（道路與鐵道工程專業(yè)論文）復(fù)合式路面防裂夾層防反射裂縫的效果評價.pdf

l 爭 爭 p 重慶交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 i l ll li iii lli ii iii iiif y 19 0 2 2 9 4 本人鄭重聲明 所呈交的學(xué)位論文 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下 獨立進行研究 工作所取得的成果 除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外 本論文不包含任何其他個人 或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果 對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體 均已在文中以明確方式標明 本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔 學(xué)位論文作者簽名 乃磣磊 日期 o e 年 0 月 口日 重慶交通大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 同意學(xué)校保 留并向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版 允許論文被查閱和借閱 本人授權(quán)重慶交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索 可以采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文 同時授權(quán)中國科 學(xué)技術(shù)信息研究所將本人學(xué)位論文收錄到 中國學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 并進行信 息服務(wù) 包括但不限于匯編 復(fù)制 發(fā)行 信息網(wǎng)絡(luò)傳播等 同時本人保留在其 他媒體發(fā)表論文的權(quán)利 學(xué)位論文作者簽名力磣擊 日期 占石年肛月矽日 指導(dǎo)教師簽名 z 乏 日期 2 0 o 年憎月為日 本人同意將本學(xué)位論文提交至中國學(xué)術(shù)期刊 光盤版 電子雜志社c n 系 列數(shù)據(jù)庫中全文發(fā)布 并按 中國優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫出版章程 規(guī) 定享受相關(guān)權(quán)益 學(xué)位論文作者簽名夕爭爭號去 指導(dǎo)教師簽名 如乞往 日期 山石年a 月幻日日期 a o 扣年 摘要 近些年 隨著交通量和車輛載重的急劇增加 再加上由于當時設(shè)計 施工及 后期養(yǎng)護出現(xiàn)的問題 致使我國越來越多的水泥混凝土路面發(fā)生了不同程度的病 害 有的甚至還未達到設(shè)計年限 為了滿足行駛車輛節(jié)能 省時 安全以及舒適 性的要求 為此急需對這些損毀的水泥混凝土路面進行徹底的改造 為了有效的 利用原有的水泥混凝土路面 節(jié)約工程投資 防止資源浪費 使用瀝青混凝土作 為加鋪層不失一種改善其使用性能的有效措施之一 但 由于原水泥混凝土路面 原始接縫的存在 使得瀝青加鋪層出現(xiàn)反射裂縫就變得不可避免 反射裂縫一旦 出現(xiàn) 即會加快瀝青面層水損壞的發(fā)生 導(dǎo)致路面的使用功能嚴重下降 本課題 主要是針對舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層反射裂縫這一病害 尋求一種性能優(yōu)良 的材料及設(shè)計方法 使瀝青加鋪層的使用壽命得以延長 本文主要進行了以下幾 個方面的研究工作 首先 本文在前人研究的基礎(chǔ)上 繼續(xù)對反射裂縫產(chǎn)生的機理做了進一步的 探討 考慮到試驗所用試件的尺寸 決定采用a c i o 的中值作為瀝青混合料的級 配曲線 然后確定了瀝青混凝土加鋪層的油石比為4 8 并驗證了其高溫穩(wěn)定 性 水穩(wěn)定性等瀝青混凝土的其他性能均能滿足規(guī)范的要求 為下一步的試驗的 開展做好了準備 其次 使用橡膠瀝青應(yīng)力吸收層 聚酯玻纖布 玻纖格柵 f h g s 高強玻纖 復(fù)合材料土工格柵 以下簡稱 f h g s 格柵 鋪筑于舊水泥混凝土路面瀝青加鋪 層之間作為防裂夾層與直接加鋪結(jié)構(gòu)相比 采用更接近于實際的輪轍儀輪載重復(fù) 加載試驗 針對本課題設(shè)計了三種試驗方案 一是橫向接縫輪載重復(fù)試驗 二是 縱向接縫彎拉型輪載重復(fù)試驗 三是縱向接縫剪切型輪載重復(fù)試驗 綜合比較著 三種試驗方案的試驗結(jié)果 以上幾種防裂夾層延緩反射裂縫的效果又高到低依次 是 f h g s 格柵 玻纖格柵 聚酯玻纖布 橡膠應(yīng)力吸收層 直接加鋪結(jié)構(gòu) 再次 采用c o o p e r 疲勞試驗機 采用控制應(yīng)力加載模式 在不同溫度 不 同應(yīng)力水平下 對加鋪以上防裂夾層的制作的小梁試件進行四點彎曲疲勞試驗 得到的試驗結(jié)果與輪載重復(fù)試驗基本一致 最后 運用a b a q u s 有限元軟件 分析了加鋪層厚度對其結(jié)構(gòu)內(nèi)部內(nèi)力 最 大彎沉及接縫兩側(cè)彎沉差的影響 得到加鋪層的厚度不宜超過1 4 鋤 另外 結(jié) 果還顯示 f h g s 格柵對瀝青加鋪層層底的應(yīng)力集中消散作用最好 依次是玻纖 格柵 應(yīng)力吸收層 聚酯玻纖布 直接加鋪結(jié)構(gòu) 與輪載重復(fù)試驗結(jié)果類似 然 后 根據(jù)斷裂力學(xué)中應(yīng)力強度因子k 這一概念結(jié)合有限元分析 提出了瀝青加鋪 層最小厚度的計算方法 經(jīng)綜合比較分析 考慮尺寸效應(yīng) 施工抗割破能力等其他因素 推薦優(yōu)先選 用f h g s 格柵防反射裂縫的措施 有條件的情況下可以和橡膠應(yīng)力吸收層同時使 用 關(guān)鍵詞 道路工程 水泥混凝土路面 瀝青加鋪層 反射裂縫 夾層材料 輪轍 儀 有限元分析 a bs t r a c t i nr e c e n ty e a r s 晰n lt h et r a 伍cv o l u m ea n dv e h i c l el o a di n c r e a s es h a r p l y d u et o a tt h a tt i m et h ep r o b l e mo fd e s i g n c o n s t r u c t i o na n dp o s t m a i n t e n n a n c e m o r ea n d m o r ec e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n to c c u r r e di nv a r y i n gd e g r e e so fd i s e a s ea n ds o m e e v e nh a v en o tg e tr e a c h e dt h ed e s i g nl i f e t om e e ts a v i n ge n e r g y t i m e s a f e l ya n d c o m f o r tr e q u i r e m e n t i ta r g e n tn e e d st or e f o r mt h ed a m a g e dc e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n tt h o r o u g h l y i n o r d e rt ou s et h ee x i s t i n gc o n c r e t ep a v e m e n t s a v i n g i n v e s t m e n ta n dp r e v e n t i n gr e s o u r c e sw a s t e d i ti st h eb e t t e rm a t h o dt ou s ea s p h a l t c o n c r e t eo v e r l a yt oi m p r o v et h e i rp e r f o r m a n c ew i t h o u tl o s i n go ft h ee f f e c t i v e h o w e v e r c e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n te x i s t st h eo r i g i n a lj i o n t sa n dc r a c k ss ot h a t a s p h a l to v e r l a yr e f l e c t i v ec r a c k i n gb e c o m e si n e v i t a b l e o n c et h er e f l e c t i v ec r a c k i n g a s p h a l ts u r f a c eo c c g r sw a t e rd a m a g ev e r yq u i c l d yw h i c hf i n a l l yr e s u l t si nr o a d f u n c t i o nd e c l i n e ds e r i o u s l y t h i si s s u ei sd i r e c t e da g a i n s tr e f l e c t i v ec r a c k i n g o fa s p h a l t o v e r l a yw h i c hi st of i n do n e k i n do fm a t e r i a l 析t l lg o o dp e r f o r m a n c ea n dd e s i g n m a t h o d st oe x t e n dt h el i f es p a no fa s p h a l to v e r l y t h i sp a p e rh a sm a i n l yc a r r i e do u t s e v e r a la s p e c t so fr e s e a r c hw o r ki nt h ef o l l o w i n g f i r s t l y t h i sp a p e r b a s e d o np r e v i o u ss t u d i e s h a sc o n t i n u e dt oe x p l o r et h e m e c h a n i s mo fr e f l e c t i v ec r a c k i n g s t a k i n gi n t oa c c o u n tt h es i z eo fs p e c i m e n i t d e c i d e st oa d o p tt h em a d i a no fa c 一10a s p h a l tc o n c r e t e 嬲g r a d i n gc u r v ea n dt h e n d e t e r m i n e st h ea s p h a l tc o n c r e t eo v e r l a y sa g g r a g a t er a t i oo f4 8 a n df m a l l yv e r i f y s i t sl l i g ht e m p e r i t u r es t a b i l i t y w a t e rs t a b i l i t ya n do t h e rp r o p e r t i e sw h i c hc o u l dm e e tt h e r e l a t e ds p e c i f c c a t i o n a n dr e a d yf o rn e x tt e s t s s e c o n d l y r u b b e ra s p h a l ts t r e s s a b s o r b i n gl a y e r f l b e r g l a s s p o l y e s t e r w a r p f i b e r g l a s sg r a t i n ga n df h g sh i g h s t r e n g t hf i b e r g l a s sc o m p o s i t eg c o g r i d h e r e i n a f t e r r e f e r r e dt oa sf h g s 妒d a r ep a v e db e t w e e no l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ts l a ba n d a s p h a l to v e r l a ya sc o n t r o lc r a c k si n t e r l a y e rw h o s ep e r f o e m a n c ea r ec o m p a r e d 析t l lt h e d i r e c to v e r l a ys t r u c t u r e t h i ss t u d ye m p l o y sw h e e lt r c k i n ga p p a r a t u st os i m u l a t et e s t i nt h el a bw h i c hi sc l o s e rt ot h ea c t u a l f o rt h i si s s u e t h i ss t u d yd e s i g n st h r e et e s t p r o g r a m s t h e f i r s ti st r a n s v e r s ej i o n tw h e e ll o a dr e p e t i t i o nt e s t t h es e c o n di s l o n g i t u d i n a lc r a c k sb e n d i n g t y p ew h e e ll o a dr e p e t i t i o nt e s t a n dt h em i r d i s l o n g i t u d i n a l c r a c k s b e n d i n g t y p e w h e e ll o a d r e p e t i t i o nt e s t c o m p r e h e n s i v e c o m p a r i s i o n 謝t l lt h er e s u l t so ft h et h r e ek i n d so ft e s t s w h i c hs h o wn l a tf h g sg r i di s t h eb e s te x c e l e n tt or e t a r dr e f l e c t i v ec r a c k i n g 刀磚n e x ts e q u e n c ei sf o l l o w e d w a r p f i b e r g l a s sg r a t i n g f i b e r g l a s s p o l y e s t e r r u b b e ra s p h a l ts t r e s s a b s o r b i n gl a y e ra n d d i r e c to v e r l a ys t r u c t u r er e s p e c t i v e l yb ya n o t h e rh i g ht ol o w t h i r d l y t h i ss t u d ya p p l y sf o u r p o i n tb e n d i n gf a t i g u e t e s t so nt r a b e c u l a r s p e c i m e n sb yc o o p e rf a t i g u et e s t i n gm a c h i n e 舫也s t r e s sc o n t r 0 1 n l er e s u l t ss h o w c o n s i s t e n c y i t l lt h ea b o v ea n dp r o v e st h a tt h ew h e e ll o a dr e p e t i t i o nt e s t sa r ef e a s i b l e a n de x c e l e n t f i n a l l y t h i ss t u d yu s e st h ef i n i t ee l e m e n ts o t w a r en a m e da b a q u st oa n a l y z e t h ei n f l u e n c eo fo v e r l a y st h i c k n e s so nt h ei n t e r n a ls t r e s so fc o m p o s i t ep a v e m e n t s t r u c t u r e m a x i m u md e f l e c t i o na n dd e f l e c t i o nd i f f e r e n c eo nb o n ls i d eo fj o i n t s n 圮 r e s u l t ss h o wt h a to v e r l a y st h i c k n e s si sn o ts u i t a b l ef o rm o r et h a n14c m i na d d i t i o n t h er e s u l t sa l s os h o wt h a tf h g sg r i dp l a y st h eb e s tr o l ei ns t r e s sd i s s i p a t i o na tt h e b o t t o mo fa s p h a l to v e r l a yc o m p a r e do t h e ro v e r l a ys t r u c t u r ea n da r et h es i m i l a rw i t h t h ea b o v et w ot e s t s t h e n a c c o r d i n gt os t r e s si n t e r s i t yf a c t o ri nf r a c t u r em e c h a n i c s c o m b i n ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h em i n i m u mt h i c k n e s sc a c u l a t i o no fa s p h a l to v e r l a y w a sp u tf o r w a r d c o m p r e h e n s i v ec o n p a r a t i v ea n a l y s i s c o n s i d e r i n gt h ee f f e c ts i z eo fs p e c i m e n t h e c a p a c i t yo fr e s i s i t i n gc a r e l e s sc u t t i n ga n do t h e rf a c t o r s t h e r e f o rt h e r e f o r ei ti s s u g g e s t e dt h a t i no l dc e m e n tc o n c r e t er e p a i ra n dm o d i f i c a t i o np r o j e c t sa n di n c o n s t r u c t i n gs e m i r i g i db a s e f h g sg r i ds h o u l db e c o n s i d e r e df i r s t b e s i d e s i f c o n d i t i o np e r m i t s f h g sg r i ds h o u l db eu s e dt o g e t h e rw i t l lr u b b e rs t r e s s a b s o r b i n gi n t h a tt h el a t t e r a p a r tf r o mh e l p i n gr e t a r d i n gr e f l e c t i v ec r a c k i n g c a np r e v e n tr a i nf r o m s i n k i n gt h r o u g ht h ec r a c k s t h u sh e l pe x t e n dt h el i f e s p a no fa s p h a l to v e r l a y k e yw o r d s r o a de n g i n e e r i n g c e m e n tc o n c r e t e p a v e m e n t a s p h a l to v e r l a y r e f l e c t i v ec r a c k i n g i n t e r l a y e rm a t e r i a l w h e e l t r a c k i n ga p p a r a t u s f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s 目錄 第一章緒論 1 1 1 問題的提出 1 1 2 水泥混凝土路面病害調(diào)查概述 2 1 31 日水泥混凝土路面加鋪層的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3 1 3 1 舊水泥路面加鋪水泥混凝土罩面 以下簡稱 白 白 方案 4 1 3 2 舊水泥路面加鋪瀝青混凝土面層 以下簡稱 白 黑 方案 5 1 3 3 舊水泥路面補強后加鋪瀝青混凝土面層 9 1 3 4 碎石化后加鋪瀝青面層 1 0 1 4 研究的主要內(nèi)容和技術(shù)路線 1 1 1 4 1 本文的研究內(nèi)容 1 l 1 4 2 研究的技術(shù)路線 1 1 第二章瀝青加鋪層反射裂縫的成因及作用機理 1 3 2 1 瀝青路面開裂的基本理論 1 4 2 2 瀝青加鋪層反射裂縫及其擴展模式 一1 6 2 2 1 反射裂縫 l6 2 2 2 反射裂縫的擴展模式 1 7 2 3 瀝青加鋪層反射裂縫成因及擴展機理 1 9 2 3 1 裂紋的萌生與擴展 1 9 2 3 2 反射裂縫成因及機理分析 1 9 2 4 舊水泥混凝土板間接縫應(yīng)力集中有限元分析 2 l 2 4 1 力學(xué)模型建立與計算參數(shù) 2 1 2 4 2 有限元計算結(jié)果 2 2 2 4 3 結(jié)果分析 2 7 2 5 本章小結(jié) 2 8 第三章加鋪層瀝青混合料配合比設(shè)計及路用性能檢驗 2 9 3 1 原材料的選擇 2 9 3 1 1 瀝青 2 9 3 1 2 集料 2 9 3 2 瀝青混合料配合比設(shè)計 3 0 3 2 1 瀝青混合料級配組成 3 0 3 2 2 最佳油石比的確定 3 l 3 3 瀝青混合料的路用性能 3 4 3 3 1 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性 3 4 3 3 2 瀝青混合料水穩(wěn)定性 3 4 3 4 本章小結(jié) 3 5 第四章瀝青加鋪層反射裂縫室內(nèi)輪載重復(fù)試驗對比分析 3 7 4 1 試驗?zāi)康募霸囼灧桨负喗?3 7 4 1 1 試驗?zāi)康?3 7 4 1 2 試驗方案 3 7 4 2 試驗?zāi)Ｐ偷慕⑴c試件的制備 3 9 4 2 1 試驗?zāi)Ｐ偷慕?3 9 4 2 2 試件的制備 4 l 4 3 加載方法及觀測方式 4 4 4 4 輪載試驗結(jié)果及分析 4 5 4 4 1 輪載試驗結(jié)果 4 5 4 4 2 試驗結(jié)果對比分析 4 9 4 5 本章小結(jié) 5 1 第五章瀝青加鋪層反射裂縫室內(nèi)疲勞試驗研究 5 2 5 1 疲勞試驗方法的評價與選擇 5 2 5 1 1 疲勞試驗方法概述 5 2 5 1 2 疲勞試驗方法的選擇 5 3 5 2 四點彎曲疲勞試驗方法簡介 5 4 5 2 1 試驗設(shè)備 5 4 5 2 2 試件制備 5 5 5 2 3 荷載條件 5 6 5 3 試驗方案 5 6 5 3 1 加載方式 5 6 5 3 2 加載頻率及形式 5 7 5 3 3 試驗溫度及加載應(yīng)力 5 8 5 4 小梁疲勞試驗結(jié)果及其分析 5 8 5 4 1 疲勞試驗結(jié)果 5 8 5 4 2 試驗結(jié)果分析 6 0 5 5 本章小結(jié) 6 1 第六章瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)有限元應(yīng)力分析 6 2 6 1 材料的幾種強度準則 6 2 6 2 基于層間夾層的瀝青加鋪層有限元計算模型和材料參數(shù) 6 6 6 2 1 力學(xué)計算模型 6 7 6 2 2 材料參數(shù) 6 8 6 3 荷載作用下的應(yīng)力有限元分析 6 9 6 3 1 瀝青加鋪層厚度變化對荷載應(yīng)力的影響分析 6 9 6 3 2 不同防裂夾層結(jié)構(gòu)荷載應(yīng)力的對比分析 7 2 6 4 加鋪層最小厚度的確定 7 5 6 4 1 應(yīng)力強度因子k 與斷裂韌性 k c r 7 6 6 4 2 應(yīng)力強度因子的有限元分析 7 7 6 4 3 確定瀝青加鋪層最小厚度 7 8 6 5 本章小結(jié) 8 0 第七章主要結(jié)論與進一步研究的問題 8 1 7 1 主要結(jié)論 8 l 7 2 主要創(chuàng)新點 一8 2 一 h 7 3 有待進一步研究的問題 一8 2 致謝 8 3 參考文獻 8 4 在學(xué)期間發(fā)表的論著及取得的科研成果 8 7 第一章緒論 第一章緒論弟一早?；?1 1 問題的提出 水泥混凝土路面是公路路面結(jié)構(gòu)的重要形式之一 截止到2 0 0 9 年底 我國 二級及以上高等級公路總里程達到4 2 5 2 萬公里 其中水泥混凝土路面占到 3 5 7 特別是上世紀八十年代初到九十年代末 我國修建了大量的水泥混凝土 路面 由于近些年道路交通量和汽車載重量的快速增加以及當時設(shè)計 施工和后 期養(yǎng)護等各方面的原因 致使這一時期修建的水泥混凝土路面已經(jīng)發(fā)生了不同程 度的結(jié)構(gòu)性或非結(jié)構(gòu)性的損壞 相繼進入了大中維修期 包括后來修建的水泥混 凝土路面 雖然有相當一部分水泥路面還未達到設(shè)計年限 但由于上述等各方面 的原因以及水泥混凝土路面的先天性缺陷 而使其出現(xiàn)了過早的損壞 嚴重影響 了道路的使用性能 面臨著大量的修復(fù)工作 與瀝青路面相比 水泥混凝土路面的修復(fù)工作比較困難 根據(jù)水泥混凝土路 面的破壞程度 國內(nèi)外一般采用四種改造措施 加鋪新的水泥混凝土面層 加鋪 瀝青混凝土面層 對舊水泥混凝土路面進行返修以及采用舊水泥混凝土路面碎石 化技術(shù) 近些年 我國各地區(qū)都開始對舊水泥混凝土路面進行大量的修復(fù)整治工 作 其主要措施是加鋪瀝青混凝土面層 來改善原有路面的使用功能 提供較為 平整 舒適 安全的行車環(huán)境 另外 加鋪瀝青面層可以充分利用舊水泥混凝土 路面的剩余強度 對交通量和環(huán)境的影響較小且具有抗滑性能好 施工周期短 維護簡單 造價較低等優(yōu)點 因而加鋪瀝青面層在舊水泥混凝土路面改造中得到 了普遍的應(yīng)用 由于路面結(jié)構(gòu)中舊水泥混凝土路面板原始接縫和裂縫等缺陷的存 在 加鋪瀝青面層后 在行車荷載及環(huán)境溫度等因素的作用下極易產(chǎn)生反射裂縫 若加鋪瀝青面層的過程中對此處理不當 將會嚴重影響瀝青加鋪層的使用功能 從而縮短其使用壽命 并造成更大的安全隱患和經(jīng)濟效益的嚴重受損以及不良的 社會影響 如何控制瀝青加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展使加鋪后的道路能繼續(xù)承擔交 通量的增長 至今仍是道路工程界面臨的一大難題 也是各國道路界學(xué)者關(guān)注的 熱點 目前國內(nèi)外采用的防反射裂縫措施主要有增加瀝青加鋪層厚度 采用土工 合成材料夾層 鋪設(shè)大粒徑瀝青混合料緩解層以及鋪設(shè)應(yīng)力薄膜吸收層等 國外 早在上世紀三十年代 就對1 日水泥混凝土路面加鋪瀝青面層展開了研究和工程的 實踐 幾十年來還不斷借鑒力學(xué)學(xué)科發(fā)展的新成果對反射裂縫的產(chǎn)生和擴展機理 進行研究 并嘗試各種防反措施n 卅 國內(nèi)許多專家學(xué)者近十余年也深入開展了 這方面的理論研究和試驗路的鋪筑呻 1 并取得了一定的成果 目前瀝青加鋪層 2 第一章緒論 結(jié)構(gòu)還沒有成熟的計算模型和公認的設(shè)計方法 仍然以經(jīng)驗法為主 以力學(xué)計算 法作為輔助 對于基于線彈性斷裂力學(xué)理論的瀝青加鋪層設(shè)計方法 雖然很多研 究者做了大量有益的研究工作 卜 但由于瀝青混凝土的斷裂韌性及斷裂特性等 準確數(shù)據(jù)要基于大量試驗和計算分析才能得到 因此進展比較緩慢 若采用有限 元計算方法 由于所建的力學(xué)模型 邊界條件及其他結(jié)構(gòu)計算參數(shù)取舍不同會對 瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力和位移產(chǎn)生影響 計算出來的應(yīng)力強度因子 j 積分 能量釋放率以及荷載疲勞作用次數(shù)等數(shù)據(jù)同樣會有較大的差異 因此目前還處于 理論探索階段 與直接應(yīng)用于實際工程還有一定的距離 所以 繼續(xù)對水泥混凝 土路面加鋪瀝青面層這種復(fù)合式路面的設(shè)計方法 以及加鋪層結(jié)構(gòu)和防反射裂縫 材料的選擇等方面進行深入的研究 是非常有必要且具有使用價值 在水泥混凝土板與瀝青加鋪層之間設(shè)置防裂夾層 用于延長瀝青加鋪層的使 用壽命 且同時具有防水滲透的作用 是解決這一問題的有效方法和途徑 基于 這一問題的復(fù)雜性 各地的交通量 氣候環(huán)境 及筑路條件的差異 所取得成果 之間缺乏共同的認識 給設(shè)計和施工操作部門帶來了極大的困難 鑒于上述原因 本文在前人研究的基礎(chǔ)上 繼續(xù)對瀝青加鋪層的結(jié)構(gòu) 設(shè)計方法以及在如何延緩 舊水泥路面瀝青加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生和擴展等方面的問題做進一步的研究 1 2 水泥混凝土路面病害調(diào)查概述 水泥混凝土路面作為公路路面的重要結(jié)構(gòu)形式 與瀝青路面相比 具有使用 壽命長 初期養(yǎng)護費用低等突出優(yōu)點 由于這種路面結(jié)構(gòu)形式對重載 超載的高 度敏感性 在我國目前重載和超載現(xiàn)象及其嚴重的狀況下 這些優(yōu)點變得蕩然無 存 使用壽命急劇縮短 養(yǎng)護費用快速增加 當水泥混凝土路面出現(xiàn)開裂 斷板 錯臺等病害后 在雨水的作用下 往往病害會快速發(fā)展 在短短的兩三年內(nèi)病害 會成倍的增長 使路用性能急劇下降最終不能滿足行車要求 水泥混凝土路面本 身修復(fù)的難度要比瀝青路面大 且耗費時間長 效果也難以保證 使水泥混凝土 路面出現(xiàn)病害后成為公路養(yǎng)護部門的沉重負擔 目前 我國水泥路面的推廣應(yīng)用 面臨著挑戰(zhàn) 水泥路面在高等級公路中的應(yīng)用日趨萎縮 若水泥路面出現(xiàn)病害后 如果要對其進行重建 改造或加鋪 還沒有統(tǒng)一標準的處治措施 如果全部移除 會對社會環(huán)境帶來不利影響 且造成經(jīng)濟上的浪費 水泥路面病害的出現(xiàn)有其自身規(guī)律 一般水泥路面的病害可分為 斷裂類 豎向位移類 接縫類和表層類四種類型 斷裂類病害主要指縱 橫 斜向裂縫和 交叉裂縫 斷板等 豎向位移類主要指沉陷和脹起 接縫類病害主要指接 裂 縫的填料損毀 唧泥 錯臺和拱起等 表層類病害主要指指坑洞 露骨 網(wǎng)裂和 起皮 粗集料凍融裂紋 修補損壞等 第一章緒論 3 對水泥路面的調(diào)查主要依據(jù) 公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范 j t g d 4 0 2 0 0 2 公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范 j t j0 7 3 1 2 0 0 1 n 5 推薦的方法 并結(jié)合相關(guān)的科研成果 將路面破壞種類歸類 采用隨機抽樣調(diào)查 法和路面破壞逐塊調(diào)查法兩種方法對舊水泥路面狀況進行調(diào)查 隨機調(diào)查法是先將調(diào)查路段根據(jù)路段的損壞狀況分成若干調(diào)查段 每個調(diào)查 段再隨機分成若干調(diào)查單元進行調(diào)查 調(diào)查中將路面板的破損類型分為路面結(jié)構(gòu) 損壞 行駛質(zhì)量喪失 外觀質(zhì)量狀況三種類型 每種類型按輕 中 重三種損壞 程度分別記錄 該調(diào)查的目的主要用于路面破損狀況評價 為維修整治設(shè)計提供 基礎(chǔ)參數(shù) 路面破損逐塊調(diào)查時根據(jù)路面的破損情況 按不同的損壞類型并結(jié)合 維修整治方案進行全線逐塊調(diào)查 其目的是為了統(tǒng)計工程量 為工程的概預(yù)算提 供參數(shù)依據(jù) 調(diào)查內(nèi)容主要包括公路修建管理養(yǎng)護技術(shù)資料 路面破損狀況 交 通荷載 環(huán)境條件 路基狀況 結(jié)構(gòu)物損壞情況等 以求準確地評價路面板的損 壞情況 找出造成路面板損壞的原因 為整治方案提供設(shè)計依據(jù) 參照 公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范 j t j 0 7 3 1 2 0 0 1 依據(jù)路段 破損狀況調(diào)查得到的斷裂類病害的板塊數(shù) 按斷裂種類和嚴重程度的不同 采用 不同的加權(quán)系數(shù)進行修正后 確定路段的斷板率 砒 以百分率表示n 耵 得到 路面破損狀況的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果 并結(jié)合路面結(jié)構(gòu)性破損的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果 采用雷 達對路面板脫空的無損檢測結(jié)果以及路面表層的病害情況 評價舊水泥路面破損 的狀況 以便采取適當?shù)奶幹未胧ζ溥M行維修和養(yǎng)護 1 3 舊水泥混凝土路面加鋪層的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前 許多發(fā)達國家公路建設(shè)的重點已經(jīng)從新建逐漸轉(zhuǎn)向?qū)ΜF(xiàn)有公路加鋪或 改造 1 9 7 6 年 美國提出4 r 計劃 即 罩面r e s u r f a c i n g 恢復(fù)再生r e s t o r a t i o n 修繕r e h a b i l i t a t i o n 改建r e c o n s t r u c t i o n 已經(jīng)開始非常重視舊路的加鋪改 造工作了 除美國之外 我國已是擁有高速公路里程最多的國家 已達6 5 1 萬 公里 目前我國公路網(wǎng)絡(luò)基本形成 高等級公路建設(shè)已經(jīng)取得階段性成果 重點 也正在從新建向現(xiàn)有公路的修復(fù)轉(zhuǎn)移n 刀 通過國內(nèi)外的調(diào)研 對舊水泥混凝土路面的加鋪改造主要可以歸結(jié)為以下三 種結(jié)構(gòu)形式 1 舊水泥路面上加鋪新的水泥混凝土罩面 簡稱 白 白 方案 2 舊水泥路面上直接或補強后加鋪瀝青混凝土面層 簡稱 白 黑 方 案 3 舊水泥路面先碎石化然后加鋪新的水泥混凝土面層或瀝青混凝土面 層 簡稱 碎石化 水泥混凝土面層 或 碎石化 瀝青混凝土面層 4 第一章緒論 方案 以下就上述三種加鋪方案做進一步的介紹和論述 1 3 1 舊水泥路面加鋪水泥混凝土罩面 以下簡稱 白 白 方案 水泥混凝土加鋪層 舊水泥路面 舊路基層 圖1 1 白 白 結(jié)構(gòu)示意圖 f i g 1 1 w h i t e w h i t e s t r u c t u r a ld i a g r a m 在 白 白 方案中 按罩面與原路面的層間粘結(jié)方式可以分為結(jié)合式 分 離式和部分結(jié)合式 圖1 2 也有的在加鋪分離式水泥混凝土罩面后鋪一層薄 的瀝青混凝土面層用于改善路面的使用性能 j i j ij h 月月月月盧i q 月月月h 月月丸h 月h 月戶i 月 戶 月 a 分離式水泥混凝土板鋪設(shè) 接縫 新板 1 日板 b 結(jié)合式水泥混凝土板鋪設(shè) 圖1 2 水泥混凝土板鋪設(shè)示意圖 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo fl a y i n gc e m e n tc o n c r e t es l a b 結(jié)合式加鋪層對原路面的處治要求較高 原路面的評價等級須達到 良 以 上 由于原路面的板間接縫 使得加鋪層反射裂縫問題更加嚴重 從而會嚴重縮 短加鋪層的使用壽命 第一章緒論 5 而相對于結(jié)合式加鋪層而言 分離式加鋪層能夠適用于原有水泥路面狀況較 差的情況 與其它加鋪結(jié)構(gòu)形式相比它在加鋪層施工前對現(xiàn)有水泥路面的處治工 作要求較小 只需對板低空隙較大處及活動的水泥混凝土面板等進行修復(fù) 通過 這些處治 可使加鋪層及隔離層的厚度適當減薄 從而使工程總體較為經(jīng)濟 實 踐證明 分離式水泥混凝土路面加鋪層在路面性能退化前的較長時期內(nèi) 性能和 費用都優(yōu)于瀝青加鋪層 分離式加鋪層可以避免因路面重修帶來的費用大 工期長 干擾正常交通秩 序等一系列問題 它可以在原有路面上直接施工 而不需要挖除全部現(xiàn)有的水泥 混凝土路面再對基層進行處治 水泥混凝土加鋪層的鋪筑方法同新鋪筑的水泥混 凝土路面施工方法基本一樣 可做成接縫設(shè)傳力桿或不設(shè)傳力桿的素混凝土路 面 也可做成鋼筋混凝土或連續(xù)式鋼筋混凝土路面 施工便利 對于分離式水泥 混凝土加鋪層來說 由于舊水泥混凝土路面的接 裂縫或錯臺引起的應(yīng)力集中會 促使加鋪層層底的彎拉應(yīng)力過大 而新修的水泥板是一剛度較大結(jié)構(gòu)層 因而 這類結(jié)構(gòu)的設(shè)計控制指標是新加鋪層板底的彎拉應(yīng)力 即以新板的疲勞壽命為控 制指標 按照美國對已使用2 3 9 年的分離式水泥混凝土加鋪層的損壞調(diào)查 這類加 鋪層的主要損壞是角隅斷裂和縱 橫向裂縫 其錯臺量較新建水泥混凝土路面少 得多 平均值變動于0 5 6 r m 范圍內(nèi) 1 3 2 舊水泥路面加鋪瀝青混凝土面層 以下簡稱 白 黑 方案 瀝青混凝土加鋪層 土工材料夾層或應(yīng)力吸收層 舊水泥路面 舊路基層 圖1 3 自 黑 罩面結(jié)構(gòu)示意圖 f i g 1 3 w h i t e b l a c k s t r u c t u r a ld i a g r a m 瀝青加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生和擴展直接關(guān)系到采用怎樣的防反射裂縫措施 對舊水泥路面瀝青加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展 目前學(xué)術(shù)界已基本形成共識 一般認為交通荷載和環(huán)境溫度荷載是引起瀝青加鋪層反射裂縫的主要因素 為了 防治和控制反射裂縫 公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范 j t gd 4 0 2 0 0 2 n 鍆要求 6 第一章緒論 只有當舊水泥混凝土路面的結(jié)構(gòu)損壞狀況和接縫傳荷能力均評定為 優(yōu)良 或 中 時 并且對舊路面存在的進展性裂縫 錯臺和板底脫空等病害進行修復(fù)后 才能加鋪瀝青面層 瀝青加鋪層設(shè)計的重點在于防治和控制反射裂縫 為此 國內(nèi)外學(xué)者進行了 大量理論分析研究和試驗路的鋪筑 美國聯(lián)邦公路局 f h w a 于1 9 7 0 年提出了 一個減少瀝青加鋪層反射裂縫的研究計劃n e e p 一1 0 該計劃包括幾個方面的研究 內(nèi)容n 8 1 蝴 加鋪層厚度 瀝青的稠度 瀝青混合料中的外摻劑 加鋪前對舊混凝 土路面的處理及應(yīng)力消解層等 1 9 8 8 年美國瀝青協(xié)會 a 1 對減少反射裂縫的幾 種措施總結(jié)為 在加鋪前對水泥混凝土路面板斷裂及穩(wěn)固 對瀝青混凝土加鋪層 鋸縫和填縫以及瀝青混合料外摻橡膠粉均有很好的效果n 毛塒 國內(nèi)長安大學(xué) 東 南大學(xué) 同濟大學(xué) 長沙理工大學(xué) 華南理工大學(xué)等高校及一些科研單位從上世 紀9 0 年代開始也先后開展t a n 鋪層防反裂縫措施的理論研究 并結(jié)合實體工程 鋪筑了大量的試驗路 這些試驗路基本包含了以下幾種主要防治反射裂縫的 措施 增加瀝青加鋪層的厚度 改善瀝青加鋪層材料組成 采用土工合成材料夾 層 設(shè)置應(yīng)力 位變吸收薄膜夾層 斷裂穩(wěn)固舊混凝土板 鋪設(shè)大粒徑瀝青混合 料和級配碎石裂縫緩解層 以及在瀝青混合料中摻入纖維等阻裂材料 對舊水泥 混凝土路面板進行灌漿處理等 增加瀝青加鋪層的厚度 通過增加瀝青加鋪層的厚度來延緩反射裂縫的產(chǎn) 生 這種方法在早期加鋪瀝青面層的工程中應(yīng)用較為普遍 增加厚度可以明顯增 加路面的整體彎曲剛度 減少在交通荷載和溫度荷載作用下加鋪層底部接縫處產(chǎn) 生的應(yīng)力 增加加鋪層厚度相對延長了反射裂縫的路徑長度 從而延長了反射裂 縫的反射時間 延長了路面的使用壽命 但當厚度增加到一定的程度后 所產(chǎn)生 的效果就不再明顯且不經(jīng)濟 所以這種方法并不可取 通常情況下不采用直接增 加厚度的方式進行瀝青面層的加鋪 美國俄亥俄州的試驗表明 即使采用1 2 7 c m 的瀝青混凝土罩面層 在不到一年的時間內(nèi) 瀝青面層已出現(xiàn)反射裂縫 美國公 路協(xié)會的研究報告指出 無論是4 c m 的薄面層 還是厚達2 5 4 c m 的特厚瀝青混 凝土面層 都出現(xiàn)不同程度的反射裂縫 另外研究還表明 當瀝青面層的厚度在 1 2 鋤以內(nèi)時 增加瀝青面層的厚度可以在一定程度上起到延緩反射裂縫的作用 當超過這一厚度時 再用增加瀝青面層厚度的方法防治反射裂縫既不經(jīng)濟 而且 效果也不太好 改善瀝青加鋪層的材料組成 這里改善材料的組成主要是指改善瀝青的特性 和改善混合料中各集料的組成級配 現(xiàn)在道路改性瀝青一般是指聚合物改性瀝 青 共分三類 熱塑性橡膠類 如苯乙烯一丁二烯一苯乙烯 s b s s b s 具有良好 的變形自恢復(fù)性和裂縫的自愈性 橡膠類 如丁苯橡膠 s b r 它是世界上應(yīng)用 第一章緒論 7 最廣泛的改性劑之一 樹脂類 如乙烯一乙酸乙烯脂共聚物 e v a 聚乙烯 p e 等 其中 s b s 的高溫 低溫 彈性恢復(fù)性能 感溫性無論從哪方面講 都有非 常突出的優(yōu)點 是p e 和e v a 所無法比擬的 p e 僅僅在高溫穩(wěn)定性方面顯示出較 好的效果 但相比s b s 還有很大的差距 e v a 的高溫穩(wěn)定性不如p e 然而低溫性 能較p e 要好 但不如s b s 因s b s 具有其它改性劑無可比擬的優(yōu)點 近年來我 國改性瀝青主要以s b s 為發(fā)展方向 應(yīng)用其抵抗瀝青混合料的高溫車轍 低溫縮 裂 并達到變形的自恢復(fù)和裂縫的自愈目的 為了更好地發(fā)揮s b s 的各種優(yōu)良性 能 其合理的劑量應(yīng)為3 5 瀝青馬蹄脂碎石 s m a 在實際工程中的應(yīng)用越來越廣泛 它屬于粗集料斷 級配密實性瀝青混凝土 空隙率為2 4 其中瀝青通常使用s b s 改性瀝青 這種瀝青混合料的特點是三多一少 即粗集料多 礦粉多 瀝青用量多 細集料 少 與傳統(tǒng)的瀝青混凝土相比 s 撇具有以下優(yōu)點 首先具有良好的表面功能 抗滑性能 抗車轍性能 噪音小等特點 其次還能提高路面的抗變形能力 且維 修養(yǎng)護工作量少 使用壽命長等優(yōu)點 同時還可以減薄表面層的厚度 最近 沙 慶林院士提出了一種新型的路面結(jié)構(gòu) 碎石瀝青混凝土 s a c 它同樣是一種骨 架密實性結(jié)構(gòu) s a c 具有空隙率小 耐久性好 表面構(gòu)造深度大 抗滑及抗變形 能力強等優(yōu)點 在實際工程中逐漸得到認可 采用土工合成材料夾層 土工合成材料主要包括土工織物和土工格柵兩大 類 其中土工織物包括聚丙烯或聚醋 聚酯織物和聚乙烯 聚丙烯或聚醋無紡織 物 無紡織物厚度為0 4 m 4 m 模量為1 0 m p a 1 6 0 m p a 臨界應(yīng)力5 m p a 2 0 m p a 臨界應(yīng)變4 0 1 4 0 織物的厚度較薄些 為0 4 m m o 7 m m 模量則高些為 4 0 0 m p a 一 1 5 0 0 m p a 臨界應(yīng)力和應(yīng)變相應(yīng)為4 0 m p a 一1 4 0 m p a 和8 1 5 而織 物由于模量稍高 可對加鋪層起少量加筋作用 而土工格柵包括聚丙烯或聚醋土 工格柵 玻璃格柵和金屬格柵 土工格柵的厚度為0 8 m m 1l m m 模量為9 0 0 m p a 2 5 0 0 m p a 臨界應(yīng)力和應(yīng)變與織物相近 金屬格柵的厚度為2 咖 4 姍 其模量可 達到8 0 0 0 m p a 1 0 0 0 0 m p a 剛度大的夾層對于降低加鋪層內(nèi)因溫度下降而引起的 應(yīng)力和應(yīng)變的作用不如軟夾層 但對于降低荷載產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變的作用則遠大于 軟夾層 采用復(fù)合式夾層 下層為應(yīng)力吸收層 上層為金屬格柵 雖然可以像 軟夾層那樣減少溫度引起的反射裂縫 但仍保留了軟夾層不能降低加鋪層荷載應(yīng) 力的缺點 2 蝴 近些年將土工合成材料用于路面夾層的工程實例 為防治反射裂縫提供了很 好的技術(shù)選擇 自從2 0 世紀7 0 年代初 土工布 玻纖格柵等土工合成材料就開 始在國外的道路和機場跑道的加鋪和改造中用于防治反射裂縫嘛捌 比如 比利 時在1 9 8 5 1 9 8 9 年期間開始在e r q u e l i n n e s t o u r p e s 和w e p 量o n 等1 3 個地區(qū)大 8 第一章緒論 面積應(yīng)用土工布來防治加鋪層反射裂縫洶1 8 0 9 0 年代 美國的德克薩斯州 賓夕法尼亞州和密西西比州也分別鋪筑了土工布或土工格柵的多條試驗路 并對 加鋪層反射裂縫發(fā)展情況進行了長期觀測 近1 0 多年來 在我國許多省市的 公路與城市道路舊水泥路面瀝青加鋪改造中也大面積使用了土工合成材料來防 止加鋪層的反射裂縫洶1 由于各地的原有道路的狀況 交通組織 施工水平等條 件存在的差異 土工合成材料在各路段防治瀝青加鋪層反射裂縫的效果也不盡相 同 設(shè)置應(yīng)力 應(yīng)變應(yīng)力吸收薄膜夾層 s a m i 常用的s a m i 有橡膠瀝青應(yīng)力吸 收薄膜 道路專用燒毛土工布等 s a m i 具有如下特性 s a m i 設(shè)置在舊水泥混凝 土路面與瀝青加鋪層之間 一是采用的粘結(jié)材料如橡膠瀝青或其他改性瀝青等粘 層油的抗剪強度應(yīng)滿足層