（道路与铁道工程专业论文）基于SAMPAVE抗裂结构层的混凝土路面沥青加铺技术研究.pdf

内容摘要 内容摘要 如何控制混凝土路面沥青加铺层反射裂缝的产生和发展是道路工程界面临 的一大难题，本文在前期研究的基础上，对混凝土路面沥青加铺层反射裂缝产生 机理、基于应力吸收层的沥青加铺层结构及材料、加铺层设计方法等进一步深入 研究。主要取得以下研究成果： ( 1 ) 从理论上探讨应力吸收层沥青混合料能减小沥青加铺层产生应力集中 的机理。依据沥青路面线弹性断裂力学基本理论与有限元方法对应力吸收层反射 裂缝的成因及扩展机理进行分析，研究了沥青加铺层厚度、应力吸收层模量与厚 度、降温幅度及轴载等参数变化对加铺层荷载应力和温度应力的影响，通过力学 分析揭示了旧水泥混凝土路面接缝和裂缝处应力吸收层能减小加铺层产生应力 集中的原因。 ( 2 ) 研发了拥有自主知识产权的s a m p a v e 特种改性沥青及混合料，采用 s g c 成型方法，进行s a m p a v e 应力吸收层混合料配合比设计，并对应力吸收 层沥青及混合料路用性能的进行分析，得出了应力吸收层特种改性沥青结合料的 路用性能特点和其在应力吸收层中的作用效果与使用的合理性，以及应力吸收层 混合料合理的矿料级配范围和具有优异的低温抗变形能力及抗疲劳性能。 ( 3 ) 在室内理想条件下采用大比例尺寸疲劳试验仪及m t s 进行不同加铺层 结构疲劳破坏的对比试验，通过模拟基于应力吸收层的沥青加铺层荷载型及温度 型反射裂缝的产生、扩展过程，评价不同结构的沥青加铺层特别是应力吸收层结 构抵抗反射裂缝的能力，并以此验证了理论计算结果，表明s a m p a v e 应力吸收 层是一种很好的延缓反射裂缝的新材料。 ( 4 ) 研究基于应力吸收层的沥青加铺层设计方法。在室内试验结果、结合 理论分析及对试验路、沥青加铺层实体工程施工控制、使用状况的跟踪观测的基 础上，提出了基于应力吸收层的沥青加铺结构设计方法。 ( 5 ) 采用研发的s a m p a v e 应力吸收层混合料成功铺筑了试验路，并对试 验路进行经济效益分析，表明该材料具有良好的经济效益和社会效益，为进一步 推广s a m p a v e 技术打下基础。 关键词：水泥混凝土路面沥青加铺层，反射裂缝，s a m p a v e 应力吸收层，应力 分析，大比例尺寸疲劳试验，m t s 疲劳试验，结构设计方法 内容摘要 a b s t r a c t h o wt oc o n t r o lt h ei n i t i a t i o na n dd e v e l o p m e n to ft h er e f l e c t i v ec r a c k i n gi n a s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a y ( a c o ) i sag r e a tc h a l l e n g ei nt h er o a de n g i n e e r i n g b a s e d o nt h ep r e v i o u sr e s e a r c h ，t h i sd i s s e r t a t i o nc o n t i n u e dad e e ps t u d yo nt h eg e n e r a t i o n m e c h a n i s mo fr e f l e c t i o nc r a c ki na s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a y , t h es t r u c t u r ea n dm a t e r i a l o ft h eo v e r l a yo fs t r e s sa b s o r b i n gl a y e ra n dt h ed e s i g no ft h eo v e r l a y t h em a i n c o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) 1 1 枪m e c h a n i s mo fh o ws t r e s s a b s o r b i n gl a y e rd e c r e a s e t h es t r e s s c o n c e n t r a t i o ni sd i s c u s s e di nt h e o r y b a s e do nt h et h e o r yo ft h el i n e a re l a s t i cf r a c t u r e m e c h a n i c sa n dt h ef i n i t e e l e m e n tm e t h o d ，t h et h i c k n e s so fa s p h a l to v e r l a y , t h e m o d u l u sa n dt h et h i c k n e s so fs t r e s sa b s o r b i n gl a y e r , t h ea f f e c t i o no fv a r i a t i o no fs o m e p a r a m e t e rs u c ha st h ec o o l i n ga m p l i t u d ea n da x l el o a do nt h e1 0 a ds t r e s sa n d t e m p e r a t u r es t r e s si nt h eo v e r l a ya r ed i s c u s s e d i ti so p e n e do u tt h a t t 1 1 es t r e s s c o n c e n t r a t i o ni sd e c r e a s e db yt h ei o i n to ft h eo l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ta n ds t r e s s a b s o r b i n gl a y e ri nt h ej o i n tt h r o u g ht h em e c h a n i c a la n a l y s i s ( 2 ) as p e c i a lm o d i f i e da s p h a l ta n dm i x t u r eo fi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t y o fsa 凡但a v ei se x p l o i t e d u s i n gt h em e t h o do fs g c ，t h em i x t u r ep r o p o r t i o n i n go f s a mp a v ei sd e s i g n e d t h r o u g ht h ea n a l y s i so fp a v e m e n tp e r f o r m a n c eo ft h es t r e s s a b s o r b i n gl a y e r , t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dt h er a t i o n a l i t y o ft h eo v e r l a yi sa c h i e v e d a r a t i o n a lr a n g eo fm i n e r a lg r a d a t i o n 、斩t hp e r f e c ta n t i d e f o r m a t i o nc a p a c i t yi nl o w t e m p e r a t u r ea n da n t i f a t i g u ep e r f o r m a n c ei sa l s oa c h i e v e d ( 3 ) t h ec o n t r a s tt e s tt ot h ee n d u r a n c ef a i l u r eo fd i f f e r e n ts t r u c t u r eo fo v e r l a y s h a v eb e e nm a d eb yl a r g ef a t i g u em a c h i n ea n dm t si ni n d o o ri d e a lc o n d i t i o n s n u m e r o u ss i m u l a t i o n so nh o wt h el o a da n dt e m p e r a t u r er e f l e c t i n gc r a c kb a s e do nt h e a s p h a l to v e r l a yh a db e e np r o d u c e da n de x p a n d e dh a v eb e e np r o c e e d e dt oe v a l u a t et h e a b i l i t yo fa n t i r e f l e c t i v ec r a c k i n g a l lt h e s ei n d i c a t e dt h es t r e s sa b s o r b i n gl a y e ri sa k i n do fn e wm a t e r i a lw h i c hc a l ld e l a yt h ee x p a n s i o no f t h er e f l e c t i n gc r a c k ( 4 ) t h ed e s i g nm e t h o do f t h ea s p h a l to v e r l a yb a s e do nt h es t r e s sa b s o r b i n gl a y e r i ss t u d i e d 砸sm e t h o di sp u tf o r w a r do nt h ef o u n d a t i o no fi n d o o rt e s tr e s u l t t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h et e s tr o a d ( 5 ) at e s tr o a dw i t hs a m p a v ei ss u c c e s s f u l l yp a v e d t h ee c o n o m i cb e n e f i t a n a l y s i si n d i c a t e st h a tt h i sk i n do fm a t e r i a lh a sp e r f e c te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s ， s oa st o1 a yaf o u n d a t i o nf o rt h ef u r t h e rp o p u l a r i z a t i o no fs a a 恰l v e k e yw o r d s ：a s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a yo fp o r t l a n dc o n c r e t ep a v e m e n t , r e f l e c t i v ec r a c k i n g ， s a m p a v ea b s o r b i n gl a y e r , s t r e s sa n a l y s i s ，l a r g e s c a l ef a t i g u ee x p e r i m e n t ，m t sf a t i g u e e x p e r i m e n t ，s t r u c t u r a ld e s i g nm e t h o d 一、绪论 一、绪论 1 1 课题研究的背景及意义 公路交通是衡量一个国家经济实力和现代化水平的重要标志，是国民经济发 展、社会进步和人们生活提高必不可少的公共基础设施。随着我国国民经济的快 速发展，交通量的迅速增加，高等级公路的里程在不断的延伸，截止2 0 0 7 年底， 我国公路通车总里程达到3 5 7 3 万k m ，其中高速公路5 3 6 万k m ，农村公路约 1 9 0 万k i n ，高速公路水泥混凝土路面约占2 5 ，二级公路水泥混凝土路面约占 6 7 。加上我国城镇中市政道路水泥混凝土路面9 万多k m ，公路与市政道路水 泥混凝土路面总里程达到了3 0 万多k m ，我国已成为世界上水泥混凝土路面拥有 里程最多的国家。 这些水泥道路大多是上世纪八十年代末期或九十年代初期修建的，现已接近 或超过设计使用年限，有的虽未达到设计年限，一方面，由于受当时设计水平、 施工工艺、材料、资金、气候、养护等诸多因素的影响；另一方面，由于国民经 济的快速发展，交通量剧增，汽车轴载日益重型化，超载现象时有发生，导致路 面过早损坏、使用品质和通行能力日益下降，譬如：断板、破碎、错台、唧泥等 现象，造成路面平整度差，行车颠簸，噪音大，严重影响了道路的使用功能及行 车安全，急需改造、修复路况。 但与沥青路面相比，水泥混凝土路面的修复比较困难，板断裂、破碎等病害 原因复杂，尽管在断板、破碎板不多的情况下，有些路段经常可以看到采用换板 的补救措施，对水泥混凝土路面进行修补，但路基或基层的病害依然存在，也无 法彻底根除或防止这些病害的再次产生，并且新板与旧板的连接、接缝处治也存 在诸多问题，维修费用高，修复效果并不十分理想，因此，对水泥混凝土路面如 何维修、改造一直是困扰公路部门的技术难题。 为改善旧水泥混凝土路面的行车状况，对其进行改造加铺势在必行。但改造 加铺方案须注意以下几点：( 1 ) 充分利用旧混凝土板，废弃旧板也是一种资源浪 费与环境污染；( 2 ) 旧路病害的处治及防止再次产生；( 3 ) 设置裂缝缓解层，防 止反射裂缝产生；( 4 ) 设计行车舒适，既经济又耐久的罩面结构。目前，旧水泥 一、绪论 混凝土加铺层结构选择及理论计算缺乏依据，无完善的设计规范及施工规范进行 指导，大多沿用新路面设计规范或仅凭地方经验施工，带有较大的盲目性，因而 往往使加铺效果不理想而造成经济上的损失。因此，如何防治反射裂缝是旧水泥 混凝土路面加铺沥青面层需要解决的主要问题之一，处治好旧路面出现的各种病 害，设计合理的加铺层结构成为目前我国公路界所面临的重要任务，鉴于此，本 研究为防止反射裂缝产生，提出一种基于应力吸收层的水泥混凝土路面沥青加铺 层结构，为旧水泥混凝土路面改造提供一套系统的实用技术。 1 2 国内外防反射裂缝研究概况 上世纪3 0 年代至今，国内外学者和道路工程界针对旧水泥混凝土路面沥青 加铺层反射裂缝问题展开了多方面的研究。这些研究主要可分为五个方面：( 1 ) 沥青加铺层反射裂缝的产生和扩展机理；( 2 ) 防治反射裂缝的措施；( 3 ) 评价抵 抗反射裂缝能力的试验方法；( 4 ) 沥青加铺层反射裂缝的力学分析；( 5 ) 沥青加 铺层设计方法。下面简要综述这几个方面的研究进展。 1 沥青加铺层反射裂缝的产生和扩展机理 加铺层反射裂缝的产生和扩展直接关系到采取怎样的防反裂缝措施。对于旧 水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝的产生和扩展，目前学术界已基本形成共 识，一般认为交通荷载及温度荷载是引起加铺层反射裂缝的主要因素。线弹性断 裂力学在沥青路面结构破坏分析应用中引入了应力强度因子及相应的断裂韧性 参数等，来计算分析沥青路面在交通荷载及温度荷载作用下的开裂和扩展机理及 各种防裂措施阻止沥青路面开裂。反射裂缝的产生阶段是由于交通荷载、温度应 力反复作用导致沥青混凝土裂缝和接缝处疲劳开裂，若用传统的材料强度理论来 解释，即沥青混合料自身的极限强度被超过，达到了破坏状态。但实际加铺层路 面材料功能并没有完全损失殆尽，只是开始局部损伤，即水泥混凝土原始存在的 初始损伤接裂缝处由于应力集中开始有裂缝产生，沥青路面并没有破坏。反射 裂缝的扩展阶段对应于断裂力学中裂缝的疲劳扩展规律，即沥青加铺层按传统材 料强度理论所描述的最终破坏状态，有一个裂缝扩展的过程一从开始变形直至破 坏是一个逐渐劣化的过程，即随着温度应力和交通荷载继续作用，其损伤断裂存 在一个量变直至破坏的质变过程，这个扩展过程可用断裂理论的裂缝扩展位移模 2 一、绪论 式来描述。对旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝的扩展而言：一是车辆偏荷 载的疲劳作用对应于剪切型和张开型反射裂缝的产生扩展；二是温度应力对应于 张开型反射裂缝的产生扩展；三是交通和温度荷载共同作用对应的混合型反射裂 缝的产生扩展。温度应力、荷载应力以及共同作用的耦合应力哪一个因素在加铺 层反射裂缝中起主导作用，是与加铺层材料性能、旧路的处治状况、交通和气候 条件等众多因素相关联的。 2 反射裂缝的防治措施 为防止及减少旧水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝，国内外研究者进行了 大量的试验路铺设及理论分析研究。防治反射裂缝的措施主要有如下几种：增加 沥青加铺层的厚度，采用士工合成材料夹层，设置应力位变吸收薄膜夹层，断裂 稳固旧混凝土板，铺设大粒径沥青混合料和级配碎石裂缝缓解层，以及在沥青混 合料中掺入纤维等阻裂材料，对半刚性层进行预切缝并加铺土工织物处理，对旧 水泥混凝土路面板进行灌浆处理等。美国联邦公路局( f h w a ) 于1 9 7 0 年提出了一 个减少沥青加铺层反射裂缝的研究计划n e e p - 1 0 ，该计划包括几个方面的研究内 容：加铺层厚度、沥青的稠度、沥青混合料中的外掺剂、加铺前对旧混凝土路面 的处理及应力消解层等。1 9 8 8 年美国沥青协会( m ) 对减少反射裂缝的几种措施 总结结果为：在加铺前对水泥混凝土路面板断裂及稳固、对沥青混凝上加铺层锯 缝和填缝以及沥青混合料外掺橡胶粉均有很好的效果。国内长安大学、东南大学、 同济大学、长沙交通学院、华南理工大学等高校及一些科研单位从上世纪9 0 年 代开始也先后开展了加铺层防反裂缝措施的理论研究，并结合实体工程铺筑了大 量的试验路。这些试验路基本包含了上述几种主要防治反射裂缝的措施。 水泥混凝土路面沥青加铺层防止反射裂缝走沥青混合料本身防裂的道路是 解决反射裂缝问题的新思路。富沥青混合料f a c ( f u l l a s p h a l tc o n t e n t a c ) 就是 以抵抗反射裂缝的疲劳特性为主而进行沥青混合料的组成设计，提出冲击韧性这 一指标来评价混合料抵抗反射裂缝的能力。s t r a t a 应力吸收层是美国k o c h 沥青材料公司研发的专门用于解决反射裂缝问题的沥青混合料。它在美国研究、 修筑试验路并跟踪观测积累设计、施工经验后，已在美国新泽西、伊利诺斯、堪 萨斯、德克萨斯、密苏里等州的多个项目中使用，均获得了成功。 一、绪论 3 评价抵抗反射裂缝能力的试验方法 防止反射裂缝的措施其效果如何，一般都是通过各种试验来进行评价。对各 种沥青加铺层结构或材料的阻裂效果的评价，无论是定性的还是是定量的，都是 为了获取相关数据和各种参数等，并用试验结果来验证理论分析或比较所采用的 防裂措施的能力。国内外研究者开发了许多试验方法，主要可分为以下几大类： 大型疲劳试验；冲击韧性指标；直接拉伸疲劳试验；间接拉伸试验；弯曲一拉伸 疲劳试验；剪切疲劳试验；试板疲劳试验。 4 沥青加铺层反射裂缝的力学分析 目前对沥青加铺层结构有许多力学分析方法，主要可分为四类：静力学分 析法；有限元分析法；断裂力学法；动力学分析方法。前三类分析方法为 静荷载作用的力学分析方法。 5 沥青加铺层设计方法 对于沥青加铺层厚度设计方法，国内外差异很大。比较典型的设计方法有： m 设计方法、a a s h t o 设计方法、日本的t a 法、a r e 法、b e r k e l e y 分校设计 方法及最小厚度法等。 6 存在的主要问题 尽管对旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构与反射裂缝的研究取得了很多成 果，但仍然存在许多问题，当前在该领域中至少在以下几个方面有待深入和系统 研究： ( 1 ) 目前国内外采用的防止沥青加铺层反射裂缝的措施很多，但效果有好 有差，定性分析研究成果较多，能用于实际工程的定量分析成果较少。一些新结 构、新材料有待于通过试验路和实体工程的跟踪观测取得数据进行分析并通过理 论计算进行筛选。 ( 2 ) 目前国内对基于应力吸收层的加铺层结构尚无系统的理论研究，对应 力吸收层沥青结合料新材料的研发还是空白。 ( 3 ) 从国内外已有反射裂缝试验研究来看，对沥青加铺层反射裂缝的研究 多为一些小型试件试验，与实体工程相接近的大型模拟试验较少，与加铺层实际 情况存在较大差异。 ( 4 ) 旧水泥混凝土路面沥青加铺层的设计方法尚未完善，国内设计规范中 4 一、绪论 指导性意见不能满足解决实际问题的要求。 1 3主要研究内容及技术路线 1 水泥混凝土路面沥青加铺层断裂破坏机理与防裂措施研究 路面板断裂破坏主要集中在以下三个方面：( 1 ) 重型车辆荷载所致；( 2 ) 基 层破损或路基不均匀沉降导致板底局部脱空，受荷载作用而断裂。( 3 ) 温度应力 所致，特别在板角及接缝处。 2 s a m p a v e 应力吸收层沥青混合料材料研究 ( 1 ) s a m p a v e 改性沥青结合料研制与性能评价 研制拥有自主知识产权的s a m p a v e 混合料特种复合改性沥青结合料，探讨 特种复合改性沥青的评价指标，并对该改性沥青结合料的性能进行评价与分析。 ( 2 ) s 川p a v e 沥青混合料配合比设计方法研究 利用旋转压实方法( s g c ) 进行s a m p a v e 沥青混合料目标配合比设计，采 用传统马歇尔方法进行生产配合比验证，建立两种设计方法之间的指标联系，为 进一步推广该技术打下良好基础。 ( 3 ) s a m p a v e 沥青混合料路用性能研究 深入了解s a m p a v e 沥青混合料材料的路用性能，为有限元数值模拟提供更 多的材料特性依据，包括其高低温度性能、应力应变性能以及抗疲劳性能等。 3 水泥混凝土路面沥青加铺层应力分析与结构设计 ( 1 ) 混凝土路面应力吸收层加铺结构荷载应力有限元分析 根据应力吸收层的实际使用特点及国内外领域的研究成果，按层间连续状况 建立合适的有限元分析模型，采用三维八节点等参元进行路面结构的行车荷载应 力计算与分析。以应力吸收层的抗压回弹模量与厚度为变化参数，分析其对应力 吸收层路面结构的荷载应力分布的影响。 ( 2 ) 应力吸收层加铺结构温度应力有限元分析 根据实际埋设的路面温度传感器，整理分析路面结构温度场，并结合当地气 温资料，确定应力吸收加铺层结构中最不利温度梯度。以应力吸收层的弹性模量 与厚度为变化参数，分析其对路面结构的温度应力分布的影响。 一、绪论 ( 3 ) 应力吸收层加铺结构荷载应力与温度应力耦合分析 路面总是受到荷载应力与环境温度应力等多重因素的共同作用，利用三维有 限元法对在荷载与温度应力共同作用下的路面结构进行分析，比较各应力的变化 规律。 ( 4 ) 水泥混凝土路面沥青加铺层结构设计方法研究 在总结国内外加铺层结构设计方法的基础上，分析加铺应力吸收层后加铺层 结构应力变化，提出基于应力吸收层的沥青加铺层设计方法，并与其他加铺结构 进行对比研究。 4 沥青加铺层抗反射裂缝室内试验研究 在上述有限元数值模拟分析的基础上，进行沥青加铺层抗反射裂缝室内对比 试验研究，主要包括：室内控温条件下，s a m p a v e 应力吸收层加铺结构与其他 加铺结构的抗反射裂缝大比例尺寸对比试验研究；几种常见加铺层结构的抗弯拉 对比试验研究。 5 s a m p a v e 应力吸收层施工技术研究与经济效益分析 ( 1 ) 应力吸收层施工技术 依托试验路实体工程，提出s a m p a v e 沥青混合料拌和设备、摊铺设备、碾 压设备等机具的合理匹配关系、其施工工艺及其施工质量控制指标，并建立试验 路观测体系，为后续研究提供更多的现实依据。 ( 2 ) 基于应力吸收层加铺结构的经济效益分析 从加铺层结构的工程造价、路面养护与维修、寿命预估等方面分析不同加铺 结构对路面性能的影响，彰显应力吸收层加铺结构的优越性。 6 二，混凝土路面沥青加铺层断裂破坏机理与防裂措施研究 二、混凝土路面沥青加铺层断裂破坏机理 与防裂措施研究 20 1 路面断裂力学基本理论 传统的路面结构应力分析往往是针对连续完整的、无缺陷的结构体系进行 的，并没有考虑材料、结构内部先天存在的缺陷或使用期内逐渐出现的缺陷对路 面造成的不利影响，这使得运用传统的疲劳力学理论与方法对旧水泥混凝土路面 沥青加铺层结构进行计算和分析时与实际情况存在偏差。按照断裂力学及疲劳断 裂力学的观点，可以认为沥青加铺层的破坏正是由于旧水泥混凝土路面裂缝或接 缝这种原始缺陷的存在，引起沥青加铺层的应力集中与内部损伤，当这种应力集 中与损伤累积超过材料与结构抵抗破坏的容许值时，就造成了沥青加铺层裂缝的 扩展，并导致路面结构的破坏。 1 裂缝的开裂形式 根据断裂力学原理可将裂缝的扩展模式分为三种：张开模式、剪切模式及撕 开模式，如图2 1 所示。从沥青加铺层断裂特性来看，反射裂缝的断裂形式主要 为由温度变化引起的张开型裂缝( i 型) 及由交通荷载引起的剪切型裂缝( i i 型) ， 或由i 型及i i 型构成的复合型裂缝，而撕开型反射裂缝( i 型) 则较少。 四日皿 ( 1 ) 张开型裂缝( i 型) ( 2 ) 剪切型裂缝( i i 型) ( 3 ) 撕开型裂缝( i i i 型) 图2 1 裂缝扩展模式 2 裂纹尖端奇异场 裂缝尖端处的应力强度因子是研究裂缝扩展规律的基础，为了研究沥青路面 开裂和扩展规律，以便在设计各种防裂措施时提供必要的理论依据，有必要对裂 缝的应力强度因子进行分析。在旧水泥混凝土路面接缝处的沥青加铺层会有应力 集中，出现应力奇异点，此应力值远高于无裂缝相同点处应力，从而导致接缝处 7 二、混凝土路面沥青加铺层断裂破坏机理与防裂措施研究 沥青加铺层底部出现裂缝，裂缝向上扩展最终贯穿加铺层结构。 由弹性问题的解析函数方法，求得线弹性断裂力学中i 、i i 、i 型裂纹问裂 的裂纹尖端奇异场，在裂纹尖端奇异场各个应力分量( 应变) 表达式中都包含了 ，抛项，使得当h o 时，它们均趋于无穷大，这是裂纹尖端附近弹性场的一个重 要特征，称之为应力应变对，有奇异性，或称这个场为奇异场。但实际上由于沥 青加铺层材料具有一定的韧性，因而尖端会产生塑性变形区，塑性区的出现使裂 纹尖端应力重分布，从而导致尖端应力在一定程度上得到松弛，但仍有较大的应 力集中。 3 应力强度因子理论 ( 1 ) 应力强度因子 应力强度因子k i 、k i l 、k m 表征了裂纹尖端附近应力应变弹性场的强度， 控制着裂尖附近的整个弹性场。它不只是表示应力应变的大小，而且表示了整个 场的能量，有力和能的共同含义。 一般定义三种形式的应力强度因子为： k ，1 一i m y l 口= o 历 。 ，_ 0 7i k 盯= 豫k 历 k 盯= l ，i _ m 。r ，1 伽2 4 2 4 历 ( 2 1 ) 可将应力强度因子k 用四部分组成其表达式，即： k = 仃o 口阿 ( 2 2 ) 式中：6 r 远场应力； y _ 称为形状系数，与裂纹形状、加载方式、构件几何形状和尺寸有关； p 一称为宽度修正系数，它表示了构件宽度( 相对于裂纹长度而言) 对 k 的影响，对于无限大板，f 取为l ；在不少有限边界的k 的解中， 系数】，与，很难分开，经常以一个统一的系数出现在k 解中。 由式( 2 2 ) 可知，决定应力强度因子k 的因素有外力的大小、加载方式、 裂纹长度及形状、构件的几何形状和尺寸。 ( 2 ) 断裂判据 裂纹尖端附近弹性场常参量应力强度因子k 表示了在外荷载作用下的断裂 8 二、混凝土路面沥青加铺层断裂破坏机理与防裂措施研究 弹性构件裂纹尖端的力学性状，它把影响裂纹尖端性状的各种因素综合为裂尖应 力应变场强度，集中地表现出来，这实际上是以数值表示了不同裂纹尖端趋向开 裂的严重程度。因此，这一参量可以决定加铺层是否由裂纹处发生断裂破坏。实 践证明，它是一个比较好的断裂准则。 由k 的各种表达式可以看出，在构件、裂纹、加载方式等确定之后，x 值将 随着外力的增大而增大。k 值增大到一定程度时必然会导致沥青加铺层的断裂破 坏。实验表明，对同一材料的不同构件，若以同一种开裂形式加载，且处于同一 种应力状态下，那么它们断裂时的k 值是相同的。这一k 值自然是一种临界值。 我们把i 型裂纹处于平面应变状态下的这临界值以表示，平面应力状态下 以表示，把裂纹发生断裂破坏时的快速扩展现象称之为失稳扩展，那么k 准 则可以作如下叙述：当裂纹尖端应力强度因子k 达到某一临界值或砭时， 裂纹发生失稳扩展，或表示为当 k 。= 如( 平面应变) l k ，= 砭( 平面应力) j ( 2 3 ) 时裂纹发生失稳扩展。 临界值飚c 或称为材料的断裂韧度。它表征材料阻止裂纹失稳扩展的能 力，是材料的一种机械性能参量，或称为材料的一种韧性指标。蜀c 和k i 的关系 相当于材料强度极限a b 、屈服极限瓯与应力a 之间的关系。因此影响断裂韧性的 因素应该是加铺层材料的固有特性。 断裂力学承认材料或构件中不可避免地存在裂纹或类似裂纹状的缺陷。x 准 则就是基于这一假设的一种强度理论。用这种强度理论所确定的构件极限应力一 般小于o 。或a b 。这一极限应力称为剩余强度，以o 。表示。利用k 准则可以得到 裂纹发生扩展时的剩余强度g 。和临界裂纹吼。 对于i i 型裂纹问题有类似的判别式，即： k k j l c 应特别注意，应力强度因子k 和材料的临界应力强度因子是两个不同的 概念。前者是由外荷载引起的反映力学效应( 即裂纹尖端领域应力强弱) 的一个 参量，后者是反映材料性能的一个参量。 9 二、混凝土路面沥青加铺层断裂破坏机理与防裂措施研究 2 2 沥青加铺层疲劳断裂分析 根据疲劳断裂力学理论，结构的疲劳裂缝扩展寿命取决于结构内部初始裂缝 长度口o 、临界裂缝长度口c 与构件的疲劳裂缝扩展特性，根据构件所承受的最大 荷载，依据断裂准则确定。而构件的疲劳裂缝扩展特性则由下述因素决定：构件 所经历的应力( 荷载卜时间历程，即应力( 荷载) 谱；相应于构件几何形状与裂缝 形态的应力强度因子；对应于构件的材料与有关环境的基本裂缝扩展速率；应力 ( 荷载) 谱作用下的裂缝扩展计算方法。 1 疲劳裂缝扩展速率 在循环荷载作用下，裂缝长度a 随荷载循环次数n 的增加而加大，典型的 a - n 变化曲线如图2 2 所示。 n 图2 - 2典型的州曲线 疲劳裂缝扩展速率d a d n ，即荷载每循环一次所对应的裂缝扩展量，在疲 劳裂缝扩展过程中d a d n 不断变化，显然，每一瞬时的d a d n 即为a - n 曲线 在该点的斜率。 典型的d a d n 随a k 变化的曲线在双对数坐标内呈现图2 3 的形状。图中曲 线表明，d a d n a k 曲线一般分为三个阶段，即低速裂缝稳定扩展阶段i ，中速裂 缝稳定扩展阶段i i 和高速裂缝快速扩展阶段i i i 。阶段i 的曲线存在一条垂直渐 近线a k = z x k 吐i 。a k t h 称为疲劳裂缝扩展应力强度因子门槛值范围。当a k 3 0 x 1 0 6 的 标准交通，因此相应增加一个高温等级，最后确定高温等级为p g 7 0 。为偏于安 全考虑，低温设计则采用年极端最低温度1 8 3 ，确定的低温等级为p g 2 2 ，所 以应力吸收层沥青结合料至少应满足a a s h t op g 7 0 2 2 。 2 s a m p a v e 沥青结合料常规指标确定 依据国内外研究成果和已有工程实践经验，提出如表3 - 2 所示的常规指标技 术要求，在进行沥青材料开发过程中以此为依据，最终提出符合要求的特种改性 沥青材料。 表3 2s a m p a 、悒沥青结合料常规性能指标 项目试验方法指标要求 针入度( 2 5 c ，1 0 0 9 ，5 s ，o 1 m m ) t0 6 0 4 7 0 软化点( ) t 0 6 0 6 7 5 延度( 5 c m r a i n5 。c c m )t 0 6 0 5 5 0 溶解度( ) t 0 6 0 7 9 9 粘度( 1 3 5 c )t 0 6 2 5 或t0 6 1 9 2 2 3 2 密度( g c m ) t 0 6 0 3 实测 闪点( ) t0 6 1 1 2 4 5 弹性恢复( r t f o t ，2 5 ) t 0 6 6 2 8 0 离析( 4 8 h ) t 0 6 6 1 6 5 3 1 2 改性剂选择原则 为使s a m p a v e 沥青结合料路用性能、经济性、施工特性等都达到最佳，其 中选择合适的聚合物改性剂最为重要。对于改性剂的选择，必须综合考虑以下主 要因素： 1 相容性 相容性是改性沥青的首要条件。聚合物要能够均匀地分散在沥青中，必须与 沥青相容。从热力学的含义讲，相容性是指两种或两种以上的物质按任意比例均 能形成均相物质的能力，它可以用溶解度差来判断；而物理上的含义是指两种物 质混溶以后形成一个稳定的体系，不发生分层或者相分离。沥青与高聚物存在着 分子量、化学结构的差异，因而属于热力学不相容体系。与聚合物共混物相类似， 三、s a m e p v a v e 沥青混合料材料研究 由于不同组分相界面上的相互作用，使聚合物共混物具有了很多均相物质所难达 到的性质。s a mm a c c a r r o n e 认为聚合物在沥青聚合物体系中的理想状态是细分 布而不是完全互溶。所以对聚合物改性沥青来讲，达到物理意义上的相容是很有 必要的。 2 有效性和经济性 作为改性沥青材料，必须兼具有效性和经济性。目前公路面层沥青混合料中 采用的聚合物改性剂主要有：热塑性橡胶类、橡胶类和树脂类等三大类。根据应 力吸收层沥青结合料的性能要求选择合适的改性材料，并兼顾其经济性。 3 与基质沥青的交互作用 聚合物改性沥青的加工特性好坏直接关系到沥青改性的成败。在聚合物改性 沥青的制备过程中，聚合物与沥青在热状态下混合后，改性剂分子链变得更加舒 展，自由体积增大，同时基质沥青中的轻组分如软沥青质等进入改性剂网络后使 得改性剂分子链间距增大，在两相界面上使高分子的舒展程度进一步增大。根据 相似相容原理，在其界面上改性剂浸润、吸附部分组分相似的沥青形成一定厚度 的表面吸附膜，使改性剂与基质沥青的界面性质逐渐产生过渡，形成良好的过渡 结合，即聚合物与基质沥青产生良好的相容作用。根据聚合物改性剂类型和剂量 的多少，溶胀效果可能不尽相同，使沥青小分子组分减少，极性组分含量相对增 多，从而使沥青分子间的相互作用增强，内聚力得到提高。 制备过程中聚合物的溶胀作用至关重要，如果溶胀效果不佳，聚合物与基质 沥青不能很好相容，难以形成稳定的改性沥青产品。通常改性沥青的溶胀与作用 时间、温度、沥青和改性剂的性质及相对用量等都密切相关。 4 耐久性 为了使聚合物改性沥青能够在长期使用下保持良好性能，应保证聚合物在使 用期间物理力学性能保持稳定。而且还要求聚合物具有一定的抗氧化性及对光和 热的稳定性。 3 1 3改性工艺 本研究的改性工艺包括室内加工工艺、中试加工工艺和工厂化生产工艺。 1 室内加工工艺 ( 1 ) 改性沥青的制备 三、s a m e p v a v e 沥青混合料材料研究 室内改性沥青制备是将基质沥青加热到1 7 0 c ，加入预定比例的聚合物，剪 切机在6 0 0 0 r m i n 转速下运转，使聚合物充分溶胀。改性剂在剪切作用下逐渐变 细，最终以微米级细小颗粒均匀分散于沥青中，最后加入一定量的稳定剂及相容 剂使其稳定。整个制备过程大约需6 0 r a i n 。停止剪切后抽真空3 0 m i n ，以抽除高 速剪切中带入沥青中的大量气泡，最后将制得的改性沥青成型并测试其各项性能 指标。 ( 2 ) 常规技术指标测试 本研究采用常规技术指标进行控制，主要有：针入度、软化点、延度( 5 ) 、 弹性恢复、粘度等。 2 室内中试工艺 为了模拟工厂化生产过程，课题组自主研发了室内中试设备，验证改性方案 的可行性，见图3 1 所示，主要由自动控温的改性剂与沥青混合发育釜、在线三 级无机变速高速剪切机、由导热油伴热的管路控温系统、成品釜、自动控制与计 量系统等组成。 中试按照室内确定的可行性改性方案，将改性剂、沥青、稳定剂、相容剂等 原材料按照一定的添加顺序投入到发育釜中恒温发育1 h 左右，启动管路控温系 统对设备进行温度控制( 一般在1 6 0 1 8 0 c ) ，开启剪切机，经过多次循环剪切 后，制备得到成品改性沥青，取样品进行试验验证，对室内改性方案进行校核与 调整。 图3 1改性沥青中试设备结构示意图 3 工厂化生产工艺 通过中试设备改性，验证沥青结合料的各项指标是否达到要求，然后进行工 厂化生产。 工厂化生产工艺为：首先加入分散剂，在主机的搅拌作用下促进分散剂对改 三、s a m e p v a v e 沥青混合料材料研究 。 性剂b 的分散，制备高剂量母体。接着在该母体中加入改性剂a 进行剪切破碎， 进一步促进改性剂与基质沥青的接触，为分子化学键形成提供机械条件，促进改 性剂与沥青进行物理化学反应。如此连续循环作业，直至改性剂和基质沥青都完 全打破了它们固有的相平衡，形成稳定的混合体，其工艺流程如下图所示： 3 1 4 研制过程 图3 2 改性沥青设备结构示意图 1 基质沥青的选择 ( 1 ) 基质沥青类型的确定 选择同为9 0 # 的基质沥青。，基质沥青2 ，基质沥青。，加并入相同比例的改 性剂a ，改性剂b ，改性剂c 及改性剂w 进行改性，其中各部分的比例为基质 沥青：改性剂a ：改性剂b ：改性剂c ：改性剂w = 1 0 0 ：4 ：4 ：0 5 ：o 3 ，测试 改性前及改性后三大指标，试验对比结果见表3 3 。 从表9 3 可以看出，改性前基质沥青，与基质沥青，三大指标相差无几，但 改性后无论高温软化点指标还是低温延度指标，基质沥青。的改性效果明显优于 基质沥青，。基质沥青：与基质沥青的改性效果相比，软化点提高幅度最小，仅 提高了1 4 9 倍：改性后基质沥青。的软化点提高幅度最大，是改性前的1 7 5 倍。 在以往的研究中都是用普通石油沥青的性能指标要求来选择基质沥青，但不能说 基质沥青性能优良一定能确保改性沥青的质量也优越，主要看制备的改性沥青性 能好坏来确定。 三、s a m e p v a v e 沥青混合料材料研究 表3 3 改性剂与基质沥青配伍性试验结果对比表 一 针入度( 1 0 0 9 ， 5 s ，2 5 ，软化点( )延度( 5 c m m i n ) 沥青类型 0 1 m m ) 改性前改性后改性前改性后改性前( 1 0 c )改性后( 5 c ) 基质沥青l 8 7 7 7 6 8 5 3 59 3 84 3 84 0 3 基质沥青2 9 6 7 6 8 4 4 6 56 9 16 8 55 2 2 3 基质沥青3 8 2 86 2 84 7 77 4 15 1 42 4 9 由表3 3 可知，由基质沥青。得到的改性沥青高低温性能比较均衡，基质沥 青：低温延度虽然很好，但软化点偏低，而基质沥青，改性后与所选择的改性剂 配伍性较差，高低温性能都难以达到目标要求。综合考虑，选择基质沥青1 作为 研究对象。 ( 2 ) 基质沥青标号的确定 本研究选择了与基质沥青l 相同油源的三种基质沥青9 0 # 、1 1 0 # 、1 3 0 # ，采 用相同的配比改性方案改性后，分别测试其针入度、软化点、低温延度指标。试 验结果见图3 3 。 图3 - 3 相同基质沥青不同标号下改性沥青三大指标的变化趋势图 由图3 3 可以看出，随着基质沥青标号的增加，改性沥青的延度和针入度 会增大，而软化点会减小。而且，当基质沥青从9 0 # 增大至0l1 0 # 时，延度 的增大趋势较软化点的减小趋势明显，也就是说11 0 # 改性比9 0 # 改性低温 柔性得到明显的改善；而当基质沥青标号大于1 1 0 # 时，软化点的减小趋势较 延度的增大趋势明显，也就是说改性沥青的抗低温开裂性能变化不大，而高 温稳定性减弱明显，从另一个角度来看，1 1 0 # 改性比1 3 0 # 改性高温性能改 善明显。仅从三大指标来看，本试验中采用1 1 0 # 改性与1 3 0 # 改性均满足应 舳 兰 鲫 舯 加 三、s a s e f g a v e 珏青混合料材料研究 力吸收层结合料试验要求，但1 1 0 # 改性后的沥青软化点明显高于1 3 0 # # 改性 后的软化点，而低温性能差别不大。因此试验采用11 0 # 沥青进行研究。 2 改性剂a 掺量 改性沥青性能随改性剂a 剂量的变化见表3 4 所示。 寝3 4 改性沥青性能随a 剂量的变化 针入度( 1 0 0 9 ，5 s ，2 5 ， 配比类型软化点f )延度( 5 c m m i n , 5 ，c m ) 基质1 1 0 l 1 0 655 8 1 1 0 # + 3 a 4 90 1 1 0 # + s a8 65 6 5 94 3 4 9 从表3 4 可以看到，加入少量的改性剂就可对基质沥青的针入度，低温延度 产生较大的影响，软化点随剂量的增加而增大，改性剂a 的剂量达到5 之后， 改性沥青各指标的变化趋势较缓慢：剂量小于5 时，低温延度较基质沥青有大 幅度增长，但在5 剂量之后，成下降的趋势。这是因为当改性荆a 的含量较低 时，在沥青中能充分溶胀。但未形成网络结构，改性剂a 溶胀后呈粒状，改性 剂a 网络结构密度较小( 见图3 - 4 所示) ，宏观表现