（道路与铁道工程专业论文）胶粉改性沥青应力吸收层防治沥青路面反射裂缝研究.pdf

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摘要：半刚性基层裂缝向上反射并贯穿沥青面层形成反射裂缝，是半刚性基层沥 青路面主要的病害形式之一。在开裂基层与沥青面层间加铺薄的应力吸收层是广 泛采用的防治反射裂缝措施。本文将研制性价比更高的胶粉改性沥青应力吸收 层，主要从以下四方面进行研究： 1 分析路面常见病害反射裂缝的产生和扩展机理，确定其主要影响因 素包括温度、行车荷载等外界因素和路面结构本身特性( 尤其是旧路面与罩面层 之间的层间粘结性能) 对反射裂缝的产生的影响。 2 应用a p b i 程序，建立计算模型，采用层状弹性体系理论，分析路面结 构在车辆荷载作用下，开裂基层上沥青面层的受力状况，揭示反射裂缝的发展机 理及应力吸收层防治反射裂缝原理。 3 通过大量室内试验确定胶粉改性沥青材料对应力吸收层性能的影响，选 用优质的基质沥青和胶粉。利用常规试验，对胶粉改性沥青进行评价分析，确定 胶粉改性沥青最佳室内加工工艺包括反应时间、反应温度、掺加比例和加工方法 等。 4 对比成品胶粉改性沥青和s b s 改性沥青，采用针入度分级评价体系和p g 分级评价体系对胶粉改性沥青适用性进行研究。从经济效益方面评价胶粉改性沥 青应力吸收层的性价比。 关键词：反射裂缝；应力吸收层；胶粉改性沥青；针入度分级评价体系；p g 分 级评价体系；经济效益 分类号：u 4 1 6 2 1 7 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a b s t r a c t ：1 1 1 ep r o p a g a t i o no fc r a c k si n a s p h a l tp a v e m e n tc a u s e db yt h e s e m i - r i g i db a s ec o u r s ec r a c k si so n em a j o rd i s t r e s s a d d i n gs t r e s sa b s o r b i n gl a y e r b e t w e e nr e f l e c t i o nc r a c k s ，a n dt h es t r e s sa b s o r b i n gl a y e ro fc r u m br u b b e rm o d i f i e d a s p h a l ti so n em o s te f f e c t i v em e a s u r e t l l i sp a p e rm a i n l ys t u d i e dt h ef o l l o w i n gf o u r t o p i c s ： i nt h ef i r s tp a r t ，a n g t i c i z i n gr o a do u t - o f - f l a t n e s so fr e f l e c t i o nc r a c k s ，a n di t s m e c h a n i s m ，r e s e a r c h i n gt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r si n c l u d i n gt e m p e r a t u r e ，d r i v i n g l o a de x t e r n a lf a c t o r sa n dp a v e m e n ts t r u c t u r ei t s e l fc h a r a c t e r i s t i c s ( e s p e c i a l l yt h eo l d r o a ds u r f a c ew i t ht h ec o v e rb e t w e e nl a y e r so fb o n d i n g ) t od e t e r m i n et h ei m p a c to f r e f l e c t i v ec r a c k u s i n ge l a s t i ct h e o r y , a p b lw a su s e dt oa n a l y z et h ep a v e m e n ts t r u c t u r ei nv e h i c l e l o a d sa n dt h ec r a c k i n go fa s p h a l tl a y e ro nt h eb a s i cs t a t u s ，t or e v e a lt h ed e v e l o p m e n t o fr e f l e c t i o nc r a c k sa n dt h ep r i n c i p l eo fs t r e s sa b s o r b e dl a y e ru s e dt or e f l e c t i v e r e f l e c t i o nc r a c k s t h r o u g hal o to ft e s tm a t e r i a l sf o rt h es t r e s sa b s o r b i n gl a y e ro fc r u m br u b b e r m o d i f i e da s p h a l t ，t h i sp a p e rs e l e c t e dh i g h q u a l i t ym a t r i xa s p h a l ta n dc r u m br u b b e r a n du s i n gc o n v e n t i o n a lt e s t , a n a l y z e dc r u m br u b b e rm o d i f i e da s p h a l t ，i no r d e rt o d e t e r m i n et h eo p t i m a li n d o o rp r o c e s si n c l u d i n gr e a c t i o nt i m e ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ， m i x i n gp r o p o r t i o na n dp r o c e s s i n gm e t h o d ，e t c c o m p a r e dc r u m br u b b e r m o d i f i e da s p h a l tw i t hs b sm o d i f i e da s p h a l t ，t h i sp a p e r s t u d yt h ea p p l i c a b i l i t yo fc r u m br u b b e rm o d i f i e da s p h a l tb yu s i n gt h ep e n e t r a t i o n s y s t e ma n dp ga p p r a i s a ls y s t e m ，a n dt h e ne v a l u a t e d t h ep r i c eo fs t r e s sa b s o r b i n g l a y e ro fc r u m br u b b e rm o d i f i e da s p h a l tf i o mt h ee c o n o m i cb e n e f i t k e y w o r d s ：r e f l e c t i o nc r a c k s ；s t r e s sa b s o r b i n gl a y e r ；c r u m br u b b e rm o d i f i e d a s p h a l t ；t h ep e n e t r a t i o ns y s t e m ；p ga p p r a i s a ls y s t e m ；e c o n o m i c b e n e f i t s c l a s s n o ：u 4 16 2 】7 北京交通大学硕士学位论文 目录 目录 中文摘要i i i a b s t r a c t i v 目勇乏v 1 绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 课题确立2 1 3 国内外研究现状及发展3 1 3 1 沥青加铺层抗反射裂缝分析方法3 1 3 2 防治反射裂缝措施研究4 1 4 国内外胶粉改性沥青研究技术状况6 1 4 1 国外胶粉改性沥青研究概况6 1 4 2 国内胶粉改性沥青研究概况7 1 5 主要研究内容9 2 沥青路面反射裂缝分析1 0 2 1 反射裂缝的产生1 0 2 2 反射裂缝的扩展1 1 2 2 1 反射裂缝的纵向扩展1 1 2 2 2 反射裂缝的横向扩展1 2 2 3 反射裂缝的影响因素1 2 2 4 计算模型与方案1 4 2 4 1 路面典型结构及参数选取1 4 2 4 2 车辆荷载大小及布置1 4 2 5 沥青面层参数变化对应力影响15 2 5 1 面层厚度影响1 5 2 5 2 面层模量影响1 6 2 6 应力吸收层参数变化对应力影响1 7 2 6 1 应力吸收层模量影响17 2 6 2 应力吸收层厚度影响18 2 7 本章小结1 9 3 胶粉改性沥青应力吸收层材料研制2 0 3 1 试验材料2 0 3 1 1 基质沥青2 0 北京交通人学硕士学位论文 目录 3 1 2 胶粉2 1 3 2 胶粉改性沥青常规试验及结果分析2 1 3 2 1 针入度2 1 3 2 2 延度2 3 3 2 3 软化点2 5 3 2 4 布式粘度2 6 3 2 5 弹性恢复2 8 3 3 胶粉改性沥青加工工艺研究2 9 3 3 1 试验方案2 9 3 3 2 反应时间3 0 3 3 3 反应温度3 2 3 3 4 胶粉掺量3 4 3 3 5 加工方法3 6 3 4 本章小结3 7 4 胶粉改性沥青性能评价3 8 4 1 胶粉改性沥青针入度分级评价3 8 4 1 1 试验方案3 9 4 1 2 试验数据3 9 4 1 3 针入度4 0 4 1 4 软化点4 0 4 1 5 延度4 0 4 2 胶粉改性沥青p g 分级评价4 0 4 2 1 试验方案4 l 4 2 2 动态剪切流变仪( d s r ) 试验分析4 2 4 2 3 弯曲梁流变仪( b b r ) 试验分析4 5 4 3 本章小结4 9 5 胶粉改性沥青应力吸收层经济效益分析5 0 5 1 材料成本分析5 0 5 2 路面寿命周期费用分析5 l 5 3 本章小结5 3 6 结论与展望5 4 6 1 结论5 4 6 2 展望：5 4 参考文献5 6 北京交通人学硕士学位论文 目录 作者简历5 8 独创性声明5 9 学位论文数据集6 0 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 1 研究背景及意义 1 绪论 半刚性基层沥青路面自上世纪7 0 年代末8 0 年代初在我国应用以来，至今己 有3 0 多年的时间，据不完全统计，期间建成的高等级公路9 0 以上采用的是半 刚性基层。特别是随着当今重载交通的发展，由于半刚性基层具有较高的强度， 能够有效增加路面承载力，为面层提供稳定支承，并能充分发挥沥青面层行车舒 适的优点，因此被人量应用于高等级公路。然而，不能忽视的是，半刚性基层路 面在广泛应用的同时也存在着许多问题。“七五 期间，开展了国家重点科技( 攻 关) 项目7 5 2 4 0 1 o l “高等级公路半刚性基层路面设计和抗滑表面的研究 ，以及 “八五”交通部重点科研项目8 5 6 5 j “半刚性基层路面的研究”，在一定程度上 解决了半刚性基层沥青路面使用寿命短、开裂严重等难题，提出了半刚性基层沥 青路面的典型结构，对实际工程具有很好的指导意义。尽管如此，开裂仍然是目 前半刚性基层沥青路面主要缺陷之一【l j 。 造成半刚性基层沥青路面裂缝较严重的因素是复杂的，如沥青面层低温收缩 裂缝、行车荷载疲劳裂缝等。在诸多引发裂缝的原因中，半刚性基层的反射裂缝 占有很大比重，这主要是由半刚性基层自身的材料特点决定的。常用的半刚性基 层有水泥稳定粒料( 土) 类、石灰稳定粒料( 土) 类和石灰、粉煤灰稳定粒料( 土) 类等， 这些材料对温度和湿度变化比较敏感，在其强度形成过程中以及运营期间会产生 干缩裂缝和温缩裂缝，具有裂缝的基层在干缩、温缩应力以及车辆荷载迸一步作 用下，裂缝顶端对应的沥青面层产生较大集中应力首先开裂，进一步发展直至贯 通整个沥青面层，这样产生的裂缝称为反射裂缝( r e f l e c t i o nc r a c k ) 。现场钻芯取样 观察表明，裂缝中相当数量为半刚性基层先裂而导致沥青面层开裂的反射裂缝， 尤其是温、湿变化剧烈地区，这一比例常常超过5 0 【刁。在国外，对半刚性基层 沥青路面的裂缝，通常认为是有由半刚性基层开裂后引起的反射裂缝，早期的壳 牌沥青路面设计方法是这样概括的，1 9 8 7 年第十八届世界道路会议上半刚性路 面的综合汇报的中心思想也是如此【j j 。 大量反射裂缝的产生破坏了路面的整体性和连续性，影响了路面的使用品质 和路表的美观：更为严重的是，裂缝的存在为路表水提供了下渗通道，路表水通 过裂缝进入基层、路基，大大削弱了路基的强度和刚度，在大量行车荷载反复作 用下，产生冲刷和卿泥现象，使裂缝加宽，裂缝两侧的沥青面层碎裂，加速沥青 北京交通大学硕士学位论文 绪论 路面的破坏，严重影响沥青路面的使用性能。 另一方面，进入2 1 世纪以来，许多高等级公路进入维修和改造阶段，同时 伴随着社会经济的快速发展，对道路使用性能提出了更高要求，许多原来低等级 路面面临着升级为高等级路面的任务。无论是旧路维护还是低等级公路改造升 级，在原有路面上加铺新沥青面层是普遍采用的措施。如果不采取相应的防治措 施，原有旧路面的横向裂缝、纵向裂缝、龟裂、板角开裂以及结构缝等会很快的 反射到沥青加铺面层上来，形成反射裂缝，进而引发更严重的破坏。 由此可见，研究解决半刚性基层沥青路面及旧路面沥青加铺层的反射裂缝， 对于进一步完善半刚性基层沥青路面的使用功能、延长使用寿命，以及保证旧路 加铺沥青面层的使用效果，都具有重要的实用价值。 设计和使用具有抵抗反射裂缝能力的沥青混合料和具有特定防止反射裂缝 功能的应力吸收层材料，增加沥青加铺层的疲劳寿命，同时防止水的渗透，是解 决这一问题的有效方法和途径。反射裂缝产生发展于沥青加铺层内，沥青加铺层 材料的核心是沥青和沥青混合料，所以水泥混凝土路面沥青加铺层走沥青混合料 本身防裂的道路是解决反射裂缝问题的新思路。国内外近几年来已开始了这方面 的研究和应用，并已取得了实质性的成果。本文在前人研究的基础上，继续对反 射裂缝产生机理、应力吸收层防治反射裂缝以及应力吸收层材料等作进一步深入 研究。 1 2 课题确立 防治反射裂缝可以从三方面入手：第一，针对基层材料本身；第二，在半刚 性基层i h 路面和沥青面层沥青加铺层之间设置裂缝隔离中间层或应力吸收中间 层；第三，加强沥青面层。本论文从设置中间应力吸收层角度出发，以交通部科 技项目复合式路面应力吸收层研究为依托，通过a p b i 程序建模计算、室内 试验分析，开发胶粉改性沥青应力吸收层材料、性能评价体系及经济效益分析， 为实际应用提供有意义的参考。 2 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 3 国内外研究现状及发展 1 3 1 沥青加铺层抗反射裂缝分析方法 目前对沥青加铺层结构有许多力学分析方法，主要可分为四类：1 ) 静力学 分析法；2 ) 有限元分析法；3 ) 断裂力学法；4 ) 动力学分析方法。前三类分析 方法是静荷载作用的力学分析。 1 3 1 1 静力学分析法 这种方法的基础是基于弹性理论。其代表为a r e 法采用弹性理论分析反射 裂缝，考虑两种破坏形式张开型破坏模式和剪切型破坏模式。此外，刘悦、胡长 顺采用解析法分析了旧水泥混凝土路面接缝处沥青加铺层的温度应力及层间剪 应力。由于静力学分析方法采用了很多假设，许多实际的边界条件无法考虑，影 响了计算结果的精确性，但这种方法易于掌握，较容易形成设计方法。 1 3 1 2 有限元分析法 有限元法是一种实用有效的计算方法，目前在道路工程界得到了广泛的应 用。这种方法能考虑各种实际的边界条件和荷载情况，易求出各点的应力、应变 和位移。 1 3 1 3 断裂力学分析法 断裂力学是2 0 世纪5 0 年代固体力学和材料科学领域发展的重要成就。按照 断裂力学、疲劳断裂力学及损伤力学的观点，可认为沥青加铺层的破坏是由于旧 水泥混凝土路面裂缝或接缝这种原始缺陷的存在，在温度荷载和交通荷载的反复 疲劳作用下，导致沥青加铺层的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，就造成沥青加铺层的开裂和扩展，并导 致路面结构的最终破坏。国外一些学者，如k m a j i d a z a d e n 等提出了通过线弹性 断裂力学对沥青路面的疲劳损伤过程进行描述。国内张起森、郑健龙、周志刚等 人已把断裂力学应用于加铺层路面的分析与计算，并对沥青路面温度收缩开裂的 北京交通大学硕+ 学位论文 绪论 热粘弹特性进行了研究。周志刚、张起森应用疲劳损伤力学理论与方法对交通荷 载下沥青混合料的疲劳损伤特性、沥青类路面疲劳破坏以及旧水泥混凝土路面沥 青混凝土疲劳寿命预测进行了系统的研究。 1 3 1 4 动力学分析法 目前国内外对沥青加铺层路面结构的力学计算多以静止车辆荷载作用下的 路面结构为研究对象。然而，路面结构的动力学特性也远非静力学特征所能描述。 国内外已有一些学者对路面结构进行了动力学分析，如美国“战略公路研究计 划”、欧洲经济发展与合作组织( o e c d ) 就对路面动力学进行了研究。国外的 u d d i n w 等人采用三维有限元方法分析了动荷载作用下水泥混凝土路面结构的 动力响应问题。i u n g t 等采用数值分析方法对路面结构动态裂缝的产生和扩展规 律进行了研究。国内的侯芸等应用三维有限元动力学的基本方法，结合 n e w m a r k 积分方法逐步求解运动方程，对动载( f w d 荷载) 作用下多层弹性体 系的响应进行了分析。邓学钧等系统地阐述了解析法和有限元法在路面结构中的 应用，介绍了路面结构在车辆随机荷载作用下产生的随机动力响应和动力特性。 杨斌等人采用瞬态动力学理论( 时间历程分析) 的三维有限元方法对水泥混凝土 路面沥青加铺层结构在车辆荷载作用下的动态响应进行了研究，并与静载作用下 计算结果进行了对比分析。 1 3 2 防治反射裂缝措施研究 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。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、设置应力吸收层( s m i ) 、水泥混 凝土路面沥青加铺层等。 1 3 2 1 增加沥青加铺层厚度 这种方法在早期沥青加铺工程中应用较多。增加厚度可以明显增加路面整体 弯曲刚度，减少加铺层交通荷载和温度荷载在接裂缝处所产生应力。增加加铺层 厚度相对延长了反射裂缝的路径长度，从而延长了反射裂缝的反射时间，增加了 路面的疲劳寿命。但增加厚度到一定程度后所产生的效果不明显且不经济，所以 4 北京交通大学硕士学位论文 绪论 通常不采用这种直接加铺的方式进行沥青层加铺。 1 3 2 2 采用土工合成材料夹层 自从2 0 世纪7 0 年代初开始，土工布、玻纤格栅等土工合成材料就在国外道 路和机场的加铺改造工程中被用于防止反射裂缝。比如比利时在1 9 8 5 1 9 8 9 年期 间开始在e r q u e l i n e s 、t o u r p e s 和w e p i o n 等l3 个地区大面积应用土工布来防止加 铺层反射裂缝。8 0 9 0 年代，美国的德克萨斯州、宾夕法尼亚州和密西西比州也 分别铺筑了土工布和土工格栅的多条试验路，并对加铺层反射裂缝发展情况进行 了长期观测期。近1 0 多年来，在我国许多省市的公路与城市道路水泥混凝土路 面沥青加铺改造中也大面积使用了土工合成材料来防止加铺层的反射裂缝。由于 各地旧混凝土道路状况、交通组成及施工状况等条件的差异，土工合成材料在各 路段防止加铺层反射裂缝的效果也不尽相同。 1 3 2 3 设置应力吸收层( s a m i ) 常用的s a m i 夹层材料有橡胶沥青薄膜、道路专用烧毛土工布等。s a m i 应 具有如下性能：s a m i 设置在旧混凝土路面及沥青加铺层之间，一是采用的粘结 材料如橡胶沥青或改性沥青等粘层油的抗剪强度应满足层间抗剪性能要求，二是 需要有一个合适的劲度和韧度，来分散加铺层底部的应力应变及防止裂缝的扩 展。 1 3 2 4 水泥混凝土路面沥青加铺层 水泥混凝土路面沥青加铺层防止反射裂缝走沥青混合料本身防裂的道路是 解决反射裂缝问题的新思路。近几年来国内外也开始了这方面的研究和应用。 富沥青混合料f a c ( f u l la s p h a l tc o n t e n ta c ) 就是以抵抗反射裂缝的疲劳特 性为主而进行沥青混合料的组成设计。它利用c a v f 法设计，并提出冲击韧性这 一指标来评价混合料抵抗反射裂缝的能力。研究成果认为，混合料的组成结构类 型与沥青的品种是影响反射裂缝抵抗能力的最主要因素，其次是矿料中细集料的 比例、沥青用量、粉油比、纤维用量、空隙率等对疲劳性能的影响，其试验路也 获得了很好的效果。 s t r a t a 应力吸收层是美国k o c h 沥青材料公司研发的专门用于解决反射 5 北京交通大学硕士学位论文 绪论 裂缝问题的沥青混合料。它在美国研究、修筑试验路并跟踪观测积累设计、施工 经验后，已在美国新泽西、伊利诺斯、堪萨斯、德克萨斯、密苏里等州的多个项 目中使用，均获得了成功。国内湖北武黄高速公路旧混凝土路面沥青加铺工程在 2 0 0 1 年首次应用该技术铺筑了试验路，2 0 0 2 年后北京二环路、广州顺德新基路、 广西桂柳高速公路等几条城市道路和高速公路的沥青加铺工程开始应用。 1 4 国内外胶粉改性沥青研究技术状况 1 4 1 国外胶粉改性沥青研究概况 国际上最早的橡胶改性沥青的文献见于1 8 4 3 年的英国专利。现代意义上的橡 胶沥青混合料首先出现在2 0 世纪4 0 年代的美国。从2 0 世纪6 0 、7 0 年代以来，美国、 瑞典、英国、法国、比利时、澳大利亚、目本、南非、印度等国家先后开展了橡 胶沥青和橡胶粉沥青混凝土的应用研究，并通过立法和技术推广，极大地促进了 废旧轮胎在道路工程中的利用。2 0 世纪6 0 年代，美国开始用橡胶粉改性沥青进行 铺路试验。2 0 世纪8 0 年代初，国外研究沥青改性有关方面的机构和学者发现，用 7 的胶粉改性沥青，会得到更高的负荷强度，且每增d i l l 份胶粉，可使改性体系 的脆点下降1 。同时还发现，由于硫化胶粉已掺有各种稳定剂( 包括抗氧剂、硫 化剂、炭黑和氧化锌等) ，这有利于提高沥青的吸附性和耐候性。发达国家的政 府都大力扶持废橡胶回收利用企业。1 9 9 1 年，美国国会通过了陆上综合运输经济 法案( i s t e a ，又称冰茶法) ，其中一条要求从1 9 9 4 年起凡使用联邦经费的热拌沥 青混合料都必须将5 的经费用于废橡胶沥青混合料，以后每年再增加5 ，直至 1 9 9 7 年达2 0 。 美国现有1 0 0 多家收集并利用废橡胶的加工厂，其废轮胎的利用率达8 0 以 上。近几年来，其胶粉的增长率高达6 4 ，需求量约3 2 0 0 k t ，其中5 2 的胶粉来 自废轮胎。美国6 家胶粉改性沥青公司就消耗胶粉总量的2 5 以上。现有3 个州的 胶粉改性沥青中的胶粉比例由1 9 9 6 年的1 5 提高到现在的2 0 。其他工业发达国 家也有许多类似法律，这使橡胶粉用于改性沥青得到稳定的发展。目本、俄罗斯、 加拿大、法国、南非、瑞典、韩国、芬兰、澳大利亚等已成功地使用废橡胶改性 沥青，且用于修筑高速或高等级公路。 6 北京交通大学硕士学位论文绪论 表1 1 废胶粉改性沥青在美国的应用情况表 t a b l el la p p l i c a t i o no fc r u m br o b b e rm o d i f i e da s p h a l tt a b l ei nu s a 改性沥青类型使用场合 改性方法性能设备要求 将橡胶胶粉加入沥增加柔性和粘结增加特殊搅拌器 青性 橡胶颗粒取代部分提高抗滑、抗疲无 矿料劳特性 a 沥青混凝土 在拌和过程中将胶a 增加柔性 无 废轮胎胶粉b 应力吸收层 粉颗粒加入混合料b 空隙率很小情 薄膜 况下也能保持混 合料稳定性 c 延缓反射裂缝 出现 1 4 2 国内胶粉改性沥青研究概况 与国外相比，我国对废橡胶胶粉改性沥青用于公路的研究起步稍晚，始于 2 0 世纪8 0 年代。8 0 年代初，由于国产多蜡沥青的性能不良，沥青改性剂匮乏， 同济大学率先与几个省市合作开展了废橡胶粉改性沥青的研究。对湿法橡胶沥青 的生产工艺、橡胶粉与沥青共熔反应的粘度变化规律、橡胶沥青的路用性能及其 在热拌沥青混合料中的应用进行了系统的试验研究，分析验证了磨细橡胶粉改性 沥青的主要特性和路用性能，并通过生产工艺的改善，促进了这种改性沥青混凝 土在路面工程中的应用。目前，同济大学仍在致力于橡胶沥青及其沥青混合料的 研究，重点是干法工艺。对密实型橡胶沥青路面的减振降噪性能和路用性能进行 了系统的研究，并首次提出了混合法工艺。 2 0 0 1 年，交通部公路科学研究所首次在钢桥桥面铺装中采用干法工艺加入了 3 0 的橡胶粉( 相对于沥青用量) 。2 0 0 1 - - 2 0 0 3 年，由交通部设立，交通部公路科 学研究所与同济大学、山东省交通科学研究所等单位合作承担了交通部西部交通 建设科研项目“废旧橡胶粉用于筑路的技术研究”，该项目对橡胶粉在沥青混合料 中的作用机理以及橡胶沥青、橡胶沥青混合料的力学特性和路用性能进行了试验 研究，结合我国实际，初步提出了路用橡胶粉及橡胶粉改性沥青的技术标准、橡 胶粉沥青混合料设计方法及技术标准建议稿。结合室内试验研究结果，在华南地 区、西南地区、轻冰冻地区等三个气候片区修筑总长近3 0 公里的试验路和实体工 程。试验路施工有干法和湿法两种工艺，到目前为止应用效果良好。天津市于2 0 0 3 7 北京交通大学硕士学位论文 绪论 年至2 0 0 6 年已铺设8 5 公里胶粉改性沥青试验路段，应用在高速公路、快速路和城 市主干道等。鉴于对用废轮胎胶粉改性沥青修筑的公路试验路段检测，认为其对 于减少光线的反射和路面裂缝及提高路面的热稳定性能等均有良好的效果。橡胶 粉改性沥青在公路上的主要用途，一是用来拌制沥青混合料，铺筑沥青路面的上 面层，以全面提高路面的使用性能，二是用作封层，即应力吸收层，以抑制路面 基层裂缝的反射。 目前北京、天津于2 0 0 6 年颁布执行了胶粉改性沥青的地方性技术标准【4 弓】， 具体见表1 2 。 表l - 2 北京、天津市胶粉改性沥青技术标准汇总 试验项目天津市胶粉改性沥青标准北京市胶粉改性沥青标准 1 8 0 布式粘度 1 0 4 0 ( 1 7 5 )1 o _ 4 o 针入度( 2 5 ，1 0 0 9 ，5 s ，0 1 m m ) 4 0 6 04 0 6 0 针入度指数2 0 6| 延度( 5 e r a r a m 5 )2 1 0 1 0 软化点( 环球法5 ) 2 5 5 5 6 闪点( )三2 3 0 | 质肇损失( ) 茎l 8 0 延度( 5 )2 5 4 0 ( 延度比) 离析，软化点差( ) 5 2 5 | 2 5 弹性恢复( )2 7 0 5 5 目前国内外对胶粉改性沥青研究与应用关注的问题有以下几个方面： 1 ) 以前研究、应用胶粉改性沥青，主要以处理废旧轮胎为主，以改善沥青 性能为辅。而近年来业主对路面各种路用性能和耐久性要求越来越高，路面也要 适用于各种不利的交通荷载和气候条件，因此必须进一步增强胶粉改性沥青的性 能，使其适应性更广泛。 2 ) 长期以来，评价胶粉改性沥青的方法主要是以针入度分级为主的，如美 国f h w a 对热区( a r b 1 ) 应用胶粉改性沥青的要求是，针入度为2 5 7 5 ( 0 1 m m ) ， 软化点大于5 4 ，但这些评价方法和标准存在一定问题。随着胶粉改性沥青应用 的增多，其性能评价方法需要进一步研究，从而更加科学地区分和评价胶粉改性 沥青性能的优劣。 3 ) 在胶粉改性沥青存储稳定性方面，目前国内外多数是基于“现加工现使用” 8 北京交通大学硕士学位论文 绪论 的方法，不能做到较长时间的稳定存储， 4 ) 不同胶粉改性沥青的性能比较， 择胶粉改性沥青时疑虑重重。 从而增加了施工的难度。 目前缺少量化研究，使得设计人员在选 5 ) 需要进一步研究改善胶粉改性沥青的施工特性，降低对施工工艺的敏感 性，适应我国目前施工队伍的技术状况。 1 5 主要研究内容 在防治反射裂缝方面，设置应力应变中间吸收层是比较有效的措施。 然而，以往防反措施存在着效果不明显、适用范围窄、施工难度大、经济效益差 等不足。本文基于反射裂缝产生的疲劳破坏原理，采用优质沥青作为结合料，研 究开发胶粉改性沥青应力吸收层，应用到开裂结构层与沥青面层沥青加铺层之 间作为过渡层，达到分散、吸收裂缝尖端的集中应力的目的，从而解决反射裂缝 病害难题。本论文研究的内容主要包括以下几个方面： 1 ) 沥青路面反射裂缝分析； 2 ) 胶粉改性沥青材料对应力吸收层研制； 3 ) 胶粉改性沥青的性能评价； 4 ) 胶粉改性沥青应力吸收层经济效益分析。 9 北京交通大学硕+ 学位论文 沥青路面反射裂缝分析 2 沥青路面反射裂缝分析 建立路基路面结构模型，进行力学计算分析，为工程实际及试验研究提供参 考，是运用科学原理解决实际工程问题的一种有效方法。现行的路面计算方法有 两种：以层状弹性体系理论为基础的设计方法( 包括系数递推法、递推回代法、 反力递推法、矩阵代数法等) ；以有限元法为基础的计算方法( 包括有限元半分析 法、有限条法、有限棱法等) 。前者以发展比较完善的层状弹性体系理论为基础， 是包括我国在内的世界多数国家地区道路研究领域长期以来一直广泛使用的力 学分析方法；后者则伴随着计算机技术的进步，近些年取得了突飞猛进的发展。 本文在分析沥青路面反射裂缝的产生和扩展的基础上，应用a p b i 程序，采 用层状弹性体系理论，分析路面结构在车辆荷载作用下，开裂基层上沥青面层和 应力吸收层的受力状况，揭示应力吸收层防治反射裂缝的原理。 2 1 反射裂缝的产生 由于半刚性基层板接、裂缝处不能承受拉应力和剪应力，所以裂缝和接缝顶 面的沥青面层最容易受到损伤，一般情况下反射裂缝与半刚性基层的裂缝与接缝 相对应。如果沥青面层与半刚性基层之间有较好的粘结性能，那么造成反射裂缝 可能有如下两种情况： ( 1 ) 反射裂缝是半刚性基层上裂缝处应力集中作用的直接结果，集中的应力 使得裂缝直接扩展进入面层。 一般认为，反射裂缝的产生和发展是由于半刚性基层面板的移动所造成的， 而这些移动又主要来源于温度变化、行驶车辆及两者的综合作用。由温度变化引 起的反射裂缝称之为温度型反射裂缝，由行车荷载引起的反射裂缝称之为荷载型 反射裂缝【3 j 。 温度型反射裂缝：外部环境对路面温度的影响可以按目变化温度和年变化温 度来考虑。在年变化温度作用下，由于作用周期长，沥青面层的顶面与底面温度 较接近。在寒冷的季节，半刚性基层产生收缩变形，在沥青面层内产生拉应力： 在炎热的夏季，旧混凝土板膨胀，在沥青面层中产生压应力，由此产生了反射裂 缝。在目变化温度作用下，沥青面层顶面温度变化较大，底面温度变化较小，使 沥青面层出现翘曲变形。随着温度的下降，在面层顶面产生拉应力，底面层产生 压应力。温度变化越大、越快，产生的应力越大，面层越容易开裂。 l o 北京交通大学硕十学位论文 沥青路面反射裂缝分析 荷载型反射裂缝：当汽车荷载驶经接缝时，在沥青面层中产生的应力影响线 可分为3 个过程：轴载位于接缝一侧时，接缝两侧产生较大的相对位移，在面 层中造成较大的剪切应力；轴载位于接缝顶面时，两板无相对位移或相对位移 较小，面层主要承受弯拉应力作用；轴载驶离接缝时，在面层内产生与第一次 方向相反的剪切应力，在整个过程中面层受到两次剪切一次弯曲，而且是连续的 【4 1 。如果接缝处设有传力杆，基层刚度大且无脱空，那么上述3 个过程的区分不 明显。 可以看出，行车荷载作用下的最不利位置有两种，一种是荷载作用于半刚性 基层接裂缝的一侧，在这种荷载作用下，缝两侧的板产生相对的竖向位移差，沥 青面层中剪应力增大，造成剪切型反射裂缝；另一种最不利情况是荷载作用在半 刚性基层板接缝的顶面，由于在接缝处的面板不能承受拉应力，所以接裂缝处顶 面沥青面层中弯拉应力最大，容易引起弯拉型反射裂缝。根据弹性地基梁理论和 断裂力学的分析结果，当裂缝扩展长度超过了罩面层的一半厚度时，弯曲对反射 裂缝扩展的影响可以忽略不计1 5 j 。 ( 2 ) 当通过某种方式消除了路面板上接裂缝应力集中的影响，接裂缝的第二 个“作用”就是在车辆荷载的作用下使面层结构在裂缝处产生最大的弯沉，相应地 罩面层中产生最大的应力，从而使裂缝顶部的沥青罩面层成为反射裂缝产生的最 可能部位。 2 2 反射裂缝的扩展 传统强度理论认为，当沥青面层中某点的临界应力超过沥青混凝土本身的极 限强度时，沥青面层即达到破坏状态。实际上并非如此，沥青面层中的反射裂缝 从其产生到整个路面破坏，中间要经历一个裂缝扩展阶段，即反射裂缝在面层厚 度方向上的纵向扩展和其表面的横向扩展。 2 2 1 反射裂缝的纵向扩展 断裂力学认为，裂缝的扩展有三种位移模式：张开模式、剪切模式和撕开模 式，见图2 1( i 型为张开模式，型为剪切模式，n l 型为撕开模式) 。其中温 度应力对反射裂缝影响的模式为张开模式，行车荷载对反射裂缝影响的主要模式 是张开模式和剪切模式。当车轮驶经裂缝的正上方时，以张开模型来引起反射裂 缝，当车轮在裂缝之前和之后的位置时，以剪切模式影响反射裂缝。撕开模式在 北京交通人学硕+ 学位论文 沥青路面反射裂缝分析 夹铺层中不常出现。 a ) i 型 b ) i i 型c ) i i i 型 图2 - 1 反射裂缝的开裂模式 f i g u r e 2 1t h r e ep a t t e r n so f r e f l e c t i o nc r a c k s 当车轮荷载( 偏荷载) 和温度应力共同作用于复合面结构时，m g o 等人的 分析结果显示，裂缝的扩展介于偏荷载和温度应力单独作用时裂缝扩展路径之 间，比偏荷载作用时的裂缝扩展途径更垂直一些。 2 2 2 反射裂缝的横向扩展 反射裂缝在瞬间是不可能贯穿整个路面宽度的，除非在应力作用时，裂缝的 长度已经等于或大于相对于整个路面宽度的临界长度( 这里的临界长度是指当裂 缝的长度接近或大于该长度时，裂缝的扩展非常快而且是不稳定的) 。较为合理 的发展过程是裂缝首先在路表面某些位置产生，然后再向两侧扩展。一般情况下， 反射裂缝多出现在轮迹处，因为温度对反射裂缝的影响在整个路面宽度内都是相 同的，而行车荷载则是以一定的频率分布在车道上的，尤其在渠化交通的道路上。 与面层开裂有关的问题是环境因素的负效应，反射裂缝一经出现，水分的浸入、 沥青的氧化以及行车荷载的反复作用，常常加速反射裂缝向四周扩展。因此，如 何延缓反射裂缝的产生和扩展时间，必须从混合料本身着手进行深入研究。 2 3 反射裂缝的影响因素 除了温度、行车荷载等外界因素外，路面结构本身特性对反射裂缝的产生也 有一定的影响，尤其半刚性基层与面层之间的层间粘结性能【6 1 对反射裂缝的影响 也很大。 对于弯拉型反射裂缝，在汽车荷载作用下，对面层中的应力分析结果表明： 1 2 北京交通人学硕士学位论文 沥青路面反射裂缝分析 汽车荷载应力随层间界面粘结能力的减小而增大，随面层厚度的增加而减小。各 种因素对反射裂缝的产生可能性的影响分析见表2 1 。 表2 1 反射裂缝影响因素分析表 t a b l e2 - 1a n a l y s i so f r e f l e c t i o nc r a c k s i n f l u e n c i n gf a c t o r s 影响冈素影响冈素变化趋势温度型反射裂缝荷载型反射裂缝 层间界面剪切模量增大 增加减小 沥青混凝十劲度模量 增大增加增加 面层厚度增大减小减小 接裂缝宽度 增大减小减小 基层( 地基)