水泥混凝土路面沥青混合料功能层研究

1、资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除学科专业名称导师姓名职称申请学位级别论文提交日期学位授予单位7/96水泥混凝土路面是高等级路面的重要结构型式，具有使用寿命长、养护工作量小、能源消耗少、施工简便以及对交通等级和环境适应性强等优点。但是由于各种原因，我国早期修建的水泥混凝土路面使用寿命大大低于设计使用年限，断裂和脱空等早期病害十分普遍。为了延长混凝土路面使用寿命，本文进行层间加铺沥青混合料功能层的研究，该研究对减少水泥混凝土路面的早期破坏，改善混凝土路面使用性能，建设节约型社会具有重要理论意义。O.本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进作所加耳为在果。除论文

2、中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体昭公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。翻豳酸资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除层间处理,并为其他类似工程设计与施工提供参考。土凝固初期,界面过渡层将基层与面层结合为一体。随着时间的推移，基层与面层各自的弹性模量、泊松比和强度以不同的速度增长，同时面层水泥混凝土产生收缩变形和周期性的温度变形，在面板横缝切割后面层与基层之间存在不等量变形，导致本来融为一体的基层、过渡层和面层沿过渡层开裂和破坏，造成面层与基层分离，且分离界面处于第二章中

3、详细介圜（即光滑的凹凸不平状态。的情形，并提出综合摩擦系数来反映的96面的力学特性。资料内容仅供您学习参考，如有不当之处，请联系改正或者删除的结构荷载应力。嗨扑。惆宓淖毓.。国外针对水泥混凝土路面的层间作用机理研究较少，主要通过工程实践来验证.主要有以下三种层间接触形式.15/96并自行开发冲刷仪器，比较不同材料的抗冲刷性能，得出结论：隔离层抗冲刷性能主要受基层唧浆，板底脱空等现象,路面使用性能较好。设置层间功能层消除了层间过渡层对路过渡层断裂破坏而造成面板的损伤或开裂.但是，对于层间功能层的常用材料，目前尚未形成统一的体系。对功能层材料本身及其性能，如功能层自身材料的技术性能与要求、适用条件

4、、厚度与指标评价等，尚缺乏深入系统的研究。路面设计中，对功能层的材料类型、要求、用量及施工要求等也没有进行详细设计和说明，大部分设计往往只一句话涵盖、并未做专门的陈述，在路面计算中也不计算功能层的厚度，按施工规范操作即可，这种作法是不科学的.究关注较少。本文主要研究内容根据国内外沥青混合料设计方法，参照规范各级配范围及中值,O.优选三.利W显合料.进行性能试验。响,提出合理的材料组成和基本的材料控制指标，以满足路用性能及力学要求。图.研究技术路线图第二章水泥混货七路面层间作用机理和主要破坏形式第那水泥混凝土路面层间作用机理和主要破坏分析2.1 水泥混凝土路面层间作用机理水泥混凝土路面建成通车后

5、直接暴露在大气之中，昼夜气温的周期变化，使得混凝土路面的温度也随之产生周期性的变化。由于混凝土材料的不可塑性，面板温度变化引起的膨胀、收缩等变形，一旦变形受到约束，面板不能自由伸缩，将产生温度应力”叫若温度应力大于基层与面层层间界面抗剪强度或抗拉强度，则将在界面处产生破坏。2.1.1 层间界面特性分析在混凝土路面基层修筑好以后，表面凹凸不平，界面粗糙。当在基层上浇注面层时,水泥浆便可渗入基层内部一定深度范围内的孔隙中，渗入的水泥架和基层中露出的骨料及已硬化了的水泥石形成既不同于基层也不同于面层的弱结合面，在车辆荷载和环境因素的作用下极易发生破坏，从而影响路面受力状况和可靠性。传统的水泥混凝土路

6、面施工过程一般包括以下工序：混凝土拌和、运输、摊铺、振据、表面处理、锯缝、养生。摊铺前要求清扫基层，然后将塑态的混凝土直接浇注在基层的顶面上。筋镂啊g瓣睡描瞳遹酸就陋屡盘葬屣着耀醐在即在接触面上浮盥层与基层沿法向的位移相等，沿法向的力相等，但沿切向可以有相对滑动，且髓剪购躅腌图牌羸髓罐渭赢髓蹲犒矗%抗折疲劳动,且强度作为控制裂纹出现的指标。一旦路面出现可观察到的宏观裂纹，则视路面己断裂破如向剪演略不计。缤。.传统路面理论主要依据路面混凝土糠折强度和抗折疲劳焉即断裂裂纹的出现是混凝土面层结构破坏的临界状态7”强度作为控制裂纹出现的指标.一旦路面出现可观察到的宏观裂纹，则视路面已断裂破坏，即断裂裂

7、纹的出现是混凝土面层结构破坏的临界状态【。】O面层基层图2传统理y路面模型而现行的水泥混凝土路面面层鳖述央翳舞窗好的水泥混凝土直接浇筑在基层表面上，并经震捣、找平等工序而形成路面面层的。贫混凝土基层或水泥稳定半刚性基层.修筑好以后，表面凹凸不平，界面粗糙。在粗糙的基层表面上浇筑面层水泥混凝土时，水泥混凝土除了将填补基层表面凹陷处外，水泥浆体还将在基层毛细管压力、面层水泥10长安大学硕士学位论文混凝土自重和施工振捣功综合作用下,渗透至基层表面一定深度内，成为既不同于基层也不同于面层的弱结合面，其结构和性质与水泥混凝土面层和基层有较大区别，是结构中最弱的界面层，叫做过渡层（如图2.2）。11图”砌

8、褥礴型因此，按常规方法将混凝土直接浇筑在基层表面后，混凝土层间界面并不是一个“面力而是一个有一定厚度的“层”，如图2.3,这个“层”在车辆荷载和环境因素的综合作用下极易发生破坏，从而影响路面受力状况和可靠性【。还蝇痛蟀ft恒接星自做再雌辘热混阖度婢麒辨格轼比融战和强度相同,楣雕勰比髓1罐鬻粽飙驾I辰:曷过渡层底面的弹性模量、泊松比和强度与基层的弹性模量、泊松比和强度相同。同.实际路面结构层的情况与理想模型之间存库较大差异。从室内试验和褰览路面中可在过渡层没有破坏的情况下，面层、过渡层和墓层紧密结合，形成了一个整体以看到过渡层，如图2.4和2.5所示。.实际路面结构层的情况与理想模型之间存在较大

9、差异。从室内试脸和实际路面中可以看到过渡层，如图。和。所示。第二章水泥混凝土路面层间作用机理用上去破坏形式图2.4实验室宜接浇注在基层上的混凝土面板底部照片从室内实验宜接浇注在基层的混凝土面板底部，可以清晰见到过渡层，如图2.4,图2.5实际路面板底部照片图2.5为实际路面板底部的照片，可以清晰看出其下附着的过渡层，且基层发现了较2.2.2层间相互作用分析翻出前图雌樨薜端瞬凝瞬厕赚跚械药廨面用丽尿罐更生反应力，该压岫的反作用对基层顶面产生拉应力，而上述拉压应力同时作用在层间界面上；反要叫罂镣焉瞿B瀛k身牖建翩霞海暨月瞬压应力也同哥行露层间界面上。因此，面板膨胀和收缩变形受到限制而产生层间约束力

10、，该约束慧力嬲薪辘廨1搬那基层顶面受到压应力该拉压应力也向假定面层板为长和宽均很大的板，在平均板温差的影响下板内任一点的应变为；时作用在层问界面上。因此，面板膨张和收缩变形受到限制而产生层问约束力，该约束，=高（%一0；）一471E（2.1）应力对层问界而产生水平向的拉压应力。A邑J（叫一4巴）一侬7/长女大学硕士学位论文得雕窿睡啜森应力: 力：当面板的胀缩变形受到限制时，在温度变化下不能变形（即/=J=0）,则上式可解EaZ%=%=b(2.2)1一以Winkler地基板模型的假设为基础，采用Westergaard公式可得，板体翘曲时的最大翘曲应力的公式为：63)EaT=2(1-川式中：一板顶

11、面和底面的温度差（c）对比式（2.2）和（2.3）,当板体受到基层的完全约束时，其胀缩应力大于翘曲应力，特别是胀缩应力以周、月、年等为温度变化周期，胀缩应力将远大于题曲应力。在仅有温度胀缩应力或温度翘曲应力作用下，层间界面层初次破坏应为面板胀缩造成的层间翦切破坏，然而温度胀缩应力和温度翘曲应力一般同时存在。因此，温度胀缩应力和温度翘曲应力的合力造成层间界面层初次破坏，具体表现为由界面层强度最薄弱点组成的断裂面久由手信嬲酶喇厢缴翻艘战琨漏福翻翻质M鳞一蹦面薄成面板底面凹唇不平，在路面行车荷毂作用下，将加快水泥混凝土面板的断裂破坏。面凹凸不平,在路面行车荷载作用工，将加快水泥基逊土面板的断尊破坏温

12、度变化造成层间过渡层破坏后，层间约束变为层间滑动隆族和嵌锁，面板的胀缩温度变化造成层间过渡层破坏后，层间约束变为层间滑动摩擦和睦切面板变形较多自由。若层间过度层较薄，逆源层断裂后基层顶面葩较为光整，则面板水平胀缩变髀儒对移动面基层处于同一水平面上，即基层与面层仍然紧密接触，如图2.6所示;蚤繇没酷箫瞄爵后藤演制霰霜I皤蒋就黝摩露缩变形引平胀起基层与面层的相对移动，原相互嵌锁的层间不规则曲面将产生脱离，从而造成基层与缩变形的相对移动面基层处于同一水平面上I即基层与面层仍然紧密接触，如图。所画层脱空，如图27即面层与基层间的接触从面接触转化为点接触或线接触，面层底面益支撑面积显著减少。若层间过渡层

13、较厚，过渡层断裂后的基层顶面为不规则曲面，那么面板水平胀缩变面板相对移动后形引起基层与面层的；加移动，原相互番箧的层间不规则曲面将产生脱方法而造成基层与面层脱空，如图工和面层与基层间的接触从面接触转化焚?而或线接触，面层底面基层层间断裂面的支撑面积显著菽少7国26螃嵋蛔I房蠢解埴獭瞰搦对移藤喉向右移动）费.13E要酝魁坏形式面板相对移动后圉2.金渥懒酶属幅恸蝇斛触懒魂变拼向右移动)乙贫。223层间界面开裂分析为了减少板间相互约束，降低面板的温度和湿度应力，混凝土面层设置胀缝与缩缝,使面层板沿缩缝和胀缝全深度开裂，减少面板的其他开裂。由于板长受温度和湿度的变化而胀缩，其接缝缝隙宽度也随时间而不断

14、发生变化。根据美国明尼苏达州一段试验路上的部分观测结果凹，如表2.1,胀缝间距为36.0m,缩缝间距为4.5m,由表中数据可以看出，路面使用8年后，胀缝接缝宽度由25.4mm减少到6.35mm,即缩小了76.6%,而缩缝接缝的总宽度由零增加至夏季22.76mm和冬季的34.41mm,每条缩缝的平均接缝宽度,史季达3.25mm,冬季达4.92mm表2.1接缝缝隙宽度变化(mm)观测日期胀缝缝隙宽度缩缝缝隙宽度接缝缝隙总宽度板平均温度CC)总宽每条平均宽1940.9.1125.400025.4012.21940.10.1125.791.490.2127.7816.71941.2.1026.495.

15、130.7331.622.21941.7.2917.413.220.4620.6435.51944.1.1816.0018.612.6634.60-0.61944.7.2313.5014.692.1028.1928.31948.2.48.1034.414.9242.52-6.71948.8.1963522.763.2529.1133.3文献画认为在第一个膨胀循环期内，面层板沿基层顶面向服缝处膨胀，胀缝内的填缝条受到挤压而导致胀缝缝隙减小；而当温度季节性下降时，面层板收缩，但它不会以两条相邻胀缝间的路段中心为中心向内收缩，而是以两条相邻缩缝间的板长中心为中心向内收缩。同时，填缝条也没有足够的回弹

16、能力将板推回原处。因而，膨胀时减少的缝隙宽度不可能完全回复，而残留一闭合量。鳍文X当基层约束面板的变形大于层间界面层的拉伸弹性变形和徐变变形时，层间界面层将产生断裂破坏。以一块混凝土板板长5m计，通常拉伸弹性应变=lxlOT,徐变4=2xl()T3xlOT,可得每一缩缝的弹性变形=x(q+j=0.75加加LOmm之间,由表2.1可知，在面板建成后的第一冬季，缩缝缝隙变化宽度为0.73mm,其缝隙变化甯会袋獭嵋瞒翩辘拉袈形四般唐丽敏解辞容为我命算冷兔季茁比)mm,由此可曝圈鹿，亦施懒时连第个冬手再屐间屈用的超前移段起;混姆的极限弹限骤形，故层间相对移动必然破坏层间的粘结，且离胀缝越近层间界面层遭

17、到破坏越早.由密斶猱遭翱曲辘开裂位置应为某一断面界面层强度最薄弱点。由于界面层厚度并不完全相同，故层间界面层破坏后,面板底面鼾k;一 11!画在面螂崎褫统密断裂破为丧地变相而产生的层间相对酗具有不可恢复性；若基层顶面构造深度较大，则面层与基层将从层间紧密接Hi陶房翻瞬瞬接触趣方脱流感献并不完全相同，故层间界面层子婪味泥混凝土路面主要破坏分析面板谢F道族播彘博期律用早多畲孽黑微屣材料特性不箫备者的相互作用使面层与基层从初始的结合状态发展演变，直至导致面层和基层都啜劈消卷杲露蔻期疆镇希福薪理嬲桐糠籍域茎褊的常见破坏大多都是从层间过渡层破坏开始的2.2.1层间过渡层破坏分析辘疑的腼娜蝴远来漫蒯皴俺娜

18、魂螟蛋混凝土面层中产生的拉应力是非常巨大的。若不及时割缝，巨大的收缩应力将使面层很快被拉裂，中产生的拉应力是非常巨大的:若不及时割缝，巨大的收缩应力将使面层很快被照成不规则的裂纹。因此，为了防止不规则收缩裂纹的出现，混凝土面层必须尽早进行皤处理。这样，在混凝土自身收缩、温度变形以及外荷我的综合作用下，割缝的下端形成不规则的裂纹。因此，为了防止不规则收缩裂纹的出现J混凝土面层必须尽早进行将由于应力集中而产生规则裂纹(如图2.8)并向下扩展。割缝处理，这样，在混凝土自身收缩、温度变形以及外荷载的综合作用下，割缝的下端将由于应力集中而产生规则裂纹缤。并向下扩展。长安大学硕士学位论文以而“魄困海献啥基

19、局辆僦渡儡帑生破坏”叫(I)1在割缝处裂纹贯穿板厚的瞬间，混凝土板在裂纹两端附近的拉应力完全释放，面板将产生巨大的回复力而使面层收缩，而基层与过渡层将阻止这种回复运动，这就必然在与面层直接接触的过渡层中产生非常大的剪力，当剪力超过过渡层界面处的容许值，过渡层将会产生分离破坏.(2)面层受到的上述回复力完全靠过渡层中的剪力来平衡，由于回复力与剪力平行且作用于不同水平面，势必会在面板中形成相当大的力矩，力矩的作用使得面板在割缝的两端处产生很大的竖向拉应力，当拉应力与剪应力的共同作用超过面层与基层的结合力，面板将会沿过渡层界面处分离开来，导致层间发生破坏。(3)由于环境因素造成的沿面板厚度方向的温度

20、差，使得受底部约束的面板产生很大的温度题曲应力，面层与基层之间出现很大的竖向拉应力，也将导致面层与基层在过渡层界面分离。上述分析的三种情况往往同时发生，使得混凝土面层和基层必将在过渡层发生界面分离，并伴随着过渡层的破坏。从力学上看，路面层间紧密结合的初始状态对于面层最有利。但是，路面的层间破坏有其自身的规律，路面层间紧密结合的初始状态难以保持,按现行施工方法将水泥混凝土直接浇注在基层表面，层间过渡层不可避免地将发生以下3种基本破坏形式，如图2.9。第一种基本破坏形式：面层与基层在割缝两端、面层与基层的联接界面分离，即过渡层分离，在界面间形成水平裂缝并进一步发展。界面“弱连结”时，界面直接分开；

21、界面强连结时，界面沿过渡层分开。第二种基本破坏形式：沿割缝产生的收缩裂缝截面处基层竖向开裂，继而断开。第三种基本破坏形式：面层与基层部分分离形成第一种基本破坏形式界面水平裂缝后，水平裂缝扩展一定距离后偏转侵入基层，并进一步发展。无论从变形协调的观点还是从受力的角度看，上述3种破坏形式均是最基本的，其他更复杂的破坏形式都是这3种破坏形式的组合或进一步发展而来。在路面结构的实际破坏中，这3种基本破坏形式往往同时存在，3种基本破坏形式将导致水泥混凝土路而出现断角、断板、错台、脱空等各种破坏1KmM卬1.从结构方面来说，代表性破坏形式有基原艇蹦额布碱箱类。混凝土路面基层的脱空和面层的断裂破坏产生在于实

22、际设计和施工时，没有考虑到混凝土面层的实际情况与理论模型之间存在的巨大差异.实际混凝土面层和基层的接触面破坏和接触面对相互运动的限制，是混凝土断裂破坏的原因。要解决基层脱空和路面断裂问题，必须从面层与基层的接触界面入手。2.2.2基层主要破坏形式水超翻出躇德表舞现曲双箍猫磔窝蝇懒程中，由于车辆荷威赢复作用，板下基础将产生一定的塑性变形和唧泥，致使混凝土板的局部范围辆荷载的重复作用上板下基础将产生一定的塑性期金唧漉致使混凝土饭的局也不再与基础保持旌续，即混凝土板下出现局部感空，这属于路面的结构性损坏。范围水泥混凝土路面板底脱空的产生是一个复杂的过程，影响因素众多，包括水、材料臀蟒黄蓊环矍矗蹙下出

23、现局部脱空，这属于路面的结构性损坏。余泥混凝土路面板底脱叁瘀生是一个复杂的过程，影响因素众多，包括水、材料特性、荷载作用和环境因素等.17号三整水源鞫喙曲脚前暧鹿要领栗破坏形式图2.10基层冲刷示意图水泥混凝土路面的冲刷形式如图2.10所示，由于混凝土路面板的强度与刚度都很大，能够承受大部分的车辆荷载，所以路面结构层的冲刷大都只发生在路面板与基层的交界处。水泥混凝土路面基层的冲刷可以分为以下几个过程回：在水泥混凝土路面建成初期，填缝料完好。道路外界的水分难以进入道路结构层内部，基层相对较为干燥，此时因为没有足够的水分，所以即便是在较重的交通条件下，道路的基层材料也不会发生冲刷现象.但是在这个阶

24、段，水泥混凝土板在各种荷载以及温度应力的作用之下，基层已经出现了少量的塑性变形，混凝土路面板与基层顶面开始出现脱空，只是程度很轻，不会影响路面的正常使用。随着路面的继续使用，经过几个寒暑交替，混凝土路面板横缝、纵缝处的填缝料出现剥落、老化、裂纹等破坏现象，在雨雪天气中水份开始由填缝料失效的地方渗入路面基层，并由混凝土路面板与基层出现少量脱空的地方开始向四周扩散。在这个阶段，进入基层的水份很难蒸发，致使局部的基层始终处于潮湿状态，基层的弹性模量较干燥时降低，在行车荷载的继续作用之下，基层顶面的望性变形进一步增加，在个别基层水分处于饱和状态的地方，己有轻微的冲刷现象出现，但是由于冲刷量小，观察不到

25、唧泥现象皿.气,随着时间的濮二我摘藜，5僦t喇蝌窿继旗壤继斜甥观凄螂桶港逢雨雪天嬴春会大量进入路面结构层并在脱空较严重的地方积聚成流动水。此时的路面具簿臃懿歌雅的整篇美翩麻勃莱馥瑞兜耦髓路面板与嵋覆顶面形成的空隙，路面基层的冲刷变得越来越严重，唧泥现象也开始出现，进而出备了冲刷作用的几个条件：行车的荷载作用，大量的流动水以及前几个阶段在路现脱空。面板与在实际中，路面的冲刷作用与面层与基层间形成脱空的形成与发展相辅相成，冲刷基层顶面形成的空隙，路面基层的冲刷变得越来越严重，唧泥现象也开始出现，进而导致脱空，脱空又进一步使冲刷更加严重，最终导致路面结构的各种破坏.出因此，如何提高混凝土路面基层的抗

26、冲刷能力，是当前基层长期性能研究的重要课现脱空题：葡对水泥混凝土路面基层的冲刷而导致的脱空问题，目前常用耐冲刷能力较强的贫长安大学政十学位论文混凝土基层代替抗冲刷能力不足的半刚性基层。贫混凝土基层强度高、刚度大、抗冲刷性能优良，在基层与面层的刚度不能得到有效协调的情况下，会使得面板温度翘曲应力过大，产生面板断裂等破坏.随着贫混凝土基层水泥混凝土路面的应用越来越广泛，存在的这些负面问题也引起了人们的广泛关注.2.23面层主要破坏形式水泥混凝土路面经受着各种复杂的应力作用，其中包括车轮荷载引起的荷载应力，温度变化引起的温度应力，以及由于湿度变化所引起的应力等。假如各种应力的综合作用超过了混凝土的容

27、许应力范围，路面将产生裂缝，破坏，宜至最后完全丧失承我能力。我国许多水泥混凝土路面在建成通车的35年内，路面板的开裂率就将达20%以上.水泥混凝土路面断板，是指水泥混凝土板产生横向或纵向贯通裂缝，使板块整体断裂的现象，断板是水泥混凝土路面处典型的破坏形式，如图2.11统在*个阶段I网:H仔板底及板中微裂缝的形成水泥混凝土面层直接浇注在凹凸不平的基层上，由于基层和面层各自的弹模、泊松比和强度的增长速度各自不同，同时由于面层水泥混凝土逐渐凝结，随着时间的推移,彩由刘副期旗朝蝴懒施层嗨层嵋春鹿再穿重务量变形继常在落板横缝切割后导致本来融为一体的过渡层沿路面板薄弱层平面开裂和破坏，使面层与基层彼此分离

28、，破坏面处于一种非常光滑的凹凸不平状态。凹凸不平的接触面阻碍了混凝土面板与基层的不均匀胀缩，产生巨大剪应力。剪应力直接对面板施加撕裂破坏,从而使板底不同部位产生微裂纹.(2)外力荷载作用下裂缝的扩展29第二堂水泥混凝土路面层间作用机理和主要破坏形式由于过渡层的破坏，面板与基层分离，在路面继续胀缩和产生温度变形的剪应力作用下，其板底微裂纹将不断的发展、增多，从而损伤路面强度。车辆动荷载的作用下，路面板会发生振动，板的振动反过来又作用于行驶其上的车辆，这种车一板之间的耦合作用随荷载多少和车速的大小、路而平整状况以及基层材料性能的不同而变化，并且对板的开裂产生较大的影响路面越不平整，车速越高，荷载越

29、大，这种作用会越明显,裂纹的生成和拓展速度亦就越快。着岫露南薇微裂纹微微映隙在他领藕椅副温度应力鞋照和翻懒掇骷战喔满髀 1 鬻懒繇，使材料的作帝军?原有体内的弥散裂隙进一步扩展，且新的微裂纹又生成、扩展。微裂纹扩展番蠡度、刚度下降，混凝土面板损伤度会逐渐增大，路面板板中裂纹尖端附近的混凝土雄献辘腿跚概聂卜崂躺I爵般露建耦魂时微裂纹用般扩展，骨料颗粒与水泥浆基体之间脱粘，于是更多的微裂纹扩展汇合成宏观裂纹，皆霾/骤下降，混凝土面板损伤度会逐渐增大，路面板板中裂纹尖端附近的混凝土(3)面板裂缝上下贯通，路面产生断裂破坏的趋势。受拉区受损，承载能力下降，中和轴向板顶移动，导致受压区增大,中裂纹加速扩

30、展。板底裂纹的向上扩展和板中裂纹的进一步延长，必然会导致两者在透拔膜点购承与弱蹬墓转事瞬助万露更要稍辙碘质禳旗，合磷爱留二区受压区损伤进一步加剧，板中裂纹延长。路面不平整时动载作用将使这种破坏加剧,增大,蜘慑搅伤进一步加剧,板中裂纹延长.路面不平整时动载作用将使这种破坏加某一应力水平下互相逢通，从而加剧板的开裂破坏。剧，一，2.温度应力对面板断裂的影响程碑睛融雌愿国箍饭器*破僦理上分析,Z成我蒯嗨宿两者: 温度板中裂纹加速扩展。板底裂纹的向上扩展和板中裂纹的进一步延长，必然会导致虚度鹿建鹿造成麻根诙通要族囱加剧板的开裂破坏。温度对掇混凝土路面的影响主要表现在两个方面：一方面是水泥混凝土路面整体

31、温度的均匀升高和降低引起路面板的伸长与收缩变序，即为平常所说的“热胀冷缩”，当此变形受限时产生温度应力；另一方面是路面板板体温度不均匀造成路面板的温度变形不一致，引起翘曲变形，当此变形受限时产生翘曲应力。水泥混凝土路面板在环境温度的影响下，会因气温的变化而使混凝土路面板体温度产生均匀的升降。混凝土路面板沿纵向断面产生均匀收缩变形。由于板底与基层摩擦阻力的约束使路面板的胀缩变形完全受到限制，从而产生温度应力b1温度应力的计算方法见式(2.4)所示。20长安大学硕士学位论文(24)TEtaTa=1-式中：Ei计算温度应力时采用的混凝土弹性模量(MPa)；a水泥混凝土线胀系数，取a=lxl0(m/n

32、r*C)；T混凝土板温降值(温差XC)；温度应力(Mpa)；混凝土路面板在切缝之前，不仅受到基层摩阻力的约束，同时由于此时属无限长板,纵向胀缩变形完全受阻，温度应力得不到释放，混凝土板的抗拉强度尚未完全形成。当混凝土板抗拉强度不足以抵抗温降产生的收缩应力时，便产生断板。根据式(2.4)可以看出，影响收缩应力的关键指标在于温降值当温降值AT引起的温懿嫡画蒯I缔釉甑雕踊曲楠的拥捶虎男商宵1凝土轴面蹒要解生断板现矗在一昼夜之间要发生周期性变化。此外，混凝土路面的表面同大气直接接触，受外界温斯循蟹理镶翻蜃倍障署福出畜身新晶嚼疑土路面的野廉在一昼夜之间要发生周期性变化。此外，混凝土路面的表面同大气直接接

33、触，受外臂输酶自班理褶醯*曹传德斑蠡1例肝鼻骷影触度方向，厚厚并非均匀相等地分布，而是存在着一定的温差，这种温差导致了混凝土路面板温度射嬲鹤持款鼎健懿曾以嬲需醺鞫搦r国r温变化的蒯p,则混凝土路面温度沿深度方向的分布出现不均匀的分布状态。白天，由于阳光整第勤谶融魁艇海麟隔圜既噜盛屐鹘翳斯蜡锹肄温度变形标下表面，路面板有向上翘曲的趋势，由于混凝土板自重、相邻板块及地基反力的作能嬲“智微升詈皤麦耀豌麟举并翻出短揄普譬普穗快，而混增加，当瞿嘴应龄期的混凝土的抗拉能力时，即产生温度翘曲应力断板口久因此，如何缓解面屋里霸黑感豁懒翳牖雕痛图集题从而导致路面板上表3.荷载应力对面板断裂的影响面处事姬醪嘴睥雌

34、蠲獴思吴葩脚堂徐懿懒励遹蠡恒口十分关注般雪要研究课题。超过相应龄期的混凝土的抗拉能力时，即产生温度翘曲应力断板30因此,如何缓21解面层的温度应力，成为水泥混凝土路面研究中急需解决的课题。第为觎满飘蝴虏耕卿釉魁圆要改投薇坏形式式水泥混凝土路面的破坏与荷载作用下在板内产生的应力水平有关，荷载应力过大会造成水泥混凝土路面板的一次性断裂，即荷载应力和温度应力的叠加呼+Qt超过了混凝土路面板的弯拉强度小若车辆荷载作用下板底横向拉应力过大，会造成水泥混凝土路面出现纵向断裂，因此，横向拉应力大是目前水泥混凝土路面出现大量纵向开裂的原因之一。我国公路水泥混凝土路面设计规范选取混凝土板的纵向边缘中部作为产生最

35、大荷载和温度梯度综合疲劳损坏的临界荷位。标准轴载PS在临荷位处产生的荷载疲劳应力按式(2.5)确定。耕：甯F极格防我睡蜘摊位处麟枚菅翘疲劳应力(MPa)；a巴标准轴载Ps在四边自由板的临界荷位处产生的荷载应力(MPa)；kr考虑接缝传荷能力的应力折减系数，纵缝为设拉杆的平缝时，匕=0.877).92；纵缝为不设拉杆的平缝或自由边时，4=10纵缝为设拉杆的企口缝时，匕=0.760.84；kf考虑设计基准期内荷我应力累积疲劳作用的疲劳应力系数与kc考虑偏载和动载等因素对路面疲劳损坏影响的综合系数，高速公路L30;一级公路L25；二级公路L20;三、四级公路1.10。绿例蜩加腿的郴嗨蹦鼬呷缓懒梅丽赞

36、缨砌入手。减少温费应$和荷载应力对路面板变形的限制，一是要提高基层的平整度，减少路面板与少温度应力和荷载应力对路面板变形的限制，一是要提高基层的平整度，减少路面板基层之间的摩擦；二是要阻止过渡层的生成，即进行层间处理，一个有效的方法即设置与层间功能层.基层之间的摩擦；二是要阻止过渡层的生成，即进行层间处理，一个有效的方法层间能第析基层与水泥混凝土层间界而特性，界面层并不是一个面，而是一个有一定星螂，瞬镌脚tw懒退原痛梃嘛频房科夔眉献方赧别，称为“过渡2 .过渡层的破坏，是导致水泥混凝土路面在低应力水平下破坏的根本原因，过渡层的破坏将会引起层间三种破坏形式。这三种破坏是最基本的破坏形式，其他更复

37、杂的破坏形式都是这三种破坏形式的组合或由这三种破坏进一步发展而来。长安大学硕士学位论文3 .水泥混凝土路面基层主要破坏形式表现为脱空，引起脱空的主要原因是冲刷。路面的冲刷作用与面层与基层间脱空的形成与发展相辅相成，冲刷导致脱空，脱空又进一步使冲刷更加严重，最终导致路面结构的各种破坏.4 .水泥混凝土路面面层的主要破坏形式表现为断板，造成断板的主要原因是温度肺蛹喉醐璃用。27第三章永潴敏忠雕喃场辅瀛哪分析基于第二章水泥混凝龛棉的破坏形式及层间作用机理的分析表明，对水泥混凝土路面层间处理非常必要.本章针对刚性基层和半刚性基层混凝土路面分别存在的问题,分析设置层间功能层的作用。电1剧性鳏趣翻幽播唐豳

38、凰稼蹄调问题问题目前最具代表性的刚性基层即贫混凝土基层，贫混凝土基层强度高、刚度大、抗冲刷性能优良，在基层与面层的刚度不能得到有效协调的情况下，会使得面板温度翘曲应力过大。因此，贫混凝土基层的刚度成为影响水泥混凝土路面使用性能的主要因素。贫混凝土基层水泥混凝土路面如果不进行层间处理，将刚性面层直接铺筑在刚性基层上，荷载通过面层传递到基层上，在混凝土板角与接缝处，导致荷载应力集中，容易引发断角、破裂等病害，加之温度应力和水损坏的影响，对于面层和基层非常不利，会加剧水泥混凝土路面病害的发生。经课题组调查发现.设贫混凝土基层的水泥混凝土路面出现了大量的板角断裂现瓠,表3.1为广西水泥混凝土路面及基层

39、使用状况调查表。表3.1广西水泥泡凝土路面及基层使用状况调查表路段起至桩号路面基层结构交通量组成情况基层强度基层状况基层抗冲刷性路面主要病害水任至南宁NO.10合同段K981Mx)0K998+500贫混凝土基层黑螺奕益限世80目!输车到止贫混凝土基层抗压强度介于1640Mpa之间墓嗯牺回幽蟠在120270MPa闻，遍层醐龈高基层与面层的联接性好，无冲刷现象由板角断裂逐步发展成为严重断裂和凝糠，夫领崎确解谨外侧板角南宁至坛洛高速公路K775+OOOK782+000左幅水泥稳定碎石基层未检测基层顶面回弹模量在130220MPa之间，基层刚度高所测路段的存在一定的冲刷现象面板断裂，以横向裂缝为主夫多

40、垓蒯朦燮露傕吸先掰班急瞰礴曲盘翔检鲫的算的结果来看，曹蠡透些路面病害情况并非由路基、基层破坏、面层强度不足及板底脱空原因引起。X在其他条件相同的情况下，当温度差达到一定程度时，贫混凝土基层上的面层比水稳基层上的面层更容易产生断裂，如果不能确保贫混凝土基层与面层的分离，这种趋势将更明显。总结刚性基层水泥混凝土路面使用状况调查结果可知，刚性基层水泥混凝土路面的破坏形式主要是由温度翘曲应力与荷载应力综合作用造成的板角断裂。层间设置功能层以后，可以将面层与基层分离开来，当产生温度翘曲应力和荷载应力时，基层和面层板可以相对自由变形，由于功能层的柔性协调作用，可使面板与基层的变形得到合理的调解。Z举刚感姆

41、铤熔回犀曲刷问题问题大量的路面损坏状况调查和路面使用经验表明，进入路面结构内的自由水是造成路面损坏的重要原因.半刚性基层水泥混凝土路面的主要病害源自于基层抗冲刷性能不足，严重影响基层使用寿命。雁睛滁赤布饵用还每装他曲水和流动水的林呼表面水通过不同途径进入水泥混凝土路面结构层时，如果未能及时排出，而建常懦舞W藏非费绿身蹒膂翳*襄龈副黠靡用下,路面毒鬲瞽续翩的普盒蠢黄量曷I鬻景鬻陵茶善解需第冲刷基层材露细料，一次冲刷的量是很小的，但在行车荷载的反复作用下，经过多次冲刷，冲刷髀耀轴超微群微融资源谖种蕊株除膘细料浆被,蠡压挤出裂缝，最终形成唧泥现象。显然，路面结构层内自由水的水压力随行车荷载鼻鬻咖葭臂

42、琳愉等车殿庶篇赛II需敲翻榴触进入路面结劈度歌量大小有关，进入的水愈多，冲刷程度愈大，冲刷程度还与基层材料本身有关,琳辞蠡都眩嬲蠹髀譬久而久之在行车荷载作用下，细架%于基层冲刷造成水泥混凝土路面过早的产生各种病害，严重影响其使用寿命，因翻制频醐2霸甥牖翻用槌曾髓典兼嬲施寓谶使用寿命的型鹦蟹大同时冲刷量随行车反复作用次数而增加,基层的冲刷程度与进入路面结嬴墨鑫耀重静能;露鄙品翳写面命版揩量本景灯方面，可以关旁虑从层间阻水考虑。当采用阻水性能比较好的沥青混合料设置在水泥混凝土面层与基盥截樗豳幽瞬磊嬴渗入基层,保护基层不受冲刷.20态蝌蝴崛咪侬娜后侨用分析3.3层间功能层作用分析针对刚性基层水泥混凝

43、土路面的刚度协调问题和半刚性基层水泥混凝土路面的冲刷问题，为了防止混凝土面层断裂和基层脱空产生，必须对面层与基层的接触界面进行专门设计，尽可能使面层与基层各自在界面附近保持完好无损。基于此，为解决上述问题，可以在面层和基层之间设置层间沥青混合料柔性功能层,如图3.1。具体地讲，即在尽量找平基层表面的基础上，设黄沥青混凝土功能层，然后再浇筑混凝土面层.混凝土面层沥青混凝土功能层底基层图3.1设置功能层的水泥混凝土路面结构沥青混凝土功能层用于水泥混凝土路面层间加铺层，其作用主要是与面板适当分离，以达到既保证基层防水、抗冲刷，又适度降低面板与基层的摩擦，减小混凝土板底拉应力，消除断板和延长面板的寿命

44、；设置功能层还可以解决因路面水从板缝下渗而引起基层泛浆直至破坏等病害。331改善层间接触传统的水泥混凝土路面结构形式下，面层与基层层间形成过渡层，容易引起三种基本破坏，设置了柔性功能层之后，可产生如下几方面的效果：使面层与基层尽量光滑接触；使面层和基层之间不形成薄弱过渡层，并不在界面附近损伤；避免层间破坏引起的三种路面结构破坏。设置层间沥青混凝土功能层，可以消除过渡层对路面使用性能的影响，消除层间相互粘结，避免过渡层断裂破坏而造成面板的损伤或开裂，有效改善不利的层间接触状态。由于水泥混凝土面板破坏主要由温度应力和荷载应力引起，因此从力学角度分析加铺功能层对于面层应力的改善。1 .加铺功能层对于

45、面层温度应力的改善混凝土路面受周围温度变化的影响，线长量与体积量都会发生变化。混凝土作为一种温度线弹性体，其变形与发生变形前后的温差成正比，其相对线应变为：长安大学硕士学位论文ALaTL工TONJ=3=了=J=+叫式中：温度变形系数在实际计算中，通常可用0.00001；Tn为变形前后的温度差。混凝土体积的变形为三向线应变之和:6=j+q+q=3a71*yt。混凝土路面内温度变形是否引起温度应力，主要取决于温度变形是否受到约束，假融辱麴缁部咽脚，瑛除救娜薨浜型度用墀皓盘翡裒睡谏勺束，则温瞿超力随之而产生犯水泥混凝土路面是体积敏感性材料，温度的变化会使混凝土产生伸缩、翘曲变形，这些变形受到面层板与

46、基层接触面间的摩阻力、地基反力、板自重以及相邻板钳制等约束作用，板内相应会产生伸缩应力和翘曲应力。正温度梯度作用下产生的温度翘曲应力，可接近甚至超过荷载应力，是导致结构疲劳损坏的重要因素.基层刚度越大，对混凝土面板的约束就越强，在温度梯度作用下容易在板角产生过大的翘曲应力而导致板角破坏，影响路面使用性能。本文建立有限元模型，分析设置沥青混合料功能层是否改善下面层和基层的荷载应力情况。计算采用8节点等参单元，边界条件为土基底部完全约束，侧面水平方向位移当事层周赖橙耀翻献领锵懿t典模嬲留期落麟数金参数如表32表。.图3.2计算模型示意图裹3.各庙承嶙辘嫡数稠锵厚度/cm模量/MPa泊松比水灌醐的吟

47、28310000.15412000.25基层20210000.15士基6002000.3527第三章 水泥混凝土路面设置层间功能层作用分析委镖飘龈3/糠灌型进港箱弱鳏每爆域辘戢度取鸭制算跑就算结果如表3.宇所示。表33标准轴载下模型温度应力计算结果层间接触类型面层底母大拉应力/MPa基层底最大拉应力/MPa无功能层2.63110.1178有功能层2.20290.1808根据计算结果可得，设置沥青功能层之后，面层底的拉应力明显减小，这说明设置沥青混合料功能层可以明显的改善水泥混凝土路面结构的受力状态，改善层间接触状态，提高路面的使用寿命。2 .加铺功能层对于面层温缩应力的改善研究发现，与面板接触

48、的基层表面粗糙度对面板底面的温缩应力影响也很大，如表3.4为与面板接触不同类型材料的混凝土板底最大温缩应力计算结果。如采用沥青混凝土与面板接触，表面光滑时的温缩应力约为表面粗糙时的52.6%,若采用沥青稳定碎石基层与面板接触的路面，表面光滑时的温缩应力约为表面粗糙时的56%。采用级配碎石基层的混凝土面板底面最大温缩应力为0.166MPa,仅为采用水泥稳定碎石基层时的11.5%o表X4不同层间接触混凝土板底城大温缩应力计算结果板底最大温度应力(Mpa)一匀温均降与面板接触材料类型R.HMAS.HMARASS.ASCSGranualar5C0.1710.0910.1530.0890.3020.04

49、40.3340.17203070.1680.6980.087-15C0.4960.2560.4450.2491.0310.12920C0.6520.3510.5890.3301.4400.166附注hR.HMA-沏青混凝土光滑表面；S.HMA沥青混凝土粗糙表面;R.AS沥青稳定碎石光滑表面；S.AS沥青稳定碎石粗糙；妹舞嘘温喙窕遍镰呼建躅见水碗就独羁箫牌藤螂蹴赢盛赢嬲响很大,在水舞翻翊解嵋嵌牌端遢展时降鞭焦标触鬻曜输物酗止混凝土霭版至期开裂，对水泥混凝土路面的使用寿命至关重要。所以考虑设置沥青混凝土功能撮板尊甥棘;奇搔瞬蟋就搐懒技，用褥器直接毒夔层蝌螃.敕婚耀最融状态，有数臃温缩应力,层，使与

50、面层直接接触为沥青混凝土，而非直接与基层接触，改变了层间接触状态,28有效降低温缩应力。._卷蚓趣理潍珍文又3 .设置功能层对于路面荷载应力的改善微置嬲蟾，取燃鬟物礁蜷潴相面的荷榭曲啊啾嵯丽如图3.2所示计算模慢7普算设置功能层和未设置功能层路面结构荷载应力，计算结果如表3.5所示:麻斓罐罩二十余甄燃展面健费孱覆为增彘但是增大效龛赫明显，可以忽珞不计。表3.5标准轴载下模型荷载应力计算结果层间接触类型面层底最大拉应力/MPa基层底最大拉应力/MPa无功能层0.92220.4649有功能层0.92750.3977由计算结果，沥青功能层的设置，使基层底所受到的最大拉应力减小,但是设置了20对于不设

51、功能层的水泥混凝土路面结构，实际混凝土面层底面的过渡层破坏及大量的表面裂纹严重降低了混凝土板的实际抗折强度和抗折疲劳强度13表3.6为含过渡层普塞提腐破坏将使面层和基层沿接触面上产生较大的剪力，使面层和基层之间界面开裂破坏。表3.6含有过渡层的混凝土试件和不含过渡层的混凝土试件抗折强度比层间接触类型抗折强度（MPa）平均强度（MPa）备注不含过渡层（下设隔离层）5.024.98相对于普通混凝土提高8.26%5.094.84含过渡层（直接浇注在基层上）4.404.60，4.774.63设置了功能层的水泥混凝土路面结构，将面板与基层界面强限制转化为弱限制，降低了粘结系数。表3.6表明，在面层下设功

52、能层后，混凝土抗折强度比直接浇注在基层上提高了8.26%。当面板滑动时只需克服较小的粘结力和摩阻力，其摩擦系数相应降低,潸除禧蹦醐所射就项而烛施融聊獭断裂破坏。坏。33.2防止基层冲刷水被称为“路面杀手”，以沥青混合料为主要成份的层间功能层可以起到很好的阻水作用，封堵“路面杀手”对基层的渗透。目前，虽然对混凝土板的缩缝、胀缝、施工缝（纵向和横向）采取了特制的材料对水进行封锁，使水从路面排走，但效果仍然不佳。而层叠工堡水注蝴蝌I设置或间功能作用分析层作用分析遭破坏的原因有相当部分是由于路表水渗入基层甚至路法，从而影响其稳定而造成的，使用3至4年后的水泥混凝土路面早期破损与接缝渗透水和冲刷密切相关

53、口，。山于路面透水或接缝密封不好，路表积水不断经重乍碾压，渗入或流进路面结构内部，造成路面自上而下损坏。在设计上，采用沥吉混合料层间功能层可以预防水泥混凝土路面冲刷脱空病害的产生。半刚性基层的耐冲刷性能较差，加上水泥混凝土路面接缝及裂缝水的下渗，同时路面结构内部排水系统设置不完善，在行车荷载作用下，不断产生冲刷，海空板底，造成板底的不均匀支捽，从而使路面产生裂缝等功能性及结构性病害.如图3.5,层间功能层采用密级配沥肯混凝土，具有较好的封水功能，使得从面板接缝或裂缝处渗透下来的水滞留在功能层之上而不会下渗到基层，从而减少基层的冲刷，延长基层使用寿命，有利于基层长期使用性能。3e3弹性缓冲作用造

54、成水泥混凝土路面损坏因素很多，其中水泥混凝土路面基础的好坏直接影响其使用寿命。在水泥混凝上面层与基层之间增设沥方混合料功能层，由于其柔性弹性特征和一定的延伸度，可视为较理想的应变消减(应力吸收)中间层，可有效缓解路面传递来的动载冲击。其作用体现在以下两个方面：(1)减少路面与基层相对运动的传递。由于功能层的弹性镀冲作用，可减少面层与基层相对运动，改变力的传递速度，使荷我产生的巨大冲击势能得到有效化解，从而使传递到基层的破坏影响力大大削弱，根据力的相互作用原理，基层对水泥面层的反弹力也已经不是很大，如果功能层的厚度设30第四章功能层材料设计及性能研究置较为合理，那么重车对基层的冲击势能的影响力就能得到最大限度的化解。可见，功能层对路面及基础具有良好的保护作用.以常用的桥梁支座为例，功能层类似于支座，支座的主要成份是弹性和扭曲拉伸较好的橡胶，化解了重车动载作用下由梁支点传向承台的冲击力，与功能层具有的弹性缓冲作用具有一致性.功能层可保证水泥混凝土结构在活载温度变化等因素作用下的自由变形，可以明显减少温度变化引起水泥面层内的拉应力和拉应变，防止基础不平产生的张拉和收缩应力的增大或结聚，而造成与车载共同作用下的水泥混凝土面层破坏已汽(2)减少基层裂隙产生的应力，从而减少面板断裂。号鞋遹品物僦例瞬飕星春磕彝飘陶层廉屐望檬基愈椀触同位移的情况隼