锚头丝沥青混凝土路面抗裂技术研究.pdf

第 4 O卷 ， 第 2期 2 0 1 5年 4月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n Vo 1 4 0，No 2 Ap r， 2 0 1 5 锚头丝沥青混凝土路面抗裂技术研究 王继 承 ， 苏毅 ( 长安大学 ， 陕西 西安7 1 0 0 6 4 ) 摘要 在沥青混凝土路面抗裂研究 中， 设想在沥青混凝土路面 中加入带锚头 的钢丝 ， 形成锚头丝 沥青 混凝 土路面结构 ， 以防止路面开裂 。通过室内力学 性能对比试 验 ， 加了锚头丝的沥青混凝土试件 的抗拉 强度 、 抗 弯拉强 度和疲劳性能均有较大的提 高。通过现场试验段对 比验证试验 ， 在 2 a内的调查 ， 加 了锚头丝 的沥青混凝土路面均 没有 出现裂缝 ， 抗裂效果 比较明显。此项 研究 为沥青混凝 土路面结构 的抗裂 研究提供 了新思 路 ， 为沥青混凝 土路 面提供了新的结构形式 。 【 关键词 沥青混凝土 ； 锚头丝 ；裂缝 ； 试验 中图分类号】U 4 1 6 2 1 7 文献标识码 】A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 2 0 2 7 0 0 3 Re s e a r c h o n An t i - c r a c k Te c h n o l o g y o f As p h a l t Co n c r e t e Pa v e m e n t wi t h An c h o r S t e e l W ANG J i c h e n g，S U Yi ( C h a n g a n U n i v e r s i t y ，X i a n ， S h a n x i 7 1 0 0 6 4 ，C h i n a ) A b s t r a c t I n t h e r e s e a r c h o f p r e v e n t i n g t h e a s p h a l t p a v e me n t c r a c k s ， t h e a n c h o r s t e e l s w e r e u s e d i n t h e a s p h a l t c o nc r e t e pa v e me n t t o f o r m t h e s t r u c t u r e o f a n c h o r s t e e l a s p h a l t c o n c r e t e p a v e me n t Th e t e n- s i l e t r e n g t h， t h e b e n d i n g t e n s i l e s t r e n g t h a n d t h e f a t i g u e p e r f o r ma n c e o f a n c h o r s t e e l s a s p h a l t c o n c r e t e we r e i nc r e a s e d i n t h e i n d o o r me c h a n i c a l pe r f o rm a nc e c o mpa r i s o n t e s t Th e c r a c k r e s i s t a n c e e f f e c t i s o b v i O U S a n d t h e a s p h a l t p a v e me n t c r a c k s di d n o t e x i s t i n t h e t wo y e a r s fie l d t e s t o f c o n t r a s t v e r i f i c a t i o n f o r t h e a nc h o r s t e e l a s p h a l t c o n c r e t e p a v e me n t Th i s r e s e a r c h p r o v i de s a ne w me t ho d f o r t h e s t u d y o f p r e v e nt i n g t h e a s p h a l t p a v e me n t c r a c k s a n d a n e w s t r u c t ur e f o r a s p ha l t c o nc r e t e p a v e me n t Ke y wo r d s a s p h a l t c o n c r e t e ； a n c h o r s t e e l ； c r a c k ； t e s t 0 引言 我国高等级公路特别是高速公路多采用半 刚性 基层沥青混凝 土路面 。 ， 路 面开裂是沥青 路面普 遍存在的主要病害 ， 也是道路工作者共 同关切的 热点和难点 问题 。路面产生的裂缝不仅会影响路面 本身的承载能力、 耐久性 ， 对车辆 的行驶速度、 燃料 消耗 、 机械磨损 、 行车舒适性、 交通安全以及环境保 护等也会造成很不利的影响。 为了解决沥青路面的开裂问题 ， 目前普遍采用 强基薄面或强基厚面两种结构形式。强基薄面这种 结构形式的缺点是 ， 在行车荷载 的作用及 自然条件 影响下 ， 容易产生反射开裂， 导致路面破坏。强基厚 面虽 然 能有效 预防反 射裂缝 的 产生 ， 但 造价 较高 ， 而 且路面本身所产生的温缩裂缝仍然不能得到有效防 治 ， 并会产生其他病害。为此 ， 本文提出了一种新的 路面结构 ， 在沥青混凝土路面 中加带锚头的钢丝， 阻 止或 者延 缓沥青 混 凝 土 的 横 向开 裂 ， 为 沥 青 混凝 土 路面结构的抗裂研究提供了新思路 ， 为沥青混凝 土 路面提供 了新的结构形式 。 1 初步设想 沥青路面开裂 的主要原 因可分为 2大类 ： 荷载 型裂缝和非荷载型裂缝 。针对荷载型裂缝 ， 我国现 行沥青路面设计方法 以控制疲劳开裂为核 心内容 ， 目的就是防止半刚性沥青路面在车辆荷载的反复作 用下产生疲劳损坏。有关文献表明， 大多数高等级 公 路 ， 荷 载 型裂缝 已很 少发 生 ， 大 量存在 的是 非荷 载 型温缩裂 缝 与半 刚性 基 层 开 裂 所 引起 的 反 射 裂缝 ， 特别在 季节 性冰 冻 地 区 ， 沥青 路 面 由气 温 引 起 的温 收 稿 日期 】2 0 1 4 1 2 一 O l 作者简 介】王继承( 1 9 5 8 一) ， 男 ， 陕西三原人 ， 学士 。 工程 师， 主要从事试验室管理和公路工程检测工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 王继承 ， 等 ： 锚 头丝沥青 混凝 土路面抗裂技术研究 2 7 l 度应力和行车荷载的反复疲劳共同作用下极易出现 裂缝， 主要表现是横向裂缝 ， 也有部分大块状裂缝和 纵 向裂缝。沥青路面裂缝在施工结束的第一年冬季 即已产生 ， 此后裂缝数 目逐年增加 ， 裂缝 的宽度、 深 度 、 长度也逐年增加。其 中有 由基层开裂产生的反 射裂缝 ， 也存在 由于温度反 复变化 和车辆荷载 反复作用而产生 的疲劳裂缝。这是由于沥青路面低 温收缩产生的温缩裂缝 ， 是沥青路面 内应力达到或 超过路面材料所能承受应力极限使其破坏形成的。 沥青路面断裂分析及抗裂设计 ， 国内外 已开展 了大量的研 究工作 _ 1 。所 提出的多种沥青路 面 抗裂方法 ， 并在不少道路工程中进行 了实施 。这些 方法均有效的减少 了路面裂缝 的产生 ” ， 但同时 也提高了造价 ， 有些是得不偿失的 ， 有些是减少了裂 缝 ， 可也产生了等其他病害。因而 问题一直没有得 到彻底解决。如何探索一条更经济、 更有效地防止 道路裂缝问题的途径是非常必要的。 阻止或延缓沥青混凝土路 面开裂 ， 能否借鉴钢 筋水泥混凝土结构 ， 在沥青混凝土中加人钢筋 ， 形成 钢筋 沥青 混凝 士 结 构 ， 以解 决 此 问题 。 由于 沥 青混 凝土内应力没有水泥混凝 土内应力大， 钢筋太浪费 ， 拟采用钢丝。又由于钢丝与沥青混凝土之间接触面 积较小 ， 难以提供足够的摩阻力 ， 因此在钢丝上每隔 一 定间距加固锚头以增加摩阻力 ， 这样就形成一种 新型的路面结构层锚头丝沥青混凝土路面结构层。 首先将带锚头的钢丝沿道路纵向布设到沥青混凝土 路面结构层中， 当沥青混凝土低温收缩 ， 路面内部产 生拉应力时， 带锚头的钢丝通过锚头对沥青混凝土 施加反作用力 ， 抵抗沥青混凝土开裂。结构层的温 度收缩应力首先要克服钢丝的抗拉强度， 当温度收 缩应力减去钢丝的抗拉强度之后大于混凝土的抗拉 强度时 ， 混凝土才会开裂 ， 这样就阻止或延缓沥青混 凝土路面开裂。加入锚头丝的路面结构层见图 1 。 横 向 距 图 1 锚 头丝路面结构层 Fi g u r e 1 Pa v e me n t s t r uc t ur e l a y e r wi t h a n c h o r s t e e l 2 理 论 分 析 2 1 错 头 丝 的 布 设 由于沥青面层 和基层层 问连续接触 ， 一旦基层 开裂后 ， 无论是在交通荷载作用下 ， 还是在温度收缩 作用下， 裂缝尖端均产生很大的应力集 中， 进而导致 裂缝扩展至沥青面层。因此， 为 了避免沥青路面 的 反射裂缝或温度收缩裂缝 ， 将锚头丝布设 在面层底 部 ， 见 图2 。也可将锚头丝布设在基层。 路基 E 0 图 2锚 头丝布设在面 层底部 F i g u r e 2 Th e a n c h o r s t e e l a t b o t t o m o f s ur f a c e c o u r s e 2 2 力 学分析 加 入锚 头丝 的路 面结 构层 为各 向异性 非 均质材 料 ， 为了简化计算 ， 假设如下： 路面材料及钢丝为线弹性体， 锚头为刚性体； 路面材料与锚头丝界面无粘结性， 锚头对路 面材料变形有纵向约束作用 ， 近似认为两锚头问路 面材料与钢丝纵向变形一致 ； 每根锚头丝作用 范围为 以钢丝一个丝 间距 宽度 ， 且作用力均匀； 不计材料 自重。 因此 ， 取一根锚头丝作用范 围和两个锚头之 间 的结构为分析对象， 如图 3所示。 图 3两个锚头 问路面结构 Fi g u r e 3 Pa v e me n t s t r u c t u r e be t we e n t wo a nc h o r s 设温度荷载在结构层产生的应力为 o r ， 上面层 厚度为 h 。 ， 沥 青混 合料 的弹性 模量 为 E b ， 应 变为 h ； 钢丝的弹性模量为 E ， 应变 为 8 ， 所受应力为 o r ； 由于钢丝受拉使得锚头上产生 的应力为 ， 锚 头对沥青混合料的压应力为 h ， 沥青混合料 的抗 拉强度为 。 当沥青混合料受到拉应力 时， 沥青混合料产 生应 变 ， 根据 结构 设 计原 理变 形 协 调 的 假 设 ， 钢 丝 亦 产 生 应 变 即 毒 由 此 可 以 推 出 占 = E g orh E h 。钢丝相对 于沥青混合 料产生 的力 为 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 7 2 公路工程 4 0 卷 F：( 一O r h ) A ， 这个作用力通过锚 头传递给沥青 混合料 。由此锚头对沥青混合料 产生的作 用力为 F=o r A ， 这个力作用在 d X L X h这个体上， 所以 F： d ， 可以推出 ： ， 要使沥青混合料不开裂， 必须满足下面条件 ： ( o r o r ) A h 一 h r a h 一 一 R， ， gg ) A s 一 tr_Z R ) 。 只要满足上述条件 ， 设想是可行的。 3 室 内试验 试验 内容包括锚头丝沥青混凝土试验和普通沥 青混凝土试验 ( 即对 比试验) ， 有抗拉强度试验 、 抗 弯拉强度试验和疲劳性能试验。 通过对不同丝线材料、 不同线径、 不同锚头形式 和锚头材料进行一系列试验 ， 上述三项指标均有较 大提高 ， 现将试验结果汇总如下 ： 抗拉强度 ： 平均提高了 6 0 7 4 ， 其 中： 直径 0 4 mm 的 细 钢 丝 加 大 螺 丝 帽 ： 5 0 6 2 ； 直径 0 4 m m的细钢丝加环氧树脂水泥砂 浆锚 头 ： 3 1 2 7 ； 直径 1 1 l n m的铁丝加小螺丝帽： 1 1 7 6 。 直径 1 3 m m 的钢丝 焊接 角铁 ： 1 1 5 4 7 。 抗弯拉强度 ： 平均提高了 4 6 4 ， 其中： 直径 1 1 m m的铁丝 l ll , l 螺丝帽 ： 8 8 6 4 ； 直径 1 3 m m的钢丝焊接角铁 ： 7 4 9 1 ； 直径 1 3 n l m的钢丝焊接角铁 ： 3 9 9 6 ， 直径 1 3 m m的钢丝焊接角铁 ： 5 8 2 。 疲劳次数 ： 平均提高了 1 3 4 0 2 ， 其中： 直径 1 1 mm的铁丝加小螺丝帽： 2 0 3 7 9 ； 直径 1 3 mm的钢丝焊接角铁 ： 2 1 1 3 7 ； 直径 1 3 mm的钢丝焊接角铁 ： 6 4 2 。 通过室内试验 ， 加锚头丝试件 比不加锚头丝试 件的 3项 指标有 明显 提 高， 抗拉 强度 平均 提高 了 6 0 7 4 ， 抗弯拉强度平均提高 了 4 6 4 ， 疲劳次数 平均提高 了 1 3 4 0 2 。其 中锚头形式 为直 径 1 3 m m的钢丝焊接角铁 的试件抗拉强度值最 大， 而锚 头形式为直径 1 1 m m的铁丝加小螺丝帽试件的抗 弯拉强度值和疲劳次数最大 。 4现场试验 现场试验是在要铺筑公路上选一试验段进行试 验 ， 既选一试验路段进行试验 ， 再选一对比路段进行 比较 ， 观察其效果如何。 4 1试验段 基 本情 况 试验路段和对比路段选在内蒙古赤峰市 3 0 6国 道上 ， 桩号为 K 2 1 0+ 5 5 0一K 2 1 1 +1 5 0 ， 全长 6 0 0 m， 路面坡度平坦 ， 路面宽度 9 m， 路面结构为 3 c m厚 沥青混凝土面层。 试验路段 ： K 2 1 0+7 5 0一 K 2 1 0+ 8 5 0 ， 长 1 0 0 m， K 2 1 0+8 5 0一K 2 1 0+ 9 5 0 ， 长 1 0 0 m， 对 比路段： K 2 1 0+5 5 0 K 2 1 0+ 7 5 0 ， 长 2 0 0 m； K2 1 0+9 5 0K2 1 1+1 5 0， 长 2 0 0 n l 。 锚头丝形式 ： 锚头间距 ： 0 5 i n ； 锚头材料：螺丝帽； 锚 头丝 线材料 ：中1 mm铁 丝 ； 锚 头连 接 ：人工 榴拧 ； 丝线 间距 ： 0 5 I 11 、 1 0 m， 各 1 0 0 m； 铺设方法 ：人工布丝 ， 摊铺机摊铺。 4 2试验 段调 查 结果 路面摊铺完毕后 ， 相隔 6个多月进行第一次调 查 ， 再相隔 1 8个多月进行第二次调查 ， 现将结果 汇 总 见表 1 。 表 1 裂缝调查汇总表 Ta b l e 1 I n v e s t i g a t i o n s u mma r y o f c r a c k 第一次调查结果 第二次调查结 果 横 向通缝 横 向通缝 横 向通 缝 横 向通缝 3 ml n9 11 1 3 mm 9 m 3 mi ll9 m 3 mi ll9 m 无裂缝 无 裂缝 横 向通缝3 m m 9 li t 斜 缝3 m m x 5 I1 1 横向通缝3 mn l x9 m 横 向通缝4 mil l 9 m 横 向通缝5 mi ll 9 m 横 向通缝4 mm x 9 m 横 向通缝3 mil l 9 IT I 无裂缝 无裂缝 横向通缝4 lt l l n 9 t n 斜 缝3 m i l l 5 i n 横向通缝3 m i l l x 9 m 4 3 调 查结 果分析 锚头丝沥青混凝土路面的抗裂性 由表 1可看 出 ： 没加 锚头 丝 的对 比路段 ， 在 6个 多月 内就 出现 不 ( 下转 第 3 i 7页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 杨建宏 ， 等 ： 分岔隧道喇 叭 12 1 段现场监测数据分析与数值模拟研究 3 1 7 ( 上接 第 2 7 2页 ) 同程度较大的裂缝 ， 并继续扩展 ， 到两年后均有不同 程度较大扩展 。在加 了锚头丝 的试验路段 ， 经过半 年和两年后的两次调查 ， 无 论是丝线 间距为 0 5 m 还是丝线间距为 1 0 m 的均没有 出现裂缝。由此可 见 ， 加了锚头丝沥青混凝土路面抗裂效果 比较明显 。 5 结束语 通过室 内试验 ， 加了锚头丝试件 比不加锚头 丝试 件抗拉 强度平 均提高了 6 0 7 4 ， 抗弯拉强度 平均提高了4 6 4 ， 疲劳次数平均提高了 1 3 4 0 2 ， 其 3项指标有明显提高。 通过现场试验 ， 没加锚头丝的对 比路段， 在 6 个多月内就出现不同程度较 大的裂缝 ， 两年 内继续 扩展 。加 了锚 头 丝 的试 验 路 段 ， 两 年 内 均没 出现 裂 缝 ， 其抗裂效果 比较明显。 本研究基本解决了沥青混凝 土路面的开裂 问题 ， 提高了道路的使用品质 ， 降低后期养护费用和 道路全寿命周期费用 ， 延长道路使用寿命 ， 节省了交 通建设的投资， 提高了社会经济效益。施工方面， 人 工 布丝 方法 比较 落后 ， 效 率低 ， 通 过对 的布 丝机进 一 步研究 ， 将会很大程度提高施工效率。 本 文为沥青混凝土路面结构 的抗 裂研究提 供了新思路 ， 为沥青混凝土路面提供 了新的结构形 式 ， 即锚头丝沥青混凝土路面结构 。 参考文献】 邓学钧 路基路面工程【 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 0 张登 良沥青路面 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 1 9 9 8 沙庆林 高速公路沥青路面早期破坏现 象及预 防 M 北京 ： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 1 吴赣 昌， 凌 天清 半刚性基层 温缩裂 缝的扩展机 理分析 J 】 中国公路学报 ， 1 9 9 8 ， 1 1 ( 1 ) ： 2 1 2 8 沙爱 民 半刚性基层 的材料特性 J 中国公路学报 ， 2 0 0 8， 2 1 ( 1 ) ： 1 5 王艳 ， 倪 富健 ， 马翔 不同基层开裂状态 的沥青路面应 力对 比 J 交通运输工程学报 ， 2 0 0 8 ， 8 ( 6 ) ： 3 43 9 郑建 龙 ， 周 志 刚 ， 张起 森 沥青 路 面抗 裂 设计 理 论 与 方 法 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 3 沈金 安， 李福 普， 陈景 高速公路沥青路 面早期损坏分 析与防 治对策 M 北京 ： 人 民交通出版社， 2 0 0 4 J T G D 5 0 2 0 0 6 ， 公路 沥青路 面设计规范 s 朱 毅 ， 谭继宗 ， 岳爱 军 A C 一 1 3 C型 沥青混合料 力学性 能的试 验研究 J 公路工程 ， 2 0 1 1 ， 3 6 ( 2 ) ： 5 76 3 刘栋 ， 杨朝辉 A C一1 6沥青混 合料抗裂性 能评 价 J 公 路 工程 ， 2 0 1 1 ， 3 6 ( 6 )： 1 3 41 3 7 蒋 应军 ， 戴 经梁 士工织物在道路工程防裂中的应用 j 长 安大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 7 2 7 ( 4 ) ： l 8 2 2 汤文 ， 孙立军， 陈继松 应 力吸收 层防治 沥青加 铺层 反射裂 缝的力学分析 J 公路 工程 ， 2 0 0 8 ， 3 3 ( 4 ) ： 2 4 J T G E 2 0 2 0 1 1 ， 公路工程沥青及沥 青混合料试验规程 S 王利， 夏永旭 ， 苏毅 加锚头 丝沥青 混凝 土路面 结构 的抗 裂 性 能试 验 J 长 安大学学 报 ： 自然 科学版 ， 2 0 1 0 ， 3 0 ( 1 )： 1 2 1 5 i i i O l 2 3 4 5 竺I =- = 二| 二_ l=l-=_ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m