（道路与铁道工程专业论文）树脂改性半刚性面层复合材料疲劳性能研究.pdf

摘要 树脂改性半刚性面层复合材料是一种新型路面材料，它是将特殊组分的树脂 改性水泥砂浆灌入大空隙沥青混合料母体中形成的一种高等级路面结构材料。 本文在参考国内外研究成果的基础上，对树脂改性水泥胶浆和母体沥青混合 料的配比进行了研究，确定了集料级配和沥青用量范围。并在此基础上，对树脂 改性半刚性面层复合材料和沥青混合料的物理力学及路用性能进行了研究对比， 证明了复合材料优于沥青混合料。 对树脂改性半刚性面层复合材料疲劳性能进行研究，采用应力控制方式进行 疲劳试验，并建立了复合材料的疲劳方程。通过比较分析，证明了其比沥青混合 料有更优良的疲劳性能，更适合于在旧水泥混凝土加铺中的应用。通过超载对比 分析得出，半刚性面层路面疲劳寿命比沥青路面疲劳寿命要高，且敏感性较水泥 混凝土路面要低，能适应当今交通量严重超载的情况。 由于室内疲劳试验的条件与实际道路上的情况有很大差异，本文考虑各种影 响因素，根据室内疲劳方程对半刚性面层疲劳寿命进行预估，并得出疲劳寿命预 估方程。根据该方程得出不同轴载次数下的抗拉强度结构系数。针对树脂改性半 刚性面层复合材料的特性，及旧水泥混凝土路面的特殊结构，本文提出了树脂改 性半刚性面层复合材料在旧水泥混凝土路面加铺应用的旋工工艺。 希望本文对树脂改性半刚性面层复合材料的研究能够对其推广应用提供一定 的科学依据。 关键词：树脂改性半刚性面层复合材料；配合比设计；疲劳方程：疲劳寿命预估 施工工艺 a b s t r a c t r e s i nm o d i f i e ds e m i r ! g i dc o m p o s i t em a t e r i a li san e wk i n do fp a v e m e n tm a t e r i a l ， w h i c hi sf o r m e db yf i l l i n gt h ee p o x yr e s i n sm o d i f i e dc e m e n tm o r t a ri n t ot h es p e c i a l b i g i n t e r s p a c e da s p h a l tm i x t u r e o nt h eb a s eo fr e s e a r c h e si n s i d ea n do u t s i d eo ft h ec o u n t r y ，t h em i xd e s i g no f c e m e n tm o r t a ra n dm o t h e ra s p h a l tm i x t u r eh a sb e e ns t u d i e da n dt h eg r a d a t i o no f a g g r e g a t ea n ds p a no fa s p h a l tc o n t e n ti sc o n f i r m e d t h em e c h a n i c a la n dp a v e m e n t p e r f o r m a n c eo ft h er e s i nm o d i f i e ds e m i - r i g i dc o m p o s i t em a t e r i a la n da s p h a l tc e m e n t i ss t u d i e d ，a n di t sp r o v e dt h ec o m p o s i t em a t e r i a li sf i n e rt h a na s p h a l tc e m e n t t h ef a t i g u ep e r f o r m a n c eo fr e s i nm o d i f i e d s e m i r i g i dc o m p o s i t em a t e r i a li s s t u d i e d t h ef a t i g u ee x p e r i m e n t sw i t hc o n t r o ls t r e s sa r em a d ea n dw el e a r n e dt h e f a t i g u ee q u a t i o no f t h er e s i nm o d i f i e d s e m i r i g i dc o m p o s i t em a t e r i a l t h r o u g h c o m p a r a t i v ea n a l y s i s ，r e s i nm o d i f i e ds e m i r i g i dc o m p o s i t em a t e r i a li sp r o v e dh a v e f i n e rf a t i g u ep e r f o r m a n c et h a na s p h a l tm i x t u r e ，a n di ti ss u i t a b l ef o ro v e r l a yo nt h e o l dc o n c r e t e p a v e m e n t t h r o u g h t h ea n a l y s i so fo v e r l o a d i n gw e k n o wt h a ti t s s e n s i t i v i t yt oo v e r l o a d i n gi sl o w e rt h a nc e m e n tc o n c r e t e ，s oi ti sf i tf o rt h es i t u a t i o no f b u r d e nt r a f f i c b e c a u s et h e r ea r e v e r yg r e a t d i f f e r e n c e si nt h ec o n d i t i o no ft h ef a t i g u e e x a m i n a t i o nb e t w e e ni nt h er o o ma n do nt h er o a d ，s oc o n s i d e r a t i n gv a r i o u sk i n d so f i n f l u e n c ef a c t o r sa n da c c o r d i n gt ot h ef a t i g u ee q u a t i o n ，af o r m u l at op r e d i c tt h e f a t i g u el i f e s p a n i so b t a i n e d a n dw ec a nl e a r nt h er u p t u r es t r e n g t hc o e f f i c i e n t a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r ，t h i sp a p e rb r i n gf o r w a r dt h em e t h o do ft h ea p p l i a n c eo f r e s i nm o d i f i e ds e m i 。r i g i dc o m p o s i t em a t e r i a lo no l dc o n c r e t ep a v e m e n t i ti s e x p e c t e di t c a no f f e rs c i e n t i f i cr e f e r e n c eb a s i sf o re p o x yr e s i n sm o d i f i e d c o m p o s i t em a t e r i a l ss p r e a da n da p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：r e s i nm o d i f i e ds e m i - r i g i dp a v e m e n tc o m p o s i t em a t e r i a l ；m i xd e s i g n ； t f a t i g u ee q u a t i o n ；p r e d i c tf a t i g u el i f e - s p a n ；c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e l l 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：2 矽一。今 日期：加6 年c ，月) j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 侍者签名嬲日期：泓f ；年f ，月、) 日 期：洌，年 歹具拱日 1 1 问题的提出 第一章绪论 我国水泥混凝土路面修建是从2 0 世纪6 0 年代开始的，由于水泥混凝土路面有 强度高、刚性大、荷载扩散能力强、稳定性好等优点在我国得到了长足的发展， 但早期修建的许多老路接近或超过了其使用年限，出现了结构性破坏或功能性缺 陷，面临着大修任务。同时，2 0 世纪8 0 年代以来，水泥混凝土路面在全国又迅猛 发展，伴随着各地经济的目益繁荣，公路上交通量的剧增和汽车荷重的增加，这 不仅加速了早期修建的旧水泥混凝土路面的破坏，而且使得新建水泥混凝土路面 出现大量早期损害。因此，目前大量的早期和近期修建的混凝土路面面临修复工 作。 与沥青路面相比，水泥混凝土路面修复相对困难，并对交通有较大的影响， 目前采用的大修措施主要有三种：加铺沥青混凝土面层、加铺水泥混凝土面层和 翻修。加铺新水泥混凝土面层的厚度般不低于2 0 c m ，其造价要高于沥青加铺层， 而且该措施的养生期至少需要7 天，对交通的影响很大，难以应用于交通繁忙的路 面；至于翻修，一般仅适用于旧水泥混凝土路面破损相当严重或路面标高严禁升 高的地段。加铺沥青混凝土面层，由于旧水泥混凝土路面提供了较稳定、坚实的 基层，沥青混凝土路面提供了一个抗滑性能以及平整度好、维护简单的面层，因 此大大改善了路面的使用性能：同时又可以充分地利用旧水泥混凝土路面，具有 造价低、施工难度小，对交通环境影响小，以及修复周期短等优点，因此在国内 外的旧路改造工程中得到了普遍应用i i i 。但是，加铺沥青层后的复合结构涉及刚 性、柔性两种路面结构形式，材料性能差异大，又由于旧路面板上存在接缝和裂 缝，并常常伴有错台、脱空等损坏现象，使得复合结构中出现应力集中。在温度 和交通荷载的作用下，沥青加铺层在原接缝处极易出现裂缝，这种裂缝常被称之 为反射裂缝。反射裂缝本身对沥青加铺层的性能影响不大，但环境因素的负面影 响使得裂缝迅速向四周扩展，从而引起沥青加铺层新的病害( 龟裂、块裂、坑洞、 水损坏等) ，这样不但减少了加铺层的使用寿命，而且造成经济效益的损失i ”。对 于防止旧水泥混凝土路面上沥青加铺层的反射开裂问题，国内外已有设置土工布、 土工格栅或土工膜等隔裂层技术，这些技术通常工程量大，旌工难度大，造价高， 难以大面积推广。因此性能优良的道路新材料在旧水泥混凝土路面上的应用研究 显得十分必要与迫切。 树脂改性半刚性面层复合材料是一种新型刚柔相济的路面材料，其可以充分 发挥柔性路面和刚性路面材料的特点，通常所说的半刚性面层，根据施工工艺和 材料可分为三种类型：水泥灌浆沥青混凝土水泥沥青混凝土乳化沥青水泥 混凝土。 ( 1 ) 水泥灌浆沥青混凝土 。 水泥灌浆沥青混凝土路面是按照柔变刚的思路，将特殊组分的水泥胶浆灌入 多孔的开级配沥青混合料的空隙之中而形成的路面。它通过沥青混合料骨料之间 的嵌挤作用和灌入的水泥浆共同形成强度，具有以下优点： a 具有与水泥混凝土路面相似的刚性，还具有柔性，刚柔共济； b 与沥青路面比较起来，具有较高的耐高温流动性能和耐油蚀性； c 路表面具有较强的耐磨耗性，不易起尘； d 涨缩量很小，不需要设伸缩缝； e 具有白色路面的明色性，而且可以着色； f 对静载有较强的承受能力。 ( 2 ) 水泥沥青混凝土 水泥沥青混凝土也是按照柔变刚的思路开发的一种半刚性面层材料。它是在 热拌沥青混合料中直接掺入拌和好的特种水泥砂浆，在高温下拌和、摊铺、碾压 而形成的路面结构。这种半刚性路面材料与水泥灌浆沥青混凝土具有类似的优点， 它虽然比水泥灌浆沥青混凝土施工方便，但是在高温时引入水泥浆，带来了沥青 与集料粘附性不好等问题。 ( 3 ) 水泥乳化沥青混凝土 水泥一乳化沥青混凝土是在冷拌乳化沥青混合料母体中掺入水泥或是水泥砂 浆经冷拌冷铺而形成面层结构。由于乳化沥青破乳后的水分可供水泥硬化凝结， 较好的解决了乳化沥青破乳“噌水”和水泥水化“需水”的矛盾，且其施工简单 易行。 以上三种类型的半刚性面层复合材料，虽然其旖工工艺和组成材料有着很大 的不同，但其均是遵循一个原则，即取沥青路面和水泥混凝土路面之长，补其之 短，刚柔并济。该种面层复合材料可以大大提高沥青路面的高温稳定性和耐久性， 弥补沥青路面和水泥混凝土路面的不足，延长路面使用寿命，节约投资，对于我 国公路路面的发展具有重要的现实意义和经济效益【3 】。 本文依托g 3 2 1 线肇庆西段旧水泥混凝土路面的大修工程，以灌注式树脂改性 半刚性面层复合材料为研究对象，进行配比及疲劳性能研究，并针对其优良性能 进行旧水泥泡凝土路面的加铺施工工艺的研究。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况 早在1 9 4 2 年，o j p o r t o r 就注意到在小至o 5 0 7 5 m m 的弯沉下，道路路面在 车轮荷载重复作用几百万次后会遭到破坏。l w n i j b v e r 在1 9 5 3 年指出了路面疲劳 裂纹的产生是重复行驶自蛑轮引起的弯拉应力超过材料抗拉强度的结果，他把路 面疲劳与应力应变状态联系起来了。6 0 年代以来，世界各国对路面疲劳特性进行 了大量研究，对路面疲劳破坏机理也有了更多科学的认识，并不断地得到深化【“。 并根据室内所得疲劳方程，考虑一些影响因素后，来预估沥青路面的疲劳寿命。 英国诺丁汉大学从事沥青混合料疲劳方面研究的主要是p s p e l l 和 s f b r o w n 。前者主要从事室内疲劳试验，而后者主要研究路面结构疲劳特征与 p e l l 试验结果的关系。p e l l 从5 0 年代末期就开始进行沥青混合料疲劳特性的研究， 己进行了上千次疲劳试验，涉及的混合料类型达5 0 多种，最后得出了英国设计规 范所用的疲劳方程旧： 对于密级配沥青碎石： l g nr = - 9 3 8 4 1 6 1 9 e( 1 1 ) 对于密级配沥青混凝土： l g n ，= 一9 7 8 4 3 2 l g ( 1 2 ) 式中：，道路的使用寿命( 以标准轴次计) ； e 标准轴载作用下，沥青层底的水平拉应变。 1 诺丁汉大学还建立了拉应变、疲劳荷载作用次数、沥青含量和软化点的关系： 垮，一等糁蓑搿 ：尘旦 k ( 1 4 ) 式中：允许拉应变； 荷载作用次数； 杉沥青体积百分率( ) ； 只油石比( ) ； y ，沥青的相对密度； 环球法沥青软化点( ) 。 美国加利弗尼亚大学伯克利分校是在c l m o n i s m i t h 指导下从事的沥青混合 料疲劳研究的。他们所从事的弯曲疲劳试验的加载方式包括控制应力和控制应变 两种，但主要研究工作集中于前者。他们所做的研究工作与诺丁汉大学不同之处 在于前者除了进行大量的室内研究外，还通过室外足尺试验对室内疲劳规律进行 了验证。大量的研究结果总结出的沥青混合料疲劳方程反映在美国沥青协会的路 面设计方法中： n ，= 0 2 6 5 9 x c ( 4 3 2 5 1 0 3 e , o - 3 z 9 1 s 。- 0 8 5 , 1 ) c = 1 0 ” m = 4 8 4 ( 圪( + k ) 一o 6 8 7 5 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) 式中：s 。弯拉应变； a m 沥青混合料劲度模量或复数模量( m p a ) ； 圪沥青体积百分率( ) ： 在“s h r p ”计划中，加州大学又深入分析了影响沥青混合料疲劳性能的各种 因素，包括：试件的成型方法、加载方式、混合料变量( 沥青粘度、沥青用量、 集料级配、空隙率、温度) 和疲劳试验方式的基础上，在开展扩大试验计划后， 汇总了室内疲劳试验资料，得出下列回归方程： r = 2 7 3 8 1 0 5 e x p o ”“( 知) 4 “p _ 0 ) 4 ”o ( 1 8 ) v f a = 南 ( 1 ，) y + 矿 式中：，疲劳寿命； 晶初始应变； 5 。o 初始劲度模量( p s i ) ； 。 v e a 沥青饱和度( ) ： 屹沥青体积百分率( ) ； k 空隙率( ) 。 对水泥混凝土的疲劳问题，国内外许多学者和机构也进行过大量的研究工 作。1 8 9 0 年，f e r e t 首先进行了混凝土的弯曲疲劳试验，随后k e s l e r 、m c c a l l 、 b a l l i n g e r 、g a l l o w a y 、h u sw i r s c h i l l i n g 等人都对混凝土材料的弯曲疲劳特性进行 了分析研究，他们大多采用下述半对数形式的关系式来整理其试验结果1 6 1 ： s = 二号兰= 口一卢l g n ( 1 1 0 ) ， 式中：仃反复应力最大值； ，混凝土的弯拉强度； a ，卢疲劳试验确定的系数。 d a r t e r 在汇总了k e s l e r 、r a i t h b y 和g a l l l w a y 以及b a l l i n g e r 的梁试件弯拉疲 劳试验结果后，整理得出了失效概率为5 0 时的回归系数为a = 1 0 ，b - - 0 0 5 6 8 。而 比利时的v e v e r k a 等得出的试验结果为a = 1 0 ，b = 0 0 5 。挪威的a a s j a c o b s o n 首先 提出了在式1 1 0 , 引入一项低应力与高应力比的系数r ，采用式1 1 1 形式的疲劳方 程 s ：譬：口一b ( 1 一r ) l g ? ( 1 1 1 ) 式中r = 仃。盯，这一关系式反映了混凝土的疲劳寿命随低应力的提高而 增加并呈线性关系的规律。 相对沥青与水泥路面相比，国内外对树脂改性半刚性面层复合材料的研究较 少。早在1 9 5 4 年，法国研制成功了“灌水泥浆开级配沥青混凝土路面施工法”，并 在科涅克( c o g n a c ) 航空港喷气式飞机的跑道上进行试验铺装，作为耐热用的道面， 并以此申请了专利，称为“s a l v i a c i m ”施工法。7 0 年代初，英国、美国、前苏联 等国家，也相继对这课题进行了研究。英国是在摊铺后的开级配沥青碎石路面 空隙中灌入树脂一水泥砂浆，前苏联则把水泥砂浆作为第二结合料加入沥青混凝 土中进行了拌和压实，结果证明能提高混合料的温度稳定性。科威特的 h r g u i r g u i s 的研究表明，用水泥处治后的集料铺筑的沥青路面的强度和稳定性 大大提高，路面泛油和抗水性能也有相当大的改善 1 0 1 1 1 1 1 。美国切夫隆研究公司的 r j s c h m i d t 和l e s a n t u c c i 为提高乳化沥青的早期强度，在混合料中加入1 3 的 波特兰水泥，结果发现，在空气中养生1 d 后，材料的回弹模量比未加水泥的增加 了大约五倍，养生6 0 d 后，回弹模量仍比未加水泥的试件提高两倍。但掺加水泥 后材料的疲劳性能有所降低。r w h e a d 对冷拌沥青混凝土的研究表明，当加入1 的水泥时，混合料的马歇尔稳定度能提高2 5 3 0 倍。1 9 8 7 2 0 0 2 年间，美国有1 0 个以上的州的路面工程和1 0 余条机场道面工程采用了这种灌注式的半刚性面层， 取得了良好的效果1 1 2 i d3 1 1 l 。 这种路面在1 9 6 1 年传到日本，次年2 月由日本道路公团在箱根新道上的立交枢 纽部分铺筑了1 0 0 0 m 2 的试验性路面。继法国之后，日本以“半柔性路面和半柔性 路面施工法”为名申请了专利m 】。从此之后，这种路面在日本迅速发展起来，日 本大林道路株式会社、鹿岛道路株式会社以及日本铺道株式会社等多家施工企业 在获得此项旅工方法的专利后，各自独立的继续对这种路面进行了多项研究，许 多公司还制定了公司的设计标准并加以推广使用，并在1 9 7 8 年作为一种特殊的施 工方法正式列入沥青路面施工规范。8 0 年代以来，在大孔隙率的开级配沥青混凝 土中灌注水泥砂( 乳) 浆的半刚性面层在日本有了广泛的应用与发展，每年的施 工面积已超过2 0 万m 2 ，各大道路公司和研究所对半刚性面层都进行了试验研究， 提出了这种特殊路面材料的力学性能与路面结构设计计算方法的研究论文，证实 了该种材料提高了沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性，尤其是对抵抗永久性 变形有较大的改善，特别适用于公共汽车站、停车场和收费站等车辙现象比较严 重的场所d 2 i 。 另外，英国、前西德、法国和前苏联等国家也在这方面进行了研究之后，提 出了有关这种路面结构设计计算方法和力学性能的研究论文。证实了这种路面材 料可提高沥青混合料的高温稳定性及低温抗裂性，延长路面的使用寿命m i 。 在国外，用树脂改性水泥砂浆灌注沥青混合料所形成的半刚性面层 ( s e m i 。r i g i ds u r f a c e ) 称为树脂改性路面( r m p ：r e s i nm o d i f i e dp a v e m e n t ) ，通常厚度 为5 c m ，其不仅用于铺筑新建路面，也可用于加铺旧沥青路面或水泥混凝土路面 【”】i ”i 。 总的来说，目前对于灌水泥浆的半刚性面层，国外一些国家，如前苏联、法 国、日本、英国、德国、美国等已进行了研究应用工作，证实了这种半刚性面层 具有良好使用性能，但对其疲劳性能的研究较少。 、 1 2 2 国内研究概况 国内对路面材料疲劳性能的研究相对较晚，但也做了大量的研究工作。在“七 五”国家重点科技项目( 攻关) 7 5 2 4 0 1 0 1 专题中，交通部重庆公路科学研究所 采用国产单家寺7 0 # 、9 0 # 和用作对比的阿尔巴尼亚7 0 # 沥青，采用先进的m t s 材 料试验系统，进行了l h 一2 0 1 型沥青混凝土的室内疲劳试验研究。1 9 9 3 年哈尔滨建 筑大学在交通部科研项目“沥青路面设计指标与参数的研究”中，又利用茂名7 0 # 沥青、胜利1 0 0 # 沥青、辽河1 4 0 # 沥青等3 种沥青分别进行了中粒式和粗粒式沥青混 凝土( 共6 种) 系统的室内疲劳试验研究。研究成果已经纳入了公路沥青路面设计 规范中。2 0 0 0 年同济大学在交通部科技项目“沥青混合料动态性能参数标准”的 研究过程中，对高等级公路常用的3 种进口沥青制作粗、中、细粒式7 种沥青混合 料进行了应力控制模式的劈裂及部分弯拉疲劳试验研究，取得了一定的成果i ”。 对水泥混凝土疲劳性能，同济大学采用不同低应力进行了混凝土的弯曲疲劳 试验，运用回归分析方法，对试验结果进行统计分析，得到相关性很好的双对数 形式的疲劳方程： l g s = l g a 一0 0 4 2 2 ( 1 一r ) l g n ( 1 1 2 ) 式中：a 回归系数。 长安大学针对目前交通组成中超、重载较多从而引起混凝土板实际应力水平 较高的情况，重点作了应力水平在0 8 5 1 的室内小梁弯曲疲劳试验。 目前，国内对半刚性面层复合材料的研究还处于起步阶段，很少在高等级公 路的路面中应用。在7 0 年代末期，沥青水泥砂浆曾被尝试作为渗漏建筑物的内粉 刷材料用于人防工程中。直n 8 0 年代中期开始，国内才有些单位将含高分子聚合 物的特种水泥砂砾作为第二结合料掺加到普通沥青混合料中，使用拌和法和灌浆 法两种工艺制成特殊路面材料进行各种物理力学试验，对不同温度条件下的力学 性质进行比较，并初步探讨了该种路面材料的使用性能与强度形成理论i ”。 1 9 8 6 年，同济大学道路与交通工程研究所的王素勤等人对国产普通沥青混合 6 料使用拌和法和灌浆法加注水泥砂浆，制成特种沥青混凝土，进行了各种物理力 学试验，比较了高低温条件下的力学性质，并手1 9 8 6 年底，在广东省惠深线上修 建了试验路，经过两年的行车作用，使用效果良好 1 9 1 。1 9 9 0 年湖北宜昌地区公路 总段在总结国内外经验的基础上，铺筑了试验路，介绍了水泥沥青混凝土路面的 技术性能和施工方法。 同济大学的杨宇亮对灌注水泥胶浆的半刚性材料进行了研究，并在吉林省营 抚公路靖宇县境内铺筑了试验路，根据已铺筑的试验路观测表明，该路面具有良 好的路用性能1 2 0 l 。广东惠州市道路桥梁工程监理所李常贵也对半刚性面层复合材 料进行设计方法进行了研究【，1 】。 长沙理工大学的查旭东对树脂改性半刚性面层复合材料的配比及其性能进行 了研究，通过对比分析证明半刚性面层复合材料具有优良的力学性能与路用性能 。长安大学的郝培文等人对灌注式半剐性面层复合材料的性能进行了研究，对 其高、低温性能、水稳定性进行研究，结果表明该复合材料具有优良的高温稳定 性、低温性能、水稳定性能。并对应力比小于o 5 条件下不同空隙率沥青混合料母 体的复合材料疲劳性能进行研究，并得出其抗疲劳性能随沥青混合料母体空隙率 的增大而增大的结论。长安大学的徐培华等人研究认为，由于有水泥材料的存 在因而应用时要注意养生期温度的影响。该路面材料具有较低的温度敏感性和良 好的耐久性并通过对比分析得出，在应力值为0 3 m p a 时复合材料的疲劳寿命是沥 青混凝土的3 2 倍，表明灌注式半刚性面层复合材料可以有效地提高路面的耐久性 m i 。除此之外，河南、四川等省的公路管理部门也结合当地的实际情况，对这种 材料进行了尝试性的研究。 从国外的应用情况来看，树脂改性半刚性面层复合材料是一种比较成功、性 能良好且经济的新型路面材料，但国内尚处于试验研究阶段，尤其对其疲劳性能 缺乏深入的研究。因此，本文所开展的树脂改性半刚性面层复合材料疲劳性能的 研究，对提商路面使用性能，降低旧水泥混凝土路面维修造价和增加新建路面的 使用寿命，具有重要的社会和经济意义，其研究成果具有重要的推广应用价值。 1 3 本文主要研究内容 树脂改性半刚性面层复合材料在我国应用较少，尤其对其疲劳性能及在旧水 泥混凝土路面加铺中的施工工艺还应进一步研究。为此，主要在以下几个方面进 行试验研究。 1 对树脂改性半刚性面层复合材料的配比及其物理力学性能进行研究。 2 通过小梁疲劳试验建立复合材料的疲劳方程，通过不同材料的疲劳方程对 比分析对树脂改性半刚性面层复合材料进行疲劳性能研究。 3 考虑室内试验与实际路面的影响因素的不同，对半刚性面层疲劳寿命进行 预估，并得出疲劳寿命预估方程。 4 根据国内外半刚性面层的旌工经验结合室内外试验研究成果的基础上提 出一套合理可行的树脂改性半刚性面层复合材料在旧水泥混凝土路面加铺的施工 工艺，为该材料的推广应用提供依据。 总之本文主要对树脂改性半刚性面层复合材料的疲劳性能进行了试验研究和 理论分析，为其推广应用提供科学合理的理论依据。 研究思路如图1 1 。 复合材 料物理 力学性 能研究 室内 外条 件的 差异 国内外疲劳性能研究概 复合材料配比设计研究 复合材料小梁疲劳试验 复合 材料 疲劳 性能 分析 复合 材料 疲劳 方程 同材料超载敏感性分析 树脂改性半刚性面层疲劳寿命预估 合材料在旧水泥混凝土路面加铺的施工工艺 图1 1 本文研究思路结构图 8 旧水 泥混 凝土 路面 情况 第二章树脂改性半刚性面层复合材料配比及 物理力学性能研究 2 1 树脂改性半刚性面层复合材料的配比 树脂改性半刚性面层复合材料是将树脂改性水泥砂浆灌入大空隙沥青混合料 母体中形成的路面结构材料，因此要保证良好的灌注效果及复合材料的优良性能， 对树脂改性水泥砂浆及母体沥青混合料的配比进行研究，并进行灌浆试验。 2 1 1 树脂改性水泥砂浆配比 树脂改性水泥砂浆是由细砂、粉煤灰、水泥、水和水性环氧树脂组成，水性 环氧树脂的加入提高了水泥砂浆的性能。作为灌浆材料，对树脂改性水泥砂浆的 性能有如下要求1 3 】： ( 1 ) 良好的和易性，即良好的流动度： ( 2 ) 足够的抗压强度和抗弯拉强度； ( 3 ) 在硬化过程中，体积变化必须要求小于0 5 ； f 4 ) 具有较小的干缩、温缩特性； ( 5 ) 必须具备良好的与混合料结合性能； ( 6 ) 稳定性好，能保证施工时间内砂浆不产生离析。 根据室内试验提出树脂改性水泥砂浆性能要求见表2 1 。 表2 1 树脂改性水泥砂浆性能指标 指标范围备注 8 1 0 间隔时间0 1 5 r a i n 稠度( s ) 9 1 1间隔时问 1 5 m i n 7 5 7 d 龄期 抗压强度( m p a ) 1 3 5 2 8 d 龄期 2 57 d 龄期 抗折强度( m p a l 3 5 2 8 d 龄期 ， 所取砂进行了含泥量、筛分试验，结果见表2 2 。 表2 2 细砂物理力学性能试验 试验项目试验结果试验方法筛分试验 含泥量( ) 0 8 筛孔尺寸分计筛余累计筛余 通过率试验 t 0 3 3 3 o 60 60 69 9 4 t 0 3 0 2最大粒径 1 1 82 0 0 0 ( m m ) 0 0 7 59 8 39 8 9 1 1 2 0 0 0 9 水泥采用的是3 2 5 撑普通硅酸盐水泥，参照公路工程水泥混凝土试验规程 ( j t j0 5 3 9 4 ) q b 的有关方法进行检验，水泥质量合格，能够满足水泥砂浆的要求， 性能见表2 3 。 表2 3 水泥性能指标 初凝时间 终凝时间 3 d 强度( m p a ) 2 8 d 强度( m p a ) 指标 ( r a i n )( m i l l ) 抗压抗拆抗压抗折 3 2 5 # 水泥 2 2 03 1 02 1 04 0 4 2 5 6 5 粉煤灰是将普通粉煤灰过0 6 m m 筛后使用。 环氧树脂具有粘结力强、收缩率小，耐腐蚀性好、加工和操作工艺简便等优 点，因此在水泥基材料中得到了较广泛的应用，本文所研究的树脂改性水泥砂浆 中采用的是乳化水性环氧树脂，它由双酚a 型环氧树脂乳液和环氧一多胺改性的 水性环氧固化剂组成，与水泥砂浆有良好的配伍性，添加到砂浆中，能够起到增 加强度、粘度与和易性的作用，其具体组成见表2 4 。 表2 4 水性环氧树脂的具体组成 指标 项目 乳液g e m 0 5 固化剂g c a 0 5 外观乳白色均匀液体红棕色透明粘稠液体 密度( g c m 3 ) ( 2 5 。c ) 1 0 6 1 1 51 0 2 1 1 0 稳定性 2 0 0 0 r p m ，3 0 m i n 不分层 分散相粒径0 m ) ( 2 p h 值5 68 9 质量配合比乳液g e m 0 5 ：固化剂g c a 0 5 = 1 ：0 7 0 8 5 树脂改胜水泥砂浆的主要组成材料包括水性环氧树脂( 乳液和固化剂) 、水泥、 粉煤灰、水和细砂。配制好的树脂改性水泥砂浆必须具有足够的均匀性、流动性 和渗透性，总结国内外砂浆配比经验，树脂改性水泥砂浆的参考配合比见表2 5 1 8 1 。 表2 5 树脂改性水泥砂浆的参考配合比 序号材料名称 质量配合比( ) l水泥3 4 4 0 2 粉煤灰 1 6 2 0 3砂1 1 1 4 d 水2 6 3 1 ) 水性环氧树脂 2 5 3 5 将乳液与固化剂按配比称量后加入一个清洁桶内，充分搅拌均匀，混合好的。 添加剂在1 - 2 h ( 2 5 ) 内用完。对水泥、砂和粉煤灰在拌和机中进行干拌直到充分 混合，然后加水搅拌5 m i n ，最后加入水性环氧树脂乳液搅拌3 m i n 形成树脂改性水 泥砂浆。 观察水泥砂浆是否因为拌和不够均匀而起团或者有过多的砂沉底，如出现这 种情况，则砂浆作废，必须调整配比，可适当减少砂的用量，增加粉煤灰的用量 ( 在参考用量范围内调整) 。 为测定树脂改性水泥砂浆的稠度，以满足灌浆要求，采用稠度仪对树脂改性 水泥砂浆的流动性进行测试，稠度应满足表2 1 要求。 根据要求通过室内多次试配试验，确定砂浆配比见表2 6 。 表2 6 树脂改性水泥砂浆的配合比 材料名称 水泥 细砂粉煤灰水树脂 质量配合比( ) 3 81 6 51 23 0 53 2 1 2 树脂改性水泥砂浆性能 根据室内大量试验确定的砂浆配合比，进行树脂改性水泥砂浆的配制，并在 试验要求下进行试件制备，不同试验测试结果见表2 7 。 表2 7 树脂改性水泥砂浆性能试验 指标树脂改性未加树脂备注 稠 度( s ) 9 3 4 1 1 5 1间隔时间0 1 5 m i n 1 4 3 87 d 龄期 抗压强度( m p a ) 2 2 7 8 2 8 d 龄期 3 9 9 7 d 龄期 抗折强度( m p a ) 5 8 72 8 d 龄期 1 7 61 1 1 7 d 龄期 劈裂抗拉强度( m p a l 3 3 32 0 12 8 d 龄期 通过室内试验，对树脂改性水泥砂浆的配比及性能进行研究，在该配比下， 树脂改性水泥砂浆的性能完全可以达到要求。在对比试验中可以看出，对水泥砂 浆进行树脂改性，可以很好的改善其流动性能及力学性能，从而保障了树脂改性 半刚性面层复合材料的路用性能。 2 1 3 沥青混合料母体配合比 2 1 3 1 沥青性能试验 根据现行公路工程沥青及沥青混合料试验规程f j t j0 5 2 2 0 0 0 ) ，对泰普克 重交通沥青a h 一7 0 进行了针入度、软化点和延度三大指标试验，试验结果见表2 8 。 试验结果表明，泰普克重交通沥青a h 一7 0 满足沥青混合料要求。 表2 8 泰普克重交通沥青a f i 7 0 性能试验结果 沥青种类 a h 7 0 规范要求 试验方法 针入度( 2 5 c ，1 0 0 9 ，5 s ) ( o 1 m m ) 6 46 0 8 0t 0 6 0 4 2 0 0 0 软化点( 环球法) ( ) 5 2 54 4 - 5 4t 0 6 0 6 2 0 0 0 延度( 5 c m m i n ，1 5 c ) ( c m ) 1 0 0 1 0 0t 0 6 0 5 - 1 9 9 3 2 1 3 2 集料技术指标性能试验 集料技术指标性能试验根据公路工程集料试验规程( j x j0 5 8 2 0 0 0 ) ，具体 的试验结果见表2 9 。 表2 9 集料技术指标 试验项目 压碎值( ) 沥青与矿料的粘附性 针片状颗粒含量( )含泥量( )砂当量( ) 试验结果1 5 2 四级 7 0 50 4 45 1 4 规范要求2 6不小于四级1 5 1 5 0 表2 1 0 石料抗压强度试验结果 料源序号 试件尺寸( 长宽高)破坏荷载 抗压强度 15 0 4 x 5 0 0 x 5 0 23 7 6 1 4 9 25 0 2 x 5 0 4 x 5 0 23 9 2 1 5 5 罗 35 0 3 x 5 0 2 x 5 0 33 1 61 2 5 洪 4 5 0 3 x 5 0 4 x 5 0 23 9 8 1 5 7 石 55 0 5 5 0 2 5 0 0 3 3 01 3 0 场? 65 0 2 x 5 0 3 x 5 0 23 2 81 3 0 平均值 3 5 71 4 1 表2 1 11 0 2 0 r a m 碎石物理力学性能试验 试验项目试验结果试验方法筛分试验 表观相对筛孔尺寸分计筛余累计筛余通过率试验 密度( g c m 3 1 2 8 5 5t 0 3 0 4 2 0 0 0 ( m m ) f )( )( ) 方法 毛体积相对 密度( g c m 3 、 28 3 6t 0 3 0 4 2 0 0 01 6 03 23 29 6 8 压碎值( ) 】6 2t 0 3 1 6 2 0 0 01 3 25 0 45 3 47 0 9 t 0 3 0 2 沥青粘附性四级t 0 6 1 6 2 0 0 09 54 5 69 9 0 2 5 9 2 0 0 0 最大粒径 1 94 7 50 69 9 6 0 4 ( m m ) 表2 1 25 - 1 5 r a m 碎石物理力学性能试验 试验项目 试验结果 试验方法筛分试验 表观相对密 2 8 5 0t 0 3 0 4 2 0 0 0 筛孔尺寸分计筛余累计筛余通过率试验 宣( g c m 3 )( m m )( )( ) ( ) 方法 毛体积相对 2 8 1 8t 0 3 0 4 2 0 0 09 51 5 71 5 88 4 2 密度( g c m 3 ) t 0 3 0 2 最大粒径 1 3 24 7 57 3 78 9 51 0 5 2 0 0 0 ( m m ) 2 3 69 99 9 40 6 表2 1 30 3 r a m 石粉物理力学性能试验 试验项目试验结果试验方法筛分试验 表观相对密 2 8 4 3t 0 3 2 8 2 0 0 0 筛孔尺寸分计筛余累计筛余 通过率试验 1 宣( g c m 3 )( m m )( )( )( ) 方法 含泥量( ) 0 4t 0 3 3 3 2 0 0 02 3 60 _ 30 39 9 7 最大粒径4 7 5 1 1 82 5 72 6 07 4 0 0 6 02 55 1 04 9 0 t 0 3 0 2 0 31 5 5 6 6 5 3 3 5 2 0 0 0 o 1 51 0 97 7 42 2 6 0 0 7 54 58 1 9 1 8 1 对现场石料进行了抗压强度和筛分等试验，试验结果见表2 1 0 表2 ：1 3 。 2 1 3 3 沥青混合料集料级配设计 树脂改性半刚性面层复合材料的配合比设计是在总结国内外试验研究的基础 上，根据国内的实际情况，按体积指标来进行级配设计。为保证开级配沥青混合 料母体的空隙率，沥青用量较低，通常为3 5 4 5 ，可根据集料的比表面确定。 由于开级配沥青混合料母体的空隙主要由树脂改性水泥砂浆填充，对沥青没有特 殊要求，一般采用重交通道路沥青，沥青的针入度在4 0 1 0 0 之间。由前面所做沥 青的三大指标试验表明，泰普克重交通沥青a h 7 0 满足树脂改性半刚性面层复合 材料沥青混合料母体的要求，故采用该沥青。 根据国外树脂改性半刚性面层复合材料集料级配和试验情况，压实后的开级 配沥青混合料母体的空隙率为2 5 3 5 ，其空隙由树脂改性水泥砂浆填充。开级 配沥青混凝土的级配主要由粗集料组成，细集料含量较少，其集料参考级配见表 2 1 4 。 由国外推荐沥青混合料集料级配组成可知，粗集料所占比例达到7 0 以上， 形成一定的骨架结构，细集料只占3 0 以下，主要形成的是“骨架一空隙”结构。 细集料的粒径不能太大，否则会导致粗骨架空隙尺寸无法容下细集料而使粗骨架 被挤开，从而影响沥青混合料母体的稳定性。沥青混合料母体空隙率在2 5 3 5 之间，为了更好的满足以上条件，采用标积法来设计母体沥青混合料。 表2 1 4 国外推荐沥青混合料集料级配组成 序号 筛孔尺寸r a m )通过率( ) l1 91 0 0 21 3 25 4 - 7 6 39 53 8 6 0 44 7 51 0 2 6 52 3 68 1 6 60 64 1 0 70 0 7 51 3 空隙率( ) 2 5 - 3 5 用体积法设计思想进行沥青混合料配合比设计的步骤可用流程图2 1 表示【8 1 ， 选定材料，测定材料的表观密度和粗集料紧装密度 确定设计空隙率 确定粗集料的级配与类型 测定主骨料的空隙率 根据比表面计算沥青用量 根据材料级配和推荐级配确定材料配比 根据常温马歇尔确定最佳沥青用量 沥青混合料配比检验 合格 确定目标配合比 不合格 图2 1 体积法设计母体沥青混合料流程图 按照表2 1 4 推荐的开级配沥青混凝土的碎石级配组成及体积法设计步骤，按 4 3 0 左右的空隙率进行多次试葩，得到本文推荐的集料级配组成见表2 1 5 1 ”。 表2 1 5 本文推荐的集料级配组成 筛孔尺寸( m m ) 规格名配合比 1 91 3 29 54 7 52 3 60 60 0 7 5 称 ( ) 原材料通过率 ：) 级配 1 0 - 2 0 m5 41 0 0 04 6 61 00 30 3 o _ 3o 2 5 1 5 m m