半刚性基层沥青路面连续施工综合抗裂技术研究

摘要

水泥稳定碎石沥青路面具有优良的路用性能，是我国当前高等级公路的主要路面结构。然而，其反射裂缝及剪切滑移病害问题，是目前国内外一直没有很好解决的重大技术难题。通过对沥青路面开裂滑移及半刚性基层收缩的深入分析，从沥青路面裂缝及剪切滑移的根源出发，提出向基层中添加具有缓凝微膨胀性质的低成本抗裂缝剂，实施沥青路面基、面层连续施工，取消传统基层3-7天的养生期，基层铺筑碾压完成后混合料尚未初凝前，即摊铺面层并完成碾压。通过实施连续抗裂型施工方法，一方面，从根本上减少了基层反射裂缝的产生；另一方面，增加基、面层间的粘结强度，达到克服道路裂缝和剪切滑移产生的目的。该研究可以从施工技术上解决沥青路面裂缝及剪切滑移病害的难题，同时缩短施工工期，提高工程质量，延长路面寿命，经济、社会效益显著。然而，关于该项技术，国内外展开的研究非常少，对于连续施工所需缓凝膨胀型抗裂缝剂的开发、连续施工基面层粘结强度及层间接触机理、压实及施工质量控制等方面还未有系统研究，限制了连续施工的在工程实际中的推广应用。
　　本研究主要内容包括：⑴开发出适用于半刚性基层沥青路面抗裂缝连续施工技术的基层抗裂缝剂，使其能够与连续施工工艺配合使用，并改善水泥稳定碎石基层的收缩性能和抗裂性能。通过室内试验确定适合的抗裂缝掺量，并结合扫描电子显微镜SEM和XRD分析，对抗裂缝剂的缓凝及微膨胀作用机理进行微观分析。⑵在进行大量试验的基础上，对掺抗裂缝剂水泥稳定碎石基层材料的力学性能和收缩性能进行了研究。分析了抗裂缝剂掺量、延迟成型时间、龄期等因素对水泥稳定碎石各项性能指标的影响。结果表明，通过向基层中添加适量的抗裂缝剂，水泥稳定碎石力学强度得到提高，并改善水泥稳定碎石的收缩性能。⑶采用自行研发设计的道路基面层剪切拉拔试验仪，通过剪切拉拔试验，对比分析了传统施工方法与连续施工方法下基、面层的层间粘结性能，连续施工对于提高基面层的层间粘结性能十分有利。对连续施工不同基层初始压实度、施工延迟时间等因素下，半刚性基层与沥青面层的层间粘结性能和层间嵌入深度的研究则表明，连续施工状况下，存在一个适宜的基层初始压实度使得基面层间的粘结强度达到最大；在抗裂缝剂所能达到的缓凝硬化时间内，延迟成型的强度损失较小，超过该时间，则会对层间粘结强度造成一定的损失；连续施工可使道路基面层间的相互嵌挤深度达到8~10mm，基面层间能够较好的相互嵌挤咬合，形成连续的整体。⑷利用分形理论和层间接触理论，提出一种适用于连续施工基面层接触分析的双粗糙表面接触模型，计算连续施工的基面层间临界接触面积和实际接触面积，结果表明，单位面积下连续施工成型的基面层间实际接触曲面面积远大于传统施工成型的基面层间接触平面面积，连续施工的基面层间接触面抗塑性变形能力增强；最后，通过层间剪切和拉拔强度试验，进行了集料级配分维数与层间粘结强度的相关性分析。⑸运用非线性有限元软件ABAQUS，建立连续施工层间接触模型，对比计算了路面结构分别采用接触模型和连续模型在车辆荷载作用下的力学响应，分析了各响应指标随层间接触状态变化的特性。结果表明，抗裂缝剂与连续施工技术的应用，使基层具有更加致密的内部结构，基层与面层之间咬合紧密，形成连续整体，大大提高路面结构的抗裂性和抵抗剪切滑移病害的能力。⑹铺筑基面层连续施工试验路。通过试验路的实施，验证连续施工在实际工程施工组织配合中的可实施性。并跟踪检测试验路使用状况，对本文的研究成果进行实际工程验证。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 研究目的和意义

1.2 国内外研究进展

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文章节安排

2 连续施工技术优势及施工工艺研究

2.1 传统施工工艺基面层间病害调查与分析

2.2连续施工工艺特点

2.3 连续施工技术优势

2.4 本章小结

3 磷石膏基抗裂缝剂优选试验研究

3.1 磷石膏在道路工程中的应用研究

3.2 原材料及试验方法

3.3 磷石膏对水泥净浆凝结时间及胶砂强度的影响

3.4 柠檬酸掺量对水泥净浆凝结时间及水泥胶砂强度的影响

3.5 抗裂缝剂对水泥干缩性能的影响

3.6 掺抗裂缝剂水泥强度形成微观机理分析

3.7 本章小结

4 磷石膏基抗裂缝剂水泥稳定碎石性能试验研究

4.1 原材料及试验方案

4.2 抗裂缝剂对水泥稳定碎石力学性能影响

4.3 抗裂缝剂对水泥稳定碎石收缩性能影响

4.4 抗裂缝剂水泥稳定碎石基层强度形成机理及抗裂机理分析

4.5 本章小结

5 连续施工层间粘结性能试验研究

5.1 连续施工层间粘结强度形成机理分析

5.2 连续施工基面层间粘结性能室内试验

5.3 连续施工基面层粘结强度影响因素分析

5.4 半稳定状态下连续施工基面层间嵌入深度研究

5.5 本章小结

6 连续施工层间接触分形研究

6.1 分形理论在路面材料研究领域的应用

6.2 混合料分形特性

6.3 路面结构层间接触模型

6.4 连续施工基面层间接触面积分析

6.5 基于分形维数的层间接触强度评价

6.6 本章小结

7 连续施工路面结构应力分析

7.1 ABAQUS有限元模型建立

7.2 层间接触状态对路面结构力学响应的影响

7.3 层间接触条件对路面开裂的影响分析

7.4 本章小结

8 试验路铺筑与验证

8.1 试验路简介

8.2试验路施工

8.3试验路检测

8.4 本章小结

9 结论与展望

9.1 本文总结

9.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表的学术论文目录

附录2 攻读博士学位期间参与的科研项目