（材料学专业论文）沥青路面坑槽修补界面技术研究.pdf

摘要 摘要 本文针对沥青路面坑槽维修后界面早期破损现象，首先对坑槽填补后新老沥 青混凝土界面粘结破损的机理进行分析，然后在上述分析的基础上对挖补式坑槽 修补技术各种开槽方式和坑槽修补料与原有老沥青路面界面粘结性能进行研究， 最后提出了坑槽维修施工工艺。针对坑槽修补后早期界面破损的状况，分别分析 了界面水损害、界面受力破损、施工技术和材料等因素引起的修补界面早期破损， 根据上面的机理分析，为防止坑槽修补后界面早期破损，提出对沥青路面坑槽修 补的要求；针对最常用的挖补式沥青路面各种开槽方式，采用弹性力学平面应力 求解的方法，分析了圆形坑洞应力状态分布，通过对沥青路面维修中不同开槽形 状应力集中系数的对比分析，得出了坑槽修补较好的开槽形状，另外还分析了斜 开槽和垂直开槽两种开槽方式；理论上分析了修补界面粘结强度的影响因素，推 倒出计算公式，设计了坑槽修补后新老沥青混合料界面粘结性能检测试验方法， 并对影响新老沥青混合料粘结性能的因素进行大量试验，分析它们对界面粘结性 能的影响；结合上面各章分析的结论，提出了可以指导现场施工的坑槽修补施工 工艺。 关键词：沥青路面；坑槽界面早期破损；坑槽修补；开槽方式；界面粘结性能； 修补工艺 a b s t r c t t h i st h e t i sf o c u s e ss y s t e m a t i ca n dc o m p m h e n s i v es t u d yo ni n t e r f a c ed i s t r e s sc a m s e s i nm l a t i o nt op o t h o l e s w h i c ha i et h em o s tc o m m o n l ys c e np r e m a t u r ed e t e r i o r a t i o na f t e r p o t h o l e sp a t c h i n gi na s p h a l tm a d s o nt h eb a s i so fi n t e r f a c ed i g r e s sc a u s e s ，ad e e p e n e d a n a l y s i si so f f e r e dt os l o t t i n gm o d e sa n dt h es t i c k i n e s sb e t w e e nt h en e w m a t e r i a l sf o r p o t h o l e sr e p a i r sa n dt h eo l da s p h a l tr o a d s m o r e o v e r , t h i st h e s i s8 u i i i su pa n dl i s t st h e m a i n t e n a n c es t e p si np o t h o l e sr e p a i r s o nt h eb a s i so ft h es 嘲p r e m a t u r ei n t e r f a c e d e t e r i o r a t i o na f t e rp o t h o l e sr e p a i r s ，t h ei n t e r f a c ed i s t r e s sw h i c hc a u s e db yw a t e d i f f e r e n tk i n d so ff o r c e s ，c o n m u c t i o nt e c h n o l o g ya n dm a t e r i a l sa r ca n a l y z e d r e s p e c t i v e l y f u r t h e r m o r e s p e c i f i cr e q u i r e m e n t so nm a i n t e n a n c ee f f e c t sa 地p u tf o r w a r d u s i n gt h es o l u t i o no fp l a n es t r e s s 0 nt h et h e o r yo fe l a s t i c i t ym e t h o d t h e 啦r e s s e s d i s t r i b u t i n go fp o t h o l e sa ma n a l y z e a t h eb e t t e rd o t t i n gm o d e sh a v eb e e nk n o w n t h r o u g hc o n t r a s t i n ga n da n a l y z i n gd i f f e r e n ts l o t t i n g m o d e s s t r e s sc o n c e n t r a t i o n m o d u l u s ，i na d d i t i o nt h ec o n t r a s tb e t w e e no b f i q u es l o t t i n ga n dp l u m bs l o t t i n g i s a n a l y z e d d i f f e r e n tf a c t o r sw o r k i n go nt h ei n t e r f a c es t i c k i n e s s a r ea n a l y z c di nt h e a b s t r a c t ai n t e r f a c es t i c k i n e s sf o r m u l ai sp u tf o r w a r d ，0 1 1t h eb a s i so f t h ef o r m u h ，s 锄e f a c t o r sa r eg i v i n gt h ee x p e r i m e n t a t i o ns t u d ya tt h es a m et i m e i nt h ee n d ，o nt h eb a s i so f t h ep e r m a n e n td e m a n d s0 1 1r e p a i r s ，t h i st h e s i ss u m su pa n dl i s t st h em a i n t e n m 1 c cs t e p si n p o t h o l e sm p a i r s ，a n da d v a n c e st h ep r o c e d u r ed e s i g n st o b ed i r e c t l ya d o p t e db y m a i n t e n a n c ew o r k e r so fa s p h a l tr o a d s k e y w o r d s ：a s p h a l tr o a d s ；p m m a m mi l 皿翻c f a c cd e 蜘o 删o na _ f t e rp o t h o l e sr e p a i r s ； p o t h o l e sp a t c h i n g ；s l o t t i n gm o d e ；i n t e r f a c es t i c k i n e s s ；m a i n t e n a n c et e c h n o l o g y 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 时窨 日期：似7 年争月g 日 重庆交通大学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。本人授权重 庆交通大学可以将本学位论文的全部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。 学位论文作者签名：时奇 日期：钆s 7 年夸月g 日 指导教师签名：c 日期。矿月3 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 开展沥青路面养护维修新技术研究的重要性 1 1 1 我国大量的沥青路面已经和即将进入养护高峰期 近十几年来公路项目建设作为我国经济建设的重点项目，得到了长足的发展， 截至到2 0 0 5 年底，全国公路总里程达到1 9 3 0 5 万公里，其中等级公路里程1 5 9 1 8 万公里，占公路总里程的8 2 5 。按公路技术等级分组，各等级公路里程分别为： 高速公路4 1 0 0 5 公里、一级公路3 8 3 8 1 公里、二级公路2 4 6 4 4 2 公里、三级公路3 4 4 6 7 1 公里、四级公路9 2 1 2 9 3 公里，等外公路3 3 8 7 5 2 公里。全国有铺装路面和简易铺 装路面公路里程9 9 4 6 万公里，占总里程的5 1 5 。按公路路面类型分组，各类型 路面里程分别为：有铺装路面5 3 2 6 9 7 公里，其中沥青混凝土路面2 2 6 0 7 5 公里， 水泥混凝土路面3 0 6 6 2 2 公里：简易铺装路面4 6 1 9 0 1 公里；未铺装路面9 3 5 9 4 5 公 里“1 。到2 0 1 0 年，全国公路总里程将达到2 3 0 万k m ，全国高速公路通车里程达 到6 5 万k m ，二级及以上公路里程达到4 5 万k m ，县乡公路达到1 8 0 万k m 。即“十 一五期间，我国将新增公路里程4 0 万】【m ，其中高速公路2 。5 万| c m “。由于沥 青路面具有足够的力学强度和一定的弹性、塑性变形能力，有高度的减振性，行 车平稳舒适、噪声低，且不扬尘等特点，已修和待建的高等级公路大部分为沥青 路面，特别是高速公路，9 0 以上为沥青路面1 3 1 e 公路是暴露在大自然的带状工程 结构物，它长期经受着日晒、雨雪、醅热、严寒和冻融，并承受着频繁交通瞬时 动荷载的反复作用。高等级公路的一般设计寿命为1 2 1 5 年1 4 1 e 我国在八十年代 末和九十年代初修建的沥青路面已经进入了养护维修期，有些路面的破损己相当 严重。近几年大量修建的沥青路面，由于各种原因使许多沥青路面出现早期破损。 而提早进入养护维修期，其中某些路面第一年修建第二年便出现破损，需要维修； 而有些路面甚至出现当年修建当年维修。 袭1 1我国近四个五年计划增加公路里程 i 时问段八五期间九五期间十五期间十一五期问 i l 新增公路里程( 万h ) 1 11 11 64 0 ( 计划) 大量的沥青路面己经或即将进入养护维修期，这可以归纳为以下几方面原 第一章绪论 因：( 1 ) 从沥青路面的寿命周期看，前期修建的许多路面已经经过了十几年的使 用，有了较大的磨损和损坏，为了保持路面原有与公路等级相适应的服务水平， 已经到它的养护维修期，近几年大量修建的沥青路面也不久进入养护维修期。( 2 ) 随着我国经济建设的发展，交通流量、客运量大幅度提高，路面负载增加，超载 问题严重。结果导致沥青路面的磨损和损害速度加快，大量的路面提前进入养护 维修期。( 3 ) 由于对沥青路面，特别是对高等级沥青混凝土路面的施工技术及施 工设备使用方法还未完全很好掌握，以及对沥青路面修筑材料的选择和使用还不 很准确和完善，造成沥青路面的修筑质量不稳定，出现了较多的薄弱环节，致使 不少新建路面开通后不久便产生局部破损，过早的使沥青路面进入养护维修期。 不论是什么原因造成沥青路面进入养护维修期，从前面的分析可知：现在和 不久的将来我国有大量的沥青路面需养护维修。沥青路面建设，特别是高等级沥 青路面建设的加快，公路里程快速增长，我国大量的沥青路面己经或即将进入养 护高峰期。 1 1 2 沥青路面维修及开展养护维修的重要性 沥青路面要不断的进行养护维修才能保护其快速、安全、舒适和高效的交通 运输特点，延长沥青路面的使用寿命，使其发挥最大的经济效益和社会效益。沥 青路面的养护维修工作分为两种：预防性养护和矫正性养护。沥青路面的预防性 养护是指那些带有保护路面和以减缓路面使用性能恶化速率为目的的作业，它通 常用于没有发生损坏或只有轻微缺陷和病害的路面。沥青路面的矫正性养护是指 那些用来改正某种特定损害的作业，它通常用于已经发生损害但还只属于局部损 坏状态的路面”1 。 美国联邦公路管理局( f h w a ) 组织实施的关于维修柔性路面的长期路用性能 试验s p s - 3 “，对其5 年试验数据进行了分析。s p s 一3 研究认为：路面养护维修的 实花对提高路用性能是非常有益的，并且不论路面的状态是良好，一般还是较差都 非常有效。而且通过路面性能曲线及相应费用( 图1 1 ) 说明了预防养护维修概念。 从图中，我们可看出通过几次养护维修使路面始终保持在良好的使用状态：而不进 行养护维修，路面在使用的中后期，其路用性能下降很快，当路面等级评分小于 5 0 对不得不花巨额费用对路面进行翻修、重建。 第一章绪论 i = 弋rm 、 、 幻“ ，r0 上辔恣然登图心湫跫踺s瓷n闵 图1 1 路面性能曲线及相应费用比较m 历g m t1 1r 舶d i 岫肛d 啊盥n c 帆a n d 妇n 翻弘旧血噼嘲 在八十年代中期，随着国外公路发达国家新建公路速度趋于平缓，公路养护 工作己被摆在了非常重要的位置。在许多发达国家中用于路面养护维修工作的费 用常常要占到总的道路事业费的3 0 5 0 。如美国每年要花费1 5 0 亿美元维护 本国4 0 0 万l 【m 公路网；法国国营及a 级道路中国道网2 9 7 0 0 k m ，用于国道养护的 机械、车辆就达6 万多台”。为了适应路面养护工作的需要，许多发达国家都将 改进和提高路面养护维修技术和相关设备列为公路科技进步的一项研究重点，并 投入了大量的资金和精力。1 9 8 7 年由美国国会通过了一项为期5 年的研究计划一 一美国公路战略研究计划( s h p , p ) ，其投资总额为1 5 亿美元，目的是：改善其国家 道路的使用性能和耐久性，使道路使用者及其维护者更加安全，在s h t i p 计划6 个 项目中的第4 项对路面养护维修技术进行了深入、细致的研究”1 。 从国内情况来看，随着公路等级的不断提高，特别是高速公路通车里程数的 迅速增加，对沥青路面的养护维修工作提出了新的、更高的要求。加快我国沥青 路面养护维修新技术的研究，必须尽快提到日程上来。为此要不断加强对养护维 修新材料和新工艺的深入研究，特别是加强新材料、新工艺和新设备的综合研究， 将会取得事半功倍的效果。所以，关于沥青路面养护维修新技术的研究工作应尽 早展开，刻不容缓。 1 2 课题的来源及意义 当沥青路面出现坑洞、沉陷、松散、车辙、脱皮、波浪( 搓板) 、唧浆等病害 时，会严重影响行车质量和安全以及道路使用寿命，需要进行维修。路面维修经 常采取对病害挖出清理再填补即坑槽修补的方式，坑槽修补主要针对坑洞、局部 一誉喜零霉 第一章绪论 网裂、龟裂等病害的修补和加强，以及对局部沉陷、拥包、滑移裂缝等病害的修 补。多年的养护维修经验告诉我们：已修补坑槽经过一段时间的使用，坑槽壁面 接缝很容易产生开裂和局部破损，比新补的补块明显早损害，这种现象我们称之 为沥青路面维修的“界面早期破损”。长期以来，公路工程技术人员做过了很多 方面的努力，但始终未很好地解决界面早期破损。 成渝高速公路是我国较早建设的高速公路，已投入营运十年时间。四川蜀工 高速公路机械化工程有限公司为四川成渝高速公路股份有限公司的子公司，专业 从事高等级公路施工与养护维修，同时也承担了这条路的养护维修任务。在日常 的养护维修工作中，工程技术人员遇到了路面的各种病害的处治，克服了众多的 困难，解决了众多的问题。然而沥青路面维修的“界面早期破损”问题还是长期 困扰着工程技术人员，并经过多种努力，但总是收效甚微。于是蜀工公司与重庆 交通科研设计院( 原交通部重庆公路科学研究所) 、重庆乐德交通发展有限公司合 作，于2 0 0 5 年在四川省交通厅立项“沥青路面维修界面技术研究”，并于2 0 0 5 年 1 1 月份三方正式签订科研项目合作合同书，通过三方合作、共同研究，以期较大 程度地解决沥青路面维修的界面早期破损问题。 界面早期破损增大了公路养护工程量，增大了养护成本，也影响了交通的畅 通使用，是沥青路面的又一大病害。伴随着我国公路建设的发展，进入养护维修 的路面逐渐增多，界面破损的规模也逐渐增大。若能较好地解决界面破损这一难 题，可大幅度地提高维修质量的可靠性，解决行车的舒适性，将极大地节约人力、 物力、财力资源，产生极大的经济和社会效益。 1 3 国内外沥青路面坑槽维修技术发展现状 1 3 1 国内外沥青路面坑槽维修修补方法发展现状 坑槽修补主要是针对坑槽、局部网裂、龟裂等病害的修补和加强。同时还可 对局部沉陷、拥包以及滑移裂缝等病害进行修补。常用的坑槽修补方法一般有填 料式坑槽修补、挖补式坑槽修补、热烘式坑槽修补和喷射式坑槽修补四类维修方 式。 填料式坑槽修补是一种临时性坑槽修补方法，它是在对坑槽内散料、杂物 进行简单清理后( 紧急时也不清理) ，直接填放沥青混合料，碾压成型的方式。该 方法维修时间短、维修设备简单，适合于雨季、冬季等不利季节的坑槽修补以及 出现大量坑槽时的养护抢修。尽管填料式坑槽修补是一种临时性的坑槽修补方法， 但当采用高效的修补材料时也能取得较满意的维修效果。 第一章绪论 挖补式坑槽修补是最常见的一类路面坑槽修补方法，它是将不规则的沥 青混凝土路面坑槽切割成矩形，同时将坑槽底面下挖到完好部分( 或将底面病害 处理彻底) ，从而为添加的新料提供坚实可靠的支撑，进而大大延长维修的寿命。 由于该工艺对病害处理彻底。维修后使用寿命长( 可达到2 5 年) 。可维持到路 面罩面或中修，因此也称为永久性修补。美国s h r p 对挖补式坑槽修补技术进行了 专门试验研究“1 ，得出以下结论。 1 ) 在温暖季节和坑槽干燥的情况下，利用挖补式坑槽修补技术修补的路面 能够保持长期的完好状态。 2 ) 干燥的坑槽维修面能够显著提高修补坑槽的使用寿命。当采用热沥青混合 料作为填料时，在干燥坑槽内修补的使用寿命是同样条件下在潮湿坑槽内修补的 6 倍：当采用冷沥青混合料作为填料时。在干燥坑槽内修补的使用寿命是同样条件 下在潮湿坑槽内修补的3 倍。 3 ) 温暖的气候能够提高坑槽修补的使用寿命。在o4 c 以上修补的坑槽的使用 寿命是在0 以下修补的1 1 5 倍。 4 ) 热沥青混合料是坑槽修补首选的填补料。在干燥情况下进行坑槽修补时， 在所有填补料中，热沥青混合料具有最长的使用寿命。在寒冷、潮湿的状况下维 修时，可以采用特殊填补料( 一些专利产品) 来提高修补质量和寿命。 热烘式坑槽修补技术是利用沥青混凝土路面热养护修补车自带的加热设 备红外线加热板对出现坑槽的沥青混凝土面层进行加热，再视情况添加再生 剂及新料，最后碾压成型n ”。与其他坑槽修补技术相比，热烘式修补最根本的区 别在于再生利用了原沥青混凝土。并将修补面与原沥青混凝土接缝由传统的冷接 缝变成热接缝，克服了由于冷接缝造成弱接缝的弊病。红外线加热是依靠加热板 发出的红外线直接在物体深层产生热量，而并不是依靠物体本身传递热量，这样 避免了加热后路面温度随厚度变化大，导致表层沥青混凝士温度过高老化，而深 层沥青混凝土温度却不足的现象发生，不会造成表面着火、离析、剥离。但由于 红外线不能透层加热，对于多层沥青混凝土面层。不能一次同时加热，必须加热 一层，挖开一层沥青混合料，裸露下一层，再加热，这样热烘式坑槽修补方法对 多层损坏路面不适宜。修补效果也不佳。另外红外线加热的适宜深度为6 c m 8 c m ， 因此热烘式坑槽修补适合于沥青混凝土路面表层浅坑槽的维修。 喷射式坑槽修补技术是利用自动坑槽修补车进行路面坑槽机械化修补的 新工艺，2 0 世纪8 0 年代末9 0 年代初在美国出现，经过1 0 多年的改进与完善， 目前已在美国得到广泛应用，并在s h r p 中被验证是一种快速、高效、成本效益比 优越的坑槽修补工艺。它是利用自动坑槽修补车自带的鼓风机喷出的高强空气流 实现对坑槽内部的清洁，利用喷管喷射的沥青混合料直接填补坑槽，节省了大量 第一章绪论 6 人力和时间，提高了维修效率。自动坑槽修补车喷射的沥青混合料是在喷射过程 中通过喷管中高强空气强制拌和。修补车上装备2 个容器，1 个装沥青粘结料。采 用循环水进行加热保温，1 个装集料，采用发动机排气系统进行加热保温，这样确 保冬季也能及时用热沥青混合料进行坑槽修补。试验表明，在零下3 0 。c 的低温下 自动坑槽修补车仍能正常工作，且能取得较满意的维修效果儿。 除了上述几种坑槽修补方法外，还有一些特殊的新近研发出的方法。比如 采用沥青混合料预制块修补1 ，沥青路面破损处开槽修补的尺寸应等于预制块的 倍数，预制块之问的接缝用填缝料填塞。此种坑槽修补方法较为简单，修补料的 配比较易控制，密实度能得到保证。日本研究出一种称为“荒川式斜削施工法州”1 ， 是在返土、压平和补铺沥青混合料前，先将被切坑槽的边缘用特制工具切成4 5 。 斜坡形，然后再用喷燃器将边缘烧成粗糙形状，接着再铺压沥青混合料，这样可 使新科和旧料紧密吻合在一起，不易出现裂缝。还有一种利用沥青路面现场热再 生技术( h i p r ) 修补路面坑槽的技术“，是采用微波加热的方法在现场进行加热， 这样就可以避免红外线加热很容易出现表层沥青焦化而里层沥青还未软化的现 象。 1 3 2 国内外沥青路面坑槽维修修补材料发展现状 近些年来，国内外竞相在研制能够全天候使用、修补工艺更易于掌握的修补 料一常温( 冷) 拌合沥青混合料“”。常温拌合混合料是一种预先加热拌合、贮存、 常温下使用的沥青混合料，通常添加一些特殊的外加剂，以保证其路用性能在贮 存期间不发生变化，混合料一般袋装或桶装贮存，使用方便、修补迅速，特别是 在寒冷、多雨季节，传统热补法不易开展情况下，利用常温拌合混合料修补是一 种较适宜的方法。采用美国卡佩雅公司的专利产品博尼维( b o n i f i b e r s ) 添入沥青 混凝土，可增加沥青混凝土的韧性，提高耐久性，有效改善沥青混凝土在填充坑 槽后的质量的使用质量”1 。利用现场挖出的旧路面沥青混合料经现场与改性乳化 沥青拌和、摊铺修补坑槽，避免了拌和料远距离运输的料温损失，节约了运输成 本，小量生产，无需动用大型拌和设备，弥补了大型常规拌和设备不能及时和少 量生产的缺陷，降低了混合料造价恤1 。美国s h r p 计划进行的坑槽修补研究推荐 使用最好的材料，以减少重新修补的工作量。在修补时由于使用质量不佳的材料， 重复修补同一个坑槽的费用很快地将购买廉价的修补用沥青混合料所节省的费用 抵消 1 1 1 。故而，当前趋向于给修补料中添加改性剂，研制专供补坑用的高性能改 性沥青混合料，使其具有极强的抗湿性、低温和易性和与坑洞的粘结力。 当前，沥青路面坑槽的养护维修的技术大多是通过选择适宜的修补材料，同 第一章绪论 7 时采用合理养护维修工艺，来保证维修后沥青路面的路用性能。但是几乎没有研 究从坑槽修补后界面早期破损的角度，尤其是坑槽修补后新老沥青混凝土的界面 粘结状况的角度，进行思考、分析坑槽再次破损的原因，改进坑槽修补质量。 1 4 本文研究的主要内容 本文针对沥青路面坑槽维修界面早期破损，对坑槽填补后新老沥青混凝土界 面粘结破损的机理进行分析。在上述分析的基础上，对挖补式坑槽修补技术各种 开槽方式( 现有的和设计的) 和坑槽修补料与原有老沥青路面界面粘结性能进行 研究，并在最后提出坑槽维修施工工艺，以期延长坑槽修补寿命，提高沥青路面 服务质量。为此，本文对国内外坑槽养护维修技术初步分析的基础上，确定了本 文的主要研究内容如下： ( 1 ) 针对坑槽修补后新老沥青混凝土界面破坏的机理进行深入分析，同时根 据上面的机理分析，为防止坑槽修补后界面早期破损，提出对沥青路面 坑槽修补的要求。 ( 2 ) 针对最常用的挖补式沥青路面各种开槽方式，从理论上对其优劣进行分 析对比，提出路面坑槽破损不同形状下较佳的开槽方式。 c 3 ) 设计坑槽修补后新老沥青混凝土界面粘结性能检测试验方法，并对影响 新老沥青混凝土粘结性能的因素进行试验，分析它们对界面粘结性能的 影响。 ( 4 ) 在对国内外坑槽修补材料和修补工艺分析的基础上，结合上面分析的结 论，提出坑槽修补施工工艺。 第二章坜青路面坑槽修补破损机理研究 第二章沥青路面坑槽修补界面破损机理研究 2 1 坑槽修补界面的水损害 8 沥青路面形成坑槽的原因较多，而“水渗入”是引起坑槽破损最根本的原因。 坑槽修补后界面早期破损大多数也是由于修补界面的水损害。在沥青路面材料中， 沥青是作为结合料或胶粘剂将各种粗细集料粘结在一起，成为一个整体。在没有 水的情况下，沥青与集料的粘结一般不会有任何问题，但水的存在将降低沥青与 集料之间的粘附性，甚至使沥青丧失粘结力。由于连续降雨或路表有积水，会使 沥青路面材料长时间被水浸泡，若坑槽修补界面的抗渗水性能不佳，水很容易通 过坑槽修补的界面渗入路面结构层内，若水不能被及时、有效的排出，则新老沥 青混凝土材料将会长时间处于水的包围之中，水分就会很容易浸润到沥青和集料 的界面上，置换沥青与集料的粘结，使沥青从粘附的集料表面剥离，导致集料之 问失去粘结力，造成沥青坑槽修补界面区域材料里松散状态( 即粒料分离状态) ， 在车辆荷载的反复作用下形成沥青路面坑槽修补后的界面早期破坏。沥青从集料 表面剥落的机理，可由表面张力理论说明1 3 2 1 。沥青液滴在集料表面的润湿作用， 可用固相( 石料) 一液相( 沥青) 一气相( 空气) 三相系的平衡表示，如图2 1 所示。 设石料一空气、石料一沥青和沥青一空气的界面表面张力分别为o 一4 ) 、班j b ) 和亿一口) ，则固一液一气三相系的近似平衡方程可以表示为： z ( s 一4 ) - e ( s 一6 ) 一( 6 - a ) c o s a = 0 ( 2 1 ) 沥青对石料的浸润可以用接触角口表示： 口：s 一- 翌二竺二翌二尘( 2 2 ) p 一4 ) 在通常的情况下y - c s 一6 ) 一z 0 ，口 9 0 4 ，故干燥石料是很容易被润 湿的，亦即沥青薄膜可以在石料表面铺展为薄层。 但是沥青薄膜在石料表面润湿后，当遇水时，水对沥青的置换作用，可使沥 青薄膜从石料表面剥落下来，此时石料一沥青一水三相系的平衡表示如图2 2 所 示。设石料一沥青、石料一水和水一沥青的界面表面张力分别为 ( s b ) ，o 一忉和( w b ) ，则石料一沥青一水三相系的近似平衡方程式可表 示为：y ( j 一，) 一y ( j 一6 ) 一y ( w b ) c o s a = 0 ( 2 3 ) 第二章沥青路面坑槽修补破损机理研究 则接触角口可以表示为：口= c o s - l 至基等铲 在通常情况下，即不参加抗剥落剂时，( s - - 1 w ) - - o 一6 ) o 、 沥青容易被置换，故多数沥青与集料黏p f , j - 后容易被水所剥落。 图2 1沥青薄膜在石辩表面的润湿 f i g u r e2 1s t o n ew e r en d i s tw 弛b h 岫m 二= 二= = = j c = = = = = = 图2 2 水对沥青薄膜的剥落 h g m2 2b i t u m e nf l a k eo f f s t o n eb yw a t e r ( 2 4 ) 9 0 。 b = p 时，开槽形状( 如图3 3 所示) 为纵向有两端倒圆的槽，这种情况下 的应力分布状态，取决于两个形状比p 丑和a l p 。取开槽上部分的平均应力 c r 02 趸砑p 为基准应力，取最大应力与c r o 之比口2 南为应力集中 系数。日本学者西田正孝鼬1 等人根据光弹性试验结果求出了表示口与形状系数b ， a ，p 之问的关系经验式： 口= 2 + ( t 一訇3 i 。s + 。_ - 1 4 ；。1 3 根据公式可以计算出，应力集中系数主要在2 附近，最大值3 0 ，还是a - p 圆形 的情况。 b a - p 时，开槽形状为横向有两端倒圆的槽 b y a = p 时，开槽形状( 如图3 4 所示) 为横向有两端倒圆的槽，这种情况下 的最大应力，是在槽孔边缘距直线边最近的点a 产生的。取最小截面的平均应 力c r o2 五丽p为基准应力，取最大应力即盯。对c r 0 之比为应力集中系数： a ：垒 o - o 。 第三章沥青路面坑槽修补的开槽方式力学分析 t l jl 、 o 口 刚 、卜， 渺1 田3 4 横向有两端倒圆的井槽模型圉 f i g u r e3 4 s l o t t i n g m o d e l o f c h a m f e r i n g r e m n g t e o n t w o t r a l h v m es i d e s 图3 5b p 和b b 变化对应力集中系数影响的数据统计图9 f i g u r e3 5s t a t i s t i c a lc h a r to fs t r e s sc o n c e n t r a t i o nf a c t o r sc h a n g eo v a l f r o mb pa n db b 图3 5 是采用光弹性试验针对b p 和b 8 变化对该种情况下应力集中系数铡 量的数据统计图。由图3 5 可以看出槽的形状越细长，b p 越大，口自然就越高， 而且它取决于b b ，b b 越小，口值越大。应力集中系数变化范围主要在2 o 1 0 0 之间，b b 较小时，口随b p 增长增加很快。所以对占路面比例较小的坑槽，应 力集中系数较大不适宜采用此种情况开槽。 第三章沥青路面坑槽修补的开槽方式力学分析 开槽形状为有角部倒圆的矩形槽 如图3 2 所示，开槽形状为有角部倒圆的矩形槽有两种情况，即a b 和a b 时，即图中虚线下端部分，a p 的变化对应力集中系数的影响不大， 对于开槽来说，沿路线增加开槽长度，对已定p b 的情况，应力集中系数变化不 大。 3 ) a b 情况时普遍较大，开此类坑 槽不易控制其应力集中系数。 第三章沥青路面坑槽惨补的开槽方式力学分析 露列誉一弛。产n 掣爿 隧群u - 。# p 甫l l - 手- i 骖干眸 二 l l 睡魏霉豢 习 j 一一：一0 艇 书“。：；一_ 哆乞i 君一嚣h 一一，一 ，翅 士麓；疑i l ：l 一i ，艺援1 一 ! 一f j 簿滔醉霸孑l 予鬻n r i ：蕊：口专h 麓童麓一一 lj ；l 。l ，i l 进 o 3 5 的情况下，的取值 a = bp 圆的正四 2 5 o 范围在2 5 到3 0 之问，适宜采 边形用。 a = bp = 正方形边角处，理论。值很大， 正四边形 0不宜采用 纵向有两应力集中系数主要 a b = p 端倒圆的在2 附近，晟大值适宜采用 槽 3 0 横向有两 矩形 b b 较小时，a 随b p 增加增长 b a = p 端倒圆的 2 o 1 0 0 槽 很快，不宜采用。 槽 有角部倒a p 对应力集中系数影响较大， b a p圆的矩形2 6 一尤其是a 的减小极易使其有较大 槽增幅，不宜采用。 b ；亡ap 矩形边角处，理论a 值很大，不 矩形槽 = 0 宣采用。 有角部倒 a p 的变化对应力集中系数的影 应力集中系数主要 响不大；随着p b 的增大， d a b p 圆的矩形 在2 附近普遍有减小的趋势；宜采用两端 槽 有倒圆的开槽形状。 纵向扁平 a b1 o 3 。0 适宜采用 椭圆的椭圆槽 槽 横向扁平随着b a 的增大，n 有逐渐增大 a o 2 5 ) ，纵向有两端倒圆的矩形槽以及纵向扁平的椭圆槽为 开槽形状。矩形的边角处有较大的应力集中系数，不适宜作为坑槽开槽的形状。 ( 3 ) 开斜坡坑槽施工工艺较复杂，且斜坡上修补材料的松铺厚度不一样，会 造成碾平后修补材料的密实度及承载能力不均匀，并且接缝处的抗渗水性不易保 证。垂直开槽没有上述诸多的弊端，是较好的开槽方式。 第四章沥青路面界面性能研究 第四章沥青路面界面性能研究 4 1 新老沥青混凝土界面粘结强度的理论分析 3 3 沥青路面坑槽维修新老沥青混凝土界面的破坏可以看作一种粘结一滑移关 系，其粘结强度，可以通过测量在新沥青混凝土上施加的致使界面破坏的均匀推 力来表达，如图4 ，l 所示。 i 新混凝土卜一 老混凝土 圈4 1新老沥青混凝土界面轱结一滑移攮型 f i g u r e4 1f e l i - s l i p p a g ef o r m e ri nt h en e wa n do l da s p h a l tc o n c r e t ei n t e r f a c e 因为新老沥青混凝土并非弹性体，所以对于新老沥青混凝土界面粘结的破坏 并不能使用材料力学中最大应力破坏原则进行计算；周时由于界面粘结的不连续 性，界面间有较多的微观和宏观的缺陷，针对图4 1 的粘结一滑移模型1 4 0 | 本论 文尝试利用线弹性断裂力学及非线弹性断裂力学的基本原理及断裂能破坏准则等 憎儿“删对新老沥青混凝土的界面粘结强度进行理论推导。 当新老沥青混凝土的界面受到外力作用，发生塑性流动后，界面任何一点都 在发生粘结一滑移，任何一个截面上的界面平均粘结剪应力可以用下式( 4 一1 ) 表示： ，。：竺! 坐i 二垒!( 4 一1 ) 式中：- 是截面i 平均界面粘结剪应力；毛和占。是i 截面和有限分割体i 截面的 前一个截面；0 和0 分别是新沥青混凝土压实后的弹性模量和厚度：缸是两个截 面间的距离。 第四章沥青路面界面性能研究 由于塑性应变的叠加形成了滑移，设新老沥青混凝土的一个自由边的滑移为 零，i 截面的滑移可以表述为下面的公式( 4 - - 2 ) 。 量= 等( 薹。+ 旬 c 纠， 式中：毛是新老沥青混凝土在截面i 处的滑移；岛是新沥青混凝土在界面粘结边 缘附近的应变；占，是i 截面之前，有限划分的各个不同截面的应变；缸和岛同公 式( 4 - - 1 ) 。 新老沥青混凝土界面粘结一滑移模型中，任一截面上点的应变与滑移呈对应 的函数关系。 占=g)(4-3) 式中；是任意点的应变，s 是对应应变点的滑移。对应变进行受力方向的求导， 妾：掣。皇：掣掣。，g ) ( 4 _ 4 ) 出出出出出 有公式( 4 - - 4 ) 带入公式( 4 - - 1 ) 进一步推导： = 掣= e l 弓妾= _ 弓掣啡) ( ， 公式( 4 - - 3 ) 中，任意一点滑移与应变的关系可以有试验的数据和统计规律得出， 假设采用指数统计模型对公式( 4 - - 3 ) 进行回归分析，则可以假设下面公式； 占= = a o e x p ( 一b s ) ( 4 - - 6 ) 式中a 和b 都是由是试验得出的回归系数。 进而；墨掣：a b e x p ( - b s ) ( 4 7 ) 把公式( 4 - - 6 ) 和公式( 4 - - 7 ) 带入公式( 4 5 ) ： 毛= 掣= 易弓塞= 易弓掣砸) = e l a b e x p ( 一b s ) a ( i e x p ( - b s ) ( 4 - - 8 ) = a 2 b e f t fe x p ( 一b s ) o e x p ( - b s ) 新老沥青混凝土的界面断裂能g ，可以定义为下式( 4 - - 9 ) ： g，=f蕊(4-9) 0 将公式( 4 8 ) 带入公式( 4 9 ) ： 第四章沥青路面界面性能研究 g s = j 硫= j 一2 b z ：r ：c x p f 一凰) ( 1 一唧( 一凰) 凼一i l 彳2 e ，弓 ( 4 一l o ) 00 将公式( 4 一1 0 ) 变化： 彳= ( 4 1 1 ) 由界面断裂能破坏定则，理论最大界面粘结强度可以表示为： p m , = 6 ，q 弓= b 0 0 l i m a ( 1 一e x p ( 一聊= 6 ，e i t s a ( 4 1 2 ) j 式中：p 蛳新老沥青混凝土界面最大粘结强度：6 ，是新沥青混凝土的宽度；占一界 面上的最大应变；其他符号同上。将公式( 4 - 1 1 ) 带入公式( 4 - - 1 2 ) ： i 乞。= b r e f t ，a = b r e f t f ( 4 一1 3 ) 在断裂力学中，界面断裂能可以由粘结一滑移曲线表示出，其中线性先上升 然后下降的曲线与实际的新老沥青混凝土的破坏情况最为接近，如下图4 2 所示。 1 f o sf 图4 2 新老沥青混凝土界面的粘结一滑移模型 f i g u r e4 2f e l t - s l i p p a g ef o r m e rb g t w l 期l ld c wa n do l da s p h a l tc c 耐e 与上图相对应的断裂能为： g s = c j 厶 ( 4 1 4 ) 式中：厶。为按照d i n l 0 4 8 ( 1 9 9 1 ) 拉拔试验测定的混凝土平均表面抗拉强度，g 是根据试验数据线性回归分析得到所确定的强度。 第四章沥青路面界面性能研究 由公式( 4 - - 1 3 ) 可以分析新老沥青混凝土界面的粘结强度，o 与0 、厶、 、陋，和，瓦呈对应正比例关系，要提高界面粘结强度就需要对这些变量进行优化。 其中6 ，和砟是设计的结构变量，可以根据实际结构的需要进行更改；，二是老 沥青路面混凝土的材料界面参数，可以通过增加老沥青路面开槽壁面的租糙度来 增加平均表面抗拉强度，也可以通过界面处治材料的使用来改进这个参数；，厉，是 新沥青混凝士路面压实后的弹性回弹模量，主要与新沥青混凝土的密度和压实度 有关，可以通过改进材料中沥青的粘