路面是道路工程的主體結(jié)構(gòu),由多個(gè)結(jié)構(gòu)層和功能層組成,它應(yīng)同時(shí)滿足車輛荷載、水、溫度作用下的耐久性、行車安全性與舒適性要求.然而,目前瀝青路面的結(jié)構(gòu)壽命和服役性能遠(yuǎn)未達(dá)到人們對(duì)路面長(zhǎng)壽命和高性能的期望.其原因不僅僅是材料因素與施工質(zhì)量問題,還在于現(xiàn)有設(shè)計(jì)理論與指標(biāo)體系尚不能滿足長(zhǎng)壽命路面設(shè)計(jì)的需要,路面材料-結(jié)構(gòu)-工藝一體化的設(shè)計(jì)原則也未得到有效貫徹.由于設(shè)計(jì)年限較短,現(xiàn)有路面材料的力學(xué)性能與疲勞壽命很容易滿足設(shè)計(jì)年限內(nèi)重復(fù)荷載作用的要求.隨著路面長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)目標(biāo)的提升,構(gòu)建新的路面設(shè)計(jì)理論體系也成為關(guān)鍵性科學(xué)問題.因此,為探究路面結(jié)構(gòu)的變革和發(fā)展,本文首先從瀝青路面的結(jié)構(gòu)性破壞特征出發(fā),探討了路面開裂類型及其產(chǎn)生的細(xì)觀機(jī)制,明確了路面材料組成特性和層狀結(jié)構(gòu)界面狀態(tài)對(duì)開裂控制的作用原理;其次,在總結(jié)分析路面彈性層狀理論體系的基礎(chǔ)上,提出了梯度功能復(fù)合路面設(shè)計(jì)理論與方法,并推薦了梯度功能復(fù)合路面的結(jié)構(gòu)組合和設(shè)計(jì)流程;進(jìn)而提出采用高性能功能復(fù)合材料,并通過弱化或消除界面效應(yīng)的層間處治技術(shù)來實(shí)現(xiàn)梯度功能復(fù)合路面;最后,結(jié)合梯度功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念在橋面鋪裝工程的實(shí)踐,探索了梯度功能復(fù)合路面設(shè)計(jì)與施工... 

【文章來源】：科學(xué)通報(bào). 2020,65(30)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

(網(wǎng)絡(luò)版彩色)梯度功能材料的概念圖[6].(a)均質(zhì)材料;(b)雙層復(fù)合材料;(c)梯度功能材料

我國(guó)1978版《公路柔性路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)采用雙圓均布荷載作用下雙層彈性體系理論作為力學(xué)模型,以荷載圓中心處的回彈彎沉值作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).郭大智和馮德成[17]提出的“郭大智解法”為力學(xué)響應(yīng)的計(jì)算提供了極大便利.為了適應(yīng)瀝青路面結(jié)構(gòu)厚度不斷變厚、層數(shù)也不斷增多的需求,1997版《規(guī)范》將多層彈性體系作為力學(xué)模型,將設(shè)計(jì)初期的路表彎沉作為設(shè)計(jì)指標(biāo),以確定瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度.2006版《規(guī)范》同樣以多層彈性體系理論作為力學(xué)模型,并完善了結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)原則與設(shè)計(jì)參數(shù)確定方法.2017版《規(guī)范》仍以多層彈性體系理論作為力學(xué)模型,并采用瀝青層疲勞與永久變形、無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層疲勞、路基永久變形等作為瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)指標(biāo).圖4 均質(zhì)多層路面(a)和梯度功能復(fù)合路面(b)示意圖

裂紋的產(chǎn)生與材料自身密切相關(guān).當(dāng)瀝青路面材料和結(jié)構(gòu)承受交通或環(huán)境荷載時(shí),不可避免地會(huì)在局部高應(yīng)力區(qū)形成微小裂紋,并逐步擴(kuò)展致斷裂.瀝青面層和無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層混合料均為典型的復(fù)合材料,具有多層次、多相夾雜的材料組成特點(diǎn),即使外觀看起來較為均勻的瀝青結(jié)合料和水泥膠凝材料,實(shí)際上也是由物理和化學(xué)性質(zhì)完全不同的多相成分構(gòu)成.根據(jù)瀝青面層混合料不同尺度下材料組成特點(diǎn),從分子尺度到宏觀尺度,瀝青路面結(jié)構(gòu)層材料內(nèi)部均存在大量的原始缺陷(空隙、界面等),很容易形成局部高應(yīng)力區(qū)[11].從材料設(shè)計(jì)角度出發(fā),通過引入具有高模量和超彈性高性能復(fù)合材料,控制瀝青路面各結(jié)構(gòu)層材料的內(nèi)部缺陷,將有助于提高瀝青路面材料在承受外界荷載時(shí)的自身抗力,改善其抗裂性能.例如,樹脂類結(jié)合料、聚合物改性類瀝青在路面中的使用可以提高其與礦料的界面黏結(jié)性;振動(dòng)拌和技術(shù)在無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層生產(chǎn)中的應(yīng)用,則可以提升水泥和填料在混合料中的分布均勻性,減少空隙尺寸和數(shù)量,形成具有更好強(qiáng)度和耐久性的基層材料.當(dāng)然,即使在瀝青路面結(jié)構(gòu)層中采用高性能復(fù)合材料,由于交通和環(huán)境荷載下結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn),瀝青路面中仍將存在穩(wěn)定的高應(yīng)力區(qū)域,裂縫的出現(xiàn)將不可避免,由此如何延緩裂縫的擴(kuò)展將決定著瀝青路面結(jié)構(gòu)的服役性能.以瀝青層底的bottom-up開裂為例,按照多層結(jié)構(gòu)裂紋擴(kuò)展規(guī)律,當(dāng)上下結(jié)構(gòu)界面采用高性能黏結(jié)層時(shí),不同瀝青結(jié)構(gòu)層間可視為連續(xù)狀態(tài),此時(shí)瀝青面層整體承擔(dān)荷載作用,將可以有效降低結(jié)構(gòu)層底應(yīng)力水平,延緩裂紋擴(kuò)展(圖3(a)).層間為非連續(xù)的滑動(dòng)態(tài)時(shí),裂紋向上擴(kuò)展到界面層時(shí),將改變擴(kuò)展方向,形成沿結(jié)構(gòu)層界面的多裂紋擴(kuò)展態(tài).由于層間滑動(dòng)導(dǎo)致上結(jié)構(gòu)層底彎拉高應(yīng)力區(qū)重分布,將進(jìn)一步加劇層間多裂紋擴(kuò)展,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層性能劣化(圖3(b)).當(dāng)上下結(jié)構(gòu)層力學(xué)屬性相差較大時(shí),以無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定類基層開裂導(dǎo)致的向上反射裂縫為例(圖3(c)),由于結(jié)構(gòu)屬性差異過大,此時(shí)宜從結(jié)構(gòu)上著手,引入具有能量耗散作用且與上下黏結(jié)良好的功能層(如應(yīng)力吸收層),降低裂紋前端的應(yīng)力奇異性,并通過自身的均勻變形將擴(kuò)展的裂紋分散至更大的區(qū)域中,避免裂紋的連通和失穩(wěn)擴(kuò)展,減緩裂紋擴(kuò)展速率[12].因此,需要根據(jù)不同需求在結(jié)構(gòu)層界面處設(shè)置合理的功能層.

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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博士論文
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碩士論文
[1]橋面鋪裝熱接式防水粘結(jié)層關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 魏文鼎.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 2012



本文編號(hào)：3346198