（材料学专业论文）半刚性基层收缩开裂机理与模型研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 半刚性路面基层材料以其绝对强度高，整体性好，稳定性好等优点，成为 目前我国高速公路使用最为广泛的基层材料。但半刚性基层在温度和湿度降低 时会发生较大的收缩，当收缩应力超过基层材料板体的许用应力时，就会产生 开裂。半刚性基层的收缩开裂严重影响了路面的整体质量，因此，加强对半刚 性基层收缩开裂机理与模型的研究，具有很重要的现实意义。本文利用工程力 学理论，建立了半刚性基层收缩开裂模型，并通过试验研究和工程实际应用对 模型进行了验证，主要工作与结论如下： 1 对半刚性基层的收缩机理从微观方面和宏观方面进行了研究和探讨；同 时对目前的抗裂性评价指标的研究工作进行了对比和评述，评价半刚性基层抗 裂性的指标比较多，但都是以干缩系数与温缩系数为基础衍生而来，无法对开 裂性能进行直观的评价。 2 探讨了半刚性基层收缩与沥青路面开裂之间的关系，得出半刚性基层收 缩开裂的临界条件，得出半刚性基层收缩开裂发展规律；提出以裂缝间距和裂 缝宽度为半刚性基层抗裂性的评价指标，建立半刚性路面基层材料分级开裂间 断数学物理模型。 3 根据半刚性基层收缩开裂模型，探讨影响半刚性基层收缩开裂的力学性 能因素和收缩性能因素，具此提出了5 种抗裂技术途径，并由此派生出三种综合 防裂技术：路面基层稳定专用水泥，高抗裂水泥粉煤灰路面基层材料和水泥稳定 类基层抗裂施工工艺。计算半刚性基层分级开裂过程数据化的具体临界条件，得 出抗裂性能大小依次为二灰稳定粒料、水泥粉煤灰稳定类粒料、基层专用水泥 稳定类粒料、水泥稳定类粒料。 4 采用椭圆环开裂试验方法和大板开裂试验方法，对比得出半刚性基层抗 裂性能依次为水泥粉煤灰稳定类、基层专用水泥稳定类、水泥稳定类基层；同 时，通过对内蒙赤通高速公路路面基层开裂行为的长期观察，得出水泥粉煤灰 稳定类粒料较水泥稳定类粒料在实际工程应用中的抗裂性优势；综合室内开裂 试验研究和实际工程应用对建立的半刚性基层收缩开裂模型进行了验证。 关键词：半刚性基层，收缩开裂，开裂模型，开裂试验方法，工程应用 武汉理工大学硕士学位论文 a b s tr a c t s e m i r i g i dr o a db a s em a t e r i a l ( s r r b m ) i st h em o s tw i d e l yu s e db a s em a t e r i a li n t h eh i g h - w a yc o n s t r u c t i o no fc h i n a ，b e c a u s eo fi t sa d v a n t a g eo fh i g hs t r e n g t h ，g o o d b u l kp r o p e r t y ，a n dg o o ds t a b i l i z a t i o ne t c b u tt h es r r b mh a sas t r o n gt e n d e n c yt o s h r i n k a g ew i t ht h ef a l lo ft e m p e r a t u r eo rh u m i d i t y ，w h e nt h es h r i n k a g es t r e s se x c e e d t ot h em a x i m u ma l l o ws t r e s so ft h es r r b m ，t h ec r a c kw i l la p p e a rq u i c k l y s h r i n k a g e c r a c k i n gh a sas e r i o u si n f l u e n c eo nt h ep e r f o r m a n c e so fr o a ds u r f a c e s o ，i th a sg r e a t s i g n i f i c a n c et os t r e n g t h e nt h er e s e a r c ha b o u tt h em e c h a n i s ma n dm o d e lo fs h r i n k a g e c r a c k i n g as h r i n k a g ec r a c k i n gm o d e lo fs r r b mw h i c hb a s e do nt h et h e o r yo f e n g i n e e r i n gm e c h a n i c sh a sb e e nb u i l ti nt h i sp a p e r , a n ds o m ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h a n dp r o j e c ta p p l i c a t i o nh a v ea l s ob e e na p p l i e dt ov e r i f yt h em o d e l t h eo r i g i n a l i t y i n n o v a t i o no ft h i sp a p e ra r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： f i r s t ，t h er e s e a r c ha b o u tt h em e c h a n i s mo fs h r i n k a g eo fs r r b m h a sb e e nd o n e t h r o u g ht h em i c r o a s p e c ta n dm a c r o - a s p e c ti n t h i sp a p e r ；t h ec u r r e n te v a l u a t i n g i n d i c a t o r sw h i c h j u d g et h ec r a c kr e s i s t a n c eo fs r r b m h a v eb e e ns u m m a r i z e da n d c o m p a r e d h o w e v e rm o s to ft h ei n d i c a t o r sa r ed e r i v e df r o mt h et e m p e r a t u r ea n dd r y s h r i n k a g ec o e f f i c i e n t s ，w h i c hc a nn o td i r e c te v a l u a t e dt h ec r a c kr e s i s t a n c e s e c o n d ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es h r i n k a g eo fs r r b m a n dt h ec r a c k i n go f a s p h a l tp a v e m e n th a sb e e nd i s c u s s e d ，w i t ht h ec r i t i c a lc o n d i t i o no fs h r i n k a g ec r a c k i n g o fs r r b mb e i n gc a l c u l a t e d ，t h el a wo fd e v e l o p m e n to fs h r i n k a g ec r a c k i n go f s r r b mh a sb e e nd e d u c e d ，a n dt h es h r i n k a g ec r a c k i n gm a t h e m a t i c a lp h y s i c sm o d e l o fs r r b mw i t ht h ee v a l u a t i n gi n d i c a t o rc o n t a i n i n gc r a c kw i d t ha n dc r a c ki n t e r v a l h a sb e e nb u i l t t h i r d ，b a s e do nt h em o d e l ，m e c h a n i c sp e r f o r m a n c e sa n ds h r i n k a g ep e r f o r m a n c e s o fs r r b mt h a ti n f l u e n c ei t s s h r i n k a g ec r a c k i n gh a v eb e e nd i s c u s s e d ，a n dt h r e e a n t i c r a c k i n gt e c h n o l o g y ( s p e c i a lc e m e n t ，l i m ef l y a s hs t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n e s w h i c hh a v eah i g hp e r f o r m a n c eo fc r a c kr e s i s t e r ，t h ec o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo f c e m e n ts t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n e s ) h a sb e e nc o n c l u d e d t h em o d e lh a sb e e nu s e dt o c a l c u l a t et h ee x a c tv a l u eo ft h es t e p p e dc r a c k i n gp r o c e s s c r a c kr e s i s t a n c ei sr a n k e d 武汉理工大学硕士学位论文 i nt h eo r d e ro fl i m ef l y a s hs t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n e s ，c e m e n tf l y a s hs t a b i l i z e d c r u s h e ds t o n e s ，s p e c i a lc e m e ms t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n e s ，a n dc e m e ms t a b i l i z e d c r u s h e ds t o n e s f o r t h ，e l l i p t i c a l - r i n gs h r i n k a g ec m c k i n gt e s ta n dl a g e rp a n e lc r a c k i n gt e s tw e r e a d o p t e dt oc o m p a r et h ec r a c kr e s i s t a n c eo fd i f f e r e n ts t y l e so fs r r b m t h er e s u l t s s h o wt h a tc r a c kr e s i s t a n c ei sr a n k e di nt h eo r d e ro fc e m e mf l y - a s hs t a b i l i z e d c r u s h e ds t o n e s ，s p e c i a lc e m e n ts t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n e s 、c e m e ms t a b i l i z e d c r u s h e ds t o n e s a n dt h es t a t i s t i cr e s e a r c ha b o u tt h ec r a c k i n go fs e r r mw h i c hb a s e o nt h ec h i t o n gh i g h w a yp r o j e c ti nn e i m e n gp r o v i n c es h o w st h ec r a c kr e s i s t a n c eo f c e m e mf l y a s hs t a b i l i z e dc r u s h e ds t o n e si sh i g h e rt h a nt h a to fc e m e ms t a b i l i z e d c r u s h e ds t o n e s t h em o d e li sv e r i f i e dt h r o u g ht h ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o ni nl a b a n ds t a t i s t i cr e s e a r c hi np r a c t i c a lp r o j e c ta p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：s e r r m ； s h r i n k a g ec r a c k i n g ； m o d e l ； s h r i n k a g ec r a c k i n gt e s t ； p r o j e c ta p p l i c a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权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。本人授权武汉理工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、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：导师( 签名) ：日期 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究目的和意义 第1 章绪论 改革开放以来，随着国民经济的迅猛发展，我国在近几十年开展了大规模 的交通基础建设，给广大人民群众的日常生活和生产带来了极大的方便，产生 了巨大的经济和社会效益。1 9 8 8 年全国高速公路里程仅为1 4 7 公里，截至2 0 0 2 年底，我国高速公里通车里程已达到2 5 2 万公里跃居世界第二位，2 0 0 8 年更是 达到了6 0 3 万公里，到2 0 2 0 年，基本建成国家高速公路网，高速公路通车里 程将达1 0 万公里【l j 。 6 5 0 0 0 6 0 0 0 0 5 5 0 0 0 5 0 0 0 0 名4 5 0 0 0 _ 、7 4 0 0 0 0 器3 5 0 0 0 裂3 0 0 0 0 匈2 5 0 0 0 疆2 0 0 0 0 1 5 0 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 0 8 78 88 99 09 19 29 39 49 59 69 79 89 90 00 10 2 0 30 40 5 0 60 70 8 年份 图卜l 我国高速公路发展里程图 同时，随着交通量大幅度增长，以及轴载和重车比例增大，公路运输事业 向着大吨位，高速度的方向发展，这就要求公路建设向高等级，高标准方向发 展。目前，我国高速公路广泛采用的路面结构形式为半刚性基层沥青路面 2 1 。该 种路面结构为交通部的“七五 、“八五 的重要研究成果，半刚性基层沥青 路面是由沥青混合料面层和半刚性基层构成的一种路面结构形式，沥青面层厚 武汉理工大学硕士学位论文 多介于9 - 2 3 c m 之间，半刚性基层、底基层总厚介于3 5 8 0 c m 。半刚性基层具有 以下优点【j j ： 1 - 强度高。一般来说，半刚性基层较传统基层( 手摆片石基层，石灰土 基层，级配碎石基层) 具有较高的强度，而且强度都具有随龄期延长不断增长 的特性。因此半刚性基层沥青路面通常具有较小的弯沉和较强的荷载承受能力。 已有试验路证明：半刚性沥青路面的承载能力完全可由半刚性基层予以满足， 沥青面层可仅起功能层的作用，因而可以减薄沥青面层，降低工程造价。 2 整体性好。半刚性基层板体性好，利于机械化施工同时工程造价低， 能适应重交通发展需要。 3 稳定性好。半刚性基层具有较高的水稳性和冰冻稳定性，能够抵抗水 的冲刷作用以及多次冻融作用，同时不影响半刚性基层的承载能力。 4 经济性好。随着建筑业对原材料的需求，优质石料的来源日益减少， 半刚性基层可以使用原先不能使用的质量较次的石料，这样就可以避免大量的 远运优质的石料。 5 灵活性和适应性好，半刚性基层七天的无侧限抗压强度可以随着水泥 剂量的变化从1 m p a 一6 m p a 范围内浮动，可以适应不同条件下的不同要求。 半刚性基层沥青路面结构正是以其优良的工程性能和显著的经济效益在我 国公路建设中得到广泛的应用，据统计，我国高等级公路9 0 以上采用半刚性基 层沥青路面。 半刚性基层沥青路面有着其他路面结构不可替代的优越性，然而，随着半 刚性沥青路面的大量使用，它也暴露出一些严重的问题。由于受温度和湿度的 影响，半刚性基层沥青路面，特别是水泥稳定类基层沥青路面的早期容易出现 比柔性基层沥青路面更多更频繁的裂缝，这个问题在国外也比较普遍 4 - 8 1 。半刚 性基层形成原始的微裂缝和宏观裂缝，在温度场和荷载场的单独或共同作用下 向路面反射形成反射裂缝，从而导致或加速路面的破坏。我国地处欧亚大陆板 块的东部，是季风气候最典型、最强烈的大陆，湿度温度变化大，特别是在北 方地区，裂缝十分普遍和严重。调查表明，无论南方还是北方，通车后一年， 最迟第二年均出现大量裂缝【2 ，9 】。 例如沪嘉高速公路1 9 8 8 年竣工通车后，1 9 9 2 年横向裂缝达3 0 0 多条，1 9 9 3 年每隔1 2 2 0 m 一条，1 9 9 4 年每隔1 2 1 5 m 一条，全线已有1 0 0 0 余条横向裂缝， 萃松高速公路1 9 9 0 年1 2 月竣工通车，经过三年的通车使用，也出现了2 0 0 条 2 武汉理工大学硕士学位论文 横向裂缝，其共同特点是所有裂缝间距都在1 2 ，- 1 5 m 之间，且都是上宽下窄， 横向裂缝大都贯穿路面全宽。济青高速公路1 9 9 3 年底通车，1 9 9 4 年在济南段( i 标段) 也有横向裂缝。此外，而且在行车荷载作用下，基层裂缝更容易反射到沥 青面层形成反射裂缝。 早期的微裂缝对行车并无明显影响，但影响路面美观，降低平整度。随着 大量裂缝( 反射裂缝或对应裂缝) 的发展和扩张，车辆行驶质量下降，路面结构 整体性和连续性也受到破坏，结构强度也受到一定程度上的削弱，例如，裂缝 处弯沉增大加速面层弯曲破坏；裂缝处半刚性基层弹性模量明显降低，路面结 构的整体强度明显下降。裂缝的出现，也会对路面性能和耐久性产生不利的影 响，这些不利影响包括【l 叫4 】： ( 1 ) 路面系统防水性降低。裂缝为雨水进入路面结构提供了快速通道，水分 通过裂缝浸入到路面基层、底基层，还可能顺着基层裂缝继续下渗，甚至进入 对湿度敏感的路基土中，软化土基，危及整个路基路面结构； ( 2 ) 易引起沥青面层较快地出现龟裂、网裂等。通过裂缝进入路面结构内部 的水大部分由于缺乏适当的排水通道而滞留于面层与基层间，在大量行车荷载 反复作用下产生极大的动水压力而冲刷基层造成卿浆，使裂缝加宽，甚至导致 裂缝两侧的沥青路面破碎。这一过程的反复作用，最终导致基层丧失与面层的 联结，从而使沥青面层出现网裂等破坏，加速沥青路面的破坏，从而影响公路 使用质量和寿命，对以水泥稳定碎石材料为基层的高等级公路建设造成了潜在 的危险，在某种程度上也限制了水泥稳定类半刚性基层的应用； ( 3 ) 引起路基过大压应力。由于存在裂缝，造成路面板体不连续，在行车荷 载作用下将增大板体边缘的变形，从而在裂缝处传递过大压力至路基顶面； ( 4 ) 路面结构板体边缘的变形会在路面结构内( 尤其基层) 产生很大的应力 和变形，在行车荷载作用下将缩短这些结构层的寿命； ( 5 ) 在车辆、水分、霜冻等因素的综合作用下，磨耗层常会沿裂缝发生骨料 或小块沥青的剥落。 基于以上原因，国内学者对半刚性基层和柔性基层的优缺点以及各自的实 际路用性能进行了激烈的讨论，认为以半刚性路面结构为主的高等级公路路面 结构过于单一，应该使用柔性路面结构，延长路面使用寿命，降低路面保养成 本。同时目前国内还有一种倾向，为了减少半刚性路面的反射裂缝或对应裂缝， 半刚性基层的强度有普遍降低的趋势。但是，没有足够的基层强度就无法满足 武汉理工大学硕士学位论文 重交通荷载下对路面承载力的使用要求，就会大大影响半刚性基层与沥青面层 的层间粘结状态，就无法提高路面的耐久性和使用寿命。 因此，怎样在保证基层强度的前提下，避免或减少半刚性基层的开裂，防 止面层反射裂缝和对应裂缝的产生已经成为一个急需解决的重要课题，提出合 理而实用的适合半刚性基层的开裂模型和试验方法以及评价标准，并在此基础 上对半刚性基层进行开裂性能研究，对于防治半刚性基层沥青路面裂缝的措施， 最大限度地减少收缩裂缝、提高路面的整体质量、延长道路使用寿命，具有十 分重要的现实意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 半刚性基层收缩特性研究现状 国内外对半刚性基层温缩和干缩性能及规律进行了大量的研究工作，取得 了一些成果。具有代表性的是美国k p g c o r g e 1 5 , 1 6 】和澳大利亚r e r a w l i n g s ”】 等人的研究。 k p g c o r g e 通过对水泥稳定土的干缩特性的研究，论述了水泥稳定土收缩 应变的影响因素，并得出以下结论：水泥稳定土的收缩随着土中小于0 0 0 2 m m 粘粒含量的增多而增大，而且干缩量增加的速度大于粘粒含量增加的速度，蒙 脱土的干缩量明显大于高岭土的干缩量；水泥稳定土试件成型时含水量愈大， 试件干缩应变愈大，因而在基层施工中要严格控制含水量；试件的密实度越大， 其干缩应变愈小，因而收缩率可以用改进压实的方法使其减少；水泥剂量存在 着一个可以使收缩最小的最佳剂量。 r e r a w l i n g s 研究了水泥稳定粒料的干缩特性，取4 水泥用量，研究了不 同添加剂对干缩应变的影响，通过大量试验得出水泥稳定粒料土的干缩应变与 粒料土类型、粒料土的塑性、含水量以及水泥剂量有关的结论。 此外，美姆夏迈斯和拉曼等人对石灰粉煤灰材料的热膨胀性做过研究， 并认为硬化后的l f a ( 石灰、粉煤灰、骨料) 材料的热膨胀系数主要受这种材料中 骨料含水量的影响，当含水量相近时，典型的热膨胀系数与水泥混凝土的大约 相同，约为a = 6 x1 0 。6 【l 引。由于国外通常认为柔性基层沥青路面的温缩裂缝一 般是沥青面层本身的温缩裂缝，而半刚性基层沥青路面的非荷载型裂缝通常看 4 武汉理工大学硕士学位论文 作是反射裂缝，且认为这种反射裂缝是半刚性基层的干缩引起的，因此国外文 献中很少能看到有关半刚性基层温度收缩特性的资料【3 j 。 国内对半刚性基层的收缩性能也进行了大量的研究工作。交通部部属一些 高等院校和科研部门对此进行了大量的研究【l9 1 ，包括分别修建一批水泥稳定类、 石灰稳定类、石灰粉煤灰类基层试验路，在对其力学性质和稳定性检测的同时， 也对裂缝进行了观测分析得出了一些定性的结论，同时也包括大量的室内试验 得出的一些定量结论。国内的对比试验表明，水泥剂量同为7 时，水泥稳定粒 料土的干缩应变小于水泥土( 土为西安黄土) 的干缩应变。 表1 - 1 南京机场高速公路半刚性基层干缩性能 材料 干缩系数( 1 0 。6 ) 1 2 最大失水量最大失水量 表1 - 2 南京机场高速公路半刚性基层的温缩性能 东南大学对南京机场高速公路半刚性基层的收缩性能进行了研究洲，试验 结果如表卜1 ，表卜2 。灰土类基层干缩系数远大于粒料类基层，灰土类早期失 5 武汉理工大学硕士学位论文 水引起的收缩远大于后期失水引起的收缩，而粒料类正好相反：二灰或石灰类 基层温缩系数要大于水泥类基层。 国家“七五攻关等许多研究结果，对于稳定粒料土( 中粒土和粗料土) ， 三类半刚性材料的干缩性大小的次序为，石灰稳定类 石灰粉煤灰稳定类 水泥 稳定类。 西安公路学院张登良【2 1 】教授等对几种半刚性基层在饱水状态、最佳含水量 状态、半风干状态、风干状态和烘干状态五种不同状态下做了电测试验( 表卜3 ) 。 试验过程中不同含水量试件都进行封闭，保持含水量不变，得到几点关于温缩 的规律：( 1 ) 水泥稳定材料基层中掺加集料，可以明显降低混合料的温缩性；( 2 ) 水泥稳定粒料类的温缩性小于石灰粉煤灰稳定粒料的温缩性，也小于石灰稳定 粒料类的温缩性。( 3 ) 有一对应最小温缩系数的最佳水泥剂量。 表1 - 3 砂砾含量对半刚性基层收缩性能的影响 6 武汉理工大学硕士学位论文 朱云升【2 2 】对不同水泥剂量水泥稳定碎石和水泥稳定石屑混合料的温缩干缩 特性进行了研究，得出干缩系数是较为稳定的评价收缩的指标，并给出相应的 施工建议。 长安大学蒋应军【3 】研究了不同类型半刚性基层的收缩性能，对比了水泥碎 石，水泥粉煤灰碎石，二灰碎石三类基层材料的力学性能和收缩性能随龄期的 变化规律，试验结果如表1 - 4 ，得出以下结论：密实骨架结构比悬浮结构在温缩 抗裂性和干缩抗裂性上有巨大的的优势；面层铺筑前收缩以干燥收缩为主，温 缩作用为辅，而面层铺筑之后在低温季节主要以温度收缩为主；在同样材料组 成下，用粉煤灰代替一定量的水泥不但可以改善水泥稳定碎石材料的路用性能， 而且还可以节约水泥用量，降低工程造价。 表1 - 4 半刚性基层的力学性能和收缩性能随龄期的变化规律 同济大学丛林2 3 1 对不同水泥剂量水泥稳定碎石和二灰碎石的温缩干缩性能 进行了研究，试验结果如表1 - 5 ，并得出以下结论：用不同试验方法测得的半刚 性基层弹性模量差异很大，静态弹模和动态弹模之间存在明显差别，水泥含量 对水泥碎石的模量起控制作用，水泥碎石模量明显高于二灰碎石；不同试验方 7 武汉理工大学硕士学位论文 法测得的半刚性基层强度指标差异较大，水泥碎石劈裂强度远大于二灰碎石劈 裂强度；水泥碎石的干缩性质优于二灰碎石，但二者温缩特性基本相同，同时， 在相同龄期条件下，水泥碎石的抗拉强度高于二灰碎石，因此，考虑到二者抗 拉强度的差异，水泥碎石抗开裂能力比二灰碎石强。 表i - 5 不同水泥剂量水泥碎石基层材料的收缩性能研究 重庆交通学院的杨锡武和梁富权 2 4 , 2 5 研究了养生条件对半刚性基层收缩特 性的影响以及石灰粉煤灰碎石、水泥粉煤灰碎石和水泥碎石等几种半刚性基层 的收缩应变与龄期之间的变化规律，并得出了一定环境条件下，其收缩应变与 龄期的回归方程。 1 2 2 收缩开裂机理 半刚性基层收缩开裂过程极其复杂，半刚性基层的收缩包括干缩和温缩， 干缩与失水率有关，温缩与温差有关，整个收缩过程实际上是干缩应变和温缩 应变的不断累积，当收缩应变等于或大于许用应变时即发生开裂行为，如何将 失水率和温差量化，成为研究收缩开裂机理的关键问题，因此，对于其机理的 研究，大多侧重于利用有限单元法以及断裂力学理论对路面结构层的收缩应力 应变进行计算分析，得出初始开裂条件下的收缩应力或收缩应变的解析解。郑 健龙 2 6 】等将基层中含有贯穿横向裂缝的道路结构简化为二维模型，以应力强度 因子作为表征参量，研究了由收缩引起的半刚性基层沥青路面反射裂缝开裂机 理。刘善平【2 7 】采用有限元分析方法研究了半刚性基层沥青路面的温缩裂缝以及 温度应力分布状况，并对由温缩引起的收缩反射裂缝进行了空间有限元分析。 吴赣昌 2 8 】以热弹性力学理论为基础，采用偏微分方程组的边值理论和二维奇异 积分方程理论，对半刚性路面中基层产生贯穿裂缝时的温度应力场进行了研究， 分析了温度场对路面的影响，通过积分变换和广义解析函数边值理论获得温度 8 武汉理工大学硕士学位论文 场作用下道路开裂的解析解以及裂缝尖端应力强度因子的理论解，并以此对半 刚性基层温缩裂缝的扩展机理进行了定量分析。r a r n s a m o o jdv 2 9 等采用权函 数法，基于线弹性断裂力学理论，获得了机场和高速公路路面接缝处的应力解 析解，并与有限单元法解、现场实测结果进行了对比，结果吻合较好。j i w o nk i m 等【3 0 】采用改进的三维有限元法分析了在不同的荷载条件下，反射裂缝对罩面层 的作用，并对为了抑制反射裂缝向上反射而在罩面层和面层之间加入的土工织 物的效能进行了分析。杨成忠和陈万祥【3 l 】通过对半刚性基层沥青路面材料性能、 反射裂缝形成机理的分析，介绍了该路面结构的三种开裂模式，并提出有效的 技术措施。梁乃兴等【3 2 】采用三维有限元方法和断裂力学理论判据分析了荷载和 温度作用下，沥青路面结构的力学状态随水泥粉煤灰碎石基层性能变化的规律。 彭妙娟等 3 3 】针对基层中含有贯穿横向裂缝的道路层状模型，在考虑车辆荷载和 温度的作用下对基层进行了三维有限元断裂力学分析。河北工业大学的岳福青【3 4 】 根据西尔斯和布里恩公式计算了半刚性基层中的温缩应力和干缩应力，指出它 们是导致基层首先开裂的主要原因，在此基础上运用断裂力学观点阐述了沥青 路面反射裂缝的两种开裂模式：剪切型和拉裂型。白琪峰等人【3 5 】采用有限元分 析方法对半刚性基层沥青混凝土路面的温缩裂缝以及温度应力状况进行模拟试 验，并得出开裂的临界温度和临界应变值。 1 3 存在的主要问题 半刚性基层具有强度高，整体性好，稳定性好，经济性高，适应性强等优 点，它的使用大大促进了我国高速公路的发展，但其收缩开裂的特性极大的限 制了半刚性基层路用性能，造成早期的路面破坏，影响高速公路后期的行车效 果和使用年限。目前国内外对于其收缩开裂的研究工作还存在如下问题： 1 半刚性基层的力学性能数据和收缩系数数据难以统一，同一种类型基层 材料的力学参数和收缩系数在不同研究者的结论中存在很大差异，尤其是抗拉 强度，抗拉弹性模量，抗压弹性模量，在数值上甚至存在数量级的差异。 2 国内外评价收缩抗裂性能的指标很多，但都是基于收缩系数演变出来， 因此无法将收缩参数与力学参数同开裂过程联系起来，只能作为判断在某种条 9 武汉理工大学硕士学位论文 件下基层是否开裂所需的判据，不能计算基层在某种条件下开裂的频度和危害 程度，需要提出能够直观表征收缩开裂行为的有效指标。 3 既有的收缩开裂模型只能对半刚性基层的收缩性能进行对比，而无法对 收缩开裂性能进行对比，需要建立一个收缩开裂模型，将半刚性基层的力学参 数与收缩参数有机结合起来，直观反应半刚性基层的收缩开裂行为以及开裂的 危害性。 4 半刚性基层的收缩测试手段多样化，比如干缩系数的实验方法就有千分 表法，电测法，应变片法等多种不同测试方法，其实验条件以及容许误差都不 相同，因而实验结果也存在很大不同，无法建立统一的规范和标准，同时，关 于半刚性基层收缩开裂的研究尚停留在收缩系数的研究层次，还没有一种直接 评价半刚性基层开裂性能的实验手段，对于实际工程中的收缩开裂统计数据也 少见发表，因此，采用更为直观的开裂实验方法成为半刚性基层收缩与开裂性 能研究的新方向。 1 4 本文的研究内容 基于国内外研究现状，针对存在的主要问题，本文的研究包括以下几个方 面： ( 1 ) 通过对半刚性基层收缩过程的宏微观分析，探讨半刚性基层失水干缩 机理和降温收缩机理，研究半刚性基层的收缩机理；对目前国内外的收缩抗裂 性指标进行总结，分析这些评价指标的优缺点。 ( 2 ) 探讨半刚性基层收缩与沥青路面对应裂缝与反射裂缝形成的关系，研 究半刚性基层收缩开裂的临界条件；提出以裂缝间距和裂缝宽度为半刚性基层 抗裂性的评价指标，建立半刚性路面基层材料分级开裂间断函数模型，研究半 刚性基层开裂过程的发展规律。根据半刚性基层收缩开裂模型，探讨影响半刚 性基层收缩开裂的力学性能因素和收缩性能因素，并根据模型针对收缩开裂影 响因素提出对应的防裂措施。 ( 3 ) 利用建立的半刚性基层收缩开裂模型，对比水泥稳定粒料、二灰稳定 粒料、水泥粉煤灰稳定以及新型基层专用水泥稳定类基层抗裂性能；并计算不 同失水率和温差条件下，不同类型半刚性基层的开裂行为。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 ( 4 ) 采用椭圆环开裂试验方法和大板开裂试验方法用于半刚性基层开裂试 验研究，通过试验研究检验这两种自主创新的试验方法的可行性，同时对已建 立的半刚性基层收缩开裂模型进行验证，对比路面基层专用水泥稳定粒料以及 传统水泥稳定粒料及水泥粉煤灰稳定粒料路面基层的收缩开裂行为。 ( 5 ) 依托实际工程路段，对水泥粉煤灰稳定粒料和水泥稳定粒料的收缩开 裂行为进行跟踪观测，通过实际工程应用，对半刚性基层收缩开裂模型进行验 证。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章原材料与实验方法 2 1 原材料 1 熟料 采用荆门市葛洲坝水泥厂的新型干法熟料，其基本性能指标( 石膏外掺) 、 矿物组成与化学组成如表2 - 1 ，2 - 2 所示： 表2 - 1 熟料性能指标 表2 2 熟料的化学组成 2 粉煤灰 采用青山热电厂的二级干排灰。 3 石膏 采用荆门市葛洲坝水泥厂生产所用的天然石膏。 4 水泥 所用的参比水泥是华新水泥公司生产的3 2 5 级矿渣硅酸盐水泥，其基本性 能见表2 - 3 ： 表2 - 33 2 5 级矿渣硅酸盐水泥性能指标 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 5 集料 取自赤通高速公路赤峰一撒力巴段第十六合同段碎石加工厂生产的4 粒级 碎石，1 # 碎石为2 0 - 3 0 m m 玄武岩、2 # 碎石为1 0 一2 0 m m 石灰岩、3 # 碎石为5 一l o m m 石灰岩、4 # 碎石为o - 5 m m 石灰岩，碎石的压碎值等各项指标能满足公路路面 基层施工技术规范( j t j 0 3 4 - 2 0 0 0 ) 的要求。根据四种集料筛分试验结果，经 计算确定集料的掺配比例为：1 # ：2 # ：3 # ：4 # = 2 5 ：2 8 ：1 6 ：3 1 ，混合料级配 满足公路路面基层施工技术规范( j t j 0 3 4 2 0 0 0 ) 水泥稳定土粒料土级配3 的级配要求。颗粒分析和级配设计见表2 5 ，合成级配的曲线图见图2 一l 。 表2 - 5 各级集料的颗粒分析和集料级配设计 压碎值1 3 6 ，针片状含量1 1 5 ，表观密度2 。7 2 6 9 c m 3 。除进行级配对材 料强度性能影响试验的碎石外，其余碎石级配均如表2 5 ，图2 - i 所示： 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 + 合成 乡夕? 一下限 i 乞夕 一上限。 , - i - , 借 1 日 。 。 。 ， g 幺纱 纱 0 0 7 50 62 3 64 7 59 51 92 6 5 3 1 5 筛孔尺寸m m 图2 - 1集料的级配合成曲线 2 2 实验方法 1 ) 粉磨：熟料、粉煤灰、磷石膏和天然石膏用5 0 0 x 5 0 0 m m 的试验标准 磨分别磨细，细度控制在0 0 8m m 标准方孔筛筛余2 0 。 2 ) 水泥强度：按g b t 1 7 6 7 1 1 9 9 9 水泥胶砂强度试验方法( i s o 法) 进行。 3 ) 标准稠度用水量、凝结时间和安定性：按g b t 1 3 4 6 2 0 0 1 进行检验。 4 ) 稳定粒料击实和无侧限抗压强度试验：方法均参照j t j 0 5 7 9 4 公路工 程无机结合稳定材料试验规程进行。 1 4 舌； 阳的们加加0 誉料列圈 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章半刚性基层收缩机理与抗裂评价指标研究 3 1 引言 半刚性基层强度高、水稳性和抗冻融性好、整体性好，利于机械化施工且 工程造价低，能适应我国重载交通发展的需要，是我国高等级公路建设中采用 最多的路面结构材料。目前我国9 0 以上的高等级公路沥青路面基层和底基层采 用的是半刚性材料。然而，随着半刚性基层沥青路面的大量应用，半刚性基层 也暴露出了一些问题，尤其是较传统基层更容易发生开裂行为，裂缝问题也成 为该结构的主要缺陷。国内已建成高速公路使用调查表明【3 6 1 ，通车后一年最迟 两年均出现了大量裂缝，裂缝率最高达6 4 0 m l o o o m 2 。引起半刚性基层沥青路面 开裂的原因有很多，有面层材料方面的、基层材料方面的、设计方面的、施工 方面的以及环境方面的，但相对于传统基层而言，其收缩开裂行为更为明显， 因此，对于半刚性基层收缩行为的研究对于提高半刚性基层的抗裂性能有着极 为重要的作用。目前国内外对半刚性基层收缩的研究主要集中在收缩机理和收 缩特性的研究上，同时确定一个对半刚性基层收缩抗裂性评价的合理方法，也 是国内外研究的重点。 本章对半刚性基层的收缩机理从微观方面和宏观方面进行了研究和探讨， 利用热力学理论以及晶体学理论对半刚性基层的温度收缩机理进行了研究，借 鉴水泥与混凝土收缩机理对半刚性基层的干燥收缩机理进行了研究；同时对目 前的抗裂性评价指标进行了总结，并对比这些抗裂性评价指标的优缺点。 3 2 半刚性基层收缩机理研究 半刚性基层容易在环境湿度和温度变化下，产生收缩应变，其收缩类型包 括温度收缩和干燥收缩，半刚性基层的温度收缩机理和干燥收缩机理便构成了 半刚性基层收缩的主要机理。 半刚性基层的干缩与温缩其实并不是单独分别进行的，这是由于基层材料 实际是处于相对湿度和温度不断变化的环境，而相对温度又与湿度成反比。因 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 此，半刚性基层的温度收缩与干燥收缩一般同时发生，而且往往产生相反效应。 处于平衡含水量状态的半刚性基层，随着内部温度的进一步降低，含水量会有 所上升。所以实际当中材料收缩其实是温度与湿度相互作用的综合效应。半刚 性基层一般在高温季节中建成，成型初期内部含水量大，且未被沥青面层封闭。 此时基层内部的水分必然要蒸发，从而发生由表及里的干燥收缩。同时，环境 温度也存在昼夜温差。所以，修建初期的半刚性基层同时受到干燥收缩和由昼 夜温差引起的温度胀缩疲劳作用的综合效应，这个阶段以干燥收缩为主，温度 收缩为辅的综合过程；经过一定龄期的养生，半刚性基层铺筑沥青面层后，由 于基层内相对湿度增大，使材料的含水量有所回升且趋于平衡，这个时期半刚 性基层的收缩主要是温度收缩。 此外，对于含土较多的材料以干缩为主，对于含集料较多的材料以温缩为 主。半刚性基层收缩的大小和规律性与材料的微观组成结构息息相关，下面就 从材料组成的微观机构出发，对产生收缩现象的机理加以说明。 3 2 1 温度收缩机理 根据热学理论，温度是描述组成物体的大量微观粒子热运动的杂乱程度的 物理量。温度的升高标志着微观粒子热运动杂乱程度的加剧，从而物体的内能 和物体内部质点的热振幅增加，宏观表现为物体整体体积的膨胀；温度的下降 标志着微观粒子杂乱程度的减弱，从而物体的内能和物体内部质点的热振幅减 小，宏观表现为物体整体体积收缩。 表3 1 基层混合料各组成部分的热胀缩系数1 9 】 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 半刚性基层的基本结构是由固相( 组成其空间骨架的原材料颗粒和其间的 胶结料) 、液相( 存在于固相表面与空隙中的水和水溶液) 、气相( 存在于空隙中 的气体) 组成。因而，半刚性基层的外观胀缩性是固、液、气三相不同温度收缩 性的综合效应，使得基层材料产生体积收缩即温度收缩。一般气相大部分与大 气贯通，在综合效应中影响较小，可以忽略。就组成固相的矿物颗粒而言，原 材料中砂料以上颗粒温度收缩系数较小，粉粒以下颗粒，特别是粘土矿物的温 度收缩性较大。根据有关资料，将基层混合料各组成部分的热胀缩系数汇总如 表3 - 1 所示1 9 1 。 半刚性基层固相颗粒大部分为结晶体，还有部分为非结晶体，组成晶体的 质点( 离子、原子、分子) 在空间上很有规律地排列，这些质点由化学键和分子 间作用力( 即范德华力) 产生的结合力相互约束。这种约束体现在质点只能在 原位置上做热振动，因此，其热学性质由质点间的键性和质点的热运动两个因 素所决定。晶体的质点间由于存在化学键和范德华力等相互作用力，质点的势 能和动能的变化必然会影响质点间的平衡距离，进而影响晶体的空间体积。组 成晶体的质点间的键能一般较高，质点只能在其平衡位置附近热振动。晶体的 势能曲线是不严格对称的左陡、右缓的复杂曲线，在一定温度下，晶体质点有 一定的动能，质点在r 。和r ：间作振动，平均间距为r o = ( r 。+ r 。) 2 。因为势能曲线 在最低点不对称，热振动趋向于势能增加小的方向移动更大的距离。当材料系 统在环境中得到热能时，平均间距r o 右移，质点间距离随温度的升高而增大 3 7 ，3 8 。3 9 o 此外，半刚性材料中胶结物也有较大的温度收缩性。存在于半刚性基层内 部大空隙、毛细孔、凝胶孔中的水主要是通过“扩张作用”、“表面张力作用” 和“冰冻作用”这三种过程对半刚性材料的温缩性产生影响的。半刚性材料在 干燥和饱水状态下有较小的温度收缩值，而在一般含水量下有较大的温度收缩 值。 由于半刚性基层存在着上述的温度收缩特性，基层铺筑后，到了冬季，随 着温度的降低，基层材料便产生收缩，即使是铺了沥青面层后，如果面层较薄 也会产生温度收缩。由于基层在路面结构中受到约束，当气温大幅度下降时， 基层材料中拉应力或拉应变会急剧增大，一旦超过基层材料的抗拉强度或极限 抗拉应变就会引起基层的开裂。半刚性基层一般是在高温季节中铺