（道路与铁道工程专业论文）纤维沥青碎石封层适应性及阻裂效应研究.pdf

s t u d y o nt h e a d a p t a b i l i t ya n dc r a c k r e s i s t a n c e e f f e c to ff i b e r a s p h l tc h i p s e a l 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 ：c h e nx i a o ju a n s u p e r v i s o r ：p r o f s h e na i q i n 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 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：陈晚娟 蚴年f 月9 日 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：阵眈龋 铷一修哮 摘要 近年来，浙江省公路交通建设取得了巨大成就，但是在现代交通和气候的综合作用 下，许多路面结构出现了早期破坏，严重影响了路面的行驶质量。因此，浙江省提出了 “建设是发展、养护管理也是发展 的理念，必须对这些旧沥青路面采取及时、有效的 预防性养护措施。纤维沥青碎石封层就是浙江省公路局为了适应浙江公路养护的新形 势，率先从法国引入的公路预防性养护新技术。针对浙江现代交通及材料供应状况，开 展适合于浙江乃至全国的纤维沥青碎石封层设计施工关键技术研究，对于提高和扩展我 国沥青路面预防性养护技术水平，具有重要的理论及现实意义。 本文首先总结分析了现有各种预防性养护技术的特点及使用条件，并就纤维沥青碎 石封层技术优势及特点进行了阐述。根据浙江交通及气候环境条件，确定了浙江预防性 养护路面的路用性能要求；为了探寻纤维沥青碎石封层的使用条件，建立了有限元模型， 计算分析了纤维沥青碎石封层对旧沥青路面强度及破损状况的适用性，进而系统分析了 纤维沥青碎石封层使用性能的影响因素。为了揭示纤维沥青碎石封层的抗裂机理，利用 计算机图像处理技术，对纤维沥青碎石封层试件进行图像采集及处理，并应用有限元软 件计算了纤维沥青碎石封层的断裂韧度。基于断裂力学和有限元原理，计算分析了纤维 沥青碎石封层路面结构在不同条件下的应力强度因子。通过计算最不利组合条件下的应 力强度因子，与纤维沥青碎石自身的断裂韧度进行比较，验证了纤维沥青碎石封层优异 的阻裂效应。最后，借鉴现有的沥青路面罩面衰变模型，通过对材料影响系数的修正， 预估了纤维沥青碎石封层路面的使用寿命，突显了其优越性。 关键词：纤维沥青碎石封层、适应性、断裂韧度、应力强度因子、阻裂效应、预估 使用寿命 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，z h e j i a n gh i g h w a yc o n s t r u c t i o nh a sm a d eg r e a ta c h i e v e m e n t s ，b u tu n d e r t h ec o m p r e h e n s i v ee f f e c to fm o d e mt r a f f i ca n dc l i m a t e ，m a n yp a v e m e n ts t r u c t u r eo c c u r s e a r l yd a m a g e ，s e r i o u s l ya f f e c t i n gt h eq u a l i t yo fr o a dt r a v e l t h e r e f o r e ，z h e j i a n gp r o v i n c ep u t f o r w a r dt h ei d e a st h a tc o n s t r u c t i o ni s d e v e l o p m e n t ，m a i n t e n a n c em a n a g e m e n ta l s oi s d e v e l o p m e n t i tm e a n st h a tt h e o l d a s p h a l tp a v e m e n tm u s tt a k et i m e l ya n de f f e c t i v e p r e v e n t i v ec o n s e r v a t i o nm e a s u r e s i no r d e rt oa d a p tt on e ws i t u a t i o n s ，h i g h w a yb u r e a uo f z h e j i a n gp r o v i n c ef i r s t l yi n t r o d u c et h ef i b e ra s p h a l tc h i ps e a lf r o mf r a n c ew h i c hi san e w t e c h n o l o g yo fp r e v e n t i v em a i n t e n a n c e a g a i n s tm o d e mt r a n s p o r t a t i o ni nz h e ji a n gp r o v i n c e a n dm a t e r i a l ss u p p l y ，c a r r yo u tr e s e a r c hd e s i g na n dk e yt e c h n o l o g i e sf o rf i b e ra s p h a l tc h i p s e a ls u i t e dt oz h e j i a n ga n de v e nt h ew h o l ec o u n t r y i th a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c et oi m p r o v ea n de x p a n do u ra s p h a l tp a v e m e n tp r e v e n t i v em a i n t e n a n c el e v e l t h i sp a p e rs u m m a r i z e sa n da n a l y z e sf e a t u r e sa n du s i n gc o n d i t i o n so fav a r i e t yo f p r e v e n t i v em a i n t e n a n c eo fe x i s t i n gt e c h n o l o g y ，d e s c r i b et h ea d v a n t a g e sa n dc h a r a c t e r i s t i c so f f i b e ra s p h a l tc h i ps e a l a c c o r d i n gt ot r a f f i ca n dc l i m a t ec o n d i t i o n si nz h e j i a n g ，d e t e r m i n et h e r o a dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sf o rp r e v e n t i v em a i n t e n a n c er o a d ；t o e x p l o r et h eu s i n g c o n d i t i o n so ff i b e ra s p h a l tc h i p ，e s t a b l i s haf i n i t ee l e m e n tm o d e l ，a n a l y s i st h ea d a p t a b i l i t yo f f i b e ra s p h a l tc h i ps e a lf o rt h eo l da s p h a l tp a v e m e n ts t r e n g t ha n dd a m a g e dc o n d i t i o n ，a n dt h e n s y s t e m a t i c a l l ya n a l y s i si m p a c tf a c t o ro nf i b e ra s p h a l tc h i ps e a lu s i n gp e r f o r m a n c e i no r d e rt o r e v e a lt h ec r a c k i n gm e c h a n i s mo ff i b e ra s p h a l tc h i ps e a l ，u s i n gc o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g y ，c o l l e c ti m a g ea n dp r o c e s sw i t hs p e c i m e n ，a n da p p l i c a t i o no ff i n i t ee l e m e n t s o f t w a r et oc a l c u l a t ef r a c t u r et o u g h n e s so ff i b e ra s p h a l t c h i p s e a l b a s e do nf r a c t u r e m e c h a n i c sa n df i n i t ee l e m e n tt h e o r y ，c a l c u l a t i o na n da n a l y s i ss t r e s si n t e n s i t yf a c t o ro ff i b e r a s p h a l tc h i ps e a lu n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s c a l c u l a t e dt h es t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ，u n d e rt h e m o s tu n f a v o r a b l ec o m b i n a t i o nc o n d i t i o n ，a n dt h ee x c e l l e n tc r a c kr e s i s t a n c ee f f e c to ff i b e r a s p h a l tc h i pi sv e r i f i e db yc o m p a r i n gw i t ht h ef r a c t u r et o u g h n e s si t s e l f f i n a l l y ，d r a wt h e e x i s t i n ga s p h a l tp a v e m e n td e c a ym o d e l ，t h r o u g ha m e n d i n gt h em a t e r i a li n f l u e n c ec o e f f i c i e n t ， p r e d i c tf i b e ra s p h a l tc h i ps e a lp a v e m e n tl i f e ，h i g h l i g h t si t sa d v a n t a g e s k e y w o r d s ：f i b e ra s p h a l tc h i ps e a l ；a d a p t a b i l i t y ；f r a c t u r et o u g h n e s s ；s t r e s si n t e n s i t yf a c t o r ； c r a c kr e s i s t a n c ee f f e c t ；e s t i m a t e du s e f u ll i f e 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 沥青路面预防性养护技术简介2 1 2 1 现有预防性养护技术介绍2 1 2 2 纤维沥青碎石封层6 1 2 3 浙江省沥青路面养护及路用性能要求8 1 3 国内外研究状况9 1 4 主要研究内容及技术路线1 1 第二章纤维沥青碎石封层适应性研究1 4 2 1 对旧沥青路面的适应性1 4 2 1 1 概述1 4 2 1 2 对旧沥青路面强度的适应性18 2 1 3 对旧路破损状况的适应性1 9 2 2 对旧沥青路面的要求2 2 2 3 本章小结2 4 第三章纤维沥青碎石封层路面结构路用性能影响因素2 6 3 1 影响纤维沥青碎石封层路用性能的外界因素2 6 3 1 1 轴载2 6 3 1 2 温度2 9 3 1 3 水2 9 3 2 影响纤维沥青碎石封层路用性能的内部因素3 0 3 2 1 材料3 0 3 2 2 旧路面状况一3 6 3 3 本章小结3 9 第四章基于图像处理技术的纤维沥青碎石封层断裂韧性分析4 1 4 1 断裂韧度的计算原理4 l 4 2 纤维沥青碎石封层图像采集及处理4 3 4 1 1 图像采集4 3 4 1 2 图像处理4 4 4 3 纤维沥青碎石封层断裂韧度计算4 6 4 3 1 有限元模型的建立一4 6 4 3 2 断裂韧度的确定5 l 4 4 本章小结5 1 第五章基于断裂力学的纤维沥青碎石封层阻裂行为计算分析一5 3 5 1 断裂力学基本理论5 3 5 1 1 裂缝的开裂形式5 3 5 1 2 裂缝尖端奇异场5 4 5 1 3 应力强度因子5 5 5 2 路面结构有限元模型的建立5 6 5 2 1 基本假定5 6 5 2 2 有限元模型的建立5 7 5 3 应力强度因子分析5 9 5 3 1 不同轴载压力下的应力强度因子5 9 5 3 2 不同旧路强度下的应力强度因子6 0 5 3 - 3 不同旧路裂缝宽度下的应力强度因子6 2 5 3 4 纤维沥青碎石封层模量不同时的应力强度因子6 3 5 4 纤维沥青碎石封层的阻裂效应分析6 5 5 5 本章小结6 7 第六章纤维沥青碎石封层路面结构使用寿命预估7 0 6 1 养护后沥青路面结构性能衰变模型的建立7 0 6 1 1 现有罩面衰变模型7 0 6 1 2 材料影响系数的修正7 4 6 2 使用寿命的预估7 7 6 2 1 路面计算参数的确定7 7 6 2 2 纤维沥青碎石封层路面使用寿命预估7 8 6 2 3 纤维沥青碎石封层与微表处路面使用寿命比较。8 0 6 3 本章小结8 1 第七章结论与建议8 3 7 1 主要研究结论8 3 7 2 建议8 5 参考文献8 6 攻读硕士学位期间参与的主要科研项目。8 9 致谢9 0 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀下匕 改革开放以来，我国公路交通建设事业取得了巨大成就，浙江省也实现了公路交通 由滞后于经济社会发展向基本适应经济社会发展的转变【1 】。近年来，浙江公路最显著的 特点就是建设速度快，公路通车里程快速增加。但是由于公路建设起步较晚、技术力量 的储备较少、气候影响、交通量增大、渠化交通、车辆超载现象严重等各种原因，使得 沥青路面在交通荷载和气候环境的综合作用下，路面在通车运行几年后就产生了或多或 少的如开裂、车辙、泛油、坑槽等早期破坏现象【2 】，严重影响了路面的行驶质量，这些 早期破坏如不及时进行预防性养护，将会进一步加剧路面的破损。 按照交通部提出的“建养并重，强化管理；深化改革，调整结构；依靠科技，提高 质量；依法治路，保障畅通 的工作方针【3 】，浙江省提出了坚持“建设是发展、养护管 理也是发展 的理念，要贯彻建养并重、协调发展的方针。但是，目前浙江省公路预防 性养护工作仍然面临诸多问题。 ( 1 ) 公路养护管理里程不断增加 浙江省的公路总里程已经突破1 0 万公里，公路网密度也突破1 0 0 公里百平方公里。 公路建设速度越快，养护工作的任务就越重，同时随着建设高潮的过去，养护工作的中。 心地位将日益凸现，这就促使相关部门必须尽快建立科学高效的公路养护管理体系，来 提升公路的养护水平。 ( 2 ) 公路运输交通量的增大 公路运输凭借其机动灵活、快速便捷的优势，使得公路在运输方式中具有较强的竞 争力。浙江是中国经济比较发达的沿海对外开放省份，工业发达，进出口贸易多，所以 浙江的公路交通量增长迅速。从而使得交通量的增长与养护工作的矛盾日益突出，对养 护对策的高效快速、合理组织提出了更高的要求。 ( 3 ) 养护决策不科学 浙江省公路养护目前仍采用传统的模式，一般都是依靠技术人员的个人经验来确定 哪些路段需要进行养护、以及采取哪种养护措施。这种传统的养护决策模式在实施过程 中，将会由于经验限制和缺乏对旧路状况的定量把握，缺乏科学性的决策，使得路面养 第一章绪论 护方案不尽合理，并由此造成资金的浪费。 ( 4 ) 技术单一、投资偏低 养护技术单一、公路养护费用总体偏低也是浙江省公路养护中普遍存在的问题，造 成公路养护不能达到预期的路面使用性能。 综上所述，浙江省公路养护无论在管理层面还是技术层面，诸多矛盾均已突显，如 不及时解决，必将制约和影响该地区交通及经济发展。因此，加大公路养护投资，提高 养护技术水平及工作效率已被提上议事日程。要想彻底解决制约养护工作发展的瓶颈， 使得浙江省公路养护上水平，必须更新理念，积极采用养护新技术及新材料，引进新设 备，而且要因地制宜、加大养护资金投入，这样才能提供安全、舒适、畅通、便利的交 通条件。纤维沥青碎石封层就是浙江省公路局为了适应浙江公路养护的新形势，率先从 法国引入的公路预防性养护新技术【4 1 。 纤维沥青碎石封层技术虽然在法国已较成熟【5 】，但由于浙江省的交通及材料供应状 况与法国存在较大差异，无法直接借鉴国外技术，必须针对浙江省的具体情况进行系统 研究，解决该项技术涉及到的诸多关键技术问题，才能使得该项新技术在浙江乃至全国 得到快速推广。 1 2 沥青路面预防性养护技术简介 1 2 1 现有预防性养护技术介绍 为了满足沥青路面养护的需要，近年来，预防性养护技术有了长足的发展，许多养 护技术例如稀浆封层、微表处及同步碎石等已在养护工作中发挥了巨大的作用【6 】，但每 种养护措施材料组成特点不同，施工工艺及经济效益不同，适应条件也不同，在推广使 用过程中还存在一些问题。 ( 1 ) 稀浆封层 公路沥青路面设计规范( j t gd 5 0 - 2 0 0 6 ) 中规定：稀浆封层是指具有一定级配 的石屑或砂、填料( 水泥、石灰、粉煤灰、石粉等) 与乳化沥青、外掺剂和水，按一定 比例拌制成流动型混合料，再均匀洒布在路面上的封层1 7 1 。 稀浆封层技术在2 0 世纪4 0 年代后期兴起于德国，在美国，稀浆封层的应用占全国 黑色路面的6 0 ，其使用范围较广，对路面的老化、裂缝等病害起到了预防和维修的作 2 长安大学硕士学位论文 用，具有一定的防水性、抗滑性及耐磨性，并能恢复路面的外观形象，具有经济性好等 优点【8 】。此外，由于乳化沥青的使用，稀浆封层还具有节省能源、延长施工季节等优点。 但是，在施工实践中也认识到稀浆封层在质量稳定性方面还存在一些问题，如：摊 铺层颜色不一样、表面粗糙度和饱和度的变化、泛油、松散等。这主要是因为对原路面 的病害处理不够充分、乳化沥青的质量不够稳定、矿料级配不符合设计标准、施工设备 没有及时保养维修、操作人员不够专业等原因。 稀浆封层的施工图和成型效果图分别如图1 1 和1 2 所示。 图1 1 稀浆封层施工图图1 2 稀浆封层成型效果图 ( 2 ) 微表处 公路沥青路面设计规范( j t gd 5 0 2 0 0 6 ) 中规定：微表处是指具有一定级配的 石屑或砂、填料( 水泥、石灰、粉煤灰、石粉等) 与聚合物改性乳化沥青、外掺剂和水， 按一定比例拌制成流动型混合料，再均匀洒布于路面上的封层。微表处技术是稀浆封层 技术发展的一个高级阶段，是逐渐从稀浆封层范畴中分离出来的，虽然形式上与稀浆封 层有很多相似的地方，但在原材料选择、混合料技术要求等方面都比稀浆封层严格，从 而使得微表处的使用性能和寿命与稀浆封层相比有了很大提高1 9 j 。 在国外，微表处被认为是修复路面车辙及其它多种病害的最有效、最经济的手段之 一，在欧美和澳大利亚已经普及【1 0 】。我国从2 0 0 0 年开始进行微表处技术的研究和推广 应用已经在京沪高速公路、沪嘉高速公路上海段、沪宁高速公路等多条高速公路的路面 养护中得到了应用。 微表处除了具有稀浆封层技术所具有的特性( 流动性、防水性、抗滑和耐磨性) 外， 还可以修补路面车辙、治理路面病害，改善行车舒适性，提高路面耐久性。微表处虽然 比稀浆封层有以上较好的性能，但是微表处对原材料的要求很高，如：要求所有的改性 乳化沥青的残留物含量要不小于6 2 ：集料的砂当量必须大于6 5 0 5 ，要求集料必须干净， 第一章绪论 不能含有太多泥土，磨耗损失不得大于3 0 ，必须坚硬、耐磨耗。因此，微表处的养护 费用与稀浆封层相比也会高出很多。微表处预防性养护施工前后对比如图1 3 所示。 施工前路面效果施工后路面效果 图1 3 微表处施工前后对比图 ( 3 ) 雾封层 雾封层是将乳化沥青、改性乳化沥青或沥青路面养护剂等流体状的材料，经喷洒机 械喷洒在沥青路面上，从而起到封闭路面孔隙，稳定松散集料，修复路面老化作用的预 防性养护技术f l l 】。 雾封层是一种成本较低的有效的道路预防性养护技术，它是直接在路面表面喷洒雾 封层材料，为路面快速提供一个黑色的表面。雾封层可以封闭路面表面的孔隙以及微小 裂缝，对3 m m 以下的裂缝有一定的填充愈合作用，从而能够防止水分进入路面结构中而 引起路面结构的水损害；还能稳住路面表面松散的集料，防止其进一步松散；可以保护 和修复路面因老化而损失的粘结料，从而减少路面的老化，加深沥青路面的颜色。 虽然雾封层能延迟路面其它病害的产生，维持路面的使用功能，延长道路的使用寿 命，但它对路面早期病害的预防效果不是特别明显，而且对病害处治是暂时性的，治标 不治本。施工时，必须严格掌握单位面积的喷洒量，喷洒量过多会在路表面形成一层薄 膜而使路面丧失磨擦阻力，所以雾封层主要用于交通量较低、行驶速度较低的道路上。 雾封层施工效果如图1 4 所示。 4 长安大学硕士学位论文 雾封层施工后未进行雾封层施工 图1 4 雾封层施工效果图 ( 4 ) 同步碎石封层 同步碎石封层是指用专用的设备将单一粒径的碎石和沥青胶结料( 改性沥青) 同步洒 铺在路面上，在胶轮压路机或自然行车碾压下，使胶结料与石料之间得到最充分的表面 接触，以达到它们之间最大限度的粘结，从而达到保护原有路面的作用【1 2 1 。 同步碎石封层技术是法国赛格玛公司在4 0 多年的实际道路养护工作中总结发明的 新一代道路建设和养护技术，并研制除了相应的施工设备同步碎石封层机【l3 1 。该技 术及设备以其优良性及很高的性价比而被法国公司总署全面采用并推广。该技术己应用 于法国和其它欧洲国家，以及南北美洲、俄罗斯、印度和非洲等3 0 多个国家和地区， 并于2 0 0 2 年被中国引进采用。 同步碎石封层的工作原理是利用专门的施工设备同步碎石封层机，将流体沥青 与洁净干燥的均匀石料几乎同时喷洒在路面上，保证沥青与石料在最短的时间内完成结 合，并在外荷载作用下不断形成强度。同时，由于流体沥青的表面张力，使沥青沿石料 表面向上爬升，爬升高度约为石料高度的2 3 ，并在石料表面形成一个半月面，使石料 被沥青裹覆的面积达到7 0 ，从而保证了沥青与石料的结合强度，提高了沥青与集料的 粘附性，使得同步碎石封层具有良好的耐磨性、耐久性和防水性能【1 4 l 。 同步碎石封层技术在施工应用时，首先要合理选择沥青和碎石，使得沥青与碎石有 良好的相容性，而且对沥青和碎石的用量控制相当严格。若沥青用量过少，沥青不肯日匕e _ , 1 z t k e l 好的裹覆碎石，从而导致在车辆行驶过程中会出现碎石掉粒现象；沥青用量过多，会导 致在行车碾压过程中，沥青结合料从石料的空隙中溢出，从而导致路面泛油，摩擦系数 降低。如果碎石覆盖率过低，则过多的紫外线对沥青的照射会导致沥青的老化速度加快； 碎石覆盖率过高，会导致过多的石料被挤压到沥青层中，从而导致一些已经粘结较好的 碎石脱落。同步碎石封层由于沥青洒布量相对较大，与稀浆封层等养护技术比较时，工 第一章绪论 程造价较高。同步碎石封层在施工完成后，不能立即通车，加大了施工组织的难度，而 且对设备操作人员的素质要求较高。同步碎石封层现场施工及效果图分别如图1 5 和1 6 所示。 图1 5 同步碎石封层施工图图1 6 同步碎石封层效果图 1 2 2 纤维沥青碎石封层 纤维沥青碎石封层1 5 1 是指用纤维沥青碎石封层核心设备同时洒布沥青粘结料和玻 璃纤维，然后在上面撒布碎石经碾压后形成新的磨耗层或者应力吸收中间层的一种新型 道路建设施工和养护技术。纤维沥青碎石封层的的核心设备是纤维沥青碎石封层机，纤 维沥青碎石封层的现场施工情况见图1 7 所示。 图1 7 纤维沥青碎石封层现场施工图 纤维沥青碎石封层施工中，原本带状的长纤维经过纤维沥青碎石封层车专门工艺破 碎切割后，成为了长度均匀的短纤维，纤维在上下两层均匀洒布的沥青结合料中呈乱向 均匀分布，相互搭接。带状长纤维经过纤维沥青碎石封层车破碎效果如图1 8 所示。 6 长安人学硕上学位论文 原始带状长纤维纤维经过破碎切割的短纤维 图1 8 纤维的破碎切割 纤维沥青碎石封层由于纤维呈乱向分布、相互搭接形成网络结构，正是由于纤维的 加入使得纤维沥青碎石封层与其他预防性养护技术相比，具有很好的路用性能【1 6 】，主要 表现在一下几方面： ( 1 ) 良好的抗路面开裂性能 纤维的加入，有效提高了纤维沥青碎石封层的抗拉强度，而且相互搭接的纤维能够 吸收和分散旧沥青路面原有裂缝的反射应力，消除了旧沥青路面裂缝尖端产生的应力集 中，从而能够有效地抑制反射裂缝出现，使得纤维沥青碎石封层具有良好的抗裂性。 ( 2 ) 优良的防水性能 纤维的加入增加了纤维沥青碎石封层的弹性模量，也增强了其延伸性能。在低温情 况下，其抗拉强度远远大于温度变化带来的收缩拉应力或拉应变，降低了面层的低温脆 裂性，能够有效抑制沥青路面低温收缩裂缝的产生，进而避免了路面水损害的出现。 ( 3 ) 较好的高温稳定性能 纤维夹在上下两层沥青结合料中，能够很好地吸附沥青中的油分，增加了沥青结合 料的粘度和粘附力，有效阻止了沥青的流动，从而避免了因高温泛油而造成的路面病害， 能够很好的适应夏季高温的作用。 综上所述，纤维沥青碎石封层有效解决了路面裂缝反射的问题，能够有效地吸收应 力和分散应力，防止裂缝产生，可以使磨损、老化、裂缝、松散等病害迅速得到修复， 起到防水、防滑、耐磨等作用，使旧路面焕然一新，能更好地延长其养护周期及服务寿 命，从而产生显著的经济效益和社会效益。纤维沥青碎石封层的施工效果如图1 9 所示。 7 第一章绪论 图1 9 纤维沥青碎石封层成型效果图 1 2 3 浙江省沥青路面养护及路用性能要求 浙江省地处中国东南沿海长江三角洲南翼，年平均气温1 5 - 1 8 c ，夏季最高气温 3 3 一- - 4 3 c ，冬季最低气温- 2 2 一i o c 左右；全省年平均雨量在9 8 0 - - 2 0 0 0 毫米，年平均 日照时数1 7 1 0 2 1 0 0 小时，气候属于温暖湿润类型。 图1 1 0 浙江省地理位置 ( 1 ) 根据浙江省全年气温变化情况，即冬季气温不是很低、夏季气温很高而且日 照时间长的实际情况，所以在该地区进行预防性养护时，不必考虑低温性能，而只须要 考虑预防性养护技术的耐高温稳定性能。在夏季高温的作用下，预防性养护不能出现高 温泛油、碎石粘结性变差等现象。 ( 2 ) 浙江省降雨量较多，有三个明显的降水时段，即4 - - - 5 月的春雨；6 7 月的梅 雨和9 月的秋雨。所以路面预防性养护要有良好的防水性能，否则雨水下渗到原路面后 8 长安大学硕上学位论文 使得沥青混合料逐渐松散破坏，进而加速了路面的结构的破坏。 ( 3 ) 在车辆荷载的作用下，路面原有裂缝会慢慢反射到预防性养护层，逐渐发生 脱落、掉块现象，使得路面的服务质量下降。所以，预防性养护应该具有优良的抗裂性， 这样才能更好地延长路面的使用寿命。 为了充分发挥预防性养护的作用，延长沥青路面使用寿命，必须针对浙江省沥青路 面破损状况，选择的预防性养护措施必须满足以上路用性能的要求。为了直观地对比各 种预防性养护技术的路用性能特点，将其归纳汇总见表1 1 。 表1 1 预防性养护技术使用性能对比 预防性养护技术类型高温稳定性防水性抗裂性 稀浆封层一般一般一般 微表处一般一般一般 雾封层差一般差 同步碎石封层一般好一般 纤维沥青碎石封层好好好 通过表1 - 1 可知，纤维沥青碎石封层在高温稳定性、防水性和抗裂性方面都较其他 预防性养护技术优势突出，完全满足浙江地区对预防性养护的要求。所以，在浙江省沥 青路面养护中，推广纤维沥青碎石封层技术将会取得显著的经济及社会效益。 1 3 国内外研究状况 纤维沥青碎石封层技术发源于英引1 7 】，凭借其优越的性能及广泛的适用性，现在该 技术在英国、美国、澳大利亚、法国等国家都已得到普遍应用。2 0 世纪9 0 年代，美国 德州a & m 大学在四个不同的国家对纤维沥青碎石封层技术进行了一项长达1 5 年之久的 性能跟踪观察。一致的实验结果数据以及现场评估观察均表明：与未实施纤维沥青碎石 封层路段相比，纤维沥青碎石封层能够明显改善沥青路面的质量，使得路面的抗拉强度 提高3 0 以上、抗疲劳性能增加3 0 以上、抗车辙性能增加3 0 0 以上。 在美国纽约州奥林斯郡也对纤维沥青碎石封层和石屑封层进行了对比研究，结果表 明纤维沥青碎石封层能延缓病害的出现，大大延长了路面的服务寿命。2 0 0 3 年美国东北 部遭遇了一场5 0 年一遇的大雪，路面受到了严重的损害。8 月，对美国纽约州奥林斯郡 9 第一章绪论 的一条公路分幅分别应用了纤维沥青碎石封层技术和石屑封层技术对该路进行了预防 性养护，并对使用性能进行了跟踪观测。通过观测比较发现：在通车6 个月后，纤维沥 青碎石封层由于具有较强的应力吸收和应力分散能力，其路用性能良好，没有出现明显 的裂缝；而石屑封层由于没有纤维，应力吸收和分散能力差，在旧路面的原有纵向裂缝 处，经过车辆行驶作用裂缝又反射到了石屑封层表面。2 0 0 5 年1 月，经历了第二个冬季 的通车运行后，由于除雪机的作用，石屑封层已经出现了碎石掉粒，而且局部已经出现 了碎石跑光现象；而纤维沥青碎石封层性能由于具有较高的稳定性，使用性能依然良好， 没有出现明显的碎石脱落现象。2 0 0 6 年1 月，经过了第三个冬季的通车运行后，由于除 雪机的影响，石屑封层的碎石脱落更加严重，在轮迹带出现了明显的碎石跑光现象，而 且还进一步出现了水损害；而纤维沥青碎石封层只是局部出现了碎石脱落和碎石跑光现 象。具体比较见图1 1 l 所示。 纤维沥青碎石封层技术是由北京埃盟泰公司于2 0 0 7 年引入中国的，为国内公路建 设与养护行业带来了又一创新。2 0 0 7 年6 月底，在法国赛格玛公司相关技术人员的协助 下，辽宁营口公路处顺利完成了法国s e c m a i r 赛格玛纤维沥青碎石封层设备的调试，这 是纤维沥青碎石封层技术在中国的首次应用【1 8 】。借鉴于国外的成功经验和试验路所处的 地理位置在辽宁省，冬季气温较低，所以选择s b r 改性乳化沥青作为封层结合料。它具 有抗开裂性和低温延度好、粘附性强、早期强度高、恢复交通快、罩面使用寿命长等特 点。按照法国s e c m a i r 纤维沥青碎石封层设备的功能，需喷射无捻粗纱型玻璃纤维，特 克斯数约为2 4 0 0 t e x ( g k m ) ，采用卷轴式纤维盘。采用的是山东淄博中材庞贝捷金晶玻 纤有限公司生产的直径为1 8 u m 、e r 2 4 0 卜h b 6 0 0 0 型的玻璃纤维丝。目前，抚顺沈通线 及沈环线、营口、大连、锦州、阜新等地已经进行了多次纤维沥青碎石封层施工，效果 很好，施工质量达到要求。但国内纤维沥青碎石封层在营口地区的应用只是一种尝试， 并未进行深入研究，尤其是对纤维沥青碎石封层的路用性能并没有展开研究。 1 0 长安人学硕士学位论文 纤维沥害碎石封层石届封层 。g 髓 缓黪嫦瓣铂 ，多。| 一。跏4 硼黪 ， 。；? 砖一； i 二三乙二二- + j 叠 i 翻。“h m 自2 q 一一 一 2 0 0 5 年1 月 一7 孓 局部有碎石跑光 锾 崩厶彘，二；? ， 。 ? 。鹗 峨隧泣二么幺羔二融磁二二捌 k m k 氘锄弛i 勃目l 幽p p 。_ 蕾譬。，_ _ - 。一一一一_ i 第三个冬季后 2 0 0 6 年i 户 - 轮迹处出现 严重的碎石跑光 并出观了水损害 图i i i 纤维沥青碎石封层与石屑封层的使用性能对比 1 4 主要研究内容及技术路线 本文在国内外纤维沥青碎石封层使用现状调研的基础上，借鉴国外纤维沥青碎石封 层技术的成功经验，结合浙江地区公路现状、交通特点及自然条件等，对纤维沥青碎石 封层技术的适应性、路用性能影响因素进行深入研究，并对其阻裂效应进行计算分析， 揭示纤维沥青碎石封层用于沥青路面养护的抗裂机理，最后对纤维沥青碎石封层路面结 构的使用寿命进行预估。具体研究内容包括： ( 1 ) 浙江省沥青路面养护现状调查分析 调查浙江省预防性养护技术现状及存在的问题，提出该省预防性养护路面应该具备 1 1 第一章绪论 的路用性能；通过对多种预防性养护技术的对比分析，揭示纤维沥青碎石封层的性能优 势，并分析国内外纤维沥青碎石封层研究状况。 ( 2 ) 纤维沥青碎石封层适应性研究 纤维沥青碎石封层作为预防性养护技术，养护时机的确定及对旧路状况的适应性非 常重要。实施太早会造成资金的浪费，太晚不能充分地展示其性能优越性，使用效果不 佳。因此，必须对纤维沥青碎石封层的适用时机及对旧沥青路面的适应性进行深入研究。 ( 3 ) 纤维沥青碎石封层性能影响因素分析 纤维沥青碎石封层路面结构使用效果及养护路面的使用寿命受多种因素的影响。因 此，必须深入研究路用性能影响因素及规律，实施过程中才能有的放矢，才能保证纤维 沥青碎石封层具有良好的使用性能。 ( 4 ) 纤维沥青碎石断裂韧度的确定 为了揭示纤维沥青碎石封层的阻裂机理，利用计算机图像处理技术对纤维沥青碎石 封层试件进行图像采集，进而建立纤维沥青碎石封层的有限元模型，并应用有限元软件 计算纤维沥青碎石封层的断裂韧度。 ( 5 ) 纤维沥青碎石应力强度因子分析 为了定量分析纤维沥青碎石封层的应力吸收和应力分散作用，应用断裂力学和有限 元原理，对纤维沥青碎石封层路面结构的应力强度因子进行计算分析，并对其阻裂效应 进行验证。 ( 6 ) 纤维沥青碎石封层使用寿命预估 在现有沥青路面罩面衰变模型的基础上，通过对材料影响系数的修正，建立纤维沥 青碎石封层预防性养护后路面结构的性能衰变模型，进而对纤维沥青碎石封层路面的使 用寿命进行预估，并与微表处路面使用寿命进行比较分析。 本文的技术路线如图1 5 所示。 1 2 长安大学硕上学位论文 图1 5 技术路线图 第二章纤维沥青碎石封层适应性研究 第二章纤维沥青碎石封层适应性研究 从第一章的分析可知，相比其他预防性养护技术，虽然纤维沥青碎石封层用于沥青 路面的预防性养护具有良好的路用性能，但在具体实施时，原沥青路面的破损状况对纤 维沥青碎石封层的实施及其路用性能有较大的影响。由于原有沥青路面在使用寿命的各 个阶段性能会不断衰减，并表现出不同的路面性状【i9 1 ，而纤维沥青碎石封层这种养护新 技术对旧路面的状态有一定要求，只有在适当的时机采用这种预防性养护技术，才能恢 复旧沥青路面的各项路用性能，最大限度地延长路面使用性能。 2 1 对旧沥青路面的适应性 为了研究纤维沥青碎石封层的使用条件，必须借助于断裂力学方法，建立有限元模 型，考察典型路面结构强度及破损状况变化时，纤维沥青碎石封层路面的力学响应及变 化规律，基于此，再提出纤维沥青碎石封层对就旧沥青路面的适用条件。 一般情况下，对旧沥青路面的使用状况进行评价时，主要考虑旧路的强度和破损状 况。因此，在研究纤维沥青碎石封层对旧路面的适应性时，主要考虑纤维沥青碎石封层 对旧沥青路面的强度和破损状况的适应性。 2 1 1 概述 旧路在使用过程中，由于内、外界各种因素的综合作用，使得路面表面逐渐出现了 裂缝。如果路面存在裂缝，当纤维沥青碎石封层加铺在旧路面上时，其受力情况也将发 生变化，裂缝会逐渐扩展到纤维沥青碎石封层表面。因此，应该采用断裂力学来计算分 析纤维沥青碎石封层对旧沥青路面裂缝的适应性，因为路面开裂程度不同，纤维沥青碎 石封层的受力状态也不同。为了保证这项新的预防性养护措施的成功实施，旧路面的裂 缝宽度必须控制在一定的范围内。 ( 1 ) 断裂力学基本知识 断裂力学中根据裂缝的受力特点和位移情况，把裂缝分为三种类型：即张开型( i 型裂缝) 、剪切型( i i 型裂缝) 和撕开型( i i i 型裂缝) f 2 0 。根据浙江地区沥青路面的实 际调查分析可知，纤维沥青碎石封层加铺在旧沥青路面上，其裂缝的产生和扩展主要是 由于旧路表面裂缝尖端处拉应力较大所致，裂缝扩展方向与拉应力作用方向垂直，所以 1 4 长安大学硕十学位论文 纤维沥青碎石封层在车辆荷载作用下其裂缝主要是张开型裂缝，即i 型裂缝。 根据断裂力学理论，在裂缝尖端处附近，其应力趋向于无穷大，即在裂缝尖端处应 力呈现奇异性1 2 。在结构分析时，如果采用常规的有限元划分单元计算应力情况时，在 靠近裂缝尖端处的结点其受力分析不能得到满意的结果，这是因为在靠近裂