（道路与铁道工程专业论文）连续配筋混凝土路面面层与基层间沥青混合料功能层研究.pdf

r e s e a r c ho na s p h a l t - - m i xf u n c t i o n a ll a y e rb e t w e e n s u r f a c ea n db a s el a y e r so fc o n t i n u o u s l yr e i n f o r c e d c o n c r e t ep a v e m e n t ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：j i aj i a n f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f x uj i n l i a n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 本人 研究工作 研究做出 文中不包 田 木。 本声 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：艘绵劫。年r 月苫f 日 导师签名： 知如年，月pe 1 摘要 连续配筋混凝土路面( c r c p ) 是高等级路面的重要结构型式，具有使用寿命长、 养护工作量小、能源消耗少、施工简便以及对交通等级和环境适应性强等优点。为了延 长c r c p 面层使用寿命，通常在c r c p 面层与基层间设沥青混合料功能层，本文对其厚 度、材料要求、组成、设计方法进行研究，该研究对减少c r c p 面层的早期破坏，改善 c r c p 使用性能，建设节约型社会具有重要理论意义。 本文基于c r c p 层间作用机理和过渡层理论，分析了c r c p 常见破坏形式，指出 c r c p 面层下设置沥青混合料功能层的必要性，功能层的作用主要是提高基层的抗冲刷 能力并减少面层中的反射裂缝。通过试验研究了抗冲刷和抗反射裂缝所需的沥青混合料 最小油石比，又通过a b a q u s 有限元软件研究了功能层模量和厚度与板顶临界应力的 关系，得出沥青混合料最佳厚度和最小油石比，然后根据马歇尔法制作了a c 一1 6 和 a c 1 3 两种沥青混合料，对其进行水稳定性和弯曲破坏试验，最后综合确定了沥青混 合料功能层的最佳厚度和能满足抗反射裂缝和抗冲刷性能的最小油石比，并分析了沥青 混合料作为功能层时的材料要求，根据试验结果得出功能层的油石比比马歇尔确定的最 佳油石比小o 3 ，不会影响其抗反射裂缝的能力。 关键词：c r c p ，冲刷，反射裂缝，功能层，沥青混合料配合比设计 a b a s t r a c t c r c pi sa l li m p o r t a n tt y p eo fs t r u c t u r ef o rh i g h g r a d ep a v e m e n t ，w h i c hh a v el o n g s e r v i c el i f e ，n e e dl e s sm a i n t e n a n c ea n dl e s se n e r g yc o n s u m p t i o n ，s i m p l i f yt h ec o n s t r u c t i o n ， a n dh a v eg r e a ta d a p t a b i l i t yt ot r a f f i cg r a d ea n de n v i r o n l n e n t i no r d e rt oe x t e n dc o n c r e t e p a v e m e n ts e r v i c el i f e ，a na s p h a l tm i x t u r ef u n c t i o n a ll a y e ri sa l w a y sp u tb e t w e e ns u r f a c ea n d b a s el a y e r s ，t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e so nt h et h i c k n e s s ，m a t e r i a lr e q u i r e m e n t sa n dc o m p o n e n t d e s i g nm e t h o d t h es t u d yh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c eo nr e d u c i n ge a r l yd a m a g e ， i m p r o v i n gc o n c r e t ep a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n db u i l d i n gc o n s e r v a t i o n - m i n d e ds o c i e t y t h ed i s s e r t a t i o n a n a l y z e sc o m m o nd a m a g et y p e so fc r c po nt h e b a s i so fc r c p i n t e r l a y e ra c t i o nm e c h a n i s ma n dt r a n s i t i o nl a y e rt h e o r y , i l l u s t r a t e st h en e c e s s i t yo fs e t t i n g f u n c t i o n a ll a y e rb e t w e e nb a s ea n ds u r f a c ec o u r s eo fc r c et h em a i nf u n c t i o n so ft h e f u n c t i o n a ll a y e ra r ee n h a n c i n gt h ea n t i - e r o s i o na b i l i t ya n dr e d u c i n gr e f l e c t i v ec r a c k si n s u r f a c el a y e r t h ed i s s e r t a t i o np o i n t so u tt h a tt h ef u n c t i o nl a y e ri sm a i n l yw r e c k e db ye r o s i o n a n dr e f l e c t i o n , a n a l y s et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em o d u l u sa n dt h i c k n e s so ff u n c t i o n a ll a y e r a n db o a r dt o pc r i t i c a ls t r e s s ，a n dt h e nd e c i d e st h eo p t i m a lt h i c k n e s sa n dl e a s tb i t u m e nr a t i o f o ra s p h a l tm i x b ym a k i n gt h ea c16a n da c 13m i x t u r e sb ym a s h a l lm e t h o da n dc a r r i n go u t w a t e rs t a b i l i t yt e s ta n db e n d i n gt e s to nt h e m ，t h ed i s s e r t a t i o nd e c i d e st h eo p t i m a lt h i c k n e s so f a s p h a l tm i x t u r ef u n c t i o n a ll a y e ra n dt h el e a s tb i t u m e nr a t i of o rr e s i s t i n ge r o s i n ga n dr e f l e c t i o n c r a c k i n g a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s ，t h eb i t u m e nr a t i of o rf u n c t i o n a ll a y e ra r e0 3 l e s s t h a nt h eo p t i m a lb i t u m e nr a t i od e t e r m i n e db ym a r s h e l lm e t h o d ，a n dt h i sw o u l dn o ta f f a c ti t s a b i l i t yo fr e s i s t i n gr e f l e c t i o nc r c k i n g k e y w o r d s ：c r c p ，e r o s i o n ，r e f l e c t i v ec r a c k i n g ，f u n c t i o nl a y e r ，a s p h a l tm i x t u r e c o m p o n e n td e s i g n i i 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1j p c p 面层与基层层 1 2 2j p c p 中功能层的研 1 2 3c r c p 与j p c p 的异同6 1 2 4 国内外对c r c p 下功能层的研究6 1 3 目前存在问题6 1 4 本文主要研究内容7 1 5 技术路线8 第二章c r c p 面层与基层层间破坏机理和功能层分析1 0 2 1c r c p 层问作用机理1 0 2 1 1c r c p 面层与基层层间界面特性分析1 0 2 1 2c r c p 面层与基层层间相互作用分析l o 2 1 。3c r c p 面层与基层层间界面开裂分析l l 2 2c r c p 路面结构主要破坏分析1 2 2 2 1 层间过渡层破坏分析1 2 2 2 2 基层主要破坏形式1 2 2 2 3 面层主要破坏形式1 3 2 2 4c r c p 面层与半刚性基层刚度协调问题1 3 2 3 功能层的作用分析1 4 2 4 基层冲刷研究l5 2 4 1c r c p 半刚性基层基层冲刷问题1 5 2 4 2c r c p 下沥青混合料功能层的抗冲刷要求1 7 2 5 功能层反射裂缝研究1 7 2 5 1 功能层反射裂缝形成机理1 7 2 5 2 反射裂缝扩展分析19 i i i 2 5 3 沥青混合料反射裂缝扩展规律2 l 2 5 4 沥青混合料反射裂缝的影响因素2 1 2 6 本章小结。2 2 第三章功能层模量和厚度对c r c p 板顶临界应力的影响2 4 3 1a b a q u s 有限元模型的建立2 4 3 2 功能层厚度和模量对c r c p 板顶临界应力的影响2 5 3 2 1 功能层厚度对c r c p 板顶临界应力的影响2 5 3 2 2 功能层模量对c r c p 板顶临界应力的影响2 7 3 3 本章小结2 8 第四章功能层性能试验研究2 9 4 1 功能层原材料试验与试验方法2 9 4 1 1 原材料2 9 4 1 2 功能层混合料级配选择3 0 4 1 3 沥青混合料配合比设计。31 4 1 4 功能层沥青混合料马歇尔法最佳油量确定3 1 4 2 沥青混合料抗冲刷性能研究3 2 4 2 1 试验方法。3 3 4 2 2 试验过程及试验结果3 3 4 3 沥青混合料低温性能j 一积分试验结果及分析3 5 4 3 1j 一积分试验原理3 5 4 3 2 卜一积分试验3 5 4 4 水稳性能试验3 6 4 4 1 浸水马歇尔试验3 6 4 4 2 冻融劈裂试验3 7 4 4 3 浸水飞散试验。3 7 4 4 4 水稳性试验结果及分析3 8 4 5 弯曲破坏试验4 3 4 5 1 沥青混合料低温抗裂机理4 3 i v 5 1 普通面层沥青混合料设计方法5 2 5 2c r c p 中功能层沥青混合料设计要求一5 2 5 3 基于功能层特点的沥青混合料设计流程5 3 5 4 本章小结5 4 第六章试验路5 6 6 1 试验路概况5 6 6 2 试验路数据调查及分析5 7 6 3 本章小结6 1 第七章结论与展望6 2 7 1 结j 论6 2 7 2 进一步研究设想6 3 主要参考文献6 4 致谢6 6 v 1 1 研究背景和意义 水泥混凝土路面使用寿 水泥产量丰富而优质沥青不 近些年水泥混凝土路面的研究取得了一定进展。在设计理论和方法、施工技术与质 量控制等方面取得了一批实用的研究成果。水泥混凝土路面建设与养护水平不断提高， 为发展水泥混凝土路面奠定了基础。但是，由于重载车辆、路面结构排水不畅、路面结 构组合仍待优化等各种原因，我国水泥混凝土路面早期断裂和错台破坏仍很普遍。 高速公路水泥混凝土路面的设计年限一般为3 0 年，但是实际使用寿命却远远低于 设计年限，而且水泥混凝土路面断板现象十分普遍，许多地区的水泥混凝土路面，在开 放交通的3 5 年后，断板率就高达2 0 以上。水泥混凝土路面的使用寿命还远没有达 到设计使用寿命要求。 大量的研究结果表明，造成普通水泥混凝土路面破坏的主要原因是温度和水的变 化。首先，温度的变化引起面板的胀缩变形，温度升高时面板膨胀，缩缝和胀缝的填缝 料被车辆轮胎粘结带走，造成接缝填缝料缺损；温度降低时，缩缝和胀缝随之变宽，填 缝料变脆，可能引起填缝料断裂或与缝壁脱离，从而为地表降水进入基层与面层之间通 道。其次，温度的变化引起面层板的翘曲变形，并在基层与面层之间形成微细空隙，该 微细裂缝也为地表水基层与面层之间提供通道。第三，层间过渡层断裂破坏后，面板受 基层的约束大大温度梯度作用下面板容易产生翘曲，由于基层刚度较大，翘曲时面板的 四个角顶难以产生沉降，造成面板与基层的部分脱空，导致面板局部位置底部的拉应力 变大等。 连续配筋混凝土路面( 简称c r c p ) 在面层纵向连续配有一定数量的钢筋，用以控 制路面板纵向收缩产生的裂缝宽度和数量，横向钢筋仅起到构造钢筋的作用。在施工时 不设胀、缩缝( 施工缝及构造所需的胀缝除外) ，行车舒适，养护费用少，使用寿命长， 该结构在高速公路如得到应用，可极大地降低公路的修筑成本和养护成本。 由于水体的无孔不入，当连续配筋水泥混凝土路面产生早期裂缝后，水体顺着裂缝 进入基层与面层之间，在车辆荷载作用下形成动力水，基层受冲刷后引起板底脱空，接 着面板形成“跷跷板 后可能造成板间错台、面板扩大开裂等破坏，翘曲面板在车辆荷 第一章绪论 载作用下造成面板底部拉应力变大，从而使连续配筋水泥混凝土面板的使用缩短。 因此，改善半刚性基层与连续配筋水泥混凝土面层之间的层问性能，防止地表水进 入面层和基层中间，提高基层的抗冲刷性能并及时排除层间结构水，减少层间过渡层断 裂破坏和半刚性基层表面脱空，可以延长c r c p 的寿命。 基于上述原因，本论文在c r c p 面层下加铺沥青混合料功能层，之间设置功能层的 相关问题，从路用性能的角度出发设计层间功能层，旨在改善连续配筋水泥混凝土面板 的早期损伤，减轻层间“刚+ “刚”接触形式带来的弊端，减少面层板脱空情况的发 生，以指导连续配筋水泥混凝土路面和基层间的层间处理，并为其他类似工程设计与施 工提供参考。 研究成果对于改善连续配筋水泥混凝土路面的使用性能、延长其使用寿命、推广水 泥混凝土路面在我国的应用、充分利用我国的自有资源、落实公路建设的科学发展观具 有重要的理论意义和重大的实用价值。 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1j p c p 面层与基层层间相互作用研究现状分析 水泥混凝土路面面层与基层的接触条件对路面结构的影响在国内外尚无定论，层间 相互作用的研究目前主要集中在理论分析、试验研究以及实践应用三个方面。 1 国内研究现状 ( 1 ) 认为基层与面层之间存在薄弱过渡层，过渡层破坏导致面板和基层破坏。 以吴国雄【2 矗3 l 】为代表的一批学者认为在半刚性基层与混凝土面层之间存在薄弱过 渡层，薄弱过渡层是在面层混凝土浇注时面层混凝土中的水泥砂浆填充了半刚性基层表 面的空隙。在路面混凝土凝固初期，界面过渡层将基层与面层结合为一体。因为基层与 面层为不同的材料，随着时间的推移，基层与面层各自的弹性模量、泊松比和强度以不 同的速度增长，同时由于面层水泥混凝土一直暴露在大气之中，产生收缩变形和周期性 的温度变形，在面层与基层之间存在不等量变形，导致本来融为一体的基层、过渡层和 面层沿过渡层开裂和破坏，造成面层与基层分离，且分离界面处于一种非光滑的凹凸不 平状态。 ( 2 ) 从层间接触情况来看，一部分学者认为水泥混凝土路面的层间接触形式并非 像规范中所假定的光滑接触模型，而是在层间存在巨大的剪应力，该剪应力极大地阻止 2 长安大学硕士学位论文 了混凝土面板的自由收缩和温度变形，使面板发生破坏。 从断裂力学角度来分析，混凝土面板板底与基层的不规则咬合会使未完全硬化的混 凝土受到损伤而出现微小裂纹，从而影响混凝土的疲劳寿命。混凝土面板板底过大的水 平摩阻力是造成路面板早期断裂的一个原因。 ( 3 ) 敖星、周志刚【3 l 】等人认为面层与基层之间的层间接触应尽可能光滑。通过测 定水泥混凝土路面板与不同基层之间的受力、变形，研究了水泥混凝土板与贫水泥混凝 土透水基层的界面特性，得出结论：必须对面层与基层的接触面进行专门设计，尽可能 使面层与基层的接触界面光滑，使基层与面层的接触界面符合理论模型。 国内的研究在半刚性基层或刚性基层与水泥混凝土面层间存在过渡层的意见是一 致的，然而过渡层的强度是否低于面层和基层，仅是理论判断；在过渡层如处层间结合 程度如何变化以及过渡层断裂破坏后，层间接触形式又是如何，目前还处于探索阶段。 2 国外研究现状 国外的水泥混凝土路面虽然经过近百年的发展，但针对水泥混凝土路面的层间作用 机理研究较少，主要通过工程实践来验证，主要有以下三种层间接触形式。 ( 1 ) 面层与基层连接为一体。以德国为代表，德国的水泥混凝土路面，基层严格 按照混凝土面层的横向和纵向缩缝锯切对应的缩缝，然后对贫混凝土基层表面进行拉 毛，随后铺筑水泥混凝土面层，使加铺后的水泥混凝土面层与贫混凝土基层完全连接成 为一个整体，采用该层间处理形式和路面结构的柏林至慕尼黑高速公路，通车运营了 5 0 余年后路况仍比较好【引。 ( 2 ) 基层与面层分离状态。以美国为代表，美国部分州采用基层与面层分离的界 面形式，在贫混凝土基层强度达到设计要求后，若基层表面粗糙，采用磨光机磨光基层 表面，随后喷洒憎水性薄层乳化蜡，使基层与面层完全分离，路面使用寿命也较长。 ( 3 ) 半分离半结合状态。以比利时为代表，在贫混凝土基层上直接加铺水泥混凝 土面板，观测结果表明，面板开裂和基层冲刷较严重，而在贫混凝土基层与水泥混凝土 面层之间增设6 c m 沥青混凝土层后，面板开裂明显减少，路面使用性能明显改善【9 】。 国外的研究现状表明，贫混凝土基层水泥混凝土路面采用层间加固( 如德国) 或层 间分离( 如美国) 的形式，水泥混凝土路面的使用寿命均较长，而介于层间加固与层间 分离的路面结构( 如比利时) ，路面破损严重，使用寿命较短，但在贫混凝土基层与水 泥混凝土面板之间增设沥青混凝土柔性隔离层后，路面使用寿命较长。 第一章绪论 i p c p ( 接缝式水泥混凝土路面) 中功能层的研究现状 1 功能层作用概述 国内外为了防止水泥混凝土路面过早发生破坏，在其下边使用了很多种类的功能 类似联结层、隔离层、夹层、应力吸收层、沥青滑动封层，透层等，这些功能层都 了很好的效果。 归纳起来，这些功能层的作用主要是应力扩散，弹性缓冲，防水防冲刷，保护基层， 混凝土板同基层的粘结，预防混凝土面层产生较大的温度翘曲变形和应力，减轻板 出现的同基层顶面的脱空现象等。在基层项面设置功能层，还可以减小层间的摩阻 避免硬化后的水泥混凝土板应力集中而产生断板，达到延长其疲劳寿命的目的。 2 功能层常用材料及研究现状 目前水泥混凝土路面层间功能层的材料应用不一。常用的功能层材料主要有沥青混 、沥青砂、蜡质养护剂、稀浆封层、土工材料等。归纳起来，主要有以下几类。 ( 1 ) 砂垫层 为了减小水泥混凝土路面板底自由活动的水平摩阻力，在水泥混凝土面层与基层之 置一层砂砾垫层，但由于砂砾垫层是松散结构，在路面使用期内易出现板底脱空、 错台等损坏，且加上水泥混凝土路面浇注时水泥浆的下渗，路面板的自由伸缩仍然不能 保证，所以逐渐被淘汰。 ( 2 ) 沥青混凝土、沥青碎石、沥青混合料等 比利时在水泥混凝土路面设计规范中明确规定必须采用沥青混凝土中间层。奥地利 等国在面板与基层之间设置厚度为4 , - , 6 c m 的沥青混凝土中间层，可有效减少基层的侵 蚀，对于确保水泥混凝土路面的长期使用性能非常有效。在日本，水泥混凝土路面的标 准结构采用在面层与基层之间设置沥青混凝土联结层。 近些年在我国也有应用沥青混凝土作为层间功能层的实例。为了适应和协调路基不 均匀沉降变形，广东省深汕高速公路段水泥混凝土路面混凝土板下采用4 , - - 6 c m 的沥青 混合料隔离层以改善路面的支撑状况，同时对防治基层冲刷也很有效。 ( 3 ) 透水滤浆土工布、塑料膜等 同济大学、中交公路规划设计院等提出在半刚性基层或刚性基层与水泥混凝土面层 之间设置透水滤浆隔离层。主要材料为透水滤浆土工布、塑料膜、沥青封油层等，这种 方法的原理就是通过设置透水滤浆土工布、塑料膜等阻碍过渡层的形成，从而避免和减 4 长安大学硕士学位论文 少由过渡层引起的路面结构的破坏【4 】。卷材和土工布目前也作为夹层材料应用于军用机 场双层水泥混凝土道面中。 ( 4 ) 稀浆封层、隔离剂 吴超凡分别选用了e s _ 1 型、e s _ 2 型、e s 一3 型三种级配的稀浆封层以及m s 一 2 型和m s l 型两种级配的微表处，作为隔离层材料，并自行开发冲刷仪器，比较了 不同材料的抗冲刷性能，然后得出结论：隔离层抗冲刷性能主要受沥青性能和隔离层局 部缺陷的影响，而隔离层的材料级配对抗冲刷性能的影响较小。国内湖南一高速公路， 在半刚性基层与水泥面板之间增设透层沥青，通车运营5 年后未发现基层唧浆，板底脱 空等现象，路面使用性能较好。设置层间功能层消除了层间过渡层对路面使用性能的影 响，因此建议层间设置隔离层或隔离剂，以消除层间相互粘结，避免层间过渡层断裂破 坏而造成面板的损伤或开裂。 ( 5 ) 蜡质养护剂 蜡质养护剂是一种用石蜡乳液及复合乳化剂等为原材料，依据工程使用要求( 气候 情况、结构类型、成膜厚度等) 按一定比例合成的复合型养护剂。近年来，蜡质养护剂 广泛应用于美国的堪萨斯州、佐治亚州、韩国和我国台湾等地区，主要用于半刚性基层、 刚性基层和水泥混凝土面层之间的隔离层，已成功修筑了上千公里水泥混凝土路面，并 制定了相应的技术规程【1 4 1 。 ( 6 ) 其他材料组合 广东梅河高速公路应用沥青封层在水泥混凝土路面中的施工实践，分别采用了热沥 青，乳化沥青，瓜米石、石屑和砂，铺筑了6 种不同材料组合的封层试验段。通过试验 段工程总结了不同材料组合的优缺点，验证了封层沥青的洒布量、矿料的洒布量、机械 洒布速度、平均洒布厚度、材料的供应方案、人员配备、机械配置数量和组合方式等， 提出了标准的施工方法和合理的施工工艺。 上述各种层间功能层各有优缺点，因此对于层间功能层的常用材料，目前尚未形成 统一的体系。对功能层材料本身及其自身性能，如功能层材料的技术性能与要求、适用 条件、厚度与指标评价等，尚缺乏深入系统的研究。路面设计中，对功能层的材料类型、 要求、用量及施工要求等也没有进行详细设计和说明，大部分设计往往一句话涵盖、并 未做专门的陈述，在路面计算中也不计算功能层的厚度，按施工规范操作即可，这种做 法是不科学的。 5 第一章绪论 综上，只有充分认识和了解各种功能层材料自身的功能，分析材料自身应具备的性 能和适用条件，深入研究和比较不同功能层材料的性能，才能设计出经济合理的层间功 能层材料，从而减少或消除由于基层发生破坏而造成的水泥混凝土路面的早期破坏。 1 2 3c r c p 与j p c p 的异同 1 面层的差异 c r c p 面层与j p c p 面层的最大不同之处就是在j p c p 路面结构中增加了一层钢筋 网片，由于钢筋具有极强的抗弯拉性能，导致了两种路面结构在面层的受力方面发生了 极大变化。 c r c p 路面结构可以有效控制横向裂缝的开裂，而且j p c p 路面结构裂缝不规则， 再加上j p c p 路面在使用一段时间后接缝处填缝料减少，因此在下雨或下雪时j p c p 路 面上水体较c r c p 路面结构下渗很多，水体的侵入对基层造成很多危害，从而加快了路 面的破坏。 2 摩阻系数的差异 c r c p 路面结构中钢筋的存在使面层层底摩阻系数较为均匀，而j p c p 路面结构中 裂缝的不规则性，导致了面层层底摩阻系数很不规律，从而也不易控制其裂缝的开裂。 c r c p 与j p c p 的相同之处就是两种路面结构均具有强度高、刚度大的特点。 3 破坏形式的差异 c r c p 面层最主要的破坏形式使冲断，l t p p ( 路面长期使用性能) 试验路调查表明， 冲断多发生在较窄的裂缝间距处，约9 0 的冲断发生在横向裂缝间距为0 3 o 6m 时， 平均裂缝间距和冲断之间没有相关性。此外，冲断也容易在靠近宽裂缝处产生，冲断与 宽裂缝有关而不是与平均裂缝宽度有关。虽然大部分的路面病害发生在宽裂缝或密集横 向裂缝处，但也发现部分路面尽管平均裂缝间距小于0 6 m ，但是完好的状况。 1 2 4 国内外对c r c p 下功能层的研究 国内外对c r c p 面层下边的沥青混合料功能层研究很少，只是通过修筑一些试验路 进行对比研究，所以没有什么定性的研究成果，也没有形成相应的规范。对功能层的研 究仅仅停留在功能层的作用方面，没有对沥青混合料功能层的配合比等进行系统和深入 的研究。 1 3 目前存在问题 6 长安大学硕士学位论文 通过以上分析可知，国内外对普通水泥混凝土路面层间功能层的研究不少，但是没 有一个规范性的成果：对于c r c p 路面结构层间功能层的研究也有一部分，但是都不系 统，一般都是通过试验路的形式来做一些比较，然后选取一种配合比进行施工，对沥青 混合料功能层没有进行系统的研究，归纳起来有以下几点： ( 1 ) 对c r c p 面层与基层层间相互作用机理和层间结合状态缺乏系统研究； ( 2 ) 现有的沥青混合料配合比的设计方法都是针对沥青面层和大孔隙沥青基层而 言，对沥青混合料用做功能层时配合比的研究甚少； ( 3 ) 对于功能层进行性能研究时，指标选取都不相同，研究方法不同，没有一个 规范的性能研究指标。 1 4 本文主要研究内容 针对国内外研究的不足，本文首先分析了j p c p 路面结构的主要破坏形式及层间作 用机理，然后指出了c r c p 路面结构与接缝式水泥混凝土路面的异同，分析了c r c p 路面结构层间作用机理，指出了c r c p 路面结构设置层间功能层的必要性。从沥青混合 料功能层需要满足抗冲刷和抗反射裂缝的使用功能入手，对功能层进行性能和配合比设 计，并提出c r c p 路面结构下功能层沥青混合料所需满足的最小油石比和原材料的不 同。主要研究内容包括以下几点： 1 c r c p 面层和基层层间作用机理与主要破坏分析 基于c r c p 面层与半刚性基层过渡层理论分析层间界面特性与作用机理，针对 c r c p 路面结构特点以及面层常见的结构破坏，分析断板及脱空产生的原因。指出加铺 层间功能层的必要性。 2 功能层材料设计及性能试验研究 ( 1 ) 通过对不同油石比的沥青混合料用钢丝刷做冲刷试验，得出沥青混合料功能 层抗冲刷所需满足的最小油石比。 ( 2 ) 从抗反射裂缝角度出发，通过对不同油石比下的沥青混合料带切口的小梁进 行三点弯曲试验，测定荷载位移曲线，通过计算曲线下面积得到破坏时所吸收的能量， 而后利用公式计算j 一积分，分析研究后得出沥青混合料功能层抗反射裂缝所需满足的 最小油石比。 ( 3 ) 通过a b a q u s 有限元软件建立c r c p 路面结构模型，分析不同功能层厚度 7 第一章绪论 不同功能层模量对c r c p 板顶临界应力的影响，得出合理的功能层厚度以及功能层的模 量。 ( 4 ) 根据国内外沥青混合料设计方法，参照规范所规定的各级配范围及中值，借 鉴马歇尔试验方法确定最佳油石比，然后再根据功能层的厚度及特性，优选两种混合料 a c 一1 3 和a c 一1 6 进行性能试验。 ( 5 ) 通过对沥青混合料做浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验来评价不同油石比下的 功能层沥青混合料的水稳定性。 最后综合上述几种结果，确定出满足使用性能的功能层沥青混合料的最小油石比。 3 功能层沥青混合料设计方法与指标评定 根据c r c p 面层与基层层间功能层所需满足的性能要求，在常规沥青混合料设计方 法的基础上，通过满足抗冲刷和抗反射裂缝两个指标，提出c r c p 面层与基层层间功能 层沥青混合料所需的最小油石比。 1 5 技术路线 采用理论分析与室内试验相结合的方法进行层间功能层的材料设计与性能研究，技 术路线如下。具体见图1 3 研究具体技术路线图。 8 图1 3技术路线图 9 第二章c r c p 面层与基层层间破坏机理和功能层分析 第二章c r c p 面层与基层层间破坏机理和功能层分析 2 1c r c p 层间作用机理 2 1 1c r c p 面层与基层层间界面特性分析 半刚性基层由于其材料内部水泥含量较少，以及含水量较低，所以修筑完毕以后， 表面凹凸不平，界面粗糙。c r c p 面层施工时，是将拌和好的水泥混凝土直接浇筑在基 层表面上，并经振捣、找平等工序而形成的。在凹凸不平的基层表面上浇筑c r c p 面层 混凝土时，水泥混凝土除了填补基层表面凹陷处外，水泥浆体还将在面层水泥混凝土自 重和施工振捣综合作用下，通过基层毛细管渗透至基层表面一定深度内，形成既不同于 基层也不同于面层的弱结合面，该结合面处的结构和性质与水泥混凝土面层和半刚性基 层有较大区别，是结构中最弱的界面层，通常叫做过渡层。 由此可知，c r c p 面层与半刚性基层层间界面并不是一个光滑的“面”，而是一个 有一定厚度的“层，由于这一层结构薄弱，所以在车辆荷载和环境因素的综合作用下 这一过渡层极易发生破坏，从而影响路面受力状况和可靠性。由实践调查可知，许多 c r c p 路面结构的损坏都是从这一层的破坏开始的。 由于过渡层顶部和水泥混凝土面层相连，底部和半刚性基层相连，所以过渡层顶面 的弹性模量、泊松比和强度与混凝土面层的弹性模量、泊松比和强度相同，而过渡层底 面的弹性模量、泊松比和强度与基层的弹性模量、泊松比和强度相同。在过渡层没有被 破坏的情况下，面层、过渡层和基层紧密结合，形成了一个整体。 2 1 2c r c p 面层与基层层问相互作用分析 c r c p 面层浇注完毕后，暴露在大气中，经受着气温变化的作用，混凝土面层发生 着胀缩变化。当面层混凝土膨胀时，对基层顶面产生拉应力，该拉压应力同时作用在层 间界面上；反之，当面层混凝土收缩时，基层顶面受到压应力，该压应力也同时作用在 层间界面上。由此可知，当面板发生膨胀和收缩变形时，由于受到限制而产生层间约束 力，该约束应力对层间界面产生拉压应力。现对约束应力做一简单推导。 假定混凝土面层板为长和宽均很大的板，在平均板温差的影响下板内任一点的应变 为： 1 0 式中： 当 式可解 以 大翘曲 式中：t _ 一板顶面和底面的温度差( ) 。 对比式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可知，当板体受到基层的完全约束，即不能变形时，其胀 缩应力大于翘曲应力，特别是胀缩应力以周、月、年等单位较大的时间作为温度变化周 期时，胀缩应力将远大于翘曲应力。 由于层间界面层断裂后部分界面层仍与水泥混凝土面板连接为一整体，造成面板底 面凹凸不平，在路面行车荷载作用下，将加快水泥混凝土面板的断裂破坏。 若层间过渡层较薄，过渡层断裂后基层顶面仍较为完整，则面板水平胀缩变形的相 对移动面与基层顶面处于同一水平面上，即基层与面层仍然紧密接触；若层间过渡层较 厚，过渡层断裂后的基层顶面为不规则曲面，那么面板将从原来相互嵌锁的层问不规则 曲面脱离，即面层与基层间的接触从面接触转化为点接触或线接触，面层底面的支撑面 积显著减少，从而造成基层与面层脱空。 2 1 3c r c p 面层与基层层间界面开裂分析 通过试验证明，面板与基层在过渡层破坏前后界面工作状态大不相同。过渡层破坏 前，面板需要克服相当大的阻力才能移动；而在过渡层破坏后，面板只需克服很小的阻 力就能移动。两阶段过程形成机理如下： 大，推力下 与受力关系 由于c r c p 面层与基层的材料性能不同，在荷载、温度和环境因素的作用下，面层 与基层两者的相互作用从初始的结合状态逐渐发展演变，直至导致面层和基层都发生破 坏。基于上述c r c p 面层与基层层间作用机理分析可知，c r c p 的常见破坏大多都是从 层间过渡层破坏开始的。 2 2 1 层间过渡层破坏分析 由于c r c p 面层为水泥混凝土，一般认为水泥混凝土的早期收缩变形远远大于温度 变形，虽然c r c p 面层内有钢筋承受大部分拉应力，但是收缩变形仍然会产生拉应力使 得c r c p 面板被拉裂。同时，使得面板裂缝处下边面板和基层接触处的过渡层发生破坏。 这样，随着裂缝的增多，过渡层的破坏就会越来越厉害。 2 2 2 基层主要破坏形式 由于c r c p 结构下基层多为半刚性基层，而半刚性基层抗冲刷性能不是很强，因此 基层的主要破坏形式表现为冲刷和脱空。路面在实际使用过程中，由于下渗水体在车辆 1 2 长安大学硕士学位论文 荷载的重复作用下产生动水压力作用，使得面板裂缝处下将产生一定的脱空和唧泥，致 使c r c p 面板的局部范围不再与基础保持连续，即c r c p 面板下出现局部脱空，随着时 间的延长和车辆荷载的重复作用，就加快了基层的破坏。 c r c p 面板底脱空的产生是一个复杂的过程，影响因素众多，包括水、材料特性、 荷载作用和环境因素等。 2 2 3 面层主要破坏形式 c r c p 面板经受着各种复杂的应力作用，其中最主要的是车轮荷载引起的荷载应力 和温度变化引起的温度应力，以及由于湿度变化所引起的应力。假如各种应力的综合作 用超过了c r c p 面板的容许应力范围，路面将产生裂缝，破坏，直至最后完全丧失承载 能力。 冲断是c r c p 路面结构最典型的破坏形式，冲断的产生起源于相邻横向裂缝之间的 纵向裂缝的形成。 c r c p 中的最主要病害是边缘冲断。冲断产生的机理如下：对新建的路面，由于加 筋的作用，裂缝窄，传荷能力强。随后，由于重车的反复作用及温度和湿度波动导致裂 缝宽度变化及局部边缘支撑丧失，部分横向裂缝出现剥落现象。裂缝变宽或者剥落以后， 盐和水会进入板底。板底的水加剧基层侵蚀、钢筋腐蚀、唧泥，最终板底失去支撑。由 于裂缝处剥落及板底的不均匀支撑，在重车作用下板项产生较大的横向拉应力。当车辆 荷载反复作用时，便累积疲劳，产生纵向裂缝，进而出现冲断。 2 2 4c r c p 面层与半刚性基层刚度协调问题 半刚性基层与c r c p 面层均具有强度高、刚度大的特点，如果将c r c p 面层直接铺 筑在半刚性基层上，而不对半刚性基层和c r c p 面层进行层间处理，那么荷载通过面层 传递到基层上，在荷载应力的作用下，容易产生应力集中，造成路面的破坏。 由于c r c p 建成通车后直接暴露在大气之中，随着气温的周期变化，混凝土路面的 温度也随之产生周期性的变化。由于面板温度变化引起的收缩、膨胀等变形，一旦受到 约束，面板不能自由伸缩，就会产生温度应力。若温度应力大于层间界面抗剪强度或 抗拉强度，则将在界面处产生破坏。路面暴露在大气中还水损坏的影响，对于面层和基 层非常不利，会加剧水泥混凝土路面病害的发生。在基层与面层的刚度得不到有效协调 的情况下，会使得面板温度翘曲应力过大。因此，半刚性基层的刚度成为影响水泥混凝 土路面使用性能的主要因素。 1 3 第二章c r c p 面层与基层层问破坏机理和功能层分析 总结半刚性基层c r c p 路面结构使用状况调查结果可知，半刚性基层c r c p 面层的 破坏主要是由温度应力与荷载应力综合作用造成。层间设置功能层以后，可以将面层与 基层分离开来，当产生温度应力和荷载应力时，基层和面层可以相对自由变形，大大减 少了面层和基层的破坏。 2 3 功能层的作用分析 针对c r c p 面层与半刚性基层的刚度协调问题和半刚性基层抗冲刷能力较弱的问 题，为了防止c r c p 面板发生断裂破坏和基层由于冲刷而造成唧泥现象产生，必须对 c r c p 面层与基层的接触界面进行专门设计，尽可能使面层与基层各自在界面附近保持 完好无损。 为解决上述问题，可以在c r c p 面层和基层之间设置层间沥青混合料功能层。具体 地讲，即在尽量找平基层表面的基础上，设置沥青混凝土功能层，然后再浇筑c r c p 混凝土面层。 沥青混合料功能层用于水泥混凝土路面层间加铺层，其作用主要是使基层与面层适 当分离，以达到既保证基层防水、抗冲刷，又适度降低面板与基层的摩擦，延长c r c p 面板的寿命；设置功能层还可以解决因路面水从板缝下渗而引起基层泛浆直至破坏等病 害。可以起到弹性缓冲作用，消弱行车荷载对于基层的冲击损坏；可以明显改善混凝土 路面的结构性能；并可以缓解面层底部的约束作用；以下将具体分析其作用： 1 改善层间接触状况，消除层间“过渡层的产生 c r c p 面层和基层接触面的破坏和接触面对面板胀缩运动的限制，是c r c p 面层断 裂破坏的主要原因。设置沥青混合料功能层后，可以使面层底面和基层顶面均保持光滑 接触，使面层与基层的摩阻系数减小，从而使面层和基层在各层的接触面附近保持完好 无损，不会形成薄弱的过渡层，善了面层的支撑状态。 对于不设功能层的c r c p 路面结构，由于荷载、温度变化、混凝土收缩等作用，过 渡层的破坏将使面层和基层沿接触面上产生较大的剪力，使面层和基层之间界面开裂破 坏。 设置了功能层的c r c p 路面结构，将面板与基层界面强限制转化为弱限制，降低了 粘结系数。在面层下设功能层后，混凝土抗折强度