聚酯玻纤布在高速公路罩面工程中的应用研究(总报告).doc

聚酯玻纤布在高速公路罩面工程中 的应用研究 东南大学交通学院 二 五年十二月 目目 录录 目 录 III 第一章 绪 论 1 1 1 研究背景 1 1 2 国内外研究现状及发展趋势 2 1 2 1 国内外研究现状 2 1 2 2 我国土工合成材料发展趋势 3 1 3 主要研究内容 3 第二章 聚酯玻纤布的工程特性 4 2 1 土工合成材料的原材料 4 2 2 聚酯玻纤布的组成及特点 5 2 3 聚酯玻纤布的工程特性 5 2 3 1 聚酯玻纤布的材料特性 5 2 3 2 聚酯玻纤布浸透沥青试验 6 第三章 聚酯玻纤布复合混合料路用性能研究 8 3 1 原材料试验及试验级配 8 3 1 1 原材料性质 8 3 1 2 试验级配 10 3 2 混合料配合比设计 12 3 3 混合料路用性能试验研究 12 3 3 1 粘结性能 12 3 3 2 抗永久变形性能 16 3 3 3 低温抗裂性能 17 3 3 4 加筋强度性能 20 3 3 5 渗透性能 22 3 4 本章小结 25 第四章 聚酯玻纤布复合沥青混合料疲劳特性研究 26 4 1 疲劳试验设计 26 4 1 1 加载控制模式的选定 26 4 1 2 荷载波形与频率 26 4 1 3 试验温度 27 4 2 应力控制 MTS 疲劳试验 27 4 2 1 试件成型 27 4 2 2 疲劳试验结果及分析 27 4 3 应变控制 UTM 疲劳试验 29 4 3 1 试验模型与试件成型 31 4 3 2 试验结果及分析 31 4 4 浸水疲劳试验 36 4 4 1 试验设计 36 4 4 2 试验结果及分析 37 4 5 本章小结 37 第五章 聚酯玻纤布防治反射裂缝研究 39 5 1 概述 39 5 2 反射裂缝现象及形成原因 39 5 2 1 反射裂缝的现象 39 5 2 2 反射裂缝的形成原因 40 5 3 反射裂缝评价方法研究 42 5 3 1 研究方法 42 5 4 2 冲击韧性试验设计 42 5 4 3 试验结果及分析 43 5 4 荷载型反射裂缝力学分析与试验模型设计 43 5 4 1 计算模型 假定及分析方法 43 5 4 2 计算结果与分析 44 5 4 3 试验模型设计分析 44 5 5 荷载型反射裂缝室内模拟试验及结果分析 45 5 6 本章小结 47 第六章 试验路铺筑 施工工艺总结及经济性分析 48 6 1 试验路铺筑 48 6 1 1 原路面状况调查及评价 48 6 1 2 聚酯玻纤布工程实践 49 6 2 施工工艺小结 49 6 2 1 不同处治对象的施工小结 49 6 2 2 施工工艺流程和注意事项 50 6 3 经济效益分析 50 6 4 本章小结 52 第七章 结语 53 7 1 本研究的主要结论 53 7 2 尚待进一步研究的问题 53 参考文献 54 第一章第一章 绪绪 论论 1 11 1 研究背景研究背景 我国自上个世纪 90 年代起掀起了公路建设的高潮 十多年来 我国公路的总里程不断增 加 截止到 2004 年 随着公路等级的不断提高 我国高速公路的通车总里程 已突破3 万公里 比 世界第三的加拿大多出近一倍 仅次于美国 跃居世界第二位 根据国家公路发展规划 预计 到 2010 年 五纵七横 国道主干线基本建成 到 2020 年 公路总里程将达到 145 万公里 其中高速公路网将要达到 8 2 万公里 占公路总里程的 50 以上 在高速公路中 沥青路面以 其良好的力学性能 平整耐磨的表面 平稳舒适的行车性能 扬尘少 振动小 噪音低 施工 期短以及养护维修简便等特点受到世界众多国家的青睐 在高速公路中得到广泛采用 如美国 沥青路面到 1989 年为止 沥青路面占全国公路路面的 94 日本高速公路沥青路面占 94 近年来我国新建的高速公路几乎都是沥青路面 由于沥青路面对气温 降水和日照等自然因素十分敏感 经过自然气候的长期侵蚀 沥青 材料会不断老化 加之交通量的逐年增加和行车荷载的增加 路面易产生疲劳开裂 而路面的 透水 又将引起路基变软和路面坑洼 从而导致路面的急剧破坏 增加车辆的磨损和油耗 降 低行车舒适性 根据国外的一般情况 高速公路沥青路面交付使用后长则十来年 短则五六年 即需维修罩面一次 次高级和低等级路面的维修周期则更短 美国 20 世纪 80 年代对沥青路面 的实际使用寿命调查时指出 按照 AASHTO 路面设计方法 沥青路面的设计使用寿命为 20 年 但实际使用寿命只有 8 12 年 远低于设计标准 在我国 一方面由于高速公路沥青面层所用 材料品种多 施工水平参差不齐 再加上施工工期普遍比较短 抢工现象较多 造成了同一高 速公路不同路段的施工质量有显著差异 大部分高速公路沥青路面在通车 2 3 年内就出现不 同程度的破损 使用性能和服务水平不尽人意 另一方面由于我国一些公路开放交通后交通量 增长迅速 超载超限现象严重以及气候降水等因素的影响 路面使用品质不断下降 已经建成 或即将建成的高速公路 随着使用年限的延长都将陆续进入破损阶段 事实上 部分高速公路已 经出现大面积损坏 因此 为恢复路面使用性能 提高道路通行能力而进行的高速公路罩面工 程 将成为今后高等级公路建设与管理养护部门面临的一项十分艰巨的任务 我国高等级公路的路面结构形式一般采用半刚性基层沥青路面 通常由 25cm 40cm 半刚 性底基层 20cm 40cm 半刚性材料基层以及 15cm 18cm 沥青面层构成 这种半刚性路面具 有结构承载力强 传荷能力强 造价低等优点 但由于超载 恶劣天气及质量控制等原因 出现了一些早期破坏 如裂缝 坑槽 翻浆 剥落 辙槽等 1 半刚性基层材料具有明显的干缩和温缩性 容易产生裂缝 基层裂缝在车辆荷载和降温作 用下会反射到沥青面层上来 形成反射裂缝 反射裂缝是引起我国沥青路面早期损坏的主要原 因 疲劳裂缝也是薄层沥青路面病害之一 在轴载重复作用下 层底弯拉应力保持较高水平 车辆反复作用会引起沥青面层疲劳开裂 反射裂缝和疲劳裂缝产生于面层底部 修复起来十分 困难 此外 面层裂缝破坏产生后 雨水由此大量进入沥青面层并停留在沥青混凝土的孔隙 中 影响到路基的强度和稳定性 特别是在行车荷载产生的动水压力的重复作用和周期性变化 的温度下 裂缝迅速向周围扩展 同时使得沥青与集料剥离 局部沥青混凝土变得松散 集料 被车轮甩出 路面产生坑槽破坏 坑槽破坏的程度取决于自由水进入沥青面层的深度 当裂缝 贯通整个面层厚度后 自由水到达基层顶面 这时还将伴随着唧浆 网裂等破坏 关于水对路 面的危害 很早已引起人们的注意 Muin 于 1942 年首先对美国 48 个州的路面排水状况进行 了调查 结果表明 几乎所有严重破坏的路面都与水的进入有直接或间接的关系 1973 年美国 联邦公路局对路面排水系统进行了综合研究 据试验测定进入空隙内的自由水在行车荷载作用 下 会形成高孔隙水压力和高流速水流 其压力差可达 69kPa 流速可达 0 15m s 小客车驶过 时 或 0 90m s 货车驶过时 同时 T J Waters 研究指出对于沥青路面 冲刷导致的唧浆将加 速路面不规则裂缝 坑槽的形成与发展 影响基层稳定 进而导致路面破坏 因此 进行半刚 性沥青路面养护时 须充分考虑到沥青路面的水损坏 采取相应有效措施减少路面的裂缝破坏 预防雨水大量进入路面面层 本着技术经济性要求 在进行现有半刚性沥青路面的养护时 利用老路的结构强度 采取 合理经济的养护措施 以适应目前的交通现状 从而延长道路使用寿命 为了提高道路的经济 实用性 自从 20 世纪 20 年代土工织物由于高强度 化学稳定性和经济等特点作为加筋材料在 路面维修中得到广泛应用和认可 Barksdale 1991 Huang 1993 Koerner 1994 and Smith et al 1995 在路面应用中 能部分减少车辙 但其主要作用为通过加筋路面分散应力和减 少水进入下层路面 Barksdale 1991 在与荷载有关的疲劳损坏方面表现良好的效果 尽管 有这些优点 但最初担心的是由于沥青混合料的高温可能会引起加筋织物材料的收缩和由于交 通荷载的作用产生剪应力可能会引起罩面材料的滑动 Barksdale 1991 为改善路面的使用 性能 各种各样的土工织物材料在路面中使用 其中包括土工织物和塑料格栅 一些研究者表 示土工织物在阻止反射裂缝和温度损坏方面效果甚微 Barksdale 1991 Button and Lytton 1987 and Lytton 1989 但在理想的状态下也有一些成功的例子 Abdelhalim 1983 and Barksdale 1991 减少水渗入路面结构 并与下层产生隔离 从而 大大改善路面性能 总之 新的沥青罩面技术须满足延迟裂缝的发生 缓解裂缝的发展 有效 防止雨水下渗及有效提高路面的强度等要求 目前我国罩面技术通常的维修方法是在原来裂缝路面上加铺沥青罩面层 但使用一段时间 后 原有的裂缝会反射到新铺的沥青面层上 这一过程比预期要快得多 为防止裂缝较快地反 射 一般采用较厚的沥青层 既可以降低该层中的荷载应力和温度应力 又可增加下卧基层潜 在裂缝向上反射的距离 但投资费用太高 目前另一常用的方法是铣刨 4cm 5cm 的旧面层 然后铺设一层玻纤格栅后 再铺设沥青混合料 但这两种处理方案都没对裂缝进行有效处理 在交通荷载作用下裂缝又重新向上发展 一般在较短的时间内导致罩面的再次破坏 其次 虽 然玻纤格栅对缓解裂缝有一定的作用 但由于玻纤格栅是一种网格型材料 其与沥青层间的接 触为点线接触 因而加筋作用不充分 此外 玻纤格栅不具备防水功能 上面层的水分渗入旧 裂缝中便会加快路面的破坏 因此 应用一种既能加筋沥青面层又能防水的新型材料用于沥青 路面的罩面 从而大大提高沥青路面的使用性能 聚酯玻纤布是玻璃纤维和聚酯纤维的混合物 具有玻璃纤维的强度及聚酯纤维的柔韧性 是一种可有效防止反射裂缝的新型土工材料 为此 研究这种新材料在我国高速公路养护中的 应用对提高我国高速公路养护技术和延长路面使用寿命具有重大的研究和应用价值 1 21 2 国内外研究现状及发展趋势国内外研究现状及发展趋势 1 2 11 2 1 国内外研究现状国内外研究现状 土工合成材料应用在我国工程应用行业 特别是公路建设行业的发展较晚 可将其应用历 程分为三个阶段 80 年代中期以前的初创阶段 80 年代中期至 90 年代中期的发展阶段和 90 年代后期开始的逐渐成熟阶段 大约在 80 年代初 非织造布在铁路工程和水利工程上试用 截止到 1986 年 我国累计土工布总产量约 100 万 m2 进入 90 年代土工合成材料在道路工程中 得到了广泛应用 目前主要应用在以下几个方面 1 路堤加筋和软弱地基处理 2 台背 路基填土加筋 3 过滤 排水及路基防护 4 路面裂缝防治 土工合成材料在道路路面 工程中的应用主要是减少或降低反射裂缝的数量或程度 减少沥青路面的车辙 虽然土工合成 材料可适当提高基层的疲劳寿命 同时可以降低路面的车辙程度 但是应用效果并不令人满意 国外对土工合成材料的应用已有多年的历史 1926 年美国在北卡罗林纳州的高速公路采用 了棉纤维土工布修筑公路 20 世纪 30 年代末或 40 年代初 聚氯乙烯薄膜应用于土工的防渗 50 年代末期 R J arrett 在美国佛罗里达州利用聚氯乙烯织物作为海岸混凝土护岸的翻修工程 中 用以代替常规的砂石料反滤层 1956 1957 年著名的荷兰三角洲工程用机织土工织物加固 防海潮大坝 20 世纪 60 年代 合成纤维土工织物在美国 欧洲和日本逐渐推广 20 世纪 70 年代 美国使用聚丙烯 PP 针刺无纺织物解决了沥青路面开裂问题 20 世纪 80 年代初英国 诺丁汉大学布朗教授和加拿大滑铁卢大学汉斯教授 经过三 四年的试验和研究 首次将 10000m2土工格栅用于已裂缝的水泥混凝土路面的沥青罩面加筋 以控制反射裂缝 目前全球发达国家在产品种类 质量 应用范围的广度与深度等方面的发展都比发展中国 家快 尤以北美发展最快 欧洲则以德国 法国 荷兰 意大利等西欧国家发展较快 亚洲主 要是日本 马来西亚 韩国发展较快 国外产品类型 品种较多 规格齐全 以非织造型 合 成型 复合型所占比例较大 美国欧文斯 科宁公司是世界最大的玻纤生产厂商之一 它在全世界有 20 座玻纤工厂 年 产 65 万吨连续玻璃纤维 销售额为 10 亿美元 占公司总销售额的 1 5 2001 年上市的聚酯玻 纤布在美国 Kansas City of Missouri Lakeland Florida Orville of California Texarkans of Arkansas 等诸多工程中得到了广泛应用 主要用于旧路面性能的修复 防裂和桥面防水 表 1 1 列出了几个代表性工程 并统计了聚酯玻纤布的使用效果 表表 1 1 聚酯玻纤布国外的应用情况统计表聚酯玻纤布国外的应用情况统计表 聚酯玻纤布 应用位置 实践 时间 实践内容路用性能观测 堪萨斯州城 绑 密苏里 州 2001 08 土工织物与聚酯玻纤布 1500m2 罩面 1 95in 对比 整体除少量裂缝以外 聚酯玻 纤布路用性能良好 佛罗里达州 湖泊地区 2001 02 在旧沥青路面裂缝上加铺 2in 或 1 5in 热沥青覆盖 聚酯玻纤布铺 500m2 除聚酯玻纤布在近两年来路用 性能良好 其他新罩面均在 3 个月内出现裂缝 密苏里州 贝尔顿 2001 05 土工织物与聚酯玻纤布实施的路 面 1000m2 对比 到目前为止没有什么区别 伊利诺斯州 芝加哥 2002 09 土工织物与聚酯玻纤布铺设的路 面 4000m2 进行对比 在城市街道实施 工作路用性 能很好 土工织物施工较不方 便 怀俄明州 3000m2 阿肯色州 22000m2 俄亥俄州恪守柯佟 60700m2 等其路用性能 均较好 1 2 21 2 2 我国土工合成材料发展趋势我国土工合成材料发展趋势 在法国圣戈班 美国欧文斯 科宁和 PPG 三巨头 厚重的市场积淀面前 中国玻纤土工 合成工业不动声色地打破了国外品牌几十年的市场垄断格局 国内土工合成材料的发展将由以 纺织技术生产为主的形式转向以适应各种实际工程需要为目的进行生产 产品总的发展趋势向 系列型 复合型 综合型发展 复合土工布是这几年国外大公司竞相开发的产品 其产品包括 排水管与土工布复合 机织布与非织造布复合 大流量排水板与土工布复合等许多新型复合材 料 我国在这方面则处于起步阶段 现有的复合产品为复合土工膜 针刺机织布和非织造布复 合土工布 非织造布复合结构的排水管 并且还都处于试制和试用阶段 据有关专家预测 每 年全国公路维修中耗用的玻纤土工织物为 3000 万 m2 再加上在今后的十年内 我国将建高速 公路 11600km 即平均每年新建约 1000 多 km 这一项将使用玻纤土工织物 2000 万 m2 即总 需求将突破 5000 万平方米 由此表明玻纤土工织物尤其是复合型的土工合成材料在我国有着 广阔的开发和应用前景 1 31 3 主要研究内容主要研究内容 聚酯玻纤布是一种新型的复合土工合成材料 在国内外尚未开展研究 本文拟在以下几个 方面进行探索和研究 1 通过室内试验研究聚酯玻纤布的物理力学性质 分析评价聚酯玻纤布与沥青面层的 层间粘结效果 2 通过室内试验对聚酯玻纤布复合沥青混合料的低温性能 抗永久变形性能 渗透性 能等进行评价 3 通过应力控制和应变控制的疲劳试验 研究和探讨聚酯玻纤布复合沥青混合料疲劳 性能和评价方法 4 对反射裂缝的形成机理进行详细的理论分析 并设计能模拟荷载型反射裂缝的试验 模型进行室内模拟试验 分析聚酯玻纤布的防裂效果 5 铺筑试验路 根据工程施工情况 总结聚酯玻纤布施工工艺 并评价聚酯玻纤布的 使用效果和经济性 第二章第二章 聚酯玻纤布的工程特性聚酯玻纤布的工程特性 聚酯玻纤布 Fiberglass Polyester paving mat 是随着土工合成材料的发展 是美国欧文斯 科宁公司 Owens Corning 开发的一种新型土工合成材料 Koerner 1994 定义土工合成材料 为浸透性的土工织物材料 Synthetic 通常在土壤 岩土或其他土工技术工程材料中使用以提 高人工产品 结构或体系的性能和降低成本 公路土工合成材料应用技术规范 JTJ T109 98 对土工合成材料的定义是 以人工合成的聚合物为原料制成的各种类型产品 是岩土工程 中应用的合成材料的总称 可置于岩土或其它工程结构物内部 表面或各结构层之间 具有加 强 保护岩土和其他结构功能的一种新型工程材料 土工合成材料的历史比较短暂 70 年代以后逐渐形成一门新的学科 进入 80 年代以后才以 很快的速度发展起来 目前已广泛应用于水利 水电 公路 铁路 建筑 海港 矿业 军工 等工程领域 土工合成材料的种类繁多 早期曾将其分成土工织物 Geotextile 和土工膜 Geomembrane 两类 1977 年 J P Giroud 和 J Perferri 分别代表透水和不透水合成材料 近十年来大量的以合成聚合物为原料的其他类型的土工合成材料纷纷问世 复合材料 特种材 料产品大量涌现 已经超出了 织物 和 膜 的范畴 1983 年 J E Fluet 建议使用 土工合成 材料 Geosynthetics 一词来概括各种类型的材料 当今 比较一致的看法如 土工合成材料 应用技术规范 GB 50290 98 所示 把土工合成材料分成四大类 即土工织物 土工膜 特 种土工合成材料和复合型土工合成材料 图 2 1 复合排水材料 复合土工织物 复合土工膜 复合型土工合成材料 等超轻型合成材料 土工格室 土工垫 土工网 玻纤网 土工膜袋 土工格栅 特种土工合成材料 聚合物土工膜 沥青土工膜 土工膜 无纺 有纺 土工织物 土工合成材料 drain teGeocomposi EPS geocell geomat geonet glassnet fabriform geogrid eGeomembran nonwoven woven eGeotexitil icsGeosynthet 图图 2 1 土工合成材料分类土工合成材料分类 土工合成材料在工程建设中主要用于过滤 排水 隔离 加筋 边坡防护和防渗等 土工 织物在道路系统中的应用主要集中在阻止细颗粒进入砂砾基层 排水或过滤路面系统中的水 阻止或延缓反射裂缝 Abdelhalim 1983 Barksdale 1991 和 Koerner 1994 相关研究证明 尽管土工合成材料的应用增加了路面系统的强度 但土工合成材料的应用是为路面结构系统设 计的 而不是为加筋夹层的强度 2 12 1 土工合成材料的原材料土工合成材料的原材料 用作土工合成材料的聚合物一般有 聚乙烯 Polyethy PE 聚丙烯 Polypropylene PP 聚酯 Polyester PET 聚酰胺 Polyamide PA 聚乙烯醇 Polyvinylalchohol PVA 聚 氯乙稀 Polyvinglchloride PVC 聚丙烯酯 Polyacrylonitvritle PAN 聚烯烃 Polyolefin PO 聚四氟乙烯 Polytetrafluoroethylene PTFE 聚氨基甲酸酯 Polyurethane PUR 腈及腈橡胶 Nitrile rubber 氯醇橡胶 Chlorophdrin rubber 氯丁橡 胶 Neprene 丁基橡胶 Butyl rubber 聚苯乙烯 Polystyrene PS 等 虽然生产土工合成 材料的原料相同 但由于聚合物分子量 结晶作用 添加剂及加工方式的差异 使土工合成材 料在外观及力学性质等方面存在较大差别 2 22 2 聚酯玻纤布的组成及特点聚酯玻纤布的组成及特点 聚酯玻纤布 Fiberglass Polyester paving mat 是 60 玻璃纤维和 40 聚酯纤维组成的一种 复合土工合成材料 经研究 聚酯玻纤布与其它土工织物相比 它具有如下特点 2 抗拉强度高 延伸率低 没有长期蠕变性 聚酯玻纤布不发生蠕变 保证了产品能够长期使用 高温稳定性好 聚酯玻纤布的熔点在 230 以上 在 230 时聚酯玻纤布物理化学特性稳 定 所以 在 160 热铺沥青混凝土下稳定性不受任何影响 与沥青和沥青混合料具有良好的相容性 一般是在开裂的路面上均匀的喷洒沥青粘油 再铺土工织物夹层 热铺面层应能吸收织物下的粘油使其达到饱和 故要求织物有良好的吸附 能力 聚酯玻纤布满足此要求 化学稳定性 经过特殊处理后的聚酯玻纤布能防止各类化学侵蚀 抵制生物侵蚀和气候 变化 聚酯玻纤布与粘层油形成防水层 即使面层出现裂缝 也能有效防止地表水下渗 从而 保证基层材料不会被破坏 施工没有正反面 不易皱褶 方便施工 聚酯玻纤布主要用于路面养护 目前具体的应用范围有 高速公路 道路罩面 停车场 渗透性路面 机场道面等 2 32 3 聚酯玻纤布的工程特性聚酯玻纤布的工程特性 聚酯玻纤布 Fiberglass Polyester paving mat 是继土工布 土工格栅 条带聚合物之后发 展起来的一种新型复合土工合成材料 相关研究表明 所有以聚合物为基础的产品均具有粘弹 性 这与沥青混合料的特性类同 故与沥青混合料都有良好的相容性 很多工程实践表明 玻 纤格栅的孔径与沥青材料特别与上层沥青混合料之间能提供很好的嵌挤作用 同时也能分散应 力 但不能够防水 土工布能防止水下渗 但是土工布在热沥青混合料摊铺温度超过 160 时 其性能可能不稳定 而聚酯玻纤布克服了这两者的缺点 本文主要研究聚酯玻纤布是否提高高速公路罩面防裂 防水 抗车辙 永久性变形 加筋 等路用性能 自从 2001 聚酯玻纤布上市以来 在美国很多州 密苏里州 佛罗里达州 宾夕法 尼亚州 加利福尼亚洲 俄亥俄州 的诸多工程实践中广泛应用 俄亥俄州的工程实践表明 聚酯玻纤布中用乳化沥青作为粘层油不能发挥粘结的效果 聚酯玻纤布能较好的处理路面裂缝 水损坏 车辙等的病害 2 3 12 3 1 聚酯玻纤布的材料特性聚酯玻纤布的材料特性 本试验选用了两种全新的聚酯玻纤布即 1 和 2 均是美国欧尔斯 格宁公司 Owens Corning 生产的玻璃纤维和聚酯纤维复合的土工材料 用于公路路面建设和养护工程中防裂和 防水 按照试验规程 对各种聚酯玻纤布的物理力学性能进行了试验 4 每项指标均试验了 6 个 平行试件 其主要试验技术参数的均值见表 2 1 表表 2 1 两种聚酯玻纤布的主要技术参数两种聚酯玻纤布的主要技术参数 平 均 值 试验项目单 位 1 2 参 照 标 准 单位面积质量g m2136328ASTMD5261 厚度 2kPa mm0 691 29ISO9863 90 T0 2181 818 拉伸强度 W kN 5cm 0 1880 058 SL T235 1999 T67 16 拉伸延伸率 W 65 SL T235 1999 T22319 梯形撕裂 W kN 1912 ASTMD4532 握持强度TN238232ASTMD4632 W14776 T105 5 握持伸长率 W 154 83 Mullen 胀破强度kPa395317ASTMD3786 沥青吸收量L m21 14 Tex 616 J 收缩率 00Tex 616 J 熔点 230 230ASTMD276 注 本试验是委托江苏南京水科院进行试验的 送检单位 美国欧文斯 科宁公司 仅仅对来样负责 T 代表是纵向 W 代表是横向 试验结果分析 试验结果分析 GB50290 98 路面与道路反射裂缝的防治规定 其土工织物的单位质量不应 大于 200g m2 极限抗拉强度宜大于 8kN m 耐温性宜在 170 以上 JTJ T019 98 规定加筋材料 要求满足纵向抗拉强度大于 6kN m 横向抗拉强度大于 5kN m 拉伸模量大于 100kN m 本试 验 1 聚酯玻纤布延伸率稍大于同类玻纤土工织物 其极限抗拉强度纵向为 4 36kN m 横向抗 拉强度 3 76kN m 随着新材料的开发 合理的土工合成材料标准也有待进一步研究 要提出合 理的强度指标 以便于新材料的推广应用 2 3 22 3 2 聚酯玻纤布浸透沥青试验聚酯玻纤布浸透沥青试验 道路上的行车荷载是一个连续不断的反复荷载 路面层内某一点的上方有车辆通过时 经 历一个从受压变成受拉 又变成受压的循环过程 聚酯玻纤布在高速公路罩面工程中应用 它 与粘层油形成一个夹层存在于路面结构中 路面是由集料 沥青和聚酯玻纤布组成的一个复合 结构 必须考虑玻纤布作为复合结构的一部分 而不单独孤立考虑材料的具体强度或材料特性 为此 进行聚酯玻纤布浸透沥青后复合体的相关性能试验是非常必要的 2 3 2 1 拉伸强度试验拉伸强度试验 将聚酯玻纤布浸透沥青 按照试验规程 SL T235 1999 的要求成型长方形 5cm 10cm 的 窄条拉伸试件 进行条带拉伸试验 试验温度为 15 试验结果分别见图 2 2 所示 0 0 1 2 2 4 3 6 4 8 6 0 0 1 2 3 4 5 延伸率 拉伸强度 kN 5cm 1 2 横向 2 纵向 图图 2 2 浸透沥青试件条带拉伸试验结果图浸透沥青试件条带拉伸试验结果图 由图可知 由于 2 纵向加筋的作用 其抗拉强度的值最大 其次是 1 聚酯玻纤布试件 其最大抗拉强度为 1 23kN 5cm 1 的延伸率较小 最小的是 2 横向由于缝合加筋条 破坏了 其整体性 2 3 2 2 动态剪切流变 动态剪切流变 DSR 试验 试验 将聚酯玻纤布浸透沥青 相当于将聚酯玻纤布置于沥青的中间 使用硬纸板夹住成型试件 然后在动态流变仪 Dynamic Shear Rheometer 简称 DSR 下测定其动态模量及抗拉强度等指 标 评价聚酯玻纤布对整体的作用 通过动态剪切试验主要测定的指标是复数剪切劲度模量 也称为复数弹性模量 G 和相位角 以及由此确定损失剪切柔量的倒数 车辙因子 G sin 相位角 值越大 表示在荷载作用下模量的粘性成分越大 即变形不可恢复的成分越 大 G sin 值越大 即高温时的流动变形越小 抗车辙能力越强 即材料抵抗流动变形能力越 强 3 各种土工材料浸透沥青进行动态剪切流变试验结果见下表 2 2 表 2 3 所示 表表 2 2 不同土工织物不同土工织物 0 浸透沥青试件动态剪切流变试验浸透沥青试件动态剪切流变试验 G sin 统计表统计表 G sin 1 PP Polypropylene Neat Neat asphalt 2 MPa1671 39166 69283 93458 95 从以上试验结果可得 1 聚酯玻纤布的 G sin 最大 聚丙烯织物 PP 的车辙因子 G sin 最小 因此 其抗车辙能力优劣如下 1 2 NA PP 表表 2 3 不同土工织物浸透沥青试件在不同温度下粘弹性摸量 不同土工织物浸透沥青试件在不同温度下粘弹性摸量 Viscous Modulus 统计表 统计表 温度 05152540 1 6 89E 076 81E 074 89E 074 04E 072 52E 07 Polypropylene PP 5 63E 075 69E 073 89E 072 13E 074 39E 06 Neat asphalt Neat 6 21E 076 04E 073 38E 071 15E 071 20E 06 2 6 11E 075 94E 074 95E 071 68E 075 82E 06 表 2 3 表示了不同温度下不同材料试件的粘弹性模量 G sin 而随着试验温度的升高 粘弹性模量递减 由图 2 3 温度与相位角之间关系知 不同材料的相位角随着温度的升高逐渐增 大 图 2 4 表示了不同试件在不同温度下复数模量的变化情况 0 20 40 60 80 100 01020304050 温度 C 相位角 1 PP Neat2 图图 2 3 不同温度下相位角变化图不同温度下相位角变化图 1 10 100 1000 01020304050 温度 C 复数模量 MPa 1 PP Neat2 图图 2 4 不同温度下沥青混合料复数模量 不同温度下沥青混合料复数模量 Complex Modulus 比较图 比较图 从试验结果分析可得 从试验结果分析可得 加 1 聚酯玻纤布的试件的相位角明显比加聚丙烯的试件和纯沥青试件低 纯沥青试件的 相位角最高 加聚丙烯的沥青试件次之 由此说明 含 1 聚酯玻纤布的试件较难产生永久变形 加 1 聚酯玻纤布的试件的复数模量和 G sin 值最大 即最坚硬 加 2 的次之 加聚 丙烯的再次之 加聚酯玻纤布后能提高抗永久变形 改善路面的路用性能 在同一温度时 不 同应变下 加 1 聚酯玻纤布的试件的粘弹性模量最高 第三章第三章 聚酯玻纤布复合混合料路用性能研究聚酯玻纤布复合混合料路用性能研究 本章通过对 AC 20I AK 13A 和 SAC 20 三种不同级配的沥青混合料和聚酯玻纤布复合进行 了相关的路用性能试验 对比分析了有无聚酯玻纤布沥青混合料的抗剪切强度 粘结强度 低 温抗裂性能 抗车辙性能及防渗透性能 重点对比分析了有无 1 聚酯玻纤布的低温抗裂性能和 防渗透性能 为 1 聚酯玻纤布的应用提供依据 3 13 1 原材料试验及试验级配原材料试验及试验级配 3 1 13 1 1 原材料性质原材料性质 3 1 1 1 沥青沥青 本研究选用两种沥青 即埃索 AH 70 普通沥青和科氏 SK70 SBS 改性沥青 两种沥青的 试验指标与技术要求见表 3 1 表表 3 1 沥青的试验指标与技术要求沥青的试验指标与技术要求 试验指标技术要求 试验项目单位 AH 70 SK70 SBS J AHJ SK 针入度 25 100g 5s 0 1mm636660 80 60 针入度指数 PI 0 910 77 0 2 延度 15 5cm min cm 15098 8 100实测 软化点 TR B 48 58244 54 55 闪点 290 230 含蜡量 1 95310 3 230 密度 25 g cm31 0431 030实测实测 溶解度 99 699 27 99 0 99 0 布氏粘度 135 Pa s420 实测 弹性恢复 25 97 65 质量损失 00 046 0 8 1 0 针入度比 25 7677 3 55 60 TFOT 后残留 物 延度 5 cm12722 50 20 试验方法 T0604 2000 T0605 1993 T0606 2000 T0611 1993 T0615 2000 T0603 1993 T0607 1993 T0625 2000 T0609 1993 T0662 2000 3 1 1 2 集料集料 本研究采用的集料为石灰岩和玄武岩两种集料 按照试验规程 6 对集料的各项指标进行试验 集料的各项试验指标均满足 公路沥青路面施工技术规范 JTJ 032 94 要求 7 其试验指标与 技术要求如表 3 2 和表 3 3 表表 3 2 粗集料的试验指标与技术要求粗集料的试验指标与技术要求 试验指标技术要求 试验项目单位 石灰岩玄武岩J HJ W 压碎值 17 910 4 28 28 洛杉矶磨耗损失 15 910 4 30 30 视密度g cm32 7462 907 2 500 2 500 吸水率 0 60 87 2 0 2 0 粘结力级44 4 4 针片状含量 7 23 5 15 15 水洗法 0 5 1 0 1 0 磨光值 PSV 50 42 坚固性 1 69 12 试验方法 T0316 2000 T0317 2000 T0308 2000 T0616 1993 T0312 2000 T0302 2000 T0321 1994 M0303 1994 表表 3 3 细集料的试验指标与技术要求细集料的试验指标与技术要求 试验指标技术要求 试验项目单位 石灰岩玄武岩J HJ W 视密度g cm32 7392 833 2 500 2 500 砂当量 9188 60 60 试验方法 T0330 2000 T0334 1994 3 1 1 3 矿粉矿粉 本试验选用的矿粉是安徽某厂生产的石灰石矿粉 矿粉的各项技术指标均满足 规范 JTJ 032 94 的要求 7 其实测试验指标值和技术要求见表 3 4 表表 3 4 石灰石矿粉的试验指标与技术要求石灰石矿粉的试验指标与技术要求 试验项目试验指标技术要求 视密度 g cm3 2 719 2 50 亲水系数0 6 1 0 含水率 0 5 1 0 外观无团粒结块无团粒结块 塑性指数 0 6mm100100 0 15mm10090 100 粒度范围 0 075mm94 575 100 3 1 1 4 聚酯玻纤布聚酯玻纤布 本试验选用两种全新复合的土工合成材料 1 和 2 均是美国欧文斯 科宁 Owens Corning 公司开发生产的 60 玻璃纤维和 40 聚酯纤维的复合物 在美国 2001 年上市 用于 公路路面建设 改造和养护工程中防止反射性裂缝 疲劳裂缝 低温裂缝和防水等 1 与 2 聚酯玻纤布的示意图见图 3 1 图图 3 1 1 左 和 左 和 2 右 聚酯玻纤布示意图 右 聚酯玻纤布示意图 试验中按照试验程序 分别对两种聚酯玻纤布进行了力学试验 它们的试验主要技术参数 如表 3 5 所示 表表 3 5 1 和 和 2 的主要技术参数 的主要技术参数 平 均 值 试验项目单 位 1 2 参 照 标 准 T0 2181 818 拉伸强度 W kN 5cm 0 1880 058 SL T235 1999 T22319 梯形撕裂 W kN 1912 ASTMD4532 T238232 握持强度 W N 14776 ASTMD4632 Mullen 胀破强度kPa395317ASTMD3786 3 1 1 5 玻纤格栅玻纤格栅 本试验玻纤格栅采用江苏某公司生产的型号为 GG1270I 1 27cm 1 27cm 孔径的玻纤格栅 并根据土工试验规程 4 对玻纤格栅进行了一系列试验 其试验参数见表 3 6 表表 3 6 GG1270I 玻纤格栅的主要试验技术参数玻纤格栅的主要试验技术参数 试验项目单位面积质量纵横向抗拉强度纵横向伸长率耐温性能 单 位g m2kN m 试验值370 60 4 100 280 备 注表面处治采用优质的改性沥青 高分子弹性材料 胶粘剂 3 1 23 1 2 试验级配试验级配 本试验研究采用 AC 20I AK 13A 和 SAC 20 共三种不同级配类型的沥青混合料进行路用性 能比较试验 各种沥青混合料的材料组合表 3 7 如下 表表 3 7 四种沥青混合料的材料组合四种沥青混合料的材料组合 混合料编号ABSK 级配类型AC 20IAC 20ISAC 20IAK 13A 沥青埃索 AH 70 SK70 SBS 改 性 埃索 AH 70 SK70 SBS 改 性 集料来源石灰岩石灰岩石灰岩玄武岩 矿粉石灰石石灰石石灰石石灰石 试验中使用 AC 20I 的级配组成是本研究室根据以往研究的数据对传统的 AC 20I 型中值级 配进行了改进 增加了 4 75mm 以上集料的用量 仍是连续密级配 在 规范 JTJ 032 94 给 出的 AC 20I 型级配范围内 7 属于 AC 20I 改进型 本文中的 AC 20I 合成级配曲线图见图 3 2 0 20 40 60 80 100 筛孔尺寸 mm 通过百分率 AC 20I中值 AC 20I上限 AC 20I下限 AC 20I合成级配 0 01 0 075 0 15 0 3 0 6 1 18 2 36 4 75 9 5 19 图图 3 2 AC 20I 合成级配曲线图合成级配曲线图 SAC 20 属于多碎石沥青混凝土 是粗集料断级配沥青混凝土的一种 为了使沥青混凝土路 面表面具有良好的高温稳定性 在集料级配中增加粗集料含量 减少砂砾的含量 同时为减少 其空隙率 又相对的增加了矿粉的含量 本文试验采用的三种集料级配组成如表 3 8 所示 其试 验级配见图 3 3 所示 0 20 40 60 80 100 筛孔孔径 mm 通过百分率 AC 20I SAC 20 AK 13A 0 01 0 075 0 15 0 3 0 6 1 18 2 36 4 75 9 5 图图 3 3 三种试验混合料合成级配曲线图三种试验混合料合成级配曲线图 表表 3 8 三种集料级配组成表三种集料级配组成表 通过百分率 AC 20ISAC 20AK 13A 筛孔孔 径 mm 级配范围试验级配级配范围试验级配级配范围试验级配 26 5100100 100 100 1995 10095 7 95 100 95 5 1675 9086 1 78 94 85 5100100 13 262 8076 1 66 83 74 990 10096 2 9 552 7259 3 51 66 55 860 8073 9 4 7538 5841 4 30 40 38 130 5345 9 2 3628 4631 5 22 31 28 820 4031 9 1 1820 3422 2 16 24 20 815 3023 6 0 615 2714 3 12 20 1410 2317 8 0 310 209 8 10 17 10 27 1812 5 0 156 147 7 8 15 8 35 128 7 0 0754 86 0 6 10 6 64 85 8 3 23 2 混合料配合比设计混合料配合比设计 本试验研究采用埃索 AH 70 普通沥青和 SK70 SBS 改性沥青和 AC 20I SAC 20 AK 13A 三种级配类型 共四组沥青混合料分别进行马歇尔试验 沥青混合料配合比设计按照 公 路沥青路面施工技术规范 JTJ 032 94 要求确定 以 0 5 的间隔上下变化沥青用量 各配置 5 组不同的油石比成型马歇尔试件 分别按照试验规范用马歇尔仪测定稳定度和流值 同时按照 规范 8 测定空隙率 饱和度及矿料间隙率 其马歇尔最佳沥青用量 油石比 结果见表 3 9 表表 3 9 混合料配合比试验结果混合料配合比试验结果 混合料编号ABSK 沥青类型埃索 70 普通SK70 SBS 改性埃索 70 普通SK70 SBS 改性 集料级配AC 20IAC 20ISAC 20AK 13A 最佳油石比 4 2 4 2 4 25 0 密度 g cm3 2 465 2 470 2 4692 544 空隙率 3 5 3 6 3 33 5 矿料间隙率 13 2 12 7 13 015 2 稳定度 kN 13 3 13 8 14 213 3 流值 0 1mm 28 3 33 0 32 128 0 3 33 3 混合料路用性能试验研究混合料路用性能试验研究 3 3 13 3 1 粘结性能粘结性能 聚酯玻纤布是一种新型的土工合成材料 具有强度高 耐高温 耐腐蚀 易回收等优点 在旧混凝土路面沥青加铺层中得到广泛应用 对减缓或抑制反射裂缝及提高抗疲劳开裂性能有 较好的效果 同时 在道路工程领域有考虑用双层无纺的 1 聚酯玻纤布的设想 这样提高上下 路面层的强度和抗裂能力 但道路工作者和实际应用者普遍关注聚酯玻纤布夹层应用是否滑移 以及其夹层粘结力等问题 因此 对沥青混凝土加铺层中聚酯玻纤布粘结性能进行研究是非常 重要的 本课题从抗剪切试验和拉拔试验两种试验进行研究 3 3 1 1 剪切试验剪切试验 1 层间剪应力的力学分析 层间剪应力的力学分析 介于罩面与旧沥青混凝土路面之间的聚酯玻纤布 应能承受行车荷载作用下产生的剪应力 的反复作用 目前不少业主和施工单位担心聚酯玻纤布的粘结能力 为此 进行了抗剪强度的 研究 如图 3 4 所示的路面结构和路面计算参量 根据层状弹性体系理论 计算出粘结夹层位置 处的剪切应力 xy的范围 rrrrr E5 60MPa E4 600MPa H4 30cm E3 3500MPa H3 35cm E1 1200MPa H1 5cm E2 1600MPa H2 18cm 土基 底基层 基层 原路面面层或中下面层 沥青混凝土加铺层 计算点 粘结夹层 p 0 707 r 10 65 图图 3 4 标准轴载做作用路面结构示意图标准轴载做作用路面结构示意图 各层为连续接触条件 汽车荷载采用后轴为 100kN 的标准轴载 其作用半径 10 65cm r 垂直荷载为 p 0 707MPa 对于水平荷载 根据车轮与路面之间的摩擦系数确定 即 f 式中为水平荷载 为垂直荷载 为摩擦系数 计算中按车辆正常行驶 取pfq qpf 为 0 3 9 由 Bisar3 和有限元程序计算的结果如表 3 10 所示 f 表表 3 10 不同结构组合层对粘结处剪应力计算统计表不同结构组合层对粘结处剪应力计算统计表 原路面面层或 中下面基层 基层底基层土基 模量 MPa 泊松 比 厚度 cm 模量 MPa 泊松 比 厚度 cm 模量 MPa 泊松 比 厚度 cm 模量 MPa 泊松 比 不 变 参 量 16000 251835000 25356000 2530600 35 变化参量上面层模量 MPa 加铺层或面层的厚度 cm 变化数值8001200150020003cm4cm6cm8cm 剪应力 MPa 0 1940 1970 1980 2010 1960 1950 1910 190 注注 层间接触状况为完全连续 当某一变量变化时 其他参量仍参照图 3 4 路面结构示意图来计算 由计算结果和有关资料 10 知 计算点剪应力的范围为 0 18MPa 0 40MPa 增加面层模量 剪应力增加 随着粘层位置的加深 剪应力递减 此为确定夹层材料剪切强度的技术标准提供 了一定的理论依据 2 试件成型及试验模型 试件成型及试验模型 根据工程实践选用 AH 70 普通沥青作为粘层油 11 沥青混凝土下层采用 AC 20I 集料为 石灰岩 上层采用 AK 13A 集料为玄武岩 另外还采用孔径为 1 27cm 1 27cm 的玻纤格栅 及乳化沥青 FS 2000 透层油 分别制作加铺聚酯玻纤布 玻纤格栅 不作任何处理的纯混合 料 喷洒热沥青以及喷洒乳化沥青粘层油试件 通过试验对比分析加铺聚酯玻纤布夹层的抗剪 切性能 为有效反映聚酯玻纤布夹层的实际路用性能 按施工过程在室内成型试件 首先按照沥青 和沥青混合料试验规程 8 用轮碾法成型 4cm 厚的 AC 20I 沥青车辙板 其次在沥青混凝土板上定 量喷洒 AH 70 普通沥青粘层油 2 1 0L m2 然后分别加铺 1 2 聚酯玻纤布及玻纤格栅 最 后在加铺聚酯玻纤布的 AC 20I 沥青混凝土板上利用轮碾成型 40mm 厚的 AK 13A 的沥青混凝土 加铺层 对于双层的 1 聚酯玻纤布 分喷洒一层粘油 1 3L m2和首先喷洒粘油 0 8L m2 1 粘油 0 4L m2 另对不做任何处理 喷热沥青 1 0L m2及乳化沥青粘层油 0 25 0 4 L m2 的试 件 直接碾压 AK 13A 热沥青混凝土