淺談不同瀝青材料在不同防裂措施的防裂效果評(píng)價(jià)分析

黎海

摘要： 本實(shí)驗(yàn)針對(duì)于研究不同瀝青材料在不同防裂措施下，各自的抗疲勞效果。研究采用氣動(dòng)伺服諾丁漢瀝青材料試驗(yàn)儀 NU- 14進(jìn)行。采用的研究算法為有限單元法，通過(guò)計(jì)算得出瀝青混凝土面層一般荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力，最終分析反射裂縫的產(chǎn)生機(jī)理以及不同防裂措施下的作用機(jī)理。

關(guān)鍵詞： 反射裂縫 ; ?粘彈性;有限元法 ;

中圖分類號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

在我國(guó)常見(jiàn)的高級(jí)瀝青混凝土路面的基層類型中，半剛性基層具有整體性和較強(qiáng)的抗彎拉能力，而且抗壓能力教強(qiáng)。然而，在實(shí)際使用過(guò)程中，這種路面容易出現(xiàn)反射裂縫的情況。在現(xiàn)場(chǎng)取材中可看到，路面產(chǎn)生的裂縫中，反射裂縫一般占比在50%左右，而反射裂縫會(huì)影響到路面結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，在降水以及車輛重量的影響下，通常會(huì)導(dǎo)致路面變形、唧漿等現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生?？梢哉f(shuō)，這種路面的反射裂縫是我國(guó)瀝青路面主要面臨的問(wèn)題之一，也是亟待解決的問(wèn)題。

近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)相關(guān)課題進(jìn)行了深入研究。在我國(guó)，長(zhǎng)沙交通學(xué)院鄭鍵龍研究組從力學(xué)的角度，通過(guò)斷裂力學(xué)和層狀體系理論來(lái)對(duì)反射裂縫產(chǎn)生的過(guò)程和機(jī)理進(jìn)行研究并且取得了一定成績(jī)。此外，也有研究組通過(guò)鋪設(shè)試驗(yàn)路段或者在室內(nèi)修建模擬路段進(jìn)行相關(guān)課題研究。雖然這些研究都取得了一定的成績(jī)，但是路面反射裂縫的情況仍然沒(méi)能得到有效改善。

通過(guò)對(duì)目前的研究進(jìn)行歸納整理發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段常見(jiàn)的改善反射裂縫的方法大致有以下幾種：一是，提升混合材料的抗裂強(qiáng)度。比如，在材料中添加聚酯纖維或者通過(guò)其他方式優(yōu)化材料設(shè)計(jì)。二是，添加防裂夾層。常見(jiàn)的添加物有 SAMI層、玻璃纖維格柵和土工織物等，通過(guò)添加夾層的方式，起到防裂作用。三是，添加防裂結(jié)構(gòu)層，常見(jiàn)的防裂結(jié)構(gòu)層添加物是瀝青碎石。

1. 瀝青混凝土面層反射裂縫室內(nèi)疲勞試驗(yàn)研究

本文的研究?jī)x器是氣動(dòng)伺服諾丁漢瀝青材料試驗(yàn)儀 NU- 14，由英國(guó) COOPER公司生產(chǎn)。將切縫小梁在不同的防裂措施下進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，以此來(lái)推算不同措施的防裂效果。

本文采用的試件大小為380 mm （長(zhǎng) ）× 65 mm （寬 ） ×50 mm（高 ）。將小梁沿長(zhǎng)度方向分割成2塊，下部高度為 15 mm，中間留空以添加不同的防裂材料。本研究采用的添加材料有改進(jìn)型 AC- 20I（新型瀝青混合料）、 SUP25和 SUP20，添加完防裂材料后，用改性乳化瀝青制成試件。將試件放置在15攝氏度的環(huán)境中靜置6小時(shí)，，應(yīng)變控制方式為作用應(yīng)變 150με、頻率 10 Hz，疲勞標(biāo)準(zhǔn)為勁度模量下降至初始勁度模量的 50%。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看， SUP20的疲勞壽命最大，作用次數(shù)達(dá)13736次。 SUP20是一種瀝青膠砂含量較高的嵌擠骨架結(jié)構(gòu)，因而，可以選用瀝青膠砂含量高、骨架結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)的材料作為混合料。

從不同防治措施下切縫小梁疲勞試驗(yàn)的不同結(jié)果來(lái)看，聚酯纖維瀝青混合料的防治效果最好，提高了94. 6% ， SAMI夾層防治效果次之，增加了 43. 3%，玻璃纖維格柵的效果排最后，增加了20. 6%，土工織物的效果幾乎沒(méi)有，僅增加了 0. 4% 。

2.水泥穩(wěn)定碎石基層上瀝青混凝土面層反射裂縫有限元分析

通過(guò)對(duì)有反射裂縫的瀝青路面進(jìn)行有限元分析，可以更加準(zhǔn)確的了解反射裂縫產(chǎn)生的原因、過(guò)程以及解決措施。

2.1路面結(jié)構(gòu)三維有限元分析

車輛的荷載情況會(huì)影響到面層底部應(yīng)力，試驗(yàn)中的材料面層厚度為17 cm， SAMI夾層厚 1 cm，瀝青碎石層厚度為 6 cm，基層、底基層總厚度為 56 cm，添加物為玻璃纖維格柵和土工織物均不計(jì)厚度，裂縫寬度為0. 5cm，將層間結(jié)合條件是全連續(xù)。底部最小節(jié)點(diǎn)間距是0.0625 cm，裂縫最小單元長(zhǎng)度是0.125 cm。

根據(jù)試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果可以看出，在無(wú)夾層時(shí)，路面底部的剪應(yīng)力和拉應(yīng)力處于較高水平，最大數(shù)值均在裂縫上方較窄位置。因而，沒(méi)有防裂夾層的路面，在車輛荷載的作用下，面層底部與基層相接處會(huì)產(chǎn)生裂縫。在有防裂夾層的路面，各應(yīng)力數(shù)值均減少到材料抗壓強(qiáng)度以內(nèi)，且瀝青碎石層和 SAMI層應(yīng)力減少為最多，分別減小72.5%和67.8%。

2.2不同防裂措施下的防裂效果評(píng)價(jià)

（1）防裂措施自身的強(qiáng)度來(lái)看。玻璃纖維格柵和土工織物內(nèi)應(yīng)力較大，應(yīng)變較小，這兩種材料在防裂過(guò)程中，是通過(guò)自身高強(qiáng)度的抗拉模量來(lái)抵消裂縫尖端應(yīng)力，且玻璃纖維格柵的防裂效果較好。但是這兩種材料會(huì)降低結(jié)構(gòu)整體性，在一定程度上影響了防裂效果。所以，在用到這兩種材料時(shí)需要鋪設(shè)平整，才能達(dá)到較好的粘性。

（2） SAMI層的防裂作用，是通過(guò)自身低模量、大變形的能力特點(diǎn)，來(lái)分散裂縫兩側(cè)的應(yīng)力，防裂效果好于土工織物。該材料在使用時(shí)要注意面層底部面積受拉對(duì)面層的影響。

（3）瀝青碎石層在發(fā)揮防裂效果時(shí)，主要時(shí)通過(guò)吸收面層的底部應(yīng)力，且這種材料孔隙率較大，裂縫發(fā)展較慢，在一定程度上延緩了裂縫的發(fā)展。

（4）可以看出，在幾種防治措施中，聚酯纖維瀝青混合料的效果最好。這種材料能夠增加各種材料之間的加筋效果，提高材料抗裂性能，也能在一定程度上維持結(jié)構(gòu)完整性，提高防裂能力。

2.3溫度變化對(duì)路面粘彈性的分析。

（1）降溫速度越慢，防裂效果越明顯。可以看出，添加有防裂材料的層面，在應(yīng)力和應(yīng)變上都教小，各種材料的防裂效果關(guān)系為：SAMI>玻璃纖維格柵>土工織物。

（2）不同降溫速率下，SAMI的變化數(shù)值最小，防裂效果最穩(wěn)定，SAMI的變形能力影響著其防裂效果的發(fā)揮。

（3）玻璃纖維格柵和土工織物的內(nèi)應(yīng)力都是隨著溫度降低速率的減小而增大的，所以持續(xù)性的降溫對(duì)該種材料具有破壞作用。兩種材料的強(qiáng)度和層間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度對(duì)其防裂效果產(chǎn)生影響。

3.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同防裂材料在不同情況下的防裂效果研究，可以得出以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）就同一種類的瀝青混合材料而言，最大公稱粒徑越小，其防裂效果越明顯，能力越強(qiáng)。

（2）在選用防裂材料時(shí)，應(yīng)選擇瀝青膠砂含量高、骨架結(jié)構(gòu)結(jié)實(shí)的材料。

（3）玻璃纖維格柵和土工織物的防裂效果發(fā)揮機(jī)制相似，但是玻璃纖維格柵效果較為明顯，兩種材料模量越高防裂效果越好，在實(shí)際操作中，要注重玻璃纖維格柵的平整性，而且要在裂縫兩側(cè)1m范圍內(nèi)鋪設(shè)，才能發(fā)揮最好的防裂效果。

（4）SAMI材料模量較其他材料低，厚度較大，通過(guò)抵消裂縫處應(yīng)變力發(fā)揮防裂作用。在實(shí)際使用中，要注重其抗變形能力可能會(huì)受到溫度影響，要提高其抗變形能力。

（5）瀝青碎石混合材料，因?yàn)槠淇紫堵瘦^大，對(duì)裂縫的發(fā)展具有一定延緩作用，因而具有明顯的防裂縫效果。

（6）在實(shí)驗(yàn)涉及到的防裂材料中，聚酯纖維瀝青混合料效果最好，疲勞壽命最高。該種材料具有加筋作用，能夠提高層面的抗拉能力，讓層面本身具有較好的防裂能力，是一種比較有效的防裂縫材料。

（7）在研判防裂材料防裂縫能力時(shí)，可以通過(guò)累計(jì)應(yīng)力和應(yīng)變滯后環(huán)面積來(lái)體現(xiàn)材料防裂能力。

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