（材料学专业论文）沥青混凝土路面低温开裂破坏的非线性渗流机制.pdf

摘要 渗流模型是处理相变与临界现象的有力工具，在本质上属于概率论的一个分 支。沥青混凝土路面的开裂破坏是由于无数条微裂缝之间相互作用导致的，其微 裂缝无限连通的过程在数学上属于渗流问题。本文将渗流模型理论应用于沥青混 凝土路面破坏过程的描述，通过选择合适的渗流模型，用重整化群方法求出渗流 阈值，用以确定沥青混凝土路面开裂破坏的临界条件。研究表明，沥青混凝土在 低温荷载作用下，裂缝的生成和扩展具有比较明显的非线性渗流特征。因此，借 助渗流理论和渗流阈值对其进行研究具有一定的理论价值。 论文首先从沥青混凝土裂缝生成和扩展的机理研究入手，采用气动温控伺服 试验机对沥青混凝土和纤维沥青混凝土进行了间接拉伸疲劳试验，详细观测沥青 混凝土内部裂纹起裂、扩展、汇聚直至最终破坏的演变过程，获得了不同工况下 沥青混凝土的裂缝扩展状态和细观结构变化的断裂全过程照片，运用计算机图像 处理技术提取出裂缝。其次，对于获得的裂缝图像进行了分析，采用渗流理论来 描述沥青混凝土裂缝的形成及其分布，建立渗流阈值与荷载应力、温度之间的关 系，同时，用渗流阈值对纤维沥青混凝土裂缝发展做定量的分析，从而得出纤维 沥青混凝土的改性机理。最后结合上述物理实验的数据，选择v i s u a lb a s i c 6 0 为开 发工具，开发了沥青混凝土低温开裂渗流模型的计算机模拟软件。 本文得到了国家自然基金项目“沥青混凝土路面低温开裂破坏的非线性渗流 机制”( 项目编号：5 0 7 7 8 1 8 6 ) 的资助。 关键词：沥青混凝土路面；低温开裂破坏；渗流模型；重整化群方法；渗流阈值； 计算机模拟 a b s t r a c t p e r c o l a t i o nm o d e lw h i c hi ne s s e n c e ，b e l o n g st oab r a n c ho ft h e o r yo fp r o b a b i l i t y , i sa l la v a i l a b l et o o lt od e a lw i t l lc l u s t e ra n dc r i t i c a lp h e n o m e n o n b e c a u s eo fn u m e r o u s m i c r o - c r a c k s i n t e r a c t i o n , a s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n ta p p e a r sc r a c k s i nm a t h e m a t i c s ， t h el i m i t l e s sc o n n e c t i v ep r o c e s so fm i c r o c r a c k sb e l o n g st op e r c o l a t i o np r o b l e m s t h e t h e s i sa p p l i e st h e o r yo f p e r c o l a t i o nt od e s c r i i b i n gd e s t r u c t i v ep r o c e s so f a s p h a l tc o n c r e t e p a v e m e n t , t h e ns t r i k e su pa p p r o p r i a t ep e r c o l a t i o nm o d e l ，a n df i n d so u tp e r c o l a t i o n t h r e s h o l du s i n gt h em e t h o do fr e n o r m a l i z a t i o ng r o u pt od e t e r m i n ec i r t i c a lc o n d i t i o no f a s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n td e s t o r y ，s t u d ys h o wt h a tc r a c kg e n e r a t i o na n de x t e n s i o n h a v es i g n i f i c a n tn o n - l i n e a rp e r c o l a t i o nc h a r a c t e r i s t i cu n d e rl o wt e m p e r a t u r el o a d t h e r e f o r e ，s t u d yo ni tb ym e a n so fp e r c o l a t i o nt h e o r ya n dp e r c o l a t i o nt h r e s h o l dh a v ea c e r t a i nt h e o r yv a l u e t h ep a p e rf i l 啦s t a r t e df r o ma s p h a l tc o n c r e t ec r a c km e c h a n i s mo ft h eg e n e r a t i o n a n de x p a n s i o n ，u s i n ga i rt e m p e r a t u r es e r v ot e s t i n gm a c h i n et ot e s ta s p h a l tc o n c r e t e a n df i b e ra s p h a l tc o n c r e t e si n d i r e c tt e n s i l ef a t i g u ep e r f o r m a n c e ，d e t a i l e d l yo b s e r v e d t h ee v o l u t i o nt h a tf r a c t u r et h ee n t i r ep r o c e s so fi n t e r n a lc r a c k sc r a c k i n g ，e x p a n s i o n , b r o u g h tt o g e t h e ru n t i lt h ef i n a ld e s t r u c t i o n ，a c c e s st ot h ee n t i r ep r o c e s so fa s p h a l t c o n c r e t ef r a c t u r ei nd i f f e r e n t l o a d i n g c o n d i t i o n sd u r i n gt h ec r a c kp r o p a g a t i o n a n dm i c r o s t r u c t u r a lc h a n g e si nt h ep h o t o ，a n du s e dac o m p u t e ri m a g ep r o c e s s i n g t e c h n i q u e st oe x t r a c tc r a c k s s e c o n d l y ，t h ec r a c k sw e r eo nt h ei m a g e ss t u d y ，t h ep a p e ru s e dp e r c o l a t i o nt h e o r y t od e s c r i b et h ef o r m a t i o na n dd i s t r i b u t i o no f a s p h a l tc o n c r e t ec r a c k s ，e s t a b l i s h e dt h e r e l a t i o n s h i po ft h ep e r c o l a t i o nt h r e s h o l da n ds t r e s s 、t e m p e r a t u r e ，a tt h es a m et i m e ，a n d m a d eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so nt h ef i b e ra s p h a l tc o n c r e t ec r a c k st oo b t a i nt h em o d i f i e d m e c h a n i s mo f 舶e ra s p h a l tc o n c r e t eu s i n gp e r c o l a t i o nt h r e s h o l d f i n a l l y ，诵吐lt h e a b o v e m e n t i o n e dp h y s i c a le x p e r i m e n t , t h ep a p e rs e l e c t e dv i s u a lb a s i c6 0f o rt h e d e v e l o p m e n t a lt o o l s ，a n dd e v e l o p e dap e r c o l a t i o nm o d e ls i m u l a t i o ns o f t w a r e o f l o w - t e m p e r a t u r ec r a c k i n go fa s p h a l tc o n c r e t e t h i sp a p e rg o ts u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o np r o j e c t m e c h a n i s mo fn o n - l i n e a rp e r c o l a t i o nf o rl o w - t e m p e r a t u r ec r a c k i n go fa s p h a l t c o n c r e t ep a v e m e n t ”( g r a n dn o 5 0 7 7 818 6 ) k e y w o r d s ：a s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n t ；l o w - t e m p e r a t u r ec r a c k s ；p e r c o l a t i o n m o d e l ；r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ；p e r c o l a t i o nt h r e s h o l d ；c o m p u t e rs i m u l a t i o n 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所 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 表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：孕乜 j 日期：二口j 口年4 月f 弓日 重庆交通大学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。本人授权重 庆交通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 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本入 学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信息服务( 包括但不限于汇编、 复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：巷勃 日期：a o f o 年斗月1 6 日 师攀苏吲l 日期：) o o 年4 月j8 日i - 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n 系列数据 库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权 j 盈。 学位论文作者签名：歹毒毛 日期：a o o 年斗月i 弓日 指导教师签名： 日期：a o ，o 年 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的意义及国内外研究现状 随着交通行业日新月异的发展，我国公路建设事业取得了长足的进步，特别 是近2 0 年，是我国公路历史上发展速度最快、发展规模最大、最具活力的时期。 由于沥青混凝土路面具有施工便利、施工期短、行车平稳舒适、噪音低且易于养 护修补等优点，在国内外公路和城市道路中，作为高级路面的主要结构类型而广 为应用【l 】。但随着交通量的不断增长，特别是大吨位车辆行车荷载的作用，不管采 用多么高等级的路面材料，许多高等级公路沥青路面仍不可避免的发生一定的早 期损坏，如裂缝、泛油、剥落、车辙等现象，有的高等级公路甚至通车当年就发 生了病害，直接影响了车辆的正常运行，影响路面的使用舒适性，导致沥青路面 的正常维修期大大提前，也增大了养护管理资金的投入，严重减少路面的使用年 限。 沥青混凝土路面的开裂是影响沥青路面使用质量进而影响其使用寿命的主要 因素之一，因而也是各国道路界普遍关心的问题。主要表现为冬季低温季节沥青 混合料的集料之间的沥青膜拉伸破坏，然后再导致集料的破裂。它的产生不仅破 坏了路面的连续性、整体性及美观，而且由于路表水的浸入，裂缝两侧的路面结 构层和土路基的含水量增大，使基层甚至路基软化，导致路面承载力下降，加速路 面破坏；同时，纵向无限长的沥青面层开裂后，其承载模式转变为有限尺寸板， 承受重复车轮荷载时，开裂后的路面可能折断成更小尺寸的板，并发生龟网裂。 随着裂缝逐年加宽，边缘折断破碎，造成路面平整度降低，严重危及道路的使用 寿命和质量。另外，温度裂缝对将来加铺层的影响不容忽视，否则病害仍将继续 直至重修，造成巨大的经济损失和不良的社会影响。 具有显著流变性质的沥青混凝土路面，其强度、稳定性和可靠性从其尺度来 看有别于固体的相应概念，即沥青混凝土路面具有随温度和加荷时间而变化的塑 性特征。因此，温度与荷载对沥青混凝土路面的影响至关重要。沥青混凝土路面 在受到温度和荷载作用时产生变形，当其影响达到某一临界状态时，路面则出现 低温开裂破坏，这时温度及荷载的作用状态就是沥青混凝土路面破坏的临界状态。 如何求解这一临界状态的判据，确定沥青混凝土路顽破坏的力学、物理及环境条 件，是沥青路面破坏研究的重点。 渗流模型作为概率论的一个分支，由于其具有广泛的理论和实用价值，近年 来越来越受到人们的关注，在非线性科学中占有重要的位置。渗流理论是由 k b r o a d b e n t 和m h a m m e r s l e y 在1 9 5 7 年首次提出来的，是描述流体在随机介质( 多 孔介质) 中运动的数学模型，与临界现象有关。渗流与通常的随机过程( 如扩散 2 第一章绪论 过程) 的不同之处在于，流体运动本身不具有随机性，而是介质具有随机性。简 单渗流模型有两种：点( s i t e ) 渗流和键( b o n d ) 渗流，前者考虑的是格点是否被占 据，即格点是“空”还是“实”，是“开”还是“关”；后者考虑的是格点之间的连线是否 被占据，即键是“联”还是“断”，是“通”还是“闭”。除此之外，还有点键混合模型。 实际研究中运用最多的是点渗流。 关于渗流模型理论的研究，国内外已经取得了一定的成果。k l e i n 等人用生成 函数的方法精确地计算了一维渗流模型 2 , 3 1 ；张昭庆等人用矩阵变换和重整化群的 方法成功的解决了一维次近邻渗流问题【4 ，5 j ；k e s t e n 等人着重研究了二维渗流模型 的标度理论，证明了临界指数的一系列关系【6 ，7 1 ；最近屈少华等人又用蒙特卡罗的 方法研究了二维次近邻渗流模型【8 l ；朱建阳用重整化群的方法对二维渗流模型进行 了成功的研究，研究中引入了“鬼”场。对于三维渗流模型的研究只限于最近邻的情 况。屈少华等【9 j 采用空间重整化群和蒙特卡罗模拟方法，研究了三维各向异性渗 流模型，分别计算出临界值和临界指数。理论上研究比较多的是点渗流模型问题， 文献【1 0 1 讨论的是渗流模型、临界现象和相变的关系。 关于渗流模型的研究，有许多方法：如实验方法，m o n t e c a r l o 模拟方法，重 整化群( r e n o r m a l i z a t i o ng r o u p ) 方法等。重整化群方法是在量子场理论中提出 来的，近年来在研究高能渐进行为中有了很重要的应用，美国康奈尔大学的威尔 逊( k e n n e t hgw i l s o n ) 把量子场论中的重整化群方法应用于临界现象的研究，并提 出重整化群在不动点附近的性质决定了体系的临界行为，建立了相变的临界现象 理论，这是临界现象研究中的重大突破。因此重整化群方法在研究该渗流问题上 以其物理意义明确，可简捷求出解析结果等优点而倍受人们的青睐。朱建阳应用 该方法对二维次近邻正方格点进行了研究，研究中还引入了“鬼”场f l l 】。 沥青混凝土作为一种弹一塑性粘滞的材料，最基本、最重要的力学性质有： 强度、塑性、弹性和粘滞性。沥青混凝土最重要的特性，即为高温车辙和低温开 裂性。在上述研究成果的基础上，本论文依托国家自然科学基金项目沥青混凝 土路面低温开裂破坏的非线性渗流机制，主要根据沥青混凝土路面破坏的力学、 物理及环境条件，利用重整化群的方法拟将渗流模型应用于沥青混凝土路面破坏， 通过研究沥青混凝土路面破坏的力学、物理和环境条件，借用渗流模型理论和渗 流阈值的计算方法，来描述沥青混凝土路面破坏的机理和临界条件，配合计算机 模拟，建立温度和荷载作用下不同阶段沥青混凝土内部裂缝形成和扩展的变化规 律以及破坏时的渗流阈值，应用渗流阈值来研究纤维沥青混凝土在低温时裂缝的 生长，通过与未掺纤维的沥青混凝土的低温时裂缝的发展对比研究，从而定量的 描述沥青混凝土路面与纤维沥青混凝土低温开裂破坏的非线性渗流机制，从而得 出纤维加强沥青混凝土的改性机理。 第一章绪论 3 综上所述，从裂缝入手，运用重整化群的理论，开展纤维沥青混凝土低温抗 裂性能的系统研究，为纤维沥青混凝土的研究提供了一条新的思路，具有重要的 现实意义，对公路事业的发展也有积极意义。 1 2 主要研究内容和目标 1 2 1 主要研究内容 本课题以沥青混凝土路面在车辆荷载及温度共同作用下产生的开裂破坏作为 研究对象，结合渗流模型理论在材料科学中的研究现状和进一步研究的必要性， 采用理论、实验和计算机辅助计算相结合的方法，在借鉴已有的研究成果的基础 上，重点研究以下内容： 建立沥青混凝土低温开裂破坏的二维渗流模型 沥青路面低温裂缝的形成和扩展，主要是急剧降温时由于沥青混凝土没有充 分的塑性所致。降温时沥青混凝土体积缩小而产生拉应力，从而导致沥青混凝土 发生开裂破坏。用二维渗流模型模拟沥青混凝土低温开裂破坏：取路面某一剖面 为研究对象，将沥青混凝土颗粒之间的微裂缝视为条“键”，在低温和荷载作用 下，沥青混凝土体积缩小，即产生受拉压力，体积收缩，混凝土内部互相连通的“键” 为m 条，连通率p = 粤。通过气动温控伺服沥青试验机施加不同的荷载等级和 作用次数以及温度条件，采用扫描仪获取其最不利区域的“格点”，并用图像处理软 件p h o t o s h o p 进行处理，来得到裂缝图像信息，由此建立沥青混凝土低温开裂破坏 的二维渗流模型。 二维渗流模型理论计算 对于二维渗流模型理论计算，较新的是采用重整化群方法进行。重整化群是 以物理量作为重点，其理论的实质是通过改变粗视化程度的重整化变换来定量的 获取物理量的变化，目的是在变换观测尺度的基础上研究不变的现象。本课题拟 通过分析研究沥青混凝土低温和荷载作用下裂缝形成和扩展机理，建立相应的二 维渗流模型，采用重整化群法的方法求解，计算固定外界条件( 温度和荷载) 作 用下沥青混凝土内部裂缝连通率p 以及达到破坏时的临界值p 。即渗流阈值。 分析实验研究结果与理论模型之间的关系 借助扫描仪，通过间接拉伸疲劳试验，获得沥青混凝土断裂全过程中不同加 载时期二维裂缝的扩展状态和细观结构变化的照片，对试样最不利部位进行横向 切片，运用计算机图像处理技术提取了裂缝，对获得的裂缝图像进行了分析。然 后建立二维渗流模型，以此来获取沥青混凝土低温开裂破坏物理条件与渗流阈值 之间的关系。 沥青混凝土低温开裂渗流模型的计算机模拟 4 第一章绪论 本文选择v i s u a l b a s i c 6 0 为开发工具，开发了沥青混凝土低温开裂渗流模型的 计算机模拟软件，通过二维最近邻渗流模型的建立，结合上述的物理实验的数据， 通过计算机模拟，得到在一定工况下沥青混凝土路面不同作用阶段的裂缝演变的 情况，以及最后达到破坏状况时的临界连通率即渗流阈值。 1 2 2 研究目标 通过研究渗流模型的基本原理和相关的理论支撑，在广泛收集和分析渗流模 型及其工程应用有关文献的基础上，结合沥青混凝土的路用性能，通过实验研究( 荷 载试验、温度稳定性试验以及两者耦合作用试验) ，得出沥青混凝土路面发生开裂 破坏的物理条件。在此基础上应用渗流模型的基本原理进行“机助”数值模拟，研 究得出沥青混凝土路面开裂破坏的渗流临界条件，即渗流阈值，建立渗流阈值与 发生破坏的物理力学条件之间的关系函数，以及基于连通率与渗流阈值比值的沥 青混凝土路面健康状况的评估等级，作为路面维修和改造的技术依据。 1 2 3 拟解决的关键问题 本项目遵循“沥青混凝土低温力学试验裂缝及演变模型二维渗流模型 的技 术路线。具体安排如下： 实验研究，获取沥青混凝土路面低温破坏的物理力学和环境条件，以及内 部裂纹的延伸扩展情况，建立相应的二维渗流模型； 求合理的二维渗流模型求解方法以及相应的计算机数值模拟方法，建立沥 青混凝土低温开裂过程中的裂缝连通率和破坏性状态下的渗流阈值，以及沥青混 凝土低温开裂破坏的物理条件与渗流阈值的函数关系。 1 3 研究方法和技术路线 本研究采用理论研究、实验研究和应用研究相结合的方法。通过研究二维渗 流模型的基本原理和相关的理论支撑。在广泛收集和分析渗流模型及工程应用的 相关文献的基础上，结合沥青混凝土的路用性能和特征，通过实验研究( 荷载实 验、温度稳定性实验以及两者耦合实验) ，得出沥青混凝土路面发生开裂破坏的物 理条件。在此基础上应用二维渗流模型的基本原理进行“机助”数值模拟，得出沥青 混凝土路面开裂破坏的二维渗流临界条件，即渗流阈值。 主要技术路线如下： 低温荷载作用开裂破坏模型的物理实验，分为低温无载循环试验、恒温荷 载疲劳试验、变温荷载疲劳试验三种工况。本论文只采用了恒温荷载疲劳试验， 每种工况进行若干组平行试验，并留下各作用阶段的试样，对其最不利的部位进 行切片，作为后续的实验备用。 混凝土内部裂缝信息的获取。利用上述各工况下备存的最不利的部位的片 第一章绪论 5 样，通过电子扫描仪获取各种工况下不同作用阶段沥青混凝土内部原始裂纹的生 成、延伸、发展及破坏的图像信息，作为建立二维渗流模型的依据。 二维渗流模型的建立和求解。根据上述实验得到的最不利部位各工况不同 作用阶段的二维裂缝模型和二维裂缝演变模型，首先寻找混凝土内部裂缝源即“格 点”( 或“格点群”) ，观察和描绘“格点”连通裂缝的演变情况( 数量和方向) ，据此 建立二维渗流模型，并采用重整化群方法进行求解。 1 4 本论文的特色与创新之处 本论文将非线性科学中的二维渗流模型以及相应的解算方法，如重整化群等 前沿物理学的理论引入沥青路面的研究领域，突破了人们的传统的思想方法，促 成了学科交叉和新研究分支的形成。 课题属于密实介质力学、材料力学、路面工程、材料科学和非线性科学的交 叉领域。其创新点如下： 传统的路面力学只注重路面破坏的物理条件，而不关心和体现破坏的过程。 本论文根据低温荷载作用的条件和特点，用二维渗流模型来描述多孔沥青混凝土 路面开裂破坏的非线性机制，并注重定量开裂和破坏过程。 利用电子扫描仪和图像处理软件p h o t o s h o p 对沥青混凝土内部裂缝进行图 形处理，获取相关的图像信息，并形成某阶段的二维裂缝模型和裂缝演变模型。 采用重整化群理论，模拟了沥青路面裂缝形成和扩展的渗流机制。 6 第二章沥青混凝土低温开裂机理研究 第二章沥青混凝土低温开裂机理研究 由适当比例的粗集料、细集料及填料按连续级配的原则组成符合规定级配的 矿质混合料，与沥青在较高温度下拌合而成的符合相应技术标准要求的沥青混合 料，简称沥青混凝土。 沥青混凝土具有强度高、整体性好、抵抗行车和自然因素破坏作用能力强等 优点。它的强度和密实度是各种沥青面层结构中最高的，适用于各种等级道路的 沥青路面面层。高速公路、一级公路和城市快速路、主干路的沥青面层的上、中、 下面层都应该采用沥青混凝土铺筑、其它等级道路的沥青路面的上面层也宜采用 沥青混凝土铺筑。目前，这种混凝土在我国和世界上其它国家和地区的高级路面 中担当着主要的角色。 2 1 沥青混凝土路面的主要破坏形式 沥青混凝土路面常规的损坏形式主要为：裂缝、变形、表面损坏和其他损坏 四类，每一类损坏又有很多不同的表现形式【1 8 】。 2 1 1 裂缝 裂缝是沥青路面损坏的一种常见病害，其成因各种各样，从表现形式看可以 分为横向裂缝、纵向裂缝、龟裂和块裂。 路面横向裂缝是沥青路面最常见的裂缝之一，通常被看作是早期损坏现象之 一。横向裂缝基本上垂直于行车方向，裂缝间隔不等且数量逐年增加。按其成因 不同，横向裂缝又可分为荷载型裂缝和非荷载型裂缝两大类。其中荷载型裂缝是 路面承载能力下降、强度不足以承担车辆荷载或者反复循环荷载作用引起的疲劳 所产生的。荷载型裂缝首先在路面的底面发生，在车辆荷载的反复作用下，裂缝 逐渐向上扩展至表面。也可能因为下层开裂造成顶面应力集中而引起开裂，或上 下同时延伸而开裂。非荷载型裂缝的形成原因复杂，可以是温缩裂缝、反射性裂 缝、不均匀沉降裂缝、冻胀裂缝、施工裂缝( 接缝或发裂) 、构造物接头( 伸缩缝 等) 裂缝、老化裂缝等等。其中最主要的是温缩裂缝和半刚性基层开裂引起的反 射性裂缝。 纵向裂缝基本上平行于道路中心线，一般发生在距路边缘3 - 5 米的车道内。 纵向裂缝产生的原因有多种，除了荷载作用过大，承载能力不足引起的纵向开裂 外，还有由于沥青面层分路摊铺时旌工纵向接缝没有做好产生的裂缝，路基压实 度不均匀或由于路基边缘受水侵蚀产生不均匀沉陷而引起的裂缝，轮胎破坏后轮 毂在路面上行走造成的轮毂压裂。 龟裂是在路面局部区域内，龟纹状的交错裂缝，龟裂常伴有沉陷和唧浆现象。 第二章沥青混凝土低温开裂机理研究7 一般认为，龟裂是路面结构在重复荷载作用下的疲劳损坏，是结构强度不足的体 现。其初期阶段表现为相互交错的裂缝，继而发展为多边形裂块。 图2i 沥青路面发生开裂破坏 f i 9 21t h e c r a c k i n g d c s n o y o f a s p h a l t p a v e m e n t 块状裂缝是一种将路面分割成近似矩形裂块的交错裂缝，接缝间的交角近似 呈直角或钝角，是纵向、横向裂缝密度较大时的结果。块状裂缝主要是由温度变 化、反射裂缝或沥青老化等因素引起。 2 1 2 表面损坏 沥青路面的表面损坏包括磨光、麻面和剥落与坑槽几种常见的现象。 磨光是指路表外露的集料颗粒在行车轮胎的摩擦作用下逐渐被磨光情的现 象，在雨季会因此而酿成车祸。表面磨光的内在原因是集料质地软弱，缺少棱角， 或矿料级配不当、粗集料尺寸偏小、细集料偏多或沥青用量偏多等，选用材质较 好的集料可以有效地加以防治。 麻面是指沥青混合料的细集料或部分粗集料散失造成的路面病害。麻面的主 要原因是酸性集料、集料中的含尘量过太等造成的沥青一集料粘附性不足。 剥落是指在水的作用下沥青与矿料表面粘附范围减小甚至脱落，并在车辆的 反复作用下加速脱落过程，沥青面层局部呈现软弱或松散状态，软弱或松散的沥 青与集料有可能被疾驰而过的车辆带走，从而在路面上形成坑槽。 f i 萨2 雒p h a l t p a v e m e n ts u r f a c e l a y e r a p p e a r e d w h o l es l i pa n ds p 日l l n g 第二章沥青混凝土低温开裂机理研究 2 1 3 变形 沥青路面的变形也是一种主要的损坏现象，沉陷、车辙和推挤所导致的路面 变形极大地降低了路面平整度和道路服务水平，严重的病害甚至还会影响行车安 全。沉陷是指路面的局部凹陷。由于基层或路基的局部压实不足所致。路基未充 分固结或压实不足造成的继续沉降往往引起路面的大面积沉降，这种沉降有时伴 有贯穿整个路面的结构性破坏；这种现象通常不作为路面沉陷考虑。车辙是渠化 交通的高等级公路沥青路面的主要损坏形式之一。当车辙达到一定深度时，由于 车槽内积水，极易发生汽车漂滑而导致交通事故。车辙一般是在温度较高的季节， 沥青面层在车辆的反复碾压下产生永久变形和塑性流动而逐渐形成。在正常情况 下，沥青路面的车辙有三种类型： 图2 3 沥青路面车辙变骺 f i 吐3 t h e r o t t i n gd e f o r m a t i o n o f a s p h a l tp a v e m e n t 第一种类型是结构性车辙，由路面基层及路基变形引起，是发生在沥青面层 以下包括路基在内的各结构层的永久性变形，这种车辙的宽度较大，两侧没有隆 起现象，横断面呈v 形( 凹形) 。 第二种类型是流动性车辙，在温度较高的季节，沥青混凝土路面经车辆的反 复碾压作用产生侧向流动变形，这种变形通常是伴随着沥青面层压缩变形的同时 出现侧向隆起，二者组合起来构成w 行车辙。这部分车辙主要取决于沥青混合料 的流动特性。 第三种类型是磨损性车辙，在北欧一些国家较为常见。 在交叉路口、匝道进出口等处，因车速变化频繁，经常刹车与启动，致使路 面承受着很大的水平剪力。当沥青混合料高温稳定性较差时，就会在高温和水平 剪力的作用下产生搓板状的推挤变形。 2 1 4 其他损坏 沥青面层混合料中沥青用量偏大或残留空隙率太小( 小于3 ) 时，在夏天沥 青会受行车的碾压作用而渗出路表面，形成一层有光泽的沥青膜，称为泛油。泛 油可造成路表构造深度逐渐减小，抗滑性能降低，从而影响行车安全。 第二章沥青混凝土低温开裂机理研究 9 2 2 沥青混凝土低温开裂机理研究 严冬期温度聚降出现的横向收缩裂缝【2 0 】 位于路面面层的沥青结构层，直接受到气温变化的影响，当温度下降时，沥 青面层就会产生收缩变形。但它和水泥混凝土路面不同，沥青路面没有收缩缝， 于是这种变形会受到基层对路面的摩阻力和路面无限连续板体对收缩变形的约束 作用，使沥青面层内部产生拉应力。 另一方面，沥青混凝土具有应力松弛性能，当给沥青混凝土一定的应变时， 由此产生的应力会随时间延长而松弛，在一般的温度范围内，由温度降底而产生 的拉应力，会由于应力松弛而使拉应力减小，将不产生出现裂缝那么大的应力。 可是当出现寒流或寒潮时，过快的降温速率将使路面内的应力来不及松弛，出现 过大的应力积累。与此同时，由于温度降低，沥青混合料的应力松弛模量逐渐增 大，应力松弛性能降低，也导致应力积聚过大，待温度应力积累到超过沥青混合 料的极限抗拉强度时，路面就将出现裂缝，以便将应力释放出去。因此温缩裂缝 往往并不发生在当地的极端温度条件下，而经常大量发生在寒流和寒潮到来的时 间里。例如在我国北方，1 1 月份是一年之中首次出现寒冷的月份，沥青路面经常 会在寒流到来的一夜之间出现大量的温缩裂缝。 也就是说，温缩裂缝是由于温度聚降，混合料的应力松弛性能赶不上，温度 下降产生的应力超过了材料的极限抗拉强度。或者说，在通常温度条件下，沥青 混合料的劲度较低，气温下降后，材料的应变能力急剧降低，导致材料的劲度模 量急剧增大，超过了产生开裂的极限劲度，便产生开裂。这种情况在沥青面层与 基层粘结力不好，可允许有一定自由收缩时更易发生。这是一次性降温造成的温 度收缩裂缝的经典的力学模式。 由于降温来自于冷气流，路表温度肯定低于路面内部温度，温缩裂缝当然是 从表面开始的，这在6 0 年代国外的大量调查中已经得到证实。当温度下降时，因 为沥青路面的表面温度比底面低，应力的产生本来应该与温度梯度是一致的，可 是实际路面中沥青混凝土层是连续的，没有接缝，不能自由地收缩，且与路面基 层紧密粘着，不能自由翘曲，其结果在表面出现了拉应力( 与基层联结成整体的 也会出现拉应力) ，在底面出现了压应力，这些应力与其他应力相叠加，就会在表 面出现更大的拉应力，导致裂缝的生成。 另外，接近表面的沥青比内部沥青更易老化，沥青混合料的极限拉伸应变小， 应力松弛性能差，也是容易产生裂缝的一个重要因素。 路面开裂以后，温度继续下降便有了自由收缩的可能，此时裂缝宽度将会增 加。但是由于沥青面层与基层之间有联结，实际上收缩不是自由的。以后随着使 用年限的增加，沥青混合料的劲度模量也同时增加，所以还会产生新的裂缝，从 1 0 第二章沥青混凝土低温开裂机理研究 而裂缝间距缩短，裂缝不断加宽，开裂越来越严重。 反射裂缝 在我国，实际上还存在第二种模式，那就是由于水泥、石灰、粉煤灰稳定类 的半刚性基层的收缩( 温缩和干缩) ，或者已经开裂了的半刚性基层在裂缝部位的 应力集中与沥青面层的低温收缩、荷载作用产生的综合作用，使温缩裂缝较多地 产生。这其中，沥青面层的收缩起了最主要的引发作用。裂缝大部分是从路面表 面产生，向下发展；也可能是上、下面对应地产生；或者由下向上延伸，这些裂 缝实际上是温缩裂缝和半刚性基层的收缩裂缝的反射裂缝的综合裂缝。在已经开 裂的沥青路面上的加铺层，情况也相同。 单纯的路面反射裂缝是由于沥青面层的下卧层已经开裂，裂缝处的应力集中 现象使交通荷载产生在面层下部的拉应力比没有裂缝的部位要大，容易超过沥青 的极限强度，致使沥青路面面层一起开裂。在温度收缩应力的共同作用下，交通 荷载作用下的主拉应力( 或剪应力) 和温度变化下的收缩应力是反射裂缝形成的 根本原因。 在冬季低温下，当基层开裂后，由于基层失去的抵抗应力的能力，就在开裂 时将应力传递给面层，形成面层在开裂缝处的应力集中。在低温下，沥青面层的 模量较大，它仅能承受较小的温度应力，因而极易产生反射裂缝，此时如果再加 上偏荷载主拉应力的作用，其应力值就可能超过材料的极限强度，从而使面层发 生开裂。反射裂缝是沥青面层早期劣化的根源，它缩短了路面的维修周期，减少 了路面的服务年限。 温度疲劳裂缝 产生低温裂缝的沥青混凝土层，春天气温回升时裂缝弥合，到了冬天，沥青 混凝土层再次出现收缩，若基层摩擦力小，在实际收缩时，裂缝就变宽了，若基 层摩擦力大，沥青混凝土就不会收缩了，新的裂缝便会产生，裂缝数量也将增加。 这是由于温度疲劳循环的作用的造成的。除了温度疲劳作用年循环以外，温度的 日循环、短时间内的温度循环、冷热交替，都能在混合料内部出现疲劳损坏现象。 即使是并没有发生开裂的路面，温度的反复升降循环产生的温度应力作用， 同样会使路面开裂。由于温度应力的疲劳作用使沥青混合料的极限拉伸应变或劲 度模量变小，又加上沥青老化使沥青劲度提高，应力松弛性能下降，故温度疲劳 裂缝可能在比一次性降温开裂温度高的温度下开裂，所以温度疲劳裂缝可能发生 在冬季最低气温并不太低的地区，同时裂缝随着路龄增加而不断增加。 冻缩裂缝 冻缩裂缝主要是路基冻涨及收缩产生的开裂。表面看来，它可以一直延伸到 路基范围之外的田野里，或者本来就是路外开裂延伸到路上的，其裂缝宽度大， 第二章沥青混凝土低温开裂机理研究1 1 深度也深。这种开裂在路面与路肩交界处最常见。如果设置防冻层，冻缩裂缝可 以得到一定程度的缓解。 由于综合原因造成的横向裂缝 在我国，横向裂缝是高速公路最主要的裂缝形式，也是国外沥青路面的主要 病害之一。不过在北欧、北美、日本，温缩裂缝只发生在严寒的北方，并不发生 在南方，而我国的横向裂缝则是从南到北都较普遍。为了搞清楚发生横向裂缝的 原因，不少单位都进行了调查研究，但具体看法上一直存在着严重的分歧。一种 意见认为横向裂缝都是( 或大部分是) 沥青面层的温缩裂缝；另一种看法认为主 要是半刚性基层收缩裂缝所引起的反射缝。实际上这两种原因兼而有之。还有一 些其他的原因，是综合原因造成的。 由于沥青路面所在地区的气候、路面结构、沥青层的厚度及沥青性质、基层 含水量及收缩性能、铺筑时间及施工方法等各种因素千变万化，究竟是以沥青面 层的温度收缩为主要原因，还是半刚性基层收缩开裂反射为主，或者以路堤收缩 为主，实际上很难判断，必须通过实际调查才能下结论。 尤为困难的是，裂缝调查目前只能对表面已经开裂的地方进行开挖检查，无 法验证表面未裂处下面的基层是否已经开裂。而表面一旦开裂，由于表面温度较 下面低，裂缝的发展便转化成上面快于下面，上面宽于下面，在缝的尖端处往往 成为上面已裂下面未裂的情况，再加上面层与基层的裂缝都是弯弯曲曲的，很可 能有错位，使判断究竟是面层先裂还是基层先裂发生困难。 可以想象，在北方寒冷地区，由于大风降温造成的突发性开裂，裂缝很快发 展延伸甚至贯通时，由于基层、路基的降温滞后较多，沥青面层的温缩裂缝将是 主要原因，这样的裂缝在半刚性基层上大量产生，在柔性基层上也将发生。譬如 日本道路基本都是柔性基层，北方的温缩裂缝亦很普遍。 如上所述，沥青面层中的低温收缩开裂是横向开裂的主要形式，主要是由于 温度降低出现的沥青面层收缩、应力松弛特性、基层的摩阻力、降温速度以及荷 载应力反射裂缝、路基冻缩等多种因素相互影响的复杂现象。从总体情况看，从 南方到北方，温缩裂缝成为主要的原因的比例越来越大，而半刚性基层收缩裂缝 的反射缝的比例则越来越少。 一 对高速公路来说，半刚性基层中的集料含量较多，而且沥青面层相对较厚， 收缩性能有了很大改善。通过调查发生，由于采用了质量好的重交通道路沥青， 横向裂缝显著减少，甚至可能保持在数年内不发生裂缝。山东寿光试验路的开挖 表明，胜利沥青混合料路段的横向裂缝发生在冬季的气温骤降过程中，其下的半 刚性基层有些并没有开裂，有些则开裂了( 开裂位置经常会错开一定距离，所以 仅从钻孔是不易判断的) ，说明横向裂缝可能起源于沥青面层的温度收缩裂缝，也 1 2 第二章沥青混凝土低温开裂机理研究 可能起源于基层反射缝。不过在北方寒冷地区，主要是温度裂缝。对大多数公路 来说，半刚性基层收缩裂缝的反射缝仍然是沥青路面横向裂缝的主要原因之一。 为了减少半刚性基层收缩裂缝的反射缝，应该从以下方面努力： 1 ) 沥青面层必须有一定的厚度，能对基层起到足够的保温作用； 2 ) 半刚性基层的组成中应有较多数量的粗集料，而且无机结合料的剂量也不 能太高，即有适宜的刚度，这样半刚性基层材料的收缩性将大为减少； 3 ) 半刚性基层施工时含水量不能太大，并有良好的养生，沥青面层在当年基 层尚未开裂之前必须铺上。 众多的工程实践证明，对水泥、石灰、粉煤灰等无机结合料稳定粒料的半刚 性基层来说，并不是强度越高越好的。有一个适当的强度很重要，强度过大可能 导致收缩裂缝增加，使路面横向裂缝严重。有的省的高速公路的半刚性基层强度 比较适当，已经可以做到使用头几年基本上没有横向裂缝。 从一些试验路及高速公路使用调查发现，在其他条件相同的情况下，半刚性 基层路段的横向裂缝仍比柔性基层的多。京石高速公路正定试验路上，铺筑了级 配碎石过渡层后，横向裂缝明显减少，甚至没有早期裂缝，这一段恰好是施工时 使用了质量不好的石灰，受过批评的。京密公路的级配砂砾基层段比半刚性基层 段裂缝也明显少得多。这些都说明，横向裂缝与基层是有密切关系的。 另外，不管是北方还是南方的高速公路，横向裂缝都有一个明显的特点，即 经常跨过中央分隔带，甚至延伸到路肩、边坡、田野。可见，除了沥青面层及基 层的收缩影响外，土基( 路堤) 的收缩、冻胀等也有明显的影响。 因此，在我国高速公路半刚性基层沥青面层上出现的横向开裂，是由沥青面 层本身的低温收缩开裂、半刚性基层收缩裂缝的反射性开裂及路基土壤收缩引起 的开裂等许多复杂的情况引起的，具体情况必须具体分析。在大多数情况下，则 是多种原因综合作用造成的。这些裂缝基本上都属于非荷载性裂缝。 之所以说是多种原因综合作用的结果，是因为这些裂缝主要发生在急剧降温 的过程中，首当其冲的沥青面层内当然要产生很大的温度应力，它是造成开裂的 一个直接的主要原因。另一方面，如果建筑在柔性基层上，或者下边有级配碎石 过渡层，仅仅沥青面层的温度应力还不一定达到开裂的程度。但如果下面是半刚 性基层，则其本身也将产生较大的收缩( 干缩与冷缩的叠加) ，它将使沥青面层的 收缩应力增大，从而造成开裂。如果半刚性基层上原先已经有了裂缝，沥青面层 的温度应力将在基层的裂缝部位造成很大的应力集中，半刚性基层的收缩应力与 沥青之间的传递在裂缝自由端中断，面层与基层的附着力使基层的收缩应力集中 于裂缝部位的沥青面层内，从而使沥青面层的温度应力明显增大，在裂缝部位或 其附近首先开裂。 第二章沥青混凝土低温开裂机理研究 l3 因此，与柔性基层相比，半刚性基层沥青面层的温度应力作用一个附加力和 应力集中，这两种因素的综合作用，再加上荷载的影响( 比较小) ，导致沥青面层 开裂。或者说，半刚性基层沥青路面产生横向裂缝的条件为沥青在交通荷载、温 度下产生的应力再加上半刚性基层及土基的影响产生的附加应力之和，大于沥青 面层的抗拉强度。无论如何，沥青面层的低温收缩是很重要因素。 总之，非荷载裂缝大都为横向裂缝，主要由于迅速降温及温度循环反复作用 在路面沥青层产生温度收缩裂缝以及由于半刚性基层开裂产生的反射性裂缝，而 绝大部分裂缝是多方面的原因共同作用而产生的。 2 3 本章小结 沥青混凝土路面常规的损坏形式主要为：裂缝、变形、表面损坏和其他损 坏四类。 缩裂缝是由于温度聚降，混合料的应力松弛性能赶不上，温度下降产生的 应力超过了材料的极限抗拉强度。或者说，在通常温度条件下，沥青混凝土的劲 度较低，气温下降后，材料的应变能力急剧降低，导致材料的劲度模量急剧增大， 超过了产生开裂的极限劲度，便产生开裂。这种情况在沥青面层与基层粘结力不 好，可允许有一定自由收缩时更易发生。这是一次性降温造成的温度收缩裂缝的