资源描述：
《旧水泥混凝土道面沥青罩面改造的病害及处置技术研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
分类号:TB310710-2013231009专业硕士学位论文旧水泥混凝土道面沥青罩面改造的病害及处置技术研究杨婉怡导师姓名职称李炜光教授专业学位类别申请学位类别硕士材料工程及领域名称论文提交日期2015年5月8日论文答辩日期2015年6月11日学位授予单位长安大学 ResearchondiseaseandtreatmentoftheasphaltsurfacereconstructionofoldcementconcretepavementADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：YangWanyiSupervisor：Prof.LiWeiguangChang’anUniversity,Xi’an,China 摘要为促进国民经济的持续发展，基础建设投资规模持续增大，由于水泥混凝土具有众多优点，我国路网工程以及机场道面以水泥混凝土为主，但在使用中暴露出了很多问题，采用沥青罩面加铺方式是解决现有问题的有效手段。本文分析了旧水泥混凝土道面的病害类型及处理方式，分析了沥青加铺结构的反射裂缝形成机理、类型、成因及处理方式，利用ABAQUS软件进行了有限元分析，以张开型裂缝为例，探究了应力强度因子随参数的变化规律。进而针对非荷载裂缝病害形成机理，提出利用增强型沥青材料作为加铺罩面层的预养护方式，针对现有普遍使用封层材料的缺陷，提出采用双层撒布增强型沥青材料用于表面微小裂缝的处置手段，并对比了水性、油性增强型沥青层的特性。油性增强型沥青材料的功能性较强，在满足新罩面行驶能力的同时，使得原有路面结构的整体性提高；而水性增强型沥青材料不仅能节约原料，而且其主要组成材料为水，因此不会污染环境，是较为优良的绿色资源。针对某民用机场跑道开展了沥青加铺层病害的试验分析，将机场作为一工程应用实例进行现场试验，运用先进的雷达探测技术，测试道面区域中不同位置的隐性病害问题，根据不同病害的位置和破损程度，采用不同的加铺方案，对未发现结构性病害区域，采用表面预养护方式的技术建议。关键词：沥青罩面，裂缝，ABAQUS，预养护方式，雷达探测I AbstractInordertopromotethesustainabledevelopmentofthenationaleconomy,thescaleofinfrastructureinvestmentcontinuestoincrease.Sincetheconcretehasmanyadvantages,China'sroadnetworkprojectaswellastheairportpavementusedthecementconcrete.Butwiththeuseofthistypeofpavement,itexposedalotofproblems.ThewayofusingasphaltcoversurfacePavingisaneffectivewaytosolvetheexistingproblems.Thispaperanalyzedthetypesofdiseasesandtreatmentonoldcementconcretepavement.SimplefiniteelementanalysisusingABAQUSsoftware,especiallyexplorestheopentypefracture,andthechangingruleofthestressintensityfactorisstudiedwiththeparameters.Aimtotheformingmechanismfornon-loadcrackdisease,proposedtheuseofenhancedasphaltmaterialaspre-curingmethod.Thewidespreaduseofthegeneralmaterialexistingdefects,proposedtheuseofdoublespreaderreinforcedasphaltmaterialforsurfacemicrodisposalmeanscracksandcomparedthecharacteristicsofwater,oilreinforcedasphaltlayer.Theoilinessofenhancedasphaltmaterialhashigherfunctionality;itcanmeettherequirementsofdrivingabilityandimprovetheintegrationofroad.Thewatersolubilityofenhancedasphaltmaterialismadeinwater,itcansavetherawmaterialandtoprotecttheenvironment.Soitisgreenresourcesabsolutely.Aimtoacivilairportrequirementsofthebitumencover,researchingthediseaseofbitumenpavementwiththeGroundpenetratingradar.Choosingoneairportpavementasanexampleanddetectingtherecessivediseaseindifferentcoresamplesinthisroad.UsingofadvancedradartechnologytorecessivediseaseproblemsatdifferentlocationsinthetestareapavementAccordingtothelocationanddegreeofthediseaseandoffertheeffectivetreatmentmeasure.Usingpreventivemaintenancemeasurestodealwiththeareaofnodisease.Keywords:Asphaltcover,Crack,ABAQUS,Pre-curingmethod,RadardetectionII 目录第一章绪论..............................................................................................................................11.1概述及目前存在的问题..............................................................................................11.1.1概述.....................................................................................................................11.1.2存在的问题.........................................................................................................31.2国内外白改黑改造工程研究现状..............................................................................41.2.1国外研究现状.....................................................................................................41.2.2国内研究现状.....................................................................................................51.3本文主要研究内容......................................................................................................6第二章旧水泥道面病害特征及处置技术............................................................................82.1旧水泥混凝土道面使用状况......................................................................................82.2水泥混凝土道面使用评价体系..................................................................................92.3旧水泥道面病害特征及处置技术............................................................................102.3.1裂缝类损坏.......................................................................................................112.3.2变形类损坏.......................................................................................................112.3.3接缝及其周围损坏...........................................................................................122.3.4表面损坏...........................................................................................................132.4旧水泥道面处理........................................................................................................142.4.1道面局部病害处理...........................................................................................142.4.2旧水泥混凝土道面的修补...............................................................................142.4.3直接加铺法.......................................................................................................162.4.4断裂稳固法.......................................................................................................16第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究..............................................................................173.1沥青罩面改造病害....................................................................................................173.1.1新旧界面问题...................................................................................................173.1.2基层结构平整度问题.......................................................................................183.1.3反射裂缝问题...................................................................................................183.1.4非荷载碾压区域裂缝.......................................................................................183.2反射裂缝产生机理及影响因素................................................................................183.2.1产生机理..........................................................................................................183.2.2影响因素..........................................................................................................203.3反射裂缝扩展模式及防治措施................................................................................213.3.1纵向扩展...........................................................................................................213.3.2横向扩展...........................................................................................................223.3.3防治措施...........................................................................................................223.4沥青罩面反射裂缝应力强度分析............................................................................24III 3.4.1ABAQUS概述..................................................................................................243.4.2裂缝尖端应力强度因子..................................................................................253.4.3有限元模型和基本参数..................................................................................263.4.4应力强度因子影响成因分析..........................................................................273.5非荷载裂缝的产生及防治........................................................................................313.5.1非荷载裂缝的产生...........................................................................................313.5.2非荷载裂缝的防治...........................................................................................323.6非荷载裂缝的养护改善研究....................................................................................333.6.1油性增强型沥青材料的制备与施工..............................................................333.6.2水性增强型沥青材料的制备与施工..............................................................38第四章沥青加铺层病害及处治技术应用实例..................................................................454.1工程概况....................................................................................................................454.2病害分析....................................................................................................................454.2.1工作原理和检测方案........................................................................................454.2.2雷达图谱的分析...............................................................................................464.2.3工程实例病害结果分析...................................................................................484.3加铺方案及处置效果................................................................................................514.3.1未出现明显破损...............................................................................................514.3.2一般性破损.......................................................................................................524.3.3需要补强型破损...............................................................................................524.3.4严重破损...........................................................................................................53结论与展望..............................................................................................................................54结论...................................................................................................................................54展望...................................................................................................................................55参考文献..................................................................................................................................56攻读学位期间取得的研究成果..............................................................................................59致谢..........................................................................................................................................60IV 第一章绪论第一章绪论1.1概述及目前存在的问题1.1.1概述最近几年，中国国民经济体系发展迅猛，我国的机场道面建设项目作为一个关键的方面也随之发展壮大。水泥混凝土道面之所以能够成为中国高等级机场道面的主要结构并广泛应用于各类型的道面构建之中，是因为其强度较高、刚度很大且耐久性良好等多方面的优点。中国的机场建成发展了几十年，其规模已经开始形成，其密度也逐渐增加，其服务能力也在不断提高。随着现代化程度的大幅度提高，中国已经初步建立了具有自己特色的机场体系。大部分机场道面的建成和发展基于交通运输市场需求，形成了适应我国国情的初级道面体，为了促进和指导国民经济体系的发展、加强国防建设、维护国家安全，起着重要的作用。水泥混凝土道面显而易见的缺陷包括：路面的裂缝、抗滑性差、耐磨性不高等；由于横向裂缝比例较大，因此难以灌封，而且修补后效果甚微，当水侵入路面时，导致基层的破坏，当基层出现问题一段时间后，面层会逐渐破坏，道面损坏后修复难度大。改革开放前建设的水泥道面大部分达到使用的最高期限，因此出现无法避免的结构性破坏和功能性损伤，这严重影响了道面的使用性能，而且不能及时维护，导致破坏现象愈加严重，使得工程造价逐年提高。此外，飞机交通量的日趋提高，重载化现象严重，越来越多的水泥混凝土道面在使用后的短短几年当中会出现不同程度的老化现象、板块断裂、[1]局部沉降、破损开挖回填后强度较低而造成破坏等各种严重病害。因此，大量已经修建完成的机场道面都会面临重修改造的艰巨任务，这是无法避免的现实状况。目前，机场道面的路面结构主要类型有沥青混凝土和水泥混凝土两种，比较普遍用于使用的是水泥混凝土道面。两种类型都有各自的优点和缺点，与水泥混凝土道面相比，[2,3]沥青道面具有更为明显的优越性。（1）沥青道面的结构特点比较优越，满足日常的行车要求且平整度良好；具有优越的行车舒适性；在防滑、降噪、降尘等评价指标上比水泥道面超出很多；在能源消耗方面、使用性能、环境效应等方面具有一定的优势；水泥混凝土道面上存在横向和纵向的裂缝，因此在驾驶过程中影响舒适性。（2）沥青道面的设计使用寿命一般为十几年，但是由于沥青本身的特点，高温易1 长安大学硕士学位论文软化，低温易开裂，所以容易出现车辙的现象，必须经常需要表面的整修和维护。水泥混凝土道面的强度较高，耐磨性较好，而且其平整度较高，所以比沥青道面的设计使用[4]寿命要长。但是并不能通过这些优势体现出水泥混凝土的优越性。（3）水分从水泥混凝土道面表面的裂缝侵入表面层板底，会对路基造成侵蚀，最后导致基层的破坏，若持续下去会造成面层的损伤。道面损坏后再进行修补难度极高，尤其是进行白改黑工程之后，道面的再修复和再建设很有难度。采用热拌热铺或者雾封层撒布等方式修补沥青道面，可以降低整体的修补难度而且过程简单易操作。水泥道面的维修工期较长，在修补过程中对整个道面的管理影响很大。（4）沥青道面对基本原材料的要求标准比较高，例如石料的特性等，在对道面进行改造的过程中对施工人员、施工用机械和工艺等的要求要远远高于水泥道面的要求；水泥混凝土道面施工选材的过程相比于沥青来说比较简单，因此应用广泛。经验成熟，经济效益良好，且水泥厂在全国范围内设立较多，在拉动内需的同时活跃我国的经济发展水平。最近的20年内，石油工业进入大势发展阶段，沥青道面也随之发展起来，特别是沥青混凝土在能源消耗及环境保护等方面的社会效益较为优越，使得其发展的形势越来越好，新技术的不断出现，使用范围广泛，越来越多的应用于机场建设中。国民出行的频率增加，道面的使用率也在不断上升。在改革开放之前建设的多数机场不能满足当前我国交通运输的需求，重新修建改造机场道面的任务很艰巨，机场道面所选用的主要建筑材料一直是水泥混凝土，多数已经使用了几十年，目前还处于扩展的状态之下。大型客机和货运飞机的使用量增多，交通量的年平均值呈线型递增趋势，过度使用机场道面会导致严重的道面破坏现象。局部修补水泥混凝土道面，不仅成本很高，而且水泥混凝土的龄期较长，加剧了机场使用率的降低现象。若能在小规模挖除原水泥混凝土道面的前提条件下，对破损道面进行及时的修复，对增强机场道面的交通通行能力有着相当重要的意义。[5]一种典型的补强方法，既在旧水泥混凝土道面上加铺沥青罩面层。这种形式的路面结构具有两种路面材料的共同特点，不仅充分发挥了原有水泥道面坚实稳固的特点，同时也满足了平整度较好的面层具有良好的抗滑性能。因此研究沥青罩面技术极具意义，这个研究方向不容小觑。2 第一章绪论1.1.2存在的问题国内外的试验学者探究发现，在白改黑的施工工艺过程中有多种多样的病害形式，其中反射裂缝是问题较为集中的地方。整修沥青道面的过程要比水泥混凝土道面简单的[6]多，通常采用以下三种方式：路面翻修，即清除原路面板后再加铺面层；白加白工程；白加黑工程。混凝土的龄期为28天，若将水泥混凝土道面用于现今使用率极高的机场中是十分不明智，也是不可取的，这样会导致道面通行能力下降，这种修补下如果产生病害，会大大提升养护维修的困难性。白加黑工艺普遍应用与水泥混凝土路面，而且摊铺成本较低，在改建机场道面时作为首选方案。白加黑工艺的施工期短且施工简单，在不影响交通环境的条件下，使得原有道面的通行能力快速有效的提高。在评价路况等级时得到的[2]结果为差级，应选择沥青混凝土作为罩面层。事实虽然如此，我们还应在采用白加黑工艺改造的过程中，注意以下几方面的内容：（1）美国、加拿大、日本等其他国外的一些地区很早就展开了对原有水泥混凝土路面状况的调查和研究，深入研究水泥混凝土路面状况评定的标准和方法之后，形成了一些具体的方法和标准。由于不同国家的路面状况不一样，参与试验的人员意见也不同，因此建立起来的具体标准局限性较大。（2）对于旧板与板间存在微小台阶状态下的沥青层损伤问题和板间脱空，不能反映在现有理论模型的设计中。旧水泥混凝土面层在裂缝和接缝周围发生大位移后，导致上层沥青罩面产生应力集中的现象，由于模量不同而受力的大小不同，在路面板上出现[6]由下向上扩展的裂缝，这种情况与旧道面的使用状况相关。分析其过度的拉应力和剪应力不能很好的说明相邻接缝对沥青罩面的破坏问题。（3）国内道路工程界为了解决沥青路面的开裂问题，进行了大量的试验研究。探究了沥青路面的开裂机理、失效模式、路表温度收缩效应等路面问题，还有沥青材料的基本参数及使用选择问题。但对温度型和荷载型的反射裂缝缺乏系统的力学分析，在今后的发展过程中，应该继续深入研究各种防治反射裂缝的措施及试验工程实例。（4）评估测试方法的预防和控制。尽管国内外的学者已经进行了广泛的探究，但是多数试验探究的是正荷载的效应和同温度共同作用的综合效应对反射裂缝的影响。没有涉及偏荷载的影响。在室内进行试验的时候，不能将板体横向传递荷载的效应过程进行很好的模拟，只有足尺试验可以仿真模拟板体效应。（5）旧水泥混凝土路面评价方法基于反射裂缝的问题。虽然这个问题现今已经被3 长安大学硕士学位论文人们所重视，但是并没有任何关于这个问题的解决方法和报道。我国同济大学孙立军在研究这个问题的时候给出了一个评价的标准，但是没有观测结果的验证。然而，这个问题涉及的范围很多，包括如何处理旧路面板、选择合理有效防止反射裂缝的措施、选择优良的罩面材料、创新简便的施工工艺方法等。因此，对这个问题的研究迫在眉睫。（6）反射裂缝问题。温度和荷载应力是反射裂缝产生的原因，其随温度的变化、材料的选择、交通量的状况和旧道面的破损等等的方面的变化而变化的。产生机理很难确定，产生时间也不能控制。由于上述各方面的难题，采用白加黑工艺处理旧路面改造设计方法至今未能形成较为成熟的设计方法。这些问题一直困扰着路面研究者，多年来一直不断的摸索和探寻，他们试图找出一种可以满足经济效益和社会效益的最优方式。1.2国内外白改黑改造工程研究现状1.2.1国外研究现状国外对于加铺改造技术的研究比较早，从上个世纪开始，国外交通界就对水泥混凝土路面加铺沥青罩面层的问题进行了探索和分析，从处理旧水泥混凝土路面、增加中间层和沥青罩面层厚度三个方面入手。由于各种制约因素，其效果一直不理想。最早得到的结论是，沥青罩面之后的开始几年时间里，原水泥混凝土路面就会产生裂缝，而且不同类型的裂缝发展的趋势有所不同。裂缝病害主要受到气候变化的影响，一般来说，秋季加铺的沥青罩面可以坚持到转年的冬天才会产生开裂，但是春夏加铺的路面层基本上都不能坚持到第二年。几年以后，反射裂缝的发展趋势逐渐相同。美国80年代就已经进行了“白改黑”工程，并且美国运输部联邦航空局颁布了具体的操作规范。国外机场较多且覆盖密度很多，其发展比中国早很多年，机场占地密度是中国的6倍，也就是说美国的一个城市就有多个机场，当机场道面进行养护翻修的时候，可以使用其他机场，但是中国不能如此，因此美国颁布的操作规范并不适用于我国机场路面。所以我国在旧水泥混凝土道面修建改造方面必须根据本国国情，全面分析，制定详细的计划，特别是应急方案。国外的大量试验研究结果都说明，沥青罩面是一种常用且有效的路面改造技术，加固旧水泥混凝土路面的同时支撑新的路面结构。但是，对路面病害的研究却很少，特别是加铺层的病害探究，并没有一个标准的体现来进行具体的规范。大部分还是根据研究人员的经验，设计方案和整修计划。4 第一章绪论在沥青罩面改造过程中，最需要注意的问题就是反射裂缝，这是存在于旧水泥混凝土路面和新的加铺层中的一种破坏现象，由于原有裂缝的不断延伸和扩展，从下向上产生贯穿于整个路面的一种损坏形式。这个现象会直接导致其他病害的进一步发生，例如裂缝周围集料的松散，水顺着裂缝渗入基层等。所以，裂缝生成的越早，则路面的使用寿命越短。基于种种问题，从上世纪开始，美国、法国和加拿大等发达国家先后运用断裂学理论等分析原理，结合工程试验例，探究沥青罩面改造的实施效果。1.2.2国内研究现状同高速公路相比，机场的发展虽然起步较晚，但是发展的速度非常快，目前达到了一个高峰阶段，因此对其道面的改造更应受到重视。预计到2020年底，全国要新建160个民用机场，改造扩建90多个。机场跑道不停航施工即为在保证机场正常运营下，或者夜间停航状况下进去机场跑道飞行区域内，对原有道面进行加铺改造的过程，这是我国目前发展的趋势。上世纪末期在上海虹桥国际机场第一次进行了沥青加铺改造，并在几年的使用期后进行二次加铺。这次改造成功后，又分别在北京、广州、兰州、山东等地进行了相同的“白改黑”工程。从本世纪以来，全国多个机场都已经成功实现了旧水泥混凝土道面沥青罩面改造的实体工程。探究我国道路重建问题，主要局限在补强层厚度的设计和修补改造罩面层，依靠经验来确定罩面的厚度是一个严峻的问题。一般来说，罩面可以大大的改善道面结构性和[6]功能性，用路面状况指数来评定；而补强主要是为了提高路面的结构承载能力。一般来说，罩面层只包含一层，但是补强层可以包含一层、两层或者多层，其设计方法和新建路面相似。但是在具体实践的过程中，罩面层和补强层并没有明显的区别。当罩面层较厚的时候，也就可以起到补强的效果。我国用于应力分析的主要思想是提高沥青罩面层的路表面使用功能，但承载作用很小，旧水泥混凝土路面板作为承载层与普通混凝土路面相似。对沥青层进行有限元分析，可以得到荷载应力与温度应力的修正公式。在计算的过程中，必须首先考虑旧水泥混凝土板本身的特点及标准指标，然后在考虑沥青层的影响，最终可以得到精准的应力结果。在现行规范中，对加铺层结构的要求很多，而且对受力要求比较严格，但是对加铺层功能的要求较少，所以在实际应用的过程中，必须做出修正。目前，我国的《沥青路面设计规范》对上述加铺层并没有明确的设计体系和设计指5 长安大学硕士学位论文标，最近几年，我国在进行铺面工程的时候都是在国外研究成果的基础上，再从不同的[7]角度进行修改和创新。在二十世纪末期，同济大学就已经开始研究有关于加铺层应力计算的问题，随后，国内的其他高校也进行了不同程度的探究，包括东南大学、西安公路学院、空军工程学院等，所用的方法有多种多样，已经可以自成体系。目前国内外常[8-12]用的改造方案有:（1）加铺新水泥混凝土面层。一般来说，重新摊铺的混凝土面层应该控制其厚度在20cm以上，但是这样不仅成本较贵而且对周围建筑物都会有不同程度上的影响，使得道路网的衔接出现障碍，而且水泥混凝土路面养护龄期为28天，摊铺之后在一段时间内不能开放交通，这样极大的妨碍了出行，难以在广泛应用与城市道路改建中。（2）旧水泥混凝土道面翻修。在翻修的过程中，破碎、运输和废弃旧板都会提高工程造价，还会影响开放交通的时间和环境，若在机场中使用这个方法难度较大。（3）新摊铺的沥青罩面层功能性良好，有效改善行车舒适性。所以，白改黑工程具有良好的经济效益与社会效益：a.把旧水泥道面作为组成新铺筑道路的一部分结构，节约了工程材料，降低了工程造价。b.施工期短，施工组织简便，对交通的影响小。c.旧水泥混凝土道面的强度高，巩固了沥青罩面的结构强度，有效抵抗飞机这种重型交通荷载产生的车辙现象。d.提高道面结构整体性和平整度，改善行驶中的舒适性和安全性。e.减少道面噪声和扬尘，杜绝工程废物和垃圾，环保效益。所以，该方法在大量应用于国内外的改造工程中。研究结果表明：在水泥混凝土道面与沥青罩面层之间加铺沥青应力吸收层可以吸收裂缝尖端的集中应力，加强层间的粘结作用，防止反射裂缝的生成。1.3本文主要研究内容机场道面的要求标准很高，其平均年荷载量要远远大于城市普通公路的荷载量，所以其道面有所不同。日常交通量的繁重，大型重载货运飞机、客机的行驶，昼夜不停的高频率使用，占地面积较宽、较长等，这些在公路上都是所没有的。现今对机场道面罩面的技术研究差强人意，包括施工材料的不足、设备的不先进、技术的不完善等。大部分机场道面就修建完成，但是短期内又需要局部整修。针对以上6 第一章绪论问题，本课题主要研究以下几个方面：（1）旧道面结构性能的评估铺筑沥青罩面层之前的一个重要环节是，调查并评价旧道面的结构状况和破损情况，这样能够有效避免反射裂缝的产生，提高罩面的成功率。在分析沥青罩面层中产生的应力之前应了解旧道面的结构，也可以分析出对反射裂缝的影响。（2）反射裂缝的防治与控制为了获得层间剪应力的分布规律和有效防治反射裂缝的理论指导，必须深入分析沥青罩面与旧水泥混凝土道面的层间应力和反射裂缝的形成机理。通过对反射裂缝产生机理的分析，掌握影响其发展的各项因素，最终采取有效的防治措施。利用ABAQUS软件进行有限元分析，简单的对张开型裂缝进行解析计算和软件分析计算，并浅析应力场的奇异性。选取固定参数后，通过ABAQUS软件，改变简单的参数量，分析应力强度因子随其变化的规律。（3）罩面层的养护方式加铺后的面层在经过一段时间的使用，除了出现由于荷载等因素影响而出现病害问题，很大一部分的道面都是由于长期不使用，不受到车轮碾压而导致路表面微裂缝的向下延伸而造成路面整体性的破坏。采用双层撒布的方式进行养护，该方法可以充分发挥材料的自身特性，而且可以使下面层起到加固基层、提高路面平整度的能力。而长期暴露在环境中的上面层，选择特殊的材料来增强抵抗紫外线的能力，同时增强路面的抗滑能力，极大的提高了行驶的安全性和舒适性。而且探究两种不同类型的增强型沥青材料，具有其各自的特点。对比油性和水性沥青材料的原材料组成，油性材料更偏向于探究其优越的功能性，而水性材料则突出的其环保特性，具有经济效益和社会效益。（4）加铺沥青层路面隐性探伤的研究探究了加铺后的沥青层路面可能会出现的多种破损现象，运用先进的雷达探测技术，对沥青道面不能直接发现的隐性病害进行研究。具体选取了山东某机场的一段试验道面作为工程实例进行分析，通过雷达探测技术进行现场测试，可以准确找出道面的某些隐性病害，发现其具体的存在位置及病害的特征，对症下药提出维护办法，给“未病”的维护及防治提供基础，这也是预防性养护的基础和先决条件。并且根据旧水泥混凝道面破坏程度的不同选择是否对原道面进行处理，并铺筑符合具体情况的加铺层，该工程实例的分析有助于罩面改造的病害分析，有着非凡的意义和广阔前景。7 长安大学硕士学位论文第二章旧水泥道面病害特征及处置技术为了延长沥青罩面的使用寿命，首先必须尽可能避免出现反射裂缝，国内外的试验学者们进行多方面的研究和探索，希望能够发现减少反射裂缝生成的方法并得到理论分析依据。但是，旧路面的类型、状况、周围的环境因素和试验过程中不同措施的铺设方式，使得试验测试结果往往与材料的性能结果相矛盾。这是因为，在沥青罩面之前没有[13-15]深入的进行现场调查评价。所以，调查监测原有路面的状况是科学分析路面养护决策的重要前提，只有这样才能提出更为合理的养护方案。必须投入更多人力、物力和财力在设计改建的方案之中，才能深入细致的调查分析，最终得到最优结果。2.1旧水泥混凝土道面使用状况调查路面状况的评定指数，一般来说包括：路面的破损、结构承载能力、行车质量、[16-18]表面抗滑能力和交通状况等多方面内容。应该从两方面分析水泥混凝土路面使用状况评价：使用性能和结构性能。路面结构[19]评价的技术指标有：整体弯沉、接缝传荷系数和地基弹性模量。使用性能评价的指标有：平整度、路面破损率、构造深度等。路面使用性能由服务能力指标评价，特别强调表面功能指数，表现为驾驶的舒适性和安全性。其效果评估侧重于路面的使用功能，也就是说驾车员或乘客对行车过程中的满意度，从这个角度来说，道路使用者主宰路面的使用性能。工程师更为关注的重点是路面的结构性能评价，因为这个结果才是分析结构[20-21]承载能力和受力状况的主要因素。上述两种评价之间的关系是相辅相成，互相补充的，但是绝不能相互转换。即使当前的使用性能指标良好，若想得到一个对路段整体的真实评价，必须综合上述两个方面。路面结构性能指标主要评价承载力，当使用性能指标低于规范标准时，必须进行结构评价，如果路面结构性能指标合格，则加铺功能层即可；若结构承载能力不足，则必须重建或补强。这些具体决策都要经过路面使用状况评定后才能进行。为了满足承载能力和使用寿命的要求，进行路面状况评价才能了解并判断道路的等级、结构和损坏情况，只有这样，才能保证后续工作顺利的完成，确定整修的措施和方案，制定合理有效的计划，更好的进行沥青罩面的改造。8 第二章旧水泥道面病害特征及处置技术2.2水泥混凝土道面使用评价体系（1）路面状况指数（PCI）路面破损主要包括4种类型：裂缝类、变形类、松散类和其他类。在反映路面结构的完整性时，应用其规范的评价模型，即采用综合指标和分项指标来共同评价。0.412PCI=100-15DR式中：PCI-路面状况指数；DR-路面综合破损率；PCI模型是不考虑平整度对路面破损影响的函数，而PSI模型则是不考虑裂缝对路[22]面破坏的影响。表2.1路面破坏状况评价标准评价指数优良中次差路面状况指数PCI>8570-8555-7040-55<40（2）路面结构承载能力在测定各结构层厚度和模量、接缝传荷能力及板底脱空之后，才能更有保障的调查结构承载能力。调查的方法包括：无破损测定法，无破损和破损结合法。一般来说，在试验室中都以结合法的测定结果为主要依据，这样才能得到更好的结果并进行分析。（3）路面行驶质量评定引入平整度评价指标来作为是否需要调平层的依据，是因为路面使用功能的特性与平整度相关。路面行使质量采用行使质量指数（RQI）进行评定，它同路面平整度指数[23]（IRI）之间的关系如下：RQI=101.5-0.75IRI式中：RQI-路面行驶质量指数,数值范围在0~10；IRI-国际平整度指数,与平整度标准差的关系为σ=0.6IRI；表2.2行驶质量等级评定标准评定等级优良中次差使用质量指数RQI≥8.58.4-7.06.9-4.54.4-2.0<2.0连续式平整度仪测得的数据作为路面平整度的标准；摆式仪测得的摆式系数作为抗滑系数的标准。用其它仪具时，应建立相应的换算关系式。（4）路面表面抗滑能力9 长安大学硕士学位论文路面抗滑性能的重要指标之一就是保证车辆的安全行驶，用路面微观结构和宏观结构来表现路面抗滑性能。微观结构就是一个集料表面纹理和粗糙度，是路面抗滑阻力的基本保证，在没有积水的路面上，车速很低的条件下起作用。宏观结构就是集料之间形成粗糙纹理，其主要功能是快速消除轮胎与路表面的积水，增加轮胎附着力，保持高速行驶过程中的抗滑阻力。表2.3路面抗滑能力等级评定标准评定等级优良中次差构造深度（mm）≥0.8<0.7-0.60.5-0.40.3-0.2<0.2抗滑值SRV≥6564-5554-4544-35<35侧向力系数SFC≥0.550.54-0.450.44-0.380.37-0.30<0.30（5）交通的状况调查目前大部分被破坏的水泥混凝土路面跟交通负荷密切相关，其中特别要指出的是车辆的超载。水泥混凝土路面对超荷载的反应比沥青路面敏感很多，基于累计当量轴次计算，反应在设计水泥混凝土路面和沥青路面的过程中。超载一倍，沥青路面的等效轴载超过四倍，而水泥混凝土路面累计当量轴次为十六倍。根据这个数据，可以说明，水泥混凝土道面对超荷载的敏感性更为强烈，超负荷的重型车在行驶几次之后就会造成路面的开裂，特别是水泥混凝土路面。所以，调查重型货车和客车的交通量是交通调查的重点，尤其要总结出超载的比例。2.3旧水泥道面病害特征及处置技术在日常使用时，旧水泥混凝土路面会出现裂缝、沉陷、板底脱空、板面破裂等各种病害，所以需要对旧水泥混凝土道面进行处治之后，才可以铺筑沥青罩面层，以确保整[7,18,24]修后水泥混凝土路面的路用性能。根据不同的路面损坏特点，可将混凝土路面分成4个大类损坏：（1）裂缝类：断裂裂缝分割路面，造成路面结构的整体性不完整，贯穿整个面层并分裂成多块；（2）变形类：在垂直方向出现较大位移，但不影响层板的整体性，行车舒适性较差；（3）接缝损坏类：横向裂缝或纵向裂缝中填缝料失去作用，其接缝附近小范围深度内的混凝土破损；10 第二章旧水泥道面病害特征及处置技术（4）表面损坏类：面层表面或局部损坏。2.3.1裂缝类损坏[21-27]裂缝分为横、纵、斜向裂缝和交叉裂缝。前三种裂缝的特点均是贯穿整体的裂缝，即使初期不能贯通整个路面板，在后期也会逐渐裂开把板块分割。裂缝相互交叉而形成的病害称为交叉裂缝，其不仅仅分割路面板，而且还将其分隔成为三部分以上。图2.1横向裂缝图2.2纵向裂缝图2.3交叉裂缝图2.4斜向裂缝产生裂缝的原因是：a.荷载反复作用下，产生翘曲应力和收缩应力；b.路基渗入水分后被侵蚀产生板间脱空现象，导致路面重复的竖向位移；c.土基和基层强度太低；d.裂缝被拉开以后，不能再传递荷载，在裂缝附近产生集中应力；e.集料粒径、形状不合格，水泥质量不满足要求；f.施工操作不当，养生差。2.3.2变形类损坏（1）错台错台是指接缝两边面板在竖直方向上的位移差。其产生的原因是：a.车辆反复荷载作用下，接缝两侧层板沉陷不均匀；b.由于环境温度和湿度的影响，出现翘曲现象；c.横向接缝处没有传力杆；d.施工操作不当。图2.5错台（2）唧泥板间接缝处存在一部分基层细料和水，当车辆通过的时候，这部分被挤出，因此基11 长安大学硕士学位论文层失料脱空失去整体支持能力。在长期车辆荷载的作用下，路面层板出现断裂。产生的主要原因是：填缝料失效，雨水渗入路基导致不能正常排水。图2.6唧泥（3）拱起因为裂缝处被杂质占满或设置不当涨缝而使得路板不能随着温度的变化而自由伸长，最终横向裂缝两边的路板出现升高的现象十分明显。图2.7拱起2.3.3接缝及其周围损坏（1）角隅断裂一种垂直底部和板角缝隙互相交错的裂缝类型称为角隅断裂。板角裂缝两端的距离不大于路面板长的二分之一。这种现象的破损原因是：基于板角的连续加载无法产生支撑力和翘曲应力。图2.8角隅断裂（2）接缝材料破损水泥混凝土路面的裂缝形式有横向和纵向两种。横向接缝可以分为两种：胀缝和缩缝。在使用的过程中，当气温逐渐升高，胀缝中的填缝料被挤出，当气温逐渐降低的时候，已经失效的填缝料不能在缝中复原。此时形成的空隙使得水泥、砂石和杂物趁机侵入，导致缝隙不能自由伸胀。当积水渗入空隙后，侵蚀路基，造成基层和垫层的破坏，路面板出现不同程度的变形。12 第二章旧水泥道面病害特征及处置技术图2.9接缝处破损缩缝也称为假缝，其变化的程度不大，在经过多次收缩之后会折断最终成为真缝，其中的填缝料会发生老化现象，最后得到跟胀缝一样的严重结果。这种现象产生的原因是：规范不标准，清缝不及时，切缝深度不达标。（3）边、角剥落边、角剥落是指板块的边角15cm内的破损或者宽为60cm的裂缝。图2.10边、角剥落其产生的主要原因是：a.由于裂缝的存在，进入坚硬的杂物之后产生超应力，导致边缘被击碎；b.反复作用的重交通荷载；c.施工设计不合理；d.没有设置传力杆；f.接缝处混凝土强度低。2.3.4表面损坏（1）表面裂纹与层状剥落表面裂纹至在路表面出现，细窄且不深，裂缝类似于网状的纹路。在反复重载作用下，其表层会出现层状剥落，并且深入延伸至6-12mm。其产生的原因是：集料质量较差、水灰比不达标、过度抹面、冻融循环、维护延迟、融化路面冰雪用盐水、发生碱集料反应。图2.11表面裂纹与层状剥落（2）坑洞路面表层出现孔洞状的浅坑。直径一般为2.5-10mm，深为1-5cm。13 长安大学硕士学位论文图2.12坑洞其产生的原因是：a.所用原材料中含有泥块、纸张或者其他杂物；b.施工质量低下；c.车辆金属硬轮的撞击；d.硬物掉落的碰撞。（3）表面起皮（剥落、露骨）处治根据公路等级和表面破损程度的不同情况，在局部进行罩面处理。处理过程中应注意材料的选择和施工工艺的选用。普通公路若发现路面起皮的现象，一般采用的处置方法是稀浆封层；高速公路出现路面起皮的时候，要采用沥青罩面法或者改性沥青稀浆封层的方法；如果面板表层大面积发生起皮的损坏时，则要采用稀浆封层与沥青罩面共同处治的方式加以处理。（4）修补破损修补路面板之后，又再次发生了不同程度和不同形式的破坏。其产生的主要原因是：a.原有病害没有处理；b.修补效果差；c.交通荷载大。2.4旧水泥道面处理2.4.1道面局部病害处理对旧水泥混凝土道面进行系统全面的检测，按照《公路工程质量检验评定标准》[26]（JTGF80/1-2004）对出现错台、裂缝、板底脱空、断板等损坏的地方进行整修处理。在沥青罩面施工前，首先用高压水枪对路面进行清洗处理，避免任何污染物对施工的影响，然后处治旧水泥道面，使之满足设计规范。板底压浆和沥青灌缝都是处治旧水泥道面局部损坏的方法。采用压浆加固法对旧水泥道面板底脱空的现象进行处治，才能进一步对试验路罩面。压浆不仅能够改善板底脱空的现象，还能提高整体的支撑和承载能力。其原理是：基于压浆泵的压力将拌合好的原料从提前在水泥道面上钻好的孔输送到水泥道面的板底，填充其脱空处。在填充的过程中，尽可能压实填充料，使得颗粒之间的水分和空气充分排出，降低孔隙率，提高密实度。当浆液凝固以后，裂缝和添加料被就能挤压胶结成为一个整体。2.4.2旧水泥混凝土道面的修补（1）修补原则14 第二章旧水泥道面病害特征及处置技术铣刨旧水泥混凝土路面之后，然后再在上面摊铺沥青罩面层，可以有效提高粘结强度。对沥青罩面层并没有抗滑性能的要求，其与设计新建路面抗滑性有很大的区别，因此若想成功摊铺沥青罩面，铣刨必须要满足以下原则：经济性。若旧水泥混凝土道面的层间粘结性能良好，只要达到基本的行车抗滑要求就可以，不一定非要进行糙化。铣刨的类型多种多样，但是必须满足适用性。铣刨的主要目的不是外观的美化，而是为了提高就水泥道面和罩面层之间的粘结能力。在大纵坡与急转弯的行车路段中，粗糙程度都比较低。因为这些路段极易磨损，而且在加铺的过程中，罩面层的受力条件很差，所以必须重点铣刨。（2）传统铣刨技术传统铣刨技术多种多样，而且大多使用与普通的水泥道面中。从铣刨技术的操作性和使用特点来分析，在不同地区使用的具有各自特点的方法：A.刻槽处理法这种方法多用于急转弯和大纵坡的地方，其分为三种不同的走向，包括横槽、纵槽和斜槽。刻槽的形状、宽度和槽间距影响路面抗滑性和排水性，深度影响耐久性。但是这种方法的成本较高，所以不适于大范围的使用在道路改建中。B.喷砂打毛处理法用高速运动的钢丸撞击路面，进行打毛，这种方法从本质上改变了路面的微观构造，提高了层间粘结力。在上世纪初，国外就已经运用这个方法处理路面。C.机械凿毛处理法同上述的两种方法相比，其适用的范围较小，国外运用这个方法只能成功处理溜滑路面。90年代我国曾采用该法，但是没成功。D.稀浆封层法以乳化沥青作为原材料，再同砂石、水、添加剂等其他原料混合后得到沥青混合料，摊铺于路面上进行表面处治。其原材料较细，得到的混合料可以很好的粘合在路面上，摊铺效果优良且密实度高、空隙率小，防水性能良好。除了以上几种方法之外，还有几种常见的道面处理法，如：射流打毛法、树脂类材料罩面、化学剂处理法和铣刨恢复法。根据不同的地区和场合，考虑经济效益、社会效益和工程质量等多方面的因素之后，制定合理的方案，选择适合的路面处理方式。提高原路面的强度和整体结构，为进一步罩面大好基础。15 长安大学硕士学位论文（3）水泥混凝土路面罩面的修补技术上述分析发现有些罩面的方法成本过高，而有些方法的技术还不够成熟，因此应用这些办法来进行旧水泥道面罩面不太适合。所以本课题中，采用了一种类似稀浆封层的方法进行罩面养护，并选取了两种材料。在罩面工程中，选用增强型沥青材料作为罩面层的原材料，不仅起到防水和粘结的作用，而且功能性较好。用不同于以往单层撒布的方式，采用了双层摊铺的办法，取得了明显效果，该试验具有以下几个方面的优势：①下子层中的粘层油具有防水的效果，而且下层主要其支撑加固作用；②上子层用砂量较高，可以提高抗滑能力；③下子层与罩面完好结合；④妥善处理出现的病害；⑤减少了污染，具有环保意义。2.4.3直接加铺法（1）加铺工艺适用于板底脱空、板间错台等路面病害中，以及涵洞顶部和桥涵两端。压浆处理旧水泥道面之后，彻底清除横向裂缝和纵向裂缝中的所有杂物。（2）板底灌浆板底灌浆是关键的一步，在整个施工过程中要特别注意以下几点：a.钻孔的位置要控制好，距离不得过大；b.要严格按照配合比选取各种材料，并准确称量；c.要确定水灰比，不能随便更改；d.材料的投入量要适度；e.拌和过程中要防止浆液沉淀；f.在灌浆的时候，要防止溢浆和灰浆反流的现象，必要时可以用圆状木塞封住；g.灌浆孔必须封堵；h.灌浆后禁止车辆通行。2.4.4断裂稳固法用重型压路机压实断裂成为小块的水泥混凝土路面板，充分压实以后，再铺筑沥青罩面层。这种方法可以减少反射裂缝的生成，因为板体受力而产生的位移量较小，但是需要加铺基层。这种方法依然存在一些潜在的隐患，不能完全避免出现反射裂缝。16 第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究进行沥青罩面后的路面是结合了刚性与柔性两种路面结构的一种特殊路面结构形式，因为沥青砼和水泥砼的原材料选择不同，其材料性能也有很大的区别。水泥砼板随着温度的变化有较为明显的变形，当原有的路面板本身就存在缝隙时，就会发生错台、脱空和裂缝等损坏。由于这些破坏现象不断的延伸和扩大，与原水泥道面存在裂缝处相接的罩面层就会受到影响，而出现断裂缝，当这些裂缝横贯整个面层甚至扩展到路表面的时候，我们通常称其为反射裂缝。仅仅是出现反射裂缝，并不能直接导致沥青罩面层的破坏，但是由于裂缝的形成，积水顺着缝隙进入路面甚至到达路基，这个时候就会对基层造成一定程度的侵蚀，出现唧浆反应。所以，在反射裂缝形成的初期，不会明显影响路面的使用功能，对罩面层也是影响甚微，其危害是继发性的，是在使用过程中，受到周围环境的负效应影响，而慢慢显现出来的。特别是在雨季，降水量较多的时候，会浸湿地基，降低整个路面的支撑能力。如果不能及时对开裂处进行修复，则会加剧裂缝的延伸范围和延伸速度，进而影[28-30]响沥青罩面层的加铺和养护，极大的缩短了沥青罩面层的寿命。探究反射裂缝问题，要从其产生和扩展的机理方面直接分析，研究其本质特点和原因，才能准确找出防止反射裂缝的措施。目前国内外的研究人员都致力于反射裂缝产生机理的调查和研究，希望能够找出控制裂缝的关键点。反射裂缝是沥青罩面改造工艺中[31-33]最大的一个难题，至今，仍然没有经济合理的防止反射裂缝的实用方法。3.1沥青罩面改造病害沥青罩面层改造即为“白改黑”工程，是在旧水泥混凝土路面上加铺沥青层而形成的一种复合式路面结构。虽然近几年“白改黑”已经作为一种常用的整修方案，但在使用过程中，还是会出现不同程度的损坏现象。不同于普通的水泥混凝土路面和沥青路面，其所需材料和加铺的结构都会影响病害的产生。根据“白改黑”的特点，简单介绍沥青罩面改造的一般病害。3.1.1新旧界面问题旧水泥混凝土路面在经过车辆反复碾压之后，路面层的集料会松散脱落，导致表面光滑，降低了摩擦系数。当沥青罩面后，若压实度不够或者使用的材料不标准，则沥青面层的空隙率较大，在雨季或表面积水时，水会经由裂缝渗入基层，则在旧水泥混凝路17 长安大学硕士学位论文板与沥青罩面层之间的应力吸收层就会受潮而膨胀，使得罩面层与原路面层之间脱离。路面结合不良的情况下，车辆通过后会产生水平力，使得沥青罩面层和原路面之间受力不均，所以层间结合不良会导致新加铺的沥青罩面层出现推移破坏现象。3.1.2基层结构平整度问题“白改黑”后的路面，其基层就是旧水泥混凝土路板，若该板体的平整度较差，那么整个路面结构的平整度也不高。而且经过车辆反复荷载之后，旧水泥混凝土路面板会出现板底脱空、错台、填缝处胀缩等病害现象，此时的沥青罩面层必然会受到影响，从而引起其他病害情况的出现。3.1.3反射裂缝问题由于原路面板上存在裂缝，当沥青罩面后，裂缝会延伸扩展，最终导致路面的破坏。在本章中会从反射裂缝的产生机理、扩展模式、影响因素等多方面进行具体的分析，而且用ABAQUS建立软件模型进行有限元分析计算。3.1.4非荷载碾压区域裂缝沥青罩面之后，除了产生沉降和由于行车荷载而产生的裂缝等病害外，还会在表面产生一些细小的微裂缝。该种裂缝出现在轮迹线周围的路面区域，这部分路面不能经由车辆的碾压而达到自愈合的效果，所以微裂缝逐渐向下扩展。当向下和向上发展的裂缝同时延伸，最终会造成严重的道面破坏。本章根据这种现象，提出了一种增强型沥青材料的预防养护方式。3.2反射裂缝产生机理及影响因素3.2.1产生机理旧水泥混凝土路面板在接缝或裂缝的周围发生位移而导致上方沥青罩面层的内部出现应力集中的现象，基于这个现象的发生，反射裂缝会频繁出现，因为旧水泥混凝土路面板在接缝或裂缝之间不能顺利的传递拉应力和剪应力。由于周围环境的温度发生变化，旧水泥板在裂缝处出现竖向弯沉，在通过车辆的反复碾压之后，在与裂缝垂直方向相同位置上的沥青罩面层也会出现裂缝，因此，我们称这种裂缝为反射裂缝。所以，整个过程从发生到发展都非常的复杂，而且根据沥青罩面层厚度的不同，反射裂缝发生的[34]时间也不同，厚度越薄，就会越早产生裂缝。不同地区的地理条件不同，季节变化有差异，而且路面结构和等级也不一样，因此，18 第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究温度和荷载是反射裂缝最重要的影响因素。通常情况下，我们把反射裂缝分成两种类型：温度型反射裂缝和荷载型反射裂缝。温度型反射裂缝是由温度变化而引起的，荷载型反射裂缝是由行车荷载引起的。根据具体的裂缝，有针对性的分析其产生原因，才能提出切实可行的解决办法。温度型反射裂缝：其裂缝形态如图3.1a所示。外界环境因素主要是指不停变化的环境温度。以年为单位调查研究时发现，长时间的温度变化，使得旧水泥道面板和沥青罩面层的温度差不大。根据热胀冷缩的原理，随着温度逐渐降低，旧面板产生收缩变形，拉应力发挥作用；当温度升高的时候，旧面板产生膨胀变形，压应力发挥作用。如果以天为单位调查的话，因为时间较短，温度不能快速的传递至整个沥青罩面层，所以直接接触外界环境的顶部，其温度变化较为明显，而底部的温度只在很小的范围内发生改变，所以面层会出现翘曲现象。在温度下降的过程中，沥青罩面层的上层表现为拉应力，而下层则表现为压应力。当温度变化较快时，上层温度的变化明显，产生较大应力，而下层感受温度较为延迟，不能及时体现在应力的表现上，所以受力不均衡，罩面层开裂。图3.1裂缝产生机理荷载型反射裂缝：如图3.1b所示。荷载也就是指行车荷载，当汽车行驶至接缝处时，首先会碾压接缝的一侧，此时，接缝的一侧沉陷，而另一侧基本没有变化，所以两者之间产生较大相对位移，根据这个条件，沥青罩面层中表现为剪切应力；然后汽车继续行进至裂缝的上方，此时，面板之间不发生相对位移，所以沥青罩面层中表现出弯拉应力的效果；最后，当汽车驶离裂缝的时候，裂缝受到碾压，罩面层变现出剪切应力，但是与刚开始的时候方向相反。在汽车行驶路过裂缝的整个过程中，罩面层受到剪切应[35]力和弯拉应力。如果原道面的接缝处设有传力杆，基础支撑能力较好而且没有脱空现象，那么沥青罩面层就不会明显受力。但是，我国现在大部分的水泥混凝土道面均不设有传力杆装置。19 长安大学硕士学位论文即使没有应力集中现象的产生，沥青罩面层在车辆荷载的作用下，也会在接缝和裂缝的位置上发生弯沉现象，既在罩面层中表现为应力，最终还是会出现裂缝，而后延伸扩展至面层，成为反射裂缝。3.2.2影响因素反射裂缝的产生和影响因素主要有以下三个方面的作用。（1）温度应力在温度不停变化的自然条件下，各层路面板中的温度也在不停变化。冬冷夏热的温度梯度使得水泥面板不停的收缩和膨胀，一天之中的昼夜温差会造成面板的翘曲。这些温度的变化都会导致水泥板的变形，在板与板之间的接缝处产生较大的温度应力，最终体现为接缝周围垂直方向或水平方向上的位移。气温较低的时候，水泥板收缩，接缝顶部产生应力集中，此时若温度继续降低则会造成水泥板无法承受压缩极限而破裂，导致上层反射裂缝的大面积延伸。如果温度在较短时间小范围变化的时候，变化的频率较快，板面因来不及收缩和恢复，会产生翘曲应力而出现展开式的裂缝。（2）荷载应力在车辆反复碾压的过程中，旧路面板的裂缝周围会产生弯沉差和较大挠度。沥青罩面层在水平方向上会产生拉应力，而在竖直方向上会产生剪应力。而接缝内部填缝料和沥青材料的相互挤压会造成集中应力，导致水泥路板内部受力不均衡。当水平拉应力和垂直剪切力同时作用的时候，反射裂缝会更快更猛的向其他地方延伸。（3）水的作用在雨季，大量的积水来不及及时排除路面，而顺着裂缝流入基层，当车辆通过之后，在地下形成动力水。若是季冻性的地区，路面底下的残留水会形成冻胀力。如果渗入少量的水，则情况还可以得到控制，但是如果渗入的积水量达到极限，那么道路结构将会飞速破损，不可逆转。（4）其他因素上述所提到温度、行车荷载和降水量都属于环境中的外界因素，也是影响反射裂缝的主要因素。当然，除了这些方面会对反射裂缝的产生造成影响，路面本身的特性也会在一定程度上影响反射裂缝，也是不可忽视的。不同类型因素对反射裂缝的影响如表3.1所示。层间粘结能力和罩面层的厚度对荷载型的放射裂缝影响较为明显，而罩面层[36]进度模量和裂缝宽度等其他方面更容易影响温度型的反射裂缝。20 第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究表3.1反射裂缝影响因素分析表反射裂缝出现的可能性影响因素印象因素变化趋势温度型反射裂缝荷载型反射裂缝层间界面剪切模量增大增加减小沥青混凝土劲度模量增大增加增加罩面层厚度增大减小减小接裂缝宽度增大减小减小旧路面板长度增大增加影响较小旧路面板厚度增大影响较小减小旧路面板刚度增大影响较小影响较小基层（地基）模量增大影响较小影响较小路面材料线收缩系数增大增加不变3.3反射裂缝扩展模式及防治措施传统强度理论认为，当临界应力达到极限时，就会呈现出破坏形态。但是在分析反射裂缝的时候，根据其受力特点和扩展时的位移特征，在发展成为反射裂缝之前经历了一个相当复杂的伸展阶段。最终表现出来的反射裂缝，是经过横向扩展和纵向伸展之后才出现的。3.3.1纵向扩展断裂力学认为，裂缝的扩展可以分为三种基本的类型，如图3.2所示。图3.2裂纹扩展基本类型图3.2中（1）型为张开模式，一般情况下受到的是正荷载作用，也就是受到垂直于裂缝表面的正应力，最终得到的裂纹所产生的相对位移与裂纹本身垂直，该模式主要在变化的温度下而逐渐扩展开来，因此温度型反射裂缝主要表现为张开模式。图3.2中（2）型为滑开模式，与（1）型裂缝不同，该种类型的裂缝大多出现在罩21 长安大学硕士学位论文面层的底部，然后逐渐向上延伸至罩面层的顶部。这种裂缝的成因主要是行车荷载，当反复荷载作用后，出现在底部的裂缝垂直向上延伸。若受到偏荷载的作用，则以剪切的形式扩展。图3.2中（3）型为撕开模式，该类型的裂缝对应于行车荷载下的应力影响，裂缝[37]表面的相对位移平行于裂纹面内部的前缘，受到剪切应力的影响而开裂。所以，现在我国常用水泥混凝土路面的罩面层中出现的裂缝一般为（1）型和（2）型。3.3.2横向扩展反射裂缝的形成是一个继发性的过程，只有当裂缝的长度已经达到了不能控制的时候，也就是说其长度已经大于或者等于整个路面的临界长度，裂缝的扩展非常迅速而且[38]极不稳定。整个路面板的温度基本相同，所以裂缝在这方面的影响不大，但是车辆荷载则分布不均，所以反射裂缝绝大多数都存在于轮迹处，尤其是渠化交通的路面上，出现裂缝后，会逐渐向两侧延伸。横向裂缝的产生主要是由于环境的负效应影响，出现反射裂缝以后，不及时修补和养护会引发沥青罩面层的严重开裂。雨雪的侵蚀、路面老化、冻融循环和重复荷载都会使得反射裂缝快速扩展。采取有效的防治措施才能延长罩面层的使用寿命，如加铺应力吸收层、添加增强材料等方法。保证旧水泥道面和沥青罩面层之间的连接，还可以抑制[39]应力，释放应变，最终达到减缓反射裂缝的目的。3.3.3防治措施当前我国旧水泥混凝土路面沥青罩面改造工程日益频繁，在满足路面整体强度的同时还要考虑经济效益和社会效益等方面的内容。对沥青罩面层厚度的设计是整个改造工程中的一个关键点，罩面厚度对反射裂缝和行车荷载的控制都起到了本质作用。作为基层的水泥混凝土面板具有较高强度，起到支撑整个路面结构的作用，所以设计者把大部分精力都用于反射裂缝的防治当中。（1）设置应力吸收层应力吸收层的设置起到一个缓冲过渡的作用，可以有效延缓和避免反射裂缝的生成[40]和延伸。反射裂缝产生以后，水泥混凝土面板会产生一个弯沉差，这个弯沉差的值会影响层间剪应力，同时沥青罩面层的厚度也会影响层间剪应力。在温度影响较大的地区，对应力吸收层的要求就比较高，因为，温度过高时，沥青混合料易出现车辙，所以，这22 第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究个方法的局限性比较大。而且应力吸收层的粘结性必须较高，才能更好地发挥其延展性，其厚度的设计在这方面体现出了明显的优势。在设置应力吸收层的时候，要充分考虑多方面的因素。（2）土工合成材料夹层土工合成材料夹层具有支撑整体路面结构的作用，而且土工材料比沥青材料便宜，具有经济效益。设置夹层以后，可以适当减薄沥青罩面层的厚度，分层设置更具有功能性。下面就从特点、功能等方面来讨论几种常见的土工合成材料。A.土工布土工布具有微小三维孔隙结构，在浸入粘层油后会降低土工布的渗透系数，使得材料夹层在使用过程中具有抗渗性和传热性。其抗剪强度和模量均较低，使用于面层底部可以提高拉伸强度和模量，减少裂缝的形成。保证土工织物和沥青罩面层之间的粘结作用，才能更好的发挥其效果，有效抑制裂缝的传递。使用土工织物层有以下各方面优点，[41-43]即隔离作用，消能缓冲作用，隔水防渗作用和保温作用。但是所使用的土工织物必须满足以下条件，才能达到比较好的效果：即体现抗拉强度和延伸率的柔韧性；各向均匀性；耐高温性；附着性；耐酸碱性；抗老化性。B.聚酯玻纤布聚酯玻纤布是一种新型复合型土工合成材料，因为组合了玻璃纤维和聚酯纤维两种材料，所以其吸收了两种材料的优点，具有很强的柔韧性、渗透性、实用性和融合性能。用聚酯玻纤布铺筑夹层，可以克服一般缺点，有效防治路面收缩、开裂，特别是能够减少反射裂缝的形成。C.玻璃纤维土工格栅玻璃纤维格栅是一种新型功能性土工材料，不仅具有玻璃纤维的优良特性，而且具有不同于普通土工织物的优势。玻璃纤维格栅在应用的过程中具有以下优良特性：a.耐热性能良好；b.化学稳定性好，耐腐蚀；c.物理耐久性好，强度大，模量高，尺寸稳定；d.较高的抗拉强度；e.耐寒性能良好，有较低的延伸性；f.较好的相容性较好；g.嵌锁限[44]制作用；h.抗低温收缩开裂能力；i.抗剪附着能力。（3）沥青加铺层为了有效抑制反射裂缝，采用加铺沥青层的方式可以得到一个复合式的路面。这种方法综合两种路面的特点，能够满足路面支撑能力，整体性较好，面层具有防滑抗渗的特性，而且加铺后可以使得路面更加美观。但是，必须要注意的一点是，两层路面结构23 长安大学硕士学位论文之间必须具有较强的粘结能力，才能使得整体路面保持平衡状态。若直接摊铺时，要注意排水问题。（4）结论彻底消除反射裂缝是不可能的，所以不管采用哪种措施，都只是为了控制开裂的进一步加深，因此方法都存在局限性。如果单纯依靠某种方法进行处治的话，不经济而且不现实。相比其他，采用土工织物防治，在位移量的表现方面更具优势。当发现裂缝之后，要全面分析其成因和类型，然后设计具体的方案来尽可能的延缓反射裂缝的发展趋势，减少路面的破损。3.4沥青罩面反射裂缝应力强度分析由于应力集中现象的，反射裂缝不断扩展和延伸，其中裂缝两端的尖端应力起到一定的作用，分析应力强度因子是分析裂缝延伸规律的前提条件。最近几年，各国的学者在研究反射裂缝的过程中，除了进行试验路的现场试验外，还进行了大量的理论分析。但是，裂缝附近产生的尖端应力在大部分使用的有限元分析软件中不能正确体现，得到的结果不精确，而且裂缝尖端网格的划分十分复杂，计算量较大。本课题根据断裂学原理和有限元分析法，采用ABAQUS程序建立空间三维模型，选择具体的有限元单元模型，对存在反射裂缝的路面进行计算分析。在一定的限定条件下，改变单元模型的假设条件，分析裂缝尖端的奇异场和应力强度因子，探究反射裂缝的产生机理和扩展规律。3.4.1ABAQUS概述ABAQUS是目前较为先进的一种有限元分析软件，相比于其他软件，ABAQUS具有更为丰富的基础模型和模拟平台。这个软件可以应用于各个领域，如航空航天、土木工程、生物能源等行业。主要针对工程应用中线性和非线性的问题进行分析和研究，其卓越的特点，使得越来越多的企业、高校、研究院等开始广泛使用ABAQUS进行探究。利用ABAQUS分析简单的线弹性问题，可以模拟路面材料承受压力情况下的应力变化问题，并且得到的结果比较精准。其丰富的单元库可以模拟各种形式的有限元模型，而且还能模拟各种工程材料，如金属、橡胶、高分子材料、复合材料等各种不同质地的材料。ABAQUS具有强大的功能性，使用也方便简单、易于上手，界面较为人性化，而且复杂的问题也可以通过选择不同选项块来模拟。一般在模拟计算的过程中，用户只需24 第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究要提供一些简单的工程数据，例如结构的几何形状、材料性质、边界条件及荷载量等，最终就能够得到较好的试验结果。3.4.2裂缝尖端应力强度因子根据力学原理分析，在旧水泥混凝土道面和沥青罩面层上的裂缝处都会产生应力集中现象，因此裂缝尖端的应力会远远大于其他位置应力。当车辆反复荷载碾压之后，又受到温度等环境条件的影响，裂缝尖端的受力点出现奇异，使得原本存在的裂缝沿着开裂方向扩展，最终贯穿整个罩面层而反射到路表面上，形成反射裂缝。以此，为了研究反射裂缝的扩展方式及规律，防治反射裂缝的依据和措施，必须要对裂缝尖端的应力进行分析计算。第四小节已经介绍了裂缝扩展的三种模式，本章节只针对张开型裂缝进行分析，用弹性应力学理论，采用极坐标法分析其应力状态，得到以下分量：张开型裂缝计算公式： σ =cos 1−sinsin √ σ =cos 1+sinsin √ τ =sincoscos（公式3.1）√ u= (2x−1)cos−cos v= (2x+1)sin−sin 式中：G—含裂缝的弹性体材料剪切模量；r、θ—以裂缝尖端为坐标原点的极坐标；K1—张开型裂缝的应力强度因子。上述的公式3.1说明，当r无限趋近于0的时候，各应力应变均趋向无穷大，这说明裂缝尖端的奇异场现象。但是，在距离裂缝尖端较远或者非常接近的地方选取有限元模型，则不能正确反映应力场的奇异性，因为较远处不在应力范围内，而过于接近的地方会发生形变使得裂缝分布散乱。所以，应选取具体的有限元模型进行分析。应力强度因子K表征应力应变的大小和场强，还能体现出尖端场的能量。影响强度因子的因素有很多。当裂缝形状性质、所受荷载条件等具体参数确定时，应力强度因子随外力的增大而不断升高，最终达到极限值，使得裂缝延伸导致沥青罩面层破裂。25 长安大学硕士学位论文3.4.3有限元模型和基本参数为了满足现行规范，将整个路面结构视为弹性层状体系，研究对象包括土基、旧水泥混凝土路面和沥青罩面层。本课题采用ABAQUS软件建立模型进行分析，设置以下参数：沥青罩面层厚度为Ha=6cm，旧水泥混凝土路板厚度为Hc=24cm，通过对路面结构的分析计算，路面各层进行以下基本假设：（1）结构层为均匀、连续、各项同性的线弹性体；其弹性模量和泊松比为常数。（2）沥青罩面层与水泥混凝土路面完全接触，呈完全连续状态，水平位移和竖直位移连续；土基层受到约束，位移量为零。（3）假设接缝的宽度为1cm，且其没有传递荷载的能力；裂缝之间用低模量的材料来填充。（3）路面结构的自重不作为考虑的因素。行车荷载的标准轴载BZZ-100，即P=100kN，车轮接触地面产生压强0.7MPa，以单个轮胎为研究对象，轮直径为21.30cm，两轮中心距为31.95cm。不同结构层的材料属性如表3.2所示。表3.2各结构层材料的物理参数弹性模量密度/线膨胀系数/导热系数泊松比3-5/MPa（kg/m）（10/℃）/(W/m.℃)沥青罩面层16000.2521002.11.2旧水泥混凝土路面300000.15250010.1.5土基层400.419000.51.0采用ABAQUS软件，划分网格得到图3.3所示的云图，为了使得最后的计算结果更加理想和精确，细分裂缝区域，得到裂缝云图，如图3.4所示。整体路面结构受到外力后，根据应力的受力情况，可以得到应力云图，如图3.5所示。图3.3网格划分图图3.4裂缝区域云图26 第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究图3.5应力云图3.4.4应力强度因子影响成因分析（1）沥青加铺层厚度的影响分析沥青加铺层厚度对应力强度因子的影响，在行车荷载为BZZ-100的条件下，确定以下参数：旧水泥混凝土路面的厚度为Hc=24cm，其模量为Ec=30000MPa；土基的模量为Es=40MPa；沥青加铺层的模量为Ea=1600MPa，改变沥青加铺层的厚度，即将Ha从4cm增加至12cm，每隔2cm选定一个厚度。保持所受荷载量、路面表面温度等外界条件不变的情况下，计算应力强度因子K1的值，得到的结果如表3.3所示。根据所得结果作出张力作用随加铺层厚度变化的趋势如，如图3.6所示。表3.3随沥青加铺层厚度变化的应力强度因子沥青加铺层厚度（cm）-3/2荷载量应力强度因子/（MN.m）4681012车辆荷载（100kN）K10.08340.07120.06050.05040.0423图3.6应力强度因子随加铺厚度的变化图根据图4.6分析发现，应力强度因子随着沥青加铺层厚度的增加而不断下降，整个过程中没有突增突减和平缓的阶段，基本呈线型规律。应力强度因子K1从0.0834-3/2-3/2MN.m不断下降直至0.0423MN.m，降低了49.28%。根据分析结果，可知适当增27 长安大学硕士学位论文加沥青加铺层的厚度可以有效降低应力强度因子的数值，该现象为防治反射裂缝提供了理论基础，即加铺层厚度越大越能抑制反射裂缝的产生和扩展。当然，在此过程中也要注意控制加铺层的厚度，根据不同路面的使用和具体情况，使其保持一定的利用率。（2）沥青加铺层模量的影响分析沥青加铺层模量对应力强度因子的影响，在行车荷载为BZZ-100的条件下，确定以下参数：旧水泥混凝土路面的厚度为Hc=24cm，其模量为Ec=30000MPa；土基的模量为Es=40MPa；沥青加铺层的厚度为Ha=6cm，改变沥青加铺层模量，即将Ea从1200MPa增加至2000MPa，每隔200MPa选定一个模量。保持所受荷载量、路面表面温度等外界条件不变的情况下，计算应力强度因子K1的值，得到的结果如表3.4所示。根据所得结果作出张力作用随加铺层厚度变化的趋势如，如图3.7所示。表3.4随沥青加铺层模量变化的应力强度因子沥青加铺层模量（MPa）-3/2荷载量应力强度因子/（MN.m）12001400160018002000车辆荷载（100kN）K10.05620.06320.07120.08240.0975图3.7应力强度因子随加铺模量的变化图根据所得数据分析，应力强度因子随着沥青加铺层模量的提高而不断增大，基本呈-3/2-3/2直线上升趋势。K1从0.0562MN.m增大直至0.0975MN.m，增加了73.49%。因此，应力强度因子随着沥青加铺层模量变化而变化的幅度较厚度的变化幅度稍大一些，在相同条件下，荷载等综合作用下，模量对应力强度因子的影响不可忽视，必须精准确定。（3）裂缝扩展度的影响28 第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究分析裂缝扩展情况对应力强度因子的影响，在行车荷载为BZZ-100的条件下，确定以下参数：旧水泥混凝土路面的厚度为Hc=24cm，其模量为Ec=30000MPa；沥青加铺层的厚度为Ha=6cm，模量为Ea=1600MPa；土基的模量为Es=40MPa。反射裂缝沿着水泥混凝土面板向着沥青加铺层由下向上延伸扩展，保持所受荷载量、路面表面温度等外界条件不变的情况下，计算应力强度因子K1的值，得到的结果如表3.5所示。根据所得结果作出张力作用随加铺层厚度变化的趋势如，如图3.8所示。表3.5随裂缝扩展度变化的应力强度因子裂缝扩展度（cm）-3/2荷载量应力强度因子/（MN.m）1234车辆荷载（100kN）K10.07480.08320.09480.1031图3.8应力强度因子随裂缝长度的变化图根据表格中的数据分析，得到应力强度因子的变化趋势图。随着裂缝扩展长度的增-3/2-3/2加逐渐升高，其数值从0.0748MN.m增加至0.1031MN.m，增加了37.83%。所以，随着裂缝的扩展，应力强度因子增大，进一步导致了裂缝的延伸，最终路面破坏。控制裂缝的延伸和扩展，才能极为有效的保护路面。（4）荷载的影响分析车辆荷载对应力强度因子的影响，首先要确定以下参数：旧水泥混凝土路面的厚度为Hc=24cm，其模量为Ec=30000MPa；沥青加铺层的厚度为Ha=6cm，模量为Ea=1600MPa；土基的模量为Es=40MPa。在车辆荷载由BZZ-100，逐渐增加至200kN，每隔20kN选择一个荷载量为标准，保持路面表面温度等外界条件不变的情况下，计算29 长安大学硕士学位论文应力强度因子K1的值，得到的结果如表3.6所示。根据所得结果作出张力作用随加铺层厚度变化的趋势如，如图3.9所示。表3.6随车辆荷载变化的应力强度因子车辆荷载变化量（kN）应力强度因子/-3/2（MN.m）100120140160180200K10.07120.08250.09910.11580.13240.1487图3.9应力强度因子随车辆荷载的变化图根据上述数据，可知应力强度因子随着车辆荷载的增加而不断增加，并且呈线型增-3/2长。当行车荷载量从100kN增加到200kN的过程中，K1从0.0712MN.m升高至0.1487-3/2MN.m，增长了1.1倍。这个数据充分说明了车辆荷载量对应力强度因子的影响很大，即行车的重交通荷载对反射裂缝的产生和扩展有很大影响，所以这是不可忽视关键因素。根据上述应力强度因子随不同参数变化的规律，可以得到以下结论：（1）沥青罩面层的反射裂缝有三种撕裂模式，利用ABAQUS主要对张开型反射裂缝进行探究。反射裂缝的产生和扩展与多种因素有关，包括路面本身的结果特性以及行车荷载量和外界环境条件等因素共同作用。应力集中现象的反映，生动体现了反射裂缝的延伸和发展。（2）应力强度因子是表征裂缝尖端应力应变的大小和强度的一个参照量，其也能反映裂缝应力场的奇异性，其数值可以明显表现出裂缝开裂的严重程度。通过解析法和有限元分析法确定应力强度因子K的结果值。30 第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究（3）在外界条件固定的前提下，随着沥青层厚度的增加，应力强度因子不断降低，所以沥青罩面层厚度越厚，则反射裂缝的扩展延伸越不明显，路面不易断裂破损。但是这种现象不能无限制的增长下去，要具体问题具体分析，最终确定合适的沥青罩面厚度。（4）在外界条件不变的前提之下，应力强度因子随着沥青罩面层模量的增加而不断提高，而且升高的百分率较大，所以模量是一个不可忽视的关键因素。（5）旧水泥混凝土路面与沥青罩面层相接，反射裂缝从旧水泥混凝土路面向上延伸至沥青罩面层，随着裂缝扩展度的不断增大，应力强度因子也不断升高，所以有效抑制反射裂缝的扩展长度才能保护路面的平整度、整体性，延长路面的使用寿命。（6）行车荷载是导致路面破坏的主要因素，随着车辆荷载量的不断增加，应力强度因子也不断提高，而且呈线型增长趋势。所以，比较高速公路来说，普通城市道路路面的破损程度较低。因为在重荷载的作用下，反射裂缝的延伸扩展程度和速度都会大幅度的提高，造成路面的损坏。3.5非荷载裂缝的产生及防治除了上述由于行车荷载而产生的裂缝以外，道路表面在加铺之后就会出现微裂缝。加铺层中的沥青混合料在铺筑之后呈嵌挤状态，压路机碾压之后可以压实路面，但是使用一段时间以后，受车辆碾压区域集料仍能保持良好的压实度，但其他未受荷载区域，只是在垂直方向上受到正压力的作用，路面混合料的总体密度能够达到要求标准。3.5.1非荷载裂缝的产生当路面经过一段时间的使用后，“白改黑”后的罩面层经过碾压，轮迹线方向路面的混合料受到车辆水平和垂直力的共同作用，受到竖向拉应力和横向的剪切应力，在这个过程中，混合料中的集料会由于这些力的作用而摩擦滚动，最终可以使得道路表面在铺筑之后产生的微裂缝自愈合。而车轮之间的路面区域，长期不受到车轮碾压的作用，在竖直方向上，由于重力、外界条件等多种因素的共同影响，出现离析现象，如图3.10所示。而这种现象在无限长的路面板中，还会出现横向的离析作用。机场道面上也会出现类似现象，而且更为严重。因为飞机轮距更远，所以不受碾压的区域更大，而且机场不仅包括飞机跑道，滑行道、联络道等，其较大的占地面积一般不使用，因此大多数的道面都是由于空闲而“放”31 长安大学硕士学位论文坏的，因为表面微裂缝的发展，如图3.11所示。图3.10集料颗粒离析图3.11道面裂缝这种离析现象一但产生之后，铺筑路面的集料就不能再保持原来的有效嵌挤状态，路表面上就会出现细小的裂缝。而且，这种微裂缝不加以处理的话，虽然在短时间内不会对路面有严重的破坏影响，但是因为不受到碾压作用，不能进行自愈合。长期如此，微裂缝会从上到下发展，甚至引发反射裂缝的加速扩展，形成贯穿罩面层的裂缝，最终导致路面整体性的破坏。3.5.2非荷载裂缝的防治非荷载型的裂缝在加铺的开始就已经产生了，虽然是细小的微裂缝，在初期影响不大，但是若后期任其发展的话，会导致严重的后果。这种非荷载裂缝的防治方式有以下几种，根据不同情况可以选择不同的方案进行处理。（1）当细小的裂缝已经可以看出使，要采取小修的处治方式。这种情况下原道面基层强度较低、水稳性差，小修之后可以提高基层的强度，同时填缝胶结料，更好的修补裂缝道面。（2）表面封层处治方式，可以使用较细的沥青混合料，也可以使用沥青或者封层剂。这种方式属于预防性养护，可以有效缝补细小的表面裂缝，改善路面使用功能。（3）使用填缝料进行填补处理，采用灌封的方式，在面层上撒布一层薄砂或者细石屑。这种方式要求的外界环境条件较高，必须在干燥的气候和凉爽的气温下才能达到最优效果。（4）微表处的处理方式，使得处治后的路面防滑，防渗水，再进行其他病害修复时更方便。但是这种养护方式对原路面结构强度有很高的要求，必须进行灌缝、高压水冲32 第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究洗后再进行微表处处理。由于非荷载裂缝的存在，其一般仅出现在路表面，随着时间的推移，该裂缝会顺着层板由上向下不断开裂。这种裂缝虽然在短时间内不会对道面整体结构造成损害，但是长期以往会出现整体结构的破坏。所以对机场道面提出一种预防性的养护措施，是必要的，本课题采用两种增强型的材料进行探究。3.6非荷载裂缝的养护改善研究由于机场大多建设在城郊或偏远地区，其温差变化大，而且占地面积较大，因此受[45,46]到日照时间长，路面吸收了强紫外线的照射，已经发生了大面积老化的现象。目前常用的一些简单的维护整修方式均不尽人意，主要是防渗水作用不理想。尤其在机场道面中，其重荷载的条件下，加铺层与原路面的粘结力不能达到预期效果，使用有一段时间后会出现脱离，原来路基路面中的砂石暴露在空气当中，使得路面出现空隙，积水容[47]易渗入，降低路面的抗渗能力，进而影响沥青路面表层的抗滑性能。抗滑性是影响交通安全的重要因素之一，因此，解决这个问题刻不容缓。针对现有技术中存在的问题，特别是非荷载裂缝的预防性养护修补问题，本研究分别采用两种类型的增强型沥青材料进行试验探究，并在探究不同沥青材料加铺补强的过程中使用一种特殊的道面加铺方式，既根据满足的要求不同而分层铺筑沥青层。该方法不仅能够补充路面表层缺失的结合料，填充面层空隙，增强集料间的粘结性和路面的抗滑性能，还能提高路面表层抵抗紫外老化的能力，同时还能美化路面，最终达到延长路面使用寿命的效果。3.6.1油性增强型沥青材料的制备与施工（1）原材料的准备油性增强型沥青材料是一种新型的封面料，使用其进行铺面可以有效保护和美化路面，本研究中使用的油性增强型沥青材料应用于施工现场，最终得到试验结果。在制备的过程当中，主要使用的原材料包括：沥青、油溶剂、油性渗透剂、增粘剂、添加剂、抗紫外老化剂和砂料。下面就从选择、性能等一些方面进行具体的分析。A.沥青沥青作为原材料的主要成分之一，在新型增强型材料中所占比例较大，因此在选择的过程中应该重视其各种性能指标。本研究采用的沥青为90#石油沥青，因为该种沥青33 长安大学硕士学位论文的各项性能比较稳定，夏季不容易变软，冬季不容易开裂，耐久性能良好，而且在试验的过程中作为基础材料，具有试验对比性。其具体性能如表3.7所示。表3.7沥青技术指标沥青品种90#沥青规范要求指标25℃针入度（100g，5g，0.1mm）9880-10015℃延度（cm）>100>100软化点（℃）46443密度（15℃，g/cm）1.020实测质量变化（%）0.3±0.8薄膜烘箱试验针入度比（%）65.16515℃延度（cm）33.622闪点（℃）263260溶解度（%）99.6599.5含蜡量（%）2.12.2B.溶剂油在油性增强型沥青材料中，必须存在一定数量的溶剂油。由于溶剂油本身的黏性特质，添加该物质能够很好的溶解和稀释基质沥青，改善流动性，从而提高沥青的工作性能。油溶剂的种类有很多，包括柴油、煤油等等，其本质的特性相似，都可以降低沥青的粘度，使得成品增强型材料的均匀性达到要求。本研究中所选择的是D-80煤油溶剂油。C.油性渗透剂不同于普通的乳化沥青还原剂，油性渗透剂中含有天然岩沥青，而且由有机化工材料组成的新型分层材料。喷洒后渗入路面，能够有效恢复沥青的性能，填补细微裂缝，提高路面再生能力；其封水和粘附的作用，在降低路面渗水性的同时还能够提高路面的抗滑能力；可与沥青混溶后均匀撒布，施工简明。这也是油性增强型沥青材料的一大特色，本研究中采用的油性渗透剂为雷诺峰。D.增粘剂增粘剂可有效提高路面石料间的粘结力，避免石料受到周围环境的影响而出现脱落34 第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究和松散的现象，对原有旧水泥混凝土道面起到固化的作用，从而延长使用寿命。而且路面表层长期受到车辆的碾压作用，在反复荷载的作用下，路面间的砂石、集料容易随着轮胎而离开路面，所以增粘剂的使用可以极大的降低这一现象的发生，提高路面的耐久性。本研究中采用的增粘剂为硅烷偶联剂，其特有的化学性质可以起到增加粘结强度的效果。E.添加剂添加剂的使用是为了有效改善沥青的基本性能，激活沥青质。添加剂与沥青混溶后得到的油性增强型材料，均匀喷洒于路面可以加固原有道面。虽然添加剂的含量不是很高，但是可以起到改性的效果。本研究中采用的添加剂为苯乙烯丁二烯颗粒。F.抗紫外老化剂抗紫外老化剂是油性增强型材料中具有特殊优点的一种添加剂。因为高速公路一般都处在偏远郊区，而且长时间受到强光的照射，所以老化现象明显而且迅速。在油性材料中添加抗紫外老化剂，能够有针对性的对抗紫外线的老化，降低沥青老化的速度，从而延长路面的使用寿命。本研究中使用的抗紫外老化剂为水杨酸苯酯。G.砂料砂料的主要成分有金刚砂、人造刚玉、碳化硅、铁矿砂和石英砂等。其粒径范围应控制在0.15～0.3mm，并且其中不含超粒径颗粒，不含有害杂质，且表面粗糙，作为油性增强型沥青材料中抗滑效果的主要来源。（2）试验方法目前，采用沥青罩面技术加铺是最普遍且最有效的方式，这种加铺方法在改善和加固原有路面的同时，还能够起到抗滑和预防松散等方面的效果。但是，这种方法的抗渗效果不理想，路面石料之间的粘结能力比较差。因此，本研究中主要探索的一种新型加铺方式，即分层加铺法，在这些方面取得了一定的进展。采用2种单层加铺的方法（试验A和试验B）和4种双层加铺的方法（试验C、试验D、试验E和试验F）进行比较，对比最终现场试验的试验结果，得到最优方案。在分层加铺的过程中，由于下子层主要起到防水渗透的作用，所以其中必须包含渗透剂；而上子层主要起到抗滑耐磨，特别是抵抗紫外老化的作用，所以其中必须包含抗紫外老化剂。改变油性增强型沥青材料的喷洒量，对比不同情况下的现场试验结果，得到最终结论。（3）材料的制备及加铺过程35 长安大学硕士学位论文A.单层油性增强型沥青材料的制备单层加铺试验中，其乳液材料的重量份组分为：90#沥青70份、D-80煤油溶剂油20份、雷锋诺2份、硅烷偶联剂4份、苯乙烯丁二烯颗粒2份、水杨酸苯酯2份。乳液材料的制备过程如下：将石油沥青加热熔融，然后与溶剂油混合，搅拌至均匀后加入渗透剂、增粘剂和添加剂，即得增强型沥青乳液材料。B.单层加铺的施工过程步骤1，清扫路面步骤2，将70%的沥青乳液材料与30%的砂料混合均匀，利用撒布机将其喷洒到路2面上，形成罩面层等待其自然干燥。试验A的撒布量为0.2kg/m，施工喷洒温度为60℃；2试验B的撒布量为0.5kg/m，施工喷洒温度为60℃。C.双层油性增强型沥青材料的制备双层加铺试验中，其乳液材料的重量份组分包括两个部分。a.起到防水渗透作用的下子层，其乳液材料的重量份组分为：90#沥青70份、D-80煤油溶剂油20份、雷锋诺10份、硅烷偶联剂8份、苯乙烯丁二烯颗粒4份；B.起到抗滑耐磨作用的上子层，其乳液材料的重量份组分为：90#沥青70份、D-80煤油溶剂油20份、雷锋诺10份、硅烷偶联剂8份、苯乙烯丁二烯颗粒4份、水杨酸苯酯2份。其乳液的制备过程与单层油性增强型沥青材料的制备相同，需要注意的是，在制备上子层的时候，最后还需要加入抗紫外老化剂，这是与其他不同的地方。D.分层加铺的施工过程步骤1，清扫路面步骤2，制备防水渗透下子层，将70%的防水渗透下子层乳液材料与30%的砂料混合搅拌，通过撒布机将其喷洒均匀在原道面上，自然干燥后形成一薄层沥青罩面。其中2撒布量为0.1kg/m，施工喷洒温度为60℃。步骤3，制备抗滑耐磨上子层，利用撒布机将70%的抗滑耐磨上子层乳液材料喷洒到已经干燥的下子层上面，再在上层撒布30%的砂料，待其自然干燥后可以得到最终的2沥青罩面层。其中撒布量为0.1kg/m，施工喷洒温度为60℃。以上描述的为分层加铺试验C的具体施工过程，试验D、E、F在施工过程中的喷2洒量不同。试验D的分层撒布量均为0.15kg/m，施工喷洒温度为60℃；试验E的分层22撒布量均为0.2kg/m，施工喷洒温度为60℃；试验F的分层撒布量均为0.25kg/m，施工喷洒温度为60℃。36 第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究（4）试验结果根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》对雾封层养护后的路面进行抗滑性能、[48]抗渗性能、抗冻性能和耐磨性能进行检测，各种试验情况如表3.8。表3.8对照例与实施例路面性能测试指标实测结果质量检查项目要求试验A试验B试验C试验D试验E试验F干燥时间（min）156314131148280293抗滑系数，不小于0.40.540.470.590.550.570.62渗透深度（mm），2224253不小于渗水系数10865746（mL/min），不大于从表1中可以发现，试验A和试验B的传统单层加铺方式，其路面性能检测的结果虽然达到标准但是并不理想。而试验C、D、E、F采用的新型分层加铺方式，其路面在抗滑，防渗，抗冻等方面都满足标准要求，并且表现出了较为优越的性能。由上述试验可以得到以下结论：（1）在沥青材料中加入的油性渗透剂更容易渗透至缝隙当中，进而填补细微裂缝，使得路面牢固性能更好，且与轮胎表面的相关性变小，使用寿命延长，油性渗透剂同时还能起到封水和粘附作用，提高路面抗滑性；使用抗紫外老化剂可以显著提高路面的抗[49]紫外老化能力，延缓沥青及沥青混合料的紫外老化现象；砂料，能使雾封层材料与沥青混合料很好的粘结，在提高沥青路面表面层抗滑能力的同时也能降低路面噪音。（2）使用的沥青材料为有机材料，相比其他封层材料，本课题使用的材料在撒布后可以很快收干，有效缩短施工日期，尽快开放交通，具有良好的经济效益。（3）由于施工方法采取分层撒布的方式，将沥青罩面层分为两个子层。上子层注重防水性、耐磨性和耐候性的设计，下子层注重渗透性和固化路面性能的设计。这种分层撒布的方式使得不同材料在不同的界面处充分发挥其功能。防水渗透下子层，其撒布的材料中添加的油性渗透剂，可以更好的使沥青材料渗入原路面的面层空隙中，填补细微裂缝，稳固原道面路基；同时，在空隙中起到封水和粘附作用，能更有效的提高路面防渗水能力，使得面层表面的抗滑性相对提高。在防止细37 长安大学硕士学位论文小裂缝及微裂缝生成的同时，加固原有水泥道面，从而延长路面使用寿命。抗滑耐磨上子层，其撒布的材料中添加的增粘剂，可增强沥青层与原路面的石料粘结力，使得石料不容易受到环境因素的影响而脱落，在车辆反复碾压后不会随轮胎离开路表面，提高路面的耐候性；抗紫外老化剂的添加可以大幅度提高路面的抗紫外老化能[50]力。3.6.2水性增强型沥青材料的制备与施工（1）原材料的准备水性增强型沥青材料是一种较为常用的罩面材料，该种材料用于路面加铺改造时能够有效提高路面的耐磨抗滑等多方面性能，而且相比于油性增强型沥青材料来说，因其主要的成分中包含水，能在一定程度上节约原材料，具有经济环保的优势。在制备该材料的过程当中，主要使用的原材料包括：乳化剂、水、有机溶剂、渗透剂、添加剂、增粘剂、抗紫外老化剂、沥青和砂料，其中沥青、增粘剂、抗紫外老化剂和砂料与油性材料的选择相同。下面就从其他几种原材料的性能、条件等方面进行具体的分析。A.乳化剂乳化剂在乳化沥青中所占比例不大，但是在乳化沥青的生成、贮存及施工等多个方面都影响很大。乳化剂就是能将沥青乳化的表面活性剂，可以有效激活沥青的性能，所以乳化剂的选择会直接影响沥青的乳化效果，从而影响该水性增强型沥青材料的使用性能。乳化剂分为很多种类，其中慢裂快凝型乳化剂的性质较为优越，其破乳速度较慢而且凝结速度较快，因此使用该种类型的乳化剂可以充分发挥水性增强型沥青材料的特性。本研究中采用的是JWRH-MKH慢裂快凝型阳离子乳化剂。B.水水是最重要的原材料之一，其所占比例较大，不仅可以作为原材料的溶剂而且还是沥青的分散介质。所以，水的质量直接影响该材料的品质，对选择水的要求必须要严格控制，包括水的硬度、水的pH、水的含量还有水中存在的粒状物质等，都必须重点分析。只有选择优质的水源，才能更好的乳化基质沥青。因此从外观、pH值和硬度三个方面来考虑，选择符合标准的水。本研究中采用的水均为自来水，其满足表3.9的标准。表3.9乳化沥青水质标准建议外观pH值硬度无色透明无异味无杂质6.0—8.5<8度38 第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究C.有机溶剂乳化剂溶液是一种化学类溶剂，所以其由多种化学溶剂组成。本研究中选用的有机溶剂为乙醇。D.渗透剂水性增强型沥青材料中使用的渗透剂与油性有很大区别。因为水性材料中，主要包含的均为化学物质，而油性渗透剂的粘度不能满足添加在水性材料中。但是水性增强型沥青材料在用于铺筑的过程当中，必须具备渗透和粘结的能力，才能更好的喷洒在路面上。本研究中采用的渗透剂为脂肪醇聚氧乙烯醚，其中包含有醚键，因此该种醚类物质稳定性较高且水溶性较好。E.添加剂添加剂中包括调节pH值酸碱溶液和稳定剂。在水性增强型沥青材料中的添加酸性溶液，是为了起到调节溶液pH的作用。因为溶液的pH值也会影响乳液的性能，适当添加无机或者有机酸，可以使得该种材料更易溶于水。只有调正pH值之后，才能得到效果较好的沥青材料。因为现在酸的种类较多，在考虑到使用效果和经济效益之后，本研究最终决定采用的原材料为盐酸。稳定剂是乳化沥青中比较重要的添加剂。因为沥青乳化后稳定性不足，乳液容易发生絮凝或沉降现象。稳定剂包括无机盐类和高分子类两种稳定剂类型，无机盐类稳定剂使用的较多，其能增强乳液中颗粒之间的双电层效应，从而使得颗粒之间产生斥力，降低颗粒粘合速度，以此来提高乳化能力和稳定性；而高分子类，属于精细化工材料，使得乳液具有增稠、乳化、防止沉降的作用。本研究中采用的无机盐类稳定剂为CaCl2，高分子类稳定剂为羧甲基纤维素钠（CMC）。（2）试验方法分层加铺的优势如上述油性材料，但是水性材料的特殊之处如下。水性增强型沥青材料的制备要包含四个组分，分别为乳化剂溶液、添加剂溶液、沥青和砂料。要分步骤，一步步的进行混溶，最终才能得到合适的材料。根据上、下两个子层不同的功能，加入不同的添加剂，分别与沥青混溶后得到乳化沥青材料用于铺筑，采用不同的撒布量，分为4个试验例，分析现场试验的结果，最终得到相应的结论。（3）材料的制备及加铺过程A.乳化剂溶液及添加剂溶液的制备39 长安大学硕士学位论文乳化剂的乳液包含以下重量份组分：JWRH-MKH慢裂快凝型阳离子乳化剂10份、水50份、乙醇15份、CaCl20.1份、羧甲基纤维素钠0.1份。乳化剂溶液的制备：首先将乳化剂加入50～80℃的水中，并调节pH值至相应乳化剂要求的范围内，搅拌至充分溶解后加入添加剂、稳定剂并搅拌，充分混合均匀后再次调节pH值至相应乳化剂要求的范围内，即得乳状组合物。由于上、下子层的功能不同，所以下子层添加剂溶液的重量份组分为：脂肪醇聚氧乙烯醚15份、苯乙烯丁二烯颗粒15份、沥青50份；上子层溶液为：脂肪醇聚氧乙烯醚15份、苯乙烯丁二烯颗粒15份、水杨酸苯酯1份、沥青50份。将沥青加热熔融后，与渗透剂、增粘剂混合均匀，即得熔融态的下子层组合物；将加热熔融后的沥青与其他渗透剂、增粘剂、抗紫外老化剂均匀混合后，就可以得熔融态的上子层组合物。B.乳化沥青的制备开启胶体磨，先加入热水使胶体磨预热，将预热水接出。将乳状组合物的乳化剂溶液和熔融态组合物的添加剂溶液加入到胶体磨剪切机中混合均匀，取出后得到沥青材料。C.分层加铺的施工过程步骤1，清扫路面。步骤2，制备防水渗透下子层，将200kg的乳状组合物和300kg的熔融态组合物加入到胶体磨剪切机中混合均匀，取出后与800kg的金刚砂混合搅拌，即得防水渗透下子层材料，再利用撒布机将配置好的防水渗透下子层材料喷洒到路面上，1～3小时以后，2一般可以自然干燥，形成防水渗透下子层。其中撒布量为0.25kg/m，施工喷洒温度为50℃。步骤3，制备抗滑耐磨上子层，将200kg的乳状组合物和300kg的熔融态组合物加入到胶体磨剪切机中混合均匀，取出并利用撒布机喷洒到防水渗透下子层上面，再撒布2800kg的金刚砂，自然干燥2～4小时后即可成型。其中撒布量为0.25kg/m，施工喷洒温度为50℃。以上描述的为分层加铺试验1的具体施工过程，试验2、3、4在施工过程中的喷洒2量不同。试验2的分层撒布量均为0.2kg/m，施工喷洒温度为60℃；试验3的分层撒22布量均为0.15kg/m，施工喷洒温度为60℃；试验4的分层撒布量均为0.1kg/m，施工喷洒温度为60℃。40 第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究（4）试验结果为了表征试验效果，进行现场测试，如下图所示，摩擦系数检测如图3.12和图3.13所示，渗水系数检测如图3.14和图3.15所示。图3.12涂布前摩擦系数检测图3.13涂布后摩擦系数检测图3.14涂布前渗水系数检测图3.15涂布后渗水系数检测试验例1撒布的路面情况见下图，图3.16为撒布过程中的路面效果图；图3.17为撒布完成后的路面效果图；图3.18为撒布后1h的路面效果图；图3.19为撒布后24h的路面效果图。表干时间检测：涂布完成20min后成膜，2h后表干不黏手，可开放交通，终干时间4h。当时天气状况：20摄氏度，微风。图3.16撒布过程中图3.17撒布完成后41 长安大学硕士学位论文图3.18撒布1h以后图3.19撒布24h以后除了现场的效果图以外，还要检验其他性能。摩擦系数及渗水系数检测：摩擦系数检测采用摆式摩擦仪，根据《公路沥青路面设计规范》进行试验，撒布前后分别从现场取6处进行检[8]测。渗水系数检测采用渗水仪，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行试验，撒[48]布前后分别从现场取6处进行检测。摩擦系数检测结果见表3.10，渗水系数检测结果见表3.11。表3.10路面检测结果摩擦系数（BPN）试验结果试验1试验2试验3试验4撒布前61575665位置1撒布后58545262撒布前70696773位置2撒布后64636267撒布前71686773位置3撒布后65626168撒布前65635967位置4撒布后60575464撒布前62605763位置5撒布后61585563撒布前67666371位置6撒布后6260576542 第三章沥青罩面层裂缝产生机理研究表3.11渗水系数检测结果实施例1实施例2实施例3实施例4检查渗水系渗水系渗水系渗水系渗透深渗透深渗透深渗透深数数数数项目度(mm)度(mm）度(mm)度(mm)(mL/min)(mL/min)(mL/min)(mL/min)质量≥2≤10≥2≤10≥2≤10≥2≤10要求位置1147135135128位置2155154140146位置3138137136129位置4156145145136位置5164160154155位置6146135125127由上述试验可以得到以下结论：（1）摊铺后的BPN稍有减少，路面摩擦系数的损失均不超过10%，因此不影响路面抗滑性能。其路面渗透深度均达到12mm以上，因此该种沥青材料具有较为优良的耐磨性和粘附性，体现了再生老化沥青的功能。该材料的应用，使得路面渗水能力有一定程度的提高，其路面渗水系数满足规范要求。（2）该试验使用的材料为水性增强型沥青材料，该材料与现在大部分使用的煤焦油类、聚合物类的封层料相比，渗透性能更好，能更好地渗透到路面的空隙里面，填补路面裂缝，发挥封水和粘结作用。因为该材料以水作为主要原料不仅能够降低造价，而且可以保护环境，是一种绿色材料。另外，相比其他封层材料，此类材料在撒布后可以很快收干。路面养护类施工受到天气的影响较大，使用本发明的水性增强型雾封层材料，可以有效缩短施工日期，尽早开放交通，具有良好的经济效益。（3）在材料中加入的增粘剂可增强雾封层材料与原路面的石料粘结力，使得石料不容易从路面上脱落，从而提高路面的耐磨性；渗透剂能使沥青更好地渗透到路面的空隙里面，发挥封水和粘附作用，从而提高防渗水性能；砂料，能使雾封层材料与沥青混[49,50]合料很好的粘结，在提高沥青路面表面层抗滑能力的同时也能降低路面噪音。（4）由于施工方法采取分层撒布的方式，将雾封层分为两个子层。上子层注重防43 长安大学硕士学位论文水性、耐磨性和耐候性的设计，下子层注重渗透性和固化路面的性能的设计。这种分层撒布的方式使得不同材料在不同的界面处充分发挥其功能。防水渗透下子层，其撒布的材料中添加的渗透剂，可以提高沥青材料的渗透性，使沥青材料渗入原路面的面层空隙中，填补细微裂缝，稳固原路面路基；同时，在空隙中起到封水和粘附作用，能更有效的提高路面防渗水能力，使得面层表面的抗滑性相对提高。抗滑耐磨上子层，其撒布的材料中添加的增粘剂，可增强加铺层与原路面的石料粘结力，使得石料不容易受到环境因素的影响而脱落，在车辆反复碾压后不会随轮胎离开[50]路表面，提高路面的耐候性。44 第四章沥青加铺层病害及处治技术应用实例第四章沥青加铺层病害及处治技术应用实例采用沥青罩面改造的方法用于旧水泥混凝土路面的整修，是一项普遍而且实用的工程。这种修补方法不仅加固了原水泥混凝土路面的整体性，同时也能提高行车舒适度，而且相较于其他改造方法更容易施工。本章基于前面章节对各个方面理论和试验的探究和分析，对某一工程试验路段进行具体的病害研究和现场施工。该方式具有良好的社会经济效益，因此将沥青罩面层加铺于旧水泥混凝土道面上可以大量应用在道路改造工程中。4.1工程概况选取的试验路段为山东某机场道面，该机场经过多次的扩建改进工程，其包括1条跑道、1条平行滑行道、5条垂直联络道以及3条快滑道，飞机等级达到4E级。由于其使用年限较长，已于2006年采用“白改黑”的方式进行了整修，经检测认定路面的整体使用质量良好。在2013年时，发现路面出现异常状况，但并没有肉眼可见的病害，所以猜测可能出现了某些隐形损伤。因此，在选取的路段采用路面雷达探测技术进行隐形[51]探伤的现场试验。主要是为了探测所选路段的罩面加铺层和旧水泥混凝土路面之间是否有剥离和含水的现象，以及路面下基层是否有缺陷。4.2病害分析罩面改造后的路面由于车辆荷载和外界环境因素的共同影响，而导致了不同程度的损坏，而其中大部分路面在发现损坏之后在进行修补就要大面积整修，甚至要重建。所以，在病害刚刚产生的时候就进行处理，能够有效延长路面的使用性能。这种不能用肉眼直接观察到的病害即为隐性存在的病害，所以可以运用路面雷达探测方法来探测沥青路面的隐性病害。4.2.1工作原理和检测方案雷达发射的电磁波在介质中传播主要取决于介质的电导率μ和相对介电质常数[52,53]ε。探测深度主要有介电常数及其电磁波在介质中传播的的时间决定，当介电质常[54]数不变时，物体中电磁波的传播速度就取决于介电常数，电磁波的波形就没有变化。不同的路面结构层具有不同的介电值常数，因此，当雷达天线发射的高频电磁波遇到介电常数不同的界面时，都会产生反射，根据接收天线接收到反射回波的时间和形式，45 长安大学硕士学位论文能够确定反射界面的厚度。基本目标体探测原理见下图：图4.1雷达的工作原理为了判断裂纹的发展规律以及路基的隐性病害发展状态，选用雷达探测法，分析所选择路段的破损情况，确定病害的位置及类型，并提出处理意见。测试方式：采用单线测量，如图2所示，沿着行驶的方向设置测线。车道测线图4.2雷达测线图4.3现场裂缝情况4.2.2雷达图谱的分析采用雷达探测对试验路段进行探测处理，拍摄出不同位置病害的雷达图谱，如图4.4-4.7所示。图4.4路况较好路段层位界面根据图4.4中的雷达图谱可以看出，其反射信号的反射较小，层间的界面清晰，所以可知其道路的介质比较均匀，没有严重病害现象，通过分层的结构可以明确看出。46 第四章沥青加铺层病害及处治技术应用实例图4.5结构层沉降图谱根据雷达图谱中的波形特征分析，水泥混凝土板的反射现象明显，即图谱中的高亮区域。同相轴发生错断后，旧水泥混凝土路面板发生竖向位移，这种现象称为沉降。不难看出这个病害段的混凝土板预留接缝断裂，使得填缝料失去作用，导致板间的剪应力消失。由于该位置的深度较大，在受到行车荷载和水动力作用之后，缝隙处的密实度较低，容易积水。图4.6结构层破碎图谱不同于沉降的雷达图谱，图4.6中可以看出水泥混凝土板出现不规则的连续错断，说明该处板面的病害为破碎。发生这种病害后，路面失去整体承载能力，因此发生不同程度的沉降，图中标记的为严重区域，已经出现了U型沉降。在深度较大的地方出现高亮度反射，即电磁脉冲反射振幅较大，说明存在积水，因为U型的沉降导致结构层中的水难以从底部渗出。图4.7结构层含水图谱根据图4.7发现，水泥混凝土板没有严重的破损现象，但是图片中的界面区域存在强反射区，沥青罩面层不密实，因此在空隙处含有积水，会影响基层的整体性，严重的话会导致罩面层和旧水泥混凝土道面粘结力不足，出现脱层现象。47 长安大学硕士学位论文4.2.3工程实例病害结果分析图4.80m-40m病害分布示意图A图4.940m-80m病害分布示意图48 第四章沥青加铺层病害及处治技术应用实例表4.1路面病害处理结果测线病害类型位置等级建议0m混凝土板沉降0.6m～1.2m严重2m混凝土板沉降0.6m～1.2m严重处理1混凝土板沉降0.6m～1.2m严重沥青层含水13m～22m一般3m沥青层含水34.5～38.5m一般沥青层含水46m～48.3m一般沥青层含水12m～22m一般沥青层含水29.5m～33m轻微处理23.5m沥青层含水34.5～37.5m轻微沥青层含水39.5m～42m一般沥青层含水45m～52m一般沥青层富含水11m～14.5m轻微4m沥青层含水36.5～37.5m一般4.5m沥青层破碎、富含水11m～15m严重处理4沥青层含水6m～7.8m一般5.5m沥青层含水9m～11.5m轻微沥青层含水12m～14.5m一般处理2沥青层含水11.3～13.5m一般6.5m沥青层含水16.4～17.8m轻微49 长安大学硕士学位论文表4.1路面病害处理结果（续）测线病害类型位置等级建议沥青层富含水9.3m～16.5m较严重处理37m沥青层富含水27m～28.3m较严重沥青层含水49.5m～53m一般沥青层含水10.5m～16m一般7.5m沥青层破碎48m～49m一般沥青层破碎51.5m～58m一般沥青层破碎、富含水24.3～25.5m一般8m沥青层含水52.5m～54m一般沥青层含水3.3m～4.3m一般处理2沥青层含水14.7m～18m一般沥青层含水24m～27m一般8.5m沥青层破碎69.5m～70m一般沥青层含水72.5～73.5m一般沥青层含水75m～75.5m一般沥青层含水11m～15m一般沥青层含水21.5m～24m一般9m沥青层破碎、富含水28m～32m严重处理4沥青层破碎、富含水33.5～35.9m严重沥青层含水72m～77m一般结构层破碎、沉降0m～2.5m一般处理210m沥青层含水27.5m～31m一般沥青层含水43.5m～45m一般说明：处理1：混凝土破碎、沉降，影响上层沥青层稳定度，需要对沥青层和混凝土层进行综合治理修补。处理2：疑似沥青层或结构层含水或破碎，需要通过取芯的方式进行确认，当含水量或破碎程度不大时，可对第一层沥青进行修补处理。处理3：沥青层或结构层含水，需要进行两层沥青铺设处理。处理4：沥青层或结构层破碎且含水，需要对两层沥青重新铺设处理。50 第四章沥青加铺层病害及处治技术应用实例所选取的路段为在旧水泥混凝土板上加铺沥青罩面层的复合式路面结构，根据前面几章对该种结构层的分析，本章采用雷达探测技术，对试验路段进行了现场试验探究。得到以下结论：（1）根据雷达图谱分析可知沥青罩面层和外界空气之间以及沥青罩面层和旧水泥混凝土道面之间的界面反射比较强烈；但旧水泥混凝土道面与原路面基层之间的反射信号比较弱。（2）局部区域沥青加铺层的波形较为异常，出现了不同程度的沉降和破损；由于沥青罩面层和旧水泥混凝土路面之间面板边缘不光滑，所以说明积水已经渗入其中，在车辆荷载和水动力的共同作用下，加铺层结构受到积水的侵蚀，破坏严重；有些区域出现差距较大的波浪，说明发生了错台现象。（3）沥青罩面层的含水区域，会造成表面集料的松散和脱落，进而导致下部结构的破坏，采取铣刨表层的方式进行处理是不合实际的，这也是造成此区域过早出现病害的主要原因。（4）在进行大修方案设计前，尤其是使用时间较长的沥青道面，采用隐性探伤方式进行前期测试，能够起到事半功倍的功效。（5）不同破损程度下的水泥混凝土路面在进行罩面的过程中，应采用不同的加铺方案。分析其病害的类型、位置及成因，根据具体情况设置罩面层，才能有效提高路面等级和行车荷载能力。4.3加铺方案及处置效果旧水泥混凝土路面沥青罩面改造的方案有多种类型，分别根据原路面损坏的程度来确定。在选取的试验路段上，根据交通荷载分布情况进行划分，由于轴载作用次数和荷载量大小的不同，旧水泥混凝土路面的破坏程度不同，主要分为三种，即旧路面较为完整；旧路面存在病害，但不影响使用；旧路面的破坏比较严重。分析三种破坏现象，并根据具体情况进行加铺。4.3.1未出现明显破损这种情况下原本的道面结构完整，且其道面的表面没有明显的破坏现象，没有车辙、沉降或裂缝等。但是在表面上会出现肉眼未能观察到的微裂缝，经过一段时间的使用之后，这些微裂缝不断向下沿着道面板扩展。为了延长道面的使用寿命，在大的破损没有出现的时候，进行预防性的养护措施，可以有效保护原有路面。51 长安大学硕士学位论文如图4.9中，在0-6.5cm测线，49-80m处，也就是图中所标记出的A区域，并没有出现具体的病害，但是为了防患于未然，对该区域进行预防性的养护方案，得到较为良好的成效。4.3.2一般性破损该种情况下，路面的破损程度较低，原路面还比较完整，而且其交通荷载量和路基强度在加铺后改变不大，因此采用直接加铺的方式进行修补处理。加铺方案如图4.10所示。图4.10一般性破损的加铺结构这种情况路面状况良好，其路面破碎率小于10%，沉降一般不大于1cm，弯沉特别微小，因此这种情况的原路面可以直接使用，不需要再处理。根据公路等级和行程荷载量的大小，直接加铺沥青罩面层。沥青稳定碎层的设计目的是为了起到调平的作用。4.3.3需要补强型破损原有路面有不均匀沉降和破损，导致其承载力不足，不能直接进行加铺，需要补强之后再加铺沥青罩面层。其加铺方案如图4.11所示。图4.11需补强的加铺结构这种情况下的路面破碎率小于20%，沉降一般在1-2cm之间，间接利用旧水泥混凝土路面板，使得路面整体性提高。水泥稳定级配碎石即为补强结构层，设置该半刚性基层是为了加固路面，可以提高路面行车荷载能力。在沥青罩面层和补强结构层之间也可以增加防水粘结层或应力吸收层等，可以有效防治水分的侵蚀。52 第四章沥青加铺层病害及处治技术应用实例4.3.4严重破损这种情况下路面破损严重，原路面已经不能利用，必须破碎重铺。其加铺方案如图4.12所示。图4.12严重破损的加铺结构这种情况下的路面破碎率大于20%，沉降一般较大，原路面发生明显错台现象。为了提高路面等级和行车荷载能力，必须将原路面打碎后重铺，原路面作为底基层使用，在其上加铺半刚性基层起到补强效果，最后在加铺沥青罩面层。该方案有效处理了原路面的破损现状，也能降低反射裂缝的生产和扩展。53 长安大学硕士学位论文结论与展望目前，我国仍然广泛的应用水泥混凝土道面作为主要的路面形式。其表面层的耐磨损能力较高，路基的支撑能力较好，基层、面层的整体性较高。为了更好的发挥其作用，采用沥青罩面的方法进行加铺，特别是在机场道面的改建当中。这个改造的方式涉及到很多方面的因素，包括旧水泥混凝土道面的使用状况和通行能力、路面材料的性能和参数、环境因素等基本特点，还有关于防治反射裂缝等病害的具体措施。本课题在收集和阅读了大量国内外研究成果之后，简单的探讨了关于旧水泥混凝土道面的使用状况和病害处理问题，进而分析了反射裂缝的产生和发展机理。探究了一种新型的沥青层加铺方式，对机场旧水泥混凝土道面沥青罩面改造的问题进行了较为全面的分析。最后结合某一具体试验路段的工程实例，探究了沥青层路面的隐性病害，分析现象及维护。结论（1）通过对旧水泥混凝土道面使用状况的分析，发现并研究具体病害的成因和性质，最终总结出一些合理有效的处治措施。为了保证沥青罩面之后，能够极大的改善道路的整体结构强度，减少或避免反射裂缝的生成和扩大。解决旧水泥混凝土道面板底脱空和下陷等病害问题，使得改造后的沥青罩面有更长的使用寿命。（2）沥青罩面层中出现的反射裂缝主要有荷载型和温度型两种，显而易见，温度和行车荷载会导致反射裂缝的形成。其中环境负效应是出现反射裂缝的主要因素，不论是季节的变化、空气湿度的变化还是降水等都是不可避免的原因。当然，除了这些方面，路面板本身的因素也不可忽视，旧路面板与罩面层之间的粘结能力、罩面层的模量和厚度、板间传荷能力都在一定程度上促使了反射裂缝的延伸和扩展。（3）利用ABAQUS软件进行简单的有限元分析，对探究反射裂缝具有更深层的意义。ABAQUS是一种使用十分简单方便的分析软件，利用单元格的分割，得到裂缝区域图，最终应力云图，分析应力强度因子。根据断裂力学原理，建立模型，进行分析探究，选取固定的基本参数，改变其中一种参数，研究应力强度因子的变化规律。（4）路面进行“白改黑”罩面整修，使用一段时间后会出现各种病害现象，其中较为严重的是裂缝。除了由于飞机重荷载、外界环境条件等原因而导致的病害外，还有部分路面未受车轮碾压而产生非荷载裂缝。采用增强型沥青材料进行养护，根据不同类型病害的应对方式，对症下药，从根本上解决路面的损坏问题。新型撒布方式，即分层撒布，在下面层中添加特殊的原材料，使得接触原路面的下沥青面层起到更好的加固作用，并54 结论与展望且具有较好的粘结性；而直接接触外界环境的上沥青面层，受到外界空气、光照、气温、降水等自然条件及行车荷载的影响，需要添加抵抗这些外在因素的原材料，从而达到抗滑，抗老化等功能。（5）雷达检测主要针对所选机场道面的病害集中的区域进行雷达探测，得到病害的雷达图谱，针对雷达检测到的结果，发现选取的试验探测区域集中了沥青层破损、沉降和含水等病害现象。根据原水泥道面的不同破坏程度，选择合适的加铺处治方式，发生的沉降和破损等，需要进行综合处治处理；若沥青层破碎且含水，则必须重铺处理。展望运用“白改黑”工艺进行水泥混凝土道面的罩面改造，是现今我国刚柔式复合路面的发展前景。该技术涉及到的方面很广，从材料和设备的选择，再到路面结构和功能的分析，最后还有不能忽视的外界因素和经济效益。因此，深入研究和了解该技术的理论和方法是现阶段的重头戏。在今后的发展过程中，不断探索和创新，最终找到经济有效、切实可行的改造方案。机场道面的加铺改造，可以采用多种有效且理想的成熟手段。本文所研究的侧重点是加铺层的病害问题，采用增强型沥青材料的双层撒布养护方式，也进行了较为深入的探究并取得了一些成果。但是对于加铺后沥青层所产生的各种病害尚需今后长期观察，运用探地雷达检测出不能用肉眼辨别的道面破坏，是今后特别关注且亟需及时处理的一项重要工程。分析除了反射裂缝和非荷载裂缝外，还奥对其他病害进行各方面的分析和探究，尤其是“未病”的防治，找出沥青罩面特征及性能的规律，深入探究，其必将带来广阔的道路前景。55 长安大学硕士学位论文参考文献[1]交通部公路司.公路工程质量通病防治指南[M].北京:人民交通出版社,2002.[2]李华,缪昌文,金志强.水泥混凝土路面修补技术.第一版.北京:人民交通出版社,1995.[3]李宇峙,张起森,刘朝晖等.长永高速公路旧水泥混凝土路面上沥青混合料加铺层结构设计[J].中外公路.2001,29(2):6-9.[4]HuntingtonG,Ksaibatik.Evaluationofgeogrid-rein-forcedgranularbase[J].GeotechniealFabricsReports,2000,(Jan/Feb):20-28.[5]韩凤华,许志鸿,何光.公路沥青路面典型结构[M].上海:同济大学出版社,1998.[6]AsphaltInsituteAsphaltoverlaysorHighwayandStreetRehabilitation.MS-17.[7]符冠华.沥青混凝土加铺层改造旧水泥混凝土路面的应用研究[M].东南大学,2001.5.[8]中华人民共和国交通部.公路沥青路面设计规范[S].JTGDS0-2006.[9]中华人民共和国交通部.公路水泥混凝上路面设计规范[S].JTGD40-2002.[10]李华等.水泥混凝上路面修补技术[M].人民交通出版社,1998.[11]王仁杰.旧水泥路面利用改造与施工工艺探讨[J].华东公路,1999(2).[12]吴英俊.用沥青罩面改造旧水泥混凝土路面技术[J].公路,2001(3).[13]刘朝晖,李宁峙.典型半刚性基层材料参数的研究[J].中南公路工程,1995,(3):26-29.[14]苏志强.半刚性基层沥青路面的结构设计方法研究[J].中南公路工程,1997,6(22):14-18.[15]韩凤华,许志鸿,何光.公路沥青路面典型结构[M].同济大学出版社,1998.[16]石小平,姚祖康.水泥混凝上路面损坏评价方法[J].中国公路学报,1990(4).[17]张亮,黄晓明等.水泥混凝土路面结构状况评价[J].城市道路与防洪,1998(l).[18]中华人民共和国交通部.公路养护技术规范[S].JTJ073.1-2001.[19]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].人民交通出版社,2001.[20]陈娟,于浩.采用弯沉法设计旧水泥砼路面的沥青加铺层[J].中国市政工程,2006,(2):28-30.[21]ChenNJ,DivitoJA,MorritsGR.FiniteelementanalysisofArizona’sthree-layeroverlaysystemofrigidpavementtopreventreflectioncracking.ProceedingsofAAPT,1982,51:P33-36.[22]李淑明.旧PCC路面上AC加铺层设计方法的研究[D].同济大学,2003.56 参考文献[23]郝大力.路面性能的评价与分析研究[D].西安:长安大学,2000.[24]中华人民共和国交通部.公路水泥混凝土路面养护技术规范[S].JTJ073.1-2001.[25]中华人民共和国交通部.公路路基路面现场测试规程[S].JTJ059-95.[26]中华人民共和国交通部.公路工程质量评定标准[S].JTGFS80/1-2004.[27]中华人民共和国交通部.公路养护质量检查评定标准[S].JTJ075-94.[28]中华人民共和国交通部.公路沥青路面施工技术规范[S].JTGF40-2004.[29]武健民,伍石生.用三维有限元方法评价带接缝的旧水泥混凝土路面罩面[J].长安大学学报(自然科学版),2002,22(1):10-13.[30]武贤慧,张登良,李德超.沥青路面反射裂缝足尺试验[J].长安大学学报(自然科学版),2003,23(6):4-6.[31]周宫本,胡圣.反射裂缝产生和发展的机理[J].国外公路,1997,2(4):12-16.[32]陈洪江.土工织物在道路反射裂缝防治中的应用[J].武汉城市建设学院学报,2000,(3):34-36.[33]江辉峰.土工布在旧沥青路面补强设计中的应用[J].中国市政工程,2000,(4):54-58.[34]S.F.Brown,J.M.Brunton,etal.PolymerGridReinforcementofAsphaltProceedingsofAssociationofAsphaltPavingTechnologists,1985,Vol.54:18-44.[35]于宝明.反射裂缝研究与旧水泥混凝土道面上沥青混凝土加铺层的设计[D].上海:同济大学,1991.[36]张晓冰,杨军,黄晓明等.玻璃格栅加筋沥青混凝土路面试验及施工方法研究[J].中国公路学报,1997,3(10):32-36.[37]周富杰.防治反射裂缝的措施及其分析[D].同济大学,1998.5.[38]严家汲,沥青材料性能学.人民交通出版社,1995.[39]张登良.沥青与沥青混合料.人民交通出版社,1998.[40]王富玉.大粒径沥青混合料路用性能研究[D].长安大学,2001.[41]P.Joseph,R.Hass,W.A.Phang.Rothenberglowtemperaturereflectioncrackingthroughoverlay[J].AAPT,2000:55(6):26-31.[42]P.W.Jayawickrama,R.L.Lytton.Methodologyforpredictingasphaltconcreteoverlaylifeagainstcracking[J].APPT,2000:45(5):56-6.[43]J.M.Rigo,R.Degeimber,L.Franeken.Reflectivecrackinginpavement[J].RILEM,P&FnsponPress.1993:23(25):50-53.57 长安大学硕士学位论文[44]周富杰,胡圣.反射裂缝产生和发展的机理.国外公路,1997,2(4):12-16.[45]苏卫国,蔡锡荣.雾封层防护剂的路用防护性能研究[J].中外公路,2010,30(5):292-296.[46]张朝山.雾封层技术在高速公路预防性养护中的应用[J].筑路机械与施工机械化,2010.[47]CaliforniaDepartmentofTransportation(CADOT).FogSealGuidelines[M].CaltransDivisionofMaintenance,October,2003.[48]中华人民共和国交通部.公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].JTJE20-2001.[49]NikornponPrapaitrakul,TomFreeman,andCharlesJ.Glover.AnalyzeExistingFogSealAsphaltsandAdditives:LiteratureReview.TechnicalReportNo.FHWA/TX-06/0-5091-1,2005.[50]张铭铭,张洁,郝培文.雾封层沥青材料和添加剂的分析与评价[J].中外公路,2010,30(1):247.[51]毛华富,陈陵.浅谈水泥混凝土路面“白改黑”施工技术[J].城市建设,2010(1):363.[52]陶向华,袁丽颖,王复明等.探地雷达(GPR)在路面工程质量检测中的应用[J].郑州工业大学学报,2001(4):63-66.[53]支海燕,吕锡从,吴春柏.一种无载波脉冲探地雷达技术的发展及应用[J].中国航天,1994(5):39-43.[54]何水明,李大心.探地雷达探测公路路基质量的可能性探讨[J].地质科技情报,2003(3):90-92.58 攻读学位期间取得的研究成果攻读学位期间取得的研究成果参与的科研项目[1]浙江省交通运输厅科技计划项目、宁波市交通运输委员会科技计划项目《耐久型SBS改性沥青全过程动态质量控制技术研究》[2]广西交通科学研究院项目《基于大型色谱柱法的沥青组分快速分离技术》发表的论文及专利[1]ChangyongYe,WanyiYang,XiZhang,WeiguangLi.InfluenceofSBSdosageontheperformanceofmodifiedasphalt.AdvancesinTransportation,2013.[2]发明专利：沥青路面用水性增强型雾封层材料及制备方法和施工方法（已公示：CN104164818A）[3]发明专利：沥青路面用油性增强型雾封层材料及制备方法和施工方法（已公示：CN104179107A）[4]实用新型：一种沥青老化试验用的防漏盛样瓶（专利号：ZL201320798958.0）59 长安大学硕士学位论文致谢本文是在尊敬的导师李炜光教授的指导下，才得以顺利完成。两年的研究生学习生活一瞬而过，回首观望，感慨良多，能师从李老师是我的荣幸，用语言难以表达我的崇敬和感激之情。李老师知识渊博、和善亲切、特别在科研学术方面的严谨态度更是令我获益匪浅。李老师经常教育我们要注重细节，在遇到问题的时候要善于思考，要“想、说、做”一步步做到，还要反复琢磨，只有这样才能认清自己的优点和缺点，才可能取精华，去糟粕，最终达到目标。当我面临困惑和不解的时候，李老师都会给我指明方向，耐心指导我，教我为人处世的道理，让我明白生活的意义。我会牢记您的教诲披荆斩棘、奋勇向前。感谢耿九光老师在学业上对我的细心指导，耿老师严谨的科学态度和精益求精的工作作风深深的激励着我，我学会了刻苦和钻研。在科研过程中，时常会遇到困难，耿老师都会给予我鼓励和支持，在此谨向耿老师致以崇高的敬意和衷心的感谢！其次，感谢我课题组的同仁们在学习、生活和工作中给予我的帮助和鼓励。在306这个大家庭里，我感受到了温暖和幸福，在我开心的时候或者难过的时候，都有一群人我和一起分享与分担，这是我一生的财富。最后要感谢我的父母，是他们的无私付出，才能成就今天的我，我的成绩和他们的辛苦不可分割。论文的完成得益于太多人的帮助和关怀，在此不能一一感谢，但我永远铭记于心。60
