（材料学专业论文）沥青混凝土路面的开裂破坏及其临界条件的渗流模型描述.pdf

摘要 沥青混凝土路面的目前高等级路面的主要形式，伴随着公路事业的建设和发 展，沥青混凝土路面性能的研究也得到了快速的发展。但由于交通运输量不断增 长以及气候条件的影响，无论使用性能多么优越的原材料来进行铺筑，沥青混凝 土路面的开裂破坏仍然是无法避免的。对于沥青混凝土路面的开裂破坏，很多研 究者已经从混合料的性能及路面结构等方面作了相应的研究。 本课题以重庆交通大学科研启动经费项目“沥青混凝土路面的开裂破坏及其 临界条件的渗流模型描述为依托，在前人研究的基础上，对两种沥青混合料的 低温性能作了大量的试验研究，并吸收了非线性科学的知识和相关研究成果，对 沥青混凝土路面的开裂破坏过程进行了分形描述，研究了裂缝形成的临界条件。 本文所作的主要工作有： 在试验研究方面，确定了两种沥青混合料的配合比，分别对两种混合料进行 低温劈裂试验、低温弯曲试验及切口小梁弯曲试验研究，得出两种混合料随着温 度及荷载的变化其低温性能评价指标呈一致的变化趋势，加纤维的混合料其低温 性能要明显优于未加纤维的。 沥青混凝土路面的无数微裂缝的产生是随机的，不存在某种固定的规律性， 开裂破坏现象的发生是微裂缝之间无穷连通的过程，在数学上，这就是渗流问题。 沥青混凝土路面中只要有无数条微裂缝存在并连通就可能发生渗流现象，因此根 据路面的性能及微裂缝存在的形态，建立路面破坏的渗流模型，利用重整化群方 法计算渗流阈值，确定路面发生破坏的渗流临界条件。 无论试验研究还是渗流理论研究，沥青混凝土路面的低温破坏表现为一致的 规律性，渗流理论为分析沥青混凝土路面开裂破坏的过程提供了一种新的研究思 路，但渗流模型在道路工程中的应用尚处于起步阶段，本文得出的相关结论还有 待于后人及实践的考验。 关键词：沥青混凝土路面；开裂破坏；渗流模型；重整化群；渗流阈值 a b s t r a c t a s p h a l tc c i c t cp a v 锄c mi st h em a 缸f o 皿o ft h e 例咀e n th i g h g n d cp a v 伽嗍叫b 缸gw i 也也e 硎咖c d 锄dd e v c l o p 恤c n t ，p e r f o l m a n c eo ft h ep a v 蛐t h 勰 d c w l o p e d 翻p i d l y h o w e v e r ，d u c t ot h es t e a d yg m w t hi n 仃a i l s p o r t 觚d 缸艳c to fc l i m a 把 c d i n o n s ，n om a 耋t c rh o w 翮p 谢o rp i o l 枷e 8o ft h em wm a t e i ! i a l su s e d 蕾b r 晒l d i n g ， 砌a c c l e t ep 孙r 锄e md e g t r o yi 8 鲥mn o tt ob e 羽，0 i d e d ，姐dm a n y 砖s 般h e 培h 懿 d 0 a 彻m b e r o f 咖l d i e st or e d u c e 蛐g ，细恤山ep a v e 蚴t 栅c t l l m 弛dp r o p c m e s o f t h cm i x t u r e t h ct h e s i sb a s e d ”a s p h a l tc c l c t ep a v e m tc n 虹n ga n dd e i i p t i o fm e p 豇c o 蜥阻m o d df b rt h cc r ! i t i c a lc o n 删。a 啦m 矗i n dp i d j c c t so f 把a h i 】喀j n c h o n g q i n gj i 瓤) t o n gu n j v c r s i 哆，t h eb a s i so fp m 、，i o u s 砖s c a 砧h e s ，w h i c hh 勰m a d ca 1 0 t0 f t h ep n o tt c s t st o 曲l d y 蜘tl o w 砘m i p e 船l l l mp p c r t i e so f 呐h n d so f a s p h a l t c 伽棚e t e ，锄dm i l i z e dn 叽l i n e 缸s c i 印d 丘cl m o w l e d g e 柚di ! t sr c l a t c dr e s e a hr c m l t s t h ep a p e rp i e s e n t c df 孔t a ld c 虻d p t i o nf o rm cp r o c e s sa fa s p l a l tc o n c r e t ep a w 釉a l t c 髓c l 【i n gd e 蛐【o y 雠ds t l l m e dt h ec r i t i c a lc 伽d i t i o no fc 撇l 疆f o 皿a t i 阻ht h cp a p t h em a i nw o d 强w e i ea si - 0 1 1 0 w e d ： 髓栅i g ht e s t s ，m cp a p 盯d 醣槐i i l e dt h ec o p u l a t ep r o p o n i o f t w ot y p c so f a s p h a l t c 蚀c r 咖，锄d f o r t h 锄，t h c 印t 把吐a n d m e b 即d t c 啦砒l o w t 锄p e r a t u m ，a n d c u t 锄a 1 1 g j i d 口b t m d 把缸h a v ep i o s d 阳驰矗v e l y ，b o 出o f 出cm i x t l i sp e 响衄a n 州a i u a t i i n d 甑砒l o wt e l n p e 胁她a l lc h 觚g c s 丽t ht e l n p 咖趾dl o a d 丽t ht h e s a m c 咖d t h ep 球帕c so fm i x t i l i e 鲥i d i n g 蕾f b e r 址l o w 屯锄p c 嘲t i l 坞w 硒s i 鲫n t l y 跚p c r i o rt ot h em i x n l 坤w i t h a l l l 矗b e r n 岫咖sm i c r o - c m c l 【si nt h e 淞p h a l tc o n c r e t cp a v 锄e n tp 劬s t l d c h 删c ，a i l d t h e 豫i 墨n o t 矗：x e d 蛐e 雎毋l l a i i 哆c 瑚d 【i n g 缸m cp h 鲫叩o fm i c c 均d i 【s c 咖d v i 重yb e t w e m 部【d l c s sp s s ti nm a t h a n 撕c 8 。砌c hi sp c 睇o l a d a s p h 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e t ep 猢c n t ； g 呻；p e f c 0 1 a t i t h s h 0 憾 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： 彼讳 j 日期：汐哆年够月玎日 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： 泼讳 指导教师签名苏彬 l 、l 日期： 伊叩年弘月f 饵日期：弘7 年弘月7 厂日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的意义及国内外研究现状 随着交通行业日新月异的发展，我国公路建设事业取得了长足的进步，特别 是近2 0 年，是我国公路历史上发展速度最快、发展规模最大、最具活力的时期。 由于沥青混凝土路面具有施工便利、施工期短、行车平稳舒适、噪音低且易于养 护修补等优点，在国内外公路和城市道路中，作为高级路面的主要结构类型而广 为应用u j 。但随着交通量的不断增长，特别是大吨位车辆行车荷载的作用，不管采 用多么高等级的路面材料，许多高等级公路沥青路面仍不可避免的发生一定的早 期损坏，如裂缝、泛油、剥落、车辙等现象，有的高等级公路甚至通车当年就发 生了病害，直接影响了车辆的正常运行，影响路面的使用舒适性，导致沥青路面 的正常维修期大大提前，也增大了养护管理资金的投入，严重减少路面的使用年 限。 沥青混凝土路面的开裂是影响沥青路面使用质量进而影响其使用寿命的主要 因素之一，因而也是各国道路界普遍关心的问题。主要表现为冬季低温季节沥青 混合料的集料之间的沥青膜拉伸破坏，然后再导致集料的破裂。它的产生不仅破 坏了路面的连续性、整体性及美观，而且由于路表水的浸入，裂缝两侧的路面结 构层和士路基的含水量增大使基层甚至路基软化，导致路面承载力下降，加速路 面破坏；同时，纵向无限长的沥青面层开裂后，其承载模式转变为有限尺寸板， 承受重复车轮荷载时，开裂后的路面可能折断成更小尺寸的板，并发生龟网裂。 随着裂缝逐年加宽，边缘折断破碎，造成路面平整度降低，严重危及道路的使用 寿命和质量。另外，温度裂缝对将来加铺层的影响不容忽视，否则病害仍将继续 直至重修，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。 具有显著流变性质的沥青混凝土路面，其强度、稳定性和可靠性从其尺度来 看有别于固体的相应概念，即沥青混凝土路面具有随温度和加荷时间而变化的塑 性特征。因此，温度与荷载对沥青混凝土路面的影响至关重要。沥青混凝土路面 在受到温度和荷载作用时产生变形，当其影响达到某一l 临界状态时，路面则出现 低温开裂破坏，这时温度及荷载的作用状态就是沥青混凝土路面破坏的临界状态 如何求解这一临界状态的判据，确定沥青混凝土路面破坏的力学、物理及环境条 件，是沥青路面破坏研究的重点。 渗流模型作为概率论的一个分支，由于其具有广泛的理论和实用价值，近年 来越来越受到人们的关注，在非线性科学中占有重要的位置。渗流理论是由 kb a d b 蛐t 和m 砌删地f s l e y 在1 9 5 7 年首次提出来的，是描述流体在随机介质 第一章绪论 2 ( 多孔介质) 中运动的数学模型，与临界现象有关。渗流与通常的随机过程( 如 扩散过程) 的不同之处在于，流体运动本身不具有随机性，而是介质具有随机性。 简单渗流模型有两种：点( 觚) 渗流和键( b d ) 渗流，前者考虑的是格点是否被 占据，即格点是“窒还是“实”，是“开”还是“关；后者考虑的是格点之间的连线是 否被占据，即键是“联”还是“断”，是“通”还是“闭”。除此之外，还有点键 混合模型。实际研究中运用最多的是点渗流。 关于渗流模型理论的研究，国内外已经取得了一定的成果。e i n 等人用生成 函数的方法精确地计算了一维渗流模型瞄习；张昭庆等人用矩阵变换和重整化群的 方法成功的解决了一维次近邻渗流问题陆习；k s t e n 等人着重研究了二维渗流模型 的标度理论，证明了临界指数的一系列关系【6 一l ；最近屈少华等人又用蒙特卡罗的 方法研究了二维次近邻渗流模型嘲；朱建阳用重整化群的方法对二维渗流模型进行 了成功的研究，研究中引入了“鬼”场。对于三维渗流模型的研究只限于最近邻的情 况。屈少华等嗍采用空间重整化群和蒙特一卡罗模拟方法，研究了三维各向异性渗 流模型，分别计算出临界值和临界指数。理论上研究比较多的是点渗流模型问题， 文献【l 明讨论的是渗流模型及其特征和与临界现象和相变的关系。 关于渗流模型的研究，有许多方法：如实验方法，m 伽胞c a d o 模拟方法，重 整化群( r 肋咖a l i 窈d 阻g i o u p ) 方法等。重整化群方法是在量子场理论中提出 来的，近年来在研究高能渐进行为中有了很重要的应用，美国康奈尔大学的威尔 逊( 1 【c 姐e t hg 硼s ) 把量子场论中的重整化群方法应用于临界现象的研究，并提 出重整化群在不动点附近的性质决定了体系的临界行为，建立了相变的临界现象 理论，这是临界现象研究中的重大突破因此重整化群方法在研究该渗流问题上 以其物理意义明确，可简捷求出解析结果等优点而倍受人们的青睐。朱建阳应用 该方法对二维次近邻正方格点进行了研究，研究中还引入了“鬼”场i 圳。 沥青混凝土作为一种弹一塑性粘滞的材料，最基本、最重要的力学性质有： 强度、塑性、弹性和粘滞性沥青混凝土最重要的特性，即为高温车辙和低温开 裂性。在上述研究成果的基础上，本课题主要根据沥青混凝土路面破坏的力学、 物理及环境条件，利用重整化群的方法拟将渗流模型应用于沥青混凝土路面破坏， 通过研究沥青混凝土路面破坏的力学、物理和环境条件，借用渗流模型理论和渗 流阈值的计算方法，来描述沥青混凝土路面破坏的机理和临界条件，为路面破坏 机理的研究提供一种新的途径。 第一章绪论3 1 2 主要研究内容和目标 1 2 1 主要研究内容 本课题以沥青混凝土路面在车辆荷载及温度共同作用下产生的开裂破坏作为 研究对象，结合渗流模型理论在材料科学中的研究现状和进一步研究的必要性， 采用理论、实验和计算机辅助计算相结合的方法，在借鉴已有的研究成果的基础 上，重点研究以下内容： 沥青混凝土路面的开裂破坏 根据间接拉伸试验的原理及方法，对两种沥青混合料进行低温劈裂试验研究， 得出不同温度及加载速率条件下沥青混合料破坏的最大荷载、劈裂抗拉强度和破 坏劲度模量；与此同时，也进行了低温弯曲试验及切口小梁弯曲试验研究，确定 两种沥青混合料的低温性能变化规律。 渗流模型的重整化群和蒙特卡罗模拟方法 目前，对渗流模型的研究方法很多，本课题拟采用空间重整化群和蒙特 卡罗模拟方法进行研究。重整化群是研究相变的临界现象最有力的工具，以物理 量作为焦点。其理论的实质是通过改变粗视化程度的重正化变换来定量地获得物 理量的变化，目的是在变换观测尺度的基础上研究不变的现象。 沥青混凝土低温开裂破坏的渗流模型描述一渗流阂值求解 众所周知，沥青路面冬季形成裂缝除其他原因外，主要是在急剧降温下由于 沥青混凝土低温下没有充分的塑性所致。降温时沥青混凝土体积缩小而产生拉应 力，从而导致沥青混凝土发生开裂破坏用渗流模型模拟沥青混凝土低温开裂破 坏：取路面某一剖面为研究对象，将沥青混凝土颗粒之间的微裂缝视为条“键”， 在低温和荷载作用下，沥青混凝土体积缩小，即产生受拉压力，体积收缩，混凝 ， 土内部互相连通的“键为。条，连通率p = 鲁当p 达到l | 缶界值时各格点均受 v 拉应力，裂缝互相连通，这时则路面出现裂缝。计算此临界值，即渗流阈值。 根据渗流模型的基本原理，将沥青混凝土路面的微裂缝的形心定义为“格点”， 裂缝之间是否连通的问题就变成“格点”之间连通的问题。由此将沥青混凝土路 面的开裂破坏转化成“点”渗流进行描述，建立渗流模型求出渗流阈值。 分析实验研究结果与理论模型之间的关系 通过荷载试验、温度稳定性试验以及两者耦合作用的试验研究，得出沥青混 凝土路面低温破坏的物理力学和环境条件。然后建立渗流模型，用计算机模。机 助”原理进行求解，得出其破坏条件，并分析沥青混凝土低温开裂破坏物理条件 第一章绪论 4 与渗流阈值之间的关系。 1 2 2 预期达到的目标： 通过研究渗流模型的基本原理和相关的理论支撑，在广泛收集和分析渗流模 型及其工程应用有关文献的基础上，结合沥青混凝土的路用性能，通过实验研究 ( 荷载试验、温度稳定性试验以及两者耦合作用试验) ，得出沥青混凝土路面发生 开裂破坏的物理条件。在此基础上应用渗流模型的基本原理进行“机助”数值模拟， 研究得出沥青混凝土路面开裂破坏的渗流临界条件，即渗流阈值。建立渗流阈值 与发生破坏的物理力学条件之间的关系。 1 3 研究方法和技术路线 1 3 1 拟采用的研究方法 本课题采用实验与理论相结合的方法进行研究，其中在试验研究方面，选定 两种沥青混合料的配合比，然后再通过沥青混合料的低温劈裂试验、低温弯曲试 验及切口小梁弯曲试验，确定路面破坏的物理力学条件；在理论研究方面，利用 渗流理论建立相应的模型来模拟沥青混凝土路面破坏的实际情况，并通过计算机 辅助进行计算，确定渗流阈值，从而得出渗流阈值与路面破坏物理条件之间的关 系，为沥青路面破坏机理的研究提供一种新的方法。 1 3 2 技术路线 理论准备 在论文的前期，全面了解沥青混凝土路面发生低温开裂破坏的机理，掌握渗 流理论及重整化群方法的基本原理，查阅渗流模型在相应学科上的应用文献及研 究成果，理顺研究思路和方法，为论文的实施打下基础。 实验研究 在实验室进行低温劈裂试验、低温弯曲试验及切口小梁弯曲试验研究，得出 沥青混凝土路面破坏的力学、物理及环境条件。 理论研究 根据沥青混凝土路面开裂破坏的基本原理建立渗流模型，利用该模型模拟路 面破坏的实际情况，通过重整化群的方法及“机助”原理确定渗流阈值。 成果验证 建立渗流阈值与沥青混凝土路面破坏物理条件之间的关系，为路面破坏的描 述找寻一种新的思路和途径。 第二章沥青混凝土路面开裂破坏机理及影响因素5 第二章沥青混凝土路面开裂破坏机理及影响因素 2 1 常用沥青路面结构类型及特点 公路交通在国民经济的发展中起着的举足轻重的作用，因此公共基础设施建 设也受到了相当程度的重视。自改革开放以来我国的公路建设得到了快速发展， 在较短的时间内取得了举世瞩目的成就。沥青路面经历了两千多年三个历史时期 的发展已经成为高等级路面的主要形式。根据沥青路面的材料组成和施工工艺的 不同，沥青路面主要有4 种类型：沥青表面处治、沥青贯入式、沥青碎石和沥青 混凝土【。 2 1 1 沥青表面处治 沥青表面处治是用沥青和细集料铺筑的一种薄层面层，其厚度不大于3 锄。 沥青表面处治，特别是单层式表面处治，由于处置层很薄，对路面结构整体强度 和刚度提高不多，一般不起强度作用，其主要作用是抵抗行车磨耗，增强防水性， 提高平整度，改善路面的行车条件。其特点是表面摩擦系数大，表面构造深度大， 有利于高速车辆行驶安全，还具有良好的抗温度裂缝性能。 沥青表面处治适用于三级及三级以下公路、城市道路的支路、县乡道路、各 级公路的施工便道以及在旧沥青面层加铺的罩面层和磨耗层，也可用于旧沥青面 层的养护维修或加铺罩面等。 2 1 2 沥青贯入式 沥青贯入式是在初步压实的碎石上分层浇洒沥青、撒铺嵌缝料，经压实并借 助行车压实而形成的一种较厚的面层。 沥青贯入式碎石是靠颗粒间的锁结作用以及沥青的粘结作用获得较高的强 度，有较大的荷载分布能力，在柔性路面的整体强度中可起较重要的作用。沥青 贯入式碎石是一种多孔隙的结构，尤其是下部粗碎石的空隙更大。当其作为路面 的面层时，必须用封面料密实表面，以减少路表水渗入到路面结构层，提高贯入 式面层本身的耐久性。贯入式面层的上面必须加铺封层，类似于沥青表面处治。 2 1 3 沥青碎石 沥青碎石混合料是由适当比例的租集料、细集料及少量填料与沥青拌合而成， 压实后残留空隙在l o 以上的半开级配沥青混合料，以此混合料采用热拌热铺工 艺在平整、稳定、满足强度要求的基层上铺筑而成的路面结构称为沥青碎石路面。 沥青碎石混合料中粗集料较多，细集料较少，加少量填料甚至不加，因此， 第二章沥青混凝土路面开裂破坏机理及影响因素 6 压实后混合料的空隙较大，工程造价较低。沥青碎石混合料可以采用集中厂拌生 产，质量容易保证，均匀性和稳定性优于沥青贯入式碎石。 沥青碎石路面的表面纹理深度大，抗滑性能好，较多的粗集料形成嵌挤结构 骨架，故路面高温稳定性好沥青碎石的主要缺点的空隙率较大，空气和路表水 容易透入，路面的耐久性较差。由于沥青碎石混合料中细集料和矿粉含量较低、 空隙率大，其抗疲劳性较混凝土差。 2 1 4 沥青混凝土 沥青混凝土混合料是由适当比例的粗集料、细集料及填料按连续级配的原则 组成符合规定级配的矿质混合料，与沥青在较高温度下拌合而成的符合相应技术 标准要求的沥青混合料，简称沥青混凝土。 沥青混凝土具有强度高、整体性好、抵抗行车和自然因素破坏作用能力强等 优点。它的强度和密实度是各种沥青面层结构中最高的，适用于各种等级道路的 沥青路面面层。高速公路、一级公路和城市快速路、主干路的沥青面层的上、中、 下面层都应该采用沥青混凝土铺筑、其他等级道路的沥青路面的上面层也宜采用 沥青混凝土铺筑。目前，这种混合料在我国和世界上其国家和地区的高级路面中 担当着主要的角色。 2 2 沥青混凝土路面的主要破坏形式及原因 沥青混凝土路面常规的损坏形式主要为：裂缝、变形、表面损坏和其他损坏 四类，每一类损坏又有很多不同的表现形式n 珂 2 2 1 裂缝 裂缝是沥青路面损坏的一种常见病害，其成因各种各样，从表现形式看可以 分为横向裂缝、纵向裂缝、龟裂和块裂。 横向裂缝是沥青路面最常见的裂缝之一，通常被看作是早期损坏现象之一。 横向裂缝基本上垂直于行车方向，裂缝间隔不等且数量逐年增加。按其成因不同， 横向裂缝又可分为荷载型裂缝和非荷载型裂缝两大类。其中，荷载型裂缝是路面 承载能力下降、强度不足以承担车辆荷载或者反复循环荷载作用引起的疲劳所产 生的。荷载型裂缝首先在路面的底面发生，在车辆荷载的反复作用下，裂缝逐渐 向上扩展至表面。也可能因为下层开裂造成顶面应力集中而引起开裂，或上下同 时延伸而开裂。非荷载型裂缝的形成原因复杂，可以是温缩裂缝、反射性裂缝、 不均匀沉降裂缝、冻胀裂缝、施工裂缝( 接缝或发裂) 、构造物接头( 伸缩缝等) 裂缝、老化裂缝等等。其中最主要的是温缩裂缝和半刚性基层开裂引起的反射性 第二章沥青混凝土路面开裂破坏机理及影响因素 7 裂缝。 纵向裂缝基本上平行于道路中心线，一般发生在距路边缘3 5 米的车道内。 纵向裂缝产生的原因有多种，除了荷载作用过大，承载能力不足引起的纵向开裂 外，还有由于沥青面层分路辐摊铺时施工纵向接缝没有做好产生的裂缝，路基压 实度不均匀或由于路基边缘受水浸蚀产生不均匀沉陷而引起的裂缝，轮胎破坏后 轮毂在路面上行走造成的轮毂压裂。 龟裂是在路面局部区域内，龟纹状的交错裂缝，龟裂常伴有沉陷和唧浆现象。 一般认为，龟裂是路面结构在重复荷载作用下的疲劳损坏，是结构强度不足的体 现。其初期阶段表现为相互交错的裂缝，继而发展为多边形裂块。 图2 1 沥青路面发生开裂破坏 f i 9 2 1a s p h a l tp a v e m e n t l c k i i i g 块状裂缝是一种将路面分割成近似矩形裂块的交错裂缝，接缝间的交角近似 里直角或钝角，是纵向、横向裂缝密度较大时的结果。块状裂缝主要是由温度变 化、反射裂缝或沥青老化等因素引起 2 2 2 变形 沥青路面的变形也是一种主要的损坏现象，沉陷、车辙和推挤所导致的路面 变形极大地降低了路面平整度和道路服务水平，甚至还会影响行车安全。 沉陷是指路面的局部凹陷。由于基层或路基的局部压实不足所致。路基未充 分固结或压实不足造成的继续沉降往往引起路面的大面积沉降，这种沉降有时伴 有贯穿整个路面的结构性破坏；这种现象通常不作为路面沉陷考虑。 车辙是渠化交通的高等级公路沥青路面的主要损坏形式之一。当车辙达到一 定深度时，由于车槽内积水，极易发生汽车漂滑而导致交通事故。车辙一般是在 温度较高的季节，沥青面层在车辆的反复碾压下产生永久变形和塑性流动而逐渐 形成。在正常情况下，沥青路面的车辙有三种类型： 第二章沥青混凝土路面开裂破坏机理及影响因素8 图z 2 沥青路面车辙变形 f i g z 2a s p h a n 婵 m e mm m 呜 第一种类型是结构性车辙，由路面基层及路基变形引起，是发生在沥青面层 以下包括路基在内的各结构层的永久性变形，这种车辙的宽度较大，两侧没有隆 起现象，横断面星v 形( 凹形) 。 第二种类型是流动性车辙，在温度较高的季节，沥青混凝土路面经车辆的反 复碾压作用产生侧向流动变形，这种变形通常是伴随着沥青面层压缩变形的同时 出现侧向隆起，二者组合起来构成w 行车辙。这部分车辙主要取决于沥青混合料 的流动特性。 第三种类型是磨损性车辙，在北欧一些国家较为常见。 在交叉路口、匝道进出口等处，因车速变化频繁，经常刹车与启动，致使路 面承受着很大的水平剪力。当沥青混合料高温稳定性较差时，就会在高温和水平 剪力的作用下产生搓板状的推挤变形。 2 2 3 表面损坏 沥青路面的表面损坏包括磨光、麻面和剥落与坑槽几种常见的现象。 磨光是指路表外露的集料颗粒在行车轮胎的摩擦作用下逐渐被磨光滑的现 象，在雨季会因此而酿成车祸。表面磨光的内在原因是集料质地软弱，缺少棱角， 或矿料级配不当、租集料尺寸偏小、细集料偏多或沥青用量偏多等，选用材质较 好的集料可以有效地加以防治 麻面是指沥青混合料的细集料或部分粗集料散失造成的路面病害。麻面的主 要原因是酸性集料、集料中的含尘量过大等造成的沥青一集料粘附性不足。 第二章沥青混凝土路面开裂破坏虮理及影响因素 剥落是指在水的作用下沥青与矿料表面粘附范围减小甚至脱落，并在车辆的反 复作用下加速脱落过程，沥青面层局部呈现软弱或松散状态，软弱或松散的沥青 与集料有可能被疾驰而过的车辆带走，从而在路面上形成坑槽。坑槽会影响车辆 行车安全，并将加剧路面的进一步破坏。 图2 3 沥青路面面层出现整体滑移与剥落 f i 9 2 3a s p h hp 8 v e 此n ts i 白8 脾m 雌a n ds h d i l 略 2 2 4 其他损坏 沥青面层混合料中沥青用量偏大或残留空隙率太小( 小于3 ) 时，在夏天沥 青会受行车的碾压作用而渗出路表面，形成一层有光泽的沥青膜，称为泛油。泛 油可造成路表构造深度逐渐减小，抗滑性能降低，从而影响行车安全。 2 3 国内外对沥青混凝土路面开裂破坏的研究情况 2 3 1 关于沥青混合料低温性能的研究 对于沥青混合料的低温开裂问题，国内外一直从两方面着手进行研究。一方 面是对低温裂缝产生原因及影响因素进行调查分析，研究沥青混合料低温开裂的 评价指标和抗裂设计方法。另一方面为改善沥青混合料的低温性能，从路面材料、 路面结构方面展开研究，以保证沥青路面在低温条件下的使用质量【“。 评价指标的研究 在加拿大试验路的基础上，麦克劳德0 讧c k o d ) 建议将野外条件下的最低温度 和沥青混合料的劲度模量装合起来作为确定沥青路面是否开裂的依据。1 9 9 0 年8 月实施的加拿大评价沥青温度敏感性的新标准中，用针入度一粘度指数p v n 来评 价沥青材料的感温性能。为了防止和估计温度开裂，美国战略公路研究计划( s h i t p ) 提出以低温弯曲蠕变劲度模量来评价沥青低温抗裂性能。 第二章沥青混凝土路面开裂破坏机理及影响因素 i o 在中国，1 9 7 7 年至1 9 8 0 年北京市政研究所通过对大交通量路面的沥青混合料 配合比设计方法和技术指标的研究，建议用1 0 时劈裂抗拉强度和劈裂垂直变形 来表征沥青混合料的低温指标。我国“八五”攻关研究成果中提出了“沥青及沥 青混合料气候分区指标”，将沥青的使用分级和使用地区的高温和低温结合起来， 采用当量脆点和l o 延度作为评价沥青低温抗裂性能的指标；并且结合年极端最低 气温和低温弯曲蠕变试验提出了沥青混合料低温抗裂性能指标建议值。 混合料设计方法的研究 目前，我国普遍采用的沥青混合料设计方法仍然为马歇尔法。马歇尔法是通 过室内试验，根据稳定度、流值与毛体积密度、空隙率、沥青饱和度的分析，提 出合适的沥青混合料配合比例。马歇尔设计的各种指标，如稳定度、流值等与热 拌沥青混合料的路用性能相关性较差，不能保证沥青混合料具有抗车辙、疲劳及 低温开裂的能力，不能预测路面是否会发生早期破坏，因此急需采用一种新的技 术来取代传统的沥青结合料规范和沥青混合料设计方法。 由此，s u p e r p a v e 混合料设计方法应运而生，该方法是s h r p 计划中的最主要研 究成果之一。所谓s 叩e i p 撇混合料体积设计，就是根据沥青混合料的空隙率、矿 料间隙率和沥青饱和度等体积特征参数进行设计的。方法主要涉及功能选择、沥 青混凝士的拌和、混合料体积分析以及混合料的水敏感性分析。由于该设计方法 对于沥青和沥青混合料都以性能作为考虑问题的出发点，设计成果在某种程度上 预测了沥青路面的使用性能，因此同传统的马歇尔法相比有了很大的进步。2 0 年s u p e l p w e 混合料设计方法己全面取代马歇尔方法，成为美国国家标准设计方 法。 我国对美国s u 阳【p a w 的研究进展及其成果一直十分关注。“九五”以来，沥青 混合料的配合比设计开始影响我国，国内很多科研单位都进行了相关研究并修建 了很多试验路段在引进s l 啦叩a 技术的同时，我们也需要结合我国的实情。 s u p e r 阳v c 技术中设计方法和体积指标是针对美国的交通状况和原材料情况制定 的，因此我们不能完全照抄照搬。 2 3 2 关于裂缝的一般研究方法 沥青路面的有限元法分析 交通荷载作用下，裂缝呈复杂形式扩展，用解析的方法难以分析沥青路面较 为复杂的材料物理性质的本构关系，只能求解一些较为简单的荷载形式。而实际 道路材料的力学性质是非常复杂的，轮胎接地形式也是复杂多样的。有限元数值 分析方法的出现为路面力学分析提供了一个有力的工具，可以分析裂缝的产生、 发展、传播等一系列情形。 第二章沥青混凝土路面开裂破坏机理及影响因素 2 0 世纪6 0 年代，有限元法在求解混凝土应力分析方面得到成功的应用。y k c h 咖g 和o c z i e n l d c 丽c z 提出了弹性地基上板体的有限元分析方法， w r h l l d s h m a t l o o k 用离散单元法分析了温克勒地基上刚性路面板存在脱空情况 下的应力。进入2 0 世纪7 0 年代，人们开始考虑非线性有限元法应用于沥青路面 力学计算。1 9 7 7 年c h i c l 【s 和c l m i 锄i i h 分别用了c 加z v s l 程序、甩p 舾但z 程序和e e f w e 挤程序等三种非线性计算方法分析了无机结合粒料基层上沥青路面 的力学响应，并对们的结果进行了分析和对比。进入8 0 年代以后，对沥青路面非 线性弹性有限元的分析逐渐深入，并取得了许多成果。例如，fw b 埘( 1 9 8 2 ) 探讨 了有限元法在热带地区沥青混凝土路面设计中的应用。 我国从2 0 世纪7 0 年代后期起就将有限元方法应用于水泥混凝土路面计算， 而有限元法应用于沥青路面结构分析的研究是从八十年代开始的。 湖南交通研究所首先将多层沥青路面体系划分成一系列三角环单元组成的体 系，按轴对称有限元法求解了结构的应力和位移响应。此后，张起森等人做过单 圆荷载作用下线弹性柔性路面结构的弯沉和垂直应力的研究，后来又进行了非线 性弹性的研究。张起森等( 1 9 8 9 ) 根据多层弹性体系层间接触面的实际状态，提出了 一种考虑层间非线性接触的有限元增量子结构分析法。除此之外，黄晓明( 1 9 9 2 ) 探讨了用边界元分析柔性路面层状体系的方法。 用断裂力学原理分析 目前，对于沥青混凝土路面裂缝的研究国内外许多专家学者已经尝试从断裂 力学的角度来进行分析，从而采取相应的防治反射裂缝措施用以指导工程实际习。 断裂力学是近二十年才发展起来的新兴学科，也是应用力学在二十世纪中取得的 突破性成就之一，最早萌芽于2 0 世纪2 0 年代、5 0 年代，欧文( ) 提出了表征 外力作用下弹性物体裂纹尖端附近应力强度场的一个重要参量一应力强度因子， 建立了以应力强度因子为参量的裂纹扩展准则一应力强度因子准则。同时，欧文 将g f i f n 山理论的能量释放率概念与应力强度因子概念联系起来，为线弹性断裂力 学发展奠定了重要的理论基础。 随着断裂力学问题研究的深入，在道路工程上的应用也得到了重视。由于道 路工程中普遍存在着车辆荷载及温度荷载疲劳作用导致路面裂缝开裂破坏的问 题，采用断裂力学中裂缝疲劳扩展理论分析将更接近于工程实际，因而将断裂力 学与有限元方法结合用于路面反射裂缝扩展分析成为解决反射裂缝问题的一种新 的思路。 在国外，这方面的研究工作开展较早，7 0 年代英国n n i l 咖a m 大学的 s f b i o w n 就对路面土工格栅防止路面反射裂缝进行过系统的研究，并通过室内外 试验、足尺试验和试验路等方式进行了验证，结果较好；美国德克萨斯a & m 大学 第二章沥青混凝土路面开裂破坏机理及影响因素 的j w b u 仕和r l l 狮也曾对土工织物、土工网做过非常系统的抗反射裂缝研 究，其研究内容包括系统的室内外试验和断裂力学分析；此外，加拿大w 瓠i r l o o 大学、美国0 h i o 大学等在断裂力学用于路面反射裂缝分析方面也做过许多研究工 作。 在国内，这方面的研究工作进行得较晚，长沙交通学院、东南大学、长安大 学等单位做了一些工作。其中，长沙交通学院周志刚、张起森教授利用线弹性断 裂力学的平面有限元方法模拟加筋材料的薄膜单元，对土工加筋材料阻止沥青路 面反射裂缝的桥联增韧效应进行了分析【1 日；重庆交通大学易志坚教授从断裂力学 角度对水泥硅面层与基层接触界面的破坏过程进行了分析旧；东南大学黄晓明教 授应用权函数理论，推导出了层间完全连续路面裂缝的应力强度因子计算方法【嘲； 沈阳建工学院才华教授从断裂力学及疲劳损伤力学的观点出发，探讨了反射裂缝 的产生和发展机理等掣。许多学者专家作了大量的研究及试验工作，并取得了 一定的研究成果。 2 4 沥青混凝土路面低温开裂机理 沥青混凝土路面低温开裂是世界普遍存在的问题，尤其在北欧、北美、俄罗 斯、目本以及我国北方等国家和地区更为突出。开裂作为沥青路面主要的破坏形 式之一，已经严重的影响了路面使用的舒适性、安全性以及耐久性。因此，低温 开裂已经成了沥青混凝土路面性能研究的主要内容之一，其主要的表现形式为裂 缝。 2 4 1 裂缝的主要形式 根据裂缝的起因、道路的结构类型和破坏发展的情况，沥青路面的裂缝可以 呈现不同的形状和尺寸【捌。 排列方向 裂缝一般为纵向( 平行于行车方向) 或横向( 垂直于行车方向) 排列，斜向或曲线 形排列的较少。 形状 裂缝的形状往往比较直，但也有可能呈弯曲甚至曲折变化。 外观 路面裂缝可能为单一的( 直线形裂缝) ，也可能为双线、分叉或者交叉型的( 图 2 4 ) 。 第二章沥青混凝土路面开裂破坏机理及影响因素 图2 4 各种裂缝的外观 f i 9 2 4a t k 叩p c m m o f m c h 裂缝宽度 依情况不同、裂缝宽度( 即裂缝两边缘间的距离) 可能相差很大。裂缝可能非常 细，呈发丝状，仅十分之几毫米宽，也可能1 至2 姗宽，或者宽达几毫米至1 c m 。 形式 裂缝可能为离散的，互不相连，或者相反，形成网状的块裂或龟裂( 图2 5 ) 。 龟裂表现为相互交错的裂缝将路面分割成形似龟纹的多边形小块，块的尺寸小于 5 0 5 0 c m ，其最初形态是一条或几条平行的裂缝，随着行车荷载重复作用次数的增 加，平行的裂缝之间出现了横向和斜向的连接缝，形成了多边的锐角的网状裂缝。 龟裂是沥青混凝土路面的主要损坏形式 块爱t爱 图2 5 裂缝的形式 f i 9 2 5 0 鼍出面m 2 4 2 裂缝的计量方法 对于横向裂缝和纵向裂缝，一般用损坏密度来表示，方法为量测调查范围内 第二章沥青混凝土路面开裂破坏机理及影响因素 1 4 的开裂总长度，定义总裂缝占调查单元面积的百分比( 裂缝宽度以o 2 m 计) ，或 定义为单位调查面积内的裂缝长度，当一条裂缝有几种不同程度的损坏时，应分 别计量1 2 l 】。 对于以龟裂发生区域的外边缘矩形面积( m 2 ) 计量，外接矩形的一边平行 于路中线。路面上存在几种严重程度的龟裂时，如容易区分，则分别量测计算； 如难以区分，则以占主导地位的裂缝来决定其严重程度。 2 4 3 裂缝的开裂机理 严冬期出现的横向裂缝i 捌 位于路面面层的沥青结构层，直接受到气温变化的影响当温度下降时，沥 青面层就会产生收缩变形，但和水泥混凝土路面不同，沥青路面没有收缩缝。于 是这种变形会受到基层对路面的摩阻力和路面无限连续板体对收缩变形的约束作 用，使沥青面层内部产生拉应力而导致开裂。 另一方面，沥青混凝土还具有应力松弛性能，当给沥青混凝土一定的应变时， 由此产生的应力会随时间延长而减小。在一般的温度范围内，由温度降低而产生 的拉应力，会由于应力松弛而使拉应力减小，将不产生出现裂缝那么大的应力。 可是当温度骤然降低的时候，应力就很难松弛，由于温度下降产生的应力增加超 过了应力松弛的速度，在沥青混凝士内出现了剩余应力，当这种剩余应力超过沥 青混合料的极限拉伸强度时，便产生开裂。或者说，在一定温度条件下，沥青混 合料的劲度较低，在气温下降后，劲度就急剧增大，超过了产生开裂的极限劲度， 便产生开裂。这种情况在沥青面层与基层粘结力不好，可允许有一定自由收缩时 更易发生，这是一次性降温造成的温度收缩裂缝。 沥青混凝土表面出现裂缝 t啦(o)e女 a 图2 6 由温度梯度产生的应力 f i 9 2 6 b y m e t 锄p e 嗽哦肿d i 咖s 岫s b 当温度下降时，因为沥青混凝土表面温度比底面低，沿温度方向的梯度如图 2 6 a 所示。可是实际路面中路面基层和沥青混凝土层是紧密粘着的，由于沥青混 凝土的自重，使其不能自由翘曲，其结果如图2 6 b 所示，在表面出现了拉应力， 第二章沥青混凝土路面开裂破坏机理及影响因素 在底面出现了压应力。这些应力与温度应力松弛相叠加，就会在表面出现更大的 拉应力，这就是表面容易出现裂缝的原因。另外，接近表面的沥青比内部沥青更 易老化，这也是容易产生裂缝的一个因素。 裂缝逐年扩大，数量也增多 产生低温裂缝的沥青混凝土层，一到春天就要膨胀。但和冬天不同，由于温 度升高了，在路面基层摩擦的约束下，应力松弛完了，在裂缝愈合时，不至于需 要产生必要的恢复力但是到了冬天，沥青混凝土层再次出现收缩，若基层摩擦 力小，在实际收缩时，裂缝就变宽了。另外，若基层摩擦力大，沥青混凝土就不 会收缩了，新的裂缝便会产生，裂缝数量也将增加。 温度升降反复作用的温度应力疲劳使沥青混合料的极限拉伸应变变小，又加 上沥青老化使沥青劲度提高，应力松弛性能下降，故可能在比一次降温开裂温度 高的温度下开裂，同时裂缝随着路龄增加而不断增加。 反射裂缝 路面反射裂缝是由于面层下部的拉应力超过了沥青混凝士的极限强度所致， 偏荷载作用下的主拉应力和温度变化下的收缩应力是反射裂缝形成的根本原因。 在冬季低温下，当基层开裂后，由于基层失去抵抗拉应力的作用，就在开裂位置 将应力传递给面层，形成面层在裂缝处的应力集中而在低温下，沥青面层的模 量较大，仅能承受较小的温度应力，因而极易产生裂缝。此时如果再加上偏荷载 主拉应力的作用，其应力值就可能超过材料的极限强度，使面层开裂。反射裂缝 是沥青面层早期劣化的根源，缩短了路面的维修周期，减小了路面的服务年限。 综上所述，沥青面层中的低温收缩开裂是横向开裂的主要形式，主要是由于 温度降低出现的沥青面层收缩，应力松弛特性、基层的摩阻力，降温速率以及荷 载应力等相互影响的复杂现象。 2 5 低温开裂影响因素 沥青混凝土路面温缩裂缝的发生与沥青混合料的断裂特性有着直接的关系， 而影响沥青混合料低温性能的因素，既有沥青及其混合料本身，也有气温等各种 外部环境因素。 2 5 1 沥青的性质 沥青混合料低温下所产生的拉应力与沥青的粘度和温度