（道路与铁道工程专业论文）荷载型反射裂缝室内模拟试验及相关分析研究.pdf

= i = i i j y 47 眦5 3 6 0 4 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：期：三? 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：丛导师签名血垒： 日 期：之竺二：! 摘要 摘要 本文在参照国内外反射裂缝室内模拟试验的基础上，提出了采用汉堡车辙仪 模拟荷载型反射裂缝的试验方案。分别设计了s b s 改性沥青砂、橡胶改性沥青 砂、聚酯玻纤布和s a m i 四种应力吸收层方案以及不设应力吸收层的方案，介绍 了不同方案的原材料性质和配合比设计。采用汉堡车辙仪对5 种方案的试件施加 移动荷载，进行疲劳试验。评价了各防反措施抵抗反射裂缝发展的效果，并对汉 堡车辙试验进行了有限元模拟和分析。 试验结果表明，沥青砂材料具有较好的防治反射裂缝效果。为深入分析沥青 砂材料的防裂机理，对沥青砂小梁进行应变控制的四点弯曲疲劳试验，回归试验 结果，得到沥青砂小粱的疲劳损伤方程，分析方程参数，明确其意义，并选用连 续损伤模型来描述沥青砂材料的疲劳损伤机理。参照四点弯曲试验，建立三维有 限元模型，将沥青砂的疲劳损伤方程编写进用户材料程序u m a t ( u s e rm a t e r i a l ) ； 通过跳跃式循环( j u m p - i n - c y c l e ) ，实现有限元模拟中材料损伤度快速而精确的 演化。有限元模拟结果表明，编制的u m a t 能够较好的模拟沥青砂材料的疲劳 损伤发展规律。 建立含各防反措施的实际路面结构有限元模型，引入编写的u m a t ，分别分 析荷载和温度作用下各防反措施对于缓解路面结构损伤度发展的效果。模拟表 明，在荷载作用下，沥青砂材料能够起到较好的效果，而由于缺乏疲劳数据，无 法区分聚酯玻纤布和s a m i 的防反效果；此外在变温作用下，各防反措施对于缓 解面层损伤度的发展效果甚微。 关键词：反射裂缝应力吸收层四点弯曲试验u m a t 连续损伤模型 a b s i r a c t 啊1 eh a m b u r gw h e e lt r a c k i n gt e s tw a si n v i t e dt os i m u l a t et h er e f l e c t i v ec r a c k i n g b yl o a do nt h eg e n e r a lv i e wo fm a n yl a bs i m u l a t i o n s f o u rt y p e so fs t r e s sa b s o r b i n g i n t e r l a y e r , i n c l u d i n gs b sm o d i f i e da s p h a l ts a n di n t e r l a y e r 、a s p h a l t - r u b b e rs a n d i n t e r l a y e r 、f i b e r g l a s s - p o l y e s t e rp a v i n gm a ti n t e r l a y e r a n ds a m i ( s t r e s sa b s o r b i n g m e m b r a n ei n t e r l a y e r ) w e r et e s t e d a l s oi n v o l v e dw a st h es p e c i m e nw i t h o u ta n y i n t e r l a y st os e r v ea sac o n t r 0 1 i n t r o d u c i n gt h em a t e r i a lp r o p e r t i e sa n dg r a d a t i o n so f f i v ed i f f e r e n ts p e c i m e n s ，t h ef a t i g u et e s te m p l o y e dc y c l i er o u n dm o v i n gl o a do n d i f f e r e n ts t r e s sa b s o r b i n gi n t e r l a y e rs p e c i m e n s ( i n c l u d i n gt h es p e c i m e n sw i t h o u t i n t e r l a y e r ) t oa s s e st h e i ra b i l i t i e st or e t a r dt h ed e v e l o p m e n to fr e f l e c t i v ec r a c k i n gb y l o a da n dt h e nb u i l tc o r r e s p o n d i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e l st ob r i e f l ya n a l y z et h et e s t r e s u l t s t ot h o r o u g h l ya n de x t e n s i v e l yu n d e r s t a n dt h ed a m a g em e c h a n i s mo ft h ea s p h a l t s a n dw h i c hb e h a v e dp r o m i n e n t l y , f o u r - p o i n tb e a mb e n d i n gt e s to nt h ea s p h a l ts a n d m a t e r i a lw a sc a r d e do u tt oe s t a b l i s ht h ef a t i g u ed a m a g ee q u a t i o nt h r o u g ht h e r e g r e s s i o no ff a t i g u ed a t u m e x p l o r i n gt h ep h y s i c a lm e a n i n go f e a c hp a r a m e t e ri nt h e e q u a t i o n , t h ep a p e ra d o p t e dc d m ( c o n t i n u u md a m a g em o d e l ) t oc h a r a c t e r i z et h e d a m a g em e c h a n i s mo f t h ea s p h a l ts a n dm a t e r i a l i m p l e m e n t i n gt h ed a m a g ec o d ei n t o t h eu m a t ( u s e rm a t e r i a l ) ，t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eb e a mw a sc o n s t r u c t e dt o s i m u l a t et h ef o u r - p o i n tb e n d i n gt e s t t h ei n c o r p o r a t i o no ft h ep a r a m e t e ri n t e r n a l l e n 舀h ，a i m i n ga tt h en o n - l o c a l i z a t i o no ft h es t r a i ni nt h ee l e m e n t ，w a sp r o b e da b o u t i t si n f l u e n c eo nt h es i m u l a t i o nr e s u l t s m e a n w h i l e ，t h ed a m a g ei nt h es i m u l a t i o nw a s q u i c k l ya n dp r e c i s e l ye v o l v e dt h r o u g ht h ep r o c e d u r eo fj u m p - i n - c y c l e t h e c o m p a r i s o no ft h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dt h ef a t i g u et e s td a t u me x h i b i t e ds a t i s f y i n g a p p r o x i m a t i o n , d e m o n s t r a t i n gt h ee f f e c t i v e i l e s so ft h ei7 m a tt oc h a r a c t e r i z et h e d a m a g em e c h a n i s mo f t h ea s p h a l ts a n dm a t e r i a l t h ec o n s t r u c t i o no fp a v e m e n tm o d e l sw i t hd i f f e r e n tr e f l e c t i v e c r a c k i n g r e s i s t a n c em e a s u r e sa n dt h ei n v i t a t i o no fu m a ts e r v e dt o g e t h e rt oa n a l y z et h ee f f e c t o fd i f f e r e n tm e a s u r e st or e t a r dt h ed a m a g ee v o l u t i o ni nt h ep a v e m e n tw h i c hi n d i c a t e d t h a ta s p h a l ts a n dm a t e r i a lc o u l da c tw e l lw h i l ei tw a sh a r dt od i f f e r e n t i a t et h ee f f e c to f f i b e r g l a s s - p o l y e s t e rp a v i n g m a t i n t e r l a y e r f r o ms a m id u et ot h el a c ko f c o r r e s p o n d i n gf a t i g u ed a t u mu n d e rv e h i c l ep r e s s u r e h o w e v e r , w h a tu n f o r t u n a t ew a s t h ed i s a p p o i n t i n gr o l e so fe a c hm e a s u r ep l a y e di nt h ec o n d i t i o n so fr e p e t i t i v et h e r m a l v a r i a t i o n k e yw o r d s ：r e f l e c t i v ec r a c k i n g ；s t r e s sa b s o r b i n gi n t e r l a y e r , f o u r - p o i n tb e n d i n g t e s t ；u m a t ；n o n l o c a lc o n t i n u u md a m a g em o d e l i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章 绪论l 1 1 背j 景1 1 2 国内外反射裂缝室内模拟试验概述3 1 2 1 荷载型反射裂缝室内模拟试验3 1 2 2 温度型反射裂缝室内模拟试验6 1 2 3 复合型反射裂缝室内模拟试验8 1 3 研究内容及技术路线8 1 3 1 研究目标8 1 3 2 研究内容8 1 3 3 技术路线9 第二章荷载型反射裂缝室内模拟试验l o 2 1 试验方案设计。1 1 2 1 1 原材料选择l l 2 1 2 沥青砂应力吸收层方案 2 1 3 聚酯玻纤布应力吸收层方案1 4 2 1 4s a m i 应力吸收层方案1 5 2 2 室内模拟试验的开展1 6 2 3 试验结果的分析1 7 2 3 1 汉堡车辙试验的有限元模拟。1 7 2 3 2 试验结果1 8 2 4 本章小结2 0 第三章沥青砂材料损伤机理研究2 l 3 1 疲劳试验方法确定2 l 3 1 1 疲劳试验方法简介。2 l 3 1 2 试验控制参数2 l 3 2 疲劳试验的开展2 2 3 3 试验结果分析2 5 3 4 本章小结2 7 第四章沥青砂损伤机理的有限元方法实现2 8 4 1 沥青混合料疲劳开裂模型2 8 4 1 1 线弹性断裂模型2 8 4 1 2 粘聚裂缝模型2 9 4 1 3 连续损伤模型。3 0 4 1 4 模型的选用3 0 4 2 损伤u m a t 的编制3l 4 2 1u m a t 接口3l 4 2 2u m a t 编写。3 3 4 3u m a t 的验证。3 5 4 4 汉堡车辙试验深入分析3 7 4 5 本章小结3 9 第五章应力吸收层方案防反效果分析4 0 i i i 目录 5 1 实际路面结构的有限元模拟4 0 5 1 1 相关假定4 0 5 1 2 沥青混合料面层损伤。4 0 5 2 沥青砂模型4 l 5 2 1 路面结构4 l 5 2 2 行车荷载作用下损伤度的发展4 l 5 2 3 层间结合状况对损伤度发展的影响4 2 5 2 4 温度荷载作用下损伤度的发展4 4 5 2 4 3 路面结构参数4 4 5 3 聚酯玻纤布和s a m l 分析一4 6 5 3 1 路面结构参数及相关假定4 6 5 3 2 行车荷载作用下损伤度的发展4 6 5 4 ，j 、结4 8 第六章 结论与建议4 9 6 1 主要结论与建议4 9 6 2 尚需进一步研究的问题5 0 参考文献 蛩炙谢。! 珥 攻读硕士学位期间发表的学术论文 i v 绪论 1 1 背景 第一章绪论 半刚性基层沥青路面凭借高强度、良好的平整度和优良的抗疲劳性能，已逐 渐成为我国高等级公路建设的主要路面结构形式。然而，半刚性基层材料易受水 和温度的影响而产生干缩和温缩裂缝，并在行车荷载、温度和湿度等因素综合作 用下反射至面层，形成反射裂缝。反射裂缝对路面结构的整体性和连续性产生严 重的破坏并在一定程度上削弱了路面结构的强度；且雨水或雪水的浸入会导致基 层变软，在行车荷载反复作用下造成路面强度大幅降低，产生冲刷和唧泥现象。 因此，反射裂缝问题长期以来成为半刚性基层沥青路面存在的主要技术问题。 在基层存在裂缝的情况下，引起沥青面层反射裂缝的主要原因是行车荷载作 用下基层裂缝处沥青层层底的剪应力，以及温缩应力引起的基层裂缝处沥青层层 底的纵向拉应力。根据成因不同，反射裂缝被分为荷载型反射裂缝和温度型反射 裂缝。 l 荷载型反射裂缝 荷载型裂缝，即主要由于行车荷载作用而产生的裂缝。在车辆荷载作用下， 半刚性基层底部产生拉应力，如果该拉应力超过半刚性基层材料的抗拉强度，基 层底部很快就会产生开裂。 当汽车荷载驶经裂缝时，在沥青面层中产生的应力如图1 1 ( a ) ，可分为3 个过程：l 轴载位于裂缝一侧时，裂缝两侧产生较大的剪切应力；2 轴载位于裂 缝项面时，裂缝两侧基层无相对位移或相对位移较小，面层主要承受弯拉应力作 用；3 轴载驶离裂缝时，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，而且是连续作用。 2 温度型反射裂缝 在外界温度降温梯度太大或降温速率太快的情况下，路面结构内部将产生较 大的温度应力。在此温度应力作用下，基层裂缝尖端会出现应力集中现象。一旦 应力超过沥青材料抗拉强度，即产生开裂。 此外，寒冷季节，基层产生收缩变形，在沥青面层内产生拉应力；炎热季节， 由于基层膨胀而在沥青面层中产生压应力，由此产生的反射裂缝如图1 1 ( b ) 。 底基层 ( a ) 交通荷载引起的疲劳 底基层 ( b ) 温度引起的疲劳 图1 - 1 反射裂缝产生机理 影响半刚性基层路面反射裂缝形成的因素很多，如路面材料韧性、路面结构 组合、材料的配合比以及施工和养护等，其中也包括诸如强度和韧度的随机性、 材料的粘滞性等随机因素。具体而言，主要有：面层与基层之间的粘结状况；基 层性能参数，包括厚度、长度、裂缝宽度、胀缩缝特性等；沥青面层结构参数和 材料参数等。 反射裂缝实际发展过程中，往往受到行车荷载和温度变化、湿度变化的综合 作用。其基本机理可总结为【i 】：温湿变化导致半刚性基层温缩和干缩开裂，沥青 面层受到交通荷载和温度荷载综合作用或单独作用产生受拉疲劳和剪切疲劳，裂 缝尖端拉应力重分布使得裂缝处应力集中，造成紧靠裂缝顶端的面层底部先开 裂；起裂后的沥青面层进一步在交通及环境因素作用下，裂缝朝上扩展、延伸， 最后形成贯穿的反射裂缝。 。 目前解决半刚性基层沥青路面反射裂缝的措施很多。主要包括以下几种： 1 改善基层材料的温干缩性质，延缓收缩裂缝的发展。2 降低和分散半刚性基层 对沥青层的影响，如设置预切缝或预先粉碎基层。3 增加面层厚度或提高面层混 合料的材料性能。4 在面层与基层之间设置应力吸收层，起到延缓反射裂缝发展 的效果。然而上述措施的效果如何有待检验，而一个经济有效的手段就是采用室 内模拟试验进行评价。 2 1 2 国内外反射裂缝室内模拟试验概述 为了有效地防治反射裂缝，国内外道路工作者进行了大量的室内反射裂缝的 模拟。这些试验有的是为反射裂缝模型的分析提供数据，有的是评价各种防治反 射裂缝措施的效果，有的是用来验证或标定力学模型的分析结果。按照反射裂缝 的成因，室内模拟试验可以分为荷载型反射裂缝、温度型反射裂缝以及两者共同 作用下的复合型反射裂缝室内模拟试验，下面按照成因分别介绍国内外室内反射 裂缝的模拟试验。 1 2 1 荷载型反射裂缝室内模拟试验 行车荷载是反射裂缝产生发展的一个重要成因，许多学者对于因行车荷载引 起的反射裂缝问题做了大量的试验研究。 1 2 1 1 室内小梁试验【2 j 对铺设浸渍沥青土工布、玻璃纤维格栅延缓或减少旧水泥混凝土路面上沥青 混凝土加铺层产生的反射裂缝，杨志达等人进行了室内小梁模拟试验。 l 试验设计 为了模拟弯拉型和剪切型反射裂缝，采用了两种试验方案，如图l 一2 所示。 试验温度为( 15 1o c ) ，加载方式为连续加载直至试件表面开裂破坏，加载速 度为3 5 0 n m i n 。 a c t 2 1 ) l 蔼j 古娩霪：oe m x 5c m x $ 勰 妇；撕，fl - i 盾i 蕾j l 箩事懈糯 3 。c m x 5 c m x m 永诡砼垫块 橡胶块 a c2 0 l 锄青硷爱3 0 c m x 5l ：m x $ ，3 0 o x s o x l ”f 妻，竺垫奠 横黢块 对袜f ，夏搠l 霞 偏位衡谯 图1 2 试件加载位置示恿图 2 试件成型与制作 为研究旧路加铺层的受力状态，试件制作尽量模拟路面的真实状态，制备了 3 0 c m 3 0 c r n 5 c m 的c 3 0 水泥混凝土块模拟i b 水泥混凝土路面，然后撒布一定量 的壳牌a h 7 0 号沥青( 按0 6k g m 2 ，1 0 k g m 2 ，1 2k 咖2 标准各做三个) ，铺上 浸渍沥青土工布或玻璃纤维格栅。然后在其上制作5 c m 的a c 一2 0 沥青混凝土， 沥青混凝土采用轮碾成型，沥青为壳牌a h 7 0 号沥青。常温养生2 4 d 后，切成 宽度5 c m 的小梁试件，并在试件水泥混凝土部分中部切割深度5 c m 的横缝。 3 试验步骤 ( 1 ) 将试件从恒温室中取出，立即按对称荷载或偏荷载位置安放在压头下 面。 3 分表，支座固定在试验机上，试验机应选择适宜量程。 ( 3 ) 采用电测法测量应变。 ( 4 ) 启动压力机，以3 5 0 n m i n 的加载速率对试件施以集中荷载，直至试 件破坏，记录荷载、应变、挠度值。 1 2 1 2 直道足尺试验【2 】 对铺设浸渍沥青土工布、玻璃纤维格栅延缓或减少旧水泥混凝土路面上沥青 混凝土加铺层产生的反射裂缝，杨志达等人还进行了直道足尺试验。 l 试验设计 水泥混凝土板的平面尺寸为：长x 宽厚= 1 5 m x 3 2 m x 0 2 5 m 。共布置7 块水 泥混凝土板，板与板之间预留l e n a 宽的接缝。弯沉测点、应变片和加载点的位 置如图1 3 所示。土工布铺设前先按1 2 k g m 2 的用量撒布热沥青，且土工布、玻 纤格栅采用满铺方式摊铺。然后在其上制作5 e m 的a c 2 0 沥青混凝土，沥青为 壳牌a h - 7 0 号沥青。直道加载车加载重量为5 t ，接地压力为0 7 m p a 。 对躲加挂矗 一 上l 九段 一 破纤撬褂 对l | ：l 交 、 偏俺期i 疆点 心。 j上i- |王!j土!j一上lj土ij 弯沉测点 ， 夕一 虑变片 ? 哼；w 伽k， 中心琏 图1 3 直道试验平面布置图 2 试验结果 直道足尺试验结果表明：加铺沥青层后，接缝弯沉差均有不同程度的减小， 说明沥青面层有一定的传荷作用。在弯拉荷载作用下，受荷板0 度( 平行于行车 方向) 和9 0 度方向( 垂直于行车方向) 的应变也均为拉应变，说明织物对沥青 混凝土有加筋作用。在行车荷载作用下，接缝两侧弯沉差随荷载作用次数的增加 而增加。 1 2 1 3 板试验方案【3 】 加州大学伯克利分校的c o t e z e e 采用图1 4 所示的试验装置对有限元分析的 结果进行了检验。试验采用1 1 m 2 的弹簧基础来模拟土基，把带裂缝的水泥混凝 土板放置在“土基”上来模拟旧路面结构，用沥青粘层油或橡胶沥青将沥青混凝土 和水泥混凝土粘结在一起。直接在裂缝顶端施加周期性的荷载。裂缝的发展情况、 荷载作用次数用导电箔来记录。 设置橡胶沥青薄膜夹层的试验结果表明：有限元分析的变形值与试验测得的 初始变形值非常吻合。试验结果还表明：1 试验的观测数与理论分析的机理、防 反效果基本一致，如开裂是从原裂缝顶端继续向罩面层方向发展。2 采用s a p 有限元程序对试验路段进行二维分析得出的裂缝顶端处罩面层内的挠度和应变 4 绪论 值与试验测试值一致。3 根据理论预估值和实际的量测值，运用典型的疲劳公式 可以分析不同措施对罩面层疲劳寿命的影响，但这种分析只能是定性的。 乎嚣羽 i ， i ，棘膝孤 - 毫一芒垒睾娑：箍蜱_ l i v m - 卜1 l ； & 守卜搴蠢l 蠢生i - “一差三蠹旨量拇 l 夏力一、 l 。一 。：蒴l m t b 正藤舞 图1 _ 4 试验装置详图 1 2 11 4 轮迹试验【4 j 以色列的i s h a i 等人运用轮迹试验研究了不同措施防治反射裂缝的相对效果。 轮迹试验装置，如图1 5 所示，由两个可沿水平轨道前后移动的钢板构成。试样 系统安装在钢板之上，由弹性橡胶板和沥青混凝土梁组成，其中橡胶板用来模拟 沥青混凝土路面的基层。 荷载通过可滚动的充气车轮施加于沥青梁上，荷载的大小可以与车轮相连的 外伸的悬臂及悬臂上悬挂的重物来调节。车轮的直径为l o e m ，试验用荷载为 2 5 0 k g ，轮胎压力为0 5 m p a ，车轮移动的长度为6 0 c m 。车轮在轨道中间时的最 大速度为0 7 5 4 r n s e c ，在两端的加速度为1 8 9 5 m s e e 2 ，车轮每分钟移动2 4 个来 回，整个试验系统统装在一密闭室内，试验温度保持在2 5 0 c 。 图1 5 轮迹试验装置简图 东南大学硕士论文 试验时主要记录裂缝的扩展速率与车轮作用次数之间的关系。裂缝扩展的长 度由摄像机监测，同时也通过眼睛并借助放大镜每隔固定时间观测一次。利用轮 迹试验，i s h a i 研究了不同措施的防反效果以及裂缝的扩展规律。 1 2 2 温度型反射裂缝室内模拟试验 温度应力是反射裂缝产生的一个重要原因，为了更好的理解温度型反射裂缝 的机理，评价各种措施防治温度型反射裂缝的效果、验证力学模型的分析结果， 道路工作者设计了多种试验来模拟旧水泥混凝土板的水平移动及其对反射裂缝 的影响。这类试验的试验温度一般较低，许多试验是在5 0 c 以下进行的，因为 在低温下路面结构最容易产生不稳定的开裂。 1 2 2 1f r a n c k e n 模拟试验【5 】 试验设备：使用如图1 - 6 所示的试验仪器研究了温度应力对反射裂缝产生的 影响和钢筋网格防治温度型反射裂缝的效果。试验的原理及试件的尺寸如图1 6 所示。此试验设备可以非常准确的控制和检测裂缝的宽度，并能在固定的温度下 ( 一5 0 c 和1 0 0 c ) 以极低的速率做周期性的运动。试样放置在无摩擦的基层上， 通过传感器来测定不连续处边缘与罩面层的位移差。在试验的过程中，裂缝的产 生和发展用视频监视器来记录。 试验条件：位移波形d ( t ) 为三角形，位移幅值从0 增长到1 5 m m ，荷载作用 周期为6 0 0 0 8 0 0 0 s ，试验温度在1 0 。c 到一5 呛之间，裂缝初始张开宽度4 m m 。 f r a n c k e n 运用此试验装置评价了金属网格等措施的防反效果。 图1 _ 6 温度试验装置示意图 1 2 2 2 加拿大h a s s 的试验【6 1 试验设备：仪器的主要部件由两块钢板组成，一块固定，另一块可沿水平方 向移动。移动板与机械传动机构( 包括荷载传感器、电动机、传动齿轮箱) 相连 接，使得钢板能够以非常低的速度前后移动，从而模拟旧路面的收缩和膨胀。试 验系统包括一个冷藏室，温度保持在- 4 0 0 c 左右。 试验过程： 6 绪论 1 首先，把试样冷却到- 3 5 2o c ，直至试样的温度梯度达到一稳定值。 2 遵照预先选定的应力级位，以控制应变的方式对试样施加周期性的固定荷 载，直至试样断裂为止。 3 在相似的试验条件下，对加入不同防反措施的试件重复步骤1 、2 。 4 对于加入不同措施的试件，在温度相同、应力级位不同的试验条件下，重 复上述试验。 5 在不同的试验温度下，重复上述的试验过程。 在试验过程中，主要的控制变量有：l 初始裂缝开张宽度，2 罩面层底部路 面板的移动速率，3 试验温度范围和周期性应力的范围，4 罩面层厚度，5 防治 反射裂缝的措施。 根据试验数据，可以得到不同温度下各试件所储备的应变能与荷载破坏作用 次数的关系。 1 2 2 3 美国b j d c m p s y 的试验【7 】 m u k h t a r 和d e m p s e y 共同开发了i s a c ( i n t c r l y e rs t r e s sa b s o r b i n gc o m p o s i t e ) 。 作为一种防治反射裂缝的手段，i s a c 可以有效的阻止基层裂缝向沥青混凝土面 层的反射，并且起到连接基层和面层的作用。为了评价i s a c 对于防治反射裂缝 的效果，b j d e m p s y 设计一种仪器，如图1 8 所示，可以用来模拟温度荷载作用 下反射裂缝在试件中的发展。 测试仪器由一个固定的箱体和另一个位于滚筒上的、可水平移动的箱体共同 组成。宽1 5 2 c m 、长2 2 8 m 的长方形试件由1 2 7 c m 厚的水泥混凝土板、i s a c 层和6 3 c m 厚的a c 层组成，放置于箱体的项部。为模拟季节和日常温度变化， 液压油缸以极低的速率张合，放置在固定箱体和移动箱体之间的l v d t 装置可以 检测两箱体之间的相对位移。测试过程中，试验装置放置在1 1 呛的环境室中。 该试验装置的试验原理与上述两种试验仪器的原理一致，这里就不再赘述。 图1 7 温度试验装置示意图 7 东南大学硕士论文 1 2 3 复合型反射裂缝室内模拟试验 行车荷载、温度应力是造成反射裂缝的主要肇因，对其单独模拟固然重要， 但野外道路上反射裂缝的产生和扩展是两者共同作用的结果，因此在试验室内模 拟荷载应力、温度应力的综合作用是十分必要的。但由于模拟这种综合效应的难 度较大，所以这方面的试验相对较少。 1 2 3 1 法国a u t u n 试验【8 1 法国a u t u n 试验室设计了一种模拟低温收缩和荷载弯拉综合效应的试验装 置，如图1 8 所示，并用此试验装置评价了不同措施防治反射裂缝的相对效果。 试验温度恒定为5 。c ，钢板水平移动的平均速率为0 6 m m h ，竖向弯拉荷载的作 用频率为l h z ，竖向挠度值为0 2 r a m 。试验过程中，裂缝的产生扩展以及梁试样 的断裂由一系列电子元件记录。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究目标 图1 - 8 复合试验装置示意图 为评价不同应力吸收层防治反射裂缝的效果，本文设计了四种应力吸收层方 案与不设应力吸收层的方案。通过汉堡车辙试验，记录各方案试件破坏时的轮载 作用次数，以此作为不同方案防反效果评价指标。通过u t m ( u n i v e r s a lt e s t m a c h i n e ) 试验机，总结出沥青砂材料的疲劳规律，并编写成u m a t ( u s e r m a t e r i a l ) 。建立实际路面结构模型，比较设不同应力吸收层对于路面结构疲劳寿 命的提高效果。 1 3 2 研究内容 1 建立汉堡车辙试验初步的有限元模型，以评价运用汉堡车辙仪进行疲劳试 验的合理性。 2 设计四种应力吸收层方案，分别为s b s 改性沥青砂应力吸收层、橡胶沥 绪论 青砂应力吸收层、s a m i 、聚酯玻纤布应力吸收层，作为对照组，设计了不设应 力吸收层的方案。采用汉堡车辙仪对各方案的试件分别进行疲劳试验。 3 使用u t m 试验机，通过控制应变的四点弯曲疲劳试验，总结沥青砂材料 的疲劳规律。 4 将总结的疲劳规律编写成u m a t ，建立汉堡车辙试验模型和四点弯曲试验 的有限元模型，验证编写的u m a t 的有效性。 5 建立实际路面结构模型，变化实际路面结构的各种参数，分析各种参数对 路面结构疲劳寿命的影响。 1 3 3 技术路线 1 建立汉堡车辙试验的有限元模型和实际路面结构的模型，通过有限元分 析，评价汉堡车辙试验方案的合理性。 2 设计四种应力吸收层方案，分别为s b s 改性沥青砂应力吸收层、橡胶沥青 砂应力吸收层、s a m i 、聚酯玻纤布应力吸收层，作为对比，设计了不设应力吸 收层的方案。通过汉堡车辙仪，对设计的方案进行疲劳加载，记录试件最终破坏 次数，以此作为评价各方案防反效果的指标。 3 使用u t m 试验机，成型沥青砂小梁试件，在不同的应变条件下：8 0 0 1 矿、 1 0 0 0 x l 矿、1 2 0 0 x l 旷、1 4 0 0 x 1 0 6 ( 可根据具体试验情况调整应变) 进行四点弯 曲疲劳试验。为保证试验结果的可靠性，每个应变条件下的试验至少做两组。若 试验结果相差较大，可适当增加试验组数。根据试验结果，总结出橡胶沥青砂材 料的疲劳规律。 4 将总结的疲劳规律编写入有限元程序，建立实际路面结构的模型，分别考 察设置不同应力吸收层在行车荷载和温度荷载作用下的效果。 9 荷载型反射裂缝室内模拟试验 第二章荷载型反射裂缝室内模拟试验 应力吸收层作为防治反射裂缝的手段，被广泛运用于半刚性基层沥青路面结 构和旧水泥混凝土路面加铺沥青罩面层的改造中。根据应力吸收层材料的不用， 具体可以分为以下几种： l 铺设s a m i 层( s t r e s s a b s o r b i n gm e m b r a n e si n t e r l a y e r ) 目前所提到的s a m i 层多指乳化沥青或橡胶沥青薄膜层，也有将乳化沥青 ( 橡胶沥青) + 碎石的中间层称为s a m i 层。对于s a m i 的研究，国内外已经做 了大量的工作，美国研究的最早也最深入，从沥青的制备到施工机械、施工工艺 的研究都比较成熟。目前研究普遍认为，只撒布一层沥青不能看作单独的结构层， 且起到的效果比较有限；而沥青加碎石的中间层由于碎石的嵌挤作用，沥青与面 层基层之间良好的粘结，可以起到一定的防反效果。 2 铺设玻璃纤维格栅、土工织物或聚酯玻纤布 玻璃纤维格栅具有抗拉强度大、弹性模量高等优点，其断裂伸长率小于4 ， 且具有耐高温、抗腐蚀及易与沥青结合的特点。在开裂的基层上铺设玻纤格栅， 能够减小沥青面层底部同基层裂缝接触处的拉应力，从而缓解反射裂缝的发展。 土工织物也是防治路面反射裂缝的常用方法。土工织物的延伸性好，可以将裂缝 处的应力集中分散开，减弱裂缝尖端的奇异性，减少裂缝发生的可能性。但是， 玻纤格栅和土工织物对垂直差动位移和水平位移较大情况的防治效果不甚理想， 防水损害的效果较差。而聚酯玻纤布，其抗拉强度高，延伸率低，没有长期蠕变 性，且高温性好，与沥青和沥青混合料有良好的相容性，能够较好的减缓或防治 裂缝的开展。 3 设置级配碎石或沥青碎石中问层 可以通过在半刚性基层与面层之间设置级配碎石隔离层来防止基层裂缝向 上反射。隔离层的厚度一般在1 0 - 1 5 c m ，优势是面层和基层分离，当基层受力 破裂并形成位移时，仅仅是基层自行滑动而不会牵扯到面层，这种设置对预防拉 应力产生的裂缝效果较好。除级配碎石外，碾压密实的细集料或柔软的沥青橡胶 类材料也可以用做隔离层。该防反措施的缺点是，隔离层的强度往往较低，抵抗 车辆荷载的能力较弱。 4 设置细级配沥青砂薄层 细级配的沥青混凝土材料一般采用聚合物改性沥青作为胶结料，沥青含量 高，细骨料的用量大，具有良好的抗裂和疲劳性能。该层在路面结构中起到一种 软介质的作用，能够把裂缝位移引起的应力消散在夹层内，有效地削弱基层裂缝 处沥青面层的应力集中现象。采用这种沥青混凝土结构层作为防反措施具有以下 优点：延缓反射裂缝的出现，最短的也达两年【9 1 ；延长道路使用寿命；可防止路 面遭受水损害( 具有防水功能) ；可采用普通热拌沥青混合料的生产和摊铺设备， 制备比较便利。 综上所述，本文分别选取几种主要的应力吸收层材料设计了相应的试验方 l o 东南大学硕士学位论文 案。拟采用室内模拟试验评价不同方案的优劣，得到不同方案防治反射裂缝的效 果，并分析其防反机理。下面将详细介绍各试验方案的材料、级配及相关的试验 过程和试验结果。 2 1 试验方案设计 设计了四种应力吸收层方案，分别为s b s 改性沥青砂应力吸收层、橡胶沥 青砂应力吸收层、聚酯玻纤布应力吸收层和s a m i 的复合试件，作为对比，设计 了不含任何应力吸收层的方案。对上述方案的试件采用汉堡车辙仪进行室内试 验，得到不同方案的试验结果，比较不同应力吸收层方案的优劣。试件尺寸如图 2 1 所示，从上至下分别为面层、应力吸收层和基层，试件统一在基层底部切割 贯穿裂缝。 7 7 含沥青砂的试件尺寸( 单位：c m ) 无应力吸收层的试件尺寸( 单位：c m ) 图2 1 试件的尺寸 2 1 1 原材料选择 近年来，国内外对于橡胶粉改性沥青及其应用于路面修筑的研究很多。采用 橡胶粉作为沥青改性剂，一方面可以处理废弃橡胶，有利于环保；另一方面工程 实践表明，应用橡胶沥青的沥青混合料具有优良的高温稳定性、低温抗裂性、抗 水损害能力，其抗老化和疲劳的性能也优于其他改性沥青混合料【l o l ，且经济成本 低。 橡胶粉改性沥青在道路建设中主要有两种应用：一是用来拌制沥青混合料， 铺筑沥青路面上面层，以全面提高路面的使用性能；二是用作封层，即应力吸收 层，以抑制反射裂缝的生成。 橡胶沥青的应用方法包括“湿法”( w e tp r o c e s s ) 和“干法”( d r yp r o c e s s ) 两种。 湿法是先将橡胶粉制备成橡胶沥青再使用，干法则是指在拌和沥青混合料时将橡 胶粉同骨料一起拌和的应用方法。本研究采用湿法制备橡胶沥青( 制备过程如图 2 2 所示) 以待后用，橡胶粉性质如表2 1 所示。 荷载型反射裂缝室内模拟试验 图2 - 2 橡胶沥青制备过程 表2 1 橡胶粉筛分规格与橡胶沥青技术要求 橡 筛孔尺寸( m m ) 通过率( )橡胶沥青技术要求 胶 2 3 61 0 0 检测项目技术指标 粉 1 1 86 5 1 0 0 粘度( 1 7 7 ) ( p a - s ) i 5 - - 4 0 筛 针入度( 2 5 c ，1 0 0 9 ，5 s ) 分 0 62 0 - - 1 0 0筮5 ( 0 1 m m ) 规o 30 - - 一4 5 软化点( )5 4 格 0 0 7 50 - - - 5弹性恢复( 2 5 ) ( )6 0 本文所有方案的试件，沥青混凝土面层都采用普通的7 0 # 基质沥青，而s b s 沥青砂应力吸收层则采用s b s 改性沥青，橡胶沥青砂和s a m i 采用橡胶沥青， 各沥青的检测结果如表2 2 所示。 表2 - 2 不同沥青的性质表 试验指标试验条件7 0 # 沥青橡胶沥青s b s 改性沥青 针入度( o 1 m m ) 2 5 6 5 55 8 95 8 5 软化点( ) t r & b 5 3 16 2 56 5 7 延度( c m ) 1 5 9 3 51