土工合成材料在加强沥青路面中的机理与应用

土工合成材料在加强沥青路面中的机理与应用,张起森教授、博导长沙理工大学,土工合成材料的功能土工布在沥青路面中的应用工程纤维在沥青路面中的应用应用实例,土工合成材料在加强沥青路面中的机理与应用,一、土工合成材料功能,（一）土工合成材料应用的历史最早用于土木建筑工程大约在20世纪30年代或40年代，用途：游泳池防渗，材料为聚氯乙烯薄膜。合成纤维应用开始于20世纪50年代末期，用合成纤维织物作成砂袋用于道路工程、护岸、水坝和隧道等工程。我国合成材料的应用开始于20世纪60年代中期，使用范围包括公路、铁路、水利水电、机场、建筑、地下工程、港口码头等大行业。,（二）土工合成材料的功能与应用土工合成材料的功能概括起来有六个方面：1.过滤作用防止由于水流把土颗粒带走而造成结构破坏或失效。在公路工程中，主要用于挡土墙回填土中排水系统的滤层；排水暗管周边或碎石排水层周边的滤层；公路和机场道面基层与地基之间的土工织物隔离层。,2排水作用利用土工材料的孔或排水通道，排除土中的水分。应用：软基处理中用的塑料排水板或袋装砂等；土工格栅碎石桩等；挡土墙、隧道周边的排水；路面结构盲沟等。,3隔离作用把不同粒径的土、砂、石料，或土、砂、石料与地基隔离开来，以免相互混杂或污染，土工织物、土工膜均有隔离作用。应用：铁路、公路路基、土石坝工程、软土地基处理以及河道整治工程。,4加筋作用土工合成材料布设于土体中，扩散土体中的应力，增加土体的模量，传递拉应力，限制土体的侧向位移；还可增加土体与其他材料之间的摩擦力，提高土体及建筑物的稳定性。应用：公路、铁路等建筑中的软基加强；填土（膨胀土）或路堑边坡的加固；桥台填土的加固；路面的防裂等。,旧砼路面或沥青路面,注：虚线为土工布,5.防渗作用土工膜或复合型土工材料有防止气体、液体渗漏的功能，保护环境及建筑物的安全。应用：桥面防水，隧道周边的防水都有应用。6.防护作用很多土工合成材料对土体都有防护作用，应用：岸壁的防护膜（笼）、边坡的方冲刷绿化(三维格室）等。,二、土工布在沥青路面中的应用,（一）技术要求烧毛土工布技术要求,（二）土工布在路面中的作用及其机理1、作用减少或延缓反射裂缝的出现（对于半刚性基层和旧水泥及沥青路面的防裂）；提高路面抗车辙的能力；提高沥青路面疲劳寿命；有可能减薄沥青路面的厚度；土工布在沥青浸渍之后还有防水的作用。,土工织物的上述效果，国内外的研究均得到了证实。英国的S.F.Brown教授、加拿大的R.Hass教授、美国的Steinberg和日本的研究，均认为沥青路面加铺土工布后可减少车辙，延缓和减少反射裂缝，同时可减薄面层厚度。我们国家从二十世纪八十年代初开始研究，同济大学和长沙交通学院等单位在广东惠州铺筑了一段土工布防裂的试验，经过观察也认为是有效果的。后来在全国更大范围内，应用土工布铺筑了数十段试验路，也反映出它们对沥青路面确有加筋和防裂的作用。目前许多工程单位都采用了这样措施来防止半刚性基层沥青路面、旧水泥路面和旧沥青路面罩面的反射裂缝问题。,2、机理分析1）加筋作用对土工布铺在砼板开裂（接缝）顶面上的力学分析（如图），可得到下图的结果。,土工织物防裂层计算图式a)有一定厚度的土工织物防裂层；b)柔性土工织物薄膜,沥青面层底面剪应力对比沥青面层底面弯沉差对比,层底剪应力,减少48,未加土工织物：0.67MPa加土工织物：0.35MPa,弯沉差,减少39,未加土工织物：0.0161mm加土工织物：0.0102mm,土工布对沥青加铺层的温度应力的影响规律如图，从图看出，砼顶面铺设土工布后再铺沥青面层，其温度应力有明显的降低。,沥青层温度应力变化,减少,土工布防裂层抑制温度型反射裂缝机理,设置土工布,层间界面的剪切模量,水泥砼与沥青层间的相互约束,砼板对沥青层的附加应力,沥青层的温度应力,降低,减少,减少,温度型反射裂缝,抑制,2）桥联增韧效应从加铺土工合成材料的开裂路面断裂力学分析看出，其应力强度因子K均有较大的降低。这是因为随着裂缝两边受弯拉而扩张时，土工织物的抗拉能力发挥了作用，它把裂缝两边拉紧，不让张开，表现出一种“桥联增韧”的作用。这种“桥联增韧”效应会随着土工合成材料的张拉模量的增大而增强。土工织物与上、下结构层处于完全联结状态时，在对称荷载作用下，土工合成材料的桥联增韧效应会降低裂缝尖端的应力集中程度，在裂缝扩展初期最为明显，在扩展后期渐趋稳定。在非对称荷载作用下，土工合成材料均能降低开裂缝尖端附近的拉应力和剪切应力，但降低拉应力集中的效果更为明显，此时裂缝主要表现为剪切型开裂（K）,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切应力集中的作用在裂缝扩展初期较为明显。,土工合成材料的桥联增韧效应降低了裂缝端附近的应力集中程度，且当裂缝接近路表面时应力变为压应力，这就削弱了水平荷载对裂缝扩展的影响，对路面的使用是有利的。对于温度应力的分析也可得到类似的结论。,由于土工合成材料上述的作用，会使裂缝上端沥青路面的受力状态得到极大的改善，下面二个图表示旧水泥砼路面接缝端沥青路面的有效应力分布图。从图看出，在水泥砼路面接缝上端铺设橡胶沥青应力吸收层（其作用和土工织物类似）后，沥青层中的有效应力较未铺设前降低了8388。这个效果是十分显著的。上述作用的综合效果，反映出土工合成材料有助于路面的抗疲劳能力得到提高。,有效应力分布图（旧水泥混凝土板厚200mm）a)设置橡胶沥青应力吸收薄膜；b)未设置橡胶沥青应力吸收薄膜,模拟在水泥路面上加铺沥青路面的实际情况，采用APA进行反射型裂缝荷载疲劳对比试验，试验结果如下表。由此可知：在夹层中加入土工布的沥青砼的疲劳寿命比无土工布的沥青砼提高了三倍。APA疲劳试验结果,3）提高界面抗剪能力右图为模拟现场情况，进行不同夹层材料的直剪试验。,界面直剪试验剪切强度试验结果,试件盒,水平加力装置,竖直加力装置,旧水泥路面加铺沥青层芯样断面图,从上图表明沥青加铺层、浸渍沥青土工布与旧水泥路面三者形成了较强的层间连接。,浸渍沥青土工布,旧水泥路面,三、工程纤维在沥青路面中的应用,国内几种常用纤维的性能指标,（一）国内几种常用纤维的基本性能,矿物纤维质量标准（美国NCAT、AASHTO质量要求规定）,德兰尼特AS,几种常用纤维电镜扫描微观图对比,聚丙烯腈纤维（8000）聚酯纤维（8000）,木质素纤维质地疏松，分支较多，各纤维相互缠绕，比表面积较大，且表面粗糙不平，粗细不均；石棉纤维较细，分叉较多，粗细也不均匀，比表面较前者要小，且表面较光滑；聚丙烯腈纤维和聚酯纤维端部有明显的突起，似“触角”状，有利于相互搭接。,玄武岩纤维形态木质素纤维（1500）石棉纤维（3500）,（二）沥青加纤维的作用,普通改性沥青受到的限制沥青加纤维的作用机理,为了满足工程的需要，沥青混合料在低温条件下必须解决开裂问题，而在高温时又必须解决车辙变形问题，一般沥青是很难同时满足上述两方面要求。从粘弹性力学原理，控制高温变形的材料参数是弹性模量、粘度、相位角和蠕变强度；而控制低温开裂的参数是屈服强度和断裂韧性。所以沥青混合料需要“三增”，即“增大弹性”、“增大强度”和“增大韧性”才能满足各种使用要求,普通改性沥青受到的限制,普通改性沥青，例如用SBS和PE等改性沥青，是基于“合金化”的原理制成的。所谓“合金化”是指将合金添加剂加入高温熔融的基体材料中，使二者融为一体，合金添加剂原子和分子结构将溶解并均匀分散于基体材料中。这种改性方法，受到了沥青溶解度的严格限制，同时过多的添加剂用量会影响拌和、储存和施工。通常改性剂的掺量不能超过56，这就带来了以下问题：,普通改性沥青受到的限制带来的问题,用改性剂“增弹增粘”有一个限度，且随温度升高，其效果急剧下降；难于提高沥青的柔韧性；难于解决随时间老化脆化问题（改性剂本身同样存在老化问题）,沥青加纤维的作用机理,所谓“复合材料化”是指在基体材料中掺加纤维或粒子型材料，形成“基体+纤维”复合材料。这是一门为克服“合金化”先天不足而发展起来的现代材料科学技术。,沥青加纤维的作用机理,纤维与基体是一种物理合成叠加，二者以独立的物质形态存在，这种复合材料可以把它们各自的优点叠加起来，具有“增弹”、“增强”和“增韧”的作用；纤维的加入量一般不受沥青基体材料物理性质的限制；沥青复合材料性能与纤维加入量成线性比例关系（当然还有一个经济问题），所以可以通过纤维加入量来控制沥青混合料性能；在沥青老化脆化时，纤维可起补偿作用，对于这种“沥青+纤维”材料简称“纤维复合沥青”,（三）纤维沥青胶浆的性能,沥青混合料由沥青胶浆及骨料两部分组成。胶浆在沥青混合料中所占比例不大，但对路面性能起着十分重要的作用。根据SHRP研究果沥青对于高温车辙的贡献率为29%，对疲劳的贡献率为52%，对温度裂缝的贡献率为87%。试验时可知，纤维加入到沥青中后，其稠度和粘度明显增加。下面我们根据两个试验来评价纤维沥青胶浆的性能。（1）沉锥试验（2）动态剪切（DSR）试验,（1）沉锥试验,沉锥试验是一种简单而又有效的测试纤维沥青抗剪切能力的方法。实际反映了纤维沥青膏体的抗剪切能力的大小。即沉锥沉入的深度越大，其抗剪能力越小。沉锥测试仪是由水泥砂浆稠度仪改装而成的，因其沉锥质量轻，故在沉锥上外加500g的砝码。,沉锥试验结果,（2）动态剪切（DSR）试验,动态剪切流变仪(DynamicShearRheometer)是一种评价高分子材料流动特性的通用仪器，在SHRP计划中，DSR试验主要用于评价旋转薄膜烘箱老化前后的高温性能和压力老化后沥青的疲劳性能。试验采用符合技术要求的SBS改性沥青，纤维采用VIRTOP80木质素纤维和DolanitAS纤维。制备试样时的温度控制为175，分别按照4%和6%用量（相当于沥青混合料中0.2%和0.3%纤维用量、5%沥青用量）配制了不同的沥青胶浆，搅拌混合至均匀。试验结果如下表和下图所示:,不同品种、用量的纤维在不同温度下的高温车辙因子,不同品种、用量的纤维在不同温度下的高温车辙因子,试验结果表明：纤维掺量一定时，随着温度提高，G*/sin值迅速降低，沥青胶浆具有显著的温度敏感性；在相同的温度时，随纤维用量增加，G*/sin值也增加，说明纤维的加入使得纤维沥青胶浆的高温稳定性得以提高。使用木质素纤维时，4%用量和6%的效果具有显著的差距，而DolanitAS纤维的差距则小得多。,由纤维胶浆试验可得到以下结论：,纤维越细对沥青吸附力越强，对沥青的稳固作用越好，但其抗剪性能未必好，正如沉锥试验所验证那样；纤维的加入对沥青的高温性能均有所改善，但其改善幅度大小同纤维的组成和粗细状况有关，其改善效果应视纤维对沥青的稳定吸附作用和加筋作用的综合情况而定；纤维对沥青有很好的吸附和稳固作用，因而掺加纤维的沥青混合料其最佳沥青用量均有所增加，增加的幅度与纤维的表面特征、组成结构、分散程度和掺加剂量等有关；纤维胶浆的高温性能与纤维沥青混合料的具有一致性，但纤维作用效果如何，同矿料级配等条件有关。,沥青+纤维粘弹性力学与复合材料细观力学原理解释,增大粘度增大模量增大强度增大韧性,增大粘度爱因斯坦粘度理论,爱因斯坦（Einstein）混合率公式,：“沥青+纤维”的粘度m：沥青的粘度KE:爱因斯坦系数f：纤维的体积百分率,爱因斯坦系数KE与纤维的长径比关系图,长/径（l/d）比,爱因斯坦系数,由图可知：,当l/d1时，KE2.5。显然，纤维的“增粘作用”取决与纤维的加入量、纤维的l/d及爱因斯坦系数KE。纤维的“增粘作用”有效提高了沥青胶结料的抗剪能力，从而提高了路面的抗车辙变形能力。同时KE与温度无关，因而纤维对于提高沥青高温下的粘度及高温抗车辙能力尤其具有更重要的意义。,增大模量,增加沥青弹性模量是提高沥青抵抗变形及变形恢复能力的一种基本手段。“沥青+纤维”的弹性模量可用右式表示：,G：“沥青+纤维”的弹性模量Gf：纤维的弹性模量Gm:沥青的弹性模量f：纤维的体积百分率由上式可以看出与增粘作用一样，纤维对沥青弹性模量的提高与纤维的弹性模量及其加入量成线性关系,增大强度,根据混合率模型，对于随机空间分布的短纤维增强复合材料，其抗剪屈服强度可表示为：,cu及fu：分别表示复合材料及纤维的抗拉屈服强度mu：对应于复合材料破坏时基体所承受的应力C0：纤维方位因子f：纤维的体积百分率可见，“沥青+纤维”的屈服强度cu与纤维强度及加入量f成线性关系,增大韧性,纤维的“增韧”作用与“增强”作用含义上是不一样的。“增强”是指纤维的加筋作用，应与纤维的强度和加入量有关。“增韧”是指纤维加入沥青之间，可以提高“沥青+纤维”的变形能力。特别是在外力大于材料本身的强度时，材料的塑性变形量增大，所以“增强”并不代表就“增韧”了。“增强”并不一定解决裂缝问题，“增韧”才是解决裂缝问题的最好办法。例如，半刚性基层强度越高越容易开裂，因为它是脆性的，在交通荷载或温度应力作用下，只要发生变形就有可能开裂。根据细观力学原理，纤维的“增韧”作用是来自纤维与基体材料（沥青）因材料性质差异在纤维基体界面附近形成的残余应力应变场及显微裂纹,增大韧性细观力学原理,（a）残余应变引起的裂缝尖端应力集中因子K的降低量K：,G：沥青的弹性模量：沥青的泊松比Vf：应变区纤维的体积百分数ii：体膨胀应变量H：应变尾区高度,可见，纤维加入量Vf愈大，纤维与沥青的热膨胀系数差异ii越大，则“沥青+纤维”的韧性增加越大,增大韧性细观力学原理,（b）显微裂纹的“增韧”效果由下式表示：,K1：由显微裂纹导致的宏观裂纹尖端应力集中因子K的降低量ii：体膨胀应变量,可见，ii愈大，微观裂纹引起的韧性增加愈大,增大韧性细观力学原理,因微裂纹存在导致材料软化而产生的增韧效果K2：,N：单位体积中微裂纹数目,可见，N愈大，增韧效果越好,（四）纤维沥青混凝土的路用性能,（1）水稳性（2）抗车辙性能（3）抗裂性能（4）疲劳性能,（1）水稳性,采用AC-13I，玄武岩石料，AH-70重交沥青掺DolanitAS纤维与SBS改性沥青残留稳定度与冻融劈裂对比试验，其中冻融劈裂试件的空隙率按71控制，对比试验结果如表。,残留稳定度与冻融劈裂对比试验结果,可见：在AH-70掺0.25纤维后，其抗水损害能力得到明显的提高，与改性沥青基本相当。因此，纤维对沥青混合料的水稳定性有改善作用。,(2)抗车辙性能,采用AC-13I，玄武岩石料，AH-70重交沥青掺与不掺德兰尼特AS纤维、SBS改性沥青进行对比试验,AC-13I车辙对比试验,由此可知：,在AH-70沥青中掺加纤维后的动稳定度提高了一倍多。因此，在普通重交沥青中掺加纤维后，抗车辙效果是非常明显的。图3为在AH-70沥青中掺与不掺纤维车辙试件图，从图中可看出：掺纤维的试件辙槽深度比不掺纤维的明显浅得多。这是由于加入纤维后，纤维吸附及稳定沥青，使沥青的粘稠度和粘聚力增大，同时由于纵横交错的“加筋”作用，使混合料具有较高强度，使混合料的抗车辙性能提高，纤维沥青混合料的整体性、抗剪性及抗车辙能力增强。,AC-13I掺与不掺德兰尼特AS纤维车辙试件图,a)AH-70重交沥青b)AH-70重交沥青+0.25%纤维,采用AC13I，盘锦AH-90沥青，石灰岩碎石进行不同纤维品种的高温稳定性对比试验,不同纤维品种的高温稳定性对比试验,由此可知：,在沥青混合料中掺加适量的纤维后高温稳定性明显提高，同时由于聚丙烯腈纤维和聚酯纤维端部有明显的“触角”状突起，有利于各纤维的搭接，便于“桥接”与“加筋”作用的发挥，使路面传递的荷载可以及时的分散于矿质骨料和沥青砂浆中，而其他纤维这种“桥接”作用不明显，故这两种纤维的抗车辙能力较强。而聚丙烯腈纤维的长径比聚酯纤维的大，故聚丙烯腈纤维作用效果最好。,德兰尼特AS纤维与不掺纤维或掺入其他纤维实际使用效果比较。奥地利某道路车辙跟踪观测图,可见：掺加0.10.3（重量比）的德兰尼特AS纤维与不掺纤维或掺入其他纤维相比；路面车辙可减少3560。,年份,车辙深度mm,无纤维,0。3%Rockwool纤维,0。3%木质素纤维2,0。1%德兰尼特AS纤维,0。5%Rockwool纤维,0。5%木质素纤维1,0。3%德兰尼特AS纤维,0。3%木质素纤维1,0。5%木质素纤维2,0。3%Rockwool纤维,（3）抗裂性能,劈裂强度试验采用AC-13I，玄武岩石料，AH-70重交沥青掺德兰尼特AS纤维与SBS改性沥青用静压成型1010cm试件，进行劈裂强度与回弹模量对比试验。,结果表明：AH-70掺纤维后，其劈裂强度明显强于改性沥青和普通沥青混合料；而回弹模量较普通AC13I的回弹模量降低16%，与改性沥青相当，这表明沥青混合料刚度减少，沥青路面的弹性恢复能力增强，行车舒适性提高。,劈裂强度与回弹模量试验结果（15）,小梁低温弯曲试验,采用与上面同样的AC13I沥青混合料，制成小梁后用小梁弯曲试验确定其抗拉能力。,小梁低温弯曲试验结果（-10）,试验结果表明：掺纤维后，较普通沥青混合料其抗弯拉能力显著提高，弯拉强度提高12.8，破坏时的弯拉应变提高35.4，弯拉劲度模量下降20；因此掺纤维后沥青混合料的低温抗裂性得到加强。,MTS疲劳性能试验,采用应力控制方式在MTS上分别进行AC16I、AC16I0.3%木质素纤维、AC16I0.3%DolanitAS纤维三种混合料不同应力比下的疲劳试验。试验结果如下图：,（4）疲劳性能,三种沥青混合料的疲劳曲线图,沥青混合料中掺加纤维后，疲劳寿命显著提高，表明纤维有延缓沥青混合料的疲劳损伤。尤其是AC-16I+DolanitAS纤维，疲劳寿命增加很大，因此DolanitAS纤维对沥青混合料疲劳性能的改善要优于木质素纤维。,APA疲劳性能试验,利用APA对SMA13掺德兰尼特纤维与掺木质素纤维的混合料进行重复加载试验，结果如表11。可以看出掺德兰尼特纤维的疲劳寿命较掺木质素纤维增加了16，与不掺纤维相比，增加208（掺木质素纤维增加了165），差别明显的。,SMA13沥青混合料APA疲劳试验对比,（5）SMA中掺木质素纤维与DolanitAS纤维的性能比较,采用SMA13级配，SBS改性沥青，辉绿岩碎石进行掺0.4%木质素纤维与0.2%DolanitAS纤维的性能对比试验，试验结果如下表：,SMA13沥青混合料马歇尔试验结果,SMA13沥青混合料性能试验结果,SMA13沥青混合料低温弯曲试验结果,由此可见,在SMA中采用掺0.2%的DolanitAS纤维比掺0.4%的木质素纤维的最佳油石比减少0.2%，而抗水损害能力与抗车辙能力方面两者相当，抗低温开裂能力方面DolanitAs纤维明显优于木质素纤维。在江西昌金高速公路采用SMA掺0.2%DolanitAS纤维与掺0.4%木质素纤维各铺筑了500m的试验路，从试验路的铺筑效果来看：两种纤维铺筑效果均不错，但掺DolanitAS纤维在SMA中的分散性更好，表观效果更好。,四、工程应用实例,土工布和纤维工程应用已在全国逐步推广，成功例子很多。这里介绍我们自己做的和了解的几个实际工程。,沥青拌和楼纤维添加示意图,对于普通沥青混合料，间歇拌和设备每盘拌和时间为3060s，加入纤维后应延长1015s，推荐干拌2530s，湿拌30s，以混合料拌和均匀，纤维和沥青裹覆良好为准,原路面结构图,长沙黄花机场高速公路旧水泥路面的沥青罩面后路面结构图,一、长沙黄花机场高速公路旧水泥路面的沥青罩面工程。,二、武汉军山长江大桥桥面铺装工程,武汉军山大桥是一座特大型公路钢箱梁斜拉桥，全长964米，桥面用双层SMA铺装，结构如下图：,三、广州北环高速公路,广州北环高速公路面层采用掺0.2%德兰尼特As纤维的AC-20作下面层，桥面SMA用德兰尼特As纤维代替木质纤维素，通车近3年后，路面状况良好，目前，该高速公路高峰交通量高达100，000辆。而且重车很多。,四、河北石黄高速公路,根据有关河北石黄高速公路石辛段试验路（如图）的检测分析报告指出，纤维沥青混凝土具有施工工艺简单，提高混合料性能显著的特点，使用效果良好。从加入聚酯纤维验路段和SMA实验路段进行比较，如表12、13，可看出两