（森林工程专业论文）加铺应力吸收层材料的研究.pdf

摘要 在旧水泥混凝土路面上加铺沥青面层是旧路改造的主要形式之一，但是由于旧水泥 混凝土路面的接缝与裂缝处不能承受剪应力和拉应力，在温度应力和荷载应力周期性重 复作用下，沥青加铺层的相应位置就容易产生反射裂缝。随着时间的推移，以及外界环 境的不断变化，反射裂缝就会不断扩展，因而会降低路面的平整度和使用性能。 本文在调查分析同三公路的使用状况基础上，针对旧水泥混凝土路面板的断裂、裂 缝和唧泥等病害，分析了路面破损的主要原因，并提出了处治措施，进行了加铺层的结 构组成设计，并从力学角度应用弹性层状体系理论，分析了层间接触为连续和不连续状 态下，每一结构层在不同荷载作用下的层底弯拉应力，得出应力吸收层在加铺层结构中 为最不利层，并把s u p e r p a v e 理论中的体积设计法与马歇尔设计法相结合，进行了应力 吸收层材料的配合比设计，确定出沥青最佳用量为8 9 9 ，空隙率为3 1 ，最大理论密 度为2 3 8 3 9 c - 删3 。 为了验证应力吸收层配合比的可行性私实用性，本文从材料试验的角度对应力吸收 层混合料的高温稳定性、低温抗裂性、水损害特性、疲劳特性等方面进行了路用性能的 检验，经验证，应力吸收层材料不仅具有较高的抗车辙能力，较好的低温抗裂性，尤其 在冻融试验中表现出极强的抗冻融能力，其冻融劈裂强度比达到了8 9 8 ，远远大于 7 5 的要求，这也同时验证了其在抗水损害方面具有核大的优越性，体现出应力吸收层 在延缓或抑制旧水泥混凝土路面的反射裂缝方面具有不同于一般的防裂夹层的优越性， 成为旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构采用的一种重要技术方案。 关键词旧水泥混凝土路面应力吸收层沥青混合料路用性能 a b s t r a c t t h ea s p h a l to v e r l a yl a y e ro ne x i s t i n gc o n c r e t ep a v e m e n ti so n eo ft h em a j o rr e h a i l i t a t i o n w a y s b c c 孤璐ct h ee x i s t i n gc o n c r e t ep a v e m e n tc a n tb e a rs h e a r i n gs l r c s $ a n dt e n s i l e 甜北s sa t j o i n t0 1 c r a c k , o i lw h i c ha s p h a l to v e r l a y i sl i a b l et ob ed a m a g e da n di n d u c e dr e f l e c t i o nc r a c kb y c y c l i ct e m p e r a t u r e s t r e s sa n dw h e e ll o a d s w i t ht h et i m eg o i n g ，t h er e f l e c t i v ec r a c k i n gk e e p so n e x p a n d i n gf o rc y c l i ct r a f f i ca n de n v i r o n m e n tl o a d s s op a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n ds m o o t l m e s $ 玳d e c r e a s e d o nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i o no ft o n g , s a nh i g h w a y sp e r f o r m a n c e t h i sd i 爱潜删 a n a l y z e st h em a i nr e , 鹊o n so f p a v e m e n t sf a i l u r e s ，s u c h 鹤r u p u t u r e ，e r a e l d n g ，a n dm u d - p r o a p i n g i ne x i s t i n gc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t , a n dp u t sf o r w a r dt h e p r o c e s s i n gm e f l s u r e $ a n d c o m p o s i t i o nd e s i g n a tt h e 龇t i m e ，t h i sd i s s e r t a t i o na l s oa n a l y z e st h eb e n d i n g 鲫r e 蟠o nt h e b o t t o mo fe a c ho fl a y e r sw i t hd i f f e r e n tl o a d sb a s e do nt h ee l a s t i c l a y e r e ds y s t e mt h e o r y , o b t a i n i n gt h er e s u l tt h a ta b s o r b e dl a y e ri st h em o s ta d v e r s el a y e ri nt h eo v e r l a y 鲥n k = t i f u r t h e r m o r e ，t h em i ) 【i n gr a t i oo fa b s o r b e dl a y e rm a t e r i a lw a sc a r r i e do u tb yc o m b i n a t i n g v o l n m nm e t h o do fs u p e r p a v et h e o r yw i t hm a s h e l ld e s i g nm e t h o d a sa r e s u l t ，t h eo p t i m u m a s p h a l ta m o u n ti s8 9 9 ，a n dt h ep e r c e n t a g eo fv o i d si s3 1 ，t h eb i g e s tt h e o r yd e n s i t yi s 2 3 8 3 9 e r a 3 i no r d e rt oc o n f i r mt h ef c a s i b i f i t ya n du s a b i l i t yo fs l r e s sa b s o r b e dl a y e rm i x t u r er a t i o ，t h i s d i s s e r t a t i o nc a r r i e do u t 趾e x a m i n a t i o nt op a v e m e n tp e r f o r m a n c e s u c h 鹪s t a b i l i t yi nh i g h t 即a p e r a t u r e ，c r a c kr e s i s t a n c ei nl o w e rt e m p e r a t u r e ，w l t t e i e r o s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n df a t i g u e c h a r a c t e r i s t i cf r o mm a t e r i a lt e s t i n g f r o mt h i se x a m i n a t i o n , t h ea b s o r b e dl a y e rm a t e r i a ln o t o n l yh a sg r e a ts t r e n g t hi na n t i - f 瑚z i n ga n dt h a w i n ga b i f i t yb yt h ef r e e z i n ga n dt h a w i n gt e s t ，i t s c r a c k i n gs t n g t br a t i oh a sa c h i e v e dt h ev a l u eo f8 9 8 w h i c hi sg r e a t l ym o r et h a nt h ed e m a n d o f8 5 t h e r e f o r e ，i ti sc o n f i r m e dt h a tt h ea b s o r b e dl a y e rm a t e r i a lh a sb i gs u t ，e r i o r i t yi nt h e a n t i - w a t e re r o s i o n , a n dt h a tt h i sl a y e rh a sa l s ot h eg r e a t l ys u p e r i o r i t yt od e l a yo rt os u p p r e s s t h er e f l e c t i o nc r a c ki ne x i s t i n gc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ts u r f a c e c o n s e q u e n t l y , t h i sw i l lb ea k i n do f i m p o r t a n tm e a s u r l ei na s p h a l to v e r l a yl a y e rf o re x i s t i n gc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t k e y w o r d s ：e x i s t i n gc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t 劬嵋豁a b s o r b e dl a y e r , a s p h a l tm i x t l , l r e 9 p a v e m e n tp e r f o r m a n c e 独创性声明 奎人声明所呈交的学位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。据我所知，除，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，也不包含为获得盔i 垦挂些盘堂或其他教育 机构咐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 | c j ：均己在论文- j 作1 r 明确的说明并表示谢意。 学位沦文作者签名： 耀签字日期：专叩| _ = = ，j 甜 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解壅a 垦韭些盘堂有关保留、使j 1 j 学位论文的规 定，有权保留并向吲家有关部门或机构送交论文的复印件和磁擞，允许论文被夯 阉干借蒯。木人授权塞j 垦盐些盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编a t j 4 火数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 仪密的学位沦文在解密后通用本授权书) 第位论文作者签名： 嬲：ii 吼州年z 月甜日 。位论文f 1 ：者牛业后去向： 1 作单位： 通讯地址： 跏虢韶坝 签字日期：q 年f 月石刚 电话： 邮编： l 绪论 1 绪论 1 1 引言 高速公路是现代化交通的重要形式之一，是推动地方经济发展的重要基础设施，为 国民经济发展起着日益突出的多方面拉动作用。我国高等级公路的建设与发达国家相 比，起步晚，但起点高，速度快，到2 0 0 4 年末，我国公路通车总里程达1 9 0 万公里， 高速公路的通车里程突破三万四千公里，居世界第二位。在高速公路中，水泥混凝土路 面里程约占3 0 左右，在这些高级和次高级的水泥混凝土路面中，有相当一部分是八十 年代末或九十年代初修建的，现已接近或超过设计使用年限，有的虽未达到设计年限， 但由于交通量剧增、汽车轴载日益重型化或设计、施工等方面的原因，因而出现路面损 坏，使用品质下降的情况，如断板、局部性沉降等。因此，大量早期和近期修建的水泥 混凝土路面都将面临着翻修和改建的艰巨任务。与沥青路面相比，水泥混凝土路面的修 复比较困难，大多采用三种措施：加铺沥青混凝土面层、加铺新水泥混凝土和翻修“1 。 在不同的旧路改造方案中，由于沥青加铺层能有效地改善旧水泥混凝土路面的使用性 能，同时可以充分利用旧水泥混凝土路面，造价低，施工方便，工期短，且对交通和环 境影响小，因此在国内外用此法补修旧水泥混凝土路面得到广泛应用。然而由于车辆荷 载的剪切应力与旧板之间的温度应力的普遍存在或者水泥混凝土面层与沥青加铺层之间 的粘结不够牢固，则会导致加铺路面的再度损坏，如推移、车辙、水损坏及反射裂缝。 等；特别是沥青加铺层中迅速发展的反射裂缝往往缩短了加铺层的使用寿命。如何控制 反射裂缝的产生时间和扩展速度至今仍是一个难题。 黑龙江省同三公路沙河子至哈尔滨段一期工程于1 9 9 7 年1 0 月建成通车，二期扩建 工程于2 0 0 2 年5 月开始实施，至2 0 0 4 年9 月方正至哈尔滨段由二级汽车专用路扩建为 高速公路，沙河子至方正段扩建的高速公路也将计划于2 0 0 5 年9 月建成通车。最早通 车的一期工程段已服务8 年，仅进行过常规养护，一直未作大修改造。由于路面损坏严 重，影响了道路通行能力和服务水平( 快速、安全、舒适度) ，尤其是沙河子至哈尔滨 方向的半幅，道路破损十分严重，补强改建问题是这条路亟需解决的。黑龙江省公路勘 察设计院就原水泥混凝土路面产生的各类裂缝及断板、脱空等严重破坏，进行了较为全 面的调查分析。实践证明，沥青加铺层不失为一种较为有效的处理方法。但是由于水泥 混凝土面板接缝变形裂缝大量存在，沥青加铺层会由于车辆荷载和温度等作用产生荷载 型及温度型反射裂缝。温度型应力对于沥青加铺层路面产生的横向裂缝影响较大，而且 也正是由于这种温度应力的存在，在重载交通的作用下其反射裂缝才会加剧。然而，国 内外研究水泥混凝土路面加铺沥青层的应力，大都重点考虑了车辆荷载应力，很少考虑 温度应力的影响。因此，本文在对同三公路现有路况进行调查的基础上，对沥青加铺层 反射裂缝的原因进行了分析，提出了在沥青加铺层与旧水泥混凝土路面之问加了一薄层 东北林业大学硕士学位论文 的应力吸收层嘲。 1 2 国内外改造方案综述 采用沥青面层作为旧水泥混凝土路面的加铺层是一种典型的补强方法，这种形式的 路面结构能吸收两种材料的优点，即旧水泥混凝土路面提供了稳定、坚实的基层，而沥 青罩面提供了一个摩阻系数较高、平整度较好的表面层，大大改善了路面的使用性能。 为了减少反射裂缝的数量和减缓反射裂缝的发展速度，6 0 年代起国外即开展防治沥青加 铺层反射裂缝的研究。我国自8 0 年代以来也进行过诸多研究，这些研究主要集中在针 对控制反射裂缝的产生和发展的力学分析上，并提出了一些防反措施，涉及整个路面结 构，这些防反措施大致可以分为三类：改善沥青的罩面层性能、设置中间夹层、增设补 强层。 1 2 1 改善罩面性能 主要是为了提高面层的抗变形能力和抗拉能力，从而抵抗或消散行车荷载产生的应 力，常用的方法有：应用改性沥青或在混合料中掺加纤维、增加面层厚度、在罩面层下 部应用加筋材料等。美国在m i c h i g a n 、c a l i f o m i a 等州采用加筋沥青混凝土来增加面层 的抗拉强度，从而防止由于旧水泥混凝土板的移动而引起的开裂，但英、美的研究认为 增加罩面层的厚度能在一定程度上减缓反射裂缝的出现，但不能抑制反射裂缝的产生。 我国原2 0 5 国道南京段，对原水泥混凝土路面未做处理，在老路上先涂一层乳化沥青， 然后加铺3 c m 沥青混合料( 掺入3 丁苯胶) ，使用不久后，路面上明显出现纵、横、 斜反射裂缝。 1 2 2 采用中间夹层系统 设置中间夹层，可使温度作用下板长变化引起的接缝变化及车辆荷载作用下相邻板 边的竖向位移被大变形率的材料所吸收，从而起到降低裂缝应力峰值的作用，同时还具 有防水层的作用。中间夹层有多种，常用的有改性沥青防水油毡，沥青混合料和土工材 料夹层m 等。 美国v i g i n i a 州试验路，把0 9 m 宽非编织的聚丙烯土工布铺设在旧水泥混凝土板 的开裂处，然后加罩3 2 c m 的沥青面层。通车8 个月后，铺设土工布路段较其它路 段反射裂缝有所减少，但在旧水泥混凝土板传荷能力不足的路段上，其防反效果欠佳。 美国n o r t hd a k o t a 州的试验路结果表明，在各种防反措施中，以土工织物的防治 效果最好，即便出现裂缝其程度也是很轻的。 英国在a 3 0 公路上的试验表明，当罩面层很薄时，加筋土工格网只能延缓反射裂 缝的出现时间，在使用后期基本没有效果”。 宁通路南京段试验路，在旧水泥混凝土板接缝处分别铺设改性沥青油毡及特雷维拉 土工布( 原路面仅作灌缝处理) ，面层为4 c m 改性沥青的中粒式沥青混凝土，通车3 个月后，行车道部分原路面上方出现明显的反射裂缝。 l 绪论 1 0 4 国道浙江绍兴段试验路，1 9 9 4 年在旧水泥混凝土板( 修于1 9 7 2 年，厚 2 0 c m ) 上铺设塑料，再铺沥青碎石，通车不久后，即出现大量坑洞。 1 2 3 增设补强层 原水泥混凝土路面上铺设补强层，再加铺沥青面层，这样可以减轻裂缝反射的程 度 1 0 4 国道句容一宜兴段，泥灰结碎石掺灰塘渣基层，2 2 c m 混凝土路面，修于 1 9 8 6 - 1 9 9 2 年。由于重车多，超载现象严重，水泥混凝土路面严重破坏。1 9 9 7 年 4 - 1 0 月份进行了加铺改造，方法为先将病害板用冲击锤破碎，灌水泥砂浆，震压成 型，然后加铺1 5 c m 二灰碎石基层，上面再铺8 c m 沥青混凝土面层，现部分出现坑 洞破坏现象。 十苏王线8 3 k + 3 7 2 8 6 k + 8 3 0 段，旧路修于1 9 8 8 年，2 2 c m 水泥混凝土路面， 出现病害已经有6 年了。1 9 9 6 年9 月改造，先对松动板进行处理，然后加铺1 5 1 8 c m 二灰碎石及6 + 4 c m 沥青混凝土路面，至1 9 9 7 年9 月未发现明显的纵横裂缝，无推 挤等病害，运行状况良好。 综上所述，可见： ( 1 ) 国内外对旧水泥混凝土路面加铺改造仍处于试验、研究阶段，至今仍未有一个 效果非常令人满意、施工工艺可行且具有明显的社会经济效益的防治措旌。由于各种条 件的差异，相同的方法有时可能得出相反的结论。 ( 2 ) 国内外的研究表明，彻底消除反射裂缝是不经济的，也是不现实的，加铺层采 用防反措施的目的是控制开裂而不是消除开裂。所有的防反措施只是尽量推迟产生早期 裂缝的时间，以及一旦裂缝产生后，如何减缓其向上面层发展的速度，从而达到延长其 使用寿命的目的。 ( 3 ) 改造中，处治原水泥混凝土路面很重要，尤其在传荷能力较差的接缝处，板下 脱空能否有效地处理是关键所在。 ( 4 ) 所有的土工织物或网格防治水平位移比剪切位移更有效。不论是加筋还是应变 消散类措施，当应用于传荷能力很差的路面时，任何薄层沥青类罩面对防治反射裂缝都 显得无能为力。 ( 5 ) l e l 水泥混凝土路面的改造，应从提高面层性能、夹层性能、处治好旧板块和基 层等多方面综合考虑来提出改造方案 1 3 本文研究的主要内容及技术路线 1 3 1 主要内容 本文以黑龙江省同三公路沙河子至哈尔滨段旧水泥混凝土路面改造工程为研究对 象，主要研究内容如下： ( 1 ) 通过对黑龙江省同三公路沙河子至哈尔滨段旧水泥混凝土路面状况及承载力进 东北林业大学硕士学位论文 行调查和评价，充分掌握原路面的使用状况和破坏形式，从而分析出路面破坏的主要原 因并提出修复措施： ( 2 ) 应力吸收层混合料配合比设计方法研究：本文借鉴s u p e r p a v e 忉混合料体积设计 方法，结合我国现有的马歇尔试验方法，参考析漏试验删，以及我国部分地区试验路的 一些内容和经验，最后，确定出经得住用于路用性能测试的最佳沥青用量，空隙率和最 大理论密度。 ( 3 ) 应力吸收层混合料的路用性能研究 应力吸收层材料高温稳定研究高温时沥青混合料中的沥青变软，稠度变小， 体积增大，从而减小混合料粘结力c ，使沥青混合料抗剪强度减小。在高温和低加荷速 率情况下，出现高温稳定性问题。沥青混合料高温稳定性习惯上指混合料在荷载作用下 抵抗永久变形的能力，通常用动稳定度表示。在高温季节由于水平荷载作用下剪切强度 不足而引起推移、拥包等损坏。在行车荷载的重复作用下，会由于永久变形的累积导致 路面出现车辙叫。 应力吸收层材料低温抗裂性考虑到材料的特性，依据沥青及沥青混合料试 验规程中沥青混合料弯曲蠕变试验推荐的试验条件很难得出合适的蠕变曲线，改变试 验温度、加载应力水平，比较各种蠕变曲线之间的差异，确定应力吸收层各种混合料合 适的试验温度、加载应力水平，分析应力吸收层沥青结合料对蠕变特性的影响。 应力吸收层材料水稳性能研究应力吸收层处于路面下面层，一方面，地表水 有可能通过路基进入应力吸收层，另一方面，路面水分有可能由上而下渗入到应力吸收 层以至破坏路基，同时，应力吸收层一直处于压应力状态，所以，应力吸收层可能处于 潮湿受压的复杂应力状态。本论文主要采用浸水马歇尔试验残留稳定度和冻融劈裂试验 劈裂强度比双指标评价其水稳定性能“。 应力吸收层材料疲劳特性研究路面在移动车轮荷载作用下，其内部各点处于 不同的应力应变状态之下，路面结构的底面各点，当轮载驶近时该点出现挤压应力；当 轮载处于正上方时则受到全拉应力作用，当轮载驶离时，该点的主拉应力减弱并伴有剪 应力产生，路面表面则相反，车轮驶近时受拉，车辆直接作用时受压，车轮驶过后又受 拉。路面在整个使用过程中，因长期处于拉压应力重复循环并伴有剪切作用的状态而产 生疲劳破坏。沥青路面抗拉强度比较小，所以路面多是从底部或顶部受拉而产生裂纹以 至破坏。 1 3 2 技术路线图 见图1 - 1 。 i 绪论 图1 - 1 技术路线图 5 銮：竺竺查兰翌圭兰些兰兰 2 反射裂缝产生的机理 2 1 反射裂缝的产生 由于旧水泥混凝土路面板接、裂缝处不能承受拉应力和剪应力，所以裂缝和接缝顶 面的沥青罩面层最容易受到损伤，一般情况下反射裂缝与旧水泥混凝土板的裂缝与接缝 相对应。如果沥青罩面层与旧路面板之间有较好的粘结性能，那么造成反射裂缝可能有 如下两种情况： ( 1 ) 反射裂缝是旧路面上裂缝处应力集中作用的直接结果，集中的应力使得裂缝直 接扩展进入罩面层。 一般认为，反射裂缝的产生和发展是由于旧水泥混凝土路面板的移动所造成的，而 这些移动又主要来源于温度变化、行驶车辆及两者的综合作用。由温度变化引起的反射 裂缝称之为温度型反射裂缝，由行车荷载引起的反射裂缝称之为荷载型反射裂缝“。 温度型反射裂缝：外部环境对混凝土路面温度的影响可以按日变化温度和年变化温 度来考虑。在年变化温度作用下，由于作用周期长，沥青罩面层的顶面与底面温度较接 近。在寒冷的季节，旧混凝土板产生收缩变形，在沥青罩面层内产生拉应力：在炎热的 夏季，旧混凝土板膨胀，在沥青罩面层中产生压应力，由此产生了反射裂缝。在日变化 温度作用下，沥青罩面层顶面温度变化较大，底面温度变化较小，使沥青罩面出现翘曲 变形。随着温度的下降，在罩面层顶面产生拉应力，底面层产生压应力。温度变化越 大、越快，产生的应力越大，罩面层越容易开裂。 荷载型反射裂缝：当汽车荷载驶经接缝时，在沥青罩面层中产生的应力影响线可分 为3 个过程：轴载位于接缝一侧时，接缝两侧产生较大的相对位移，在罩面层中造成 较大的剪切应力；轴载位于接缝顶面时，两板无相对位移或相对位移较小，罩面层主 要承受弯拉应力作用：轴载驶离接缝时，在罩面层内产生与第一次方向相反的剪切应 力，在整个过程中罩面层受到两次剪切一次弯曲，而且是连续的“。如果接缝处设有传 力杆，基层刚度大且无脱空，那么上述3 个过程的区分不明显。 可以看出，行车荷载作用下的最不利位置有两种，一种是荷载作用于旧路面板接裂 缝的一侧，旧路面板在这种荷载作用下，缝两侧的板产生相对的竖向位移差，沥青罩面 层中剪应力增大，造成剪切型反射裂缝：另一种最不利情况是荷载作用在旧路面板接缝 的顶面，由于在接缝处的旧路面板不能承受拉应力，所以接裂缝处顶面沥青罩面层中弯 拉应力最大，容易引起弯拉型反射裂缝。根据弹性地基梁理论和断裂力学的分析结果， 当裂缝扩展长度超过了罩面层的一半厚度时，弯曲对反射裂缝扩展的影响可以忽略不计 【1 3 】 ( 2 ) 当通过某种方式消除了旧路面板上接裂缝应力集中的影响，接裂缝的第二个 。作用”就是在车辆荷载的作用下使罩面结构在裂缝处产生最大的弯沉，相应地罩面层 2 反射裂缝产生的机理 中产生最大的应力，从而使接裂缝顶部的沥青罩面层成为反射裂缝产生的最可能部位。 2 2 反射裂缝的扩展 传统的强度理论认为，当沥青罩面层中某点的临界应力超过沥青混凝土本身的极限 强度时，沥青罩面层即达到破坏状态。实际上并非如此，沥青罩面层中的反射裂缝从其 产生到整个路面破坏，中间要经历一个裂缝扩展阶段，即反射裂缝在罩面层厚度方向上 的纵向扩展和其表面的横向扩展。 2 2 1 反射裂缝的纵向扩展 断裂力学认为，裂缝的扩展有三种位移模式：张开模式、剪切模式和撕开模式，见 图2 _ 1 。其中温度应力对反射裂缝影响的模式为张开模式，行车荷载对反射裂缝影响的 主要模式是张开模式和剪切模式。当车轮驶经裂缝的正上方时，以张开模型来引起反射 裂缝，当车轮在裂缝之前和之后的位置时，以剪切模式影响反射裂缝。撕开模式在加铺 层中不常出现“”。 国台 ( 1 ) 张开型( 2 ) 剪切型( 3 ) 撕开型 图2 1 裂缝的三种基本类型 当车轮荷载( 偏荷载) 和温度应力共同作用于复合面结构时，m g o 等人的分析结 果显示，裂缝的扩展介于偏荷载和温度应力单独作用时裂缝扩展路径之间，比偏荷载作 用时的裂缝扩展途径更垂直一些。 2 2 2 反射裂缝的横向扩展 反射裂缝在瞬间是不可能贯穿整个路面宽度的，除非在应力作用时，裂缝的长度已 经等于或大于相对于整个路面宽度的临界长度( 这里的临界长度是指当裂缝的长度接近 或大于该长度时，裂缝的扩展非常快而且是不稳定的) 。较为合理的发展过程是裂缝首 先在路表面某些位置产生，然后再向两侧扩展。一般情况下，反射裂缝多出现在轮迹 处，因为温度对反射裂缝的影响在整个路面宽度内都是相同的，而行车荷载则是以一定 的频率分布在车道上的，尤其在渠化交通的道路上。与面层开裂有关的问题是环境因素 的负效应，反射裂缝一经出现，水分的浸入、沥青的氧化以及行车荷载的反复作用，常 常加速反射裂缝向四周扩展。因此，如何延缓反射裂缝的产生和扩展时间，必须从混合 料本身着手进行深入研究。 2 3 影响反射裂缝的因素 除了温度、行车荷载等外界因素外，路面结构本身特性对反射裂缝的产生也有一定 东北林业大学硕士学位论文 的影响，尤其旧路面与罩面层之间的层间粘结性能“”对反射裂缝的影响也很大。 对于弯拉型反射裂缝，在汽车荷载作用下，对罩面层中的应力分析结果表明：汽车 荷载应力随层间界面粘结能力的减小而增大，随罩面层厚度的增加而减小。各种因素对 反射裂缝的产生可能性的影响分析见表2 - 1 。 表2 - 1反射裂缝影响因素分析表 基于以上分析，影响温度型反射裂缝的主要因素包括罩面层劲度模量、罩面层与旧 路面的粘结应力、旧路面板的线收缩系数、罩面层厚度、接缝宽度、混凝土板的弹性模 量及其厚度：影响剪切型反射裂缝的主要因素有接缝传载能力、罩面层的劲度模量、罩 面层厚度、罩面层泊松比，其中罩面层厚度既影响温度型反射裂缝，又影响剪切型反射 裂缝。 总之，当接缝宽度较小、旧路面板较长、路面材料线收缩系数较大而层间粘结又较 紧密时，罩面层中温度型反射裂缝最可能产生：相反，在旧路面板厚度较小而层间粘结 又较差的情况下，罩面层中容易产生荷载型反射裂缝，如果混凝土板接缝的传荷能力很 差，那么在罩面层中产生剪切型反射裂缝的可能性最大。 综上所述，对反射裂缝产生和发展的机理有如下认识： ( 1 ) 温度应力引起反射裂缝的产生，并“参与”了其最初的发展。 ( 2 ) 荷载应力加速了裂缝的发展。这两点认识在特定环境、路况及交通等条件下是 正确的。在分析反射裂缝的产生和发展时，温度应力和荷载应力都应考虑，但其相对重 要性是随气候条件、罩面材料性能、交通状况、旧路面的损坏状况等的不同而不同。 ( 3 ) 影响反射裂缝的因素，除温度、行车荷载因素外，路面结构特性对反射裂缝的 产生也有一定的影响，其中罩面层与旧路面的粘结特性、罩面层的模量、板的长度、罩 面层的厚度等对温度型反射裂缝有较大的影响：路面板接缝的传荷能力、罩面层模量、 罩面层厚度等对荷载型反射裂缝有较大的影响。 “) 沥青罩面层中的反射裂缝从其产生到破坏经历了三个阶段：产生、发展、破坏， 其中发展阶段包括裂缝在罩面层厚度方向上的扩展和在其表面的横向扩展。即使路面出 现了反射裂缝，如养护及时、减少环境因素的负效应，控制反射裂缝的进一步扩展，那 么存在反射裂缝的罩面结构就不会立即破坏了。 根据以上分析，裂缝产生的原因是路面无法承受因底层移动而产生的剪应力与拉伸 一一 ：墨墅銎竺耋兰篁2 1 垩 应力。在沥青罩面层的下面加铺土工布或玻璃纤维格栅，目的是抑制应力，释放应变， 作为沥青混凝土抗拉伸的增强材料，达到减少裂缝的目的n 刀。但是，实践证明，加铺土 工布或玻璃纤维格栅并不能很好的解决反射裂缝，因此，本文寻求一种沥青混合料来吸 收旧路面产生的反射裂缝 2 4 本章小结 本章通过分析反射裂缝产生的原因，可知反射裂缝主要由温度和荷载引起，并通过 横向和纵向的扩展反射到路面，其中罩面层与旧路面的粘结特性、罩面层的模量、板的 长度、罩面层的厚度等对温度型反射裂缝有较大的影响；路面板接缝的传荷能力、罩面 层模量、罩面层厚度等对荷载型反射裂缝有较大的影响，进而提出加铺应力吸收层来解 决反射裂缝。 9 3 旧水泥混凝土路面路况调查与评价 3 1 同三公路水泥混凝土路面状况 同三公路沙河子至哈尔滨段一期工程于1 9 9 7 年1 0 月建成通车，二期扩建工程于 2 0 0 2 年5 月开始实施，至2 0 0 4 年9 月方正至哈尔滨段由二级汽车专用路扩建为高速公 路，沙河予至方正段扩建的高速公路也将计划于2 0 0 5 年9 月建成通车。最早通车的一 期工程段已服务8 年，仅进行过常规养护，一直未作大修改造。由于路面损坏严重，影 响了道路通行能力和服务水平( 快速、安全、舒适度) ，尤其是沙河子至哈尔滨方向的 半幅，道路破损十分严重，因此有必要对同三公路公路一期工程进行改造维修。 本项目为同三公路沙河子至哈尔滨段旧路改造维修工程，起迄桩号为1 0 4 3 + 6 6 0 k 5 6 7 + 0 8 0 ，全长2 2 3 4 2 0 公里。其中水泥混凝土路面起迄桩号为k 4 0 2 + 3 5 0 k 5 1 2 + 6 5 5 ，全长1 1 2 4 2 0 公里 3 1 1 路面设计技术标准 公路等级及地形类别：全封闭、全立交平原微丘区四车道高速公路。 计算行车速度：8 0 公里小时。 路基、路面：路基宽2 4 5 2 m ，路面宽2 3 2 m 。 路面标准轴载b z z - 1 0 0 。 3 1 2 路面结构 路面结构层为2 4 c m 水泥混凝土面层+ 1 8 c m 6 水泥稳定砂砾+ 1 8 c m 5 水泥稳定砂 砾。 3 1 3 沿线地理情况 ( 1 ) 地形地貌路线地处三江平原西部，张广才岭延伸地带。地势南高北低，走向 由东向西基本平行于松花江。地貌形态为沟谷交错，起伏连绵，相对高差较大，属山岭 重丘区。地表植被以耕地和林地为主，林地以人工林和次生灌木林为主，沟谷湿地长有 喜水性植物。 ( 2 ) 气侯、水文及自然区划本路段属于北温带大陆季风性气侯区，具有春季风大 干燥，夏季炎热多雨，秋季低温早霜，冬季寒冷多雪的特点。年平均气温3 2 。c ，极端 最高气温3 6 4 。c ，极端最低气温一4 1 1 。c 。年平均降雨量为5 4 2 6 r a m , 降雨期集中在6 8 月份。最大积雪厚度为5 0 c m ，最大冻深为2 1 m 。地面稳定冻结日期为1 1 月下旬，稳定 解冻日期为翌年4 月中旬。最大风速为3 0 m s ，平均风速为4 3 m s 。 由于沿线地形及沉积类型不同，形成多种地下水类型。平原区、河谷漫滩区，由于 各河流之间无稳定隔水层，形成一个统一的第四系含水岩组，赋存孔隙潜水。地下水受 季节变化影响较大，春、夏两季水位较高，秋、冬两季水位较低。其补给以降雨为主。 3 旧水泥混凝土路面路况调查与评价 丘陵区分布大面积花岗岩、变质岩及沉积岩组，主要贮存基岩裂隙水，补给途径为大气 降水。由于上部裂隙发育，渗流途径长，所以地下水位埋深较深。 公路自然区划为l i 区，即东北东部山前湿润季冻区。 ( 3 ) 地震和地质概况根据中国地震烈度区划图( 1 9 9 0 ) ，确定沿线地区为度 地震烈度区，未发生过破坏性地震。按交通部颁发的公路工程抗震设计规范的规定 不进行特殊的抗震设计，对桥涵构造物采用构造设防的措施。 本路段区域内地质构造可分为：东西构造体系、华夏构造体系、新华夏系构造体 系、华夏式构造体系。项目区内地质主要以断裂构造为主。 沿线地层构造主要为全新统冲积层、上更新统冲积层。主要成分上部为黄色、黄褐 色及黑色亚粘土、淤泥质亚粘土，下部为黄色、灰色砂、砾石层。岩性主要是元古代花 岗岩，其顶部风化带呈砂状、砾状，中等密实，下部较硬。 路线所经地区，出露地层较多，但大部分为第四系冲积层，断裂地质构造处未发现 活动，地质稳定性较好，其强度基本满足路基设计要求，局部地段为软弱土层，需要处 理。 3 1 4 旧路调查状况 ( 1 ) 旧路路基状况总体描述沿线旧路路基大部分较稳定。路基路面排水系统( 包 括边沟、排水沟、截水沟、拦水埂、路堤边坡急流槽等) 较为完善；路堑圬工防护工程 破坏较多、路堤基本无防护。路基方面出现的问题有：个别高路堤路基失稳、边坡滑 坍。少量高路堤路段，路面破坏与路基破坏交互作用，路基呈现失稳迹象。路堑边 坡普遍较陡，需放缓边坡；大部分拱形护坡表面勾缝脱落。部分路堑段右幅路面出现 较深车辙、纵裂和沉降，致使相应路段的路肩塌陷、边沟破坏。边沟和排水沟勾缝破 坏较严重，少量拦水埂变形，少量路堤边坡急流槽破坏。 ( 2 ) 旧路路面状况外观描述旧路面表观状况分级标准统计结果如表3 1 “。旧路 面设计容许弯沉值( 末年) 为4 1 3 3 ( 1 l o o m m ) ，按交通部公路沥青路面设计规范 j t j - 0 1 4 - - 9 7 折算设计弯沉值( 初年) 应为3 4 4 4 ( 1 1 0 0 m m ) 。受双侧不对称轴载数量的 影响，路面右幅普遍比左幅差。部分旧路面已大面积补修过。调查结果见表3 - 1 表3 1 路况外观调查表 ( 3 )旧路路面实测弯沉旧路面各路段计算弯沉值= 实测弯沉值的平均值+ 1 5 实 测弯沉值的标准差。旧路路面的计算弯沉值统计结果如表3 - 2 、3 - 3 、3 - 4 。 表3 - 2 计算弯沉统计表 弯沉计算值 路段长度( k m )长度比例( )备 注 ( 1 l o o m m ) 2 0 l 4 0 4 0 9 0 5 7 7 9 3 6 4 7 1 1 8 3 1 0 7 6 7 4 2 1 9 标准差范围为5 8 3 4 2 合计 5 4 0 7 9 表3 - 3 实测弯沉标准差统计表 实测弯沉值标准差 ( m o o m m ) 5 8 9 5 9 5 2 1 6 1 1 8 1 8 8 1 6 3 2 4 2 1 8 5 3 4 2 计算弯沉值集中范围 路段长度o ( m )长度比例( ) ( 1 l o o m m ) l 3 5 4 5 l 6 0 6 0 l 7 5 7 5 9 0 o 5 0 4 1 4 6 9 1 1 3 7 9 8 1 3 2 5 6 1 1 8 3 0 9 2 7 2 2 5 5 2 4 5 2 1 9 表3 - 4 路面实测弯沉统计表 平均弯沉值 ( 1 1 0 0 m m ) 水泥砼路面( 1 1 0 3 0 5 b ) 路段长度( k m )所占比例( ) s 1 9 7 3 1 7 6 7 7 3 2 0 4 93 4 8 6 3 2 2 7 兰5 0一 一 “) 路面钻芯取样及强度试验结果见表3 5 。 表3 - 5 路面钻芯取样及强度试验 编号桩号说明高度( 锄)容重( 咖m 3 ) 芝勰严 ll ( 5 0 6 + 4 0 02 1 62 44 5 4 2 3 k 5 0 3 + 9 5 0 k 5 0 5 + 8 5 0 k 5 0 0 + 7 6 0 l ( 5 0 0 + 7 k 4 9 2 + 4 0 0 左行车道( 东) 右行车道( 东) 东 右、西 右、东 1 2 2 1 4 1 9 1 8 3 1 9 5 1 9 3 2 4 2 3 9 2 3 6 2 - 3 9 2 3 l 4 7 3 5 4 5 4 2 4 7 3 4 7 2 k 5 0 5 + 8 5 0 k 4 9 2 + 4 0 0 k 4 3 6 + 5 k 3 9 5 + 8 2 0 硒9 8 + 8 5 0 k 4 3 6 + 5 k 3 9 9 + 6 0 0 k 3 9 8 + 8 5 0 k 4 3 4 + 9 5 0 l ( 3 9 5 + i k 3 9 5 + 8 2 0 l ( 5 0 6 + 6 0 0 k 3 9 9 + 6 k 4 3 4 + 9 5 0 k 3 9 5 + 1 0 0 k 4 1 争m 3 9 k 4 l 争m 3 3 k 4 2 3 + 9 1 2 k 4 2 3 + 9 0 5 k 4 3 6 + 7 6 0 k 4 3 6 + 7 6 5 k 4 9 0 + 11 0 k 2 9 3 + 6 0 0 k 2 8 5 + 9 0 0 k 2 8 5 + 9 0 0 k 2 9 3 + 6 0 0 k 5 0 4 + n 5 k 5 0 4 + 1 2 0 l 凸0 4 + 1 2 5 右、西 右行车道、西 右行车道、西 左行车道、西 右行车道、东 右行车道、西 左行车道、东 右行车道、东 右行车道、东 右行车道、东 右行车道、西 右行车道、东 左行车道、西 右行车道、西 右 右 西 右 左 左 左 左行、南 右行、北 右行、南 左 左、纵裂板 左、纵缝板 左、纵缝板 1 8 6 2 0 2 2 2 0 2 2 5 1 9 2 2 2 2 2 4 2 l 2 3 2 1 2 0 5 2 3 5 2 2 2 1 3 1 6 8 1 5 s 1 5 2 2 2 6 2 5 2 1 4 6 2 2 2 2 2 2 0 7 2 1 8 2 0 1 8 5 1 9 2 2 4 2 3 6 2 _ 3 6 2 3 8 2 3 6 2 3 7 2 3 9 2 3 7 2 4 3 2 4 2 4 2 3 9 2 4 2 5 l 2 4 2 3 9 2 4 2 4 1 2 4 1 2 4 2 3 8 2 4 2 3 4 2 3 6 2 3 7 2 3 5 2 4 2 4 l 2 4 5 1 7 4 跖 5 3 3 5 9 1 5 5 2 4 8 4 5 6 3 5 1 9 8 舫 5 傩 4 9 4 4 7 6 5 3 7 ( 有钢筋) 5 2 4 4 9 2 4 7 7 5 8 6 5 配 4 4 4 5 i 5 0 6 5 3 4 5 2 4 5 0 4 4 7 4 5 3 8 5 4 7 5 6 8 3 2 同三公路水泥混凝土路面破坏分类 水泥混凝土路面的评价应着重考虑其使用性能，并通过调查分析在使用过程中存在 哪些影响路面使用性能的路面破坏形式，分析其路面所在路段的路基路面病害原因。 1 3 8 9 m n ! d h u插玎博侈甜复m筋笳嚣凹如”弛驺弘鲐孙 - - - - 一 至苎茎些查兰堡圭：竺兰兰 。 3 2 1 水泥混凝土面板破损的主要类型 水泥混凝土路面破损的主要类型可按破坏的形式分类：即结构性破损和表面破损两 类。结构性破损的主要形式有：纵向开裂、横向及斜向开裂、断板、板的错台、唧泥 等。表面破损主要形式有：碎裂剥落、表面磨损等。破损形式见图3 _ 1 、3 - 2 、3 - 3 、3 - 4 。 图3 - 1 主板断板 图3 - 3 唧泥 图3 - 2 碎裂剥落 图3 - 4 横向裂缝 3 2 2 水泥混凝土面板病害的主要类型 水泥混凝土路面破坏的发生，可分为外界因素、设计缺陷、施工缺陷以及各种因素 互相影响而引起的。因此，必须做好调查，查明原因，采取针对性治理措施。通过对同 三公路k 4 0 2 + 3 5 0 一k 5 1 2 + 6 5 5 水泥混凝土路段的调查可知，该路段的路面病害类型主要 有：破损、露骨、沉陷、唧泥、凸起、胀缝、坑洞、裂缝、网裂、断板“”等，具体数量 及类型见表3 6 ，病害形式见图3 5 、3 6 、3 7 、3 - 8 。 ：! ! 銮鎏鎏丝圭塑璺塑翌望垂耋互竺 圈3 - 5 交叉裂缝 图3 - 7 接缝损坏 图3 - 6 角隅断裂 图3 _ 8 纵向裂缝 表3 _ 6 调查范围、类型及数量 破坏类型项目 起讫桩号左幅右幅全板r 表破损( m z )k 4 0 2 + 3 5 0 一k 5 1 2 + 6 5 52 7 6 94 2 06 8 2 7 面露骨k 4 0 2 + 3 5 0 一k 5 1 2 + 6 5 5 7 7 31 5 5 22 3 2 5 破 沉陷( f )k 4 0 2 + 3 5 0 一k 5 1 2 + 6 5 55 4 9 68 9 61 4 4 5 6 损 结 构 性 破 损 唧泥( m b 凸起( 一) 胀缝 ( 处)