内蒙地区半刚性基层沥青路面抗裂性研究.doc

沥青面层反射裂缝足尺试验及结果分析本章探讨纤维加强沥青层及玻纤格栅加铺层对抑制反射裂缝的作用效果。6-1 试验研究尽管断裂力学、损伤力学和有限元方法能给分析反射裂缝提供理论基础、指导设计，但由于路面结构的复杂，材料参数的变异等，仅理论分析解决不了反射裂缝课题。在应用断裂力学分析时，材料参数，特别是断裂力学参数是很难测定的，这是由水泥混凝土、沥青混凝土等路用材料固有的力学物理特性所决定的。所以，就目前来讲，长期的理论分析研究并未为应用提供好的设计方法，而加入纤维和土工格栅使问题更为复杂化。因此，根据室内试验结果来评价各种新型材料的止裂效果，以及采用什么试验方法来评价显然十分重要。对于剪切破坏的型裂缝模式，国内外研究人员应用弯曲试验、板式剪切试验等方法作出了评价，本课题结合内蒙地区寒冷的气候特点，主要考虑由温度变化引起的反射裂缝，进行了室内足尺试验，在有接缝的水泥板上铺筑沥青混凝土，在水泥混凝土板上施加水平向的等幅交变荷载，以模拟水泥混凝土板随温度变化而产生的周期性张开闭合运动（型裂缝），根据沥青面层反射裂缝贯通时产生的荷载作用次数来评价各种新型材料抑制反射裂缝的效果。试验在西安空军工程大学柔性道面实验室进行，进行了水泥混凝土路面上7cm厚沥青混凝土加铺层裂缝开展的足尺疲劳试验。一、原材料性质1、玻纤格栅性能用于防治路面裂缝的土工合成材料主要为土工格栅和土工布。用于沥青路面加筋的土工格栅又可分为刚性格栅和柔性格栅两类。刚性格栅由高分子薄片材料加工而成；柔性格栅是用线材结合成的网状材料。玻璃纤维格栅属于后者。玻璃纤维的主要成分属硅酸盐，是一种理化性极其稳定的材料。它具有很高的耐热性和优异的耐寒性、强度大、模量高、化学稳定性好、耐腐蚀、膨胀系数低等优点。玻璃纤维土工格栅以玻璃纤维为原料，编织成网状结构，具有高抗拉强度和弹性模量、低延伸率、无长期蠕变、具有稳定性、与沥青混合料良好相容以及对颗粒材料的嵌锁作用强等性质。铺设时，先浇洒粘层沥青，再用钉子固定法将其与结构层固定。自粘性玻纤格栅则可直接铺设。本试验采用“龙博”牌LB1800型玻璃纤维格栅，径向、纬向抗拉强均为50.00KN/m，伸长率径向、纬向均为3.00%，弹性模量6.7107Kpa,网格尺寸2020mm，耐温性能在-100280，含胶量50%，有很好的耐腐蚀性能，通过优质改性沥青进行基材处理。各项性能均符合公路土工合成材料应用技术规范（JTJ/T 019-98）之规定。2、沥青及沥青混合料性质原材料由西安市高速公路机械养护公司提供，碎石（1020mm）产地蓝田，碎石（510mm）和石屑产地为韩峪，沥青为韩国SK AH-90#沥青。（1） 沥青性质 沥青技术指标 表6-1项目原沥青标准针入度(0.1mm,25)9180100延度(5cm/min, 15)150100软化点()45.54555闪点()350230含蜡量(蒸馏法)(%)0.8413密度(15)1.0299实测溶解度(三氯乙烯)(%)99.399薄膜加热实验(163,5h)质量损失(%)0.0991针入度比(%)74.150延度(25)10075延度(15)140实测（2）集料性质粗集料技术指标 表6-2种类表观密度（g/cm3）碎石（1020mm）2.821碎石（510mm）2.750石屑2.669砂子2.670矿粉（亲水系数0.67）2.740（3）混合料性质混合料采用AC-16型，按照碎石（1020mm）31%、碎石（510mm）27%、砂子26%、石屑10%、矿粉6%的比例配合而成，油石比5.2%，纤维按照混合料总重0.225%的比例加入。级配组成见表6-3。混合料级配组成 表6-3 筛孔尺寸（mm）191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075通过率（%）10098.188.677.548.538.027.620.212.28.95.6沥青混凝土各项技术指标 表6-4种类表观密度（g/cm3）空隙率（%）矿料间隙率（%）沥青饱和度（%）稳定度（KN）流值（0.1mm）不加纤维2.3945.3417.0068.596.614.15加纤维2.3726.0017.5465.687.005.21混合料各项技术指标的变化同第五章第一节。 二、室内足尺试验1、试验目的对比0条件下，直接加铺沥青混凝土层、加入GoodRoad纤维后直接加铺沥青混凝土层与设置玻纤格栅防裂加铺层的疲劳特性。2、试验设备试验在反射裂缝疲劳试验台架上进行。该试验台架的构造如图6-1所示。图中A、B两块板是水泥混凝土板，其中A板为固定板，B板可沿水平方向移动。两板间的缝隙用来模拟半刚性基层的裂缝。在A、B两板的上面按现场施工条件铺筑沥青混凝土加铺层，用压路机压实成型。试验台架由动力系统（见图6-2）和实验系统两部分组成。试验时，动力系统在B板上施加水平的等幅交变荷载P,使A、B两板间的缝隙按一定的频率和一定的相对位移张开和闭合，以模拟半刚性基层的裂缝由于温度变化引起伸缩产生的水平相对位移。施加的等幅交变荷载如图6-3所示。图6-1 疲劳试验台架示意图 图6-2 疲劳试验台架动力系统 图6-3等幅交变荷载示意图为模拟低温条件下路面结构的工作环境，疲劳试验台加有降温设备。该设备安装仪态制冷量为7500 大卡的压缩机和冷风机，可使疲劳试验台架的环境温度降到-20。试验时，将其罩在疲劳试验台架上，使路面结构的环境温度降到要求的低温状态，以获取低温条件下沥青混凝愈加铺层疲劳特性的数据。 该疲劳试验台架可以进行以下试验：（1）不同配比设计的沥青混合料裂缝扩展规律试验；（2）相同配比设计的沥青混合料不同加铺层厚度裂缝扩展规律试验；（3）在水泥混凝土与路面接缝上设与不设防裂层时，沥青混凝土加铺层裂缝扩展对比试验；（4）不同防裂层时沥青混凝土加铺层裂缝扩展对比试验；（5）不同环境温度（常温到-20）下，沥青混凝土加铺层裂缝扩展对比试验；（6）不同裂缝开展宽度和不同加载频率（1次/分7次/分），裂缝扩展的对比试验。3、试验准备工作（1）旧路面表面清扫干净，涂刷粘层油，粘层油采用稀释沥青，涂刷厚度约0.5mm。（2）沥青混合料的拌制。拌和温度为1505。拌制加GoodRoad聚酯纤维的混合料时，先将纤维与集料干拌不少于30秒，使纤维分布到位且均匀，再加入沥青和矿粉湿拌，湿拌时间也不少于30秒。 （3）铺设土工格栅。加玻纤格栅时先将格栅跨缝铺设在洒了粘层油的旧水泥混凝土路面上（图6-4），在土工格栅上直接摊铺沥青混合料。（4）沥青混合料摊铺和碾压。沥青混合料由现场拌制，人工摊铺，见图6-5。摊铺温度大约120左右。分两层摊铺。摊铺后用10吨的压路机碾压成型。碾压时先用前轮将混合料初步稳压（23遍），再用后轮充分压实（45遍），最后用前轮消除表面痕迹，见图6-6。碾压开始温度约为110120，碾压终了温度不低于70。加GoodRoad聚酯纤维混合料碾压时，比普通沥青混合料多碾压23遍，使之更加结实、牢靠。图 6-4 铺设土工格栅 图6-5摊铺沥青混合料 图6-6 加铺层碾压（5）涂白色涂料，打方格网。温度降到约常温时，在接缝上方的加铺层表面左右各50cm的范围内以及两侧面涂刷白色涂料，并在涂料表面画出1010cm的方格网，以便观察。试验时，随时将出现裂缝时的荷载疲劳作用次数标绘在裂缝扩展的位置上。图6-7为刷完涂料的试验路面。 图6-7在加铺层表面刷白色涂料，打方格网 （6）架设百分表。接缝的水平位移通过架设在沥 青混凝土侧面的百分表测得，两边各装一个。如图6-8所示。（7）在试验路面上罩上降温设备，连续开机降温，当路面结构表面温度降到-1-2，即可开始加载，进行试验。 图6-8 架设百分表4、试验方案（1） 荷载频率为4次/分；（2） 接缝水平位移初始值为1mm;（3） 原沥青混合料直接加铺、加GoodRoad聚酯纤维混合料直接加铺以及设置玻璃纤维土工格栅防裂层0各试验一次；（4） 沥青混凝土加铺层厚度7cm。5、试验过程试验开始，通过百分表读数使接缝水平位移稳定在1mm，调整加载频率，使其稳定在4次/分，试验正式开始。通过降温设备的观察镜，先观察是否产生首次裂缝，一观察到首次裂缝，记录荷载作用次数，并取下降温罩，以便于随时将出现裂缝时的荷载疲劳作用次数标绘在裂缝扩展的位置上。由于低温下荷载疲劳作用次数较少，试验过程不长，取下降温罩后虽然路面表面温度略有升高，但仍在0左右，路面中面温度和底面温度则保持不变。试验中随着疲劳荷载作用次数的增加，接缝水平位移也增大。到裂缝完全贯通时试验停止。图6-9为裂缝贯通情形。图6-9裂缝贯通情形6、结果分析（1）直接加铺原沥青混凝土试验，加载67次时出现首次裂缝，加载100次时裂缝上升到顶部，加载154次时裂缝贯通。图6-10为裂缝状况示意图。图中括弧内的数字即为裂缝扩展到此时的疲劳荷载作用次数。 图6-10直接加铺原沥青混凝土裂缝扩展图（2）直接加铺GoodRoad聚酯纤维沥青混凝土试验，加载112次时出现首次裂缝，加载131次时裂缝上升到顶部，加载498次时裂缝贯通。图6-11为裂缝状况示意图。 图6-11直接加铺GoodRoad聚酯纤维沥青混凝土裂缝扩展图（3）设置玻璃纤维土工格栅防裂层试验，加载116次时出现首次裂缝，加载537次时裂缝贯通。图6-12为裂缝状况示意图。 图6-12设置玻璃纤维土工格栅防裂层沥青混凝土裂缝扩展图各种状态下的疲劳试验结果列于表6-5疲劳试验结果 表6-5防裂层类型原沥青混凝土纤维沥青混凝土 玻纤格栅防裂层加铺厚度（cm）777加载频率（次/分）444初始水平位移值（mm）111疲劳荷载作用次数（0）1544985377、试验结论从荷载疲劳作用次数上看，原沥青混凝土裂缝贯通时，荷载疲劳作用次数为154次，加入GoodRoad后为498次，提高约3.2倍。设置土工格栅防裂层后，荷载作用次数为537次，提高约3.5倍。从裂缝扩展图上还可以看出，加入GoodRoad后和设置玻璃纤维土工格栅防裂层后，裂缝在一定宽度范围内分散，说明两者在一定程度上降低了接缝处的应力集中现象，使疲劳荷载作用次数比直接加铺时有所提高。而后者更为明显一些。6-2 机理分析一 、玻璃纤维格栅抑制反射裂缝的机理研究表明，在旧路（或基层）表面铺设一层土工合成材料，既有缓冲裂缝端部应力集中的作用，也对沥青路面有加筋作用。土工合成材料加强沥青路面，受力变形特性实质上是一种复合材料中增强相的行为，具有较强的界面效应和桥联增韧作用，突出表现在加筋材料与道路材料之间力和变形的相互作用。（一） 嵌锁挤作用在碾压过程中通过格栅网孔中的粒料互相包裹、嵌挤，可将格栅上面的沥青混合料与下面的基层材料有机地结合起来，使基层、面层形成一个上、下嵌锁的整体，从而使这种机械的咬合体形成一个高度的压实体。玻纤格栅纵横向的网孔结构，使格栅对网孔内的混合料起了一个“箍固”作用，从而可使沥青混凝土内颗粒位移受到均匀的限制。因此，当其下面的水泥板出现裂缝并作张拉运动时，格栅的存在改变了裂缝尖端的受力状况，使裂缝处上层面板的张开变形受到了限制，从而抑制裂缝上传。此时，格栅横向筋受混合料向外的推挤力，纵向筋受拉力作用，当推挤力逐渐增大使格栅变形达到一定程度，即格栅遭到破坏时，纵向筋的强度成为抑制裂缝扩展的关键，如果格栅的网孔尺寸较稳定，格栅本身的拉伸强度较大，则可使此阶段持续较长时间，从而起到抑制裂缝发展的作用。同时，格栅网孔结构的稳定性由于与沥青混合料相互填充而得到增强，因此格栅本身的抗拉强度是抑制裂缝发展的主要原因。而铺设在基层与沥青面层之间的格栅，可相对较早的加入到抑制裂缝发展的工作中，从而收到良好的止裂效果。通过格栅整体受力作用，产生较强的抗滑动摩阻力。同时由于格栅本身能承担部分外来作用力，使沥青混合料所受应力减小，即使局部受到集中荷载而产生较大压实力或推移力，格栅与矿料也将产生整体效应来抵抗外来荷载对路面的作用力。另外，用断裂力学理论进行分析可知，设置土工格栅能有效降低加铺层内裂缝尖端的应力强度因子幅值，使裂缝不会很快失稳扩展到加铺层表面，从而延缓了反射裂缝的出现。（二）加筋作用1 土工合成材料能降低裂缝处拉应力土工合成材料在受力变形时所产生的张力通过增大土工合成材料与结构层的层间剪应力来传递，即会增大裂缝处剪应力集中。但只有当土工合成材料张拉模量大于一定值时才能起到加筋作用。2 土工合成材料与结构层的结合状态对其加筋作用影响很大。只有在土工合成材料与沥青面层底部完全联结时才能起到加筋作用。土工合成材料与半刚性基层之间完全结合有利于降低沥青面层底部拉应力集中，但它与半刚性基层处于光滑接触状态，有利于改善剪应力集中状态。从复合应力强度因子和裂缝扩展角两方面考虑，土工合成材料与半刚性基层结合完好，可以延长沥青面层的使用寿命。 （三）桥联增韧效应1、裂缝扩展至沥青面层内时，铺设在沥青面层与半刚性基层之间的玻纤格栅会体现出一种桥联增韧效应。一般这种桥联增韧效应随着土工合成材料的张拉某量的增大而加强。2、合成材料与上、下结构层完全联结时，在对称荷载作用下，土工合成材料的桥联增韧效应降低裂缝尖端应力集中程度，在裂缝扩展初期最为显著，在扩展后期渐趋稳定。而且，裂缝扩展至某一位置后将停滞不前。在非对称荷载作用下，土工合成材料均能降低裂缝尖端的拉应力和剪应力集中，但降低拉应力集中的效果更为显著，此时裂缝主要表现为剪切型开裂，而且这种剪切作用随着裂缝扩展而增强。土工合成材料降低剪应力集中的作用在裂缝扩展初期较为明显。3、合成材料的桥联增韧效应会降低拉应力的集中程度，当裂缝接近路表时会处于受压状态，这将削弱水平荷载的影响，最终水平荷载对裂缝扩展的影响不大。另外，根据断裂力学理论，路面结构层之间的模量比和层间结合方式对垂直界面裂缝尖端应力强度因子的奇异性具有较大的影响。一般情况下，连续接触或具有较低层间抗剪强度的界面结合方式，可以减小垂直界面裂缝向相邻结构层发展的可能性，并形成沿界面方向的分叉型滑移裂缝。这就从理论上解释了碎石缓冲层、土工合成材料等在路面结构中阻止或延缓裂缝向上扩展的机理。二、纤维沥青混凝土抑制反射裂缝的机理 GoodRoad聚酯纤维在低温下仍呈柔性，具有较高的抗拉强度，且各向同性，按照混合料总重0.225%的比例加入纤维，纤维均匀且以多向丝样分布于混合料中，大约每立方米的沥青混合料中有超过18亿根分离的纵横交错的GoodRoad纤维，为混合料提供了巨大的内聚力，对混合料起到“桥接”和“加筋”作用，阻碍了裂缝的产生，提高了混凝土的抗拉强度，从而延缓了反射裂缝的产生。另外，很多资料表明，纤维的加入提高了沥青混合料的疲劳耐久性，文献24对此用裂缝发展原理和银纹理论进行了解释。银纹是材料表面或内部的一些缺陷在受到应力集中时引发的微细裂纹痕，当形变进一步发展，取向伸直的纹痕发生断裂，就转化为微裂缝，重复荷载作用下的微裂缝逐渐发育成熟，最终引起断裂破坏。对纤维沥青混合料，在银纹转化为裂缝时，界面处存在大量纤维，它们跨越裂缝两岸阻碍了裂缝的进一步扩大发展，同时吸收和消耗了使混合物断裂所需要的能量；另一方面，银纹发展时，纤维会使银纹转向和支化，减慢裂缝产生的速率，延缓材料的破坏进程；这些过程的协调作用，大大提高了沥青混合料的疲劳耐久性。文献22应用损伤理论计算出温度场循环作用下加与不加纤维的疲劳作用次数，得出加入纤维后疲劳寿命提高了34.3%。综上所述，室内足尺试验表明，GoodRoad纤维增强沥青混凝土以及加铺玻璃纤维格栅沥青混凝土可有效抑制低温状态下反射裂缝的产生。第七章 主要结论及建议7-1主要结论本文从水泥稳定砂砾基层材料性能测试及配合比设计入手，提出了考虑抗裂性的配合比设计及合适的水泥剂量值，并通过不同的低温试验的对比，得出掺加了0.225%GoodRoad纤维及经5%SBS改性后，沥青混合料的各项性能得到了一定程度的改善，通过反射裂缝足尺疲劳试验证了加入GoodRoad纤维和玻璃纤维格栅对抑制反射裂缝的有效性，且对其机理加以阐述，得出的主要结论有以下几点：1、 四种水泥剂量的水泥稳定砂砾材料性能试验结果表明，水泥剂量越大，强度越高，5%和6%剂量七天抗压强度可达到规范的要求，而5%的温缩系数最小，故推荐使用5%水泥剂量。2、 对于普通沥青混合料来说，选用聚酯纤维时要根据其物化性能，选择加筋作用效果好和拉伸变形能力强的纤维，才能有效改善路用性能。选择改性剂也要注意其与沥青的相容性及配伍性。3、 纤维沥青混合料的马歇尔试验结果表明，加入纤维后最佳沥青用量增加，混合料密度降低，空隙率、矿料间隙率增大，稳定度和流值也有不同程度的增加。加入改性剂后马歇尔指标亦有所变化。4、不同温度、不同加载速率的弯曲试验表明，脆化点温度是评价沥青混合料低温性能的重要指标，试验得出的结论是：纤维与改性剂的加入使脆化点温度降低，加载速率越大，脆化点温度越高，反之越低。脆化点低，表示具有柔性的温度越低，具有较好的低温抗裂性。破坏应变和弯曲应变能密度也是评价低温抗裂性的有效指标。5、弯曲蠕变试验得出的结论与弯曲试验一致，但要慎重选择应力水平，一般取为最大破坏荷载的10%。6、J-积分试验结果也表明加入纤维后对低温性能有很大的改善，其刻槽均匀是试验准确的关键。7、通过以上试验方法，可以得出： GoodRoad聚脂纤维及SBS改性沥青可明显改善低温性能，并对改善机理做了探讨。通过水稳和高温车辙试验得出二者还可改善水稳定性和高温稳定性，并对其机理做了描述。8、足尺疲劳试验表明，GoodRoad和玻璃纤维格栅能有效抑制半刚性基层反射裂缝的产生，加入GoodRoad后疲劳次数提高约3.2倍，设置土工格栅防裂层后，提高约3.5倍。但应当指出，其提高值是一个相对值，它与温度、初始位移以及加载频率均有关。本文对二者的抑制机理也做了分析。9、纤维沥青混合料是一种多相复合体系，材料的均匀性对结构性能影响很大，因此应特别强调纤维分散的均匀性这一关键因素。否则会出现路用性能的降低现象。10、玻纤格栅铺设于面层与基层之间，要注意将其很好的固定于基层上，使上下成为一整体才能发挥最大作用。总之，加入纤维、改性剂（SBS）、铺设玻璃纤维格栅后，可有效改善沥青混合料的低温抗裂性。 7-2 建议和设想本课题需进一步研究的问题有： 1、研究水泥稳定砂砾不同级配对低温性能改善的程度，选择更为合理的级配来减小温缩和干缩裂缝，并提出有效的评定指标。2、通过不同的纤维和改性剂剂量对比试验，确定外加剂合适的比例。研究纤维沥青胶浆和纤维沥青砂浆的低温流变性能，确定其指标与混合料低温指标的相关关系。3、用SHRP沥青结合料低温试验方法评价基质沥青、改性沥青的低温性能，对纤维沥青胶浆的低温性能做进一步的探讨。 4、进一步探讨能模拟开裂机理的试验模型和方法，尤其是约束冻断试验（TSRST）,它反映出的破断温度和破坏应力有很重要的意义，在本文的试验过程中曾探讨过此试验，由于试件、夹具等方面的因素，试验没有得出相应指标，今后需继续研究，从而使其标准化。5、建立含玻纤格栅土工材料加筋层的断裂力学模型及有关有限元方法，争取为土工格栅的应用给出合理的定性指导。6、由于时间短促，本文没有分析其它因素如混合料级配组成、结构层厚度等对低温性能的影响，建议以后进一步研究这方面的工作。论文中错误和不妥之处诚望指正。参考文献1. 沙庆林，高等级公路半刚性基层沥青路面，人民交通出版社，19982. 同济大学，半刚性基层沥青路面，人民交通出版社，19913. 公路工程沥青及沥青混合料试验规程（JTJ052-2000），20004. 张登良，沥青路面，人民交通出版社，19995. 郝培文、张登良，沥青混合料低温抗裂性能评价指标，西安公路交通大学学报，2000，76. 沙爱民，半刚性路面材料结构与性能，人民交通出版社，19987. 张登良，加固土原理，人民交通出版社8. 沈金安，沥青及沥青混合料路用性能，人民交通出版社，20019. 周富杰，防治反射裂缝的措施及分析，同济大学博士学位论文，199810. 张志强、于概宁，沥青混凝土路面反射裂缝产生机理及其常用防治对策，公路，2002，1111. 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