（道路与铁道工程专业论文）超薄白色罩面直道足尺试验研究.pdf

中文摘要 超薄白色罩面作为国内崭新的课题，根据研究现状提出了基本研究策略，以 利于该技术在我国的发展。 材料试验的结果反映，普通混凝土是无法满足2 4 h 开放交通的要求的，因此 超薄混凝土应结合早强混凝土配制技术的应用。通过水泥混凝土和沥青层的界面 剪切试验了解到，复合界面的剪切强度是随着温度增大呈线性降低的。在低温下， 界面剪切强度随竖向压力增大而减小，在常温和较高温度下，则随着纵向压力的 增大而增大。 通过直道试验了解到，动应变与当量轴载次数之间有着相关性很好的指数关 系，且证实层间具备一定粘结性。动载应变随标准轴载次数的增加而逐渐增大， 其变化发展过程可分为三个阶段。加铺超薄白色罩面之后，路面各方案弯沉显著 减小。随着运行时间的增加，各方案的弯沉有了较大发展。从路面弯沉，动态模 量检测结果，结合裂缝的出现与发展以及最后的破坏程度，各方案的路用性能由 优到劣，排序如下：方案三方案四方案五，方案二方案一。 钻芯结果显示在施工中保证了超薄白色罩面与旧沥青层之间的粘结，并发现 施工中过刨然后加铺新拌料的方法是不可取的，易于造成层问分离和板底脱空。 综合各项结果认为合适的厚度与接缝问距、下卧层基础强度、纤维混凝土材料及 较高的施工水平均对提高路用性能，延长面板使用寿命起到了很重要的作用，而 基础强度和恰当的结构组合的决定性更大。 关键词：超薄白色罩面加速加载试验纤维混凝土界面剪切动载应变 裂缝粘结 a b s 仃a c t u l t r a t h i nw h i t e t o p p i n g ( u t w b r i e f l y ) i sa l lu l t r a - n e wt o p i ci nc h i n a a c c o r d i n g t ot h ep r e s e n ts t a t u so fr e s e a r c ho nu t w ：ar e s e a r c hs t r a t e g yw a sc o m eu pw i 廿1t 0 f a c i l i t a t et h ed e v e l o p m e n to fu t w t e c h n o l o g yi nc h i n a t h er e s u l t so fm a t e r i a lt e s ts h o w e dt h en o r n l a l c o n c r e t ec o u l dn o tm e e tt h e s t a n d a r d so fu t wf o ro p e n i n g 舰硒ci n2 4h o u r s t h e r e f o r e n e wa d v a n c e dc o n c r e t e t e c h n o l o g i e ss h o u l db ei n v o l v e di n i nl a b o r a t o r yt e s t s f i b e r sc o u l dl a r g e l yi r e p r o v e t h et o u g h n e s so fc o n c r e t e ，a n dp r e v e n tt h eo c c u r r e n c ea n dd e v e l o p m e n to fc r a c k s i n t h ei n t e r f a c es h e a r i n gt e s t s ，t h es h e a r i n gs t r e n g t ho fc o n c r e t ew a sf o u n dt oi n c r e a s e w i t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s i n g a tl o wt e m p e r a t u r e ，t h es t r e n g t hd e c l i n e dw i t ht h e v e r t i c a lp r e s s u r ei n c r e a s i n gw h i l ea tn o r m a lo rh i 曲t e m p e r a t u r e ，i ti n c r e a s e dw i t ht h e p r e s s u r e h l 如1 1 - s c a l et e s to fa l rt h ed y n a m i cs t r a i n si n c r e a s e dg r a d u a l l yw i t ht h e e q u i v a l e n ts t a n d a r da x l el o a d i n gt i m e si n c r e a s i n g t h ed e v e l o p m e n to ft h es t r a i n s c o u l db ed i v i d e di n t ot h r e es t a g e s i ns t a g ei ，t h ec h a n g er a t eo fd y n a m i cs t r a i n si s r e l a t i v e l yg e n t l ea n ds t e a d y i ti sa l li n i t i a ls t a g et h a tt h ep l a t e sc o u l db e a rt h el o a d i n g r e p e t i t i o n sb yi t ss t r e n g t h i ns t a g ei i ，t h es t r a i n sd e v e l o pg r a d u a l l yb e c a u s eo ff a t i g u e e f f e c t s ，a n ds oi ti sc a l l e das t a g eo fm i n i c r a c k s o c c u r r e n c e i ns t a g ei i i s t r a i n s i n c r e a s er a p i d l ya n dt h ec r a c k sd e v e l o pg r e a t l y , t h eg a u g e sw e r ep u l l e di n t ot w o i t w a sd i s c o v e r e di nt h i sp a p e rt h a tt h ed y n a m i cs t r a i n sw e r ei ng o o de x p o n e n tr e l a t i o n w i t ht h ee q u i v a l e n tl o a d i n gt i m e s a f t e rb e e nr e h a b i l i t a t e db yu t w ：t h ed e f l e c t i o n so fd i f f e r e n tl o c a t i o n si nt h e p a v e m e n tw e r es i g n i f i c a n t l yr e d u c e d w i t ht h el o a d i n gt i m e s t h ed e f l e c t i o n s d e v e l o p e d f r o m th ede f l e c t i o nte s t i n gre s u l t s ，th ebe a r i n gc a p a c i t i e softh ete s t i n g s e c t i o n sw e r ei ns e q u e n c ea s ：s e c t i o ni i ib e t t e rt h a ns e c t i o ni v , a n ds e c t i o ni vb e t t e r t h a nse c t i o nv th ed y n a m i cm o d u l u ste s t i n gre s u l t sga i n e dth es am eco n c l u s i o n s c o m b i n e dw i t ht h eo c c u r r e n c e ，d e v e l o p m e n ta n dd a m a g el e v e lo fc r a c k s t h e p e r f o r m a n c eo fa l ls e c t i o n si ss o r t e df r o mt h ee x c e l l e n tt ot h ei n f e r i o ra sf o l l o w s ： s e c t i o n i s e c t i o ni v s e c t i o nvs e c t i o ni i s e c t i o ni t h ef a i l u r e c o n d i t i o nf r o ms e c t i o nit os e c t i o nvc o u l db er a t e da s ：b a d ，i n f e r i o r , m e d i u m ，b a d ， a n d b a d r e s u l t so fs a m p l e d r i l l i n gs h o w st h eb o n d i n gb e t w e e nu t wa n do l da s p h a l t1 a y e r w a se n s u r e di nc o n s t r u c t i o n t h em i x t u r ea d d i t i o ni s s u g g e s t e dt 0a b a n d o na f t e r o v e r - m i l l i n g - a n d d i g g i n gt h ea s p h a l t w h i c hw o u l dr e s u l ti nd e b o n d i n go ft h e i n t e r f a c ea n df a u l t i n go ft h ep a n e l i nc o n c l u s i o n ，p r o p e rt h i c k n e s sa n d j o i n ts p a c e ， f i b e r si nc o n c r e t e ，a n dp r e f e r a b l ec o n s t r u c t i o ni e v e ig r e a t l ya t t r i b u t et oi m p r o v i n gt h e p a v e m e n tp e r f o r m a n c ea n dp r o l o n g i n gt h es e r v i c el i f eo ft h ep a n e l s h o w e v e r , t h e b a s es t r e n g t ha n dt h ea p p r o p r i a t es t r u c t u r ec o m b i n a t i o nd e t e r m i n em u c hm o r e k e yw o r d s ：u l t r a - t h i n gw h i t e t o p p i n g ，a c c e l e r a t e dp a v e m e n tt e s t ，f i b e rc o n c r e t e ， i n t e r f a c es h e a r i n g ，b o n d i n g ，d y n a m i cs t r a i n s ，c r a c k i n g i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。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后果由本人承担。 作者签名：弓歆茅j日期：姗4 年r 月珥日 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。本人授权长沙理工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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密囤，在一昱一年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 日期：泖i 年r 月2 9 日 日期：d 垆年r 月纠6 日 1 1 问题的提出 第一章绪论 沥青路面因具有地质条件适应性强、行车舒适、维护方便等优点得到广泛应 用。但在繁重的轴载负荷和密集交通量的反复作用之下，并经受气候、环境的影 响，沥青路面会逐步出现病害，主要有裂缝( 纵向裂缝、横向裂缝、龟裂) 、变形 ( 车辙、波浪或搓板、沉陷、隆起) 、松散( 磨光、松散、剥落、坑槽) 及其它( 泛油) 四大类。路面一旦出现病害，就应及时分析病害成因，及时采取有效措施进行处 治，否则不仅会降低道路的使用性能，影响行车的安全、舒适、快捷、畅通，而 且会因处理不及时或措施不当而导致道路结构性破坏。 在高等级公路上，由于分车道行驶和渠化交通，当路面温度较高，由于沥青 混合料的粘弹性特性，很容易因此产生较大的永久变形。对于我国大量城市道路 及公路交叉口、收费站出入口、停车场等特殊位置，由于车辆的起动制动产生很 大的水平剪力，从而很容易使沥青面层出现推挤、雍包等破坏。为了解决这个问 题，大部分修复方法采用铣刨旧沥青层后再加铺一层新沥青混合料，但多年实践 证明，这样加铺的沥青混合料压实度往往达不到要求，耐久性变差，更容易在水 平力作用下产生剪切破坏，同时容易使地面水下渗，引起水损害。因此，采用该 方法效果较差，修复后正常使用间隔短，影响了道路的服务能力与安全性，也带 来不良的社会影响。因此，如何快速、优质地大面积修复因为非结构性破坏而导 致的路面损坏，保证道路的完好率，同时尽量减少路面旧材料对环境的污染，是 当前以及今后公路管理部门面临的问题。 超薄白色罩面( u l t r a t h i nw h i t e t o p p i n g ，简称u t w ) 由美国在9 0 年代开始 研究，是一种快速高效而且经济的旧沥青路面维修方法，这一课题逐渐受到北美 与亚洲许多国家和地区关注，并开展了许多相关研究。目前这个领域已经成为国 际道路界普遍关注的新兴的热门课题之一。 纵观世界道路工程技术的发展趋势，结合我国当前的情况可以确定，在我国 沥青路面建设方兴未艾的今天，开展关于超薄白色罩面的研究，对于避免沥青道 路维修技术研究中发达国家所走的弯路，为我国今后沥青路面维修与养护等方面 进行全方面技术支持，是道路工作者必然的选择之一。而明确超薄白色罩面实践 与理论的研究的意义，结合我国国情，制定我国超薄白色罩面研究的计划和策略， 评定超薄白色罩面在我国的适用性，对提高我国沥青路面维修技术水平具有非常 重要的意义。 超薄白色罩面的产生为解决即将面临的沥青路面大量维修和自然资源日渐紧 缺问题，提出了新的思路，为城市道路与中轻交通量的中低等级公路路面维修， 提供了一种新的有效的技术措施。 1 2 研究概况 超薄白色罩面是一种厚度为5 1 o c m 之间的，有较短接缝间距的，铺筑于旧 沥青路面上且与之完全粘结的水泥混凝土罩面。自2 0 世纪9 0 年代初首例超薄白 色罩面技术应用于旧沥青路面维修以来，超薄白色罩面一直为各国学者所关注， 并开展了多方面的研究工作。这些研究工作概况起来，可分为：( 1 ) 超薄白色罩 面的特殊混凝土材料；( 2 ) 环境条件对超薄白色罩面路用性能的影响；( 3 ) 超薄 白色罩面的加速加载试验；( 4 ) 超薄白色罩面试验路加载试验与长期性能观察； ( 5 ) 超薄白色罩面的力学分析方法；( 6 ) 超薄白色罩面的设计方法。由于本文 的着重点在于超薄白色罩面的路用性能的相关试验与分析，故对后两方面暂不介 绍。就上述前四个方面的国内外研究工作概述如下： 1 2 1 超薄白色罩面的特殊混凝土材料 与普通混凝土相比，国外超薄白色罩面混凝土配比中主要将添加纤维、低水 灰比( 高水泥用量) 、添加特殊外掺剂等方法结合起来，以达到早强、高强，提 高抗裂整体性与耐久性的目的。 超薄白色罩面是一种小尺寸板块型的路面，混凝土面板在行车荷载和温度变 化等因素下产生压应力和弯拉应力。混凝土面板所受的压应力与混凝土的抗压强 度相比很小，而所受的弯拉应力与抗弯拉强度的比值则大得多，可能导致混凝土 面板较快发生疲劳开裂破坏。因而，混凝土的抗弯拉强度对路面的使用寿命有重 大影响。由疲劳方程可知，强度的变化同路面允许的标准轴载作用次数的对数成 正比。增加混凝土的强度，可大大延长路面的使用寿命，有十分显著的经济效益。 在超薄白色罩面中，使用高强性能的水泥混凝土显得尤为重要。 超薄白色罩面的施工要求尽早开放交通使影响尽可能小，一般2 4 小时3 天 内完成施工并恢复交通，因而超薄白色罩面需要使用早强混凝土。所谓早强混凝 土，指的是标准养护三天的强度达到2 8 d 标准强度的7 0 及以上的混凝土。世界 各国拌制的途径大致有：利用快硬早强型水泥、使用早强剂及多种外加剂，掺加 2 特种矿物材料等。 在原材料用量不变及保证混凝土和易性不变的前提下，水灰比越小其混凝土 强度越高。a c l 3 6 3 委员会在1 9 9 4 年的高强混凝土研究现状中指出：对于某 些集料，当水泥用量增加或水灰比降低到定程度后，强度不再提高，不可一味 依赖水灰比降低来提高混凝土强度。所以要想配制出高、早强混凝土，只能适当 降低水灰比，使用早强效果好的高效能外加剂。国外u t w 混合料中常用的外加 剂类型除了减水剂外，还有引气剂、促凝剂、增塑剂等，主要是要提高混凝土其 它方面的一些性能。 国外超薄白色罩面采用的纤维混凝土绝大多数使用的纤维类型包括：聚丙稀 纤维、聚烯烃纤维、钢纤维或玻璃纤维，其中，后三者由于种种原因应用不如聚 丙稀纤维广泛。使用纤维的目的主要是提高强度和提高开裂后整体性等。聚丙烯 纤维是一种新型的混凝土增强纤维，特点是：直径小( 1 0 | jm l0 0l am ) 、数量多、 易分散，但弹性模量较低( 3 5 g p a - - 一3 8 g p a ) 。在混凝土中的通常用法是以较低的 掺量( 纤维体积率v f 一般不大于0 2 ) 直接投入混凝土拌合物中，依靠拌合物 自身的摩擦和揉搓作用使纤维分散。 研究高早强水泥混凝土的学者认为，聚丙烯纤维和磨细矿渣共同掺入可增强 纤维与水泥基材的粘接力，大幅度提高混凝土的阻裂效应和补强效应，降低混凝 土的脆性，提高混凝土材料的连续性和完整性，有利于混凝土材料后期抗拉强度 的增长和混凝土结构的安全性和耐久性。由于聚丙烯纤维具有不亲水性，纤维与 基材界面的水灰比往往高于基材本身，形成弱界面效应。加入磨细矿渣可增加纤 维与基材的接触面积，改善界面特性，提高纤维的界面粘结强度。掺入低体积率 的微细聚丙烯纤维，不仅不影响混凝土的搅拌工艺，反而有助提高混凝土的粘聚 性和抗泌水性。 国外对纤维混凝土进行不少研究，s h a h 在水泥混凝土中分别添加了玻璃纤 维、钢纤维和聚丙稀纤维，其试验结果显示，添加的纤维体积含量小于l 时几 乎对混合料的抗折强度没有影响，只有大于2 时才可以比较明显地看到抗折强 度有明显的增强效果【56 1 。g r o n d z i e l 使用6 0 k g m 3 的钢纤维、o 4 6 的水灰比及 3 5 0 k g m 3 的水泥浇筑钢纤维水泥混凝土，2 8 d 抗折强度达到7 3 m p a ，与未掺钢 纤维的混凝土的5 5 m p a 相比有相当大提高【5 ”。j o h n s t o n 曾在加拿大a l b e r t a 城 市路面中使用钢纤维混凝土，该混凝土( 3 0 0 k g m 3 水泥和10 0 k g m 3 粉煤灰) 使 用好几种钢纤维，含量为4 0 8 0k g m 3 ，测出的2 8 d 抗折强度达到4 7 5 7 m p a ， 其中有一例为6 8 m p a 5 引。i o w a 的一条城市u t w 道路的混凝土配比使用2 9 8 k g m 3 3 水泥，5 6 k g m 3 粉煤灰和2 6 k g m 3 的减水剂，2 8 d 抗折强度约4 6 - - 4 8 m p a 59 1 。 h a l l i n 在日本城市快速路的几个方案中，厚度5 0 m m 和6 0 m m 的u t w 的2 4 h 抗 折强度在3 5 m p a 左右【6 0 1 。从这些项目的结果看来，纤维对抗折强度提高程度不 够理想。 许多工程同时结合使用低水灰比、纤维和外加剂，以尽可能提高或改善混凝 土的各种性能。如，k e n t u c k y 州的某些城市道路使用的混凝土配合比中除了使用 1 7 8 k g m 3 纤维外，每1 0 0 k g 水泥还添加了0 9 8 m l 减水剂，最终2 4 h 抗折强度可 达5 2 3 m p a ，2 8 d 可达7 0 7 m p a 。 圣路易斯机场的试验方案1 6 1 】中，混合料配比中每4 5 k g 水泥加入5 3 m l 和1 6 3 m l 引气剂和减水剂。其中混凝土还添加了1 8 k g m 3 的聚丙稀纤维。由于水灰比很低， 仅o 3 2 ，两种外加剂可改善新拌混凝土的工作性，减水剂又可提高混凝土强度， 使混凝土早期强度提高3 0 5 0 。现场的混合料试件2 8 d 劈裂强度为4 6 5 m p a ， 但室内试验梁式试件的劈裂强度一般都大于6 8 9 m p a 。 2 0 0 0 年渥太华一个巴士站u t w 设计和施工【旧】时，r i c of u n g 在混合料中选 用3 9 0 k g m 3 水泥，o 3 5 的水灰比，7 1 5 的含气量( 现场) ，纤维用量1 6 k g m 3 ， 纤维长度2 0 m m 。试验结果显示，2 4 h 抗压强度为2 0 m p a ，2 8 天抗压强度3 2 m p a 。 在1 2 个柱形试件( 1 0 0 m m 2 0 0 m m ) 中，试验室养护条件下4 个试件2 4 h 抗压 强度平均2 7 m p a ；两个现场养护试件3 6 h 平均强度达到2 0 5 m p a 时，车站正式 开放交通。 国内学者研究认为，在常温条件下向普通混凝土中掺入适量的l w 早强外加 剂，可使混凝土1 3 天强度达设计强度的7 5 以上。但该外加剂与水泥的作用 受外加剂的剂量、环境温度、湿度、混凝土的龄期以及水泥质量等因素的影响【6 6 】。 早在9 4 年，交通部重庆公路科研所已经成功研制成了公路快硬早强混凝土，该 混凝土在气温5 以上施工时，用于大规模混凝土工程，3 d 达到设计强度的7 5 ， 用于局部或维修工程，2 4 h 可达设计强度的7 5 t 5 6 1 。 可见，国内的高早强混凝土技术也相当进步，足以在超薄白色罩面工程中发 挥应有的效用。 1 2 2 环境条件对超薄白色罩面路用性能的影响 水泥混凝土路面的温度随一年四季大气温度周期性变化以及每天白昼黑夜气 温的变化而产生周期性的变化。由于混凝土材料的不可塑性，伴随温度变化，混 凝土将产生明显的体积变化，路面将由此产生膨胀、收缩等变形，即温度变形。 4 如果路面因温度变化所产生的变形受到约束，不能自由伸展收缩，则路面内部将 产生温度应力。温度应力和荷载应力是普通混凝土路面产生破坏的主要因素，因 此路面的温度变形和温度应力是普通混凝土路面设计的重要因素。 而超薄白色罩面的几何尺寸，无论平面尺寸，还是厚度，都远小于普通水泥 混凝土板路面。国外不少学者研究后认为，混凝土材料在外界温度的变化下产生 的温度变形与温度应力不足以造成超薄白色罩面的破坏。 明尼苏达州交通厅j u l i em v a n d e n b o s s c h e 研究了u t w 在环境变化下的路面 响应，认为尽管u t w 中存在较大的温度梯度并在混凝土层中产生一定的弯曲应 力，但由于接缝间距很短和层间粘结力，使得弯曲应力大小几乎可忽略不计【1 4 1 。 s u d a r s h a n 通过加速加载试验，认为提高温度对足尺u t w 罩面并没有造成任 何结构性破坏 5 1 。c h u n g l u n gw u 在圣路易斯机场中心u t w 试验路的现场试验 中也观察到：在完全不同的温度条件下的所测应变结果没有明显区别，若不考虑 路面内的温度变化，则所有试验板在各种加载位置下所测应变没有明显差别。他 认为混凝土板内温度差异并不影响应变大小，其可能的原因是板尺寸很小，且沥 青层对板的连续支承使得板的弯曲变形达到最小化【6 2 1 。 1 2 3 超薄白色罩面的加速加载试验 j 为了解各种设计因素，如面板几何尺寸等，以及其它外在因素，对u t w 性 能的影响，国外一些机构利用各种加速加载系统( a l f ) 对u t w 进行试验加以 研究。 9 7 年俄亥俄州l a n c a s t e r 市进行的a p l f ( 路面加速加载系统) 的试验研究【7 】 中，考虑不同的温度、荷载与车速的组合情况，观测超薄白色罩面路面对车辆荷 载的响应，并将试验结果和有限元计算结果进行比较。结果显示，当速度为5 英 里小时( 即8 0 5 k m h ) ，温度为5 0 下( 1 0 ) ，轴载在6 1 0 k i p s ( 2 6 7 4 4 5 k n ) 范围内时，u t w 整体路面结构具有很好的线性；而高温和低速时，路面结构中 应变比较大，说明高温低速使得复合层界面的滑动趋势加大。 9 8 年5 月，a c p a ( 美国水泥混凝土路面协会) l a w r e n c ew c o l e 等利用f h w a 的a l f 对u t w 进行了加速路面试验，认为即使在重载下u t w 罩面层和沥青层 之间仍有着良好的粘结，罩面中的最不利拉应变减小了。此前许多学者曾认为最 大拉应力产生在u t w 面板的角隅处或靠近纵缝边缘中部，他指出自己的试验数 据不能证明这点。但他发现，在动载经过路面的过程中，板中位置的纵向应变 有明显的拉压交替现象，故认为最大动态拉应变是出现在板顶处。但静载试验中 5 又没有观察拉压交替现象，而且横缝边的横向应变无论动载还是静载都没有拉压 交替。这些发现令l a w r e n c e 十分意料，他认为需要更多试验验证才能解释现象 的原因。 9 9 年秋天，s u d a r s h a nr a j a n 等着重研究慢速移动荷载下对u t w 性能的影响 因素【5 】。考虑的因素主要有u t w 厚度和接缝间距。试验中采用了升温、加大荷 载来加速试验的进行，着重分析永久变形和动载应变。试验中所有的u t w 路面 性能完全满足要求，各试验车道经受了重载以及高温的作用运行2 5 万次后，依 然没有较大的弯沉和累积变形。罩面中测得的应变与荷载大小成正比关系，表明 罩面对荷载的反应是线性的，但温度的升高影响了线性性质，且沥青表面的应变 也在高温下有一定增大。在动载应变的测量中，他断定罩面与下卧沥青层之间存 在着足够的粘结力，罩面的厚度和刚度影响了中性轴位置，故显著地影响应变大 小。s u d a r s h a n 在纵向应变测量中也发现了l a w r e n e e 所述的拉压交替现象，他将 此现象解释为当车轮从一块板移动到另一块板上时，路面结构发生相对垂直运 动，这种相对运动使得板的变形有如波浪一般起伏。但没有解释说明其他位置的 应变是否也有此现象发生，如图1 2 1 所示。另外他还认为，10 0 m m 厚的罩面的 接缝间距为1 2 m 就足够。 图1 2 1 应力反转示意图 1 9 9 9 ，佛罗里达中央大学s h i o u s a nk u o 博士等利用学校的环道加速试验系 统对纤维加强的超薄罩面的性能进行研究和评价【7 1 。通过材料试验，他们认为纤 维对于混凝土抗压、抗折强度的提高效果不大。加速试验中，经过8 0 k n 当量标 准轴载运行3 5 68 0 0 次后，重载下的纤维加强u t w 试验路段产生的裂缝相对较 小，裂缝宽度的扩展也明显小于素混凝土，因此认为纤维混凝土用于u t w 最大 的优点在于能够延迟裂缝最初形成以及限制裂缝的扩展。若要有良好的长期性 能，必须保证层间有足够的粘结。据f d o t 材料研究室的试验结果认为，界面的 剪切强度应不小于1 4 m p a 。他们在试验中观察到罩面层存在温度梯度，但没有 产生面板四角翘起的现象，而裂缝一般是大多沿着横向锯缝扩张，因此怀疑锯缝 会导致裂缝形成。根据f d o t 材料研究室的试验研究，7 5 - - 一l o o m m 厚的纤维混 凝土超薄罩面最佳接缝间距应为1 2 2 1 8 3 m 。对于5 0 m 厚度的，接缝间距不大 于1 2 2 m 。 6 c h u n g l u n gw u 等19 9 5 年在圣路易斯机场中心铺筑了一段u t w 试验路进行 现场试验 6 2 1 ，对u t w 在交通荷载和环境效应的影响下的路面反应进行分析，并 在6 年后对继续路况进行了跟踪调查和评价。利用路面中钻取的芯样进行直接剪 切试验和粘结拉拔强度试验，测量界面强度。芯样均在界面上破坏，得到平均直 接拉拔强度为5 0 8 k p a ，平均剪切强度约7 0 0 k p a 。加载试验中，普通边界条件的 中心加载和板边加载产生的应力差不多；自由边界条件的板边加载的应变比普通 边界或板中加载下的要大得多。通过比较研究自由边和普通边界的传荷情况与加 载作用下板的垂直运动，认为缩缝的传载能力非常好。使用6 年后的路面状况调 查显示近120 0 0 m 2 的u t w 路面仅有18 块板开裂，接缝和填料基本完好，个别 有轻微啃边，可能是早期锯缝造成。尽管少数板也有多种裂缝，但破坏的主要形 式是角隅裂缝。各开裂部分基本没有移位，路面依然具备较好服务性。 x i c h e n gq i 在19 9 8 年五月1 9 9 9 年1 1 月进行的a l f 加载对u t w 研究中， 主要分析了弯沉，发现所有车道的弯沉都随着加载次数的增大而增大，并且根据 裂缝长度和开裂板的百分率看来，弯沉的变化率和u t w 的性能相关性非常好， 说明a c 层的强度是影响试验的最重要因素。 k a m a lt a w f i q 博士在f a m u f s u 工程学院针对u t w 的的现场评价和分析模 型，进行了典型罩面的现场试验与测量，对不同的u t w 设计方案采用有限元分 析了板块尺寸与层间粘结力的影响，并与现场试验进行比较校正。根据不同的设 计参数，如罩面厚度、平面尺寸和基层厚度，用高早强纤维混凝土和素混凝土铺 筑了三段足尺u t w 试验路。他认为，7 5 e r a 和1 0 c m 厚的最佳接缝间距为1 2 m 到1 8 m ，5 c m 厚的u t w 接缝间距应不超过1 2 m 。仅通过材料试验还不能确定 纤维对u t w 的影响，因为素混凝土路段和纤维混凝土路段性能都很好。铺筑六 个月后，f w d 试验显示弯沉比原沥青层弯沉小了5 6 ，这表明路面作为两层粘 结的复合单元具备足够的承载力来承担较重交通量。试验路性能好的原因主要是 u t w 施工方法得当和下卧旧路面结构较好。一年内，轮迹上的18 0 0 块板中仅 5 5 发生开裂，以角隅开裂为主，其原因极可能是由于u t w 和沥青层间截面粘 结力的丧失。接缝锯得太迟也会导致角隅开裂和层间分离。通过有限元建模分析 发现，层问粘结强度下降、面板尺寸增大和罩面厚度减小均容易造成u t w 结构 裂缝，危害u t w 使用性能。他认为层问粘结强度对于面层的长期性能十分重要， 至少不能小于1 3 8 m p a 。他还利用旧路面各层所推导出来的参数和接缝设计间距 与混凝土性质自行开发软件，用于计算混凝土和沥青层中的应力和应变。 7 1 2 4 超薄白色罩面试验路与现场试验 在肯塔基州，美国于1 9 9 1 年开始使用超薄白色罩面维修旧沥青路面。在这次 实践基础上，u t w 作为一种新的白色罩面技术在全美迅速推广发展，到1 9 9 7 年 底，北美已经修建2 0 0 多个u t w 工程，截至2 0 0 0 年底，美国已修筑u t w 总面 积约2 2 0 万m 2 l 4 1 。19 9 5 年加拿大m i s s i s s a u g a ( 米西索加市) 首次引进u t w ，此 后在渥太华等许多城市推广应用【1 8 】。u t w 可用于道路交叉口其他沥青路面车辙 严重的区域，也可用于修复州际公路的出入口匝道、城市道路、市内街道的巴士 车道、专用航空飞机停机坪以及汽车停车区等。 在加拿大的几个城市中u t w 的应用都十分成功，至今路用性能仍然评为良 好或优秀，表明u t w 的维修方法是适应加拿大的恶劣气候的。加拿大的施工方 法基本从美国移植过来，没有太大区别。在u t w 的维修中，小混凝土板中的裂 缝不一定需要维修。当面板断成4 块以上，表面不平整，有些沉降以致影响了行 驶性能，或者如果有集料松散或剥落十分明显，就可以考虑对u t w 进行维修。 在过去大多数u t w 工程中，运营6 或7 年后发现的最普遍的问题是角隅或边缘 开裂，但不太严重。除了没有任何传力装置以外，u t w 的维修过程和一般水泥 混凝土路面维修方法基本类似【1 8 1 。 加拿大阿尔伯达省埃得蒙顿市1 18 区17 0 街一直有着相当大的交通量，以致 沥青路面上发生严重的车辙。以往不断的刨除车辙填补新沥青混合料的方法往往 坚持不了几个月就会再次出现车辙。因而h u g hd o n o v a n 建议使用u t w 进行维 修。之所以如此，主要是因为经过此处的交通量在该市几乎是最大的。u t w 使 用了聚丙稀纤维，正方形板块边长1 8 m 。设计厚度10 0 m m ，实际施工厚度9 5 1 2 0 m m 。旧沥青层剩余厚度为2 4 0 m m 。抗压强度2 4 小时为2 0 m p a ，2 8 天为3 5 m p a 。 r i c of u n g 对渥太华一个巴士站2 0 0 0 年的u t w 的设计、施工和使用情况进 行追踪研究调查 1 9 1 。该站在使用u t w 之前曾用s m a 维修过，在使用s m a 维修 的两年内，轮迹处的车辙非常严重，于是改用u t w 技术。设计中认为受制约的 主要旧路因素有：相邻车道路面的断面，路缘石和排水沟；旧沥青路面厚度；刨 除的厚度。北向旧沥青路面原厚度1 4 0 m m ，故刨去7 5 m m 以确保最小旧沥青层 厚度；为保证与原路面纵断面一致，设计铺加7 5 m m 厚的u t w ；该处车站长约 5 4 8 m ，宽约3 0 m 。南向车道的旧沥青路面厚度约18 0 m m ，刨除沥青10 0 m m ， 设计u t w 厚度1 0 0 m m ，维持原设计高程。u t w 接缝间距为厚度的l o 倍，北向 和南向分别为0 7 5 m 和1 0 0 m 。由于剩余沥青厚度有限，车道的两端没有进行加 厚过渡处理。接缝切深为u t w 厚度的1 3 ，宽3 r a m ，未填缝。u t w 表面纹理是 用硬扫帚扫出的，齿痕横向为3 r a m 宽，间距18 r a m ，深度3 5i l l n l 。两个月后观 察到裂缝发生，在总2 9 2 块板中，只有2 0 块板产生裂缝。这些裂缝都还比较紧 密，在除冰剂的大量使用下似乎没有扩张的迹象。可能是施工时发生的切缝问题 导致的。 1 9 9 5 在l a n c a s t e r 郡u s 3 0 的两处u t w 和d a u p h i n 郡u s 2 2 的一处u t w 的 长期性能调查中发现，路面均有一些开裂，大多和预计一样发生在收缩接缝处， 在某些下水井周围也有，但即便开裂，也不是十分严重。在和沥青路面交界的地 方有一些啃边，剥落的现象。在接近匝道项部的某处地方的u t w 发生破坏，调 查认为此处基层中有缺陷。其它地段都很好。罩面下的基层状况是最重要的，无 论是用水泥混凝土还是用沥青来罩面。如果下卧层和地基的缺陷没有发现并解 决，罩面迟早会开裂。1 9 9 4 年，a l l e n t o w n 市在同一条街道同时铺筑了一处u t w 罩面的交叉口和一处s u p e r p a v e 铺筑的车道，经比较，两者使用性能至今很好， 几乎没有维修。 综合上述研究概况，u t w 使用性能优劣在国外的评述中也是各有千秋。不同 国家和地区在自然条件、气候状况、技术水平等方面的情况不尽相同，研究内容 也有不同侧重，完全照搬国外经验和技术不一定可行，必须针对我国具体情况， 将u t w 实际应用在中国的国情下，才能真正了解它是否适合中国的交通特点和 道路结构特点，是否适合在中国推广应用。 1 3 本文的研究内容及技术路线 1 3 1 本文的主要研究内容 本文主要分析我国开展超薄白色罩面研究的必要性，结合“长沙理工大学超 薄白色罩面直道足尺试验研究”项目，开展超薄白色罩面的基础研究工作。 全文共分七章，除第一章为绪论外，其余各章内容安排如下； 第二章从调查我国沥青路面路面的主要病害和维修方法入手，论述我国开展 超薄白色罩面研究的必要性及其意义，分析我国当前进行超薄白色罩面研究的基 础条件和主要障碍。结合国情，提出该研究应遵循的基本策略。 第三章集中比较了掺加聚丙稀纤维的混凝土与素混凝土的各项强度指标，以 及不同龄期下的混凝土强度，针对超薄白色罩面的特殊结构设计了复合界面的剪 切试验，并对复合界面剪切强度随温度和竖向压力变化的规律进行研究。 9 第四章对加速加载试验的类型与用途作简单介绍，同时介绍了超薄白色罩面 a p t 试验所使用的直线式加速加载系统的特点与数据处理系统构成，详细介绍超 薄白色罩面试验路的施工以及试验路中传感器的设置。 第五章重点研究了超薄白色罩面试验路在直线式加速加载装置下的路面响 应问题，根据疲劳损坏等效理论，对直道的轴载次数进行等效标准轴载换算；根 据实测动载应变数据，对路面结构响应一般规律及原理进行分析。 第六章从路面损坏状况和结构承载能力两个方面对试验路进行评价。其中路 面损坏状况研究中主要阐述了各方案裂缝的发生先后与发展程度的比较及其原 因分析，结构承载能力研究中主要从板项弯沉试验和动态模量测试两个角度进行 评价。最后，确定各方案的寿命。 第七章总结全文要点与结论、对今后研究给出建议。 1 3 2 技术路线 针对室内铺筑的半刚性基层沥青路面的超薄白色罩面试验路，进行直道加速 加载试验，以及相关的室内材料试验等，伴以不同阶段的检测试验判定路面损坏 状况与发展，最后对超薄白色罩面的路用性能做出评价，并估算各方案使用寿命。 ( 一) 相关试验及数据分析 本部分阐述的是拟采用的研究方法和手段，预期达到的水平和所需的科研条 件，可能遇到的困难和问题以及解决的途径、方法和措施。 l 、材料试验 对超薄白色罩面的混合料配比进行材料试验，针对加纤维和不加纤维分别测 定不同养生期的强度。目的主要是研究纤维对强度的影响，并根据不同养生期的 抗压与抗折强度，研究比较早期强度的大小，确定是否适合2 4 h 开放交通。 2 、界面剪切试验 利用便携式动态剪切仪，测试复合试件的水泥混凝土和沥青的界面剪切强度。 3 、室内直道试验 ( 1 ) 动载试验 通过加速加载试验采集的大量应变和温度数据，得出试验方案的动载应变随 运行次数的变化曲线，并进行拟合，寻找应变随作用次数的变化规律。 ( 2 ) 静载试验 加载车每运行一段时间，对各方案的典型位置进行静载试验，得出不同方案 各结构层在不同运行次数下的静载应变，总结静载应变随运行次数增加而变化的 1 0 规律。 ( 二) 路用性能评价与寿命估计 对于路面使用性能主要进行结构和功能两个方面的评价。采用从路面各结构 层内钻取试样的方法，观测路面实际结构，估算其结构承载能力。后者则通过对 路面进行贝克曼梁弯沉试验以及动态模量测定，估算路面的结构能力。 1 、裂缝观察 在不同试验阶段，观察各方案裂缝出现的先后、平面位置及发展情况，对裂 缝出现时间及位置和发展进行仔细分析，寻找造成早期开裂及裂缝发展迅速的原 因，并通过疲劳试验，从路面结构的耐用性方面比较各方案结构组合的优劣性。 2 、钻芯试验 对直道中铺筑的超薄白色罩面试验路进行随机钻芯，每个方案钻芯3 5 个 ( 共l5 2 5 个) 左右。通过观测芯样，了解各方案白色罩面的真实厚度以及各 方案罩面层和沥青层的粘结性。并通过观察带裂缝芯样的裂缝延伸规律，分析裂 缝的形成原因和影响因素，作出裂缝的产生图以及平面比较图。 3 、弯沉测定 路表在荷载作用下的弯沉量，可反映路面结构的承载能力。u t w 的路面结构 破坏可能是过量的竖向变形所造成，也可能是由于某一结构层的断裂破坏造成。 4 、路面损坏状况评定与寿命估计 路面的损害状况，必须从三个方面来进行描述：损坏类型，严重程度及出现 损坏的范围或密度。综合这三个方面，对其损坏状况做出全面的估计。 水泥混凝土路面的结构损坏的形态和特征多种多样，按其损坏模式和影响程 度的不同主要分为：裂缝或断裂类；永久变形类；表面损坏类；接缝损坏类。在 u t w 的试验路段中，主要出现的是裂缝或断裂类损坏形式。 路面损坏都有一个产生和发展的过程。不同程度的损坏对路面使用性能有不 同程度的影响。为了区别同一种损坏对路面使用性能的不同影响程度，根据规范 的限定，对各种损坏按其影响的严重程度分为几个等级。然后对各