土工合成材料在加强沥青路面中的机理与应用

1、 张起森张起森 教授、博导教授、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（一）土工合成材料应用的历史l 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。l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。l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

2、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。面层基层路基土工织物土工织物土工织物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

3、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。（一）技术要求烧毛土工布技术要求 指 标 要 求 测试温度（） 注 抗拉强度（KN/m）50202单位面积质量（g/m2）200202单位面积质量

4、（g/m2）130160以下各项参照有关材料列出 厚度（mm） 0.71.6 极限强度时的应变 聚酯 35100聚丙烯 5090 Vicat软化点() 聚酯 230240聚丙烯 148可吸收沥青的量（Kg/m2） 0.71.4（二） 土工布在路面中的作用及其机理l1、作用l 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）；l 提高路面抗车辙的能力；l 提高沥青路面疲劳寿命；l 有可能减薄沥青路面的厚度；l 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

5、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

6、底面剪应力对比沥青面层底面剪应力对比 沥青面层底面弯沉差对比沥青面层底面弯沉差对比 层底剪应力未加土工织物：0.67MPa 加土工织物：0.35MPa弯沉差未加土工织物：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

7、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

8、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

9、应力吸收薄膜； b)未设置橡胶沥青应力吸收薄膜 l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疲劳试验结果加铺层类型疲劳破坏次数(次)破坏时的最大位移(mm)AC-13AC-13改进型无土工布加铺土工布无土工布加铺土工布2570082570087664347664346.66716.66719.53299.53293）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。 界面联接条件抗剪强度（MPa）破坏断面位置15156060沥青砼+浸渍重交

10、AH70沥青土工布水泥砼0.840.840.310.31浸渍重交AH70沥青土工布水泥砼沥青砼+碎石玻纤格栅重交AH70沥青水泥砼0.510.510.180.18玻纤格栅重交AHAH7070沥青水泥砼沥青砼+乳化沥青水泥砼0.330.330.140.14乳化沥青水泥砼国内几种常用纤维的性能指标纤维类型项目Dolanit ASBoniFiberGoodRoad II木质素纤维直径（mm）0.0130.020.00250.020.005平均0.045纤维长度（mm）466.351.5865，平均1.1长径比（平均值）385318300拉伸强度（MPa）91051734.5531极限拉伸应变（）81

11、233950熔融温度（）240249249200吸湿（水）率（）10.9710.489.9729.02（一）国内几种常用纤维的基本性能试验指标纤维长度6mm纤维厚度1时，时， K KE E2.52.5。显然，纤维的。显然，纤维的“增增粘作用粘作用”取决与纤维的加入量、纤维的取决与纤维的加入量、纤维的l/dl/d及爱因斯坦系数及爱因斯坦系数K KE E。纤维的。纤维的“增粘作增粘作用用”有效提高了沥青胶结料的抗剪能力，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。从而提高了路面的抗车辙变形能力。同同时时K KE E与温度无关，因而纤维对于提高沥与温度无关，因而纤维对于提高沥青高

12、温下的粘度及高温抗车辙能力尤其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。具有更重要的意义。 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：)1 (fmffGGGlG：“沥青+纤维”的弹性模量lGf：纤维的弹性模量lGm:沥青的弹性模量lf：纤维的体积百分率 由上式可以看出与增粘作用一样，纤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弹性模量及其加入量成线性关系l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：)1 (/0fm

13、uffucuKClcu及fu：分别表示复合材料及纤维的抗拉屈服强度l mu：对应于复合材料破坏时基体所承受的应力lC0 ：纤维方位因子lf ：纤维的体积百分率可见，可见， “沥青沥青+ +纤维纤维”的屈服强度的屈服强度cucu与纤维强度及加入量与纤维强度及加入量f f成线性关成线性关系系纤维的纤维的“增韧增韧”作用与作用与“增强增强”作用含义上是不一样的。作用含义上是不一样的。 “增强增强”是指纤维的加筋作用，应与纤维的强度和加入量是指纤维的加筋作用，应与纤维的强度和加入量有关。有关。“增韧增韧”是指纤维加入沥青之间，可以提高是指纤维加入沥青之间，可以提高“沥青沥青+ +纤维纤维”的变形能力。

14、特别是在外力大于材料本身的强度时，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，所以材料的塑性变形量增大，所以“增强增强”并不代表就并不代表就“增韧增韧”了。了。 “ “增强增强”并不一定解决裂缝问题，并不一定解决裂缝问题，“增韧增韧”才是解决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，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。只要发生变形就有可能开裂。根据细观力学原理，纤维的根据细观力学原理，纤维的“增韧增韧”作用是来自纤维

15、与基作用是来自纤维与基体材料（沥青）因材料性质差异在纤维体材料（沥青）因材料性质差异在纤维基体界面附近基体界面附近形成的残余应力应变场及显微裂纹形成的残余应力应变场及显微裂纹p（a）残余应变引起的裂缝尖端应力集中因子K的降低量K：)1/(48. 0K2/1HGViifG：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，纤维加入量可见，纤维加入量V Vf f愈大，愈大，纤维与沥青的热膨胀系数纤维与沥青的热膨胀系数差异差异iiii越大，则越大，则“沥青沥青+ +纤维纤维”的韧性增加越大的韧性增加越大p（b）显微裂纹的“增韧”效果由下式表示：K1：由

16、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2/1140. 0KHGii 可见，可见，iiii愈大，微观裂愈大，微观裂纹引起的韧性增加愈大纹引起的韧性增加愈大p因微裂纹存在导致材料软化而产生的增韧效果K2：N42. 1/KK2N：单位体积中微裂纹数目 可见，N愈大，增韧效果越好l（1）水稳性l（2）抗车辙性能l（3）抗裂性能l（4）疲劳性能l采用AC-13I，玄武岩石料， AH-70重交沥青掺Dolanit AS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。类 别残留稳定度（）抗拉强度比TSR（%）AC-13I，A

17、H-7085.066.7AC-13I，AH-70掺0.25纤维88.875.3AC-13I，改性沥青95.576.7l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。 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车辙对比试验类 别AC-13I， AH-70沥青AC-13I，掺0.25德兰尼特纤维，AH-70沥青AC-13I，不掺纤维，改性沥青动稳定度DS(次/ mm)225046316000l在AH-70沥青中掺加纤维后的动稳定度提高了一倍多

18、。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。 a) AH-70重交沥青 b) AH-70重交沥青+0.25%纤维不同纤维品种的高温稳定性对比试验 纤维品种聚酯纤维聚丙烯晴纶纤维木质素纤维石棉纤维无纤维动稳定度（次/mm）670716460404299变形速率（mm/min）0.06

19、30.0590.0910.1040.141l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。l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无纤维无纤维0。3% Rockwool纤维纤维0。3% 木质素纤维木质素纤维20。1%

20、德兰尼特德兰尼特AS纤维纤维0。5% Rockwool纤维纤维0。5% 木质素纤维木质素纤维10。3%德兰尼特德兰尼特AS纤维纤维0。3% 木质素纤维木质素纤维10。5% 木质素纤维木质素纤维20。3% Rockwool纤维纤维 劈裂强度试验 l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。l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。

21、类 别劈裂强度（MPa）回弹模量 （MPa）AC-13I，AH-70掺0.25纤维1.812281AC-13I，AH-70 1.692648AC-13I，改性沥青1.722106l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。类 别弯拉强度（MPa）挠度(mm)最大弯拉应变（-106）弯拉劲度模量 (MPa)AH-70掺0.25纤维6.6120.5126782470AH-70 5.8640.37719782965改性沥青8.4730.54628672956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

22、.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。l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%Dolanit AS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：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+Dolanit AS纤维，疲劳寿命增加很大，因此Dolanit AS纤维对沥青混合料疲劳性能的改善要优于木质素纤维。l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

23、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。类型纤维种类疲劳次数（次）SMA13德兰尼特纤维33675木质素纤维29000不掺纤维10950l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% Dolanit AS纤维的性能对比试验，试验结果如下表： 纤维类型最佳油石比(%)空隙率（%）VMA（%）VCAmix（%）VFA（%）稳定度(KN)流值(0.1mm)木质素6.44.217.336.675.57.5639.5Dolanit6.24.117.136.476.28.138.1技术要求 6.04.04.5 17.0 VCADRC75

24、85 6.02050纤维类型残留稳定度（%）抗拉强度比TSR（%）动稳定度(次/mm)木质素纤维92.888.66000Dolanit AS 92.489.06000纤维类型破坏荷载(N)跨中挠度(0.01mm)弯拉强度(RB)(MPa)极限应变(B)(10-6)劲度模量(SB)(MPa)木质素9830.648.0333342429.4Dolanit AS 10930.78.9336572442.6l在SMA中采用掺0.2%的Dolanit AS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Dolanit As纤维明显优于木质素

25、纤维。l在江西昌金高速公路采用SMA掺0.2% Dolanit AS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Dolanit AS纤维在SMA中的分散性更好，表观效果更好。 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。原路面结构图水泥混凝土24cm基层6水泥砂砾20cm底基层4水泥砂砾1825cm图：原路面结构旧水泥路面基层底基层土工布（粘层油）裂缝调坡整平层AC10或AC20AC13K 4cm（改性SK）AC20I 6cm（改性SK）图：长永高速公路修复后路面结构长沙黄花机场高速公

26、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。 l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：钢桥面防水粘结层封层.0cmSMA100.2德兰尼特As纤维cmSMA130.3德兰尼特As纤维l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。l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

27、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，可看出两者都具有较好的路用性能和抗裂效果，但在SFC值和车辙方面聚酯纤维更显示出优于SMA的特点。因此在石黄高速公路二期工程旧路改建段得到推广应用。 路段检测日期 弯沉(0.01mm) 横向力系数SFC平整度IRI聚酯纤维98年12月4.73659.51.15999年12月5.91255.41.149SMA98年12月4.33460.041.13499年12月5.31548.581.058多碎石段（mm）SMA段（mm）博尼维段（mm）左轮迹右轮迹左轮迹右轮迹左轮迹右轮迹3.03.111.042.691.6 2.08平均3.055 平均1.865平均1.84l102国道玉田县城改造段在旧水泥路面铺筑了聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、木质素纤维三段试验路，采用的路面结构如下图 ：l经过半年