（交通运输工程专业论文）旧水泥混凝土路面薄层沥青罩面施工技术研究.pdf

摘要 旧水泥混凝土上加铺沥青混凝土面层，是改造旧水泥混凝土路面行之有效的方法之 一。本文在借鉴国内外已有相关研究成果的基础上，针对徐州地区的气候、交通条件和 道路建设情况，对水泥混凝土路面薄层沥青罩面的层间抗反射裂缝问题进行了深入的理 论分析，应用a n s y s 软件分别对荷载、温度以及耦合作用下加铺层的受力情况进行数 值计算和变形模拟。在力学分析基础上，对徐州地区薄层沥青罩面进行结构方案设计和 室内试验，并以g 1 0 4 机场路为依托工程，进行了试验路铺筑和施工技术研究、探讨与 总结。最后对旧水泥混凝土薄层沥青罩面试验工程的路用性能和经济性进行评价和分 析。本文的研究成果将有助于徐州地区旧水泥混凝土薄层沥青罩面技术的进一步研究和 推广应用。研究技术的应用需要对原有路面破损的成因进行细致的调查和深层次的分 析，为材料组成设计和结构组合设计提供可靠的依据。此外，加铺层的施工必须在试验 指导下对整个生产进程实施科学的监测，参照施工技术规范规定的频率进行抽提、筛分 和马歇尔试验，指导拌和站对生产参数作相应的调整，从而进一步加强设计和生产质量 控制。 关键词：薄层沥青罩面抗反射裂缝方案设计室内试验现场试验 施工技术 a b s t r a c t s p r e a d i n gt h ea s p h a l tc o n c r e t es u r f a c el a y e ro nt h eo l dc e m e mc o n c r e t ep a v e m e m i so n e o ft h ee f f e c t i v em e t h o d st or e b u i l di t b a s i n go nt h er e s e a r c hr e s u l t sf r o mi n l a n da n do v e r s e a s ， p o i n t i n ga tt h ew e a t h e r , t r a f f i cc o n d i t i o n sa n dr o a db u i l d i n g so fx u z h o u ，t h ep a p e rm a k e s d e e p l ya n a l y s i st ot h et h e o r yo fa n t i r e f l e c t i v ec r a c k i n g ，w h i c ho c c u r sb e t w e e nt h i na s p h a l t o v e r l a ya n do l dc e m e mc o n c r e t ep a v e m e n t u s i n ga n s y ss o t h v a r e ，t h ep a p e ra l s om a k e sa n u m e r i c a la n dd e f o r m a t i o ns i m u l a t i o nt ot h e a s p h a l to v e r l a ys e p a r a t e l yw h e nl o a d ， t e m p e r a t u r ea n dc o u p l i n gf o r c e s a c to nw h i c h b a s e do nt h e s em e c h a n i c sa n a l y s i s ，t h e s t r u c t u r a lm e t h o da n dl a b o r a t o r yt e s t so ft h i na s p h a l to v e r l a yi nx u z h o ua r e aa r ed e s i g n e d r e l y i n go ng 10 4a i r d r o m eh i g h w a y , w ec o n s t r u c tt h et e s t i n gr o a d ，t h e nm a k et h es t u d i e s ， d i s c u s s i o n sa n ds u m m a r i z e so fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y f i n a l l y , w em a k ea ne v a l u a t i o na n d a n a l y s i st ot h ep e r f o r m a n c ea n de c o n o m i c so ft h i na s p h a l to v e r l a yo nt h ec e m e n tp a v e m e m t h i ss t u d yi np a p e rw i l lc o n t r i b u t et ot h ef a r t h e rr e s e a r c ha n dp o p u l a r i z a t i o no ft h et h i n a s p h a l to v e r l a y i nx u z h o ua r e a a p p l i c a t i o no fr e s e a r c ht e c h n o l o g yn e e d sac a r e f u l i n v e s t i g a t i o na n dd e e pa n a l y s i st ot h eo r i g i nt h a td a m a g e st ot h eo l dp a v e m e n t ，w h i c h p r o v i d e st h er e l i a b l eb a s i s f o rt h em a t e r i a lc o m p o s i t i o na n ds t r u c t u r ed e s i g n i na d d i t i o n , w h e na s p h a l tl a y e ri sc o n s t r u c t e d ，t h ew h o l ep r o c e s sm u s tb es c i e n t i f i c a l l ys u p e r v i s e di n g u i d a n c eo fe x p e r i m e n t f r e q u e n c yo ft h ee x t r a c t i o n ，s c r e e n i n ga n dm a r s h a l le x p e r i m e n t s s h o u l db ec a r r i e db a s i n go nw h i c ht h et e c h n o l o g ys t a n d a r ds t i p u l a t e d ，t h e nt h ep r o d u c t i o n p a r a m e t e rs h o u l db ea d j u s t e da c c o r d i n gt o t h e s ee x p e r i m e n t s t h e r e b y , t h ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o nc a nb ef u r t h e rr e g u l a t e d k e y w o r d s ：t h i na s p h a l to v e r l a y ；a n t i r e f l e c t i v ec r a c k i n g ；c o n c e p t i o n a ld e s i g n ；i n d o o r - t e s t ； f i e l d - t e s t ；c o n s t r u c t i o nt c c h n o l o g 长安大学工程硕士论文 1 1 研究背景 第一章绪论 从七十年代开始，浙江、江苏、广东等省在缺少优质沥青及大型沥青路面施工机械 不足的情况下，开始修筑较多的水泥混凝土路面。2 0 0 5 年底，全国等级公路里程1 5 9 1 8 万公里，占公路总里程的8 2 5 ，其中二级及二级以上高等级公路里程3 2 5 8 万公里， 占公路总里程的1 6 9 ，按公路技术等级分组，各等级公路里程分别为：高速公路4 1 0 0 5 公里、一级公路3 8 3 8 1 公里、二级公路2 4 6 4 4 2 公里、三级公路3 4 4 6 7 1 公里、四级公路 9 2 1 2 9 3 公里，等外公路3 3 8 7 5 2 公里。按公路路面类型分组，各类型路面里程分别为： 有铺装路面5 3 2 6 9 7 公里，其中沥青混凝土路面2 2 6 0 7 5 公里，水泥混凝土路面3 0 6 6 2 2 公里；简易铺装路面4 6 1 9 0 1 公里；未铺装路面9 3 5 9 4 5 公里【1 1 。水泥混凝土路面约占 5 7 8 ，成为我国公路的重要组成部分。 但是自上世纪9 0 年代，全国的水泥混凝土路面有相当一部分已达到或超过设计使 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及设计、施 工等方面的原因，导致路面损坏、使用品质下降等情况，影响了道路的使用功能，要进 行各种形式的旧路改造。徐州市干线公路养护改善工程进行了大规模改造，基层均采用 半刚性基层二灰碎石、水泥稳定碎石，面层采用水泥混凝土和沥青混凝土。目前基层相 对比较稳定，但是面层已出现了各种形式的破坏，降低了路面的抗滑功能和行车的舒适 性，急需进行针对性研究。 采用沥青面层作为原水泥混凝土路面的罩面层是一种非常典型的补强方法。对于水 泥路面，这种形式的路面结构能吸收两种材料的优点，原有水泥路面可以提供稳定、坚 实的基层，沥青罩面层可以提供摩阻系数高、平整度好的表面层，大大改善了路面的使 用性能。 1 2 课题研究目的和意义 1 2 1 研究目的 上世纪八、九十年代许多地区都尝试做过一些旧水泥混凝土路面上沥青罩面工程， 从使用情况看，效果不太令人满意。主要存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 早期出现反射裂缝。在旧水泥混凝土路面上的沥青罩面工程，一两年的时间 就出现反射裂缝，纵横名种类型都存在，随着时间的推移裂缝不断增多，三至四年内， 第一章绪论 有些路面的裂缝就达9 5 1 0 0 。 ( 2 ) 薄层沥青罩面脱落。随着裂缝的增多，很多路面在行车的作用下，沥青面层 开始与旧水泥路面脱离，造成路面表面脱落，严重影响行车安全。 ( 3 ) 裂缝处唧浆。旧水泥板下有脱空情况，旧板有松动，由于裂缝的出现，在雨 季易唧浆。 针对以上情况，许多地区对旧水泥混凝土路面的改造采用挖除水泥板，局部薄弱基 层处理后加铺2 0 - 3 0 c m 的二灰碎石或水泥稳定碎石，再加铺两层沥青面层，总厚 9 1 l c m 。但是，这种方法造成较大资源浪费，同时实际施工难度大，且产生大量的废水 泥混凝土板无处堆放，对环境造成了严重污染。 鉴于此，针对徐州市公路建设特点，本课题结合实际工程，以试验路为依托，通过 对当地水泥混凝土路面使用状况调查分析，并通过多种室内试验进行论证，对旧水泥混 凝土路面损害进行系统的研究。在此基础上，提出适合当地水泥混凝土路面薄层沥青罩 面设计方案和施工工艺技术。 1 2 2 研究意义 截至2 0 0 5 年底，徐州市水泥混凝土路面总里程达3 6 4 5k m ，国道1 6 2 k m ，省道4 9 k m ， 县道2 0 6 k m ，乡道3 2 2 8 k m ，大部分路段都出现不同程度的损坏，行车舒适度明显降低， 特别是1 6 2k m 国道，道路等级高、交通量大，改善道路行车状况已经非常紧迫，因此 开展水泥混凝土薄层沥青罩面技术研究具有现实意义。 本课题为工程急需的针对性研究，对解决如何改造旧水泥混凝土路面的问题，开展 水泥混凝土薄层沥青罩面应用技术研究具有理论意义。同时，进行本课题的研究对提高 徐州地区乃至全国水泥混凝土路面薄层沥青罩面设计施工水平，节省工程费用，补充和 完善我国相关标准规范，对今后我市乃至全国的公路和城市道路建设具有十分重要的现 实意义。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 国外研究现状 从1 9 3 2 年以来，国外交通界对于水泥混凝土路面上加铺沥青罩面层的问题已经做 过很多尝试与研究，主要从三方面入手，第一处理旧水泥混凝土路面，第二增加中间层， 第三是加厚沥青层厚度。但是由于理论研究与技术限制等各方面原因，一直没能取得满 2 长安大学工程硕士论文 意的效果【2 】。 1 9 5 5 年克伦普( c r u m p ) 和博恩( b o n e ) 报告了在水泥混凝土路面上用沥青混凝土 罩面的第一次系统的野外研究p j ，得出两个结论： ( 1 ) 在水泥路面上铺沥青混凝土路面后，在头几年内就有反射裂缝发展，不同类 型的裂缝以不同的速率发展，但每种裂缝都随着气候的周期性变化而增加。例如，到第 三年许多路面的裂缝已经超过横缝总长的7 5 ，在三年到四年内，少数路面的裂缝就达 到9 5 10 0 ，然后裂缝宽度就逐年增加。 ( 2 ) 秋季在旧水泥混凝土路面上铺筑的沥青混凝土路面在第二个冬季之前通常不 裂，春天或夏天铺筑的沥青混凝土路面，几乎在第一个冬季经常开裂，两年后，这两种 类型裂缝几乎相等。 1 9 5 6 年罗格维恩( r o g g e v e e n ) 和汤斯( t o n s ) 报告了在沥青混凝土中添a n - - 种橡 胶的试验路：a 乳化橡胶沥青，用5 橡胶乳胶加入热集料并拌和；b 用c r s 合成橡胶 粉过0 8 5 m m 的筛孔在10 7 时加入沥青混凝土中，用量为7 5 ；c 将天然橡胶粉直接 加入拌和机中，其用量亦为7 5 。其得出结论不论在沥青中是否加入了橡胶，在四年 内横缝总量的8 0 和六年后横缝总量的9 0 反射到表面。英国道路研究所也得出了相似 的结论，认为在沥青混凝土中加少量的橡胶不会预防反射裂缝【3 4 1 。 斯科格( s k o g ) 和芒戴( m u n d a y ) 1 9 6 6 年报告，在加利福尼亚州曾用4 的丁苯橡 胶加在沥青混合料中，两年开始出现裂缝，而对照段在1 0 个月内就有了裂缝的【5 1 。但是， 最后用橡胶沥青的路段的裂缝较对照路段还多，他指出是因为橡胶沥青的性质受沥青性 质的橡胶种类的影响。 1 9 6 8 年卡纳罗斯基( k a n a r o w s k i ) 总结了四个单位在旧水泥混凝土路面与沥青混凝 土路面之间采用粘结隔离断层( 铝箔、石蜡纸和石粉) 的使用性能，其中两个单位的报 告中称这种措施很好，其他单位的报告认为无效。卡纳罗斯基也总结了2 0 个单位在水 泥混凝土路面上用金属丝加强沥青混凝土罩面以减轻反射裂缝的经验，认为这种处理方 法无效，使用性能从差到好都有。 1 9 8 0 年努南( n o o n a n ) 和麦卡拉( m c u l l a g h ) 曾用5 0 0 k n 以上的轮胎压路机或用 夯锤和压路机结合将旧水泥混凝土路面破碎，并使其与下基层接触，他们研究报告指出， 破碎刚性路面并在沥青混凝土罩面层上对应原刚性路面接缝处锯缝通常能成功地减少 反射裂缝。 古尔登( g u l d e m ) 于1 9 8 8 年曾报告在乔治亚州使用预制纤维膜带的情况，使用了 第一章绪论 宽4 5 c m 的b i t u t h e m e 带，将其上铺5 0 m m 、10 0 m m 和15 0 r a m 厚的沥青混凝土面层 6 1 。 在这种防水带上铺有5 0 m m 沥青混凝土路面的路段，使用1 5 个月未出现反射裂缝，而 相应的未用防水带的对照段有8 8 的接缝反射到沥青混凝土路面上，使用四年后，这种 材料特别是在1 0 0 m m 和1 5 0 m m 的路面下仍然工作良好。 1 3 2 国内研究现状 旧水泥混凝土板上加铺沥青混凝土面层的施工方法在大部分地区公路的改建和扩 建中已普遍采用。虽然目前我国尚未有比较成熟的相关设计规范和方法，对加铺沥青混 凝土的板块未提出相应的评价指标，对于特重交通路面结构设计的经验也很不足，但近 年来国内许多科研、设计单位面对广大工程改造的迫切需要，在这方面的研究中取得了 不少有益的、值得借鉴的经验。 1 9 8 8 年1 1 月沙庆林院士在河北保定用s b s 改性沥青做了应力吸收膜中间层s a m i 的试验路【_ 丌，结果表明：( 1 ) 在相同沥青面层的情况下，有了应力吸收膜中间层可以明 显减少反射裂缝，但不能消除反射裂缝。( 2 ) 既用s a m i 又用聚合物改性沥青做密实沥 青混凝土面层时，可以进一步减少裂缝，但也不能消除反射裂缝。( 3 ) 沥青混凝土面层 下设级配碎石中间层的路段没有发现裂缝。 1 9 9 6 年东南大学黄晓明教授在g 1 0 4 宁杭旧水泥路面改造中提出为改善宁杭线的路 面状况、提高通行能力，对旧的水泥路面采用冲击锤，将病害板块破碎成混凝土块，用 水泥砂浆灌浆，振动压路机碾压成型，铺筑2 0 e m 厚二灰碎石补强层；加铺9 c m 沥青混 凝土面层，上面层与下面层之间铺设一层土工布【8 】。从后来使用效果看没能达到预想的 目的，部分路段出现了早期损坏。 江苏省曾根据省厅关于宁通公路高速化的要求，在旧混凝土面板上加铺沥青面层， 以达到提高道路使用品质，减缓反射裂缝，延长道路使用寿命的效果。江苏省交通科学 研究院提出的加铺方案为：4 c m 改性沥青混凝土s m a + 6 c m 粗粒式沥青混凝土+ 玻纤 格栅+ 2 c m 沥青砂+ 油毡贴缝+ 旧水泥混凝土板 9 1 。该方案的关键技术在于采用a p p 改 性沥青油毡对旧水泥路面进行热熔法贴缝处理，一方面可有效防止地表水下渗，同时a p p 改性沥青油毡与2 c m 厚沥青砂及玻纤格栅形成中间加筋层，又可延缓反射裂缝的产生 1 0 l 。该方法从通车三年多的实践检验来看，取得了一定的效果，对徐州地区旧混凝土路 面沥青薄层罩面的研究与应用有一定的指导意义，但造价较高，在徐州地区的使用推广 性不强。 4 长安大学工程硕士论文 2 0 0 0 年徐州市公路管理处总工程师丁战在g 1 0 4 古州飞虹到潘塘段水泥混凝土路面 改造工程中提出，采用先处理旧水泥混凝土断板挖除新做，板下脱空采用压水泥浆，板 缝用填缝胶灌缝，纵、横缝处铺2 米宽玻纤格珊，上做3 c m 细粒式沥青混凝土调平，在 其上做6 c m 粗粒式及4 c m 细粒式沥青混凝土路面。从6 年的使用情况看，前两年未出 现裂缝，三年后开始出现少量裂缝，但目前为止还未出现脱皮、唧浆的情况。 徐州市公路管理处在2 0 0 1 年改造g 1 0 4 潘张段，2 0 0 3 年改造$ 3 2 3 邳州段、g 2 0 6 贾汪段、g 1 0 4 东环段和2 0 0 4 年改造g 1 0 4 秦虹桥至梅庄段时，提出采用挖除水泥板， 局部薄弱处理后加铺2 0 3 0 c m 的二灰碎石或水泥稳定碎石，再加铺两层面层，总厚 9 - 1 1 c m 。但此方法施工困难且产生大量的废水泥混凝土板无处堆放，同时对环境也造成 了严重污染。 1 4 研究内容、方法和技术路线 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 旧水泥混凝土路面薄层沥青罩面力学特性分析 1 ) 沥青罩面层应力状况 研究主要针对沥青加铺层的温度应力、荷载应力以及荷载和温度共同作用下的耦合 应力，考察沥青加铺层在高、低温下的工作状态下，各个影响因素的作用效果；研究荷 载与温度的耦合作用下，沥青加铺层的疲劳应力规律，掌握沥青加铺层的工作机理；分 析在荷载和温度作用下接裂缝区沥青罩面层应力变化情况。 2 ) 路面层间应力分析 研究中间层防裂、抗剪机理，研究加铺层厚度、原路面当量回弹模量以及旧混凝土 路面接缝及裂缝等因素对中间层材料应力应变的影响作用。同时设置中间层材料可以有 效缓解原路面对新加铺沥青层应力的影响。 ( 2 ) 接缝及裂缝处沥青加铺层反射裂缝机理研究 研究接缝及裂缝处反射裂缝产生、发展及最后贯通沥青加铺层规律，系统地研究荷 载作用下板缝及裂缝处反射裂缝发展机理，研究板缝与裂缝处弯沉差对反射裂缝的影 响，以及裂缝尺寸、形状对反射裂缝的影响；为沥青罩面层结构组合、材料设计和中间 层材料设置提供理论依据。 ( 3 ) 沥青罩面层组合性能试验研究 沥青罩面层组合特性的研究以夹层材料和罩面层组合的优化设计为主，通过各种路 5 第一章绪论 用性能的分析研究，将二者的优势进行最佳组合，使薄层沥青罩面组合体系既能降低造 价，又能达到满足其路用性能的最佳效果。并据此研究对沥青罩面层的现场实验方案进 行设计。 ( 4 ) 薄层沥青罩面室外试验路的铺筑及施工技术研究 根据室内试验成果，在机场路上选择2 段分别做两种结构的试验路，通过试验路对 室内试验进行验证，并对薄层沥青罩面的施工技术进行研究。 ( 5 ) 薄层沥青罩面效能与经济性评价 对试验路进行各种路用性能的测试，对其反射裂缝的发展进行长期观测；并对两种 方案的造价与传统旧水泥路改造方法的造价进行对比，评价其应用的经济效能。 1 4 2 研究方法和技术路线 ( 1 ) 研究方法 一 论文的研究以试验为主线，采用理论与实际相结合、室内试验与现场试验相结合、 试验工程与一般调查总结相结合的研究方法。 对上述研究内容进行研究时，以理论为指导，结合徐州地区的实际情况，得出研 究成果并对理论进行分析验证。 室内试验与现场试验相结合 在进行大量的室内试验基础上，进行现场试验，考虑室内试验成果的实用性，从而 对室内试验成果的工程应用进行检验、修正和扩充。 试验工程和一般调查相结合 在试验测试、总结材料组成、结构设计、施工技术等经验和问题的同时，进行大量 的国内外研究成果检索，分析借鉴国外现有成熟的设计方法、施工经验及使用状况。 ( 2 ) 技术路线 1 ) 广泛查阅国内外有关沥青罩面层的文献，了解、掌握国内外在该领域的最新 研究成果并对相关资料进行归纳总结。 2 ) 采用先进的检测仪器、新的检测方法对原有水泥路面的状况进行检测，并对 其使用性能进行评价，提出适合的处治方法，为薄层沥青罩面层的方案设计提供基础。 3 ) 在力学理论分析的基础上，建立有限元分析模型，采用a n s y s 模拟路面加铺 层结构进行力学结构分析，对薄层沥青罩面层反射裂缝的产生机理进行分析，并模拟计 算新旧路面各结构层的荷载、温度及耦合应力应变。 6 长安大学工程硕士论文 4 ) 在力学分析基础上，研究高性能沥青混凝土材料组成及性能，并对中间层及填 平层进行分析，避免或缓解反射裂缝的发生。 5 ) 在理论计算及室内外试验研究的基础上，提出在原有水泥混凝土上加铺薄层沥 青罩面层的施工工艺。 6 ) 运用研究成果，铺筑试验路，并对试验路进行观测与评价。 7 第二章薄层沥青罩面力学特性分析 第二章薄层沥青罩面力学特性分析 旧水泥路面上加铺沥青混凝土面层，有多种加铺方案可供选择，但不管选取何种改 造方案，如何延缓旧水泥板上加罩结构层中出现的反射裂缝问题是关键。因此，本论文 对薄层沥青罩面的力学特性分析主要集中于反射裂缝力学理论分析，从而更好的解决旧 水泥混凝土路面薄层沥青罩面的关键技术问题反射裂缝的防治。 在薄层沥青罩面中，己开裂的旧水泥路面在荷载作用下迅速扩展至新沥青罩面层内 而形成的裂缝。由于传统的多层弹性体系不能计算带接( 裂) 缝的结构，因此本论文将利 用三维有限元分析模型【l l 】，分析软件采用通用的a n s y s 有限元计算程序，分析在车辆 荷载、温度以及荷载和温度的隅和作用下，旧水泥混凝土路面薄层沥青罩面各结构层的 应力应变情况。 2 1 国内外沥青加铺调查 国内外在旧水泥路面沥青加铺的工程实践中尝试了许多种材料和方法，如表2 1 2 2 所示。 表2 1 国外旧水泥混凝土路面沥青加铺层部分典型结构分析 序号 项目名称夹层类型面层类型竣工年效果评价 德国不来梅港 ls a m i 4 c m 沥青碎石 1 9 9 0 效果较好 市试验段 美国v i r g i n i a 3 2 c m 沥青面 通车8 个月观 2 土工布测，反射裂缝 州试验路 层 较少 可以延缓反射 3 英国a 3 0 公路加筋土工网薄层罩面裂缝的出现时 间 5 年后有反射 4 奥地利试验路土工布 6 c m a c1 9 8 9 裂缝 无纺土工布+4 c m + 6 c m 改性使用2 5 年无 5比利时试验路 加筋网 a c 反射裂缝 表2 2 国内旧水泥混凝土路面沥青加铺层典型结构分析 4 c ms u p - 1 3 + 2 0 0 0 通车4 年未出现 6 上海浦东南路土工布 6 c ml h 一3 5 反射裂缝 广州市北环 4 c ms m a 1 3 + 通车2 年没有发 7 土工布 2 0 0 0 现 高速公路 5 c ma c 2 0 i 反射裂缝 8 广州市番禺 土工布 4 c ma k 1 3 +2 0 0 1 通车1 年没有发 迎宾大道 6 c ma c - 2 0 i + 现 6 c ma c 一2 5 i 反射裂缝 8 长安大学工程硕士论文 续表2 - 2 国内旧水泥混凝土路面沥青加铺层典型结构分析 5 c ma k 1 6 a + 9g 3 2 5 开平段土工布2 0 0 2 7 c ma c - 2 5 i 7 1 2 c m 2 年踪调查未发现 1 0 g 3 2 5 开平段a m 2 5 + 满铺 7 c ma c 一2 5 i + 2 0 0 2 土工布 5 c ma k 一1 6 a 反射裂缝 4 - 一1 0c m 沥青 广东花清 碎石调平层+ 4 c ms m a 1 6 + 通车2 年内基本 1 l5 c ma c - 2 0 i + 高速公路接缝处设置土 6 c ma c - 2 5 i 未出现反射裂缝 工布 广东省s l1 8土工布+ 2c m2 年后观测仅有 1 2 9 c m a c2 0 0 1 花从线沥青砂少量横缝 0 5 年后路面完好 1 3 太原市平阳南路玻纤格栅 a c1 9 9 9 无损 夏李施工，冬季出 1 4 十苏王线苏州段玻纤格栅 a c 现裂缝 4 c ma c - 1 6 + 2 0 0 1 年1 0 月大量 1 5 广佛高速公路玻纤格栅 2 0 0 0 6 c ma c 一2 0 出现反射裂缝 广州市北环高速5 c ma c 2 0 i +通车2 年没有 1 6 玻纤格栅 2 0 0 0 公路试验段 4 c ms m a - 1 3 反射裂缝 4 c m 改性沥青 通车1 年未出现 1 7 深圳市景田东路缝处玻纤格栅 a k 1 3 a + 2 0 0 2 5 c ma c - 1 6 i 反射裂缝 通车2 年多未发 1 8 厦门市思明南路玻纤格栅 4 c ma c 1 0 i2 0 0 2现 反射裂缝 1 0 7 国道深圳4 c m s m a 1 3 +通车1 年未出现 1 9 玻纤格栅 2 0 0 3 宝安段 6 c ma c 2 0 i 反射裂缝 4 c ma c 1 3 i + 6 c m 通车1 年未出现 2 0 贵阳东出口玻纤格栅 2 0 0 5 a c 1 6 i 改性沥青 反射裂缝 2 1 g 3 2 2 线全州玻璃纤维网 5 c ma c 一1 3 i2 0 0 5 效果较好 至桂林段 2 2 齐齐哈尔市4 c m 中粒式6 c m 粗粒式a c + 2 0 0 0 经过一个冬季没 湖西路沥青混凝土+玻纤格栅+有反射裂缝 玻纤格栅 3 c m 细粒式a c 2 3 宁通公路南京段玻纤格栅+ 2 4 c ms m a 1 6 + 通车两年多未出 3 c m 6 c ma c - 2 5 1 现 a c 1 0 i + 1 8 c m 反射裂缝 二灰碎石 2 4 广东s 1 2 0 北王路 1 5 c m 水泥稳 6c m + 5 c m + 4c m2 0 0 4 效果较好 定碎石补强层 沥青混凝土面层 + 满铺玻纤格 栅 2 5 上海莘奉金玻纤格栅，改 4 c ma k 1 3 +2 0 0 2 经过1 年观察无 高速公路性沥青卷材 5 c ma c - 2 0 i + 裂缝 6 c ma c 2 5 i 2 6 宁通公路扬州段玻纤格栅+ 2 4 c m s m a 1 6 + 通车2 年多未出 3 c m 6 c ma c - 2 5 1 现 a c 1 0 1 + 1 8 c m 反射裂缝 二灰碎石+ 油 毡贴缝 9 第二章薄层沥青罩面力学特性分析 续表2 2 国内旧水泥混凝土路面沥青加铺层典型结构分析 2 7 海南东线高速公 3m n l 厚i 型 8 c m a c2 0 0 1 效果较好 路障水军= 殷 a p p 防水卷材 2 8 湖北省武黄s t r a t a 应力 3 c ms u p 一1 2 5 +2 0 0 1 4 年运营观测路况 高速公路 吸收层 5 c ms u p 1 9 良好 2 9 河南省$ 3 1 6 线 2 c m a c 1 0 改 4 c ma c 1 6 i + 1 年后出现反射裂 郑州至密县段 性沥青应力吸 6 c m a c 2 0 i 改性 缝 收层 沥青混合料 3 0 g 1 0 7 线郑州段 1 8 c m 水泥7 c m 沥青面层 1 9 9 7 经1 年观测效果 稳定碎石较好 3 l 江西省南昌市1 8 c m 水泥 4 c ma k 1 6 i +2 0 0 2 通车2 年路况保 洪都大道稳定碎石 6 c ma c 2 0 i 持完好 3 2 1 0 4 国道句容1 5 c m 二灰 8 c m a c 1 9 9 7 部分路段出现坑 宜兴段碎石洞破坏 3 3 湖北省公石线级配碎石裂缝3 c ma c 1 3i +1 年观测未出现射 缓解层 5 c m a c 1 6i 裂缝 3 4 山东省济枣西线大粒径沥青碎 3 c ma c 1 3i + 2 0 0 2 2 年运营末出现 石a m - 4 0 裂缝 5 c m a c 2 0i 反射裂缝 缓解层 由上表2 1 2 2 可知： 国内外对旧砼路面加铺改造至今仍未有一个效果非常令人满意，施工工艺可行且 具有明显的技术经济效益的防治措施。由于各种条件的差异，相同的方法有时甚至得出 相反的结论。 国内外的研究表明，彻底消除反射裂缝是不经济的、不现实的，加铺层采用防反 措施目的是控制开裂，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 时间和一旦产生裂缝后，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。 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。 有效地改造旧水泥砼路面，改善路面使用品质，应从提高面层、夹层性能，处治 好旧板块、基层等多方面考虑改造方案。 2 2 反射裂缝的影响因素理论 影响薄层沥青路面反射裂缝的因素很多，系统理解路面环境因素，我们将会更加清 楚的知道哪些因素导致了裂缝的产生和扩展；哪些因素对防止反射裂缝起到积极作用。 对于徐州地区而言，导致和影响薄层沥青罩面层反射裂缝的主要有三种因素，即温度应 1 0 长安大学工程硕士论文 力、荷载应力和水的作用。 2 2 1 温度应力 在自然气候条件下，路面各结构层中的温度也在时刻变化。温度下降使沥青加铺层 出现收缩变形，同时旧水泥混凝土板中也会出现收缩和翘曲变形，由于各结构层的膨胀 系数、温度场不同及相互制约作用使变形受到抑制，便可能使接缝区沥青加铺层中产生 较大的温度应力【1 2 1 。 混凝土板的水平位移由温度变化引起，一年四季冬冷夏热的温度变化造成水泥板收 缩与膨胀。一天昼夜的冷热变化造成板的翘曲。这些变化都造成水泥板接缝处的水平位 移。位移的大小与温度变化大小、水泥混凝土的线膨胀系数、缝的间距、基层与水泥板 及水泥板与沥青加铺层之间的摩擦力大小有关。冬季水泥板收缩时，板的水平位移造成缝 项部的拉应力集中，此时反射裂缝呈张开方式展开。对加铺层本身，这种冬季收缩造成加 铺层内部的拉应力，也可形成反射裂缝。每天的温度变化造成沿水泥板深度的温度梯度， 当天晚上板上温度低，板下温度高时造成的翘曲应力使反射裂缝呈展开方式扩散。 2 2 2 荷载应力 荷载作用下，i e t 水泥混凝土板裂缝及接缝边缘处产生较大的弯沉差，而弯沉差必然 使缝附近的层间材料和沥青加铺层材料受到较大的竖向剪切。同时车载也引起相邻两块 板较大的挠度，这样在沥青混凝土底部将产生很大的水平拉应力。这种水平和竖向的剪 切大大的加速沥青加铺层裂缝的扩展。 2 2 3 水的作用 在多雨地区，如果路面结构防排水不利，水就会渗入到裂缝中，在车载作用下，形 成动水力；如果是季冻性地区，水渗入到裂缝中，在冬季会形成较强的冻胀力。这两种 力主要取决于水的量，当水的量达到一定程度时，其对道路结构的破坏速度惊人。 第二章薄层沥青罩面力学特性分析 2 3 反射裂缝的扩展类型 ( 2 ) 滑开型( 3 ) 撕开型 图2 - 1 裂纹扩展基本类型 当道路中存在裂缝时，按照裂缝的受力特点和扩展时的位移特性，可以将其分为三 种基本类型，如图2 1 所示【1 3 , 1 4 1 。 2 3 1 张开型或i 型 外荷载为垂直裂纹平面的正应力，裂纹表面的相对位移垂直于裂纹平面：这种裂缝 形式和水泥混凝土受温度变化，在沥青加铺层中产生张拉的破坏形式相对应。 2 3 2 滑开型或i i 型 外荷载为裂纹面内垂直于裂纹前缘的剪切力，裂缝表面的相对位移在裂纹面内，并 且垂直于裂纹前缘。此种裂缝形式对应于，在荷载作用下，沥青加铺层产生的垂直剪切 作用。 2 3 3 撕开型或i i i 型 外荷载为裂纹面内平行于裂纹前缘的剪切力，裂缝表面的相对位移在裂纹面内，并 且平行于裂纹前缘。此种裂缝对应于车载水平应力对沥青加铺层裂缝的影响。 根据上面的分析可知，旧水泥混凝土路面上加铺沥青罩面层最主要的裂缝类型为i 型和i i 型。 。 2 4 制约反射裂缝的因素 2 4 1 土工合成材料夹层 土工合成材料的设置可以减薄沥青加铺层，有利于结构整体受力情况，同时也可以 1 2 长安大学工程硕士论文 降低工程造价。常用的土工合成材料有土工布、玻璃纤维格栅，和近年来新兴的a p p 改性沥青油毡等。 ( 1 ) 土工布 土工布的抗剪强度和模量均低，并具有微小三维孔隙结构。在浸粘层油后原土工布 渗透系数要降低约两个数量级，所形成的沥青布要比沥青混凝土具有更好的抗渗性和传 热性，当它与沥青混凝土面层底部粘结时，会使面层的拉伸强度和模量有所提高，裂缝 大为减少【1 5 】。 土工织物间层防治反射裂缝的力学原理和特点可归纳为以下几方面1 1 6 1 ： 隔离作用。铺设土工织物间层，可将开裂的水泥混凝土基层与沥青混凝土面层隔 离，这样水泥混凝土的拉应力不能直接传递至面层上，虽减少了间层与面层间的结合力， 但结合料将土工织物间层与新铺面层连成整体，共同承受车辆荷载作用，足以防止界面 上下层的相对位移而保持连续。 消能缓冲作用。土工织物铺设在水泥混凝土与沥青混凝土面层间，相当于设置了 一弹性层，裂缝拉应力通过土工织物间层扩散至更宽范围，从而缓解裂缝处应力强度 此外，有弹性的间层还能起到吸收部分拉伸能量的作用。 加筋作用 土工布间层具有一定的抵抗水泥混凝土板裂缝拉应力p l 的能力，当基层裂缝拉应力 增大并大于土工布间层的抗拉强度时，土工布间层开始变形，此时面层才开始承受土工 布间层传递上来的拉应力p 2 ，p l 与p 2 之和等于水泥混凝土板裂缝拉应力。若无土工布间 层，面层将承受基层裂缝的全部拉应力p ，显然土工布间层起到加筋的作用。在此意义 上，它提高了路面结构层的抗拉强度，因而可减薄路面结构层的厚度。 隔水防渗作用 保温作用 土工布具有一定厚度，能起到高温吸收热量，低温释放热量，即起到保温作用，降低水 泥混凝土板温度梯度，减小温差应力，抑制温度裂缝的产生。 综上可知，土工织物用于沥青面层和水泥混凝土之间可有效抑制裂缝传递。在实际 工程中要发挥土工织物的抗拉作用及吸能作用，关键要保证土工织物与沥青罩面层之间 良好的附着力。 但是土工织物必须满足以下四个条件，方能达到以上效果： 柔韧性。体现在材料的抗拉强度和延伸率这两个指标上。 1 3 第二章薄层沥青罩面力学特性分析 均匀性。要求材料的抗拉强度具有各向均匀性。 耐高温性。防治反射裂缝的材料应具有一定的耐温性能，一般在1 5 0 度左右。在 相应温度条件下，材料物理力学性能仍满足工程要求。 附着性。在施工时，热撤防裂带起到沥青胶油的作用，作为在面层和旧混凝土 层间铺设的防反射裂缝材料，其应与沥青胶油有良好附着力，以保证沥青路面材料能充 分吸收防治反射裂缝材料下的沥青而达到饱和状态。 ( 2 ) 玻璃纤维格栅 玻璃纤维格栅具有高抗拉强度和模量，无长期蠕变且热稳定性好，表面经处治后与 沥青相容性、材料的化学稳定性和嵌锁骨料的作用均较好。因此它铺在沥青混凝土面层 下部或底面时，能使面层抗变形能力增强。同时，由于玻纤格栅对沥青罩面层的加筋作 用，因而可以在有效控制反射裂缝的前提下，减小沥青罩面层的厚度( 与不加铺玻纤格 栅相比) ，降低造价，从而取得较好的经济效益。 玻璃纤维格栅在旧路沥青罩面改造防治反射裂缝中体现的特性有 1 6 , 1 刀： 高抗拉强度。在旧水泥混凝土路面上的沥青加铺层，其主要作用是提高路面的使 用功能，对承载作用则贡献不大，加铺层下的刚性混凝土路面仍起关键的承载作用。玻 璃纤维格栅的抗拉强度约为3 7 1 m p a ，抗拉模量为6 0 0 1 8 0 0 m p a ，在温度改变时，抗拉 强度和抗拉模量与温度的关系不明显。在2 0 0 时其弹性模量与沥青混凝土弹性模量比 高达2 0 ：1 ，玻璃纤维格栅为抵抗裂缝方面提供了足够的刚度。玻纤格栅在沥青罩面层中， 能够将压应力与拉应力分散，在两块受力区域之间形成缓冲带，使应力逐步变化而不是 突变，从而减少了应力强度因子对沥青罩面层的破坏。 低延伸性。玻璃纤维格栅的应力应变图实际上近似于一垂直直线，这表明材料具 有很高的抗变形能力，断裂时其延伸率小于4 。 与沥青混合料的相容性。特殊设计的聚合物涂层和沥青具有很高的相容性，每根 纤维都完全涂裹，以保证在沥青混合料中不会滑动。玻璃纤维格栅是经表面有机涂层处 理以后与混合料有机物具有很好的相溶性，特别是沥青材料，并彻底改善了玻璃纤维格 栅不耐磨，不耐折的缺点，可以发挥其优良的技术性能。 高温稳定性。玻璃纤维的融化点是1 0 0 0 ，这就保证了其在高温摊铺时的稳定性。 化学稳定性。特殊设计的聚合物涂层，能够防止化学侵蚀。其抗碱性在5 的n a o h 溶液中浸泡2 8 天之后，其强度仍大于原来的5 0 。 物理耐久性。特殊设计的聚合物涂层，能够防止化学侵蚀和各种物理磨蚀，还能 1 4 长安大学工程硕士论文 抵抗生物侵蚀，紫外光照射和气候变化。 嵌锁限制作用。夏季沥青道路面层发软、发粘；在车辆荷载作用下，受力区域产 生凹陷，车辆荷载撤除后沥青面层无法完全恢复至受荷前的状况，产生了塑性变形；在 车辆的反复碾压作用下塑性变形不断积累，形成车辙。在设置了格栅的情况下，沥青混 凝土的集料穿过玻璃纤维格栅结构，形成一个复合的力学嵌锁体系，这种限制区域阻碍 了集料的运动，这样沥青混合料就可以得到更好的压实，更大的承载能力，并能提高传 荷能力，增加沥青罩面层中的横向约束力，使沥青面层中各部分彼此牵制，从而起到抵 抗车辙的作用。 抗低温收缩开裂。严寒地区的沥青道路，冬季面层温度接近于气温，在这样的温 度条件下，沥青混凝土遇冷收缩，产生拉应力。当拉应力超过沥青混凝土拉伸强度时， 产生裂纹，在裂纹集中的地方产生裂缝，形成病害。玻纤格栅在沥青罩面层中的应用， 使得沥青混凝土的拉伸强度大大提高，可以抵抗住较大的拉应力而不致发生破坏。另外， 即使因为局部区域产生裂纹，使裂纹发生处的应力过于集中，但经玻纤格栅的传递而逐 渐消失，裂纹不再会发展成裂缝。 抗剪附着力。特殊设计的聚合物涂层能使玻璃纤维格栅在加铺罩面中具有足够的 附着力，并在沥青混凝土罩面中起骨架作用。玻璃纤维格栅在沥青面层的下面层中，能 够利用玻璃纤维格栅的低延伸率来减少路面的弯沉量，保证路面不会发生过大的变形。 ( 3 ) a p p 改性沥青油毡 a p p 改性沥青油毡是近年来新兴于公路行业的一种建筑材料，曾广泛应用于建筑防 水领域，如各种面层、地下室、水池、水库、厕浴间、桥梁隧道等，但应用于旧水泥混 凝土板上加铺沥青面层改造的工程实践较少，尚无规范可遁。我国生产的a p p 改性沥 青油毡是以聚酯毡或玻纤毡为胎体，经氧化沥青轻度浸渍后，两面涂覆a p p 改性沥青， 然后在上表面撒以隔离材料，下表面覆盖聚乙烯薄膜或撒布细砂而成的沥青类防水卷 材。该类卷材的特点是抗拉强度大，延伸率高，具有良好的弹塑性和耐高、低温性能。 耐热度好，1 2 0 不变形，1 5 0 不流淌，耐老化性能好，有效使用年限在2 0 年以上。 a p p 改性沥青油毡贴在旧水泥混凝土板上，既可有效地防止地表水通过旧水泥混凝 土板缝下渗到土基，又能减少地下水通过旧混凝土板间接缝进入加铺层而浸湿加铺结构 层材料，防止无机结合料处治的粒料层强度降低，延缓沥青混凝土面层出现剥落和松散 u 引。a p p 改性沥青油毡铺设在旧水泥混凝土板与加铺层之间，能起到应力吸收夹层的作 用，并将反射裂缝应力由垂直方向转为水平方向，起到消散水平应变和传递竖向荷载的 1 s 第二章薄层沥青罩面力学特性分析 作用，增强沥青混凝土的整体抗拉强度，延缓反射裂缝的产生。 2 4 2 沥青混凝土应力吸收层 在沥青罩面层与旧水泥混凝土路面之间设置应力吸收层，既可以起到“承上启下”的 粘结作用，又能起到防水与排水作用，防止路面水损坏的产生，同时还能吸收水泥路面 接缝处的反射应力，起到阻止或延缓反射裂缝产生与扩展泽作用。在道路结构体系中， 应力吸收层所受的剪应力既取决于沥青面层的材料与厚度，也取决于水泥混凝土路面相 邻板的弯沉差【1 9 1 。应力吸收层所受的拉应力则取决于降温速率、应力吸收层与水泥混凝 土板的温