（道路与铁道工程专业论文）抗裂沥青混合料技术研究.pdf

摘要 摘要 沥青路面开裂是各国沥青路面最普遍的损坏现象之一，是沥青路面早期损坏 的一种主要形式。在我国，大多数高等级公路为半刚性基层路面，半刚性基层路 面的一个主要问题就是沥青面层容易出现丌裂。在我国很多地区、特别是北方地 区沥青路面早期开裂现象比较普遍，伴随降水浸入路面结构内部，在行车荷载、 冻融等综合作用下，使得路面的使用性能急剧下降，成为水损坏的主要原因之一， 已经开始对高速公路的投资效益产生越来越严重的影响。 本文采用三维有限元、断裂力学应力强度因子理论对半刚性基层路面反射 裂缝发生、发展机理进行了分析，并对半刚性基层沥青路面采用橡胶沥青类中 间夹层防治反射裂缝的有效性进行了理论验证。对采用粗颗粒废旧橡胶粉制备 的基于断级配橡胶沥青混合料、s t r a t a 沥青混合料、普通沥青混合料、s b s 改 性沥青混合料、四种纤维沥青混合料进行了基于应变控制的疲劳抗裂性能、高 温性能的评价与对比，得出了选择粗颗粒废旧橡胶粉制备的基于断级配橡胶沥 青混合料作为抗裂沥青混合料的结论，并对橡胶沥青混合料的配比设计进行了 研究。 关键词：沥青路面开裂，半刚性基层，三维有限元，断裂力学应力强度因子理 论，断级配橡胶沥青混合料，抗裂沥青混合料 a b s t r a c t c r a c k i n gi st h em o s tc o m m o n l ys e e nd e f e c t so r la s p h a l tp a v e m e n ta l l o v e rt h e w o r l da n di ti sa l s oo n eo ft h ef o r m so fe a r l yf a u l t so na s p h a l tp a v e m e n t i nc h i n a ， m o s to ft h eh i g h 1 e v e lh i g h w a y su s es e m i r i g i db a s ea n do n eo ft h em a j o rp r o b l e m s w i t hs e m i r i g i db a s ei st h ec r a c k i n go ns u r f a c ec o u r s eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n t c r a c k i n gi sar e l a t i v e l yf r e q u e n t l ys e e ne a r l yf a u l to na s p h a l tp a v e m e n t i nm a n yp a r t s o fc h i n a i np a r t i c u l a r , i nt h en o r t h e r np a r t w i t ht h ec o n t r i b u t i o nf r o mt h ep e r m e a t i o n o fw a t e ri n t ot h ep a v e m e n ts t r u c t u r ea n dt h ei n t e g r a t e da c t i o n so fv e h i c l el i v el o a d a n df r o s tt h a w i n g ，t h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ep a v e m e n td e t e r i o r a t e sr a p i d l y c r a c k i n gh a sb e c o m eo n eo ft h em a j o rc a u s e so fw a t e rd a m a g e sa n dh a ss t a r t e d t o p r o d u c e m o r ea n dm o r es e v e r ei m p a c t so nt h er e t u r no ni n v e s t m e n t so ne x p r e s s w a y s i nt h i sp a p e r , t h et h r e e d i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o da n dt h et h e o r i e so f 行a c t u r em e c h a n i c sa n ds t r e s si n t e n s i t yf a c t o r a r eu s e di nt h ea n a l y s i so ft h e m e c h a n i s mo fg e n e r a t i o na n dd e v e l o p m e n to fr e f l e c t i o nc r a c k so ns e m i r i g i db a s e a n dt h e o r e t i c a lv a l i d a t i o nw a sm a d eo nt h ee f f e c t i v e n e s so ft h er u b b e ra s p h a l t i n t e r m e d i a t ec o u r s ei np r e v e n t i o na n dc o n t r o lo fr e f l e c t i o nc r a c k s o na s p h a l t p a v e m e n tw i t hs e m i - r i g i db a s e e v a l u a t i o na n dc o m p a r i s o nw e r ec o n d u c t e d o nt h e f a t i g u ec r a c k i n gr e s i s t a n c ea n dh i g h t e m p e r a t u r ep e r f o r m a n c eo fg a pg r a d a t i o nr u b b e r a s p h a l tm i x t u r ep r e p a r e dw i t hc o a r s eg r a i n e dr u b b e rp o w d e r , s t r a t a a s p h a l tm i x t u r e ， o r d i n a r ya s p h a l tm i x t u r e ，s b sm o d i f i e da s p h a l tm i x t u r ea n d t h em i x t u r eo ff o u rt y p e s o ff i b e ra n da s p h a l t t h i ss t u d yp r o c e s sc o n c l u d e st h a tt h eg a pg r a d a t i o nr u b b e r a s p h a l tm i x t u r ep r e p a r e dw i t hc o a r s eg r a i n e dr e c y c l e dr u b b e rp o w d e r i st h eb e s t c h o i c ef o rc r a c k i n g r e s i s t a n ta s p h a l tm i x t u r ea n da l s os t u d i e dt h em i xd e s i g no f r u b b e ra s p h a l tm i x t u r e k e y w o r d ：c r a c ko na s p h a l tp a v e m e n t ，s e m i - r i g i db a s e ，t h r e e d i m e n s i o nf i n i t e e l e m e n t ，t h e o r yo ff r a c t u r em e c h a n i c sa n ds t r e s si n t e n s i t yf a c t o r , g a p g r a d a t i o nr u b b e ra s p h a l tm i x t u r e ，c r a c k r e s i s t a n ta s p h a l tm i x t u r e 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的e p 届, j 本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 豚彦砍 2 0 0 8 年4 月1 6 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 稻拣 年月日 渺g 年年月f6 日 同济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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 2 0 0 8 年4 月16 日 第一章提高面层沥青混合料抗裂性能研究的目的、用途和意义 第一章提高面层沥青混合料抗裂性能研究的目的、用途和 意义，山7 1 1研究目的、用途和意义 裂缝是沥青路面最主要的损坏形态之一。在我国，大多数高等级公路为半 刚性基层，半刚性基层路面的一个主要问题就是沥青面层容易出现开裂。目前 为了解决半刚性基层路面开裂问题，采取了很多措施，包括以柔性基层来代替 半刚性基层。 考虑到半刚性基层的优点：造价较低、承载能力强，长期使用积累了丰富 的经验，若果能够解决或延缓半刚性基层路面的丌裂问题，同时加强养护，在 路面出现开裂后及时灌缝，半刚性基层路面仍将有强大的生命力，因此半刚性 基层路面的关键是防止或延缓路面的丌裂问题。 半刚性基层路面的开裂大多数情况下都是自下而上的丌裂( d o w n t o p ) ，大 致分为三个阶段：半刚性基层开裂、沥青路面下面层出现初始裂缝、裂缝在沥 青面层中的扩展。裂缝产生的起因是半刚性基层由于自身的特点容易出现裂缝， 而半刚性基层裂缝的出现导致沥青面层的下面层的拉应力增大，在反复拉应力 的作用下，下面层会出现疲劳丌裂，即出现初始裂缝，而后随着反复荷载的作 用，裂缝逐渐向上扩展到面层表面。 半刚性基层的开裂是由半刚性基层的特点决定的，通过限制半刚性基层中 水泥的用量也只能延缓或减小半刚性基层的裂缝宽度；如果沥青面层的混合料 自身有很好的抗裂性能，则可以达到防止或延缓沥青路面裂缝出现的目的，因 此，提高面层沥青混合料抗裂性能是解决半刚性基层路面丌裂的有效途径。 本文首先首先采用三维有限元、断裂力学应力强度因子理论对半刚性基层 路面反射裂缝发生、发展机理进行了分析，再对国内外常用抗裂沥青混合料及 手段进行抗裂疲劳性能的评价，从中选择粗颗粒废旧橡胶粉制备的断级配橡胶 沥青混合料作为抗裂沥青混合料，并对橡胶沥青混合料的配比设计进行了研究。 因此，本文以提高混合料的抗裂性能为核心，通过研究，利用橡胶沥青混 合料优异的抗裂性能，从根本上提高混合料的抗裂性能，从而防止或延缓半刚 性基层路面的开裂。河北省有大量的半刚性基层路面要修，通过采用抗裂的橡 胶沥青混合料，解决半刚性基层路面的开裂问题，将产生巨大的社会效益与经 济效益。 1 2 国内外研究综述 1 2 。1 国外研究方法现状 裂缝的生成是多种因素( 荷载、环境、结构、材料、施工) 单独或综合作 用的结果。而半刚性基层上的沥青面层更容易出现裂缝，半刚性基层路面有自 下而上的开裂( d o w n - t o p ) 与自上而下的开裂( t o p d o w n ) 两种开裂形式。而 d o w n t o p 开裂是主要形式。d o w n t o p 开裂主要是由于疲劳开裂引起的，首先半 刚性基层出现开裂，即出现初始裂缝，传统的强度理论认为，当沥青面层中某 点的临界应力超过沥青混凝土本身的极限强度时，沥青面层即达到破坏状态。 实际上并非如此，沥青面层中的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，即裂缝在沥青面层厚度方向上的纵向扩展和沿裂缝长度方向 的横向扩展。因此，通常情况下，把裂缝产生的过程分为两个阶段：( 1 ) 裂缝 的产生阶段，( 2 ) 裂缝在沥青面层中的扩展阶段。不同的阶段对应不同的规律， 一般认为，裂缝的产生阶段对应于沥青混合料的疲劳规律，裂缝的扩展阶段对 应于断裂力学中裂缝的疲劳扩展规律。对于疲劳开裂，国内外进行了大量的研 究，并得出了很多结论。 关于疲劳丌裂的两个最重要的关系式为： n = a ( 1 t ) b或者n = a ( 1 6t ) b n ：路面开裂时的荷载作用次数；t ：反复施加的拉应变；a 、b ：系数， 根据疲劳试验得出。 在这两个关系式的基础上，国外六七十年代以m o n i s m i t h 、p e l l 为代表进行 了大量疲劳性能研究，在s h r p 计划及后续的研究中，以b e r k e l y 大学为代表又 对疲劳性能进行了大量的研究，并提出了各种各样的疲劳性能预估模型，但这 些研究主要是为了进行路面结构设计，对混合料的抗裂性能及如何采用合适的 抗裂沥青混合料来防止沥青路面的开裂并未进行深入研究。 2 第一章提高面层沥青混合料抗裂性能研究的目的、朋途和意义 由于水泥路面板上加罩沥青面层时会产尘反射裂缝，为了防治反射裂缝， 国外进行了大量的研究，尝试了多种防治裂缝的措施。这些措施大致可分为两 类：改善沥青混凝土沥青面层性能( 增加沥青面层厚度、加筋沥青面层) ；设置 应力应变吸收薄膜夹层( s a m i 、土工织物、土工布等) ：其中加筋沥青面层和 应力应变吸收薄膜夹层一直是研究者关注的热点。美国m i c h i g a n 州使用钢筋网 加筋沥青面层，较好的防治了裂缝。但同一措施在c a l i f o r n i a 州以及澳大利亚的 效果并不明显。德国不莱梅港市采用s a m i 防治裂缝，取得了较好的效果。但 海尔布隆市的试验效果并不明显。美国i o w a , k l l 的试验路观测结果表明，土工织 物能有效地防治裂缝反射，但同一种措施在n o r t hc a r o l i n a 州的效果则几乎没有。 反射裂缝与半刚性基层沥青路面开裂有相似之处：由于基层出现的裂缝导致沥 青路面下面层反复受拉而出现裂缝，并向上发展导致路面出现了开裂。因此水 泥路面板上加罩沥青面层的防反射裂缝措施，也可以用于半刚性基层路面防止 开裂。 从以上分析可以看出，以上这些措施主要是用于防止水泥路面加罩沥青面 层时产生的反射裂缝，这些措施只能延缓反射裂缝的出现，同时增加了成本和 施工难度。但如果能控制成本，不增加施工难度，只是从沥青混合料的材料、 组成与配比入手来防止或延缓半刚性基层路面的开裂问题，将更有实用价值。 在进行大量试验研究的同时，国内外的研究人员先后开发了多种用于计算 沥青面层内的应力、应变分布以及裂缝扩展过程的力学分析方法，在分析各种 带裂缝结构的方法中，有限元方法是一种较有效的分析方法，并广为许多学者 所接受和采用。m a j i d z a d e h 、c o e t z e e 、c h e n 、r i g o 等分别采用a n s r 一i 、s a p 、 s a p l l 5 有限元程序对沥青面层中裂缝尖端的荷载、温度应力分布及其对产生裂 缝的影响进行了探讨。f r a n c k e n 对比了二维有限元( f l a c 程序) 和三维有限元 ( s y s t u s 程序) 的分析结果。 传统的分析方法和极限强度理论只研究了裂缝的产生阶段，对裂缝的扩展 阶段不能给予很好的考虑和解释。而断裂力学不仅能解释裂缝产生的机理，而且 也给出了裂缝的疲劳扩展规律( p a r i s 定律) ，为研究路面的丌裂问题提供了一条 新的途径。自从七十年代中期m a j d z a d e h 首先将断裂力学原理与方法引入路面研 究领域以来，应用断裂力学原理研究路面结构的开裂问题，国内外都开展了一 定的研究工作。1 9 8 0 年m o n i s m i t h 应用断裂力学原理定性地分析了夹层类措施 ( s a m i 土工织物等) 防治裂缝的机理。s a l a m 通过对带缺口的梁式试件弯曲试 验，研究了沥青混合料的断裂韧性。m o l e n a a r 及其课题组成员通过大量的室内 试验研究了沥青混合料的粘弹性断裂参数。1 9 7 6 年l y t t o n 等人应用线弹塑性断 裂力学研究了沥青路面温度型断裂。荷兰d e l f t 大学的s c a r c p s 等人开发了专门 用于带裂缝结构的沥青罩面分析设计程序c a p a 。1 9 8 7 年j a y a w i c k r a m a 运用断 裂力学理论与弹性地基梁理论，并结合裂纹扩展的p a r i s 定律，预估了沥青罩面 的寿命。1 9 9 3 年l y t t o n 等人在s h r p 计划沥青路面性能预估方程的研究中，在 分析沥青路面开裂( 低温开裂、疲劳开裂) 问题时，都应用了断裂力学原理。 1 2 2 抗裂沥青混合料的研究现状 对于常规的沥青下面层的疲劳开裂，加州b e r k e l y 大学提出在沥青下面层采 用富沥青的做法来提高沥青混合料抗列性能。 目前国内外还没有很成熟的抗裂混合料设计方法，从马歇尔设计方法到目 前最新的s u p e r p a v e 混合料设计方法及g t m 混合料设计方法，其设计的核心均 以沥青混合料的高温性能为核心，考虑混合料的抗车辙性能。由于车辙主要发 生在上面层，对易出现反射裂缝的沥青路面，尤其是对于下面层的沥青混合料 而言，抗裂性能比抗车辙性能更重要，因此下面层的沥青混合料设计方法应当 重点考虑混合料的抗裂性能。由于目前常规混合料设计方法未考虑混合料的抗 裂性能，因此有必要研究并提出沥青混合料的抗裂设计方法，设计出抗裂性能 优异的沥青混合料，用于防止下面层沥青混合料的开裂，从而延缓与防止沥青 面层反射裂缝的出现。 壳牌公司在防治反射裂缝上进行了一些丌创性的研究，他们通过采用高性 能的改性沥青( 其p g 分级到达p g 7 6 - - 2 2 ，甚至达到8 2 3 4 ) ，增加混合料的 沥青用量( 其沥青用量达到9 ，比常规沥青混合料增加一倍) ，降低混合料的 空隙率( 其空隙率一般在1 左右) ，以上三方面的措施可以大幅提高混合料的 抗裂性能，并适当兼顾了抗车辙性能；同时通过m t s 8 1 0 仪器对混合料进行重 复小梁弯曲实验，以此为核心提出不同于常规混合料设计方法的新的抗裂沥青 混合料设计方法，这一技术目前在国内一些水泥路面加罩沥青面层工程( 如北 京二环) 进行了成功应用，其商品名为“s t r a t a ”，通常也称为应力吸收层，这一 技术将沥青混合料的抗裂性能发挥到了极致，但对于半刚性路面开裂，考虑到 经济成本，不需要如此高性能的抗裂沥青混合料，但这一思路在开发半刚性路 面抗裂沥青混合料时，有很多可以学习的地方。 4 第一章提高面层沥青混合料抗裂性能研究的目的、用途和意义 目前国内外还有一种措施，即向沥青混合料中添加纤维，通过纤维的加筋 作用，来增加沥青混合料的抗裂性能，常用的纤维包括木质素纤维、矿物纤维、 聚酯纤维等。 目前国外公认的用于沥青混合料抗裂最经济有效的措施是基于湿法的废旧 橡胶粉技术，简称橡胶沥青混合料。 1 2 3 橡胶沥青混合料的研究现状 废旧轮胎橡胶在沥青混合料中的应用，分为干拌法和湿办法两种工艺，干 办法是将橡胶粉直接加入高温石料中，再加入沥青拌合制成沥青混合料；湿拌 法是先将橡胶粉加入沥青，在高温下充分反应制成改性沥青，再与石料拌合， 使用方法与一般改性沥青相同。湿拌法在国外工程中用的比较多，工艺较为成 熟，也是采用湿拌法工艺进行试验研究。在国外，湿拌法制成的改性沥青称之 为a s p h a l tr u b b e r ，称之为橡胶沥青。 国际上最早的橡胶沥青文献是18 4 3 年的一份英国专利。现代意义上的橡胶 沥青混合料首先出现在上世纪的4 0 6 0 年代的美国，美国橡胶回收公司在上世 纪4 0 年代首先采用干拌法的生产工艺生产了r a m f l e xt m 橡胶粉沥青混合料， “橡胶沥青之父”c h a r l e sm c d o n a l d 则首先采用湿拌法的生产工艺，在6 0 年代 开发了o v e r f l e xt m 橡胶沥青混合料。 从上世纪6 0 7 0 年代以来，美国、澳大利亚、南非等国家先后开展了橡胶 沥青和橡胶沥青混合料的应用研究。并通过立法和技术推广，极大地促进了废 旧轮胎在道路工程中的利用。 上世纪9 0 年代，全美每年大概要废弃2 3 5 亿只汽车轮胎( 小车轮胎约有2 亿只) ，以各种状态堆积的轮胎数量大致为2 0 2 5 亿只。迫于轮胎带来的环境压 力，美国通过了1 9 9 1 年联邦地表协调联运效率法案( i s t e a ) 1 0 3 8 条款( 要求 在路面工程中逐步增加回收橡胶的用量) ，同时，大多数州启动了相关立法程序， 极大地促进了废旧轮胎在道路工程中的利用。截止到1 9 9 3 年，有2 7 个州对橡 胶粉改性沥青及混合料进行了研究，而总共3 8 个州在沥青混合料中使用过回收 橡胶粉。据统计，1 9 9 1 年到1 9 9 7 年的6 年问，公路行业共消耗废旧轮胎橡胶粉 8 0 0 0 万吨，大约4 亿条废旧轮胎。 美国应用废旧轮胎橡胶粉较多的州有：亚利桑纳州、加利福尼亚州、佛罗 里达州、得克萨斯州等。在这些地区，橡胶沥青不仅用于生产橡胶沥青混合料， 还应用于应力吸收层( s a m ) 、应力吸收中间层( s a m i ) 、碎石封层( c h i ps e a l ) 、 路面防水材料( t a c kc o a t ) 以及填缝料等。 国外对于橡胶沥青应力吸收层的抗反射裂缝性能以及橡胶沥青路面的综合 性能，有着大量的研究。 1 9 8 2 年，s c h u l e r 等人研究了四种橡胶粉、四个橡胶粉掺量( 1 8 2 6 ) 、 三个共熔水平( 轻、中、重) 下在试验室和实际生产中的橡胶沥青的性能情况， 对橡胶沥青的共熔反应规律与机理进行了分析。在此基础上，分别于1 9 8 3 和1 9 8 4 年，在两段旧水泥混凝土路面上，用橡胶沥青铺设了加罩路面应力吸收中间层 ( s a m i ) ，从使用状况来看，起到了比一般粘结层要好的防反射裂缝的作用。 1 9 9 0 1 9 9 3 年，佛吉尼亚州用m c d o n a l d 法( 掺量约1 8 ) 和r o u s e 法( 掺 量5 1 0 ) 建设了5 段试验路。在经过最长4 年的行车作用后性能检测表明， 添加橡胶粉的路段比对比路段的车辙要明显小、抗滑性能略强，但抗裂方面并 没有很大的区别。 1 9 9 0 1 9 9 2 年，在环境及能源部和运输部的资助和管理下，加拿大安大略省 修建了1 1 段橡胶粉改性试验路( 包括全新、橡胶改性路面再生、一般路面冷再 生添加剂等) ，1 9 9 6 年提交了评估报告，从路面使用性能、混合料设计和生产问 题、路面建设初始费用、全寿命评估路面费用、环境影响等方面评价了橡胶粉 录用效果。 在法国，截止到1 9 9 5 年，橡胶沥青多孑l 隙混合料路面累计已经摊铺了超过 1 0 0 万平方米。法国的研究与应用实践表明：由于橡胶沥青膜较厚，采用橡胶沥 青铺筑的多孔隙路面，比普通多孔隙路面在保持排水性能、抵抗重交通、抗剪 切和不良气候影响等方面有明显的优势。 南非对橡胶沥青的应用十分成功，拥有历时2 0 2 5 年仍然完好的橡胶沥青路 面：应用领域包括橡胶沥青混合料、应力吸收层、应力吸收中间层等：基本上 已经拥有了一整套橡胶沥青相关的技术指标。据了解。目前南非6 0 以上的道 路沥青使用橡胶沥青，而且根据他们的经验，认为对于超重轴载的使用环境， 橡胶粉沥青混合料尤为有利。 概括国际上橡胶沥青及沥青混合料的发展历程为：上世纪6 0 年代初，主要 研究的是橡胶沥青在应力吸收层中的应用技术：到7 0 年代初，橡胶沥青的应用 延伸到应力吸收中间层；7 0 年代中期，橡胶粉应用领域的重点转向沥青混合料， 并首先在开级配沥青混合料中使用；7 0 年代后期，在以连续级配为主的密实型 6 第一章提高面层沥青混合料抗裂性能研究的目的、用途和意义 沥青混合料中开始使用橡胶粉：8 0 年代后期至今，主要研究在间断级配沥青混 合料中使用橡胶粉。通过多年的应用和试验总结，大多数国家沥青路面技术指 南中都明确规定橡胶粉应用于间断级配沥青混合料。 任何一种技术都有其适用范围，不能照搬照套，美国在橡胶沥青使用方面 也有很多失败的教训：1 9 9 0 年法案通过后，大多数州都丌始尝试使用橡胶沥青， 其中很多州出现了滥用沥青的现象，没有考虑到自己地区的实际环境状况以及 路面的交通荷载情况，一味模仿成功地区的经验，致使很多橡胶沥青路面几年 内便出现了大量的严重病害，使用效果甚至不如基质沥青，这些问题直接导致 了后来i s t e a 法案被修改。 1 2 4 国内研究状况 国内在这方面的研究起步较晚，也相对较少，主要集中在长沙交通学院的 张起森及其课题组。其主要研究工作包括：( 1 ) 应用线弹性以及界面断裂力学 和平面有限元模型研究了沥青面层内的应力强度因子，并据此讨论了夹层类措 施的防反效果：( 2 ) 通过裂缝梁的纯弯曲试验，研究了沥青混合料的热粘弹性 断裂参数。( 3 ) 通过三维光弹试验研究了带裂缝的半刚性基层上沥青面层内的 应力场分布情况及裂缝尖端的应力强度因子。 国内的其他学者在这方面也做了大量的工作，同济大学的倪明、周德云和 于宝明等人曾先后采用s a p 5 、半解析有限元和全三维有限元对沥青面层中的应 力以及各种措施的防反效果进行了分析。 1 3 ；- - i j l 省路面裂缝病害现场调研 1 3 1 沥青裂缝现状 沥青路面开裂是各国沥青路面最普遍的损坏现象之一，是沥青路面早期损 坏的一种主要形式，只不过是裂缝发生的早晚、多少、程度及类型有所不同。 数十年来一直是国内外公路界关注的焦点问题之一，在路面结构组合、材料设 计、施工管理方面均考虑了防止裂缝早期出现的措施。 裂缝，表现形式一般分为横向裂缝和纵向裂缝两种。裂缝是河北省高速公 路早期破坏最普遍的现象，特别是横向裂缝( 半刚性基层沥青路面的一个典型 特征) ，基本规则间隔，裂缝由行车道向超车道和硬路肩扩展，几乎是每条高速 7 公路都有，只是数量的多寡不同。这些半刚性基层的反射裂缝破坏了路面结构 的整体稳定性。纵向裂缝并不像横向裂缝那么普遍和随处可见，除了石太、保 津和京沪有较为明显的纵向裂缝路段，其他路上并不是很严重。由于裂缝的及 时封堵很难实现，不可避免的造成雨水下渗，并引发其他病害。我们通过对出 现裂缝的沥青路面进行系统的调查，记录裂缝的种类、数量、长度、位置等， 建立高速公路沥青路面裂缝的数据库。在此基础上对裂缝进行统计分析，把握 裂缝的发展状况。此外结合调查资料和国内外一系列研究成果，从自然环境、 材料、结构等方面对沥青路面产生裂缝的原因、机理进行了分析，从结构组成 设计、材料等方面对预防沥青路面裂缝的方法提出了合理化建议及技术方案。 高速公路沥青路面裂缝的表现形态有横向裂缝、纵向裂缝、不规则裂缝以 及龟裂等。按照国际上的一般认识，沥青路面的裂缝大体可分为一下6 中类型： ( 1 ) 横向裂缝：包括温缩裂缝及半刚性基层沥青路面的反射裂缝； ( 2 ) 纵向裂缝及网裂： ( 3 ) 块状裂缝： ( 4 ) 边缘裂缝； ( 5 ) 沉陷裂缝； ( 6 ) 构筑物接头裂缝。 我国沥青路面大多使用水泥稳定处理级配碎石半刚性基层。我国很多地区、 特别是北方地区沥青路面早期开裂现象比较普遍，伴随降水浸入路面结构内部， 在行车荷载、冻融等综合作用下，使得路面的使用性能急剧衰减，成为水损坏 的主要原因之一，开始对高速公路的投资效益产生越来越严重的影响。虽然我 国对早期裂缝损坏的研究越来越重视，采用柔性基层、其它组合措施的试验路 面有逐渐增加的趋势，但还没有在设计阶段从结构组合、材料组合的角度实施 大规模的根本对策。从我国高速公路沥青路面早期出现裂缝的现状看，对于新 建高速公路沥青路面，需要在初始设计中考虑一系列措施防止裂缝的早期出现， 从而达到控制使用性能衰减的目的。 1 3 2 河北省沥青路面裂缝调查结果及裂缝成因分析 1 3 2 1 以下是河北省几条沥青路面现场病害调查时拍摄的照片： 1 ) 3 0 8 线南宫城西至新河城段，全长2 0 9 k m ，起讫桩号为k 5 3 7 + 6 0 0 k 5 5 8 + 5 0 0 ， 属于平原微丘二级公路，路面宽1 l m ，路基宽1 2 m 。路面结构为3 0 c m 石灰土底 8 第一章提高面层洲青混合料抗裂性能研究的目的、埘途和意义 基层，1 5 c m 二灰碎石基层8 e m 沥青砼面层，于1 9 9 7 年建成通车。( 图) 黛鬣 2 ) 邢临线郭桥至大葛寨段，属于平原微丘二级公路起始桩号为k 3 6 + 8 5 0 终止桩号为k 5 7 + 5 8 0 ，全长2 78 3 k m 。 豳麓 3 ) 唐津高速公路，路面裂缝分布比较均匀规律特定路段间距一般在1 5 2 5 米之间。 震瓣嚣 1 3 , 22 横向裂缝成园及调查结果 横向裂缝的主要成固有； 1 ) 由于使用环境温度、材料、结构厚度以及交通荷载综合产生的温度裂缝； 2 ) 与温度裂缝共同发生的水泥稳定处理上基层发生的反射裂缝； 3 ) 与软土地基与非软土地基交界处、桥梁与路基交界处，由于差异沉降导 致基层的开裂，并反射到沥青面层，形成横向裂缝。 以下是对河北省几条高速公路横向裂缝的调查与统计结果； 横向贯通裂缝数量统计结果( 2 0 0 4 年) 横向裂缝总长横向贯通裂缝贯通裂缝比例 高速公路行车方向 ( m )总长( m ) ( ) 保津保定方向4 9 9 0 63 5 3 9 8 7 0 l ( 2 0 0 4 )天津方向4 4 6 2 8 2 9 0 6 8 6 52 京秦北京方向 7 3 8 2 2 9 6 6 49 58 ( 2 0 0 3 )秦皇岛方向7 0 7 32 7 2 3 29 18 京秦北京方向7 8 8 6 84 8 7 】26 18 ( 2 0 0 4 )秦皇岛方向6 7 9 9 93 7 6 6 85 54 第一章提高面层沥青混合料抗裂性能研究的目的、用途和意义 京秦高速横向贯通裂缝间距分布 年度 2 0 0 3 年 2 0 0 4 年 方向 北京方向秦皇岛方向北京方向秦争岛方向 ， 相对 累计相对累计相对累计相对累计 间距 频率 频率频率频率频率频率频率频率 s ( m ) 、 ( )( )( )( ) ( )( )( )( ) s 1 01 2 o1 2 01 5 31 5 36 76 77 o7 o l o s 2 0 8 9 2 1 o 15 53 0 82 1 12 7 82 0 22 7 2 2 0 s 3 0l o 13 1 11 2 84 3 62 0 04 7 817 04 4 2 3 0 s 4 06 2 3 7 3 9 75 3 31 5 46 3 21 2 15 6 3 4 0 s 5 0 7 o 4 4 37 9 6 1 29 67 2 89 56 5 8 5 0 s 6 05 64 9 9 6 7 6 7 8 5 97 8 86 47 2 3 6 0 s 7 04 35 4 2 4 o 7 1 8 4 2 8 3 。o 5 47 7 。7 7 0 s 8 04 75 8 83 17 4 92 78 5 73 78 1 3 8 0 s 9 03 16 1 93 07 7 9 2 18 7 82 7 8 4 0 9 0 s 1 0 02 16 4 12 48 0 31 28 9 o2 48 6 5 1 0 0 s 2 0 01 3 07 7 11 0 39 0 77 39 6 38 09 4 5 2 0 0 s 3 0 04 98 1 92 89 3 51 89 8 10 。6 2 49 6 9 3 0 0 s 4 0 03 18 5 02 49 5 90 79 8 80 4 1 39 8 2 4 0 0 s 5 0 02 7 8 7 8 o 89 6 8o 49 9 2o 1 0 69 8 7 5 0 0 s 6 0 01 68 9 30 89 7 6o 39 9 5o 2 0 49 9 1 6 0 0 s 7 0 01 69 0 90 49 8 00 39 9 8o 1 0 19 9 2 7 0 0 s 8 0 01 。29 2 o0 59 8 50 19 9 90 1 0 29 9 4 8 0 0 下面层 中面层。高空隙率降低了混合料的抗拉强度，对温度裂缝的产生起到了催化剂 的作用。剩余空隙率偏大是一个普遍问题，与我国的压实度管理标准等有直接 关系。 2 ) 半刚性基层反射性裂缝 半刚性基层具有强度高、稳定性好、刚度大等特点，因而被广泛地用于修 建高等级公路的路面基层，水泥稳定碎石基层沥青路面是河北省乃至我国目前 广泛使用的路面结构形式。但水泥稳定碎石基层也具有明显的缺点，就是很容 易在温度变化及水分散失时收缩变形，进而会形成基层的收缩裂缝。铺筑沥青 面层后沥青层在路面荷载的作用下，基层的收缩裂缝会反射到沥青面层上，严 重影响道路的使用性能。 施工记录显示，水泥稳定处理上基层的水泥用量高达5 ，片面追求高压缩 强度是产生早期干缩裂缝的主要原因。 1 3 2 3 荷载型纵向裂缝成因 调查结果显示高速公路上纵向裂缝均以行车道( 最右侧) 最为严重。由于 行车道集中了高速公路绝大部分重载车辆以及超载车辆，这些车辆行车速度缓 慢、接地压高，由于半刚性基层模量较大，会在半刚性基层的底部产生极大的 拉应力。在行车荷载的反复作用下，半刚性基层的底部就会开裂并逐渐形成板 块。随着行车荷载的反复，相邻板块端部之间会产生竖向位移差，引起面层的 剪切疲劳而导致开裂。底部裂缝会逐渐扩展到上部，并使得沥青面层产生开裂 破坏。 纵向裂缝产生的主要原因有： 1 ) 软基路段不均匀沉降引起的裂缝： 2 ) 在行车荷载的反复作用下形成的荷载型纵向裂缝。当半刚性基层的底部 的疲劳拉应力超过半刚性基层材料的抗拉强度时，半刚性基层的底部就会开裂 并引起面层的剪切疲劳而导致开裂。 对于半刚性基层沥青路面，不同轴载对路面的破坏作用不是4 次方的关系， 而是1 1 1 3 次方的关系，即便是通过次数较少的重荷载也会对路面产生决定性 1 2 第一章提高面层沥青混合料抗裂性能研究的目的、用途和意义 的破坏。沥青路面在施工及运营中由于种种原因会产生细微裂纹，行车荷载的 作用加速裂缝的发展，根据断裂力学理论，半刚性基层内存储的能量由行车荷 载提供，并通过裂纹失稳扩展消耗能量，这个过程不断重复进行，使独立的裂 纹扩展为贯通宏观裂纹，直到形成小裂缝，最后成为贯穿裂缝。这是行车道裂 缝多于超车道，交通量轴载次数大的裂缝多于交通量小的原因所在。 此外，超载车辆的日益增加会导致面层、基层受到超常的应力作用，产生 早期裂缝。 1 3 2 4 自然环境因素与裂缝的关系 导致沥青路面产生裂缝的自然环境因素主要有温度应力、水分( 降雨) 及 阳光、空气的老化作用，其中以温度应力为主导作用。极端最低温度、降温速 率、低温持续时间、升降温循环次数是气候条件影响沥青路面温缩裂缝的四大 要素。 沥青面层的非荷载型裂缝主要是温度裂缝。沥青是一种对温度变化比较敏 感的粘弹性材料，温度下降时，沥青混合料逐渐变硬变脆，并发生收缩变形。 当收缩拉应力超过沥青混凝土的抗拉强度时，沥青路面表面就会被拉裂，并逐 步向下发展，形成上宽下窄的横向裂缝。温度裂缝有两种，一种是低温收缩裂 缝或简称低温裂缝，另一种是温度疲劳裂缝。 1 ) 低温裂缝 沥青材料在较高温度条件下，具有良好的应力松弛性能，温度升降产生的 变形不至于产生过大的温度应力。但当气温大幅度下降时，沥青材料逐渐发硬 并开始收缩。当沥青混合料的应力松弛来不及消化逐渐增长的温度应力时，收 缩拉应力或拉应变就有可能超过沥青混合料的抗拉强度，导致沥青面层的开裂。 当沥青面层与基层的界面由于施工原因失去附着力时，面层会产生一定的自由 收缩，裂缝会更容易发生。由于沥青路面宽度有限、纵向近乎无限长，所以低 温裂缝主要为横向裂缝。沥青面层越厚，与基层的粘结程度越高，对低温裂缝 的抵抗力越强。 2 ) 温度疲劳裂缝 主要发生在日温差大的地区。由于温度的反复升降导致沥青面层受到重复 温度应力作用而疲劳，使沥青混合料的极限拉伸应变( 或劲度模量) 变小，加 上沥青的老化使沥青劲度增高，应力松弛性能降低，最终达到极限抗拉强度使 路面产生裂缝。有关理论研究成果表明：在我国东北、华北和西北地区， 1 3 日温差达1 5 2 0 。c ，路表沿路线方向的最大拉应力为2 - 3 m p a 以上。( d 在我国 南方地区，虽在高温情况下路面开裂较少，但其同温差达3 0 “0 。c ，路面结构所 产生的最大拉应力亦可高达1 5 m p a 。就路面材料的疲劳寿命而言，作用时间越 长，即频率越低，则寿命越短。当温度高时，其寿命也短，即在高温情况下， 温度疲劳对材料的疲劳寿命的影响较之低温更为严重。 温度应力分析结果指出，在半刚性基层沥青路面中，温度应力是导致路面 开裂的主要因素。开裂是从路面往下进展，裂缝呈上宽、下窄形式，不仅易在 冬季发生，夏季日温差较大也会导致路面结构丌裂。 1 3 2 5 结构层厚度、模量与裂缝的关系 1 ) 面层厚度 面层结构厚度越厚温度裂缝和反射裂缝出现的时间越晚、数量越少，合适 的沥青面层厚度也可以保护未开裂的半刚性基层在使用期间不产生干缩裂缝和 温度裂缝。面层厚度随当地的气温、同最大温差和冬季气温条件而变，不同地 区的沥青面层厚度应通过现有半刚性路面的调查结果决定。沈大高速公路水泥 稳定处理沙砾基层1 2 - 1 5 c m 厚沥青面层上的裂缝主要是沥青面层本身的湿度收 缩裂缝。 2 ) 基层厚度 我国的路面结构大部分使用的是半刚性基层，半刚性基层的结构性破坏裂 缝由行车荷载产生。行车荷载在半刚性基层底面产生拉应力，影响半刚性基层 底面拉应力大小的主要因素有：面层厚度、基层本身的厚度、基层的弹性模量 和下承层的弹性模量，其中基层弹性模量的影响程度很大。 在其他条件相同的情况下，半刚性基层厚度从1 0 c m 增加到l5 c m ，荷载作 用在基层底部产生的拉应力减小到一半。而在其他条件相同的情况下，面层厚 度增加到5 c m ，基层底部的拉应力的减少比例要小得多。 随着半刚性基层材料弹性模量的增加，薄基层( 1 0 c m ) 中的应力增加很快。 半刚性基层的厚度增加时，其承载能力也迅速增加。实际使用经验表明，半刚 性基层的厚度为1 0 c m 时，个别重车轮荷载通过就可能使其破坏。当半刚性基层 的厚度为能够1 0 c m 一1 2 c m 时，中型卡车通过几次就会出现裂缝。甚至当半刚性 基层像其他类型基层一样铺1 5 c m 厚时，如果交通量增长到每天每个车道达1 5 0 - - 2 0 0 辆载重汽车或每车道累计通过8 2 k n 标准轴重5 0 万次以上时，也可能会 损坏。当半刚性基层厚度从1 5 c m 增加到2 0 c m ，在其底部产生的拉应力约可减 1 4 第一章提高面层沥青混合料抗裂性能研究的目的、用途和意义 少3 0 。 3 ) 基层强度 水泥稳定基层材料的强度越高、刚性越大，基层材料与底基层材料的模量 比就会增加，从而增大基层底面由行车荷载引起的拉应变或拉应力，容易使基 层在行车荷载下产生开裂。另一方面，水泥稳定基层材料的强度高，基层内出 现的收缩裂缝的间距就大，裂缝的宽度也大。宽度大的裂缝传荷能力差，容易 促使沥青面层开裂，产生反射裂缝。因此。不少国家常限制水泥稳定基层材料 的抗压强度不超过某一高限值。例如，7 d 龄期的无侧限抗压强度，在日本不超 过4 m p a ，在前苏联不超过3 m p a 等。随着汽车载重量的增大和交通量的大幅增 加，在一些道路上，人们往往使设计厚度增大，而需分两层铺筑。分两层铺筑 时，往往两层的结合较差，使得完成的半刚性路面不能达到设计使用期开就开 始破坏。 当半刚性基层下采用半刚性底基