文档介绍：沥青混合料的低温抗裂性
§9-1 概述
沥青是一种温度敏感性材料,温度的变化会使其力学性能发生很大的变化。夏季,温度的升高会使其强度显著降低,导致车辙和波浪等病害发生。因而,沥青混合料必须具有高温稳定性,这在上一章中已经作了详尽的阐述。随着温度的降低,沥青混合料的强度和劲度都会明显增大,然而,其变形能力却会显著下降,并会出现脆性破坏。
和水泥混凝土路面相比较,沥青路面由于材料具有一定的应力松弛特性,因而在变形能力方面具有一定的优势,为此,沥青路面不具有接缝,但是随着温度的降低,材料明显变“脆”,因而,这种柔性逐渐丧失,由于公路是一种露天构筑物,在外界条件诸如水温状况发生变化以及在外界车辆荷载的重复作用下,结构会不可避免的出现路基及基层的压密,路基的不均匀沉降及不均匀冻降等形变,材料的变脆会使路面结构产生裂缝。
初期产生的裂缝对沥青路面的使用性能并没有明显的影响,只是有损美观。但是随着表面雨水和雪水的进入,导致裂缝两侧的路面结构层,特别是裂缝附近土基的含水量增大,甚至饱和。其结果是路面强度明显降低,在大量行车荷载的反复作用下,产生冲刷和唧浆现象,从而使裂缝发展成为网裂、龟裂而使路面很快产生结构破坏。由于近几年来,国内外高等级公路建设的蓬勃发展,也由于低温裂缝对公路质量的严重影响,沥青混合料的低温稳定性研究成为一热门话题。
沥青路面的低温裂缝很普遍,不但在北方冰冻地区有,在南方非冰冻地区也有。只是裂缝的轻重程度不同(单位长度内裂缝的条数或单位内裂缝的长度和裂缝的宽度)。由于我国在各个地区沥青路面比较普遍,而且我国沥青路面所用沥青多是质量不好的渣油和国产多蜡沥青。此外,我国沥青路面大多铺筑在收缩性很大的半刚性基层上,因而我国的沥青路面上的裂缝特别严重。
低温缩裂长期以来被认为是个混合料组成设计及原材料性质方面的问题,但是深入研究表明,它不仅和上述二者有关,而且和路面结构等其他问题也关系密切。因为本书主要是研究沥青混合料,为此,我们的重点是材料本身的特性。
§9-2 沥青混合料低温裂缝的形成
沥青路面开裂的原因和裂缝的形式是多种多样的。但就沥青路面开裂的原因而论,可以分为两类:荷载型裂缝和非和荷载型裂缝。所谓非荷载型裂缝即指不是由行车荷载引起的裂缝。沥青面层上的非荷载型裂缝主要是温度裂缝。温度裂缝又有两种,一种是低温收缩裂缝或者简称低温裂缝。冬季,随着温度的降低,沥青材料的劲度模量变的越来越大,材料变的越来越硬,并开始收缩。由于沥青路面在面层和基层之间存在着很好的约束,因而当温度大幅度降低时,沥青面层中会产生很大的收缩拉应力或者拉应变,一旦其超过材料的极限拉应力或极限拉应变,沥青面层就会开裂。由于一般道路沥青面层的宽度都不很大,收缩所受到的约束较小,所以低温开裂主要是横向的。另一种是温度疲劳裂缝。这种裂缝主要发生在太阳照射强烈、日温差大的地区。在这种地区,沥青面层白天和夜晚的温度差别很大,在沥青面层中会产生较大的温度应力。这种温度应力会日复一日的作用在沥青面层上,在这种循环应力的作用下,沥青面层会在低于极限拉应力的情况下产生[疲劳开裂。温度疲劳开裂可能发生在冬季,也可能发生在别的季节,北方冰冻地区可能发生这种裂缝,南方非冰冻地区也可以发生这种裂缝。
通常情况下,人们认为低温开裂发生在北方冰冻地区的冬季,其实不然。南方非冰冻地区除了在冬季沥青面层会产生温度应力外,在夏秋两季,忽而烈日照射,忽而突降暴雨,这样瞬间温度会降低20℃-30Page: 1
℃左右。这也是夏季和南方非冰冻地区产生温度裂缝的原因。
柔性路面低温开裂形成机理
柔性路面由于低温缩裂而破坏的例子在国内外相当普遍。柔性路面的开裂现象在北京及南方一些地区的道路上普存在,在国外例如加拿大沥青路面的低温开裂曾经成为影响道路使用性能最严重的问题之一。
国内外对于沥青路面温度裂缝的机理的研究已经进行了今三十多年。国内外近十年也开展了沥青路面低温开裂原因的研究工作。但是,以往沥青路面低温开裂的研究并未针对柔性路面和半刚性路面分别展开,而是集中在柔性路面上。对于柔性路面的低温开裂国内外已经积累了比较丰富的经验,概括起来可以分为以下几点:
当沥青面层的温度达到某一负值时,开裂从表面开始,并向下发展到穿过整个沥青混凝土层。少数情况裂缝向下传播极快,裂缝穿过沥青混凝土层可以说是瞬间的。在许多情况下,特别是在沙土土基层,出现在表面的低温裂缝向下传播不超过5cm。
沥青的品种和等级是影响沥青路面开裂的最重要的因素。实验证明,用高粘度(温度敏感性低)针入度150/200的沥青铺筑的实验路,使用五年后无横向裂缝。而用低粘度沥青铺筑的实验路产生了很多裂缝。国内研究表明,沥青低温延度及针入度越大,其开裂温度就越低,其中低温延度比针入度对开裂温度的影响更为显著