半刚性基层冻融损伤及其抗冻性能研究

摘要

为了适应国民经济发展的要求，我国通过“七五”期间大量研究，成功地提出了半刚性基层的结构形式并且在全国广泛使用，如今半刚性基层沥青路面已经成为我国高等级公路沥青路面的主要结构类型。半刚性基层具有板体性好，承载力高，便于就地取材，造价低廉等优点，这为实现“强基薄面”的沥青路面结构提供了可靠保证，半刚性基层的推广应用也为我国公路建设与经济发展起到了巨大作用。
　　半刚性基层虽然解决了沥青路面强度不足的问题，但也存在裂缝较多、抗冲刷能力与冰冻稳定性不足、冻融后强度衰减大等缺点。尤其是在季节性冰冻地区，由于结构层的积水导致半刚性基层材料产生冻融损伤，严重时造成冻胀与翻浆破现象，这类沥青路面的损坏近年来表现的越来越严重。因此在季节性冰冻地区半刚性基层除了要满足路用性能要求外，还要保证有良好的抗冻性能，以使其能更好地适应季节性冰冻地区冰冻特点，有效地延长路面使用寿命。本文就是要通过半刚性基层的抗冻耐久性研究，提出半刚性基层的抗冻耐久性控制指标。
　　首先，本文分析了冻融循环作用下半刚性基层冻害产生的条件，系统研究了国内外混凝土材料常用的抗冻性试验方法与评价指标的有效性，为建立半刚性基层材料的抗冻性评价方法奠定了基础。同时根据半刚性基层的冻融特点，本文首次采用损伤力学原理分析了半刚性基层的冻融破坏机理，将冻融破坏看成是在冻融循环作用下，由于静水压力和渗透压力重复作用于混合料内部而产生损伤累积的结果。半刚性基层冻融破坏不仅与冻融循环次数有关，还与冻结温度有关，类似于疲劳破坏。冻融循环后混合料内部产生损伤，从宏观物理性能上来看，主要表现为回弹模量的下降，表面剥落造成质量损失；从力学性能上来看，主要表现为抗压强度、抗折强度、弹性模量等力学性能指标的降低；从微观和细观来看，表现为微细裂缝的扩展，凝胶体从密实向松散发展的过程。
　　其次，本文根据损伤力学的基本理论，采用抗压强度为冻融损伤的评价变量，建立了冻融损伤的力学本构关系。同时在理论分析的基础上建立了半刚性基层冻融损伤可靠度分析模型，认为半刚性基层遭受冻融循环作用的正负峰值温度差是随机变化的，把半刚性基层冻融损伤近似看作不同正负峰值温度差顺序作用损伤累积的结果，利用损伤等效原理，推导了计算半刚性基层冻融损伤失效概率计算公式，并建立了基于三参数 Weibull分布的可靠度分析模型。
　　再次，本文以二灰稳定碎石和水泥稳定砂砾这两种强度较高、应用较为成熟的半刚性基层材料为研究对象，提出了骨架密实型混合料的体积设计法。在此基础上通过试验研究分析了半刚性基层强度的影响因素。主要包括混合料组成、施工延迟时间、压实成型方法。研究结果表明骨架密实型半刚性基层混合料既具有较好的强度，又具有较好的冰冻耐久性；振动成型工艺与击实成型工艺相比具有更好的压实特性，振动成型方法的混合料具有更高的早期强度和抗冻性能；并且半刚性基层材料存在最佳的施工延迟时间，对于石灰粉煤灰稳定类材料宜在24小时内成型，水泥稳定类材料应在3～4小时类成型。在此基础上，通过不同级配二灰碎石和水泥稳定砂砾的7d、28d强度试验和抗冻性能试验，分析了不同级配的两种混合料在冻融循环作用下的强度损伤规律，及其质量损失和吸水率物理量的变化情况，提出了冻融损伤的评价方法与指标。
　　最后，考虑到半刚性基层材料的冻融损伤，除了降低材料的耐久性以外，它作为沥青路面结构的主要承重层，必将导致路面结构的结构功能失效。本文重点分析了基层材料的冻融损伤与沥青路面结构损伤的关系，并以此作为确定材料损伤控制标准的依据。并以上述研究成果为基础，在保证最大密实度、最小空隙率以及合理强度和刚度的前提下，提出了抗冻型半刚性基层材料的级配设计要求与原则，确定半刚性基层混合料的抗冻性设计标准，为实现半刚性基层抗冻性能评价的规范化、标准化奠定了基础。
　　半刚性基层的冰冻破坏是一个比较复杂的工程问题，但道路设计人员对半刚性基层冰冻耐久性普遍认识不足，在设计过程中没有足够地重视冰冻耐久性问题，这与缺少冰冻耐久性设计方法有直接关系。为此本文研究成果有助于工程技术人员深入了解半刚性基层的抗冻性能，同时也是对现行设计指标体系的丰富和完善，这有利于提高工程质量，具有非常重要的工程应用价值。

目录

半刚性基层冻融损伤及其抗冻性能研究

STUDY OF THE FREEZE-THAWINGDAMAGE AND THE FROSTRESISTANCE ONSEMI-RIGID ROAD BASE

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 目的与意义

1.3 国内外研究与应用现状

1.4 损伤力学理论在混凝土中的应用

1.5 主要研究内容

第2章 半刚性基层的冻融损伤与分析方法

2.1 冻融损伤的环境条件

2.2 半刚性基层的冻融损伤机理

2.3 连续损伤力学理论在冻融破坏中的应用

2.4 半刚性基层冻融损伤的可靠度分析框架

2.5 本章小结

第3章 冻融损伤影响因素分析与试验方法确定

3.1 半刚性基层混合料的结构组成影响

3.2 半刚性基层混合料的力学性能影响因素分析

3.3 半刚性基层混合料冻融试验温度的确定

3.4 半刚性基层混合料冻融损伤试验方法的确定

3.5 半刚性基层混合料冻融损伤的评价指标

3.6 本章小结

第4章 半刚性基层冻融损伤试验与抗冻性能分析

4.1 二灰稳定粒料基层的冻融损伤试验

4.2 水泥稳定粒料基层的冻融损伤试验

4.3 本章小结

第5章 沥青路面结构的冻融损伤

5.1 冻融作用下沥青路面路表回弹弯沉的变化

5.2 基层材料冻融损伤与路面结构损伤

5.3 路面结构的冻融损伤

5.4 半刚性基层的冻融损伤与疲劳损伤

5.5 本章小结

第6章 季冻区半刚性基层的抗冻设计

6.1 半刚性基层抗冻性能要求的环境条件

6.2 材料设计原则

6.3 抗冻性评价指标与标准

6.4 本章小结

结论

参考文献

附录

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