（道路与铁道工程专业论文）北方沥青路面低温抗裂性研究.pdf

摘要 沥青路面在寒冷季节丌裂是一世界睦难题，在我田北方地区办处处可见。这 种温度裂缝通常都是有规则间距的横向裂缝，大多在路面经受一个冬季的低温就 有出现。裂缝的出现会使水进入到路面结构中，导致路面结构承载力和使用寿命 的降低。 本文在分析沥青路面的低温丌裂机理和丌裂影响因素基础上，通过对比分 析，选择了适宜的试验方法及抗裂性指标，然后进行大量室内试验，通过试验结 果分析总结，提出了改善抗裂性的措施。 由试验结果分析可知，s b s 改性沥青与大标号沥青均具有较好的低温抗裂性 能；在沥青路面层问铺设应力吸收层可以有效减少沥青路面低温开裂。 关键词：沥青路面温度裂缝低温抗裂应力吸收层 a b s n a c t t h c 肌a lc 柏曲go f 鹤p h a np a v e m e n t si nc o l dd i l n 越i saw i d e s p a dp i d b 忙m a m u n dt b cw o n da n dh a sb c e no b s e r v c di nm o s to fn 删h c mc h i n a t h et h e n n a l c m c l 【j n gi sm a n i f e s t e d 鹕n a n s v e 侣ec 协c 】( sc x t 蛐d i n g 舵f o 鹦t h cp a v e m 朋t 蛐r f 峨 a p p e a r j h ga f t c rac o l dw t h 盯“c mw i t ha p p r o x i l n a t e l yf c g i l l a fi n t e a lb c m n 啪c k s t h ec m c r g c n o ft h ec r a c bw n lm a k cw 咖r 砌l t r a t et l l ep a v 咖e n ts t 八i c t u 此 扑dr e s u l ti nd e 口e a s ei np a v e m e n ts t n l d u r a l p a d t y 锄d p a v 啪e n ts c f v i l i f c t h i sp a p c r 越a l y z c dt h em c c h 柚i s mo ft h cl o w 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缩裂缝及反复升温降温引起的温度疲劳裂缝，在我国的东北、华北和西北处处可 见。 我国高等级公路的沥青路面结构形式单一，绝大多数都采用了水泥稳定粒料 或二灰稳定粒料等半刚性材料作为路面基层( 厚度较厚，一般在3 0 c m 以上) ， 沥青混凝土作为路面面层( 1 0 1 6 锄) 。长期以来，人们普遍认为半刚性基层的 最大优点是板体性强，有很高的承载能力。强基薄面思想及半刚性基层的造价低 廉，使半刚性基层沥青路面得到广泛使用。 当半刚性基层开裂以后，在沥青面层与半刚性基层层间的裂缝处形成一个薄 弱点，在使用过程中，由于荷载应力与温度应力的共同作用下，在该点的沥青面 层底部产生应力集中，引起沥青面层底部开裂。随后，在行车和大气因素的反复 作用下，裂缝逐渐向上扩展，直至路表面。国内已建高速公路使用调查表明，不 论南方还是北方，半刚性基层沥青路面通车后一年最迟第二年均出现了大量裂 缝，裂缝率最高达6 4 0 i n 1 0 0 0 m 2 ，现场钻芯取样观察表明，裂缝中有5 0 以上是 半刚性基层先裂而导致沥青面层开裂的反射裂缝。 综上所述，温度裂缝主要包括三种：气温骤降引起的温缩裂缝、温度疲劳裂 缝和温缩型反射裂缝。 裂缝本身对沥青面层使用性能影响不大，但裂缝一经出现，水分便乘机而入， 水分的侵入不仅会冲刷基层，造成唧浆，而且还会渗入底基层，软化底基层甚至 土基，使得整个路面结构承载力下降，引起路面的进一步开裂、病害迅速恶化， 导致沥青面层结构出现早期破坏，大大缩短路面结构的使用寿命。 温度裂缝在世界各国寒冷地区是很普遍的现象，在我国北方地区也是一样。 在低温条件下，裂缝的产生是难以避免的。如何减少温度裂缝的数量、延缓或抑 制温度裂缝的扩展，从而避免路面出现早期破坏、提高路面的使用质量、延长路 面的使用寿命、减少道路的维修费用，是世界性的难题。 1 2 国内外研究概况 关于因温度变化引起沥青路面开裂问题的研究始于二十世纪六十年代，但直 到今天国内外工程界仍然十分关注这个领域的研究与发展。从已有的成果来看， 早期的工作主要集中在低温开裂方面，重点是温度应力的计算方法以及沥青混合 料低温抗裂性能的试验研究。关于沥青路面温度疲劳开裂的研究始于2 0 世纪7 0 年代。当时，在西德克萨斯的沥青路面中发现大量的裂缝，而这一地区的气温并 不太低，于是，美国道路工作者对这一地区的环境、气候、路面对温度的敏感性 及路面开裂机理等方面的问题进行了一系列的研究。研究成果使得人们认识到， 开展沥青路面温度疲劳开裂的研究具有非常重要的工程意义及学术价值。二十世 纪八十年代后期至九十年代初期，许多国家致力于旧路改造方面的工作，由于旧 路的裂缝很易向上反射，因此，温缩型反射裂缝的研究受到了前所未有的重视。 2 在低温开裂研究方面，关于温度收缩应力计算模型与方法，影响最为深远的 研究应首推h 订l s 和b r i e n 的工作。他们假设路面为一无限长的受约束条带，采 用准弹性梁的力学模型提出了著名的路面温度应力近似计算公式： ，l 口( l ) t 罗口( t 矗( f ，t ) t ( 1 2 1 ) 百 式中：口( t ，卜一表示在一定的降温速度下，温度从t 0 降至t ，时的累计温度应力； 口( t l 表示沥青混合料随温度t 而变化的温度收缩系数： t 0 初始温度： t ，降温终了时的温度； s ( 出，t ) 表示温度为t ，加载时间为| 时，沥青混合料的劲度模量； a t 表示对变温过程进行离散时的温度间隔； 尽管式1 2 1 对沥青路面温度应力的计算作出了重要贡献，但所存在理论性 上的不足也是不容忽视的，其中，最根本的问题是式1 2 1 所采用的劲度模量， 即一种蠕变试验的割线模量，认为沥青混合料的应力应变关系基于一种准弹性假 定，而事实上沥青混合料是一种热粘弹性材料，温度应力在其产生与发展的过程 中必然存在应力松弛现象，式1 2 1 无法考虑这一因素，必然会对温度应力的计 算结果产生一定的影响。随着研究工作的不断深入，人们对于沥青混合料热粘弹 性本构关系的定量描述越来越准确。国内外学者进行的大量研究，发现在低温状 态下沥青混合料的粘弹性本构关系可以用b u r g e r s 模型表征；也有些采用广义 m a x w e l l 模型描述。通过对时间一温度相关性的研究，结果表明，沥青混合料在 相当宽的温度范围内均表现出热流变简单材料的特征，由此有了著名的耽f 公 式，用以计算表征沥青混合料时间一温度转换关系的移位因子a ，。温度收缩系 数亦是温度收缩应力计算的重要参数。 目前，关于沥青路面低温开裂的判断，主要采用低温开裂温度。到目前为止， 在进行低温开裂温度预估的研究中，大多数温度开裂的判据建立在一个简单的概 念上，即认为当降温引起的温度应力上升到沥青混合料的抗拉强度时，路面便会 发生低温开裂。近年来，虽然许多研究都采用模拟沥青混合料粘弹性特性的方法 进行降温过程温度应力的计算及路面开裂温度的预估，而且在表征沥青混合料粘 弹性响应的数学模型上各有差异，但本质上都是通过温度应力与抗拉强度的比较 来定义低温开裂破坏。在美国s h r p 的研究中，不仅研制了能模拟不同降温过程、 有较高试验精度的约束试件温度应力试验仪( t s r s t ) ，规范了相应的试验方法， 3 并且开发了全套试验数据处理与分析软件，进行了大量的试验验证。因此，如果 采用直接法进行沥青路面开裂温度的预估，t s r s t 试验是最为可靠的方法。 温度疲劳开裂是由于路面温差循环所致。直接测定沥青混合料对于温度循 环产生的疲劳响应，可避免以力学理论为基础的研究所必不可少的材料性能的假 设，然而，m a j i d z a d e h 却对这种以唯象学为基础的研究提出了异议，认为其不 能考虑初始缺陷和裂缝的扩展以及由此引起的层状体系的应力重分布情况，而初 始裂缝及扩展规律的差异在温度疲劳寿命的预估中有重要影响。自1 9 7 6 年 m a j i d z a d e h 提出可以通过线弹性断裂力学对沥青路面的疲劳损伤过程加以描述 后，越来越多的学者应用断裂力学的方法来研究温度疲劳开裂。1 9 8 5 年， a b d u l s h a f i 和m a j i d z a d e h 进一步提出了能量释放率j l 。的概念，以描述沥青混 合料的抗裂特性并用以进行路面温度疲劳寿命的预估。 由于反射裂缝对沥青面层造成破坏的严重性与广泛性，自2 0 世纪7 0 年代以 来国内外的道路工程界对于反射裂缝的研究一直十分活跃。其目的，一是为了系 统地揭示反射裂缝产生的力学机理，二是为了寻求阻止反射裂缝发生、发展的方 法与措施。在进行反射裂缝研究时主要是考虑基层或旧路面裂缝的存在对沥青面 层力学响应的影响，因此，一般都以带裂缝的层状结构为研究对象。然而，由于 裂缝的存在，采用解析法求解难以实现，故大多采用有限单元法或其他数值方法 进行分析计算。在选取力学模型时有的以断裂力学为基础，有的以热弹性力学为 基础，也有的以粘弹性力学为基础。在对裂缝进行简化处理时，有的采用尖裂缝 模型，有的采用钝裂缝模型。七五”期间，为了了解交通荷载和温度荷载作用 下半刚性基层裂缝扩展规律以及阻裂措施机理，长沙交通学院利用线弹性断裂力 学理论与方法，结合光弹模型试验，进行了较系统的研究。 目前，对沥青路面低温开裂的研究尚在进行中。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、结构层层间联结状态、 不同抗裂措施等因素对影响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。美国s h r p 的研究计划启动后，将温度变化引起沥青 路面开裂问题的研究全面推进到了一个新的阶段。在该计划中，对于温度应力的 测定、温度开裂的预估、试验与分析仪器的开发以及低温开裂和温度疲劳开裂等 方面问题进行了广泛的研究；目前，正在致力于开发应用这些方法与手段对沥青 混合料的低温开裂与温度疲劳开裂有关性能进行评价的分析系统。关于沥青路面 4 断裂分析，包括线弹性断裂力学分析、疲劳断裂力学分析、粘弹性断裂力学分析 等几方面工作，每方面的工作均有些问题需进一步深入研究。如何认识沥青路 面的低温丌裂机理、阻止或延缓裂缝的发展，延长沥青路面使用寿命，仍然是世 界性的难题。 1 3 研究思路及内容 根据北方地区的气候特点，本课题通过分析沥青路面的低温开裂机理和开裂 影响因素，选择适宜的抗裂性指标，进行室内试验分析，提出抗裂性措施并铺筑 试验路进行验证。主要研究内容如下： 1 、沥青路面低温开裂机理分析； 2 、沥青路面低温开裂影响因素分析； 3 、沥青结合料及沥青混合料低温抗裂性指标的分析与选择； 4 、沥青结合料低温性能的试验研究； 5 、沥青混合料低温性能的试验研究； 。 6 、抗裂试验路研究。 5 第二章沥青路面低温开裂的理论分析及常用抗裂措施 2 1沥青路面低温开裂机理 2 1 1 由温度骤降出现的横向收缩裂缝 位于路面面层的沥青结构层，直接受到气温变化的影响，当温度下降时，沥 青面层就会产生收缩变形。但和水泥混凝土路面不同，沥青路面没有设收缩缝， 于是这种变形会受到基层对面层的摩阻力和路面无限连续板体对收缩变形的约 束作用，使沥青面层内部产生拉应力。如果这个拉应力等于沥青混凝土的极限强 度，那么微裂缝就会出现在面层表面。在更低的温度或温度反复循环的作用下， 微裂缝逐渐向下扩展，贯穿整个沥青面层。 沥青混凝土具有应力松弛性能，当给沥青混凝土一定的应变时，由此产生的 应力会随时间延长而松弛，在一般的温度范围内，由温度降低而产生的拉应力， 会由于应力松弛而使拉应力减小，将不产生出现裂缝那么大的庞力。可是当出现 寒流或寒潮时，过快的降温速率将使路面内的应力来不及松弛，出现过大的应力 积累。与此同时，由于温度降低，沥青混合料的应力松弛模量逐渐增大，应力松 弛性能降低，导致应力积聚过大，待温度应力积累到超过沥青混合料的极限抗拉 强度时，路面就将出现裂缝，以便将应力释放出去。因此温缩裂缝往往并不发生 在当地的极端温度条件下，而经常大量发生在寒流或寒潮到来的时间里。例如在 我国北方，1 1 月份是一年之中首次出现寒冷的月份，沥青路面经常会在寒流到 来的一夜之间出现大量的温缩裂缝。 也就是说，温缩裂缝是由于温度骤降，混合料的应力松弛性能赶不上，温度 下降产生的应力超过了材料的极限抗拉强度。或者说，在通常温度条件下，沥青 混合料的劲度较低，气温下降后，材料的应变能力急剧降低，导致材料的劲度模 量急剧增大，超过了产生开裂的极限劲度，便产生开裂。这种情况在沥青面层与 基层粘结力不好，允许有一定自由收缩时更易发生。 由于降温来自于冷气流，路表温度肯定低于路面内部温度，温缩裂缝当然是 从表面开始的，这在6 0 年代国外的大量调查中已经得到证实。当温度下降时， 因为沥青路面的表面温度比底面低，本来应该是表面产生压应力、底面产生拉应 。力，可是实际路面中沥青混凝土层与路面基层紧密粘着，不能自由翘曲，因此在 表面出现了拉应力，在底面出现了压应力，这些应力与其他应力相叠加，就会在 表面出现更大的拉应力，一般认为这是表面出现裂缝的主要原因。 6 另外，接近表面的沥青比内部沥青更易老化，表面沥青混合料的极限拉伸应 变小，应力松弛性能差，这也是表面产生裂缝的一个重要因素。 路面丌裂以后，温度继续下降便有了自由收缩的可能，此时裂缝宽度将会增 加。但是由于沥青面层与基层之间有联结，实际上收缩不是自由的。以后随着使 用年限的增加，沥青混合料的劲度模量也同时增大，所以还会产生新的裂缝，从 而裂缝间距缩短，裂缝不断加宽，开裂越来越严重。 2 1 2 温度疲劳裂缝 产生低温裂缝的沥青屁凝土层，春天气温回升时裂缝弥合，到了冬天，沥青 混凝土层再次出现收缩，若与基层摩擦力小，在实际收缩时，裂缝就变宽了；若 与基层摩擦力大，新的裂缝便会产生，裂缝数量也将增加。这是由于温度疲劳循 环的作用所造成的除了年循环温度疲劳作用以外，温度的日循环、短时间内的 温度循环，冷热交替，都能在混合料内部出现疲劳损坏现象。 既使没有发生开裂的路面，温度反复升降循环产生的温度应力作用，同样会 使路面开裂。由于温度应力的疲劳作用使沥青混合料的极限拉伸应变变小，又加 上沥青老化使沥青劲度增大，应力松弛性能下降，故温度疲劳裂缝可能在比一次 性降温开裂温度高的温度下开裂，所以温度疲劳裂缝可能发生在冬季最低气温并 不太低的地区，同时裂缝随着路龄增加而不断增加。 2 1 3 反射裂缝 由于水泥、石灰等稳定粒料类半刚性基层的收缩( 温缩和干缩) ，或者由于 已经开裂了的半刚性基层在裂缝部位的应力集中与沥青面层的低温收缩、荷载作 用产生的综合作用，使裂缝产生较多。这些裂缝实际上是沥青面层温缩裂缝和半 刚性基层收缩裂缝反射作用的综合裂缝。 单纯的路面反射裂缝是由于沥青面层下的基层已经开裂，裂缝处的应力集中 现象使交通荷载产生在面层下部的拉应力比没有裂缝的部位要大，容易超过沥青 混凝土的极限强度，致使沥青面层跟着开裂。 在冬季低温下，当基层开裂后，由于基层失去抵抗拉应力的能力，就在开裂 位置将应力传递给面层，形成面层在开裂处的应力集中。而且在低温下，沥青面 层的劲度模量较大，它仅能承受较小的温度应力，因而极易产生反射裂缝，此时 如果再加上偏荷载主拉应力的作用，其应力值就可能超过材料的极限强度，从而 使面层发生开裂。交通荷载作用下的主拉应力( 或剪应力) 和温度变化下的收缩 应力是反射裂缝形成的主要原因。 7 2 1 4 冻缩裂缝 冻缩裂缝主要是路基冻胀及收缩产生的开裂。表面看来，它可以一直延伸到 路基范围之外的田野里，或者本来就是路外开裂延伸到路上的，其裂缝宽度大， 深度也深。这种开裂在路面与路肩交界处最常见。如果设置防冻层，冻缩裂缝可 以得到一定程度的缓解。 2 1 5 综合原因造成的横向裂缝 在我国，横向裂缝是高速公路最主要的裂缝形式。为了搞清楚发生横向裂缝 的原因，不少单位都进行了调查研究，但具体看法上一直存在着严重的分歧。一 种意见认为横向裂缝都是( 或大部分是) 沥青面层的温缩裂缝：另一种看法认为 主要是半刚性基层收缩裂缝所引起的反射缝。 在我国高速公路半刚性基层沥青面层上出现的横向开裂，是由沥青面层本身 的低温收缩开裂、半刚性基层收缩裂缝的反射性开裂及路基土壤收缩引起的开裂 等许多复杂的情况引起的，具体情况必须具体分析。在大多数情况下，则是多种 原因综合作用造成的。这些裂缝基本上都属于非荷载型裂缝。 之所以说是多种原因综合作用的结果，是因为这些裂缝主要发生在急剧降温 的过程中，首当其冲的沥青面层内当然要产生很大的温度应力，它是造成开裂的 一个直接的主要原因。另一方面，如果铺筑在柔性基层上，或者下边有级配碎石 过渡层，仅仅沥青面层的温度应力还不一定达到开裂的程度。但如果下面是半刚 性基层，则其本身也将产生较大的收缩c 干缩与冷缩的叠加) ，它将使沥青面层 的拉应力增大，易造成开裂。如果半刚性基层已经有了裂缝，沥青面层的温度应 力将在基层的裂缝部位形成很大的应力集中，从而使沥青面层的温度应力明显增 大，在裂缝部位或其附近首先开裂。 总之，非荷载型裂缝大都为横向裂缝，主要是由于迅速降温及温度循环反复 作用在路面沥青层产生的温度收缩裂缝以及由于半刚性基层收缩开裂产生的反 射性裂缝，而绝大部分裂缝是多方面原因共同作用而产生的。 2 2 沥青路面低温开裂的影响因素 就沥青路面的温度裂缝而言，裂缝的发生与沥青结合料和沥青混合料的低温 抗裂性能直接相关，提高沥青及沥青混合料的质量对于减少横向裂缝有极为重要 的影响。 综合国内外的调查研究，影响沥青面层温度裂缝的因素主要有： 8 2 2 1 材料因素 1 、沥青 ( 1 ) 油源 不同油源决定着沥青性质己为世界所公认。大量的横向裂缝与沥青的油源有 关。在山东寿光及通县试验路上，单家寺沥青混合料路段的横向裂缝或旧路开裂 反射缝远少于胜利沥青混合料路段，甚至很多年一条裂缝都没有。稠油沥青在低 温时能承受较大的拉伸应变，有较低的劲度模量，所以抗裂性能要高得多。选择 稠油束炼制沥青，是减少沥青路面横向裂缝最重要的措施。 ( 2 ) 温度敏感性 众多的研究表明，单用某一个温度条件下的稠度或粘度指标都不足以评价沥 青结合料的低温抗裂性能，无法估计横向开裂的多少。低温抗裂性影响较大的是 其温度敏感性沥青受温度影响丽发生性质变化的程度称为做沥青的温度敏感 性，简称感温性。 ( 3 ) 劲度 沥青混合料的低温劲度是决定是否发生开裂的主要因素，而沥青劲度是决定 沥青混合料劲度的关键，因此国外已经提出了一些沥青劲度的限值。美国宾州试 验路的结果证实，横向裂缝与沥青的劲度相关性最好。 ( 4 ) 针入度 当温度敏感性相同( 或者油源相同) 时，针入度大的沥青有较低的劲度模量， 比硬沥青的路面裂缝少。仅仅在表面采用软沥青，中下层采用硬质沥青，并不能 完全排除温度裂缝。 ( 5 ) 延度 低温延度与开裂有一定关系。美国从宾州试验路结果得出结论：开裂与1 5 延度有关，并建议将1 5 延度( 1 r ) t 后) 标准从1 5 锄提高至3 0 c m ，以减少 裂缝。 ( 6 ) 老化 沥青的老化是由轻质油分的挥发、沥青的氧化分解等引起的。前联邦德国的 研究结果表明，当软化点因老化而升高至5 4 5 6 时，表层将开裂，软化点越 高，裂缝率越大很显然，沥青在使用期的老化越严重，劲度越大，裂缝出现越 早。 ( 7 ) 含蜡量 9 沥青中含蜡量的增加，会使拉伸应变减小，脆性增加，温度敏感性变大，从 而引起横向裂缝增加。 2 、沥青混合料 ( 1 ) 沥青用量 沥青用量对沥青混合料的劲度有影响，但圣安妮试验路结果表明沥青用量在 最佳用量的+ 0 5 1 0 范围内波动时，对开裂率无明显影响。另外，沥青增加， 混合料的应力松弛性能提高，但其收缩性也变大，二者互有抵消。 ( 2 ) 矿料组成级配 北海道大学的调查认为，间断级配及密级配的中粒式沥青混凝土比沥青砂和 细粒式沥青混凝土的裂缝多。但总的来说矿料级配与路面横向开裂频率的关系不 甚密切。 ： ( 3 ) 集料品种 。 使用耐磨性好、与沥青粘附性好、吸水性小的集料，沥青混合料会具有较高 的低温强度，路面开裂也少。 ( 4 ) 空隙率 路面的压实度、空隙率、渗透性，本身与路面的低温开裂无显著关系。但空 隙率大的路面易老化，使混合料劲度增大，易开裂。 2 2 2 环境因素 1 、气温 降温是产生沥青路面温度裂缝的最直接起因。当路表温度降低到路面材料的 脆化点温度之下，并且持续一段时间，裂缝的出现就难以避免。气温越低，沥青 路面就越容易产生温度裂缝。 2 、温度梯度( 温度差) 沥青面层顶部与底部的温度差越大，产生的温度应力越大，路面也就越容易 发生开裂。温度梯度在春季和秋季达到最大。降温速率、风速和太阳辐射影响温 度梯度的大小，调查表明，在立交桥下或防风林带的裂缝较少，处于风口的裂缝 较多。 2 2 3 路面结构 “ 1 、路面宽度 现场调查结果表明，窄路面比宽路面的温度裂缝间隔小，7 m 宽的中等道路 的初始裂缝间距为3 0 m ，而宽度为1 5 3 0 m 的普通机场路面的初始裂缝间距大 1 0 于4 5 m 。随着路龄的增长，更多的裂缝产生，裂缝间距的差异就不那么明显了。 2 、面层厚度 山东寿光及通县试验路的调查结果表明，沥青面层厚度不如沥青性质重要。 采用质量好的单家寺、沥青，较薄的面层的横向裂缝可能很少甚至没有，但采用质 量不好的胜利沥青时，即使很厚，裂缝亦大量发生。使用相同的沥青时，厚度大 的比薄的裂缝率小。 3 、层闻粘结 使用透层油束增强面层与基层问的粘结，可以减少温度裂缝。 4 、基层的影响 半刚性基层较之柔性基层热容量小、与沥青面层的附着性能差( 透层油的渗 透深度很浅，甚至根本没有透下去) ，尤其是本身收缩( 干缩、温缩) 的附加影 响，横向裂缝要多些。基层与面层的附着性能差，将使面层有一定自由收缩变形 的可能性，混合料的应力松弛性能得不到充分发挥，温度应力无法传递到基层中x 去，而在面层内部积聚，容易产生开裂。当半刚性基层已有收缩裂缝时( 往往是 难以避免的) ，在裂缝处将造成应力集中从而使面层的温度裂缝容易在这里发生 并上下汇合 5 、土基的影响 设置在砂土层上的路面温度裂缝较多。而粘土、亚粘土的则好些。 2 2 4 其它因素 1 、应力集中的影响 路面开挖调查可以发现，温度开裂时粗集料也会发生破断。沥青混合料的低 温抗拉强度一般在4 5 m p a 以上，石料的抗拉强度往往高达1 4 m p a ，这说明裂 缝扩展时应力集中的影响。除了基层裂缝的影响外，温度裂缝总是先发生在路面 内某一薄弱的部位，如沥青层边缘、施工缺陷、碾压不好的接触界面、压碎集料 的微裂缝、道路的雨水井、检查孔、取样钻孔的回填部位以及路标线处浅色路 标线的收缩系数一般达( 6 1 2 ) 1 0 - 5 ，很容易先发生横向开裂。 2 、路龄 温度裂缝随路龄不断增加，缝宽加大，裂缝间距缩短。这是由于沥青老化、 劲度增大、极限拉伸应变减小及温度反复作用疲劳的结果。 3 、交通量 由于温度收缩裂缝主要是温度所引起的，所以在交通量小的慢车道、路缘带、 1 1 自行车道、人行道均有发生。由于荷载的搓揉压实，交通量大的路段温度裂缝开 始可能较少，但随路龄的增长，车辆荷载的反复疲劳作用将使裂缝增长加快，缝 距缩短。 4 、施工裂缝 施工时，高温下用钢轮碾压低劲度的沥青面层会产生横向微裂缝。事后可能 在这些微裂缝处出现温度裂缝。 2 3 沥青路面低温抗裂的常用措施 2 3 1 选择合适的材料 1 、沥青 使用不易过度老化的、较软的、温度敏感性小的沥青或改性沥青 2 、集料 沥青混合料中的集料应选用表面粗糙，耐磨性强、与沥青粘附性好、吸水率 小的石料。 2 3 2 设计利于抗裂的路面结构 1 、面层厚度 增加沥青面层厚度，可有效地减少沥青面层的低温缩裂，而且能减缓半刚性 基层裂缝的向上扩展速度。但是沥青面层太厚，不仅在经济上不合算，还可能导 致车辙严重。 2 、基层及土基类型 采用柔性基层或摩擦系数大、粗糙的基层，土基为粘性土时，对沥青路面开 裂都有减轻的趋势。 2 3 3 优质施工 1 、加强层间粘结 施工时合理安排工序，防止层问污染；透层油的透层效果也影响着面层与基 层之间的粘结力。层间粘结越好，越有利于抵抗低温开裂。 2 、合理碾压 充分碾压路面，使路面的空隙率小一些，能减缓老化。慎用钢轮压路机，采 用合理的碾压工艺，减少碾压微裂缝。 2 3 4 半刚性基层的抗裂措施 1 、强度不易过大 半刚性基层的组成中应有较多数量的粗集料，而且无机结合料的剂量也不能 太高，有一个适当的强度很重要，强度过大可能导致收缩裂缝增加，使路面横向 裂缝严重。 2 、施工连贯 半刚性基层施工时含水量不能太大，并有良好的养生，沥青面层施工与基层 施工在同一年进行可以减少基层的开裂，否则沥青路面的反射裂缝就多。 3 、预裂 基层预切缝方法是在铺沥青面层前将半刚性基层按一定间距设置预锯缝，且 设法让这种裂缝仅保留在基层，而不反射到面层。它的防裂原理主要是通过锯缝 改善基层约束条件，从而在一定程度上释放温度应力来达到防裂目的。同时，在 锯缝处铺设一定宽度土工织物，既起到了防渗作用，又在一定程度上缓解了裂缝 处沥青面层应力集中，从而延缓或消除了面层反射裂缝的产生基层采用预锯缝 来减少沥青面层反射裂缝的措施在国外工程实践中有一定的应用。如德国1 9 8 6 年设计规范规定：当沥青面层厚度小于或等于1 4 c m 时，基层厚度不管多大，只 要基层抗压强度不大于1 2 m p a ，基层必须预切缝；前苏联指出：为了避免薄沥 青面层下水泥稳定土基层产生不规则的紊乱的裂缝反射到沥青面层上，也为了减 少裂缝的破坏作用，建议在水泥土基层上每隔8 m 1 2 m 作一假缝，深6 c m 8 锄， 缝宽i o m m 1 2 咖。 我国许多地区都曾采取过预锯缝做法，发现在预锯缝的近旁仍然开裂，裂缝 并未减少。所以采用预锯缝措施必须慎重 4 、设置夹层 在半刚性基层沥青路面层间( 通常为基层与面层之间) 设置夹层来延缓沥青 路面出现裂缝是比较有效地做法。 ( 1 ) 级配碎石层 具有一定厚度的优质级配碎石层在很大程度上能够防止和减少半刚性基层 反射裂缝，同时级配碎石层还具有排水功能。级配碎石层具有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 的半刚性基层运动消散掉。目前国内将级配碎石作为半刚性基层与沥青面层之间 的中间层设置尚不多见，在美国、澳大利亚以及南非，级配碎石中间层作为减少 沥青路面反射裂缝的措施已有应用，且效果较好。 ( 2 ) 土工织物或隔栅 在半刚性基层顶面与沥青面层之间铺设土工布、隔栅等加筋材料，可以延缓 或减少半刚性基层中的裂缝反射到沥青混凝土面层中，相应延长沥青路面使用寿 命，经室内外试验证明是一种切实可行的措施。这些土工合成材料所发挥的力学 效应主要包括：裂缝进入沥青混凝土面层后，土工合成材料通过桥联作用，保证 开裂断面具有一定的抗弯拉能力，减少裂缝张开变形，降低裂缝尖端的拉应力集 中；通过增强裂缝表面骨料的嵌锁咬合作用，提高开裂断面抗剪切传荷能力，降 低裂缝尖端的剪应力集中；土工布之类材料可发挥隔离、软弱夹层的作用，增大 基层内的垂直裂缝沿界面向水平方向发展的可能性，从而延缓裂缝反射到路表的 时间。土工织物，隔栅中间层在国内外的应用较多，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温缩严重的情况效果不大，此外其防裂 效果可能较短暂。 ( 3 ) 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的，采用低模量的中间夹层却是可以实现的。采用的中间夹 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 国外曾采用s b s 和e v a ( 乙烯醋酸乙烯) 橡胶沥青应力吸收中间层防止反 射裂缝，证明其在减少和延缓反射裂缝方面具有一定效果。s 仃a t a 系统是美国 l ( o c h 公司专门针对反射裂缝而开发的一种应力吸收层，其胶结材料采用高弹性 的聚合物沥青材料，集料最大粒径为9 5 m m ，混合料弹性模量较低，承受变形的 能力较强。武黄高速公路在国内首次大面积地引进了s t r a t a 应力吸收层系统，其 防裂效果显著。 第三章沥青路面低温抗裂性指标分析 3 1 沥青结合料低温抗裂性评价指标 自2 0 世纪6 0 年代加拿大率先对沥青混凝土面层的低温收缩歼裂进行系统调 查研究以来，路面抗裂与材料低温性能指标一直是国际道路学术界的重要研究内 容。针对沥青路面温度开裂问题，各国铺筑了许多试验路，研究影响温度开裂的 因素，得出的主要结论足，沥青本身的特性是影响沥青路面低温开裂的主要因素， 通过研究提出了评价沥青低温性能的指标，如：沥青针入度、劲度、针入度指数 p i 、针入度粘度指数p i n 、低温延度、弗拉斯脆点、沥青结合料弯曲蠕变试验( b b r ) 的极限劲度模量s 和蠕变速率m 值、直接拉伸试验( d t t ) 破坏时的极限拉伸应 变e 等。 3 1 1 沥青的低温针入度 日本名神高速公路调查表明，当回收沥青针入度降低到一定程度时，路面的 一 开裂就难以避免。这说明沥青的针入度，尤其是老化以后的针入度与沥青路面的 抗裂性能关系是很密切的。 沥青针入度的标准测定条件是2 5 、l o o g 、5 s ，评价其低温性能时较低温度 的针入度价值更大，如5 针入度与沥青混合料脆化点温度的相关性较好；芬兰 1 9 9 2 年完成了历时5 年耗资1 3 0 0 万美元的a s t o 沥青研究计划，提出了以一5 针入度值作为低温抗裂性能指标。 由于沥青的低温针入度太小，测定比较困难，不利于推广使用。现在国际上 对1 5 针入度比较重视，澳大利亚1 9 8 0 年在将沥青标准由针入度分级修改为粘 度分级时，已经将针入度的标准测定条件由2 5 、l o o g 、5 s 改成1 5 、2 0 0 9 、 6 0 s 。美国s h r p 报告a _ 3 9 9 中提出，不管是原样沥青( 未老化的) 、t f o t 残留沥 青( 经短期老化) ，还是p a v 残留沥青( 经长期老化) ，其1 5 针入度与反映沥青 混合料低温开裂性能的约束试件温度应力试验( t s r s t ) 的冻断温度之间有良好的 相关关系，1 5 针入度越大，抗裂性能越好。 3 1 2 沥青的感温性指标 沥青路面要经受一年四季的考验，人们都希望夏天沥青要硬一些、不发软， 冬天要柔韧一些、不发脆。事实上，沥青总是夏天软冬天脆，只不过程度不同而 己。表征沥青随温度而发生性质变化幅度的指标就是感温性指标。通常认为，沥 青的感温性越小，其路用性能越好。 1 ，针入度指数p i 这是最常用的感温性指标。它有不同的计算方法，如用 2 5 针入度和软化点来计算，或用2 5 针入度和弗拉斯脆点来计算，或用不同 温度的针入度来计算，以及用软化点和0 2 p a - s 等粘温度来计算。 对于蜡质沥青，用软化点和弗拉斯脆点计算p i 是不适合的，因为软化点时 的针入度和弗拉斯脆点时的针入度与计算假设值( 8 0 0 和1 2 ) 并不一致我国 经过“七五”、“八五”攻关课题的研究、论证，得出结论：对于我国大量使用 多蜡沥青的情况而言，p i 应由针入度温度曲线的直线斜率a 咖得到，先采用不 同温度( 3 个或3 个以上) 的针入度经过直线回归计算求得式3 1 1 中的斜率 a g p 。，再用式3 1 2 计算p i 值。 l g p 一一k 胁x 丁+ k ( 3 1 1 ) 式中；a l g p 。回归方程的系数( 即直线斜率) ； t 不同试验温度( ) ，相应温度下的针入度为p ( o 1m m ) ； k 回归方程的常数项。 肼。垫二! 竺g 竺 ( 3 1 2 )肼- 竖 ( 3 1 2 ) 1 十5 蚴k 腑 2 、针入度粘度指数p 、nm c l e o d 提出了用2 5 针入度与1 3 5 ( 或6 0 ) 粘度决定针入度指数的方法，并把此法求得的针入度指数称为针人度粘度指数 ( p e n _ v i sn u m b e r s ) ，简称p v n 。据美国宾州试验路验证，p 悄比p i 更能反映沥 青的感温性。用p v n 描述沥青低温性能时，不适用于多蜡沥青。 对p i 及p v n 两个指标哪个更能反映沥青的感温性，不同的研究者有不同的 看法，北美及加拿大用p v n 较多，认为它更能反映低温时的感温性。 3 1 3 沥青的低温劲度模量 沥青混合料的低温劲度是决定沥青路面是否开裂的最根本因素，而决定沥青 混合料低温劲度的主要因素是沥青结合料的劲度和沥青在混合料中所占的比例。 美国宾州试验路的结果证实，横向裂缝与沥青劲度最为相关。 沥青是粘弹性材料，在荷载作用下，应力与应变关系呈现非线性关系，采用 劲度模量的概念反映这种关系。同普通固体材料的弹性模量不一样，劲度模量 ( s t i f f n e s sm o d u l e s ) 不是沥青材料的性质常数，它是随温度和荷载作用时间而 变化的函数。 。f 1 1 ( 3 1 3 ) 1 6 一 j一v 一一- 一一 式中：s 和沥青材料所受到的应力和产生的应变； t 荷载作用时间： t 温度。 夏天温度高，沥青劲度模量小，沥青不足以抵抗荷载的作用，会产生过大的 变形累积和车辙流动变形；冬天温度低，沥青劲度大，应力松弛性能减弱，材料 发脆，易发生温缩裂缝。 高速行车荷载作用时间短，沥青呈现较高的劲度模量；慢速行车荷载作用时 日j 长，劲度模量要低得多。在试验过程中，荷载的速率、频率都反映了荷载作用 时间。静载试验加载速率快，动载试验加载频率高，都相当于荷载作用时间短， 表现为沥青劲度模量高；慢速和低频加载的劲度模量低。 沥青的劲度模量可以由试验得到，也可以由、r 姐d c r p o c r 诺谟图求出。 3 1 4 沥青的脆点和当量脆点 沥青的弗拉斯脆点是在等速降温条件下用弯曲受力方式测定出沥青脆裂时 的温度。弗拉斯脆点实际上是一种等劲度温度，但究竟脆点温度时的沥青劲度是 多少，则由于试验用沥青试样不同，不同学者的结果之间有较大的差异。 沥青在低温时表现为脆性破坏，弗拉斯脆点试验历来作为反映沥青低温脆性 的手段在不少国家被采用，一般认为针入度大、针入度指数大的沥青其脆点低， 抗裂性能好。脆点温度下沥青劲度的不同是与沥青的组成有关，对同种油源而言， 脆点与沥青质的含量及软沥青质的粘度有密切关系。 在我国，许多沥青的沥青质含量较少，且含有较多的结晶蜡，故脆点指标有 其独特之处。试验结果表明我国许多沥青的脆点并不高，而路面的开裂情况却很 严重，所以对脆点的意义存在有不同看法。尤其是弗拉斯脆点的试验重复性较差， 试验用的钢片弯曲程度不一，试件制备精度和降温条件不一，都会影响试验结果。 脆点只是某一种特定试验方法下的条件劲度温度，试验方法改变，试验结果也将 改变，而且沥青低温脆性还与沥青的老化性质及荷载作用方式有关，所以路面低 温性能无法单纯从脆点高低来评价也是合乎情理的。 我国许多含蜡量较高的沥青脆点测定值经常较低，但实际的低温抗裂性不 好，所以弗拉斯脆点并不适宜评价多蜡沥青的低温抗裂性能。国家“八五”攻关 课题提出以当量脆点t 1 2 作为沥青的低温指标，假定沥青脆点温度时的针入度为 1 2 ，采用不同温度( 3 个或3 个以上) 的针入度经过直线回归计算求得式3 1 - 1 中的斜率h 相和系数k ，再用式3 1 4 计算当量脆点t i 工。 1 7 五，。世 ( 3 1 4 ) 气m 3 1 5 沥青的低温延度 据俄亥俄州对4 7 条公路的调查研究表明，路表状态与回收沥青的延度有关。 v a l l c g a 和h a l s t e a d 观察了美国5 3 条公路的路面后，发现当1 5 6 时延度下降到 3 锄或更小时，寒冷天气里将发生开裂。d o y l e 测量了1 2 8 时的延度，发现当 延度下降到5 啪时，路面的裂缝大量增加。s e m f m 在密执安沥青试验路使用7 年后取样，表明用低延度沥青铺筑的路面有较多坑洞和裂缝，而针入度并无显著 不同。 由于沥青的延度与路面的使用性能有一定的相关性，尤其是低温延度与低温 开裂性能关系密切，因此在不少国家的沥青标准中，开始增加低温延度的指标。 我国近年来高速公路大量使用优质道路石油沥青，1 5 延度均能大于1 0 0 啪，甚 至个别沥青1 r ) t 后的1 5 延度也能大于1 0 0 c m 。为了进一步区分不同沥青的 低温性能，采用更低的试验温度是必要的，国家“八五”攻关课题认为低温延度 的拉伸速率为5 咖m i l l ，试验温度采用1 0 是适宜的。 3 1 6 沥青的低温粘度 沥青低温牯