沥青混合料的低温开裂Word文件下载.docx
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只是裂缝的轻重程度不同(单位长度内裂缝的条数或单位内裂缝的长度和裂缝的宽度)。
由于我国在各个地区沥青路面比较普遍,而且我国沥青路面所用沥青多是质量不好的渣油和国产多蜡沥青。
此外,我国沥青路面大多铺筑在收缩性很大的半刚性基层上,因而我国的沥青路面上的裂缝特别严重。
低温缩裂长期以来被认为是个混合料组成设计及原材料性质方面的问题,但是深入研究表明,它不仅和上述二者有关,而且和路面结构等其他问题也关系密切。
因为本书主要是研究沥青混合料,为此,我们的重点是材料本身的特性。
9-2沥青混合料低温裂缝的形成
沥青路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的。
但就沥青路面开裂的原因而论,可以分为两类:
荷载型裂缝和非和荷载型裂缝。
所谓非荷载型裂缝即指不是由行车荷载引起的裂缝。
沥青面层上的非荷载型裂缝主要是温度裂缝。
温度裂缝又有两种,一种是低温收缩裂缝或者简称低温裂缝。
冬季,随着温度的降低,沥青材料的劲度模量变的越来越大,材料变的越来越硬,并开始收缩。
由于沥青路面在面层和基层之间存在着很好的约束,因而当温度大幅度降低时,沥青面层中会产生很大的收缩拉应力或者拉应变,一旦其超过材料的极限拉应力或极限拉应变,沥青面层就会开裂。
由于一般道路沥青面层的宽度都不很大,收缩所受到的约束较小,所以低温开裂主要是横向的。
另一种是温度疲劳裂缝。
这种裂缝主要发生在太阳照射强烈、日温差大的地区。
在这种地区,沥青面层白天和夜晚的温度差别很大,在沥青面层中会产生较大的温度应力。
这种温度应力会日复一日的作用在沥青面层上,在这种循环应力的作用下,沥青面层会在低于极限拉应力的情况下产生[疲劳开裂。
温度疲劳开裂可能发生在冬季,也可能发生在别的季节,北方冰冻地区可能发生这种裂缝,南方非冰冻地区也可以发生这种裂缝。
通常情况下,人们认为低温开裂发生在北方冰冻地区的冬季,其实不然。
南方非冰冻地区除了在冬季沥青面层会产生温度应力外,在夏秋两季,忽而烈日照射,忽而突降暴雨,这样瞬间温度会降低20℃-30℃左右。
这也是夏季和南方非冰冻地区产生温度裂缝的原因。
〈一〉柔性路面低温开裂形成机理
柔性路面由于低温缩裂而破坏的例子在国内外相当普遍。
柔性路面的开裂现象在北京及南方一些地区的道路上普存在,在国外例如加拿大沥青路面的低温开裂曾经成为影响道路使用性能最严重的问题
之一。
国内外对于沥青路面温度裂缝的机理的研究已经进行了今三十多年。
国内外近十年也开展了沥青路面低温开裂原因的研究工作。
但是,以往沥青路面低温开裂的研究并未针对柔性路面和半刚性路面分别展开,而是集中在柔性路面上。
对于柔性路面的低温开裂国内外已经积累了比较丰富的经验,概括起来可以分为以下几点:
(1)当沥青面层的温度达到某一负值时,开裂从表面开始,并向下发展到穿过整个沥青混凝土层。
少数情况
裂缝向下传播极快,裂缝穿过沥青混凝土层可以说是瞬间的。
在许多情况下,特别是在沙土土基层,出现在表面的低温裂缝向下传播不超过5cm。
(2)沥青的品种和等级是影响沥青路面开裂的最重要的因素。
实验证明,用高粘度(温度敏感性低)针入度
150/200的沥青铺筑的实验路,使用五年后无横向裂缝。
而用低粘度沥青铺筑的实验路产生了很多裂缝。
国内研究表明,沥青低温延度及针入度越大,其开裂温度就越低,其中低温延度比针入度对开裂温度的影响更为显著。
(3)沥青面相同情况下,在沙土土基上的沥青路面的裂缝比粘土土基上的沥青路面的裂缝要密。
(4)有厚沥青结构层的路面,单位长度内的横缝较少。
用低粘度150/200针入度沥青所做的全厚式沥青路面
的(25.4cm沥青混凝土+粘土土基)裂缝只有以“10.2cm沥青混凝土+40cm粒料基层+粘土基层”结构的路面裂缝的40%。
(5)沥青含量。
在马歇尔实验最佳用量-1%—+0.5%范围内,不明显影响路面的横缝产生频率。
(6)添加水泥填料以及改善集料级配对横缝无明显影响。
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二&
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半刚性路面沥青路面裂缝形成机理
以上所述柔性路面裂缝的机理和主要原因,国内外都是一致的,同时也是很明确的。
但对于半刚性路面开裂的机理和主要原因,则缺少明确的分析和有力的依据。
过去,人们习惯于将其看作是半刚性基层的反射裂缝,而忽略了同样的沥青面层在柔性路面上也同样产生裂缝。
在寒冷和教寒冷的地区,一旦气温大幅度下降,在沥青面层中会产生较大的温度梯度,通常情况下,大幅度温度下降还往往会伴随着大风。
在大风降温过程中,直接与大气接触的面层的表面温度会迅速下降,其温度比低温会低的多。
根据山西资料表明,在石家庄正定半刚性路面表面的最低温度较气象站的气温低3-5℃。
温度向沥青面层底部产地是需要一定的时
间的,而且沥青面层内部和底部的温度不可能
和暴露在外面的表面温度相同,而是始终有一
温差。
沥青面层越厚,表面温度与底面温度之
差就越大。
同时,表面温度的温度变化率也大
于沥青面层内部懂得,当然更大于沥青面层底
部的。
图9-1是加拿大某地的观测资料,该地
区冬季最低温度时49℃。
由上图可知,沥青面
层表面的温度最大变化路留念、率为-3.61℃/
h,,而深7.6cm处的最大变化率
为-1.39℃/h,越往深处,温度变化率就越小,图9-1加拿大沥青混凝土面层温度深25.4cm的地方,最大温度变化率为-0.28℃/h.。
在此,需要指出的是,沥青面层表面的温度不是真正暴露表面的温度,实际面层表面温度的最大变化率还比上述数字要大。
根据在大风降温过程中对石家庄正定半刚性路面实验路的观测,路表温度降低最大的仅两个小时,期于时间温度下降速率明显变小。
该路路表的温度最大速率为3.5℃/h―4.1℃/h..
因此,在大风降温的过程中,沥青面层的表面产生的温度收缩应力最大。
一旦这个应力超过沥青面层混合料的抗拉强度,面层的表面就会首先开裂。
这就是沥青路面面层开裂首先从表面开始的原因,这个特点并不会因为基层是柔性还是半刚性基层而有所改变。
前面已经说明在我国南方地区,即使是在夏季,由于骤将暴雨,也可使的沥青面层的温度在短时间内降低三十度左右,这使的沥青面层表面产生较大的温度应力,在这种收缩应力的反复作用下。
沥青路面从表面开始出现裂缝,这个特点也不会因为基层是柔性还是半刚性而有所区别。
室内路面结构模型温度应力光弹实验
的结果完全正式了这一点。
在基层和面层均
无裂缝的情况下,表面温度降低三十度,在
沥青面层的温度应力的分布图见图9-2。
由图可知,面层表面的温度应力随着面
层的增厚而增大。
面层厚为15cm时,其表
面的温度应力比面层厚5cm时的4.6%;
面层
内的应力随深度很快减小;
特别是在面层厚
时温度应力减小的更快。
面层9cm时,同样
降温的条件下,面层表面的温度应力为
图9-2降温30℃时,沥青面层的温度应力1.0Mpa较面层厚15cm时的小7.8%。
面层厚12cm时,同样降温条件下,面层表面的温度应力最小,只有7.02×
105Pa,较面层厚为15cm时的小35.3%。
因此,在其他条件相同的条件下,面层厚度大于12cm时,面层越厚,可能越容易产生温度裂缝。
实验同时表明,面层表面的温度应力随着降温幅度的增大而增大。
沥青表层的表面一旦开裂,随着持续低温或另一次降温的到来,在裂缝尖端会产生大的应力集中,使裂缝向下延伸并逐渐穿透整个沥青面层。
温度光弹实验和有限元温度应力的计算结果都充分证明了这一点。
沥青面层的表面已有裂缝时,光弹试验
得到的温度应力分布状况如图9-3。
上图所示裂缝尖端应力实际并不是真
正尖端的力,它离尖端还有一段距离。
可以
看到,此力已经大大超过无裂缝时面层表面
的力,因此,裂缝将向下延伸。
一旦基层上面的沥青路面层已经开裂
到底,在持续低温或此后几次降温过程中,
面层的裂缝要继续拉开。
根据沈大高
图9-3温度应力分布速公路的观测,面层上间距50m,宽3mm的预锯缝,到冬季最冷的时候,锯缝成倍展宽,最宽的裂缝达14mm..沥青面层裂缝继续拉开,使裂缝下基层顶面产生一个附加集中拉应力。
由于面层底面与基层表面是互相粘结的,面层收缩将基层以附加应力,此拉应力加上半刚性基层本身的收缩应力就可能超过半刚性基层的抗拉强度,或这两个力的反复作用都可能使半刚性基层开裂。
在轻冰冻地区,虽然冬季温度教高,裂缝展宽的程度较小,但由展宽给基层产生的附加应力加上半刚性基层的本身低温收缩力,在这两个力的反复作用下,半刚性基层也会逐渐开裂。
因此当半刚性基层上有较厚的沥青面层时,路面表面的裂缝主要是沥青面层本身的温度裂缝。
由半刚性基层引起的反射裂缝即使有,也是很次要的。
对比上述半刚性基层路面和沥青路面温度裂缝的形成机理,可以看到是相同的。
收缩性小的优质半刚性基层上有较厚的沥青面层时,在非干旱地区裂缝主要是温度裂缝。
温度裂缝起始于表面并逐渐向下延伸直到穿透面层和半刚性基层。
由此可以推断,优质半刚性基层上有较厚沥青面层时,面层的裂缝与相同沥青和沥青混合料的柔性基层沥青路面的裂缝不会有明显差别。
(三)反射裂缝和对应裂缝及其形成机理
国内外研究表明,半刚性路面的反射裂缝和对应裂缝主要是温度引起的,当然在某中情况下是温度和荷载共同作用的结果。
在已经开裂的老沥青路面或者在有接缝的水泥混凝土路面上加铺沥青面层后,原先的裂缝会在新铺
沥青路面的相同位置重新出现。
由于以往研究下层裂缝为何会在新铺面层上出现时,主要是考虑了行车荷载作用而得出的结论,下层裂缝引起裂缝上方面层底面首先开裂并逐渐向上穿透直到表面。
因此,习惯上称之为反射裂缝。
在结合的好的沥青面层下,开裂板的水平位移使得直接在杂裂缝上的面层产生大的拉应力或者拉应
变,由于在较低温度下,沥青面层通常较硬,它只能承受小的拉应力或拉应变,因此容易开裂。
加铺的沥青面层越薄,反射裂缝便形成的越早且越多。
但是,如同上节而言,当沥青面层较厚或下
层裂缝引起沥青面层产生由上向下的对应裂缝时,沥青面层越厚,有可能越早出现对应裂缝,或者至少对于延缓对应裂缝的出现没有好处,因为,温度试验光弹试验表明,在相同的降温条件下,下层开裂后裂缝上方面层表面的温度应力随着面层的增厚而加大。
下面是美国有关资料中的一个例子。
(1)美国加利福尼亚州有一条破坏形式为龟裂的沥青混凝土路面(15号州际公路),在上铺
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