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土工合成材料在加强沥青路面中的机理与应用

2024-04-06 产品中心

  3.隔离作用——把不同粒径的土、砂、石料,或土、砂、石料与地基隔离开来,以免相互混杂或污染,土工织物、土工膜均有隔离作用。

  土工织物的上述效果,国内外的研究均得到了证实。英国的S.F.Brown教授、加拿大的R.Hass教授、美国的Steinberg和日本的研究,均认为沥青路面加铺土工布后可减少车辙,延缓和减少反射裂缝,同时可减薄面层厚度。我们的祖国从二十世纪八十年代初开始研究,同济大学和长沙交通学院等单位在广东惠州铺筑了一段土工布防裂的试验,经过观察也认为是有效果的。后来在全国更大范围内,应用土工布铺筑了数十段试验路,也反映出它们对沥青路面确有加筋和防裂的作用。目前许多工程单位都采用了这样措施来防止半刚性基层沥青路面、旧水泥路面和旧沥青路面罩面的反射裂缝问题。

  ②土工织物与上、下结构层处于完全联结状态时,在对称荷载作用下,土工合成材料的桥联增韧效应会降低裂缝尖端的应力集中程度,在裂缝扩展初期最明显,在扩展后期渐趋稳定。在非对称荷载作用下,土工合成材料均能降低开裂缝尖端附近的拉应力和剪切应力,但降低拉应力集中的效果更明显,此时裂缝主要体现为剪切型开裂(K

  ③土工合成材料的桥联增韧效应降低了裂缝端附近的应力集中程度,且当裂缝接近路表面时应力变为压应力,这就削弱了水平荷载对裂缝扩展的影响,对路面的使用是有利的。

  从图看出,在水泥砼路面接缝上端铺设橡胶沥青应力吸收层(其作用和土工织物类似)后,沥青层中的有效应力较未铺设前降低了83~88%。这个效果是十分显著的。上述作用的综合效果,反映出土工合成材料有助于路面的抗疲劳能力得到提高。

  为了满足工程的需要,沥青混合料在低温条件下一定要解决开裂问题,而在高温时又一定要解决车辙变形问题,一般沥青是很难同时满足上述两方面要求。从粘弹性力学原理,控制高温变形的材料参数是弹性模量、粘度、相位角和蠕变强度;而控制低温开裂的参数是屈服强度和断裂韧性。所以沥青混合料需要“三增”,即“增大弹性”、“增大强度”和“增大韧性”才能满足各种使用要求。

  普通改性沥青,例如用SBS和PE等改性沥青,是基于“合金化”的原理制成的。所谓“合金化”是指将合金添加剂加入高温熔融的基体材料中,使二者融为一体,合金添加剂原子和分子结构将溶解并均匀分散于基体材料中。这种改性方法,受到了沥青溶解度的严格限制,同时过多的添加剂用量会影响拌和、储存和施工。通常改性剂的掺量不能超过5%~6%,这就带来了以下问题:

  沥青混合料由沥青胶浆及骨料两部分所组成。胶浆在沥青混合料中所占比例不大,但对路面性能起着十分重要的作用。根据SHRP研究果沥青对于高温车辙的贡献率为29%,对疲劳的贡献率为52%,对温度裂缝的贡献率为87%。试验时可知,纤维加入到沥青中后,其稠度和粘度显著增加。下面我们根据两个试验来评价纤维沥青胶浆的性能。

  沉锥试验是一种简单而又有效的测试纤维沥青抗剪切能力的方法。实际反映了纤维沥青膏体的抗剪切能力的大小。即沉锥沉入的深度越大,其抗剪能力越小。沉锥测试仪是由水泥砂浆稠度仪改装而成的,因其沉锥质量轻,故在沉锥上外加500g的砝码。

  增加沥青弹性模量是提高沥青抵抗变形及变形恢复能力的一种基本手段。“沥青 纤维”的弹性模量可用右式表示:

  由上式能够准确的看出与增粘作用一样,纤维对沥青弹性模量的提高与纤维的弹性模量及其加入量成线性关系。

  根据混合率模型,对于随机空间分布的短纤维增强复合材料,其抗剪屈服强度可表示为:

  纤维的“增韧”作用与“增强”作用含义上是不一样的。 “增强”是指纤维的加筋作用,应与纤维的强度和加入量有关。“增韧”是指纤维加入沥青之间,能大大的提升“沥青 纤维”的变形能力。尤其是在外力大于材料本身的强度时,材料的塑性变形量增大,所以“增强”并不意味着就“增韧”了。 “增强”并不一定解决裂缝问题,“增韧”才是解决裂缝问题的最好办法。例如,半刚性基层强度越高越容易开裂,因为它是脆性的,在交通荷载或温度应力作用下,只要发生变形就非常有可能开裂。

  利用APA对SMA13掺德兰尼特纤维与掺木质素纤维的混合料进行重复加载试验,结果如表11。能够准确的看出掺德兰尼特纤维的疲劳寿命较掺木质素纤维增加了16%,与不掺纤维相比,增加208%(掺木质素纤维增加了165%),差别明显的。

  土工布和纤维工程应用已在全国逐步推广,成功例子很多。这里介绍我们自己做的和了解的几个实际工程。

  武汉军山大桥是一座特大型公路钢箱梁斜拉桥,全长964米,桥面用双层SMA铺装,结构如下图:

  102国道玉田县城改造段在旧水泥路面铺筑了聚酯纤维、聚丙烯腈纤维、木质素纤维三段试验路,采用的路面结构如下图 :

  抗车辙剂一般是由多种聚合物复合成的沥青混合料添加剂,它通过集料表面的增粘、加筋、填充以及沥青改性、弹性恢复等多重作用而大幅度提高沥青混合料的高温稳定性,并对混合料的水稳定性和低温抗裂性也有改善。陕西、山西、广东、江苏各省均陆续使用,与传统沥青添加剂相比具有以下有点: