摘要 摘要 近年來，隨著行車荷載的增加，早期修建的水泥混凝土路面板底脫空嚴重， 引起水泥混凝土板斷裂或錯臺，許多水泥混凝土路面面臨大修、改造。本文調(diào)研 了國內(nèi)外對水泥混凝土路面加鋪層的研究成果，對脫空水泥混凝土路面加鋪層進 行研究。 首先，調(diào)研各種結(jié)構(gòu)的加鋪層使用狀況及特點，結(jié)合廣西實際，提出水泥混 凝土路面加鋪水泥混凝土板補強以及級配碎石加鋪層方案。通過對廣西全桂路改 造工程中多處水泥混凝土路面板下脫空狀況的研究，獲得脫空形態(tài)的分布規(guī)律， 提出“脫空度”這一概念，用三維有限元方法定量分析脫空水泥混凝土板體受力 狀況和縮縫鋼筋傳力桿對于提高脫空水泥混凝土路面壽命的影響。 其次，結(jié)合f w d 等無損檢測技術(shù)對路面參數(shù)的獲取，探討基于脫空度評價舊 水泥混凝土路面復(fù)合式加鋪層的設(shè)計方法，建立一套道面無損檢測評價和加鋪層 設(shè)計系統(tǒng)。 級配碎石材料具有明顯的應(yīng)力非線性特性，結(jié)合f w d 模量檢測數(shù)據(jù)，采用三 維非線性有限元程序分析級配碎石加鋪層的應(yīng)力、應(yīng)變情況。 介紹了應(yīng)力吸收復(fù)合夾層( i s a c ) 防止反射裂縫這一理論，利用斷裂力學一 有限元方法分析其力學作用機理。 最后，通過試驗路驗 正脫空水泥混凝土路面力口鋪的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，對舊板灌 漿，復(fù)合夾層施工工藝和施工控制進行了研究。 關(guān)鍵詞： 脫空度應(yīng)力吸收復(fù)合夾層級配碎石罩面鋼筋無損檢測設(shè)計 方法非線性灌漿 皇! ! ! 型一 a b s t r a c t t h ep a v e m e n t sc o n s t r u c t e di ne a r l yy e a r sa r em a i n l yp o r t l a n dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t s ，i n r e c e n ty e a r s ，w i t ht h ei n c r e a s eo ft r a f f i cl o a da n dr u n n i n gs p e e d ，p u m p i n ga r e ab e n e a t ht h es l a b s i n c r e a s e sw h i c hl e a ds l a b sc r a c ko rf a u l t ，m a n yp a v e m e n t sa r ef a c e dw i t hr e c o n s t r u c t i o n r e f e r r i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l to f o v e r l a yo no l dc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t s ，t h i sp a p e rd e v e l o p s i n v e s t i g a t i o n0 no v e r l a yo np u m p i n gc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n t t ob e g i nw i t h ，d e v e l o p i n gi n v e s t i g a t i o no nu s i n gs t a t u so fa l lt y p e ss t r u c t u r eo fo v e r l a y , p u t f o r w a r dt h ep r o j e c tt h a tr e c o n s t n j c tn e wc e m e n tc o n c r e t es l a b so no l dp a v e m a n t s b e c a u s eo f p u m p i n ga r e a b e n e a t hs l a b sw h i c hs e r i o u s l ya f f e c tt h el i f eo fp a v e m e n t s ，t h r o u g ht h e i n v e s t i g a t i o no fp u m p i n ga r e ab e n e a t hc e m e n tc o n c r e t ep a v e m e n ts l a b so fq u a n g u i e x p r e s s w a ya l t e r n a t i o n p r o j e c ti n g u a n g x im u n i c i p a l i t y ，t h ed is t r i b u t i n gr e g u l a r i t y o fp u m p i n ga r e ai so b t a i n e d p u t t i n gf o r w a r dan e wc o n c e p t “p u m p i n gm a g n i t u d e ”u s i n g t h r e e - d i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n a l y z i n gs t r e s so f p a v e m e n ts l a b sw i t hp u m p i n ga r e a , a n d a l s oa n a l y z i n gt h ee f f e c to f r e i n f o r c e ds t e e lb a r s e c o n d l nc o n f i r m i n g t h e d e s i g n i n d e x e so fo v e r l a yo no l dp a v e m e n t s ，t h e n u s i n g t h r e e d i m e n s i o nf i n i t ee l e m e n tm e t h o dt o a n a l y s i st h es t r e s so ft h eo v e r l a y c o m b i n i n gw i t h n o n - d e s t r u c tt e s tt e c h n i q u e ，s u c ha sf w d ，p a r a m e t e r so fo l dp a v e m e n ta r eo b t a i n e d ，d e v e l o p i n g r e s e a r c ho nt h ed e s i g nm e t h o do f t h eo v e r l a yw h i c hb a s eo np u m p i n g m a g n i t u d e ，e s t a b l i s h i n gas e t o f p a v e m e n tt e s ta p p r a i s a la n do v e r l a yd e s i g ns y s t e m a si n e l a s t i cp r o p e r t yo fg r a v e ls t o n ei sm o s t l yd e p e n d e do ni t sg r a d e ，i no r d e rt op r e d i g e s t s t r e s sc a l c u l a t i o n ，t a k i n gi n e l a s t i ct h e o r yt oa n a l y s i ss t r e s s t h i sp a p e rp u t sf o r w a r di n t e r l a y e rs t r e s sa b s o r b i n gc o m p o s i t et or e s i s tr e f l e c t i o nc r a c k i n g w h i c hb a s e do nt h es t u d yo fr e f l e c t i v ec r a c ki n o v e r l a y t h e np a r t i c u l a r l yi n t r o d u c i n gi t s a p p l i c a t i o ni ni l l i n o i ss t a t e ，a n da n a l y s i si t sm e c h a n i s mw h i c hb a s e do nf r a c t u r em e c h a n i s m f m i t e e l e m e n tm e t h o d i nt h ee n d ，t h ef a t i g u ed e s i g nm e t h o du s e di nr e h a b i l i t a t i o nf o ro l dp a v e m e n th a sb e e n v a l i d a t e dt h r o u g ht e s tr o a d ，t h e nc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u ea n dc o n t r o lo f i n t e r l a y e rs t r e s sa b s o r b i n g c o m p o s i t ea n dm o r t a rg r o u t i n gt e c h n i q u eh a v eb e e nr e s e a r c h e d k e y w o r d s ：p u m p i n gm a g n i t u d ei n t e r l a y e rs t r e s sa b s o r b i n gc o m p o s i t e ( i s a c ) ；| o v e r l a y ；r e i n f o r c e d s t e e lb a r ：n o n - d e s t r u c tt e s t ：d e s i g nm e t h o d ：i n e l a s t i c ：m o r t a rg r o u t i n g 目錄 表格目錄 表卜1 舊水泥混凝土路面加鋪層方案比較1 1 表l _ 2 廣西水泥混凝土路面發(fā)展里程1 4 表卜3 廣殖路網(wǎng)工程使用狀況調(diào)研表。1 5 表2 1 相鄰脫空水泥混凝土扳號扳實涌彎沉數(shù)據(jù)( 單位；0 0 1 ) 1 8 表2 _ 2 鉆孔實測脫空高度數(shù)據(jù)表( 單位：c m ) 1 8 表2 _ 3 脫空板橫向接縫邊緣彎沉潮點彎沉值1 9 表2 叫板角脫空時板角作用荷載應(yīng)力計算結(jié)果表2 l 衷2 巧不同設(shè)計標準軸載下荷載疲勞應(yīng)力計算系數(shù)2 3 表2 - 6 不同軸載作用下脫空水泥混凝土板底彎拉應(yīng)力( 唧a ) 計算表2 3 表2 - 7 溫度應(yīng)力回歸系數(shù)表2 4 表2 _ 8 不同脫空尺寸對脫空板底計算溫度應(yīng)力的影響( 單位：i p a ) 2 4 表2 9 荷載作用下不同厚度脫空板使用壽命計算表2 5 表2 1 0 傳力桿對脫空混凝土板使用壽命的影響31 表2 1 1 全桂路試驗段f w d 路面結(jié)構(gòu)強度檢測匯總3 3 表3 - l 不同罩面厚度的界面處最大剪應(yīng)力4 7 表3 噸不同溫度下不同剪切速率時不同層間接觸的抗剪強度4 7 表3 - 3 不同層間材料試件在0 t 2 c m m i n 剪切速率下不同溫度時的抗剪強度4 8 表3 4 伊利諾斯押i s a c 路用性能調(diào)查表5 0 表3 - 5 偏荷載作用下不同模量夾層的力學計算結(jié)果5 1 表4 _ l 國內(nèi)外試驗得出的回歸參數(shù)屆、五范圍5 6 表4 - 2 不同三軸試驗下模量計算值5 7 表5 1 全桂路錯臺檢測結(jié)果6 2 表5 2 全桂路平整度檢測結(jié)果表6 2 表5 - 3 全桂路斷板率檢翼結(jié)果6 2 表5 _ 4 壓漿效果評定表。6 6 表5 - 5 各項目部加鋪層材料單價預(yù)算匯總表6 9 表5 _ 6 士工合成材料及鋼筋單價匯總表6 9 圖形目錄 幽卜1 “白+ 白”罩面結(jié)構(gòu)示意圖2 圖卜2 錯縫鋪設(shè)水泥混凝土板示意圖3 圖卜3 “白+ 黑”罩面結(jié)構(gòu)示意圖4 圖卜4 開裂路面結(jié)構(gòu)分析圖4 圖卜5i s a c 復(fù)合夾層結(jié)構(gòu)示意圖8 圖卜6 “白+ 補強層+ 黑”罩面結(jié)構(gòu)示意圖9 圖卜7 計算板角脫空尺寸與彎沉關(guān)系曲線1 3 圖2 - 1 水泥混凝路面脫空板板角測點平面分布圖，1 7 圖2 2 脫空板鉆孔分布圖。18 圖2 - 3 水泥混凝土路面脫空扳板縫測點平面分布圖1 9 圖2 - 4 脫空水泥混凝土路面板力學分析脫空模型簡化2 0 圖2 - 5 車輪荷載橫向分布示意圖2 0 圖2 - 6 脫空水泥混凝土板臨界荷位示意圖2 1 圖2 7 不同板厚的臨界脫空高度2 2 圖2 - 8 標準軸載作用下不同板厚時不同脫空度的板底應(yīng)力2 6 圖2 - 9 分離式鋼筋單元模型2 7 圖2 一1 0 組合型鋼筋單元2 8 圖2 一l l 鋼筋的等參四邊形四結(jié)點單元示意圖2 9 圖2 一1 2 鋼筋傳力桿力學計算模型3 1 圖2 一1 3 板沿接縫處斷裂后傳力桿對不同強度路表接縫處的彎沉影響3 1 圖2 1 4 錯縫鋪設(shè)分離式加鋪層計算分析模型3 4 圖2 1 5 舊水泥混凝土路面復(fù)合式加鋪層設(shè)計流程圖3 6 圖2 一1 6 不同e 。時2 0 c m 厚分離式加鋪層設(shè)計計算圖3 7 圖2 一1 7 不同e 。時2 2 c m 厚分離式加鋪層設(shè)計計算圖一。3 7 圖2 1 8 不同e 。時2 4 c m 厚分離式加鋪層設(shè)計計算圖3 7 圖2 一1 9 不同e l 時2 6 c m 厚分離式加鋪層設(shè)計計算圖3 8 圖2 2 0 不同e 。時2 8 c m 厚分離式加鋪層設(shè)計計算圖3 8 圖2 2 1 不同e t 時3 0 c m 厚分離式加鋪層設(shè)計計算圖3 8 圖3 - 1 裂縫擴展模式4l 圖3 2 無限大板中的裂縫示意圖4 2 圖3 3 裂紋尖端積分回路4 3 圖3 - 4 反射裂縫的產(chǎn)生4 5 圖3 - 5i s a c 剪切試驗試樣示意圖一4 7 圖3 - 6i s a c 抵抗反射裂縫試驗裝置4 9 圖3 7 等參單元和四分之一節(jié)點奇異單元5 1 圖3 - 8 高、低勁度夾層抵抗偏荷載作用示意圖5 2 圖3 - 9 瀝青層底裂縫尖端應(yīng)力強度因子k i 5 2 圖3 1 0 瀝青層底裂縫尖端j 積分5 3 圖3 - 11i s a c 復(fù)合夾層與單一高勁度土工夾層抗裂效果分析5 3 圖3 1 2i s a c 復(fù)合夾層與單一土工薄膜抵抗溫度應(yīng)力分析5 4 圖4 一l 級配碎石結(jié)構(gòu)力學分析示意圖5 7 圖4 - 2 不同厚度瀝青層底拉應(yīng)力5 7 v 目錄 圖4 3 不同瀝青面層厚度級配碎石層底剪應(yīng)力。5 8 圖4 4 不同厚度瀝青面層最大彎沉5 8 圖4 - 5 不同厚度級配碎石基層瀝青層底拉應(yīng)力5 8 圖4 - 6 不同級配碎石基層厚度瀝青路面最大彎沉5 9 圖4 7 不同荷載作用下路面彎沉響應(yīng)5 9 圖4 8 舊水泥混凝土路面級配碎石加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計思路流程圖6 0 圖5 一l 全桂路主體工程維修方案流程6 3 圖j 一2 試驗路i s a c 復(fù)合夾層土工布自動攤鋪圖6 7 圖5 3 試驗路i s a c 復(fù)合夾層自粘式玻纖格柵施工 圖5 4 試驗路i s a c 復(fù)合夾層瀝青面層攤鋪 圖5 - 5 試驗路三輥軸施工鋼筋傳力桿支架布設(shè)示意圖 圖5 - 6 試驗路各加鋪層造價圖 v i 卯卯醯加 東南大學學位論文獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作及取得 的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含 其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得東南大學或其它教育機構(gòu) 的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均 已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名： ，i ，1 識 駕牡日期： 蘆。 東南大學學位論文使用授權(quán)聲明 東南大學、中國科學技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán)保留本人所送交學位 論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。本人 電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論 文被查閱和借閱，可以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包 括刊登) 授權(quán)東南大學研究生院辦理。 研究生簽名：毒2 蠕師簽名：澎期： 第1 章緒論 第1 章緒論 1 1 我國1 日水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的問題及現(xiàn)狀 水泥混凝土路面是高等級公路路面結(jié)構(gòu)的主要類型之一。近2 0 年來，隨著我國經(jīng)濟的 迅速發(fā)展，公路交通量和軸載迅速增加，車速不斷提高，對路面服務(wù)性能的要求隨之相應(yīng)提 高。為了適應(yīng)交通運輸事業(yè)的發(fā)展，我國建造了大量的水泥混凝土路面，特別是交通部1 9 8 9 年推廣國家科委科技工作引導(dǎo)性項目我國水泥混凝土路面發(fā)展對策及修筑技術(shù)研究成果 以來，我國水泥混凝土路面修筑里程明顯提高。我國大力發(fā)展水泥混凝土路面，對合理利用 水泥資源、提高路面礞量、緩解瀝青供應(yīng)不足的矛盾、增加高等級路面鋪筑里程，提高運輸 能力，加快經(jīng)濟發(fā)展等都具有重要意義。 水泥混凝土路面是一種剛度大( 稱為剛性路面) ，擴散荷載能力強、穩(wěn)定性好的路面結(jié) 構(gòu)。世界各國對水泥混凝土路面的修筑技術(shù)一直在進行研究和總結(jié)，使得技術(shù)上日臻完善， 技術(shù)上顯示出優(yōu)勢。路面工程與其它混凝土結(jié)構(gòu)工程不同，它承受繁重的交通荷載，同時承 受著動載疲勞、承受沖擊荷載，還要承受溫度、冰凍、濕度腐蝕等環(huán)境因素的破壞作用。在 這種使用條件下，水泥混凝土路面需要嚴格的質(zhì)量要求和良好的支撐條件。 毋庸諱言，我國水泥混凝土路面的建設(shè)質(zhì)量良莠不齊。一些地方的水泥混凝土路面建設(shè) 質(zhì)量很好，節(jié)約了大量的維修費用。同時，也有一些地方建設(shè)的水泥混凝土路面質(zhì)量較差， 通車時間不長就發(fā)生較多破損，需要投入大量的人力、財力和物力修補。 我國目前建設(shè)水泥混凝土路面存在的問題主要歸結(jié)為以下幾點： 1 ) 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的不盡合理： a ) 板厚：以往我國的水泥混凝土路面不論等級的高低，基本上都選擇2 4 c m 的厚 度，隨著交通量和軸載的增加，新建水泥路面的板厚逐漸增如至2 5 c m 以上； b ) 縮縫傳力桿的布設(shè)：我國絕大部分混凝土路面的橫向縮縫均未設(shè)鼉傳力桿。不 設(shè)的主要原因是因為施工不便，無傳力桿的舊混凝土面層在設(shè)置瀝青混凝土加 鋪層時，往往會因接縫傳荷能力差易產(chǎn)生反射裂縫而不得不加大加鋪層的厚 度。為了改善混凝土路面的行駛質(zhì)量，保證混凝土路面的使用壽命，現(xiàn)行規(guī)范 規(guī)定了在承受特重和重交通的普通混凝土面層的橫向縮縫內(nèi)必須設(shè)置傳力桿。 c ) 基層材料的選擇不當和板底排水不暢：目前我國主要采用水泥或二灰材料處治 的粒料基層，板底的排水條件不佳，在板邊和板角容易出現(xiàn)唧泥現(xiàn)象使得混凝 土板的支撐條件惡化。 2 ) 施工維修方面的問題： a ) 水泥混凝土配合比材料的選擇把關(guān)不嚴：如碎石經(jīng)常含有過量的泥，水泥本身 的安定性不佳等； b ) 現(xiàn)代化的滑模攤鋪機還未在施工中得到廣泛普及，路面施工的均勻性得不到保 證： c ) 維修工作量巨大，維修工期長，且絕大多數(shù)的水泥混凝土板維修后失去了縱縫 的傳力桿，使得路面整體強度下降。 3 )路面行駛車輛的超載問題： a ) 車輛超重超載嚴重，使得路面板早期破裂損害。 9 0 年代，隨著水泥混凝土路面建設(shè)里程的增加和使用年限的增長，由板下脫空引起的 第1 章緒論 斷板、錯臺及橋頭搭板塌陷等病害越來越嚴重，成為公路管養(yǎng)部門的一大難題。根據(jù)實際調(diào) 查，我國現(xiàn)已建成投入使用的水泥混凝土路面很快將進入大規(guī)模路況嚴重惡化期和大規(guī)模投 資改造期，研究加鋪層合理的結(jié)構(gòu)和選擇恰當?shù)氖┕すに嚪浅Ｆ惹小?研究表明板下脫空是造成水泥混凝土路面大規(guī)模路況嚴重惡化的主要原因。國內(nèi)外的工 程界投入了大量人力、財力研究由板下脫空引起的斷板、錯臺及橋頭搭板塌陷等病害產(chǎn)生的 機理和治理方法。迄今為止，水泥混凝土路面板下脫空及其治理相關(guān)的一些重要的工程問題 仍然沒有得到徹底解決，被認為是當今世界性的工程難題“。 1 2 國內(nèi)外舊水泥混凝土路面加鋪層的研究現(xiàn)狀 目前，許多發(fā)達國家公路建設(shè)的重點都已從新建逐漸向現(xiàn)有公路的加鋪改造轉(zhuǎn)移。1 9 7 6 年美國提出4 r 計劃( 即罩面r e s u r f a o 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 ) 就開始非常重視舊路的加鋪改造工作了?？梢灶A(yù)測，在不久的將來， 我國高等級公路建設(shè)取得階段性成果之后，重點也會從新建逐漸向現(xiàn)有公路的修復(fù)轉(zhuǎn)移“。 通過國內(nèi)外的調(diào)研，舊水泥混凝土路面的加鋪改造形式主要可以歸結(jié)為以下3 種結(jié)構(gòu)形 式： 1 ) 在舊水泥混凝土路面上加鋪新的水泥混凝土路面罩面，簡稱“白+ 白”方案； 2 )舊水泥混凝土路面上直接或補強后加鋪瀝青混凝土面層，簡稱“白+ 黑”或者“白 + 補強層+ 黑”方案； 3 ) 舊水泥混凝土路面先碎石化后加鋪面層，簡稱“碎石化+ 瀝青混凝土路面”或者“碎 石化+ 水泥混凝土路面” 以下分別就以上三種加鋪方案分別進行介紹和論述。 1 2 1 舊水泥混凝土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 日水泥路向 日路基層 圖卜l “白+ 白”罩面結(jié)構(gòu)示意圖 在“白+ 白”罩面中，按罩面與原有路面的層間粘結(jié)方式，分為結(jié)合式、分離式、部分 結(jié)合式( 圖卜2 ) 。也有的在加鋪分離式水泥板補強后再加鋪一薄瀝青混凝士面層咀改善行 車性能和使用性能。 分離式( 非粘結(jié)) 加鋪層對現(xiàn)有水泥混凝土路面狀況較差的情況特別適用。與其它加鋪 結(jié)構(gòu)形式相比它在加鋪層施工前對現(xiàn)有路面的處治工作量較小，只需要對板下空隙較大處及 活動的混凝土面板等進行修復(fù)。通過這些處治，可使加鑲層及隔離層的厚度藏薄，從而使工 程總體較經(jīng)濟。實踐證明，分離式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。 2 第1 章緒論 接縫新板 a ) 分離式水泥混凝土板錯縫鋪設(shè) 接縫 新扳 舊板 b ) 結(jié)合式水泥混凝土板對縫鋪設(shè) 國卜2 錯縫鋪設(shè)水泥混凝土扳示意圖 分離式混凝土加鋪層可避免因路面重建而帶來的費用大、工期長、對正常交通秩序干擾 大等一系列問題。它可以在現(xiàn)有路面上直接施工，而不需要挖除全部現(xiàn)有的混凝土路面再對 基層進行處治。加鋪層混凝土的鋪筑方法同新鋪筑混凝土路面施工基本一樣，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。與挖除重建相比，雖然個別路段可能會遇到調(diào)坡或抬高橋面問題，但其費用常大大低 于重建的費用。 舊混凝土面層為分離式加鋪層提供剛度很大和抗沖刷能力強的地基，而由于設(shè)置了隔離 層，阻止了反射裂縫對加鋪層的影響，延長了路面的使用壽命。 相對來說，結(jié)合式加鋪層對原有路面的處治要求較高，舊水泥混凝土路面的評價等級 必須達到良以上，而由于舊混凝土板本身的接縫，使得其上的加鋪層的反射裂縫問題相對比 較嚴重，從而縮短加鋪層的使用壽命。 對于分離式水泥混凝土路面加鋪層來說，由于新板是剛度較大的結(jié)構(gòu)層，由舊水泥 混凝土路面接、裂縫或錯臺引起的應(yīng)力集中會使加鋪層層底的彎拉應(yīng)力非常大，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，其錯臺量較新建混凝土面層小得多，平均值變動于o 5 6 m m 范圍內(nèi)。 工程實例： 長潭高速公路2 0 0 3 年6 月份在舊水泥混凝土路面上做了3 2 c m 的分離式水泥混凝土板， 有些路段做了縮縫設(shè)置鋼筋傳力桿的1 8 c m 水泥板補強后又加罩了l o c m 的瀝青混凝土面層以 改善路面的行駛質(zhì)量，通車至今效果很好，幾乎沒有破壞。 第1 章緒論 1 2 2 舊水泥混凝土路面加鋪瀝青混凝土罩面( 以下簡稱“白+ 黑”方案) 瀝青混凝土加鋪層 上工夾層 r 水泥路面 日路基層 圖l 一3 “白+ 黑”罩面結(jié)構(gòu)示意圖 舊混凝土面層的接縫或裂縫往往在通車數(shù)年內(nèi)很快反射到瀝青加鋪層上。為了防止反射 裂縫，最新2 0 0 2 年版的公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范j t gd 4 0 2 0 0 2 ) ) 要求只有當舊混凝 土面層的結(jié)構(gòu)性損壞狀況和接縫傳荷能力均評定為優(yōu)良或中時，并且對舊混凝土面層裂縫、 錯臺和板底脫空等病害進行修復(fù)后，才能采用瀝青加鋪層。 防止和控制反射裂縫是瀝青加鋪層設(shè)計的重點。舊水泥混凝土路面上的瀝青加鋪層是一 種特殊的路面結(jié)構(gòu)，應(yīng)力應(yīng)變特性與一般的彈性層狀體系有較大的差別“l(fā) 。由于接裂縫的存 在，在外力荷載作用下，瀝青混凝土加鋪層處于復(fù)雜的三維應(yīng)力狀態(tài)。車輛行駛經(jīng)過不連續(xù) 的板體時，瀝青混凝土加鋪層中由于裂縫兩側(cè)相鄰板塊產(chǎn)生豎向位移差，而出現(xiàn)較大的剪切 應(yīng)力。另外，由于路面暴露在大氣中，受氣溫周期性變化的影響，瀝青加鋪層和舊路面板都 會縮脹，并產(chǎn)生溫度應(yīng)力，見圖1 4 。由于舊水泥混凝土路面的應(yīng)力在接縫處不連續(xù)，瀝青 加鋪層同時承受它本身以及舊路面所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。 在幾十年防治反射裂縫的實踐中，國內(nèi)外的研究人員進行了大量試驗，先后嘗試了多種 防治措施。這些措施涉及整個瀝青罩面復(fù)合結(jié)構(gòu)的各個層次，根據(jù)其結(jié)構(gòu)層次的不同，大致 可以分為：改善瀝青混凝土罩面層性能、設(shè)置中間夾層和處治舊路面板。具體包括增加瀝青 混凝土罩面層厚度、應(yīng)用改性瀝青：s k l i 、土工織物類、土工網(wǎng)格格柵、粘結(jié)層：封填接 縫、裂縫，破碎、穩(wěn)定舊路面板等。其中加筋瀝青罩面和應(yīng)力應(yīng)變吸收薄膜夾層一直是研 究者關(guān)注的熱點。 ，一 行車荷載p 皇么 圈卜4 開裂路面結(jié)構(gòu)分析圈 1 、改善瀝青罩面層設(shè)計 在改善瀝青罩面層設(shè)計中，通常采用兩種方法，一是增加照罩面層厚度，二是改變罩面 層的材料組成 研究表明，為了延緩反射裂縫，采用增加罩面層厚度的方法有一定的效果，但當厚度增 加到一定程度時，這一方法就顯得不可取了。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 4 笙! 童墮笙一 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。在行車荷載的作用下，由于板底脫空等引起的較大的豎向位移在瀝青混凝 ：卜面層中產(chǎn)生明顯的集中應(yīng)力，研究表明，當瀝青加鋪層厚度在1 2 c m 以內(nèi)時，可咀通過增 加罩面層厚度的方法來延緩反射裂縫的發(fā)生，如果超過這一厚度，再用增加厚度的方法防治 反射裂縫既不經(jīng)濟，效果也不會太好。 由于舊水泥混凝土面板本身強度較高，將其作為基層，在其上再加鋪瀝青混凝土這種路 面結(jié)構(gòu)整體強度和剛度一般較大，但存在強度的局部不均勻，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。低 溫時由于接縫處水泥混凝土板收縮，在瀝青混凝土內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)力過大，造成瀝青混凝土層 破壞。為了減少和延緩反射裂縫的產(chǎn)生，這就要求加鋪層的瀝青混凝土本身具有較高的低溫 抗變形性能力和抗拉、抗剪性能，同時又不能過分地降低瀝青混合料商溫穩(wěn)定性a 通常選擇 摻加改性劑的瀝青上面層，改性瀝青由于改性劑的存在，結(jié)構(gòu)組成發(fā)生變化，形成相互貫穿 的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得改性瀝青的力學性能、粘度、粘附性、感溫性都有了明顯改善，能有 效地抑制反射裂縫的發(fā)展。它用做上面層，能提高行車舒適性，減少和延緩病害的產(chǎn)生，延 長路面使用壽命，但明顯增加了費用。 改變罩面的組成設(shè)計主要指改變?yōu)r青的性質(zhì)和改變混合料中各集料的組成配比?，F(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。為了更好的發(fā)揮 s b s 的各種優(yōu)良性能，其合理劑量應(yīng)為3 - 5 。 莢鼠的， a l s h 等人使用e v a 和s b s 改性的瀝青混凝土作為面層，有教的防止了反射裂縫 的產(chǎn)生。波蘭1 9 9 2 年鋪設(shè)了兩段試驗路，a 段為調(diào)平層+ 4 c m s b s 改l 生瀝青混凝土+ 5 c m s m a 改- 性瀝青混凝土；b 段8 c m 瀝青混凝土+ 5 c m s m a 改性瀝青混凝土，使用至1 9 9 5 年9 月無反 射裂縫。 近年來開始應(yīng)用瀝青馬蹄脂碎石混合料( s m a ) ，它屬于粗集料斷級配密實瀝青混凝土， 空隙率為2 一4 ，其中瀝青通常使用s b s 改性瀝青，其特點是三多一少，即粗集料多、粉料 多、瀝青用量多，細集料少。與傳統(tǒng)的瀝青混凝土相比，s m a 具有如下優(yōu)點：首先是具有良 好的表面功能，抗滑，車轍小，平整度高，噪音小，能見度好：其次是提高了路面抗變形能 力，不透水使用壽命長，維修養(yǎng)護工作量少，同時它可以減薄表面層厚度易于旅工和重 建，對交通影響小。 但改性瀝青的s m a 造價很高，有人提倡s i v i a 使用純?yōu)r青，從而節(jié)省3 0 一4 0 的資金，同 時只在面層做一層4 - 5 c m 的s 4 a ，來改善面層的抗變形和抗縮裂性能，這也能達到減少高 溫車轍和低溫縮裂的目的，但效果還有待實踐來檢驗。 2 、格柵加簋及應(yīng)力吸收薄膜夾層( s h w i ) 近年來將士工合成材料用于路面加筋的例子越來越多，為防治反射裂縫提供了一個很好 的技術(shù)選擇。在應(yīng)用加筋材料方面早先用聚丙烯或尼絞線組成的格子片，插設(shè)在瀝青混凝 土層中的適當位置，以提高瀝青混凝土的抗拉強度、抗開裂性、抗剪切能力以及增加對彎沉 的適應(yīng)能力和提高抗疲勞破壞的能力。后來，隨著新材料的出現(xiàn)，采用的材料有：浸漬瀝青 玻璃纖維布、玻纖格柵( 面層加筋) 、浸漬瀝青燒毛土工布，s k i l l 等。 通常有如下幾種方式設(shè)置應(yīng)力應(yīng)變吸收夾層： 1 )薄片法：這種方法是采用聚丙烯或聚酯等非織品作為薄片。這種薄片1 5 0 。c 軟化， 1 6 56 c 溶融，含浸漬瀝青2 0 以上，路面板灑布1 1 3 l m 2 陽離子乳化瀝青后，將薄 片附在混凝土板上，作為上層瀝青混合料的粘層，其上瀝青混凝土加鋪層通常為 5 c m 以上。從美國8 4 萬m 2 的施工實踐效果來看：原有混凝土板與瀝青混凝土層之 間附著緊密，路面強度增加。 2 ) 應(yīng)力吸收薄膜夾層( s a m i ) ：通常使用橡膠瀝青，在1 8 0 。c 左右，以2 7 l m 。3 6 l m 。 劑量灑布在混凝土板上，在熱狀態(tài)下，再用預(yù)拌的單粒粗砂以1 4 k g m 2 用量撒鋪， 使其形成壓實厚度為9 m 1 3 m m 的封層。廠拌s a m i 是在1 3 7 1 4 9 c 左右鋪設(shè)， 用輪胎壓路機碾壓，以免混合料粘輪，其配合比通常采用瀝青：集料= 1 0 ：9 0 ( 最 大) 。 應(yīng)用實倒： 奧地利于1 9 8 9 年使用土工布，舊路2 1 c m 水泥混凝土加鋪6 c m 瀝青混凝土，使用5 年后 有反射裂縫。比利時在改性瀝青混凝土下鋪設(shè)無紡?fù)凉げ?、加筋網(wǎng)，后者用釘固定在水泥混 凝板上，瀝青混凝土加鋪層為6 c m + 4 c m ，使用兩年半無反射裂縫。弗吉尼亞州的研究人 員還發(fā)現(xiàn)：土工織物的防反效果與接縫的傳荷能力有很大關(guān)系。在錯臺量較大的接縫上罩面 時，反射裂縫將很快出現(xiàn)：較小的位移差可以延緩反射裂縫的出現(xiàn)，但隨著車輛軸重和行車 速度的增加，裂縫將迅速產(chǎn)生。 亞利桑那州的洲際公路4 0 號線( 縮縫無傳力桿混凝土板) ，采用了1 3 m m 特殊開級配瀝 青混合料+ s a m i + 1 3 m m 特殊開級配瀝青混合料，四年后，約有2 0 的橫向裂縫發(fā)生了反射 裂縫( 裂縫寬i 6 m m 左右) ，縱縫及原板裂縫處沒有發(fā)生裂縫，使用性能照好。 1 9 9 0 年，德國不萊梅港市的試驗觀測結(jié)果表明：在接縫的豎向位移小于0 1 m m 的瀝青 混凝土路面上加鋪s a m i + 薄瀝青面層是可行的。 北卡羅來那卅l 試驗路的結(jié)果表明，土工織物防治反射裂縫的效果與地理位置有很大關(guān) 系，在六條試驗路上采用相同的土工織物，其中四條沒有多少效果。 1 9 9 5 年5 月，美國聯(lián)邦公路管理局專門出版了土工織物設(shè)計和施工指南，英國認為只 要精心選擇合適的土工織物并采用合理的施工方法，對舊有路面加鋪處理時，控制反射裂縫 的效果還是令人滿意的，而且設(shè)置得當?shù)耐凉た椢锟梢云鸬椒浪畬拥淖饔?。德國的研究認為： 采用合適的土工織物和土工網(wǎng)格、高效的結(jié)合料以及工藝細致的鋪設(shè)方法，加筋路面基本保 證了裂縫的延緩出現(xiàn)并可防止反射裂縫集中出現(xiàn)。前蘇聯(lián)認為采用土工織物夾層可以防止反 射裂縫并能減薄加鋪層的厚度，若施工不當產(chǎn)生褶皺或粘層油用量不足會造成加鋪層剝落或 其它損壞現(xiàn)象。 早在1 9 3 7 年，美國m i c h i g a n 州就使用焊接金屬網(wǎng)絲加筋瀝青罩面層，較好的防治了反 射裂縫。c a li f o n i a 在u s - - 4 0 號線使用時( 路面建成使用2 0 年后損壞嚴重的路面板) 采用 了鋼筋網(wǎng)補強，在接縫及裂縫處的6 0 c m 及1 2 0 c m 寬度范圍內(nèi)設(shè)鬣鋼絲網(wǎng)，而在整個板面鋪 設(shè)焊接金屬網(wǎng)，然后在上面鋪設(shè)7 ，5 c m 的瀝青混凝土以及2 5 c m 的開級配瀝青混凝土，使用 兩年后，未補強部位多處發(fā)生了反射裂縫，但經(jīng)補強部位均未發(fā)生。f l o r i d a 的試驗路表明， 在一半深度處設(shè)置加筋的瀝青混凝土面層，在減少裂縫方面只有部分地段成功。在澳大利亞 的試驗中使用效果并不明顯。英國在1 9 5 1 年最早使用了鋼絲網(wǎng)，后來用加筋土工網(wǎng)格，在 a 3 0 號公路上的試驗指出：當瀝青面層很薄時。加筋土工網(wǎng)格只能延緩反射裂縫出現(xiàn)的時間， 在使用后期基本沒有效果。 上海市政管理處、同濟大學在i b 水泥混凝土路面上設(shè)置特種金屬網(wǎng)格作為防反措施的實 體工程試驗路得出結(jié)論：特種金屬網(wǎng)格能將產(chǎn)生裂縫的臨界彎沉值由純?yōu)r青混凝土罩面的 0 2 4 m m 增加到0 3 0 m m ；當舊有水泥混凝土路面接縫兩側(cè)的彎沉差al o 0 6 廿i l i l 時，反射裂縫的擴張速度相對加快。因 6 笙! 童絲堡 一 一 此，當進行瀝青罩面前有必要對水泥混凝土板的脫空進行處理。這也從另一方面說明了脫空 水泥混凝土路面研究的重要性。 上海市公路處、同濟大學在亭大一級公路實體工程試驗路上( 摻粉煤灰水泥混凝土上加 鋪4 c m 和6 c m 的瀝青混凝土罩面) ，對土工布的不同鋪筑方案進行了對比試驗，經(jīng)兩冬兩夏 的考驗，在第六次跟蹤觀測時，累計標準軸載為8 3 萬軸次，滿鋪土工布路段的完好率為1 0 0 , ， 縫鋪土工布路段為9 0 ，末鋪土工布路段未9 0 。研究表明：在保證施工質(zhì)量的前提下，土 工布防反效果顯著。 上海市浦東市政工程建設(shè)處、同濟大學在滬闊路高架地面道路( 對舊水泥混凝土路和新 建水泥混凝土路面) 采用不同型號的土工布和玻璃纖維網(wǎng)格在原有接縫處跨縫對稱鋪設(shè)，土 工布跨縫兩側(cè)各5 0 c a ，玻璃纖維網(wǎng)格寬1 5 m 。經(jīng)過一冬的考驗，標準軸載達8 8 萬次后觀測 得到：土工布+ 玻璃纖維網(wǎng)加筋段完好率為9 7 ，土工布路段為9 8 ，對比原有路段可見， 織物加筋的瀝青面層明顯好于無加筋面層。 佛山市公路局在蓮龍線勒流段采用3 c m 細粒式瀝青混凝土罩面t 0 1 0 1 4 0 型土工布， 經(jīng)過半年的使用觀察，鋪土工布段反射裂縫出現(xiàn)的條數(shù)明顯減少。 泉州市公路局在省道2 0 5 線安灑線全谷鎮(zhèn)段，在舊有水泥混凝土路面的縱橫縫及損害路 段粘貼t o l o 1 4 0 型土工布后鋪設(shè)4 c m a c l 6 1 中粒式瀝青混凝土罩面，經(jīng)半年使用，各項指標 滿意。平均造價為5 3 元m 2 ，約為快速修補法造價的1 3 。 陜西省交通廳和西安公路研究所在威陽乾縣一級公路上鋪設(shè)試驗段，經(jīng)一年考驗，認 為在路面頂面設(shè)置土工網(wǎng)格能夠改變?yōu)r青層內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，可大幅減少反射裂縫的產(chǎn)生。土工 網(wǎng)格設(shè)置在瀝青上面層夏，可減少高溫車轍變小，應(yīng)用這種加筋結(jié)構(gòu)可提高路面的使用品質(zhì)、 延長使用壽命。 原2 0 5 國道南京段試驗路，對原水泥混凝土路面未作處理，在老路上先涂一層乳化瀝 青，然后加鋪3 c m 瀝青混合料( 摻八3 丁苯膠) 。使用不久，路面上出現(xiàn)明顯的縱、橫、斜 向反射裂縫。 寧通路南京段試驗路，在舊水泥混凝土板接縫處分別鋪改性瀝青油氈及特雷維拉土工布 ( 原路面僅作灌縫處理) ，面層為4 c m 改性的中粒式瀝青混凝土，通車3 個月后，行車道部分， 原路面橫縫上方出現(xiàn)明顯的反射裂縫。 廣佛高速在改造時采用面層加筋，先加鋪3 c m 瀝青混凝土然后滿幅鋪設(shè)玻纖格柵再加鋪 9 c m 改性瀝青混凝土面層，目前使用狀況良好。 綜上所述，國內(nèi)外的道路工作者對各種防治反射裂縫的措施均進行了嘗試，但由于地理 條件、施工工藝、交通量等各方面因素的影響，每種措施都是仁者見仁、智者見智，毀譽摻 半，既有成功的例子，也有失敗的教訓，對于有效的防反措施仍在不斷的深入研究中。 3 、應(yīng)力吸收復(fù)合夾層( i s a c ) 對于反射裂縫的防治，伊利諾斯洲大學的m u k h t a r 和d e m p s e y 總結(jié)了所進行的減少或延 緩a c 罩面反射裂縫方法，這些方法包括增加a c 罩面厚度、改善瀝青- 性能、在罩面之前鋪設(shè) 抗裂夾層( 土工織物) 和應(yīng)力吸收薄膜夾層( s a m i ) 。認為這些技術(shù)沒有一個能夠完全根除反射 裂縫的問題。一些處治方法在某些條件下顯示了較好的結(jié)果，但大部分在實際工程應(yīng)用中顯 示出較差的性能。 通過深入研究引起反射裂縫的原因以及夾層防治反射裂縫的性能，認為s a m i 和土工織 物都不能完全控制裂縫的產(chǎn)生。s a m i 和低勁度的土工織物作為應(yīng)力削減夾層只能部分減少 下面層運動所；i 起的a c 罩面的應(yīng)力。如使用高勁度的應(yīng)力夾層，為a c 罩面提高強度延緩裂 縫的產(chǎn)生，則不允許a c 罩面和下部結(jié)構(gòu)層有任何相對運動。這將對層間的粘結(jié)和應(yīng)力吸收 夾層的高勁度提出很高的要求。如果由高勁度土工織物和應(yīng)力吸收薄膜復(fù)合組成夾層，裂縫 運動能夠被有效控制。這樣材料一同作用來減輕裂縫頂部的應(yīng)力同時為罩面提供強度，這一 7 苧! 皇塑墮 復(fù)合層可以控制裂縫向上延伸，消散接縫裂縫頂部的應(yīng)力?；诜瓷淞芽p的機理和觀測到 的a c 罩面的性能，i s a c 系統(tǒng)被用來有效阻止a c 罩面中裂縫向上