_格栅加筋沥青路面作用机理及抗车辙能力研究

东南大学硕士学位论文 目 录

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第一章 绪论 22222222222222222222222222 （1）

§1.1 背景及意义 222222222222222222222 （1） §1.2 论文研究思路 222222222222222222222 （3） §1.3 国内外研究概况 22222222222222222222 （5） §1.4 论文研究内容 222222222222222222222 （9）

第二章 格栅基本性能的研究 22222222222222222222 （11）

§2.1 格栅材料物理性能的研究 222222222222222 （12） §2.2 格栅材料力学性能的研究 222222222222222 （15） §2.3 小结 22222222222222222222222 （19）

第三章 国产玻纤格栅加筋沥青路面抗车辙性能试验研究 2222222 （22）

§3.1 格栅与沥青混合料共同作用机理 22222222222 （22） §3.2 车辙试验 2222222222222222222222 （22） §3.3 蠕变试验 2222222222222222222222 （28） §3.4 三轴试验 2222222222222222222222 （33） §3.5 小结 22222222222222222222222 （35）

第四章 格栅加筋沥青路面车辙深度的理论计算 222222222 （37）

§4.1 国内外车辙预估方法综述 22222222222222 （37） §4.2 沥青面层永久变形计算方法 22222222222222 （40） §4.3 小结 22222222222222222222222 （49）

第五章 试验路铺筑 22222222222222222222222 （51）

§5.1 试验路概况 22222222222222222222 （51） §5.2 格栅铺设 222222222222222222222 （51） §5.3 试验路观测 222222222222222222222 （52）

第六章 结束语 22222222222222222222222222 （54）

§6.1 本文结论 2222222222222222222222 （54） §6.2 进一步研究的设想222222222222222222 （55）

致谢 22222222222222222222222222222 (56) 主要参考文献 22222222222222222222222222 (57)

东南大学硕士学位论文 第一章 绪论

第一章 绪 论

§1.1背景及意义

为适应公路交通的快速发展,路面结构也在不断完善。我国公路路面已经经历了等级较低的泥结碎石、级配砾碎石路面、渣油沥青表处、贯入式到现在适应高等级重交通的沥青砼路面、水泥砼路面。进入80年代以来，高等级公路里程不断增加，其路面型式均为沥青砼路面和水泥砼路面，其中更主要的是沥青砼路面，其原因是由于它具有下列良好性能：

（1）有较好的力学强度，因而沥青路面能很好地承受车辆通过路面所产生的各种作用力；

（2）有一定的弹性和塑性变形能力，因而能承受发生的应变而不致破坏； （3）与汽车轮胎的附着力较好，从而可保证交通安全； （4）有高度的减振性，因而可保证汽车快速行驶平稳而无噪声； （5）不扬尘，容易清扫和冲洗，不污染空气；

（6）沥青路面的维修工作比较简单，且旧沥青路面可再生利用； （7）沥青路面的施工和维修，都能广泛地实现机械化。

人们在工程实践和科学研究的基础上，逐步积累了沥青路面的设计、施工、养护、管理等方面的丰富经验，然而沥青砼路面的病害也使得道路研究者们大伤脑筋，这些病害使得路面使用功能降低，路面寿命缩短，承载能力下降，从而达不到予期的使用功能，降低了路面的使用效益。主要病害表现在以下几方面： （1）低温引起的沥青混凝土面层收缩断裂。

当温度降低到某一值时，沥青砼路面中产生拉应力，当拉应力大于这一温度下混和料的抗拉强度时，在路表面就会产生裂缝。在较高温度时，沥青砼可以被看作为粘弹性材料，温度降低所产生的温度应力会因应力松驰而消失，然而，在低温范围内，沥青砼具有弹性材料特性，所以温度应力就不会消失，裂缝就可能产生。

（2）基层、底基层开裂引起的沥青面层裂缝。

为适应高等级公路重交通、重载的要求，一种以无机结合料稳定粒料为基层，沥青砼为面层的所谓“半刚性路面”被大量用于高等级公路路面。刚性基层材料在外界温度、湿度变化下产生干温缩裂，这种具有裂缝的基层在干、温收缩

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应力进一步作用下，裂缝顶端沥青面层产生较大拉应力集中使基层裂缝沿面层底部向上反射直至贯通沥青路面面层。

（3）车轮重复加载引起的面层疲劳开裂

沥青混合料的疲劳是材料在荷载重复作用下产生不可恢复的强度衰减积累所引起的一种现象，是由多次重复应力或应变标准低于材料极限值所引起的，材料在重复荷载作用下的疲劳损坏过程一般包括三个阶段[1]，即①裂缝的形成也叫疲劳成核阶段；②裂缝的扩展，也叫稳定的裂缝增长；③断裂损坏，即不稳定的裂缝扩展。

（4）由于高温导致沥青面层软化，加上重车的反复作用引起表面波浪及车辙。

沥青路面的车辙是在道路延长方向车轮集中通过位置上所生成的连续的横向变形。造成车辙的原因，外因主要是交通量大，路面温度高，内因主要是沥青用量较多及压实不足使得矿质骨架失稳。越是在大型车多，行车轮迹集中的车道，在慢行、刹车、启动的交叉口附近，爬坡车道、车辆阻塞的车道，车辙就越严重。

（5）水稳性不足引起的沥青面层破坏

沥青混凝土的水损坏与两种作用过程有关：一是粘附性不足，二是由于沥青与集料的粘聚力弱所致。

沥青混合料作为一种粘弹性体，出现上述病害可以说是不可避免的。其中各种形式的裂缝都为雨水进入路面结构提供了通道。这些水一部分可能顺着基层裂缝继续下渗以软化土基，而大部分水分都由于缺乏适当的排水通道而滞留于面层与基层间，在高速行车下产生极大的动水压力。这一过程的反复作用最终导致沥青面层丧失承载力，从而使得沥青面层出现网裂与破坏。而车辙的产生不仅会造成路表的不平整，并且在高速行驶时会出现飘滑现象而酿成交通事故。在过重的行车荷载或持续荷载作用下，混合料会出现过量的永久变形；而且在经常承受车辆加速和减速的路段，混合料会出现推移变形，这些过量变形使路面不平整，面层结构破坏。由美国AASHTO发起的，由各州公路局所进行的调查表明，过大的车辙是导致柔性路面破坏的普遍原因。表1-1为由各州公路部门提供的最常见路面损坏类型[1]。

表1-1 最常见的路面损坏类型

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东南大学硕士学位论文 第一章 绪论

各种公路上最常见路面损坏类型发生情况 损 坏类 型 州际公路 数量 开裂 纵向 龟裂 多向 横向 剥落 车辙 汽油 不平整 修补 基层破坏 波浪 收缩裂缝 合计 5 1 7 7 1 14 2 1 10 0 0 2 50 主要公路 百分数 15.9 4.5 20.5 15.9 4.5 29.5 2.3 2.3 2.3 0 0 2.3 100 次要公路 农村公路 百分数 数量 10 2 14 14 2 28 4 2 20 0 0 4 100 7 2 9 7 2 13 1 1 1 0 0 1 45 数量 百分数 数量 百分数 3 5 14 4 3 6 1 2.5 3 2 0 1 47 6.4 10.6 19.9 8.5 6.4 12.8 2.1 10.6 6.4 4.2 0.1 2.1 100 0 7 2 2 3 5 0 0 5 2 1 1 28 0 25 7.1 7.1 10.7 17.8 0 0 17.9 7.2 3.6 2.6 100

由表1-1中可以看出，车辙占各种破坏的大部分，在日本沥青路面上，一般地区的流动型车辙和积雪寒冷地区的磨耗型车辙已成为维修养护的重要原因。有几个国家规定，如果车辙的深度为20～30mm时，就需要进行罩面，因此由此可见，车辙是沥青砼路面设计中一个不容忽视的指标。

鉴于沥青路面病害种类多，涉及范围广，限于时间和篇幅，一一涉足是不可能的，故本文仅以车辙为研究对象，分析车辙产生的机理及处理对策。 §1.2 论文研究思路

为减少沥青路面的车辙变形，长期以来国内外学者作了大量的研究工作，许多路面设计方法以限制路基变形来达到控制车辙的目的，足够的厚度保护路基土免于剪切破坏，但这并不能保证面层不产生车辙。AASHTO试验路面实测结果表明，根据路面组成及调查季节的不同，沥青面层的车辙总量为5-50%，对于以半刚性材料为基层的高等级沥青路面，沥青层产生的永久变形占路面车辙总量的90%以上。因此，对于沥青面层来说，控制车辙变形，尽可能提高其抗车辙变形的能力是十分重要的。然而，沥青混合料的性能在要求上往往是相互矛盾或相互制约的，当高温稳定性满足要求时可能出现低温稳定性问题，要解决上述矛盾，

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东南大学硕士学位论文 第一章 绪论

除了采取改进路面结构设计，改进路面面层混合料组成设计及施工、管理技术外，对沥青砼性能的改善也是一条重要的途径，综合起来有以下两点：

（1）掺外加剂

在沥青中加入各种添加剂以改善其技术性能的研究已有很长历史。主要外掺剂有各种橡胶、树脂等高离子聚合物，SMA是60年代以来以德国为代表的欧州研究者研究最多，它是一种间断级配热拌沥青混合料，集料被掺于沥青中的纤维聚合物粘在一起共同作用，具有较好的抗高温稳定性，低温变形和水稳定性也得到改善，抗滑性能好，耐老化性能强[22]。由于SMA初期投资较高，且对拌和设备要求高，施工工艺较复杂，因此推广普及使用尚需一定的时间。 （2）土工格栅加筋

在沥青砼路面中采用加筋的方法来改善路面使用性能的设想由来已久，自三十年代开始掺加石棉纤维，到现代路面结构的应用，国内外进行了许多现场尝试，土工格栅的出现，使得上述研究充满希望。土工格栅分为刚性格栅和柔性格栅两种，两者均为网格状，网格的力学性能是粘弹性，但对温度和加载的敏感性比沥青低得多，格栅加入沥青混合料后，等于在路面结构的关键部位起到双向加筋的作用，因而从根本上改善路面结构性能，提高防治路面病害的能力，可以设想，格栅除承担荷载应力的作用外，还可通过其网孔性结构的肋条将荷载应力传递给周围沥青混合料及肋条，这样局部承受的荷载得到扩散，从而减少局部支撑能力的丧失。格栅与沥青混合料由于网孔而嵌锁（如图1.1所示)，限制了集料的移动[2]，使格栅与沥青混合料间的相互作用不只是其表面摩擦，从而保持矿质骨架的稳定，因而其抗车辙能力将得到加强，同时由于加入的格栅能改变层状路面结构的温度应力分布，对减少沥青面层的低温开裂也是有利的。

由于土工格栅改善路面使用性能效果明显，且施工较简单、方便，价格低廉，因而很快被推广使用。本文即以格栅为研究对象，分析其作用机理及抵抗车辙变形的能力。

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