沥青路面常见病害防治新材料的应用研究.doc

第3章 沥青铺面聚酯布的应用研究第 1 章 沥青铺面聚酯布的应用研究3.1 概述土工合成材料的应用已经有很多年的历史了，早在1926 年美国就将一种棉纤维土工布应用在北卡罗林纳州的高速公路修筑中来，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 80 年代土工格栅已经应用于已裂缝的水泥混凝土路面的沥青罩面加筋来预防反射裂缝的产生。此时在我国才开始将非织造布应用在铁路工程和水利工程中，到20世纪90 年代土工合成材料才在我国道路工程领域得到了广泛应用。土工合成材料是一种新型的岩土工程材料、它以人工合成的聚合物，即塑料、化学纤维、合成橡胶为原料，制造成各种类型的产品。土工合成材料种类很多，图3-1列举了一些常见的土工合成材料。图3-1 土工合成材料的分类Figure 3-1 The Categories of Geo-synthetic Material在道路工程领域，土工合成材料主要应用在路堤加筋和软弱地基处理、台背路基填土加筋、过滤、排水及路基防护、路面裂缝防治等方面，取得一定的应用效果。随着我国公路建设事业的蓬勃发展以及土工合成材料性能逐渐完善和改进，使得土工合成材料进一步应用到道路养护维修和新道路的建设上来，据有关专家预测，在今后的十年内，我国对土工合成材料的总需求将突破5000万m2，在国内有着广阔的开发和应用前景。作为一种新型土工合成材料沥青铺面聚酯布，研究其在我国等级公路建设、养护和维修中的应用，对提高我国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。3.2 沥青铺面聚酯布的力学模型及作用机理分析3.2.1 相关性能指标目前，土工合成材料的种类很多，生产工艺、原料组成等等的区别很大，作用机理和应用范围也有一定不同，为了对土工合成材料在沥青路面中的应用效果进行分析和评价，本研究以DSTM沥青铺面聚酯布（以下简称沥青铺面聚酯布）作为这类材料的代表进行相关研究，并选取土工格栅（大格栅和小格栅两种）、聚酯玻纤布作为对比材料，分析土工合成材料在沥青路面中的作用效果。本研究所采用的沥青铺面聚酯布如图3-2所示，相关性能指标见表3-1。图3-2沥青铺面聚酯布示意图Figure 3-2 Asphalt Polyester Paving Mat表3-1沥青铺面聚酯布的相关指标 Table 3-1 Performance index of Asphalt Polyester Paving Mat测试名称单位标准值/保证值单位面积重量g/m2160 / 152.0厚度mm0.80 / 0.68 0.92最大拉伸强力(纵向)N/5cm510 /460最大拉伸强力(横向)N/5cm460 /420在最大拉伸强力下的拉伸伸长(纵向)%30.0 / 25在最大拉伸强力下的拉伸伸长(横向)%32.0 / 27200度热收缩(纵向)%1.7200度热收缩(横向)%0.13%形变强力N/5cm250/22515%形变强力N/5cm450/405沥青铺面聚酯布是一种集“非织造、长丝、聚酯、针刺、浸胶、热压”六大特征于一身的新型土工合成材料，使其具有以下独特的特性：(1) 均匀的纤维网，针刺加浸胶的独特工艺决定了其能够与沥青很好的结合，在路面结构层中起到防止水的渗透、延缓裂缝产生等功能。(2) 多方向拉伸性能，决定了其能承受不定方向的交通荷载，减少沥青路面车辙、裂缝现象的产生。(3) 独特的浸胶工艺使其在施工过程中能够始终保持很强的平整性。一般情况下，沥青铺面聚酯布主要应用于以下两种情况，每一种情况应用的范围不同：(1) 在沥青混凝土面层和基层之间使用沥青铺面聚酯布，延缓道路基层裂缝向沥青面层扩张的影响，也可以防止路表水和地下水在层间的渗透等等，图3-3所示。(2) 在沥青混凝土面层之间使用沥青铺面聚酯布，延缓面层温缩裂缝的扩展，防止路表水向下面层渗透，也可以减小由于交通荷载等原因产生的车辙病害等，图3-3所示。图3-3 沥青铺面聚酯布的应用Figure 3-3 Application of Asphalt Polyester Paving Mat本研究对沥青铺面聚酯布在不同层间的作用效果进行分析，在沥青面层之间使用沥青铺面聚酯布的情况主要通过相关室内试验进行分析研究，在沥青面层和基层之间使用沥青铺面聚酯布的情况主要通过力学模型对路面结构内部应力、应变、疲劳寿命的影响情况进行分析研究。3.2.2 力学模型分析分析沥青路面在典型工作状态下，对使用沥青铺面聚酯布前后沥青路面内部应力、应变分布规律的变化，有助于深入理解和掌握沥青铺面聚酯布预防沥青路面反射裂缝的作用机理，为沥青铺面聚酯布在工程中的应用和沥青铺面聚酯布的改进提供参考。研究中利用非线性有限元分析软件ABAQUS对沥青铺面聚酯布预防沥青路面反射裂缝的力学机理进行了相关的分析和研究42。(1) 分析方案及模型沥青路面在使用过程中承受车辆荷载和环境荷载的长期作用，其中，车辆荷载对路面产生了法向压力和切向剪力的作用，环境荷载主要是温度荷载的作用。在法向压力作用下，沥青路面结构层间可能会产生弯拉应力的作用，而在温度荷载作用下，由于结构层之间不均匀收缩，沥青路面也可能产生拉应力的作用，这些力的作用都是导致沥青路面开裂的重要原因，图3-4给出沥青路面在不同情况下，路面结构内部的应力情况。图3-4说明沥青路面产生反射裂缝的典型不利工作状态可以认为是由于沥青路面受到温度分布的影响，路面结构层间会出现不均匀的收缩，而当基层有裂缝以及基层收缩量大于沥青面层时，在裂缝上部的沥青面层内产生拉应力集中的现象，甚至可能局部拉应力过大，从而导致沥青路面的反射裂缝的产生。本研究主要针对这一工作状况，利用ABAQUS软件对使用沥青铺面聚酯布在沥青路面预防反射裂缝的应用效果进行相关的分析，主要包括应力应变的分布情况、应力应变的变化情况等等。图3-4 沥青面层层底分布图Figure 3-4 TheDistribution Maps at the bottom of Asphalt Surfacing 根据研究问题的特点，建立三维空间力学模型，力学模型的尺寸如图3-5所示。模型中地基的宽度和厚度要综合考虑计算误差和计算时间的影响通过试算得到的。假定模型各结构层之间为完全连续状态，沥青铺面聚酯布与上下层之间亦为完全连续（模型顶面除外），其它各边在界面处施加垂直约束。在有限元的分析计算中，不考虑自重的作用，只考虑车辆荷载和路面层间不均匀收缩产生的应力、应变及位移的变化情况。法向压力以BZZ100单轴双轮组标准轴载为依据，轮压0.7MPa，单轮作用范围取方形18.9cm18.9cm，轮距182cm，双轮中心距32cm，如图3-6所示43。图3-5 三维空间力学模型Figure 3-5 Three-dimensional Mechanical Models图3-6 轮载作用示意图Figure 3-6 Sketch Map of the role of Wheel Load车辆荷载产生切向剪力是摩擦应力，摩擦系数取0.5，荷载作用范围与法向压力相同。假设模型中基层存在一条4mm宽的横向裂缝，考虑路面结构层间不协调收缩，假设基层与面层间存在1mm的收缩差，荷载作用于横向裂缝的正上方，关于裂缝及道路中线对称分布。假定结构层材料和沥青铺面聚酯布均为线弹性，沥青路面结构层设置情况如图3-5所示，各结构层材料参数列于表3-2，沥青铺面聚酯布的泊松比取0.4，厚度取0.8mm，以弹性模量作为分析变量。表3-2 道路结构材料参数表Table 3-2 Parameter of Structural Material 材料名称细粒式沥青混凝土中粒式沥青混凝土粗粒式沥青混凝土水泥稳定碎石二灰稳定土路基和地基土弹性模量（MPa）180018001500150075040泊松比0.250.250.250.20.20.35在工程实践中，沥青铺面聚酯布的力学性能一般用单位宽度的拉力和延伸率表示，弹性模量按照式（3-1）进行换算，应力按照式（3-2）换算成作用在单位宽度沥青铺面聚酯布上的拉应力。模型总体坐标以路线横向水平方向为x或1，路线横向垂直方向为y或2，路线纵向为z或3。 （3-1）式中 E沥青铺面聚酯布割线弹性模量，Pa；T单位宽度拉应力，N/m；T对应的延伸率；沥青铺面聚酯布的厚度，m。 （3-2）式中 计算应力，Pa。(2) 应力、应变变化情况本研究在应力、应变分析过程中，以内侧车轮中间沿路线纵向剖面上相应部位应力和应变作为研究对象，分析过程中均以表示正应力（拉应力为正，压应力为负），以表示剪应力，以表示正应变，下脚标表示应力应变方向。通过ABAQUS有限元分析软件分析在基层有横向裂缝、层间有收缩差等状态下，使用沥青铺面聚酯布前后沥青路面结构内部应力、应变的分布状况和变化情况。图3-7图3-8给出正常情况下沥青路面结构内部的拉应力和剪应力变化情况。在沥青路面内部结构完好的情况下，在车辆荷载作用下，最大拉应力接近0.3MPa，最大压应力为1MPa，最大拉应力和最大压应力均出现在沥青面层表面，沥青面层几乎全部处于受压区，整个路面结构受力合理。而对于剪应力而言，沥青路面结构内部的剪应力最大值为0.44MPa，出现在沥青面层表面轮迹下。图3-9图3-10给出在层间有收缩差、基层有裂缝的情况下，沥青路面结构内部的拉应力和剪应力变化情况。对于基层裂缝顶端附近应力分布情况而言，由于受到沥青面层和底基层的限制，基层几乎全部处于受拉状态，仅在裂缝两侧自由面中部出现拉应力。受基层收缩的带动，沥青面层大部分处于受压状态，但在裂缝附近出现了拉应力集中，最大拉应力为0.75MPa，接近沥青混凝土的抗拉强度，这种受力状态极为不利，容易导致反射裂缝的产生。而对于基层裂缝顶端附近剪应力分布情况而言，剪应力基本只出现在结构层间裂缝附近，且应力水平很小，最大值不到0.1MPa，对路面影响较小。因此，本研究主要针对沥青路面结构层之间使用沥青铺面聚酯布对路面结构内部应力的影响进行分析和评价。图3-7 普通沥青路面结构内分布图Figure 3-7 TheDistribution Maps of Asphalt Pavement 图3-8 普通沥青路面结构内分布图Figure 3-8 TheDistribution Maps of Asphalt Pavement 图3-9 有层间收缩差时裂缝顶端周围分布图Figure 3-9 TheDistribution Maps near the top of the Cracks with Interlayer Contraction 图3-10有层间收缩差时路面内部裂缝顶端附近分布图Figure 3-10 TheDistribution Maps near the top of the Cracks with Interlayer Contraction图3-11给出在层间有收缩差、基层有裂缝的情况下，在沥青路面结构内部使用沥青铺面聚酯布后，基层裂缝顶端附近应力分布情况，对照图3-9和图3-11可以发现，沥青铺面聚酯布使用前后对改变沥青路面结构内部应力分布规律影响不大，拉应力集中仍出现在裂缝附近，但是最大拉应力值由0.75MPa降低到0.67MPa，降低幅度10%左右。图3-11 使用沥青铺面聚酯布有层间收缩差时裂缝顶端周围分布图Figure 3-11 TheDistribution Maps near the Top of the Cracks with Interlayer Contraction and Asphalt Polyester Paving Mat图3-12图3-13给出在层间有收缩差、基层有裂缝的情况下，使用沥青铺面聚酯布前后沥青路面结构内部的应变变化情况。从图中可以发现沥青路面结构内部应变分布规律与应力的分布规律一致，在裂缝附近出现了最大拉应变，最大拉应变为400，而沥青铺面聚酯布的使用对沥青路面结构内部应变分布规律影响不大，最大拉应变仍出现在裂缝附近，但最大拉应变值由400降低到360，降低幅度10%左右。图3-12有层间收缩差时路面内部裂缝顶端附近分布图Figure 3-12 TheDistribution Maps near the top of the Cracks with Interlayer Contraction图3-13 使用沥青铺面聚酯布有层间收缩差时裂缝顶端周围分布图Figure 3-13 TheDistribution Maps near the top of the Cracks with Interlayer Contraction and Asphalt Polyester Paving Mat(3) 材料弹性模量对应力应变的影响前面介绍在层间有收缩差、基层有裂缝的情况下，使用沥青铺面聚酯布前后对沥青路面结构内部应变分布规律与应力的分布规律影响不明显，但使沥青路面结构内部的应力、应变降低10%左右，减少了反射裂缝产生的几率。而沥青铺面聚酯布材料本身对沥青结构内部应变和应力的影响，对选用沥青铺面聚酯布起到十分重要的作用，因此本研究将针对这一问题进行相关的研究。图3-14图3-17给出沥青铺面聚酯布对沥青路面面层应力和应变的影响情况，从图中可以发现：拉应力和拉应变均是以裂缝为轴对称分布，分布范围约为0.12m，而使用沥青铺面聚酯布对沥青面层层底拉应力和拉应变的分布范围并没有很大的影响，但不难发现沥青面层层底的最大拉应力和最大拉应变随沥青铺面聚酯布弹性模量的增大大致呈线性下降。当沥青铺面聚酯布弹性模量为50MPa时，沥青面层层底的最大拉应力为0.74MPa，最大拉应变为400；高性能沥青铺面专用聚酯布弹性模量为1500MPa时，沥青面层层底的最大拉应力减小为0.64MPa，最大拉应变减小为340。图3-14 沥青铺面聚酯布弹性模量对面层应力的影响Figure 3-14 Elastic Module of Asphalt Polyester Paving Mat impact on Surfacing Stress 图3-15 沥青铺面聚酯布弹性模量对面层应变的影响Figure 3-15 Elastic Module of Asphalt Polyester Paving Mat impact on Surfacing Strain图3-16 沥青铺面聚酯布弹性模量对面层最大应力的影响Figure 3-16 Elastic Module of Asphalt Polyester Paving Mat impact on max Stress 图3-17沥青铺面聚酯布弹性模量对面层最大应变的影响Figure 3-17 Elastic Module of Asphalt Polyester Paving Mat impact on max Strain(4) 作用效果分析前面介绍了使用沥青铺面聚酯布对沥青路面结构内部应力应变的影响情况，同时，也介绍了弹性模量对沥青路面结构内部应力应变的影响情况。而在工程上，人们往往更加关心的是使用这种材料的最终效果，如使用寿命的提高情况等等，本研究针对沥青铺面聚酯布对使用寿命的影响进行了进一步的研究。反射裂缝是疲劳导致的主要破坏形式，是由于作用在沥青路面内部产生的拉应力小于沥青路面材料抗拉强度，但在反复作用下，路面会因疲劳导致破坏并产生裂缝。疲劳破坏与应力循环中应力与材料抗拉强度的比值关系密切，比值越大，一次作用产生的损伤累积就越大，疲劳寿命就越短也就越容易产生裂缝。而影响沥青混合料疲劳性能的因素很多，沥青的性能、级配情况、温度、应力水平等都对沥青混合料的疲劳性能有着密切的关系。国内外众多研究表明，应力水平与疲劳寿命在双对数坐标上表现为线性关系，通常可表示为式（3-3）的形式。 （3-3）式中 Nf疲劳寿命（作用次数）； 疲劳作用应力水平，MPa；k，n回归系数。国内外大量试验表明3：代表双对数坐标上疲劳曲线斜率的n变化不大，大约在2.565.72之间，说明不同沥青混凝土的疲劳性能比较稳定，本研究取n为3.5；而k值的变化范围很大，这与研究者采用的试验方法和试验条件有关，本研究将k按定值计算。按照式（3-3）可以计算使用沥青铺面聚酯布对疲劳寿命的延长情况，如表3-3所示。表3-3 沥青铺面聚酯布弹性模量对疲劳寿命的影响Table3-3 Elastic Module of Asphalt Polyester Paving Mat Impact on fatigue life弹性模量（MPa）010050010001500最大拉应力（MPa）0.740.730.700.670.64疲劳寿命2.87k3.01 k3.48 k4.06 k4.77 k疲劳寿命延长百分率（%）04.921.541.666.2从表3-3可以发现，使用沥青铺面聚酯布可显著延长沥青路面的疲劳寿命，延缓沥青路面反射裂缝产生的几率。疲劳寿命也随沥青铺面聚酯布弹性模量的增加有明显增加的趋势。由于疲劳寿命方程是一个非线性方程，在不同应力水平下，降低相同的应力值所带来的疲劳寿命延长率是有一定差别的，表3-3的数据是假定在基层与面层之间存在1mm的收缩差的情况，而实际情况并不一定与假定的情况相符，当基层与面层收缩差发生变化时，面层层底最大拉应力也随之变化，而面层层底拉应力的大小直接沥青路面疲劳寿命的变化情况。按照前面得到的结论，使用沥青铺面聚酯布可使沥青路面结构层之间的最大拉应力降低10%左右（即降低0.1MPa左右），按这一情况分析使用沥青铺面聚酯布后沥青路面疲劳寿命的变化情况，如表3-4和图3-18所示。表3-4 沥青路面在不同应力水平下使用沥青铺面聚酯布后疲劳寿命的变化情况Table 3-4 Asphalt Polyester Paving Mat Impact on Fatigue Life under Different Stress普通沥青路面使用沥青铺面聚酯布后的沥青路面延长百分率最大拉应力（MPa）疲劳寿命最大拉应力（MPa）疲劳寿命0.5011.31 k0.4024.71 k118.4%0.605.98 k0.5011.31 k89.3%0.703.48 k0.605.98 k71.5%0.802.18 k0.703.48 k59.6%0.901.45 k0.802.18 k51.0%1.001.00 k0.901.45 k44.6%图3-18沥青路面在不同应力水平下使用沥青铺面聚酯布后疲劳寿命的影响趋势图Figure 3-18 The Trend of Asphalt Polyester Paving Mat Impact on Fatigue Life under Different Stress从表3-4和图3-18可以发现，随沥青路面结构内部拉应力水平的降低，疲劳寿命逐渐增大，疲劳寿命的延长百分率也逐渐增大，意味延缓沥青路面放射裂缝产生的效果越明显。3.2.3 作用机理浅析(1) 延缓沥青路面反射裂缝产生的作用机理分析沥青路面的反射裂缝是由于在原有开裂路面上加铺罩面，由于温度循环变化和车辆荷载的反复作用在原有接缝或裂缝处反射到加铺层，出现裂缝，如图3-19所示。反射裂缝几乎是在所有的加铺层中都会发生，在半刚性基层沥青路面上加铺AC罩面中更为普遍。图3-19 沥青路面反射裂缝示意图44Figure 3-19 Schematic Diagram of Reflective Cracking of Asphalt Pavement 按照反射裂缝形成机理的不同，一般反射裂缝包括温度型反射裂缝和荷载型发射裂缝两类。温度型反射裂缝是由于气温的反复升降在原路面内部产生温度梯度，导致上下层变形不一致，随使用年限不断增加，接缝/裂缝上沥青加铺层拉应力逐渐积累，最终导致沥青混合料的温度应力疲劳、沥青混合料的极限拉伸应变减小及应力松弛性能降低，最终导致裂缝的产生，如图3-20所示。荷载型反射裂缝是由于车辆荷载作用使得原路面会发生竖向移动，路面结构内部产生剪切应力及弯拉应力作用，特殊在基层存在裂缝、荷载移动不良或超载时，沥青加铺层底部产生应力集中，在行车荷载的反复作用下，基层原有裂缝将逐渐扩展到上部，使沥青面层开裂破坏，如图3-21所示。图3-20 温度变化引起的反射裂缝44Figure 3-20 Reflective Cracking Due to Temperature Changes图3-21 车辆荷载引起的反射裂缝45Figure 3-21 Reflective Cracking Due to Vehicle Load从沥青路面反射裂缝产生的机理可以很容易发现：基层裂缝顶端的应力集中是造成反射裂缝的主要原因，减小基层裂缝周围拉应力的大小，增加拉应力的作用范围可以减小反射裂缝产生的机率。使用沥青铺面聚酯布能减小基层裂缝顶端周围的应力和应变，扩大应力作用范围，使得沥青铺面聚酯布的使用能够减小沥青路面反射裂缝的产生机率。(2) 预防沥青路面其它病害的作用机理分析车辙是在与时间有关的荷载因素和气候因素共同作用下，轮迹带逐渐产生下凹形变并形成两条纵向辙槽，且较严重辙槽两边通常有膨起形变。车辙的形成主要是由于沥青路面高温强度不足或抗永久变形能力较差，特别是在高温季节又有表面水侵入面层内部的情况下，容易产生剪切形变，使变形和应变速率迅速增大，直到破坏。而沥青铺面聚酯布自身低延伸率和多方面抗拉伸等性能可以减少路面由于荷载等因素产生的弯沉量和剪切变形。另外，沥青铺面聚酯布、原有路面或原基层以及沥青加铺层能够很好地形成一个整体，在沥青路面结构内沥青铺面聚酯布主要起到骨架作用，同时增加沥青混凝土面层中的横向约束力，防止了沥青混凝土面层的推移，从而保证了沥青路面不会发生过度变形，提高沥青路面抗车辙能力。水损坏是指水经由沥青路面空隙、裂缝进入沥青路面内部后，在冻融、车辆轮胎动荷载产生的动水压力或是真空抽吸冲刷的反复作用下，水分逐渐深入沥青与矿料的界面或沥青内部，使沥青与矿料之间粘附性降低并逐渐丧失粘结能力，使得沥青逐渐从矿料表面剥落，沥青混合料掉粒、松散，造成沥青路面结构整体的破坏。而沥青铺面聚酯布能和相邻层间形成一个整体加上其本身聚酯及浸胶等特性，使得当路表水渗透到沥青铺面聚酯布时被隔离开来，减小了沥青路面下面层和沥青路面基层由于地表水的作用形成的道路病害。沥青铺面聚酯布铺设沥青面层和基层之间及沥青面层之间能够形成应力缓冲带，将上层车辆荷载、环境荷载等传递下来的疲劳应力分散，扩大应力分布范围，减小由于路面层间应力突变产生破坏的概率，提高了沥青路面抗疲劳的特性。3.3 路用性能研究本节通过AC-20、SMA-13两种不同级配的沥青混合料和沥青铺面聚酯布复合进行了相关的路用性能试验，分析使用沥青铺面聚酯布对沥青混合料的粘结性能、抗疲劳性能、抗永久变形性能及防渗透性能的影响，为了更好的评价沥青铺面聚酯布的使用效果和评价不同土工合成材料的作用效果，本研究引入其它两类土工合成材料土工格栅和聚酯玻纤布，通过对路用性能的对比分析不同土工合成材料的使用效果。3.3.1 粘结性能研究沥青铺面聚酯布是一种新型的土工合成材料，具有强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，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作用效果。但是在实际工程中更加关注沥青铺面聚酯布夹层是否会产生滑移以及夹层粘结力等问题。本课题采用抗剪切试验和拉拔试验进行分析和研究，对沥青混凝土加铺层层间使用沥青铺面聚酯布的粘结性能进行评价。(1) 剪切试验考虑车辆行驶中因加减速及制动过程对沥青路面有水平摩擦力作用，为了检验在行车荷载作用下，粘结层抵抗剪切应力的能力设计了剪切试验，剪切试验设计模型见图3-22。为了更好的模拟道路刹车情况，更好地符合路面实际工作情况，假定剪切角=45。将试件放入斜面剪切夹具中，施加竖向定速率荷载F，考虑刹车作用速度较快，荷载F的速率恒定，粘结层剪应力可用式（3-4）计算。 （3-4）式中 粘层界面处的剪应力，MPa； F竖向施加定速率的荷载，N； S试件剪切截面积，S=100mm100mm。另外，本研究设计的剪切试验在试件成型方面，能有效反映土工合成材料夹层的实际路用性能，更好地模拟道路的施工状况；剪切试验方法简单，易于操作，通过剪切强度可以很好地评价使用不同土工合成材料的作用效果；剪切试验过程能够很好地观察和分析在层间使用土工合成材料后沥青路面的剪切破坏情况。根据工程实践选用AH-90#普通基质沥青作为粘层油46；沥青混凝土下面层采用AC-20（集料为石灰岩），上面层采用SMA-13A（集料为玄武岩）。分别制作加铺沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布、土工格栅及不做任何处理的沥青混凝土试件，通过试验对比分析加铺沥青铺面聚酯布的抗剪切性能。为有效反映沥青铺面聚酯布夹层的实际路用性能，按施工过程在室内成型试件。首先按照公路工程沥青和沥青混合料试验规程轮碾法成型50mm厚的AC-20沥青车辙板，其次在沥青混凝土板上定量喷洒AH-90#普通基质沥青粘层油（1.0L/m2），然后分别加铺沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布及土工格栅，最后在加铺沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布及土工格栅的AC-20沥青混凝土板上利用轮碾成型50mm厚的SMA-13沥青混凝土加铺层，具体过程如图3-23所示。成型冷却24小时后，脱模，用双面锯在湿态下把试件加工成100mm100mm100mm，再用水洗除其尘埃，晾干，试验前在试验温度下保温不少于4h。图3-22 剪切试验模型设计图Figure 3-22 Model Design of Shear Test喷洒粘层油成型单层试件 试件成型加铺土工合成材料 图3-23双层车辙试件成型过程Figure 3-23 Molding Process of Double Rutting Specimen 为了评价沥青铺面聚酯布的抗剪切能力，本试验对使用不同土工合成材料的抗剪切能力在常温下进行测定和比较。试件为干态，采用空气浴，试验温度为常温251，剪切速率采用自动控制10mm/min，试验数据半自动采集，剪切试验结果如表3-5所示。表3-5 剪切试验数据表Table 3-5 Results of Shear Test试件类型最大压应力（KN）平均值（KN）抗剪强度（MPa）普通试件80.5270.8067.4572.925.157土工格栅（大）73.4566.9057.9066.084.673土工格栅（小）64.3864.8888.0864.534.564聚酯玻纤布66.9066.7256.4663.364.481沥青铺面聚酯布67.0861.7563.9864.274.545剪切试验数据表明，不做任何处理的沥青混合料试件的抗剪切强度最大，三类土工合成材料的抗剪切强度优劣次序如下：土工格栅沥青铺面聚酯布聚酯玻纤布。定量分析，使用沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布及土工格栅的试件抗剪切强度分别降低12%、15%和10% 左右，即使用土工合成材料会不同程度的降低沥青路面的抗剪切强度，但是影响不是很显著。大量研究数据和有限元分析数据表明，沥青路面下5cm处的剪切力处于0.180.40MPa之间，使用沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布、土工格栅的沥青混凝土试件的抗剪切强度远大于0.40MPa，满足沥青路面抗剪切强度的使用要求。(2) 拉拔试验为了检测沥青路面层间或沥青混合料本身的粘结强度设计拉拔试验。对于沥青铺面聚酯布的沥青混凝土路面，可用拉拔试验来检测沥青罩面或路面加沥青铺面聚酯布后，与原路面或基层之间的粘结力及沥青铺面聚酯布与罩面或路面沥青混合料的粘结程度。为了评价沥青铺面聚酯布的抗拉拔能力，设计拉拔试验模型如图3-24所示，对使用不同土工合成材料的抗拉拔能力在常温下进行测定和比较。本研究设计的拉拔试验在试件成型方面，能有效反映土工合成材料夹层的实际路用性能，更好地模拟道路的施工状况；拉拔试验方法简单，易于操作，通过拉拔强度可以很好地评价使用不同土工合成材料的作用效果；拉拔试验过程能够很好地观察和分析在层间使用土工合成材料后沥青路面的拉伸破坏情况。按照抗剪切试验成型方法成型双层车辙试件，冷却24小时后，脱模，用双面锯在湿态下把试件加工成50mm50mm100mm，再用水洗除其尘埃，晾干，用环氧树脂胶将试验试件两端与试验模具连接起来。试验前在试验温度下保温不少于4h，试件为干态，采用空气浴，试验温度为常温251，拉拔速率采用自动控制10mm/min，试验数据半自动采集，拉拔试验数据如表3-6所示。图3-24 拉拔试验模型设计图Figure 3-24 Model Design of Drawing Test表3-6 拉拔试验数据表Table 3-6 Results of Drawing Test试件类型最大拉应力（KN）平均值（KN）抗拉拔强度（MPa）普通试件5.374.894.705.525.122.05土工格栅（大）4.864.674.143.964.411.76土工格栅（小）3.984.364.144.444.231.69聚酯玻纤布4.043.903.763.863.891.56沥青铺面聚酯布4.084.103.964.264.101.64拉拔试验数据表明，不做任何处理的沥青混合料试件的抗拉拔强度最大，三类土工合成材料的抗剪切强度优劣次序如下：土工格栅沥青铺面聚酯布聚酯玻纤布。定量分析，使用沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布及土工格栅的试件抗拉拔强度分别降低20%、24%和16% 左右，即使用土工合成材料会不同程度的减少沥青路面的抗拉拔强度，但是减小幅度不是很明显。大量研究数据和有限元分析数据表明，沥青路面相邻层之间的拉应力处于0.71.0MPa之间，使用沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布、土工格栅的沥青混凝土试件的抗拉拔强度远大于1.0MPa，满足沥青路面抗拉拔强度的使用要求。对于使用沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布、土工格栅等土工合成材料做夹层的沥青路面而言，拉拔试验结果或者实际沥青路面破坏的结果可能会有二种情况： 从路面某结构层中间拉断，这说明沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布、土工格栅的层间粘结力强于该层沥青混合料本身的粘结力；从沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布、土工格栅之间拉断，表明原路面与沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布、土工格栅之间的粘结力低于沥青混合料本身的粘结力。图3-25给出拉拔试验中试件破坏情况，从图3-25中可以看出，加铺沥青铺面聚酯布的试件的破坏情况属于第一种情况，也就是说使用沥青铺面聚酯布能提高沥青面层之间的粘结力。图3-25 拉拔试验试件破坏情况Figure 3-25 Specimen Damage of Drawing Test3.3.2 抗永久变形性能研究车辙是沥青路面变形类病害最严重的一种。使用沥青铺面聚酯布的抗永久变形性能可以通过沥青混合料的高温抗车辙能力来进行评价。评价沥青混凝土高温抗车辙能力通常用动稳定度这个指标来表示和进行对比。车辙试验是评价沥青混合料抗车辙能力的比较简单也比较有效的试验方法，为了更好地分析在相邻面层间使用沥青铺面聚酯布和其它土工材料的抗车辙效果，更好地模拟路面的实际受力情况和施工情况，参照公路工程沥青及沥青混合料试验规程沥青混合料车辙试验，将成型过程进行改进，按照剪切试验成型双层车辙试件，试件尺寸为300mm300mm100mm的车辙板试件。这样改进不仅能够很好的模拟沥青路面的实际情况，而且能够直观地比较和分析不同土工合成材料的抗车辙效果，由于改进后的车辙试验仍以动稳定度为评价指标，可以更好地评价不同方法对提高沥青路面抗车辙效果等等。车辙试验在温度60下，以轮压为0.7MPa的实心橡胶轮作一定时间的反复碾压试件，以辙槽深度RD（总变形量）和动稳定度DS（每产生1mm辙槽所需的碾压次数）作为沥青混合料的抗车辙能力的评价指标。试验成型使用沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布、土工格栅的沥青混凝土试件及不做任何处理的沥青混凝土试件各三个，下面层均为AC-20沥青混合料，上面层为SMA-13沥青混合料，通过自动车辙试验仪测得使用土工合成材料在45min、60min变形量，按式（3-5）计算动稳定度DS，试验结果如表3-7所示。 (3-5)式中 DS沥青混合料的动稳定度，次/mm；d1，d2t1，t2(45min、60min)的变形量，mm；N试验轮往返碾压速度，通常为42次/min；C1试验及类型修正系数；C2试件系数。 表3-7 车辙试验数据表Table 3-7 Results of rutting test试件类型45min变形量(mm)60min变形量 (mm)变形量（mm）动稳定度（次/mm）平均值（次/mm）普通试件5.7206.4030.6839229404.2644.9400.6769325.2735.9260.653965土工格栅（大）6.1986.7910.593106210296. 3016. 9230.6329975.9966.6090.6131028土工格栅（小）7.0227.5730.551114310947.3257.9100.58510775.7686.3610.5931062聚酯玻纤布5.1415.5820.441142813467.4177.9220.50512486.3846.8570.4631361沥青铺面聚酯布2.2652.6290.364173016324.8765.2860.41015375.5135.9000.3871628车辙试验数据表明，使用沥青铺面聚酯布的试件的动稳定度最大，不做任何处理的沥青混合料试件的动稳定度最小，三类土工合成材料的抗车辙性能优劣次序如下：沥青铺面聚酯布聚酯玻纤布土工格栅。定量分析，使用沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布及土工格栅的试件动稳定度分别提高74%、43%和13% 左右，即使用土工合成材料会不同程度的提高沥青路面的抵抗车辙的能力，减少沥青路面变形类（车辙等）病害的产生概率。3.3.3 抗疲劳性能研究 测定沥青混合料的疲劳特性的室内试验方法很多，北美大多数采用梁式试件进行反复弯曲疲劳试验；欧洲大多采用悬臂梯形梁试件，在其端部施加正弦型的反复荷载；也有采用圆柱体试件，进行间接拉伸疲劳试验。目前主要试验方法有拉伸试验、弯拉试验。前者包括直接拉伸试验（DT）、间接拉伸试验（IT），后者包括四点弯拉试验（4PB）、三点弯拉试验（3PB）和半圆试件弯拉试验（SCB）47。为了更好的模拟沥青路面的实际情况，更加直观的分析使用沥青铺面聚酯布的作用效果及更好地比较不同土工材料的抗疲劳效果，经过多方面的比较，认为重复弯曲试验为测定沥青混合料疲劳特性的首选方法5。沥青混合料疲劳试验主要有应力控制和应变控制两种不同的加载模式。应力控制模式是指在反复加载过程中所施加荷载（或应力）的峰谷值始终保持不变，随着加载次数的增加最终导致试件断裂破坏。应力控制模式的能量消散速率较快，试验时间较短，以试件的完全断裂作为疲劳破坏的标准，每次对试件施加的荷载为常量。由于施加荷载过程中，在应力集中处开始产生裂缝，随着荷载作用次数增多，试件不断受到损伤，试件中材料的劲度也随之而降低，故尽管荷载不变，实际的弯挠应变则随施加荷载次数增加而增大，疲劳破坏逐渐明显，适合于较厚的沥青路面层。而应变控制方式是指在反复加载过程中始终保持挠度或试件底部应变峰谷值不变；在应变控制模式测试过程中，要始终保持每次荷载作用下，应变值不变，不断改变荷载使梁产生一个固定值的挠曲，故应力随施加荷载次数的增加而不断减小；试件一般不会出现明显断裂破坏，能量消散速率较慢，试验时间较长，一般以沥青混合料劲度模量下降到初始劲度的50或更低时为疲劳损坏标准，一般适合于薄层沥青路面。为了更好地模拟沥青路面的实际情况，决定采用MTS（应力控制）试验系统进行疲劳试验，研究使用沥青铺面聚酯布和其它土工合成材料对沥青混合料的疲劳特性的影响。另外，材料的疲劳寿命与荷载波形和试验温度有一定的关系，本研究的疲劳试验均采用正弦波形荷载进行加载，由于荷载波形全部处于受压的一侧，也称半正矢波。为了加快试验速度，在相邻波形之间不插入间歇时间，正弦波荷载的最小荷载取为最大荷载的10，加载频率5Hz。对于试验温度而言，沥青混合料的疲劳损伤主要集中在1315之间，本研究试验温度采用15。为了更好地分析在相邻面层间使用沥青铺面聚酯布和其它土工材料的抗疲劳效果，更好地模拟路面的实际受力情况和施工情况，本研究对沥青混合料弯曲蠕变试验进行相应的改进，主要是对试件的成型过程和试件尺寸进行修改，这样改进不仅能够很好的模拟沥青路面的实际情况，而且试件成型方便，能够大量减少试验前期的工作量，还可以直观地比较和分析不同土工合成材料的抗疲劳效果等等。改进后的试验试件按照抗剪切试验成型方法成型双层车辙试件，冷却24小时后，脱模，用双面锯在湿态下把试件加工成300mm100mm100mm，再用水洗除其尘埃，晾干。试验前在试验温度15下保温不少于4h。采用应力控制模式在MTS（Material Test System）试验系统上进行疲劳试验研究，加载模型见图3-26所示。图3-26 应力控制加载疲劳试验模型示意图Figure 3-26 Model Design of Fatigue Test with Stress Control试验成型使用沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布、土工格栅的沥青混凝土试件及不作任何处理的沥青混凝土试件各35个，下面层均为AC-20沥青混合料，上面层为SMA-13沥青混合料，通过疲劳试验测试仪（810 Material Test Systems）通过记录荷载作用的次数来评价使用土工合成材料抗疲劳特性，试验数据如表3-8所示。表3-8 疲劳试验数据表（应力比为0.4）Table 3-8 Results of Fatigue Test (Stress Ratio 0.4)试件类型疲劳次数平均值普通试件2107200918251980土工格栅（大）3146330734143289土工格栅（小）3713328934193474聚酯玻纤布2393266725652542沥青铺面聚酯布4858447946824673疲劳试验数据表明，使用沥青铺面聚酯布的试件的疲劳次数最大，不做任何处理的沥青混合料试件的疲劳次数最小，三类土工合成材料的抗疲劳性能优劣次序如下：沥青铺面聚酯布土工格栅聚酯玻纤布。定量分析，使用沥青铺面聚酯布、聚酯玻纤布及土工格栅的试件疲劳次数分别提高136%、79%和29% 左右，即使用土工合成材料会不同程度的提高沥青路面的抗疲劳特性，减少沥青路面疲劳破坏产生的病害的概率。在实际道路上行车加载有间歇时间(2s)，有利于沥青混合料疲劳过程的恢复，而室内疲劳试验的荷载脉冲间没有设置间歇时间，可导致室内试验的疲劳寿命减少到1/548，即在实际沥青路面中，疲劳寿命可以进一步提高1/5左右。而在完成应力控制疲劳试验过程中，很明显可以发现：虽然沥青混凝土梁中裂缝已经发展到试件顶部，而沥青铺面聚酯布本身却没有出现破坏现象，继续起到加筋作用，一定程度上提高了沥青路面结构内部的承载能力，如图3-27所示。图3-27 疲劳试验试件破坏情况Figure 3-27 Specimen Damage of Fatigue Test3.3.4 渗透性能研究评价材料透水性能的重要指标是材料的渗透系数或规定时间内的渗水量。美国佛罗里达州采用FLDOT FM 5-565试验设备49，根据达西（Darcy）定律，测试混合料的渗透系数；而按日本排水性铺装指针（案）中采用路面渗水仪进行现场透水性试验方法来评价碾压成型的排水性沥青混合料试件的渗水能力。目前，国内道路领域在沥青路面检测中提到使用沥青路面渗水试验仪测定沥青路面的渗水特性，本研究参考沥青路面渗水试验仪的试验机理设计制作简易渗水仪装置简单评价使用沥青铺面聚酯布和其它土工合成材料的抗渗透性能。同时，为了加快水的渗透速率，减少试验时间，将沥青混合料矿料级配进行调整，使沥青混合料试件成型后的空隙率增大。调整后的渗水性试验以渗水量作为常量，以渗水时间作为变量进行试验，计算单