（道路与铁道工程专业论文）沥青铺面施工过程土工合成材料热老化研究.pdf

摘要 近些年来，随着国民经济持续高速发展，高等级公路的建设正以前所未有的 发展速度向前推进，同时，在交通条件与环境因素的综合作用下，无论是水泥混 凝土路面还是沥青混凝土路面都出现了不同程度的路面裂缝等早期损害现象，大 大降低了路面寿命。为此，我国对此进行了广泛深入的研究，经过工程实践检验， 证明了利用土工合成材料用于加固路面结构技术的有效性。当前，虽然有大量的 成功的工程实例，但国内外都出现一些试验路段加筋失效的情况。而土工合成材 料加筋路面的失效，其中一个重要的原因就是土工合成材料老化。 因此，本文首先介绍了土工合成产品的概况、原材料以及老化机理和影响因 素。一般来说，由于材料在使用过程中不可避免的要接触氧气，因此老化主要表 现为氧化效应。一种是由于热和温度所产生的热氧化，另一种是由于阳光导致的 光氧化。沥青加铺层施工过程中，由于沥青及沥青混合料的高温传导及温度场的 剧烈变化，必然引起土工合成材料的高温状态及温度场的变化，进而引起土工合 成材料老化；而在沥青加铺层施工结束后，由于覆盖的材料隔断了阳光和氧气， 土工织物的老化速度将显著减缓，因此其老化主要是施工过程中所铺设的沥青及 沥青混合料高温所产生的热老化效应。 本文模拟沥青加铺层施工过程进行土工合成材料的热老化，针对土工织物加 固沥青加铺结构的各种作用( 加筋、隔离与防渗) ，对老化前后的土工合成材料制 备了相应的试件，进行了土工合成材料的物理性能的试验( 厚度试验) 、力学性能 的试验( 条带拉伸试验、握持拉伸试验、圆球顶破试验、撕裂试验、刺破试验、 落锥穿透试验) 、水力学性能试验( 垂直渗透系数试验) 。从试验的结果可知，土 工合成材料经过沥青加铺施工老化后，厚度略有增加，各种强度指标( 抗拉强度、 握持强度、圆球顶破强度、撕裂强度、刺破强度) 都有不同程度的增加，土工合 成材料的弹性模量也有所增加，延伸率变小。这说明了土工合成材料经过老化后 会变脆变硬，韧性交差。土工布经过沥青加铺施工后，试样的渗透系数都有不同 程度的增加，说明了土工布的渗透能力会增强，即士工布的防渗透能力会减弱。 本文通过选取工程实例，采取温度荷载的加载方式，对老化前后的土工合成 材料加固的旧路加铺沥青路面结构进行有限元计算并对计算结果进行比较，探讨 土工合成材料老化前后对加固路面结构效应的影响。 关键词：土工合成材料沥青路面老化老化试验研究有限元方法 a b s t r a c t r e c e n ty e a r ，w i t ht h eh i g hs p e e dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y ，t h eh i g h g r a d eh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni sp r o m p t i n gf o r w a r db yt h eu n p r e c e d e n t e dd e v e l o p m e n t s p e e d a tt h es a m et i m e ，u n d e r t h e c o m p l e xc o m b i n e d f u n c t i o no fb o t ht h e t r a n s p o r t a t i o nc o n d i t i o na n dt h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，b o t ht h ec e m e n tc o n c r e t er o a d s u r f a c ea n da s p h a l tc o n c r e t er o a ds u r f a c ea r ea p p e a r e dv a r y i n gd e g r e ee a r l yh a r m p h e n o m e n o ns u c ha ss u r f a c ec r a c k ，r e d u c i n gt h ep a v e m e n tl i f eg r e a t l y t h e r e f o r e ，o u r c o u n t r yh a sc o n d u c t e dt h ew i d e s p r e a d t h o r o u g hr e s e a r c hr e g a r d i n gt h i s ，t h r o u g hm a n y p r o j e c t sp r a c t i c ee x a m i n a t i o n ，w eh a v ep r o v e nt h a tg e o s y n e t h e t i c si sv e r ye f f e c t i v e w h e ni ti su s e di nr e i n f o r c i n gt h ep a v e m e n ts t r u c t u r et e c h n o l o g y p r e s e n t l y , a l t h o u g h h a st h em a s s i v es u c c e s s f u lp r o j e c t se x a m p l e ，d o m e s t i ca n df o r e i g na l la p p e a r ss o m e e x p e r i m e n t so ft h er o a ds e c t i o nt or e i n f o r c et h ee x p i r a t i o ns i t u a t i o n i nt h ee x p i r a t i o n o fg e o s y n e t h e t i e sr e i n f o r c i n gt h ep a v e m e n t ，a ni m p o r t a n tr e a s o ni st h eg e o s y n e t h e t i e s m a t e r i a la g i n g t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h eg e o s y n e t h e t i c sp r o d u c ts u r v e y , t h er a w m a t e r i a la sw e l la st h ea g e dm e c h a n i s ma n dt h ei n f l u e n c ef a c t o r g e n e r a l l ys p e a k i n g ， d u et ot h em a t e r i a li si n e v i t a b l ei nt h ep r o c e s so fu s em u s tc o n t a c tt h eo x y g e n ， t h e r e f o r ea g i n gm a i n l yp e r f o r m sf o rt h eo x i d i z e de f f e c t o n er e a s o ni st h ew a r l n t e m p e r a t u r ep r o d u c e st h e h o to x i d a t i o n ，a n o t h e rr e a s o ni st h es u n l i g h tc a u s e s p h o t o o x i d a t i o n i nt h ea s p h a l to v e r l a yc o n s t r u c t i o np r o c e s s ，a sar e s u l to ft h ea s p h a l t a n dt h eb i t u m i n o u sm i x t u r eh i g ht e m p e r a t u r ec o n d u c t i o na n dt h et e m p e r a t u r ef i e l d f i e r c ec h a n g e ，w h i c hc a u s e st h eg e o s y n e t h e t i c sh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o na n dt h e t e m p e r a t u r ef i e l dc h a n g ei n e v i t a b l y , t h e nc a u s e st h eg e o s y n e t h e t i c sa g i n g a f t e rt h e c o n s t r u c t i o no fa s p h a l to v e r l a ye n d s ，b e c a u s eo fc o v e r so ft h em a t e r i a lp a r t i t i o n s u n l i g h ta n dt h eo x y g e n ，t h eg e o s y n e t h e t i c sa g e ds p e e dr e m a r k a b l yw i l ls l o wd o w n s ot h ea g i n gi st h eh o ta g i n ge f f e c tw h i c hi sp r o d u c e db yt h ea s p h a l ta n dt h e b i t u m i n o u sm i x t u r e h i g ht e m p e r a t u r e w h i c hi s p r o d u c e d i nt h e p r o c e s s o f c o n s t r u c t i o n t h i sa r t i c l es i m u l a t e dt h ea s p h a l to v e r l a yi nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s st oc a r r yo n t h eh o ta g i n go ft h eg e o s y n e t h e t i e s ，a i ma tv a r i o u su s e f u l n e s so fg e o s y n e t h e t i c s r e i n f o r c i n ga s p h a l to v e r l a y ( r e i n f o r c i n g ，i s o l a t i o na n dg u a r d i n ga g a i n s ti n f i l t r a t e s ) ， p r e p a r i n gt h ec o r r e s p o n d i n gt e s ts a m p l eo ft h eg e o s y n e t h e t i c s ，c a r r i e do nt h e g e o s y n e t h e t i c sp h y s i c a lp e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t ( t h i c k n e s se x p e r i m e n t ) ，m e c h a n i c s p e r f o r m a n c ee x p e r i m e n t ( s t r i pb e l te x t e n s i o nt e s t ，g r a be x t e n s i o nt e s t ，b a l lb u r s tt e s t ， t e a r i n gt e s t ，p u n c m r i n gt e s t , d r o p h a m m e rp e n e t r a t i o nt e s o ，t h eh y d r a u l i c s p e r f o r m a n c et e s t ( v e r t i c a lp e r m e a b i l i t yt e s t ) a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a f t e rg e o s y n e t h e t i c sa g i n gi nt h ea s p h a l ta d d i n gt ot h eo v e r l a y , t h i c k n e s sh a st h e i n c r e a s es l i g h t l y , e a c hk i n do ft a r g e ts t r e n g t h ( t e n s i l es t r e n g t h ，g r a bt e n s i l es t r e n g t h ， b a l lb u r s ts t r e n g t h ，t e a r i n gs t r e n g t h ，p u n c t u r i n gs t r e n g t h ) h a st h ev a r y i n gd e g r e e i n c r e a s e ，t h eg e o s y n e t h e t i c se l a s t i cm o d u l u sa l s oh a st h ei n c r e a s e ，t h ee x t e n s i t y d e c r e a s e t h i si n d i c a t e dt h eg e o t e x t i l ec h a n g e st oc r i s pa n dh a r da f t e rt h ea g i n g ，a n d t h et o u g h n e s sc h a n g e st ob a d a f t e rg e o t e x t i l ea g i n gi nt h ea s p h a l ta d d i n gt ot h e o v e r l a y , t h eg e o t e x t i l ep e r m e a b i l i t y ( t r a n s v e r s e ) i n c r e a s e sa st h ev a r y i n gd e g r e e ，t h i s e x p l a i n e dt h eg e o t e x t i l es e e p a g ea b i l i t yc a ns t r e n g t h e n ，n a m e l yt h eg e o t e x t i l eg u a r d s a g a i n s tt h es e e p a g ea b i l i t yt ob ea b l et ow e a k e n t h i sa r t i c l eu s e sl a r g e s c a l ef i n i t ee l e m e n tp r o j e c ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s ， c a r r y so nt h el i n e a rf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ot h es t r u c t u r eo fr e i n f o r c ep a v e m e n tb y s e l e c t i n gp r o j e c te x a m p l ec o m p u t a t i o nm o d e l ，t h e nb ya d o p t i n gt h et e m p e r a t u r el o a d ， c o m p a r e st h er e s u l t so fc o m p u t a t i o no fg e o s y n e t h e t i e sr e i n f o r c i n ga s p h a ro v e r l a y s t r u c t u r ew h i c ha r eb e f o r eo ra f t e r a g i n g ，t od i s c u s s t h ei n f l u e n c eo ft h e g e o s y n e t h e t i c sa g i n gt ot h ep a v e m e n ts t r u c t u r e k e yw o r d ：g e o s y n e t h e t i c s e l a s t i cm o d u l u s a s p h a l tp a v e m e n ta g i n g r e s e a r c hb yt e s tf i n i t ee l e m e n tm e t h o d 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。 轹锈杆 日期：旄年f 月d 岿 f 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“”) 作者虢动趁 导师签名 日 节 月 月 争 f 年 年 啄 曙 期 期 日 日 冱丁 第一章绪论 1 1 研究课题的提出、目的和意义 1 1 1 研究课题的提出 近二十年来，随着我国经济建设的发展，地区间人货交流数量的增加，对交 通的需求日益提高，交通基础设施建设方面进行了大规模的投入，道路工程建设 得到了迅猛发展。截止2 0 0 5 年底，公路通车总里程1 9 3 万公里，其中高速公路 4 1 万公里伴随着道路建设的高速发展，在大量工程实践和科学研究中，积累 了丰富的经验、解决了许多关键问题，带来了极大的经济效益和社会效益；但在 道路建设及其养护修复过程中发现的一些技术性问题，仍然未得到有效解决，成 为道路正常使用的通病或隐患。 当前我国高等级路面中大多数为沥青路面，主要采用两种新建铺面结构( 半 刚性基层沥青路面和刚柔复合式沥青路面) 和两种修复铺面结构( 旧水泥混凝土 路面上沥青罩面和旧沥青路面上沥青罩面) 。上述几种沥青铺面结构在服役期内， 在交通条件与环境因素的综合作用下，出现了路面裂缝、车辙等早期损害现象， 大大降低路面寿命，提高了路面养护费用，并造成极坏的社会影响。为此，我国 对此进行了广泛深入的研究，并有针对性的修筑大量试验路段。经过工程实践检 验、并参考国外的研究成果，证明了利用土工合成材料( 主要是土工布和土工格 栅) 用于加固路面结构技术的有效性，以及相对其它有关措施便于施工、利于环 保的优越性。 一 当前，利用土工合成材料加固路面结构虽被证实了技术上的可行性，但其仍 处于研究阶段，还未全路段的大规模推广应用；虽然有大量成功的工程实例，但 国内外都出现一些试验路段处治失效的情况。这些处治失效试验路段与同一条路 上的常规路段相比，早期损害( 如裂缝、车辙、推移等) 更加严重。因此，关于 土工合成材料用于沥青路面加固的现有理论分析方法或技术手段还不够完善，需 要进一步进行深入研究，以便于新材料，新技术的大规模的推广应用。本课题就 是在这种背景下选定的。 1 1 2 研究课题的目的、意义 土工合成材料加固沥青加铺结构，其受力变形特征实质上是一种复合材料中 增强相的行为，具有较强的界面效应和加筋桥联增韧作用【1 】1 引，突出表现在土工 合成材料与道路材料之间力和变形的相互作用，可以减少裂缝的数量或延缓裂缝 的出现；同时土工织物兼具防水下渗、避免水对下部路面结构强度与稳定性造成 不利影响的作用。因而，土工合成材料应用在水泥混凝土路面上沥青加铺结构中， 可以提高路面使用寿命，减少路面养护次数及降低养护费用，减少路面寿命周期 的成本费用，会产生显著的经济效益和巨大的社会效益。北美、欧洲通过对t e n s a r 格栅的使用效果研究认为，可减少车辙5 0 ，可防止反射裂缝，可减少沥青层厚 度3 6 。考虑到最终使用寿命内的养护、修补等花费，应用土工织物加固沥青加 铺路面可以节约1 2 1 6 的资金。 在未来的1 0 年间，为了适应经济发展的需要，全国各地修建高等级道路里程 将日益增加，同时早期修建的路面面临全面的大中修工作。为了降低成本费用， 节约资金，土工合成材料用于加固路面技术的研究推广工作已经刻不容缓，相关 部门已开始积极开展推广应用工作1 9 9 3 年，交通部将“土工织物铺筑技术”列 为了重点新技术推广项目，2 0 0 0 年4 月交通部在江苏组织召开了全国公路 土工合成材料应用示范工程技术交流会，2 0 0 1 年在浙江召开第二个示范工程技 术交流会，进一步推动土工合成材料在公路工程中的应用。然而，示范工程的圆 满验收并不意味着推广应用工作的顺利结束，推广应用工作的开展并不意味着理 论分析研究的终结，新材料的应用只能在实践中进行不断研究与探索。通过对部 分试验路段跟踪观测以及失败工程实例的调查，初步分析表明：土工合成材料是 由聚合物材料制成，表现为依赖于荷载、加载速率和温度的力学响应特征，有显 著的蠕变和松弛特性；加强沥青路面结构的土工合成材料的加固效果是基于其优 越的物理力学性能和土工合成材料与路面材料之间良好的界面作用而得到的在 路面施工期和服役期，周围环境周期性温度变化以及交通荷载的循环作用，会产 生相应的老化、变形损伤和界面特性的衰减，使其相应力学性能随时间不断降低， 永久变形增大，因而使土工合成材料与道路材料之间力和变形的相互作用不协调， 严重影响着路面的加固效果。当土工合成材料的性能随时间衰减到一定程度，加 固效果完全丧失，并可能起反作用引发或加剧路面损害。 随着土工合成材料的迅速发展和人们对其认识的深入，土工合成材料在建筑、 交通、水利等方面的应用也日益广泛。因为大多数土工材料的原料都是高分子材 料，在大气环境中受阳光、温度、水汽等因素的影响，随着使用时间的增加，将 产生老化现象，表现为物理机械性能的衰变，如强度降低等，从而丧失或部分丧 失使用功能。在8 0 年代以前，大多数的土工材料在工程中只扮演小角色，例如，“一一r e 。 在植被自然加固筑堤以前作暂时的加固层、地基中土壤和混凝土的隔离层等等。 在这些使用场合中，土工合成材料在一定的使用时间内能否保持一定的机械性能 并不重要，因此这方面的研究也不受重视。随着土工合成材料越来越多地用作一 些结构物如公路、铁轨、河堤的增强介质，例如长江口深水航道治理工程中就大 量使用聚丙烯土工合成材料来加固堤身和制作软体排，在其设定的使用寿命里， 2 能否保持一定的机械性能对整个工程的稳定性将产生决定性影响。所以有关土工 合成材料的老化问题就显得日趋重要，特别是如何准确地预测土工合成材料的使 用寿命，这已成为目前的研究热点之一。 因此，结合当前阶段早前修建的部分土工合成材料加固路面结构段逐渐进入 大修期的契机，根据路用土工合成材料的实际工作环境和受力状态，开展施工及 服役期沥青铺面结构加筋土工合成材料的老化研究具有重大的理论与实践价值， 对于沥青路面加筋技术的完善和推广具有重大意义，由此能带来显著的经济效益 和巨大的社会效益。 1 2 国内外研究现状及分析 1 2 1 国内研究现状 当前国内对土工加筋材料的研究起步较晚，大量集中在材料力学特性、与填 料的界面特性等试验研究、设计方法和施工工艺以及加筋力学模型的理论计算分 析等方面。而针对土工加筋材料长期性能方面的研究主要是从材料蠕变、老化和 损伤的室内试验研究角度，在给定试验条件下进行研究。 在我国目前有关土工合成材料老化的规范只是涉及了土工合成材料老化性能 试验的简单规范和程序。土工合成材料工程中的设计、施工等都未对土工合成材 料的老化性能进行描述和限定。我国的土工合成材料老化的标准体系与美国的标 准体系有一定的差距。我国目前也正在进行土工合成材料老化性能的研究，但课 题还很少。在六届的全国土工合成材料学术会议中的几百篇论文中也仅有十来篇 有关土工合成材料老化的论文。交通部有关土工合成材料老化的课题有：土工合 成材料的老化研究和施工损失，该课题的负责人是重庆公路科学研究设计院的邓 卫东老师 4 1 唐颂等 4 1 ( 2 0 0 4 ) 介绍了国内外土工合成材料的蠕变、老化和铺设损伤方面 的相关试验研究成果上海勘测设计研究院的白建颖针对涤纶针刺无纺织物、聚 丙烯编织织物以及防老化编织织物，采用大气暴露老化、模拟覆盖老化以及现场老 化试验等方法，对试样的强度降解过程和速度进行了观测与测试。王钊等p 卜 6 1 ( 2 0 0 3 、2 0 0 4 ) 介绍了蠕变的机理和影响因素、试验仪器、操作步骤和试验成果 的整理方法，以及为减短试验持续时间而推荐的时温叠加法和分级等温法，同时 还简要介绍了土工合成材料的动力蠕变试验和土工泡沫及土工合成材料粘土垫层 的蠕变试验以及铺设破坏与蠕变结合的试验。匡希龙等【_ 7 】( 2 0 0 4 ) 通过长期荷载 作用下土工合成材料的室内蠕变试验，研究了力特c e l 3 1 土工网蠕变特性及其影 响因素，同时探讨了力特c e l 3 1 土工网蠕变断裂的发生、发展直至破坏的机理。 邹维列等【川( 2 0 0 4 ) 比较了获得拉伸蠕变破坏荷载时间曲线以及蠕变应变时间 曲线的试验方法，给出了外推这两种蠕变曲线数据的处理步骤，并简要介绍了时 温叠加法获得历时更长的蠕变曲线的概念。 从上面这些国内的土工合成材料老化的研究情况可以看出，到目前为止，土 工合成材料老化研究的试验方法还不完善，并且土工合成材料在沥青铺面中的老 化研究就更少了。 1 2 2 国外研究现状 国外对土工合成材料的蠕变、老化损伤等方面的研究已进行了多年，但研究 主要针对公路路基边坡防护和支挡结构，以及其他如铁路、河道海港、土坝等工 程所用的土工加筋材料长期性能的研究；对于土工合成材料应用沥青铺面的研究 主要集中于力学模型和加筋机理等方面【9 1 【1 4 1 ( s u r a j i tp a l1 9 8 7 ，c h r i s t o p h e r2 0 0 1 ， p e r k i n s2 0 0 1 ，d e s a i2 0 0 1 ，l e n g2 0 0 3 ，j a y h y u n2 0 0 5 ) 。 土工合成材料的老化性能的问题实质是聚合物的老化问题。聚合物的老化和 稳定理论是化学动力学的一个分支，是有关化学反应速度的科学。 土工合成材料在工程中的应用时间比较短，土工合成材料的老化研究的历史 更短，只有1 0 余年的历史。1 9 9 0 年美国对加筋土结构的老化研究基本上是对土 工合成材料老化研究的最早项目。另外一个比较早的研究项目是在1 9 9 1 年美国 f h w a 资助的一个水池用土工膜的老化性能研究，其目的是建立检验土工合成材 料耐久性能的试验方法和程序。 由于材料老化研究的特殊性，土工合成材料老化研究的试验过程很长，影响 因素很多，聚合物材料老化理论不完善等原因，土工合成材料的老化研究的进展 很慢。当前在美国有关土工合成材料的试验方法规范已经基本建立，美国的f h w a 颁布了土工合成材料的氧化和水解老化试验规程等规范，初略的确定土工合 成材料设计强度的折减系数等内容。虽然美国有关土工合成材料老化的研究还不 很完善和成熟，但美国在土工合成材料老化研究还是走在世界的前列。 目前美国和国际土工合成材料研究协会进行着大量有关土工合成材料的一些 老化性能的课题。以下是部分国际土工合成材料协会( g r i ) 最近开展的有关土 工合成材料老化的课题研究，从这些课题中我们可以看出其对土工合成材料老化 性能研究尚未完成，仍需要进行大量的研究。 土工合成材料寿命的预测( d u r a b i l i t ya n dl i f e t i m ep r e d i c a t i o n ) ，此课题的 负责人是g e o r g ek o e r n e r 土工膜工程的现场温度监测( i n s i t ut e m p e r a t u r e m o n i t o r i n go f l i n e r a n d c o v e r g e o m e m b r a n e s ) ，此课题的负责人是g e o r g e k o e r n e r 和b o bm a c k e y 。土工膜的紫外线暴晒性能( u ve x p o s u r eo fg e o m e m b r a n e s ) 根 据g m l 2 试验方法，对h d p e 、l l d p d ，f p p 和e p d m 土工膜进行试验研究。其 结果可用于土工膜标准的制定。土工合成材料在高应力下的寿命预测( h i g h p r e s s u r ei n c u b a t i o nf o rl i f e t i m ep r e d i c t i o n ) ，此课题的负责人是d r g r a c eh s u a n 。 a l l e n 等人 1 5 1 ( 1 9 8 2 ) 分析了土工织物在寒冷地区的应用，研究了水冻融循 4 环下5 种土工织物的荷载一应变特性，以及亚冰冻温度状态下荷载一应变一强度 和蠕变特性，得到温度对蠕变应变的影响。h o l t z l l 6 l ( 1 9 8 2 ) 通过三轴蠕变试验发 现，无纺土工布和有纺土工布蠕变特性的相似性。a n d r a w e s 7 l ( 1 9 8 6 ) 通过试验 分析了几种土工合成材料的荷载一应变一时间一温度关系，试验时间超过1 0 0 0 0 小时，以建立预测土工布和土工格栅的剩余寿命方程；同时发现，通常土工合成 材料的弹性瞬态应变和塑性瞬态应变大小相近，且弹性应变对温度有较高的敏感 性。j a i l l o u x 和s e g r e s t i n 1 8 1 ( 1 9 8 8 ) 研究了环境条件特别是温度条件对土工布性 能的影响，分析不同类型土工布的差异性。l e v a e h e r 等【坶】( 1 9 9 4 ) 对不同类型的 土工合成材料进行长期性能的蠕变试验，在不同温度下进行无约束和有约束蠕变 试验，分析不同因素对材料试验的影响。k h a l i df a r r a g 2 町( 1 9 9 7 ) 在室温和高温 下对两种土工格栅进行蠕变试验，研究它们的时间一荷载一温度关系，并运用粘弹 性理论分析这些关系，借助时温等效原理，欲从短期的高温下蠕变获得长期的常温 下土工格栅的蠕交性能。t e y a n gs o o n 9 1 2 1 1 ( 1 9 9 8 ) 也进行了类似研究。v i c t o r e l i a s 2 2 】( 1 9 9 8 ) 利用自研的拉拔仪进行土工筋材埋设在土体中的拉伸蠕变试验， 根据试验结果对几种土工织物和土工格栅的蠕变性能进行比较；试验中为了便于 与无约束筋材试件拉伸蠕变结果进行对比，采用了与a s t md5 2 6 2 规范- 致的l o 3 m i n 的应变率。 b e l l j r 等人【2 3 】对科罗拉多州已使用1 1 年的四种无纺土工织物加筋土挡土 墙的筋材取样，测试其强度等性能的长期效应；试验结果表明，其强度损失在4 5 0 之间。m o n t r id e c h a s a k u l s o m 嵋j ( 2 0 0 0 ) 建立了一个考虑时间效应士工格栅 的力学本构模型，并应用于加筋挡土墙非破坏状态下的长期性能分析s t e w a r t d a v i db e n n i e 2 5 】( 2 0 0 4 ) 研究了用于机场织物加筋路面的材料设计的方法。 几十年来，人们对老化问题的研究始终没有间断，1 9 8 6 年在条件不同的地区 ( 英国、北极圈、我国南部海面，新墨西哥沙漠等处) 设立了世界范围的气候老化 试验站，已累积了几年的资料，人工老化试验近几年也作了很多改进，对土工合 成材料的老化机理、防老化措施等进行了多方面的研究。 b a n a p a r t e ( 1 9 8 8 年) 进行了铺设损伤和使用损伤方面的研究，他在7 处现场 进行观测，将已铺设1 2 年的土工织物挖出，并测试其剩余的力学强度；结论指出： 织物损伤是铺设应力、使用期应力和其他因素综合的影响。k o e r n e r ( 1 9 8 8 年) 模 拟4 8 种不同施工条件，应用6 0 余种土工织物和格栅，按其不同作用，如加筋、 隔离和排水等工作状况，进行了埋入土中，再取出观测其强度变化的研究工作， 绘出了孔洞数与强度保持率的关系图。 1 2 3 国内外现状评述 国内外对土工合成材料老化损伤等长期性能已经开展了大量的研究工作，对 土工合成材料加固沥青铺面理论分析和设计方法也进行了许多有益的探讨，取得 了许多可以参考应用的研究成果，但这些研究工作和研究成果用于土工加筋材料 加固沥青加铺结构时，尚存在不少局限性，需要进一步开展理论、试验和工程实 践应用等方面的研究。这些不足之处以及由此引发的弊端主要体现在下述几方面： ( 1 ) 尽管国际土木工程界对土工织物之类土工合成材料的老化效应和时间一 温度一荷载一变形力学性能等方面，已经开展了不少试验和理论研究，但尚未涉 及土工合成材料的力学损伤方面的研究。土工合成材料加固土木结构的失效，其 中一个重要方面就是土工合成材料在长期的荷载变形条件下其内部损伤不断累 积，最后导致其力学性能的衰减甚至丧失。欲研究土工合成材料加固土木结构的 失效机制，以提出反映真实情况的耐久性设计方法，就势必需要研究土工合成材 料的力学损伤特性。 ( 2 ) 土工合成材料表现出依赖于荷载、加载速率、温度和时间的力学响应特 征，其力学特性受其工作条件的高度影响。目前国内外道路工程界关于土工织物 加固水泥混凝土路面上沥青加铺层结构的研究和应用中，主要借鉴岩土工程领域 的土工合成材料应用研究情况，提出考虑其长期性能的土工织物强度指标。而所 开展的长期性能研究只是在给定的环境、荷载条件下的常规指标的测试，还缺乏 针对加固沥青铺面的土工合成材料在施工期和开发交通后实际工作环境、荷载条 件及其变化情况下的性能描述，包括其损伤力学本构方程以及温度环境变化条件 下的老化效应( 如沥青及沥青混合料摊铺时的高温对土工织物造成的老化效应) 。 ( 3 ) 当前关于土工合成材料加固沥青铺面机理的理论模拟分析工作多是假定 土工合成材料为线弹性材料，由于土工合成材料具有明显的依赖于荷载、加载速 率、温度和时间的力学响应特征和老化效应等，因而现有的理论模拟分析尚无法 准确地描述其真实工作条件下的力学特性，也就不能充分地反映出土工合成材料 加固作用的时效性 ( 4 ) 由予当前缺乏对加固沥青铺面的土工合成材料老化、力学变形损伤和界 面特性衰变的合理的试验测试方法和质量检验指标，因而在选用土工合成材料时 因缺乏耐久性标准的检验，忽视了不同材料长期性能的影响差异。目前关于加固 水泥混凝土路面上沥青加铺层的土工合成材料的设计指标，国外大多根据试验研 究和实践经验总结提出，有关的理论分析和依据存在不足。同时我国有关的设计 规范所提供的设计标准，主要借鉴国外有关规范、指南和实践经验。因此，有必 ”要开展相关研究，”以进一步完善土工合成材料加固水泥混凝土路面沥青加铺层的“一 设计指标和相关规范指南。 基于上述几方面原因，当前我们对土工合成材料加固沥青加铺结构在施工期 和服役期的性能还缺乏系统全面客观的认识，对路面结构的加固效果无法正确判 断，需要针对目前普遍采用的土工织物，根据其加固沥青加铺层的实际工作环境 和受力状态，开展寿命期内加固沥青加铺结构的土工织物的老化效应和损伤特性 6 等方面的系统深入的研究。 1 3 本文主要研究内容及预期成果 本课题中将利用大量实验数据和引用的数据，对土工合成材料热老化性能进 行研究。即通过室内温度加热模拟试验获得土工织物老化样品，在制定温度加热 模拟试验方案时，为了尽可能准确地反映水泥混凝土路面上沥青加铺施工条件下 土工织物的老化过程，在此基础上，根据土工合成材料加热降温过程的代表性特 征，提出土工织物代表性温度变化数学模型，结合室内高低温交变湿热试验箱的 技术条件，制定温度老化试验方法。 土工合成材料的老化对其加固沥青加铺层的性能的影响是多方面的，需要对 老化前后土工合成材料本身、土工合成材料加固沥青加铺层结构开展系统的对比 试验研究，以总结提出土工合成材料老化对其各类加固沥青加铺层性能的影咐。 本课题具体研究内容如下： 1 ) 土工合成材料产品及其老化性能的调查和分析； 2 ) 土工合成材料模拟沥青摊铺老化前后的物理特性的对比试验和试验分析； 3 ) 土工合成材料模拟沥青摊铺老化前后的力学特性的对比试验和试验分析； 4 ) 土工合成材料模拟沥青摊铺老化前后的水力学特性的对比试验和试验分 析； 5 ) 土工合成材料在旧路加铺沥青路面结构中的有限元分析。 本课题有以下的研究成果： 1 ) 土工合成材料产品状况和老化性能影响因素； 2 ) 土工合成材料老化前物理特性、力学特性、水力学特性； 3 ) 土工合成材料模拟旧路加铺沥青施工过程中的老化后的物理特性、力学特 性、水力学特性； 4 ) 土工合成材料在经过沥青摊铺后对路面结构的影响。 7 第二章土工合成材料产品及其热老化性能 土工合成材料为本课题中的研究对象，而加速老化试验是对土工合成材料老 化试验研究的基本方法。在本章中主要包括以下几个方面的内容： 1 ) 土工合成材料产品的概述； 2 ) 土工合成材料的老化机理及其影响因素； 3 ) 土工合成材料的老化研究试验方法； 4 ) 土工合成材料老化的评定项目。 2 1 土工合成材料产品 土工合成材料是一种新型的岩土工程材料。它以人工合成的聚合物，如塑料、 化纤、合成橡胶等为原料，制成各种类型的产品，置于土体内部、表面或各种土 体之间，发挥加强或保护土体的作用。土工合成材料产品是其老化性能的物质基 础和主要的控制因素。在这一节中主要是对土工合成材料产品的现状、其原材料 和土工合成材料的分类做初步的了解和探讨 2 1 1 土工合成材料产品概况 目前土工合成材料产品已经广泛的应用在公路、铁路、水利和环保等许多工 程领域。士工合成材料在工程中应用时，不同的材料用在不同的部位，能起到不 同的作用。土工合成材料的功能是多方面的，综合起来，可以概括为六种功能； 过滤作用、排水作用、隔离作用、加筋作用、防渗作用和保护作用。应当指出， 在实际使用时，一种土工合成材料往往兼有数种功能，随着复合土工合成材料的 发展，材料的多重功能将会更为突出。表2 1 列出了美国市场上土工合成材料的 各种功能的份额口6 1 表2 1 土工合成材料应用的市场份额 应用、功能市场份额( ) 路面反射裂缝 2 2 隔离稳定 2 8 加筋 9 排水 1 2 加衬里 1 7 防护 6 淤泥栅栏 6 我国对市场上土工合成材料的各种功能的份额还未有统计数据。但据了解我 国的土工合成材料在使用上大致有如下的分布特点：在我国西部用的土工合成材 料主要以土工加筋、防护材料为主，而东部使用的土工合成材料主要以防水，防 护的土工合成材料为主。 土工合成材料的结构形式也很多，一般可分为土工织物、土工膜、复合型土 工合成材料、特种土工合成材料等四大类，其体系如图2 一l 所示。 土工合 土工织物 织造c 鞠信雾织 ( w o v e n ) f 针刺粘结 非织造( 无纺) 热粘 l 化粘 ( n o n w o v c n ) 土工膜 粱喜玄盘 特种土工合成材料 土工格栅 土工模袋 玻纤网 土工网 土工垫 士工格室 机织模袋 简易模袋 有反滤排水点模袋( f p ) 无反滤排水点模袋( n f ) 排水点混凝土模袋( c x ) 铰链块型模袋( r b ) 框格型模袋( n b ) 超轻型合成材料( 如泡沫聚苯乙烯) f 复合土工膜 lf a 塑料排水板 删一 觥水板拉翥戮鬻譬燃篇嚣 _ 卜l 耋端：燃撼撇腓删8 图2 i 土工合成材料分类( 结构) 2 7 】 在美国市场上各种结构土工合成材料的市场份额见表2 2 。 9 表2 2 各种结构的土工合成材料份额( 美国) 结构市场份额( ) 非织造土工布 7 7 织造土工布 1 6 土工隔栅 6 其他 1 到目前为止还没有我国市场上的各种结构的土工合成材料份额的数据。但据 了解，我国的土工合成材料仍然以士工布、土工格栅为主。 2 1 2 土工合成材料产品的原材料 土工合成材料产品的原材料是土工合成材料老化性能的物质基础。 土工合成材料的原材料是高分子聚合物( p o l y m e r ) 。这些聚合物是由煤、石 油、天然气或石灰石中提炼出来的化学物质制成，再进一步加工成纤维或合成材 料片材，最后制成各种产品。生产土工合成材料的聚合物有聚乙烯( p e ) 、聚丙 烯( p p ) 、聚酯( p e r ) 、聚酰胺( p a ) 和聚氯乙烯( p v c ) 等。前三种聚合物为 最常见的土工合成材料的原材料。1 9 9 5