沥青混凝土路面裂缝病害问题及解决措施.docx
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1、烟台南山学院本科毕业设计(论文)第1章 绪论1.1 研究的背景与意义1.1.1 研究的背景根据道路发展史资料,沥青建造沥青碎石路面的修建使用起源于15世纪的印加帝国。英国的煤焦油沥青碎石路产生于19世纪30年代,建于英国的格洛斯特郡。20年后法国人在巴黎用天然岩石沥青修建了自己的第一条沥青碎石路。英法两国的沥青路面的修建使用远远领先于其他国家,石油沥青路面的广泛使用产生于20世纪。我国沥青路面的发展史也开始于20世纪。1949年以后,随着国内沥青材料工业的发展,沥青路面广泛应用于城市道路和公路干线1。沥青混凝土路面具有表面光滑,无缝,舒适,振动小,噪音低,耐磨,无尘,易清洗,施工周期短等独特优
2、点。1.1.2 研究的意义混凝土路面的稳定性受其沥青材料的影响,而沥青材料的物理性和化学稳定性较差极易受环境的影响,温度过高易软化温度过低易脆裂,不易压实,孔隙率较大,防水性能差,容易受到水的侵蚀。沥青混凝土路面裂缝病害问题成为历年来路面工程师所面临的一项十分棘手的问题。随着我国国民经济的增长,经济发展的需要,高等级沥青路面建设项目越来越多,研究沥青混凝土路面裂缝的各种类型,提高公路的施工质量,减少裂缝的产生是一个十分紧迫的问题。道路对推进我国国民经济的增长具有重要的意义,分析路面裂缝形成原因提出相应正确的解决措施,展望世界道路发展新科技,积极推进新技术使用,不仅解决了路面裂缝问题,而且对我国
3、的道路发展国民经济总水平的提高具有深远的意义。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状由于近些年来沥青混凝土路面的迅速发展,混凝土路面的问题也日益受到工程师的关注。如何解决沥青混凝土路面裂缝成为路面工程师迫在眉睫的问题。上世纪八十年代末期,我国交通道路研究所与同济大学提出了土工织物夹层理论。将土工织物铺设在半刚性基层和沥青路面之间作为中间层,能够有效的缓解半刚性基层上因温度和湿度而导致的收缩机理以及沥青路面的车辙。但是由于土工织物自身的物理性能较薄,对增强路面结构改善路面排水欠佳,因此将土工织物作为夹层的理论还有待考究,土工织物被认为不是理想的夹层材料。目前,低弹性模量、高韧性的应力吸收
4、材料铺设在吸收层上能够从结构上减少裂纹尖端的应力集中,能够有效的防止裂缝的出现,已成为我国对路面裂缝材料研究的主流方向。根据断裂力学理论,使用低模量的中间夹层是消除因基层开裂而导致的应力集中问题唯一可行的方法。虽然也可以通过面层与基层完全失去粘结基层开裂问题也可以得到解决,但是在现实中无法实现。低弹性模量的中间夹层物理性能稳定能够承受大的应变而不损坏变形,还可以通过自身的塑形变形来吸收应力,使得应力无法传递到表层,解决了路面裂缝的问题。国内学者研究发现优质沥青的使用能够减少温度裂缝的产生,尤其是改良性沥青的使用。在同等的条件下使用高渗透性沥青能够有效的减少温度裂缝的发生。国产丙烯酸酯乳液和苯乙
5、烯-丁二烯乳液的研究在改善特种水泥路面裂缝修复方面取得了重大突破。学者赵文俞认为使用总浓度不超过20%的丙烯酸酯乳液和苯乙烯-丁二烯乳液时混合体系会形成网状结构,并增加等剂量的两种乳液,对于修复路面裂缝具有显著的作用。1.2.2 国外研究现状20世纪80年代在美国加州完成了第一个热拌沥青罩面的水泥混凝土路面破损项目,截止至2001年,美国有35个州使用了此技术,项目数量300多个,使用里程达900多公里,1280万平方米,而且美国沥青协会及部分州均已将该项技术列入规范2。延缓收缩裂缝的方法除了在路面沥青表层厚度增加,还可以增加抗裂层,这种方法在十八届公路大会上已被各国公路研究工程师达成共识。学
6、者们普遍认为这是解决由半刚性基层引起的反射裂缝而导致的路面裂缝行之有效的方法。应力吸收层夹层的材料在国外主要选用乙烯醋酸乙烯橡胶沥青,乙烯醋酸乙烯橡胶沥青是一种高弹性和低刚度的软夹层用于防止反射裂缝具有显著的效果。这种软夹层,厚度为10毫米至50毫米,模量为10兆帕至100兆帕。其功能是降低基层和覆盖层之间的附着力,使其容易蠕变和滑动,从而减少因温度下降而引起的反射裂缝。实践证明,选取合理厚度的沥青粘度和层间厚度,是防止低温开裂形成的反射性裂缝产生的关键因素。另一种方法是提高工程造价来防止路面裂缝产生,采用较厚的沥青混凝土沥青碎石作为中间层,沥青历史具有较高模量能够在裂纹尖端传递高应力和应变抗
7、裂效果较好,但因花费较大,不被作为首选方案。在俄罗斯,沥青混凝土下面放置一层乳化沥青,厚度为14-10厘米。促使混合物弹性模量低,抗变形能力强。美国迪尔公司在对抗路面裂缝上采取了开发新型高分子量聚合物裂缝密封剂的方式。新型密封胶通过高温加热的条件下可改变其物理性质由固态转变为液态。新型密封剂具有流动性好,附着力强的特点,化学性能可与基材完美结合,路面裂缝能够由内到外填充,粘接,密封。能够防止雨水再次浸水,后期路面使用时间延长。该密封剂还具有施工时间短,施工程序简单易操作,施工要求低等特点,被广泛推广使用。实践证明,这些措施都取得了一定的抗裂效果,但各种抗裂措施机理各不相同,抗裂效果有限。对于路
8、面裂缝问题要根据地理环境,路面结构,做到因地制宜,专项专治,对症下药。这样才能充分的发挥每种措施的最佳效果达到,达到防裂抗裂的目的。1.3 研究内容和方法1.3.1 研究内容本文研究的核心是沥青混凝土路面裂缝病害问题及解决措施,分析我国混凝土路面裂缝形成的原因以及对待不同的裂缝进行对应有效的处理措施。重点从应力引起的反射裂缝、自然因素引起的路面裂缝、选料和养护不当造成的路面裂缝这三个方面进行分析,提出三个方面中存在的造成沥青混凝土路面裂缝的问题,站在科学的角度合理的分析问题,提出各项应对措施,做到对沥青混凝土路面裂缝的有效控制和管理,防止路面裂缝的产生,提高我国沥青混凝土路面的施工水平,完善沥
9、青混凝土路面施工管理体系,促进我国交通事业的发展。1.3.2 研究方法本文主要通过自身实践,图书馆查阅相关文献,与学者讨论分析来研究沥青混凝土裂缝病害问题及解决措施。阅读相关理论文献了解近年来路面裂缝产生的多发地段合理分析路面裂缝产生的原因,并根据目前主流的解决措施,深入剖析,革新做法,提出切实可行的解决方案。与此同时根据自身的实践情况结合实际对比分析多科学交叉研究,发现自身的缺陷与不足,并积极整改,最后对全文进行透彻的总结和归纳。第2章 相关理论概述2.1 沥青混凝土路面的定义及特征2.1.1 沥青混凝土路面的定义沥青混凝土路面是指通过高温拌和混凝土混合料,以沥青混凝土为面层铺筑的路面。以沥
10、青材料作为粘接剂的沥青路面,矿物集料颗粒之间具有高强度的粘接力,提高了路面的总体质量。沥青混合料是由沥青结合料和集料组成的路面材料。胶结材料的选择受到气候特征和道路区域的性能特征的影响,传统的胶结材料的选择方法如下3:(1)地理地域。(2)路面温度。(3)气温。集料在混合料中充当填充和骨架的作用,一般由岩石,自然风化的砾石,人工轧制的碎石,石屑,沙等组成。集料由不同材料组成技术要求也不相同,因此集料由分为粗集料和细集料,在集料的选取中应当因地制宜根据路面结构选取合理的集料,这也是减少路面裂缝产生提高路面质量的关键所在。2.1.2 沥青混凝土路面的特征沥青混凝土路面具有表面非常光滑、无缝连接、行
11、驶稳定性高、轮胎磨损低、行驶噪音低、维修保养简单等特点,适合分阶段施工。沥青混凝土路面化学稳定性受温度的影响较强,高温易变软,低温易开裂,在低温季节和雨季,热拌沥青混合料难以施工。此外,由于材料的适用性,材料的选择也需要非常小心。2.2 沥青混凝土路面的优势2.2.1 沥青混凝土路面的使用优势沥青混凝土路面因其使用方面的优势远超其他混凝土路面,十分适合高速公路的修建,形成了我国高速公路百分之九十均采用沥青混凝土路面的局面。沥青混凝土路面降噪,使用的沥青路面,可显著车部内外的噪音,有助于防止事故的发生减轻压力的来源,有助于降低驾驶者的疲劳。一个标准的沥青路面能够降低一半标准的混凝土表面所产生的噪
12、音,随着多孔沥青的选用和推广噪声被进一步降低50 3。沥青混凝土路面地表水分散不易积水,新型的多孔沥青材料能够快速的疏散路面地表水减少了行车导致的水喷雾,降低了水喷雾导致的致盲,同时地表水的疏散也减少了车轮打滑的危险,防滑性好,沥青混凝土路面对车胎磨损小,提高了车轮的抓地力,提高了行车的安全系数道路标记的可见性,使行车更加平稳安全,交通更加畅通。当车辆的重量作用到路面上的时候,能够很好地承受它的可塑性很强,当车辆太重承受不来的时候,能够变型。沥青混凝土路面的产生对提升路面行车安全方面具有重大意义。2.2.2沥青混凝土路面施工优势韧性好、抗压强、抗拉性能好是沥青路面物理特性的主要表现,能够更好地
13、适应不稳定路基。后期维护也相对简单,可以进行部分改造,维护成本低。沥青道路的性质意味着它们可以容易地打开和快速恢复。它不像混凝土路面那样大规模施工,施工速度快,易于维护,减少交通中断。就环保而言,虽然沥青路面重铺过程中会产生一些环境污染,但只要沥青材料不发生化学反应,就可以重复使用。沥青是100%可循环的,并且定期研磨。添加新材料来重新铺设路面不仅可以省钱,还可以保护不可再生的自然资源。回收还减少了新质量砾石的使用,保留了填埋场,并节省了运输。这有效地提高了资源的利用率。另外沥青表面是十分灵活的能够“量身订做”适当配制不同的负载和特定道路的气候条件。第3章 沥青混凝土路面常见的裂缝病害问题31
14、 应力引起的反射性裂缝3.1.1 半刚性基层上的反射裂缝当混凝土路面表层底部的拉应力超过沥青混凝土极限强度时,便会产生沥青混凝土路面半刚性基层裂缝。经过水硬性粘结处理的稳定化砾石材料,是一种自身十分容易产生裂纹的一种半刚性基层材料,而目前国内的沥青混凝土路面的半刚性基层材料主要以其为主。此外,由于外部温度和湿度的变化,初始基底裂纹更容易产生。基底开裂后,基底失去抗拉应力的能力,开裂位置的应力转移到表层。此时,表层裂纹处的应力集中,加上外部偏心载荷主拉应力或剪应力的作用,可能超过材料所能承受的极限强度。表层会在无法承受的力的情况下开裂。4。干燥收缩和温度收缩、基层的拉伸强度、基层的刚性和应力松弛
15、是反射裂缝形成的重要原因之一5。基层开裂后的竖向和水平位移是导致路面反射裂缝的主要原因。当然,路面结构层中半刚性基层之间的接触状态对裂缝扩展的影响是不可忽视的。3.1.2 旧路面处理不当引起的反射性裂缝在旧水泥混凝土路面上或已产生裂缝的路面基础上,直接铺设沥青面层的施工方法是我国传统的道路改造的方法。这种方法的出现的主要原因,是由于受到资金的限制,资金投入不足产生的一种错误的道路改造施工方法。这种做法在一定程度上节省了资金,但是由于下卧层不够坚实,在行车荷载的作用下极易发生翘曲变形,沿混凝土面板的接缝处或裂缝处便会产生变形,下卧层的变形应力,一般都会超过新面层的抗拉强。即下卧层的病害并没有完全
16、的处理掉解决好,通常情况下往往通车不到两年便会产生新的反射性裂缝。3.2 自然因素引起的路面裂缝3.2.1 温度影响产生的裂缝温度对混凝土裂缝的影响主要通过低温开裂的形式表现出来,翻阅近几年的公路养护和管理有关的书籍,不难发现低温开裂造成的沥青混凝土路面的裂缝,一直以来都是各国道路方面的工程师所面对的相当棘手的问题。因为沥青混凝土路面的低温开裂不是由一个因素所影响而形成的,是一个十分复杂的问题,很难从单个或者说是单一的某个方面因素去考虑造成低温开裂的原因。影响因素往往纵横交错,无法用单一的思维去考虑沥青混凝土路面的抗低温开裂能力。温度收缩裂缝和温度疲劳裂缝是沥青混凝土路面低温开裂的主要形式。沥
17、青混凝土路面的抗拉应力无法抵御因低温作用而形成的温度应力,这是造成温度收缩裂缝形成的主要原因6。路面面层因开裂而导致沥青结构层暴露在大气表面,使得沥青结构面层缺失了路面面层的保护,直接受到雨水侵蚀以及温度变化形成的温度应力的影响,沥青结构面层便会出现收缩变形,这种变形又会受到基层对路面的摩阻力和路面连续板体的限制作用,沥青结构面层便会产生拉应力,虽然这个拉应力会随着沥青混凝土路面自身的松弛型逐渐变小,不是形成路面裂缝的主要应力,但如果受到恶劣天气的影响如气温骤降暴雨侵蚀,应力会连续出现,导致沥青混凝土自身的松弛性没有足够的时间消除拉应力,急速的降温速率又会使沥青混凝土的松弛模量增大,应力松弛性
18、能降低,当累积的应力过大超过了沥青混凝土的抗拉强度极限时,路面为了释放自身无法承受的拉应力,便会导致路面开裂,这种温度收缩裂缝主要表现形式为,垂直,间距较均匀的裂缝。温度疲劳裂缝主要是受温度变化速率的影响,温差的大小,日照时间长短,紫外线强度,影响其产生的原因,温度裂缝主要影响因素不受临界点温度的影响,北方低温冰冻地区道路有可能发生温度疲劳裂缝,南方非冰冻区域也可能产生疲劳裂缝。温度疲劳裂缝通常是由于反复的温度骤变,引起了沥青表层的温度应力疲劳,使得沥青混合料产生极限拉伸应变,或刚度模量的降低。此外,沥青的老化导致沥青刚性的增加,应力松弛性能的降低,极限抗拉强度达到临界点,最终导致路面裂缝。3
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