（水利工程专业论文）复合式路面反射裂缝处治措施研究.pdf

山东大学顸士学位论文 摘要 国外在上个世纪3 0 年代就开始尝试应用沥青面层来改善水泥混凝土路面的工 作性能，但从7 0 年代初期开始，人们才认真以复合式路面的反射裂缝为研究对象， 3 0 多年来，针对复合式路面的反射裂缝问题，世界各国先后作了大量的研究工作。 相对于国外研究应用现状而言，我国在这方面的研究尚处于起步阶段。我国 对旧水泥混凝土路面修复技术的研究始于上世纪八十年代末九十年代初期，其重 点对数据的采集方法、调查和测定方法进行统一的规定，在此基础上提出各个路 段相应的养护、加强和改建的措施。 本文通过对河南省复合式路面现状的调查了解，对病害产生原因进行了分析， 并且对复合式路面反射裂缝处治技术进行了研究。首先，本文运用三维有限元方 法对复合式路面反射裂缝进行了分析，分析了复合式路面结构中沥青加铺层和夹 层的物理、结构参数对加铺层底应力的影响和几种复合式路面反射裂缝处治措施 的防治效果；并且以力学计算为基础，对复合式路面结构设计方法进行了研究。 其次，本文进行了室内模拟试验，研究了应力吸收层、纤维沥青混凝土、大 粒径沥青混凝土等措施防治反射裂缝的有效性和技术参数。 最后，依托试验工程，观察各处治方案的实际效果，开展施工技术研究，针 对出现的问题加以改善。 关键词：复合式路面反射裂缝三维有限元室内模拟试验 v i i 山东大学顽士学位论文 a b s t r a c t a s p h a l ts u r f a c eh a sb e e nu s e dt oi m p r o v et h ew o r ko fl a y e ro fc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n ti nt h e19 3 0 sa b r o a d ，h o w e v e r , u n t i lt h ee a r l y7 0 ss e r i o u sc o m p o u n df r a c t u r e s r e f l e c t i o no ft h er o a dw a sp a i da t t e n t i o nt o i nt h el a s t3 0y e a r s t h er o a d r e f l e c t i v ec r a c k p r o b l e mh a sb e e nr e s e a r c h e dd e e p l y c o m p a r e dt oo t h e rc o u n t r i e s r e s e a r c hi nt h i sa r e ai no u rc o u n t r yi ss t i l li ni t s i n f a n c y i no u rc o u n t r yo l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n tr e p a i rt e c h n i q u e sb e g a ni nt h e l a t e19 8 0 sa n de a r l yl9 9 0 s w i t haf o c u so nd a t ac o l l e c t i o nm e t h o d s i n v e s t i g a t i o na n d d e t e r m i n a t i o nt oc a r r yo u tt h ep r o v i s i o n so fr e u n i f i c a t i o no nt h eb a s i so fw h i c ha l l s e c t i o n so ft h ep r o p o s e dc o n s e r v a t i o nt os t r e n g t h e na n dr e c o n s t r u c t i o n b a s e do nt h es u r v e yo fc o m p o s i t er o a d si nh e n a np r o v i n c e ，t h ec a u s eo ft h e d i s e a s ei sa n a l y z e d a n do n s t r e e tr e f l e c t o rc o m p o u n df r a c t u r et r e a t m e n tt e c h n o l o g yw a s s t u d i e d f i r s to fa l l ，i nt h i sp a p e r , u s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ， c o m p o s i t er e f l e c t i o ns u r f a c ec r a c k sa r ea n a l y z e d - a n dt h ei m p a c to ft h ec o m p o s i t er o a d a s p h a l t sp h y s i c a la n d s t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ea n a l y z e d ，b e s i d e s ，t h ee f f e c to fd i f f e r e n t w a y st op r e v e n tc r a c ki ss t u d i e d b a s e do nm e c h a n i c st ot h ec a l c u l a t i o n t h ec o m p o s i t e s t r u c t u r eo ft h er o a dd e s i g ni ss t u d i e d s e c o n d l y , t h i sp a p e rc a r r i e do u tt h ei n d o o rs i m u l a t i o nt os t u d yt h es t r e s sa b s o r p t i o n 1 a y e rf i b e ra s p h a l tc o n c r e t e a s p h a l tc o n c r e t em e a s l e ss u c ha sp a r t i c l es i z ec o n t r o lo f r e f l e c t i o nc r a c k si nt h ee f f e c t i v e n e s sa n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r s f i n a l l y , r e l y i n go nt h ep i l o tp r o je c t ，t h ea c t u a lr e s u l t so fav a r i e t yo fp r o g r a m sa r e o b s e r v e d a n dt h e nc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yr e s e a r c hi sc a r d e do u tt oi m p r o v et h e s i t u a t i o n k e y w o r d s ：c o m p o s i t er o a d ；r e f l e c t i o nc r a c k ；t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ；i n d o o r s i m u l a t i o n 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科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者虢磷 日期：刈占肌衫 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 敝作者硌缉导师签名 山东大学顽士学位论文 1 1 前言 第一章绪论 公路通常由垫层、基层和面层三部分组成，目前公路工程中最常采用沥青路 面、水泥混凝土路面和复合式路面。 沥青路面是用沥青材料作为结合料粘结矿料修筑的面层，沥青路面具有表面 平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪音低、施工期短、养护维修简便、 适宜于分期修建等优点。但沥青路面是柔性路面，其强度和稳定性在很大程度上 取决于土基和基层的特性，它的抗弯拉强度较低，因而要求路基具有足够的强度 和稳定性。 水泥混凝土路面材料包括：普通水泥混凝土( c e m e n tc o n c r e t e ，缩写c c ) 、 碾压水泥混凝土( r o l l o rc o m p a c t e dc o n c r e t e ，缩写r c c ) 、钢筋混凝土( r e i n f o r c e d c o n c r e t e ，缩写r c ) 及连续配筋混凝土( c o n t i n u o u sr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，缩写 c r c ) 。与沥青路面路面相比，水泥路面具有强度高、稳定性好、耐久性好、有 利于夜间行车等优点。但是水泥路面也存在以下几方面的缺点：对水泥和水的需 求量很大；路面必须设置接缝，增加了施工和养护的复杂性，容易引起行车跳动， 影响行车的舒适性，而且接缝处是路面的薄弱点；开放交通较迟，一般施工后要 经过2 8 天的潮湿养生；修复困难，路面损坏后，开挖很困难，修补工作量很大， 影响交通。 复合式路面是由水泥混凝土板及其上沥青混凝土层所组成的路面结构。目前， 我国复合式路面结构中的水泥混凝土最常采用普通水泥混凝土( c c ) 和碾压水泥 混凝土( r c c ) 。水泥混凝土板提供高强度的基层，而沥青混凝土层提供平整而 不反光的表层。复合式路面与单一路面相比，路面结构中的沥青层缓和冲击能力 强，能减少水泥混凝土板破坏的发生，同时也具有面行车舒适、施工期短，养护 方便的优点，并且使轮胎磨耗、货损等费用减少；而水泥混凝土，具有强度高， 山东大学顼士学t 昱论文 稳定性、耐久性好等优点。另外，这种复合式路面结构中的沥青层能大大缓和行 车对路面板的冲击，因而设计上可以减少水泥混凝土板厚度。 同时，复合式路面无法避免因刚性材料和柔性材料结合而产生的病害，由于 复合式路面的水泥混凝土板存在接缝，在温度应力和行车荷载作用下，使用的短 时期内，沥青混凝土层在水泥混凝土板接缝的对应位置处出现裂缝，即反射裂缝。 反射裂缝本身对沥青混凝土层使用性能影响不大，但在行车荷载和环境因素作用 下，裂缝迅速向四周扩展，缩短复合式路面使用寿命。并且水分通过裂缝渗入基 层后，在行车荷载反复作用下对基层材料造成破坏。而基层材料一旦遭到破坏， 就可能产生沉陷、翻浆、唧泥等病害，影响行车舒适性，而且维修难度较大。因 此防治反射裂缝是目前修筑复合式路面的最大技术难点。 1 1 1 复合式路面 1 r c c + a c 碾压式混凝土是二十世纪7 0 年代美国、加拿大等发达国家研究和推广使用的 工程技术。碾压式水泥混凝土是由水泥( 及其他粘结材料) 、连续级配骨料、水及 外加剂等拌和而成，碾压式混凝土的含水量和水泥含量较普通水泥混凝土低，稠 度大和坍落度为零，由强制式搅拌机拌合，摊铺后由振动压路机等机械碾压密实， 形成骨架密实的混凝土结构物。 碾压式混凝土的优点是节约水泥，施工进度高，开放交通早，比普通路面投 资少，但碾压式混凝土在平整度、抗滑、耐磨三方面难以达到高等级公路路面的 使用要求。在碾压式混凝土上加铺沥青面层能有效地弥补它的不足，在一定程度 上改善了行车舒适性，提高了路面抗滑能力，并使碾压式混凝土的优势在高等级 公路建设中得以充分发挥。碾压式混凝土纵、横缝反射到沥青混合料层，形成的 反射裂缝是正常的裂缝，并不是这种复合式路面病害。 r c c + a c 在国内已经进行了很多研究，修筑了不少的实体工程，仅在河南省 就有新乡一原阳二级公路、新乡一济源二级公路、开封一洛阳高速公路开封至郑 州段、开封一许昌高速公路郑州至新郑段等累计2 0 0 多公里的r c c + a c 复合式路 面。 2 山东大掌顽尘学位伦文 2 c c + a c 自上世纪8 0 年代以来，我国修筑了很多的水泥混凝土路面，根据2 0 0 4 年公路、 水运交通行业的发展报告：2 0 0 4 年底，全国共铺筑路面4 4 万公里，其中水泥混凝 土路面为2 5 万公里。一些早期修建的水泥混凝土路面在行车荷载与自然因素等作 用下，会因水泥混凝土面板、接缝、基层和土基的缺陷产生各种类型的损坏，其 中既有设计的原因，也有施工质量及人为的外界因素，有时则是各种因素相互影 响所造成。水泥混凝土路面一旦开始损坏，则会引起破损的迅速发展。为了恢复 路面结构的完整性，改善路面的实用性能，必须对水泥混凝土路面进行养护和维 修。根据养护和维修的规模，分为以下几种类型： 1 ) 保养指维修路面状况和延缓路面状况恶化的一些措施，包括接缝或裂缝 的填缝等； 2 ) 小修指在小面积内进行恢复路面状况的措施，包括修补、换板、板底灌 浆、抬高板块和磨平板面等，修理面积通常小于路段面积的3 5 ； 3 ) 中修指小修的扩大，措施相仿，但维修面积大于路段面积的3 5 ； 4 ) 大修指在整个路段进行的修理，目的是为了提高整个路面的承载能力、 平整度或抗滑性能。国内外通常采用的大修措施有三大类：加铺沥青混凝土面层、 加铺新水泥混凝土路面和翻修。加铺沥青混凝土面层：即在旧水泥混凝土面板 上直接加铺沥青混凝土层，或铺筑粒料、半刚性基层后加铺，形成c c + a c 这种复 合式路面结构。加铺新水泥混凝土面层：即在旧水泥混凝土面板上铺筑结合式 或分离式新水泥混凝土面板，或铺筑半刚性基层后加铺新水泥混凝土面板。翻 修：一般指拆除旧路面，对路基进行处理后，铺筑新的水泥混凝土或沥青混凝土 路面结构。 由于高等级公路交通量大，修复过程中一般不允许全幅中断交通，而旧水泥 混凝土板上加铺沥青混凝土层具有修复周期短、行车舒适、对行车的干扰小；加 铺后能有效提高路面承载能力；消除原有接缝处易产生唧泥、断裂、脱空等多种 病害的不利影响；提高路面平整度和抗滑能力等优点。因此高等级公路旧水泥混 山东大学顽士掌t 盂论文 凝土路面加铺沥青混凝土层已经成为我国一种切实可行、简单有效的修复措施。 1 1 2 反射裂缝 由于水泥混凝土路面板接缝处不能较好的传递拉应力和剪应力，接缝处的集 中应力使得水泥混凝土板的接缝直接扩展进入沥青混凝土加铺层，因此反射裂缝 一般情况下与水泥混凝土板的裂缝、接缝相对应。 反射裂缝本身对沥青加铺层的性能影响不大，但裂缝一经出现，水分便趁机 而入，水分的侵入不仅会湿软地基，使得路面的承载能力下降，而且在交通荷载 作用下会冲刷基层，造成沥青面层的卿浆，引起路面病害的进一步发展，反射裂 缝的不利影响主要有以下几方面： 1 ) 降低路面防水性能裂缝的出现使得雨水有机会下渗，进入基层甚至路基， 影响对水分含量敏感的结构层材料性能； 2 ) 增大结构层局部应力裂缝的存在，会减小了竖向荷载扩散范围，增大后 续结构层的局部应力，造成路面结构层整体性的破坏； 3 ) 增大路面变形结构层应力的增大必然导致较大的路面变形和残余变形， 缩短了路面使用寿命； 4 ) 沿裂缝磨损破坏在荷载、水分甚至冰冻等因素综合作用下，沿裂缝会出 现骨料或小块沥青混合料的剥落、磨损现象，从而加快了路面的损坏。 1 2 项目研究的国内外现状 国外在上个世纪3 0 年代就开始尝试应用沥青面层来改善水泥混凝土路面的工 作性能，但从7 0 年代初期开始，人们才认真以复合式路面的反射裂缝为研究对象， 3 0 多年来，针对复合式路面的反射裂缝问题，世界各国先后作了大量的研究工作。 为了交流研究成果，总结工程应用经验，1 9 8 9 年在英国召开了首届“路面反 射裂缝与抗裂设计国际会议 ，其后，又分别在比利时和荷兰召开了第二届、第 三届国际学术会议，从会议交流的成果来看，关于反射裂缝产生与发展的机理已 达成如下共识： 4 山东大学顼尘学t 盂论文 温度应力是引起反射裂缝的产生并参与了其最初发展，荷载应力加速了裂缝 的发展。另外还普遍认为反射裂缝是旧路面裂缝应力集中直接作用的结果，集中 的应力使得裂缝直接扩展进入加铺层。针对裂缝的产生与发展机理，国外已有如 下几种运用的比较熟练的防治反射裂缝的方法： 改善加铺层组成设计，主要是改性沥青的使用； 在开裂老路面与加铺层之间加铺一层应力应变吸收薄层； 土工隔栅加筋。 国外大量的研究表明，沥青加铺层材料质量越好，阻裂效果越好。若铺设了 阻裂层( 或应力应变吸收薄层) ，阻裂的效果主要取决于阻裂层所用材料，而且， 阻裂层距离裂尖越近，效果越好，反之越差。 相对于国外研究应用现状而言，我国在这方面的研究尚处于起步阶段。我国 对旧水泥混凝土路面修复技术的研究始于上世纪八十年代末九十年代初期国家科 技工作引导性项目我国水泥混凝土路面发展对策及修复技术研究课题中分题 高等级道路修建水泥混凝土路面的研究，其重点对数据的采集方法、调查和 测定方法进行统一的规定，在此基础上提出各个路段相应的养护、加强和改建的 措施。 在国内，河南、江苏、河北、山东等省都对反射裂缝机理进行理论分析，并 依托工程修筑了许多水泥混凝土路面沥青加铺层的复合式路面结构。这些研究对 反射裂缝的开裂和发展进行了一定的理论分析，在工程中铺设土工织物、应力吸 收层及增加沥青层厚度等防治反射裂缝措施。通过室内试验和工程应用，分析了 影响反射裂缝产生和发展的相关因素，提出了具有一定效果的反射裂缝处治措施， 也积累了一些施工经验。但是，反射裂缝问题至今在国内外未能彻底解决。 前面提到，反射裂缝的产生主要是由温度应力引起，而我国的沥青路面设计 方法引入相应设计标准来考虑开裂问题时，着重考虑荷载的影响，对温度效应， 只是在分析荷载效应时考虑温度对于沥青混合料材料参数( 如劲度模量) 的影响， 对于温度收缩本身一般不太重视，显然对于设计指标应加以完善。自“七五 以 山东大掌顼尘学t 丘论文 来，国内道路工程界对于沥青路面的开裂机理、破坏模式、沥青混合料的抗裂性 能与参数、沥青路面的温度收缩效应以及抗裂措施等方面进行了大量的研究，对 于改善沥青路面的开裂问题起到了积极作用，但对反射裂缝的力学分析还缺乏系 统性，对各种反射裂缝处治措施的对比也缺乏试验路研究，这些问题都有待于进 一步探讨。 目前，我们没有完全掌握反射裂缝的产生和发展机理，无法从根本上消除反 射裂缝的产生，而只能提出减少、延缓反射裂缝的措施。 1 3 项目研究的必要性 我国修建水泥混凝土路面已有几十年历史，截至2 0 0 4 年，已有水泥混凝土路 面2 5 万公里，占高级路面总里程的5 0 以上。有些水泥混凝土路面已接近设计年 限，或者是由于实际通行轴载次数己超过设计的累计轴载，路面已发生较大损坏， 严重影响了路面使用性能。加铺沥青混凝土层可以最大限度利用现有路面，有效 地提高路面使用性能，延长路面使用寿命，减少养护费用，施工工期短，并且初 期的使用效果良好，所以大量的旧水泥混凝土路面改建为复合试路面。 9 0 年代，河南省修筑了大量复合式路面，连霍高速公路郑州一开封段、京珠 高速公路郑州一新郑段等采用r c c + a c 复合式路面结构，京珠高速公路新郑一许 昌段等采用c c + a c 复合式路面结构。 无论是旧水泥混凝土加铺沥青混凝土层形成的或是直接修筑的复合式路面经 过多年的营运，先后出现了大量反射裂缝，虽然进行了多次维修，但由于对复合 式路面的反射裂缝处治技术研究还不够完善，未对发射裂缝形成机理进行深入的 研究，提出的处理措施不当，至今仍未彻底解决复合试路面反射裂缝问题。 因此，对复合式路面结构中的反射裂缝，从其产生发展的机理出发，对复合 式路面反射裂缝的各种处治技术进行系统的研究，具有十分重要的现实意义和广 阔的应用前景。 6 山东大学顽士学位论文 曼曼曼曼曼曼曼苎曼! 曼曼曼曼曼鼍曼鼍曼曼曼_ _ 一i ；i i 皇曼曼量 1 4 本项目主要研究内容 1 对河南省复合式路面进行调查了解现状，对病害产生原因进行分析，为进 行复合式路面反射裂缝处治技术研究奠定基础。 2 因为复合式路面中的c c + a c 是在旧水泥混凝土路面上加铺沥青层形成的， 旧水泥混凝土路面加铺前，需要根据旧水泥混凝土路面状况调查和评价结果采取 有效的修补措施。因此对旧水泥混凝土路面状况的调查和评价是反射裂缝处治的 前提。 3 运用三维有限元方法对复合式路面反射裂缝进行分析，包括以下具体内容： 1 ) 分析复合式路面结构中沥青加铺层和夹层的物理、结构参数对加铺层底应 力的影响； 2 ) 分析几种复合式路面反射裂缝处治措施的防治效果； 3 ) 以力学计算为基础，对复合式路面结构设计方法进行研究。 4 进行室内模拟试验，研究应力吸收层、纤维沥青混凝土、大粒径沥青混凝 土等措施防治反射裂缝的有效性和技术参数。 5 在水的作用下，反射裂缝会对道路产生很大危害，因此对排水系统进行了 研究。 6 依托试验工程，观察各处治方案的实际效果，开展施工技术研究，针对出 现的问题加以改善，研究包括以下内容： 1 ) 对成果应用研究，将路面的设计结构应用试验路工程，观察、分析各处治 方案的效果。 2 ) 确定处治方案后，研究方案中各处治措施的施工流程、配套机械、施工工 艺等具体问题。 3 ) 对试验路段进行观测，进行室内试验和力学计算结果的验证，查看反射裂 缝的防治效果，并观察有无其他病害。 山东大掌顽尘学位论文 2 1 前言 第二章反射裂缝处治措施 复合式路面中的水泥混凝土( r c c 、c c ) 存在纵、横缝，它是产生反射裂缝 的内因，是复合式路面这种路面结构固有的特点，目前没任何措施可以使纵、横 缝消失，只能采取相应措施，消弱它对反射裂缝产生发展的作用，并从反射裂缝 产生发展的外因进行处治。 反射裂缝对路面性能的不利影响主要有以下几方面：裂缝的出现使得雨水有 机会下渗，进入基层甚至路基，影响对水分含量敏感的结构层材料的性能；裂缝 的存在，对路面结构层整体性造成破坏，减小了竖向荷载扩散的范围，增大后续 结构层的局部应力；结构层应力的增大必然导致较大的路面变形和残余变形，缩 短路面使用寿命；在荷载、水分甚至冰冻等因素综合作用下，沿裂缝会出现骨料 或小块沥青混合料的剥落、磨损现象，从而进一步加快路面损坏。 2 1 1 国内外研究概况 目前，国内外常用的反射裂缝处治措施有以下几种： 1 ) 锯切横缝在沥青面层上，对准水泥混凝土路面上的接缝位置锯切横缝， 在横缝内填入封缝料，保持有效地密封，防止水或异物进入，从而来减缓反射裂 缝的向上延伸速度。在二十世纪九十年代，美国东北部1 2 个州的锯缝和灌缝的工 程实践表明，这种方法对水泥混凝土板状况良好的路面结构，防治反射裂缝效果 较好，而且要求对横缝有效地密封，否则还会引起其它病害。 2 ) 加厚沥青面层采用较厚的沥青面层，一方面可以增加路面结构的弯曲刚 度，减少层内的弯曲应力和剪切应力；另一方面，裂缝从底面反射到顶面需要经 历的距离变长，这样可以延长路面的使用寿命。国内外的一些代表性工程实践表 明，采用较厚的沥青面层对延缓裂缝的反射有较好的作用，比如，京津塘高速公 路采用1 5 c m - - - 2 0 c m ；日本东名高速采用2 5 c m - - 一3 0 c m ；奥地利b r e n n e r 高速公路 采用4 0 c m ，均取到了较好的效果。但采用这种方案的经济代价高。 8 山东大掌顼士学位论文 曼! ! ! 曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼i 一, 一li 一i 皇曼鼍曼皇曼曼 3 ) 铺设应力吸收层通常采用橡胶沥青混合料的高弹性低劲度夹层，厚度为 1 0 m m - - 5 0 m m ，模量约为1 0 m p a l o o m p a 。其作用是改善沥青层和水泥混凝土的 层间结合状况，从而减少由于温度引起的反射裂缝，同时也减少应力集中现象， 减少荷载作用引起的应力集中现象。 4 ) 铺设土工织物采用聚丙烯或聚脂织物和聚乙烯、聚丙烯或聚脂无纺织物 及玻璃纤维等，置于沥青层底，对沥青混凝土起着加强的作用，而且也是一种防 水层。当水泥混凝土板接缝较宽且未填封时，如果没有足够的沥青渗入织物，织 物是无法起到防水作用，所用粘层沥青必须能填充织物的孔隙。土工织物的物理 力学性质，如抗腐蚀、耐热、抗拉强度、顶破与撕裂强度以及变形特性等也应满 足路用性能的要求。从我国公路建设实践来看，玻璃纤维织物防治反射裂缝的效 果比较好。 5 ) 铺设沥青碎石结构层即粗开级配沥青碎石混合料结构层。该层可以作为 沥青面层的下面层。在美国，沥青碎石层约9 0 m m 厚，全部为碎石材料，且混合 料中含有2 5 至3 5 的连通孔隙。正是由于空隙率大，使得发生在水泥混凝土板 上的接缝或裂缝处的垂直、水平相对位移通过该层时不能很快传递到上面的沥青 层。从而减少反射裂缝产生的可能性或减缓反射裂缝的发展速度。该结构在美国 应用实践的效果较好。 国内外对反射裂缝进行了广泛而深入的研究，但由于反射裂缝的复杂性，对 它的开裂机理、发展过程、处治措施等问题一直未能彻底解决。 国外发达国家水泥混凝土路面修筑历史较长，在六十年代便开始对其维修技 术进行研究。1 9 9 5 年美国在总结全国研究成果和工程实践基础上分别出版了r c c + a c 修复与评价指南。日、英、法等国家在不同时期也有类似的研究报告。美国、 英国等国家的研究成果和工程实践表明，沥青加铺层厚度明显影响反射裂缝的产 生和发展。国外常用的措施有厚沥青加铺层、大孔隙沥青混凝土裂缝缓解层、橡 胶沥青夹层( s a m i ) 等。在不同地区、不同气候条件下这些措施取得了一定效果， 但是至今未能找到能完全防治反射裂缝产生的措施。 在国内，河南、江苏、河北、山东等省都对反射裂缝机理进行理论分析，并 9 山东大学顽士学位论文 依托工程修筑了许多复合式路面结构。这些研究对反射裂缝的产生和发展进行了 一定的理论分析，在工程中应用了土工织物、应力吸收层、增加沥青厚度等反射 裂缝处治措施。这些研究分析了影响反射裂缝产生和发展的相关因素，通过室内 试验和工程应用，提出了具有一定效果的反射裂缝处治措施，也积累了一些施工 经验。但至今，都没有完全掌握反射裂缝的产生和发展机理，无法从根本上消除 反射裂缝的产生，只能提出减少、延缓反射裂缝的措施。 2 2 加铺前1 日水泥混凝土路面修补措施 为了减少和延缓旧水泥混凝土板加铺沥青混凝土出现的反射裂缝，加铺前应 先对旧水泥混凝土板进行修补，以恢复其结构、表面功能，其修补措施是根据旧 水泥混凝土路面状况进行选择。 1 接缝部分处治； 2 路面板的断开和稳定。 2 3 采用能减少反射裂缝的夹层 研究和工程试验证明，修筑复合式路面时，在水泥混凝土板和沥青混凝土加 铺层之间设置应力应变吸收层可以较好的防治反射裂缝产生和发展，常用的应力 应变吸收层为应力吸收薄膜夹层、改性沥青胶砂应力吸收层和土工合成材料。 2 3 1 应力吸收薄膜夹层 应力吸收薄膜夹层材料的特点是模量小，比较柔软，变性能力很强，即使在 较大的变性下仍然不会开裂。在旧水泥混凝土路面上设置低模量的应力吸收薄膜 夹层，可以将水泥板接缝和裂缝处产生的相对位移在这层消散掉，消弱了裂缝向 加铺层上的反射。 应力吸收薄膜层施工时首先喷洒一层橡胶沥青或改性沥青，然后撒布单一粒 径的集料，用胶轮压路机碾压，将集料压入到沥青中。此时，沥青膜的厚度约为 5 m m 左右。在其上铺筑热拌沥青混合料的时候，集料又会嵌挤到沥青层中，最后 l o 山东大学顼尘学位论文 曼曼曼曼鼍皇曼曼曼曼曼曼曼曼!鼍鼍舅寰ii ii曼o。 i 鼍鼍舅 会形成1 c m 左右的应力吸收薄膜夹层。施工简单方便，主要是对施工喷洒设备的 要求比较高，要能够在高温下喷洒出高粘度的橡胶沥青或改性沥青。 2 3 2 改性沥青胶砂应力吸收层 改性沥青胶砂应力吸收层是一种不渗透的、高温性能很强的沥青混合料。它 的主要作用是吸收原路面上可能出现的裂缝、阻止雨水侵入到现有路面，确保磨 耗层与原来路面的粘结，从而延长道路的使用寿命。 2 3 3 土工合成材料 美国材料与试验协会将土工合成材料定义为：由聚合物原料生产的用于土、 岩石、基础等岩土工程构造物的产品。路面结构层中使用的土工合成材料有以下 几累：土工织物、土工格栅、土工格室、土工膜等产品。根据材料的特点，国内 在复合式路面反射裂缝处治时大多选用玻璃纤维土工格栅和土工织物。 1 土工格栅 刚度较大的格栅类材料可以承担底部拉应力，并且通过拉力加劲提高结构层 整体刚度，延缓疲劳开裂产生。玻璃纤维土工格栅的特点如下： 1 ) 玻璃纤维土工格栅较高的刚度不但可以增大路面层整体刚度，还可以较快 地发挥薄膜效应竖向荷载。此外，其较大的表面摩阻力还有利于减小沥青混合料 的横向推移。 2 ) 在减小沥青混合料侧移方面具有一定的效果，但对于稳定类材料这种效果 并不明显。 3 ) 玻璃纤维土工格栅位于基层顶面表现出了减少路面裂缝、减小路面综合破 损率的效果。 4 ) 玻璃纤维土工格栅加筋沥青加铺层对于因路面温度变化而引起的裂缝作用 不明显。 2 土工织物 山东大学硕士学位论文 土工织物可以分为两大类：有纺织物和无纺织物，有纺织物的特点是重量轻、 弹性模量低、具有孔隙的特点是沿经线和纬线强度较高；无纺织物根据粘结方式 不同又可以分为针刺、粘合、热粘三种。 土工织物浸润沥青后形成不透水层，防止水分下渗软化路面结构层；土工织 物类柔性材料在路面结构中作为应力吸收膜，通过自身变形吸收裂缝尖端的集中 应力，降低应力集中程度，阻止裂缝发展。 同时，铺设土工织物会降低层间的结合能力，并且其较大的延伸率将使得沥 青层在行车作用下产生推挤、滑动，最终导致路面破坏。为了避免过大层间滑动， 工程应用中应考虑采用额外措施保证沥青层与加筋材料的粘和，尤其是在沥青面 层较薄的情况下。或者将加筋材料布置在受剪应力影响较小的结构层。 3 土工合成材料的应用范围 尽管多数研究和应用肯定了土工合成材料防治反射裂缝的效果，认为可以延 缓反射裂缝2 年4 年，并且认为即使沥青加铺层厚度较薄，土工织物也能有效地 防治裂缝反射。但是土工合成材料防治裂缝也有其适应条件，b e u v i n g 对防治裂缝 等路面病害的不同措施进行了调查，认为土工织物对于开张型裂缝有效，并且刚 度、强度越大效果越好。对于剪切型裂缝，格栅具有良好的效果，土工织物的作 用不明显。 此外，土工合成材料与粘层粘结情况、铺设位置、施工条件、气候条件等因 素也对防治反射裂缝的效果有影响。彻底消除反射裂缝是不现实的，各种防治措 施的目的只是尽量在开始阶段推迟裂缝的产生，裂缝产生后尽量减缓其向上发展 的速度，从而达到延长加铺层寿命的目的，采用土工合成材料的目的是控制开裂 而不是消除开裂。 2 3 4 级配碎石 在沥青加铺层下设置级配碎石层可以明显改善复合式路面的力学性能，可以 有效地减小路面的弯沉值，延缓甚至防止反射裂缝的发生与扩展。合理增大级配 碎石层的厚度，对减小路面的弯沉值起了一定作用并有效的增加路面的力学性能。 1 2 山东大学顼士学t 丘论文 本项目在许昌试验路中采用级配碎石。 2 4 采用合理的沥青加铺层 调查研究表明，沥青混合料的使用性能对反射裂缝的产生和发展有影响。不 论是哪种反射裂缝，一般不会是由于一次应力的产生即形成裂缝，而是在应力集 中点反复作用下产生的一种疲劳破坏，因此，提高沥青混合料抗疲劳性能可大大 延缓反射裂缝的产生。当沥青混合料的拉伸强度较高时，可有效减少由于温度变 化产生的混凝土板收缩而产生的反射裂缝，当沥青混合料的抗剪强度较高时，可 有效减少由于偏荷载和弯沉差而产生的反射裂缝。 1 大粒径沥青混合料 5 3 1 的力学计算表明大粒径沥青混合料并且能消散、吸收由交通荷载及环境 温度变化所产生的荷载应力和温度应力。而且由于大粒径沥青混合料收缩系数较 小，其大粒径、多空隙结构具有较大的塑性变形能力，可充分吸收接缝释放的应 变能，减小接缝处加铺层的应力集中现象，从而延缓反射裂缝向上扩展的速度。 本项目在许昌和许漯改建工程试验路中均使用了大粒径沥青混合料。 2 纤维沥青混合料 纤维沥青混合料由于混合料加入纤维后孔隙率略微增大，沥青用量增大，沥 青混合料的柔性相应提高，而且纤维的混杂加强作用对应力有一定的分散和扩散 作用，对混合料抗裂性能有所改善。纤维加入后不仅增大了沥青用量、沥青稠度 和劲度，还对沥青混合料有一定的“桥接 与“加筋”作用，正因为纤维的这种 加筋作用，对裂缝的产生有不同程度的阻碍作用。 2 5 本章小结 本章主要是介绍了常用的反射裂缝处治措施，主要结论如下： 1 旧水泥混凝土路面上加铺沥青加铺之前，必须对旧水泥混凝土路面进行修 补，路面病害较少的板块，采用对裂缝进行灌缝的措施。而对病害较为严重的板 山东大掌顽尘掌t 昱论文 曼曼皇曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼! ! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量鼍皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼! 曼ii i 皇皇鼍曼曼曼曼曼曼 块要进行压浆或破碎和稳定。 2 在旧水泥混凝土路面上铺设夹层能有效的减少反射裂缝，常用的夹层为： 应力应变吸收层、改性沥青砂胶应力吸收层、土工合成材料夹层和级配碎石层。 3 采取大粒径沥青混合料和纤维沥青混合料等加铺层材料，也是复合式路面 反射裂缝处治的常用措施。 1 4 山东大学硕士掌t 是论文 ! m m m = = = = =i ：= i = m = 。= i = 。= - 皇曼窒曼皇曼皇曼鼍曼曼曼鼍皇皇 第三章旧水泥混凝土路面状况评价 对由旧水泥混凝土板加铺沥青混凝土层形成的这种复合式路面结构的反射裂 缝进行处治的前提是对旧水泥混凝土路面进行合理的功能恢复和改善。因此，需 要先对路面的破损状况进行调查和评价，对路面的结构状况和承载能力进行试验 和评定，根据调查和评价结果才能选用行之有效的功能恢复和改善方法，下面以 河南许昌到漯河等公路为例进行调查分析。 3 1 路面状况调查 对旧水泥混凝土路面破损状况、结构状况和承载力进行调查的步骤如下： 1 请有经验的技术人员进行路段的划分； 2 调查分组：一般分为五组，即交通及经济调查组、路面破损调查组、路面 结构承载能力调查组、平整度及抗滑性能调查组、施工及维修调查组： 3 每组确定技术负责人； 4 每组进行调查。 3 1 1 调查路段的划分 调查损坏路面的关键是路段的划分，鉴别一旦完成，整个道路就被分成一系 列的路段，为便于对路段进行更为详细的调查，将具有相似损坏特征和路面结构 的路段划分为一组，这是因为相似的损坏特征或弯沉值表明路面结构的相似。路 段的最小长度应与施工方法相适应，一般不小于5 0 0 m ，机械化施工时不应小于 l k m 。在水文、地质条件复杂或需要特殊处理的路段，其分段长度可以视实际情况 确定。 初步调查的主要目的是划分均匀路段，这需要分析可以获得的相关信息，包 括宏观的视觉观测和弯沉资料等，这些信息用来确定：不同均匀路段之间的界线； 损坏类型( 表明损坏的模式) 。 1 按历史记载和目测调查进行分段 山东大学硕士学t 丘论文 影响路面改建方案和使用性能的因素主要有：路面类型、养护历史、路面结 构断面、路基、路面和交通状况。 如果有较完备的历史记载可以利用，则可在分析这些影响的基础上进行分段。 通常可以先对施工历史资料进行初步判断，然后进行详尽的视觉评价。视觉评价 通常是徒步走，对于较长路段，可以采用慢速驾车完成评价。当驾车时，需要经 常停车，对路面近距离仔细查看。 视觉评价时，要记录整幅路面内所有明显的损坏，以及其他观测结果，诸如 排水、地质以及路段几何特征( 比如陡坡，急转弯以及高填方路基) 。检查过程 中，可以把辨认的损坏模式划分为三类，见表3 1 。 表3 1损坏模式和类型 损坏模式损坏类型描述 环境损坏 | 表面损坏 交通损坏| 永久变形 | 结构损坏裂缝| 其他损坏| 排水侵蚀 功能损坏 行驶质量波浪、起皱 在视觉调查时，可以依据道路损坏严重程度、频率和位置，对道路损坏的不 同模式和类型进行描述。通过视觉调查资料的总结，路面破坏模式就清晰化了。 因此视觉调查可以为道路的损坏原因提供有价值的线索。 1 6 山东大学顽尘学位论文 2 应用统计分析方法进行分段 为了判别相邻路段是否有显著差别，以判断是否将其分为两段，可以按统计 方法对它们进行显著性检验。 3 1 2 路面状况调查内容 路面状况调查主要内容如图3 1 所示： 调 查 主 要 内 容 路面破损状况 f 路面厚度( 雷达检测 路面结构承载能力叫j 路面结构强度：有损调查钻芯取样检测 平整度及抗滑性能 l 无损检测弯沉检测 设计、施工及维修历史 【交通状况( 路面组成和轴载) 路基路面排水状况 桥粱伸缩缝状泖 1 交通及经济调查 图3 - 1路面状况调查主要内容 交通调查包括年平均双向交通量，交通组成与交通增长率。经济调查包括道 路附近近十年经济情况和公路收费情况。交通及经济调查的目的是确定设计年限 内一个车道上的累计当量轴次n 。 2 路面破损状况调查 路面破损状况调查结果可用于划分分析路段，也可用来鉴别需进行改建的路 段和选择适合的改建对策。破损状况调查应该提供以下信息： 1 ) 损坏类型鉴别路面存在的各种损坏，损坏应按产生原因进行分类； 2 ) 破损严重程度指出每一种破坏的严重程度，以评定恶化程度； 3 ) 破损量说明各种损坏、严重程度及相对面积。 1 7 山东大学顼士掌住论文 依据破损形式，将路面破损分为裂缝类、松散类、变形类、接缝类及其它类 五大类，每类损坏包含的内容见表3 2 ，其中每类可以进一步分级。 表3 2 路面破损分类及调查方法表 水泥路面 类型 形式调查方法 纵向裂缝 横向裂缝 裂缝或断裂 斜向裂缝 目测后用皮尺丈量 角隅裂缝 交叉裂缝 唧泥目测 错台错台仪 变形 沉陷目测 跳起目测后用皮尺丈量 露骨 松散类剥落目测后用皮尺丈量 坑洞 山东大学顼尘学位论文 填缝料损坏 接缝损坏目测 接缝破裂 路面各种破损的损坏范围按实测损坏面积计，不规则形状的损坏面积按当量 矩形面积估算。对于各种单条裂缝，其损坏面积按裂缝长度乘以0 2 换算系数计算， 对于车辙、拥抱、波浪、坑槽，可用三米直尺测其最大间隙。调查结果按照破损 类型、破损范围以及严重程度，记入记录表。 3 路面结构承载力测定 路面结构承载力调查指标为路面弯沉值，通常采用无破损测试的方法，在路 表面测定路面结构的最大弯沉值或弯沉盆，通过分析判断路面结构的承载能力。 弯沉和弯沉盆测定结果可以用于：估算路基和路面结构层的模量值：评定路 面结构的承载力或剩余寿命；分析水泥混凝土路面接缝的传荷能力；检查水泥混 凝土路面板的脱空情况。弯沉测试有两种常用方法，一种是采用落锤式弯沉仪 ( f w d ) 进行测试，它的优点是可以利用弯沉盆曲线，反算路面各层的模量，评 价各层的承载力状况。另一种就是采用贝克曼梁弯沉仪，因为水泥混凝土板是刚 性的结构，为了减小测量误差，一般采用长臂贝克曼梁( 5 4 m ) ，减少板块效应对测 量的影响。 对于水泥混凝土路面的弯沉测量应分两批进行。第一批分别对每块板的板中 进行弯沉测量，第二批分别对每条接缝两侧的板进行弯沉测量。两批弯沉值计入 不同的表格中。板中的弯沉值用以反算板的回弹模量和分析板下是否脱空：板边 的两个弯沉值的平均值可用来分析板的支撑情况，两个弯沉值之差则用以评价接 缝的传荷能力。 值得注意的是：混凝土板内的温度梯度会使面板产生翘曲变形，正温度梯度 大时，板中部可能拱起而出现同基层顶面的脱空。这时，在板中进行弯沉测定的 数值明显大于正温度梯度小或者负温度梯度时测定的结果。而在负温度梯度大时， 板角隅会卷起而出现与基层顶面的脱空，使板角的弯沉测定值明显大于正温度梯 1 9 山东大学硕士学位论文 i ii 曼曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼 度时的测定结果。因此，为避免温度梯度引起的板底脱空对弯沉测量的影响，板 中弯沉测定应选在出现负温度梯度或者正温度梯度小的夜间到清晨时段进行。而 板边的测定情况正好相反，应该选在白天进行。 对于板块较完整的水泥混凝土路面，由于混凝土板具有较高的回弹模量，沥 青混凝土加铺的重点是分析水泥混凝土板接缝的传荷能力和检查水泥混凝土板的 脱空情况。运用透地雷达检测法可以快速、精确地检测水泥混凝土板下的脱空发 育程度。根据透地雷达检测脱空发发育程度的成图，可以准确地对脱空部位钻孔 压浆进行补强，这一方法是目前世界上正在推广的先进技术。 4 水泥混凝土强度测试 取芯进行强度测试，主要是反映旧水泥混凝土的强度特性。 5 平整度及抗滑性能的测定 对路面平整度的全面调查，宜采用车载式颠簸计仪快速检测。小范围的抽样 调查时，可以采用连续式平整度仪或三米直尺检测。各种方法的测定结果应与国 际平整度指数建立关系。 路面抗滑能力可以采用摆式摩擦因数( b p n ) 仪和横向力系数( s f c ) 测定仪。 高速公路和一级公路，宜采用横向力系数测定仪。摆式摩擦系数的调查应在每个 评定路段选5 个测点，每个测点重复测定5 次，取其均值作为该测点的测量值，以5 个测点的平均值作为改路段的测值。 6 设计、施工及维修调查 对旧水泥混凝土道路的设计、施工及运营期间的维修历史进行调查，明确现 有道路的路面结构。 7 路基路面排水状况调查 对旧水泥混凝土道路的路基路面排水状况进行调查，明确现有排水设施是否 完善及那些部分需要加强。 8 桥梁伸缩缝状况调查 ，n 山东