎石之间的黏结强度进一步的增强，纤维封层与原路面的黏 结强度也相应的增加。随着环境和自然行车的碾压，纤维封层的抗压强度以及纤维封层 和原路面的黏结强度逐渐的趋于稳定。 ( 2 ) c d 段强度变化分析 纤维封层的层间黏结强度达到最大值之后，在交通荷载和气候环境的影响下，沥青 也随着时间的推移逐渐的老化，使其与原路面、纤维和碎石的粘结性降低，纤维封层的 黏结强度随时间的增长而不断的下降，其服务能力也在不断的降低，在有效地使用年限 内，路面有可能出现裂缝、坑槽和推移等病害；路面状况恶化，路面层问的黏结强度急 剧下降。何时选择下一次的养护时期，既能保持路面良好的使用性能，又能延长道路的 使用寿命和节约寿命周期成本，显得尤为重要。 纤维封层层间黏结及力学性能试验研究 2 2 3 层问拉拔强度试验分析 通过对纤维封层层间的黏结强度形成机理进行定性的描述，我们初步掌握了层间黏 结强度形成的过程，为了更好的理解和掌握层间黏结强度的变化，用直接拉伸试验对纤 维封层施工后初期的层间的拉拔力进行了检测，试验结果如图2 4 所示。纤维封层层间 的黏结强度随时间的推移呈现非线性的增加。 现场施工后两三个小时就可以限速开放交通，从施工开始到施工后1 2 小时左右， 纤维封层层间的黏结强度的变化过程与定性分析时a b 段的强度变化是一致的；有图2 4 知，开放交通后初期层间黏结强度增长较快，在强度持续增长的后期，增长的趋势减缓。 这一试验结论基本上和层间黏结强度定性分析的a b 段和b c 段的结果是一致的。至于 层间黏结强度达到最大值后，路面的服务能力在交通荷载和环境的影响下不断的下降的 定性结论，还需对试验路进行长期检测予以验证。 0 2 50 30 52 36797 88 0 时间天 图2 5 层间拉拔力随时间的变化曲线 f i g 2 5c h a n g eo fi n t e r l a y e rd r a w i n gf o r c ew i t ht i m e 2 3 纤维封层抗裂机理分析 2 3 1裂纹的基本类型 在线弹性断裂力学( l i n e 盯e l a s t i cf r a c t u r em e c h a n i c s ) 中，根据裂纹受荷载作用及裂 纹变形情况，可将裂纹分为三种基本类型【2 3 1 ，即i 型、i i 型和i i i 型，如图5 1 0 所示。 i 型裂纹即为张开型裂纹，指裂纹受垂直于裂纹面的拉应力作用，裂纹面相对张开。 o o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 o 0 0 6 4 2 0 8 6 4 2 1 1 1 1 专r 辎黛 大连理工大学硕士学位论文 i i 型裂纹即为滑开型裂纹，指裂纹受平行于裂纹面而垂直于裂纹尖前缘线的剪应力 作用，裂纹上下两表面沿x 轴相对滑开。 i i i 型裂纹即为撕开型裂纹，指裂纹受既平行于裂纹面又平行于裂纹尖前缘线的剪应 力作用，裂纹上下两表面沿z 轴相对错开。 n 墨 i n 盈 图2 6 裂纹基本类型 f i g 2 6 b a s i cs t y l e so fc r a c k 2 3 2 裂缝的形成扩展机理分析 按照裂缝的类型分析了裂缝的主要形成机理【2 4 1 ，为有针对性的分析纤维封层的抗裂 机理提供了理论基础。 ( 1 ) 纵向裂缝 。 纵向裂缝产生的原因有多种可能性，主要有：由于路基填土压实或两侧密实度不均 和路基边缘受水浸蚀，导致路基不均匀沉降和承载力不足形成裂缝；沥青含腊量偏高， 延度偏于下限，油层抗拉强度低，长期在行车荷载作用下形成纵向裂缝，填土含水量偏 大，在冻胀作用下形成裂缝。 ( 2 ) 横向裂缝 由于路基土体的不均匀沉降引起的横向裂缝，低温收缩或半刚性基层收缩是产生横 向温度裂缝的主要原因；沥青路面低温抗裂性能的好坏，关键是沥青材料本身直接影响 到沥青混合料的低温抗裂性。面层的表面开裂后，就会在裂缝尖端产生应力集中，使其 继续向下发展并贯穿整个沥青面层。 ( 3 ) 反射裂缝 反射裂缝产生的基本机理是沥青面层受到交通荷载和温度联合或单独作用产生受 拉疲劳和剪切疲劳。由于温度变化引起的混凝土板伸缩和交通荷载驶过接缝或裂缝，在 缝端附近的沥青混凝土材料内产生应力集中，而接缝或裂缝处不能很好地传递拉应力或 剪应力，导致反射裂缝的产生和发展。根据断裂力学原理可分为：温度应力对应着张开 模式( i 型) ，行车荷载对应着张开和剪切模式( i 和i i 型) 混合型。 纤维封层层间黏结及力学性能试验研究 ( 4 ) 龟裂 龟裂、不规则裂缝的形成主要是路面整体强度不足，沥青路面老化，在行车荷载的 作用下形成的；另外，基层排水不良，低温时沥青混合料变硬或变脆，也能造成龟裂。 ( 5 ) 滑移裂缝 滑移裂缝产生的典型原因是层间的黏结性能不好，滑移裂缝最常发生在车辆刹车、 转弯或加速的位置，在城市道路的交叉口路段经常可以观察到滑移裂缝。 2 3 3 纤维封层阻裂机理分析 由纤维封层施工工艺知，纤维夹在两层乳化沥青层之间，并且从纤维封层的拉拔试 验的层间破坏状态显示，纤维封层成型后，纤维完全在纤维封层之下；针对纤维夹层的 位置和上述介绍的裂缝形成的机理，将裂纹扩展分为沥青面层表面和反射裂缝开裂后的 裂纹两种扩展方式来介绍纤维封层的阻裂机理。 ( 1 ) 沥青面层表面开裂后的裂纹扩展 沥青路面开裂以后，不论在交通荷载或负温度梯度作用下，裂纹均可能向路面深度 扩展，并且在路面的裂纹的缝端会产生很大的拉应力和剪应力集中，其完全可能超过材 料的抗拉强度而使路面继续开裂【2 5 】。由于纤维封层的成型厚度较薄，通过测量的试验路 面的平均厚度为4 m m ，原路面的刚度较大，在负温度梯度作用下，原路面也会产生超 过本身材料的抗拉强度的拉应力而使原路面面层开裂。这种裂缝的存在也会促使纤维封 层表面裂缝的发展。 纤维封层由于较薄，可以看作纤维夹在碎石之间，按照冷拌沥青混合料理解。纤维 的嵌锁咬合作用，提高了开裂断面抗剪切传荷能力，纤维的存在使纤维封层表面的裂缝 尖端的应力减小，有效的阻止了裂缝的进一步的扩展。 另外，按照复合材料科学原理【2 6 】，纤维的增韧作用与纤维本身的强度和韧性没有任 何的关系，而来自于纤维与基体材料因材料性质差异在纤维和基体界面附近形成的残余 应力应变场及显微裂纹。这种残余应力应变场要么来自纤维和基体材料因热膨胀系数的 巨大差异，要么是因为纤维在某一温度下相变而产生膨胀。残余应力应变场可以抵消部 分外加荷载，从而降低宏观裂纹扩展时裂纹尖端的应力；残余应力场在纤维和基体界面 处产生的显微裂纹将部分释放材料中的应变而使裂纹区中存在残余应变，在宏观裂纹扩 展后，其尾区的残余应变将降低裂纹尖端的应力；由于形成显微裂纹，显微裂纹周围材 料的弹性模量降低而成为软化材料，它也有助于降低宏观裂纹扩展时裂纹尖端的应力。 从而阻止裂纹的进一步的发展。 ( 3 ) 反射裂纹的扩展 大连理工大学硕士学位论文 目前用土工织布、玻璃纤维格栅等土工加筋材料防止反射裂缝，它们的受力变形实 质上是一种复合材料中增强相的行为，应具有较强的界面特性t 2 6 1 。这种界面特性体现在 土工加筋材料与填料之间的力与变形的相互关系。针对原路面的网裂较严重现象分析纤 维封层阻止反射裂缝扩展的机理。 纤维封层施工时，撤铺纤维之前先撤铺一层乳化沥青，增强的纤维和纤维封层与路 面的结合，能改善裂缝处拉应力的集中，即使纤维与路面联结不好，此时纤维的张力较 大，因荷载的复合效应，纤维仍能降低裂缝尖端的应力。有研究表明暖7 , 2 8 1 ，铺设纤维等 土工筋材还能增大裂缝的扩展角，即是延长裂缝扩展路径和裂缝发展的时间，因此纤维 封层能降低裂缝尖端的应力，起到阻裂的作用。沥青混合料路面层间加铺玻璃纤维格栅 能有效的阻止反射裂缝的扩展，纤维封层中的纤维也能起到这样的效果。 2 4 本章小结 ( 1 ) 理论分析表明，在层间黏结强度形成的a b 段，主要是乳化沥青与原路面、纤 维、碎石的吸附作用及破乳、凝结和固化过程，黏结强度不断的增加；在b c 段黏结强 度增长幅度较大并逐渐趋于稳定；c d 段纤维封层的服务能力受交通荷载和环境的影响， 层间黏结强度不断的下降。在此期间进行下一次的养护工作。 ( 2 ) 试验分析表明，纤维封层的层间黏结强度在施工后初期，黏结强度增长较快， 强度形成的后期，黏结强度增长的趋势减缓。试验所得强度的变化趋势基本上和定性分 析的强度变化是一致的 ( 3 ) 理论分析表明，纤维封层中的纤维能降低裂缝尖端的应力，起到阻止裂缝扩展 的作用，提高了纤维封层的抗裂性能。 纤维封层层间黏结及力学性能试验研究 3 纤维封层层间拉拔强度试验研究 3 1试验方案 推移、拥包是沥青混凝土路面夏季较容易发生的一种病害。推移会直接导致路面出 现开裂，而拥包则直接影响了路面的平整度。沥青混凝土路面的推移主要由2 个方面原 因造成：一是由于沥青混凝土面层和基层之间由于粘结力不足，在行车荷载的水平力反 复作用下，发生层问推移；另一种是由于沥青混合料的高温稳定性不足，在夏季高温时 在行车荷载作用下产生。目前常用层间拉伸和剪切试验研究沥青路面层间黏结性能 2 9 - 3 3 】。由于纤维封层较薄，层间易发生推移和拥包，层间的黏结性能显得尤为重要。 本文用层间拉拔和剪切试验评价纤维封层层间的黏结性能及层间黏结性能的影响 因素。为了检测纤维封层施工后的层间拉拔强度的变化过程，用车辙仪模拟纤维封层施 工后的自然行车碾压试验方案如下： ( 1 ) 试验的材料 实验室采用与现场旌工相同的封层材料： 粘结料：改性乳化沥青； 碎石：规格为s 1 2 的玄武岩； 纤维：喷射无捻粗纱玻璃纤维； 粘结剂：建筑结构胶粘剂； ( 2 ) 试件的成型 纤维封层垫块 按照公路工程沥青及沥青混合料试验规程( j t j0 5 2 2 0 0 0 ) 中t 0 7 0 3 1 9 9 3 的方法 制作3 0 0 m m x 3 0 0 m m x 4 0 m m 的沥青混合料垫块，由于车辙仪的胶轮的宽度为5 0 m m ，所 以将垫块切割成6 0 m m 宽的小梁，以便胶轮能方便碾压。 纤维封层 参照纤维封层现场的施工工艺，把切割好的垫块放到加工的3 0 0 m m x h m m 5 0 m m 的试模中，其中宽度h 可变；然后刷沥青、撒纤维和撒铺碎石，在车辙仪中进行初压和 复压，碾压的