非连续短纤维增强乳化沥青碎石应力吸收层性能研究

摘要

在我国公路建设中，以水泥稳定材料或石灰粉煤灰稳定材料为主的半刚性基层和底基层是目前路面结构的主要形式，但裂缝问题日益突出已成为该结构主要缺陷。纤维增强乳化沥青应力吸收层以应力吸收和扩散能力强、抗裂性能好，防水性能好，稳定性高，施工快捷，便于回收利用，在国外被广泛的作为基层与面层之间的应力吸收层使用。目前对这项技术研究大多数只停留在工艺介绍上，机理研究较少，缺乏对材料的优选，材料用量基本是按照经验值，且不同研究者推荐的用量范围差异较大，没有系统的配合比设计方法，施工中缺乏过程控制指标等。本文依托重庆、江苏省交通科技研究项目对该技术进行了深入的理论和试验研究。
　　 论文从复合材料界面细观力学角度，通过接触角的测定，研究不同纤维品种与乳化沥青的界面粘附功;基于应变损耗功能和原理，分析比较不同纤维品种与乳化沥青复合材料的应变损耗能，提出纤维优选方案。利用红外光谱分析不同纤维对乳化沥青特征官能团的选择性吸附，提出纤维表面改性方法。
　　 应用断裂力学基本原理，采用有限元数值分析研究铺设纤维增强乳化沥青应力吸收层后对三种开裂模式(反射裂缝，Top-down裂缝，对接裂缝)的阻裂效果。深入研究了应力吸收层模量，厚度，反射裂缝宽度，层间接触条件，沥青混合料加铺层厚度对抗裂性能的影响。
　　 从断裂的能量角度分析纤维增强乳化沥青应力吸收层组成材料在不同因素水平下的断裂能，得出影响断裂能的主次因素和最佳材料用量组合，对比不同应力吸收层断裂能大小。系统研究影响应力吸收层路用性能指标(最大弯曲力，最大挠度，层间剪切力，层间粘结力，抗反射裂缝作用次数)的主要因素和最佳材料用量组合。讨论应力吸收层厚度和加铺层厚度对复合路面结构抗反射裂缝性能影响。
　　 动态监控铺设不同应力吸收层后，裂缝在复合路面结构中的发展情况，对比不同应力吸收层对裂缝扩展速度的影响;建立裂缝发展不同时期(初期、中期、后期)与各个力学指标的灰色关联度，确定与裂缝发展速度关联度最大的相关指标，并以此作为应力吸收层配合比设计的主要参数。
　　 基于最大功能和原理推导最佳纤维乳化沥青用量比，考虑碎石和半刚性基层对乳化沥青吸收率，得出配合比设计的半经验半理论方法。基于裂缝动态发展规律与力学指标关联度分析结果，以最大弯曲力、层间剪切力和断裂能作为主要设计参数指标，提出配合比设计的试验方法。结合研究成果，介绍纤维增强乳化沥青应力吸收层的配合设计工程应用示例和施工控制要点。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的目的与意义

1．2 非连续短纤维增强乳化沥青碎石应力吸收层(FR-SAMI)

1．2．1 结构组成及施工工艺特点

1．2．2 路用性能评价

1．3 国内外研究现状

1．3．1 工程实践

1．3．2 试验研究

1．3．3 国内外配合比设计方法

1．3．4 国内外研究评析

1．4 本文主要研究内容

1．5 技术路线

第二章 FR-SAMI组成材料界面粘结吸附性能及优化选择

2．1 组成材料及性能指标

2．1．1 纤维

2．1．2 乳化沥青

2．2 纤维与乳化沥青粘结性能研究

2．2．1 界面表面能

2．2．2 网篮浸润吸附

2．2．3 应变损失功能和原理

2．3 纤维对乳化沥青特征官能团吸附性能研究

2．3．1 红外光谱对特征官能团研究方法

2．3．2 不同纤维对乳化沥青基团选择性吸附

2．4 提高纤维与沥青粘附稳定性方法

2．4．1 纤维表面偶联浸润

2．4．2 增强纤维细观表面特性

2．4．3 纤维耦合与共聚节支

2．5 本章小结

第三章 FR-SAMI中短纤维增强机理与抗裂性能有限元分析

3．1 短纤维增强沥青作用机理

3．1．1 应力传递理论

3．1．2 混合理论下的弹性模量和强度预报

3．2 抗裂性能的有限元计算模型

3．2．1 断裂力学理论

3．2．2 有限元模型构建和计算参数

3．3 荷载作用下路面结构力学响应分析

3．3．1 半刚性基层开裂前后

3．3．2 设置应力吸收层前后

3．4 基于应力强度因子不同开裂模型下阻裂效果分析

3．4．1 半刚性基层裂缝引起的沥青面层反射裂缝

3．4．2 沥青面层Top-down裂缝引起的半刚性基层裂缝

3．4．3 沥青面层与半刚性基层对接裂缝

3．5 抗裂性能影响因素敏感性分析

3．5．1 应力吸收层模量的影响

3．5．2 应力吸收层厚度的影响

3．5．3 半刚性基层裂缝宽度的影响

3．5．4 沥青混合料加铺层厚度的影响

3．5．5 应力吸收层层间接触的影响

3．6 本章小结

第四章 FR-SAMI断裂能试验研究

4．1 材料的选择与试件成型

4．1．1 材料的技术性质

4．1．2 试件成型方式

4．2 正交试验方法设计与材料配比

4．2．1 相同材料不同因素水平下配比

4．2．2 不同材料应力吸收层配比

4．3 断裂能试验

4．3．1 断裂的能量分析原理

4．3．2 断裂能试验过程

4．3．3 断裂能试验结果与分析

4．4 断裂参数的温度敏感性分析

4．4．1 不同温度下三点弯曲断裂参数

4．4．2 最大弯曲力与温度关联性

4．4．3 最大挠度与温度的关联性

4．4．4 断裂能与温度关联性

4．5 本章小结

第五章 FR-SAMI路用性能试验研究

5．1 层间剪切试验

5．1．1 剪切试件材料组成及成型方式

5．1．2 层间剪切试验原理

5．1．3 35°斜剪切测试过程

5．1．4 剪切力试验结果与分析

5．2 层间拉拔粘结性能试验

5．2．1 拉拔试件材料组成及成型方式

5．2．2 层间粘结力试验原理

5．2．3 拉拔试验测试过程

5．2．4 粘结强度结果与分析

5．3 竖向周期荷载下抗反射裂缝性能试验

5．3．1 复合试件材料组成及成型方式

5．3．2 抗反射裂缝性能评价方法

5．3．3 改进车辙仪加载测试过程

5．3．4 出现初期裂缝与贯穿裂缝作用次数分析

5．4 纤维长度与质量差异化对分布均匀性影响试验

5．4．1 差异化分析试验基本原理

5．4．2 单元网格法试验过程

5．4．3 基于统计参数的差异化分析

5．5 本章小结

第六章 FR-SAMI复合路面裂缝发展与力学指标灰色关联度

6．1 复合路面结构裂缝动态发展规律

6．1．1 裂缝动态监控模型

6．1．2 裂缝发展中应变瞬时突变值与时间周期

6．2 裂缝发展与力学指标灰色关联度

6．2．1 灰色关联度分析模型

6．2．2 灰色关联度参数表征计算

6．2．3 关联系数结果分析

6．3 基于关联度的FR-SAMI设计指标选择

6．4 本章小结

第七章 FR-SAMI配合比设计与工程应用示例

7．1 FR-SAMI配合比设计

7．1．1 基于功能和原理半经验半理论方法

7．1．2 基于抗裂性能与力学指标关联度试验方法

7．2 FR-SAMI应用示例

7．2．1 项目区基础资料调查

7．2．2 配合比设计步骤

7．2．3 施工控制要点

7．3 本章小结

第八章 主要结论与建议

8．1 主要研究结论

8．2 主要创新点

8．3 建议与今后研究方向

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果