纤维沥青碎石封层结构行为及材料设计研究
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摘要
截止2011年底，全国公路通车总里程已达到405万公里，但受“重建轻养”观念的影响，虽然公路建设速度快，但公路早期破坏非常普遍，特别是沥青路面表面功能的衰减或丧失，急需进行预防性养护，以恢复路面功能，防治病害的进一步发展。“纤维沥青碎石封层”是一项刚从国外引进的沥青路面预防性养护新技术，具有同类预防性养护技术所不能及的性能及效益优势。但目前对纤维沥青碎石封层的结构行为机理还缺乏深入的认识，相应的评价指标体系尚未建立，材料组成设计方法还未形成。本研究针对以上理论及应用技术问题，系统开展纤维沥青碎石封层结构行为及材料设计研究，在理论方面重点探索纤维沥青碎石封层的路用抗裂及抗动水等作用机理，为纤维沥青碎石封层的结构及材料设计提供理论依据，因此，本研究不仅具有重要的理论价值，而且对于纤维沥青碎石封层新技术的发展具有重要的现实意义。
论文首先通过有限元分析，运用静力学和动力学两种力学方法，分别计算分析了纤维沥青碎石封层路面在静载和动载作用下的力学响应，综合分析静、动力学计算结果，为纤维沥青碎石封层的力学性能设计提供依据。为了深入探索纤维沥青碎石封层的抗裂行为机理，论文基于复合材料及断裂力学理论，借助于图像分析技术，计算分析纤维沥青碎石封层的断裂韧性以及沥青路面裂缝应力强度因子，探索纤维沥青碎石封层在裂缝尖端应力下的阻裂行为规律；结合纤维沥青碎石封层工作环境，论文先从理论上剖析了这种封层发生水损害的机理，自主研发了动力渗水仪，为深入研究纤维沥青碎石封层抗动水行为提供了技术手段。利用这个新设备，通过不同条件下纤维沥青碎石封层材料材料的动力渗水试验，研究了封层材料在动力水作用下的行为及性能变化规律，最终提出纤维沥青碎石封层材料在动力水作用下的性能控制指标。基于纤维沥青碎石力学分析、结构抗裂及抗渗行为分析，开展了纤维沥青碎石封层结构行为适应性研究，并通过理论分析及有限元计算重点研究纤维沥青碎石封层对自然环境、交通状况以及旧路路况的适应性，提出了纤维沥青碎石封层的适用条件及最佳养护时机的确定方法。
引入系统论方法研究了纤维沥青碎石封层材料组成设计。依据系统论的方法，将纤维沥青碎石封层分为沥青层材料设计、纤维沥青层设计和纤维沥青碎石封层设计三个层次进行设计。在理论分析及试验研究的基础上，提出了基于路用性能的纤维沥青碎石封层多指标控制体系：即以层间抗剪强度作为粘结性能的控制指标，以集料脱石率作为粘附性能控制指标，以动水压力渗透下的抗渗强度为抗渗性能指标，以构造深度作为抗滑性指标。并提出了基于系统论方法的纤维沥青碎石封层配合比设计方法及流程。
By the end of2011, the highway traffic mileage of our nation has reached4.05millionkilometers. Because we attach importance to highway construction than maintenance, thepremature damage especially asphalt pavement surface feature decay of highway iswidespread. In order to regeneration pavement surface features and prevent the developmentof pavement damage, the pavement need preventive conservation. Fiber reinforced chip sealis a new asphalt pavement preventive maintenance technology，which has more advantages inperformance and efficiency than similar preventive maintenance. But it lacked a clearunderstanding of it’s structural behaviour, appropriate evaluation index system has not beenestablished and material composition design methods has not formed. In this paper, for thekey problems in the theory and application of technology, researches on road behaviormechanism and material design, and focus on exploring crack resistance and resistance tohydrodynamic in theory, have important theoretical and practical significance for thedevelopment and application of this new technology.
By finite element analysis, using of statics and dynamics, respectively calculating themechanical response of fiber reinforced chip seal road under static and dynamic loads, andprovide a basis for fiber reinforced chip seal design. For exploring the mechanism of fiberreinforced chip seal crack behavior, based on composite materials and fracture mechanicstheory, by image analysis techniques，to calculate and analyze the fracture toughness of fiberreinforced chip seal and the stress intensity factor of asphalt road surface crack，and exploreresistance behavior law in the crack tip stress. Combination of work environment, the waterdamage mechanism is firstly analyzed theoretically. Dynamic permeable test instrument andmoving water pressure flushing tester are invented for depth study of fiber reinforced chipseal anti-hydrodynamic behavior. Taking advantage of these new equipments, throughdynamic permeable test under different material conditions, variation of Seal coat materialsbehavior and performance are discussed, and fiber reinforced chip seal performance controlindicators under moving water effect is propose. Applicable conditions and the bestmaintenance timing method based on fiber reinforced chip seal are determined，by analyzing impact of the fiber reinforced chip seal work environment to performance, and focus on theadaptability to the natural environment, traffic conditions, as well as the old road trafficthrough theoretical analysis and finite element calculation.
System theory is led into research on fiber reinforced chip seal material compositiondesign. According to system theory, fiber reinforced chip seal design methods can be dividedinto three levels, asphalt layer material design, fiber asphalt layer design and fiber reinforcedchip seal design. Through theoretical analysis and experimental study, fiber reinforced chipseal multi-index control system are proposed, considering Interlayer shear strength as controlindex of bonding properties, considering the strength under hydrodynamic pressure asimpermeability indicators, considering the material removal rate as adhesion properties index,considering structure depth as slip resistance index and fiber reinforced chip seal designmethod and process based on system theory are proposed. Relying on entity engineering, testroad was paved through the application of fiber reinforced chip seal design, and a depth studyon construction process control technology was carried out.
论文首先通过有限元分析，运用静力学和动力学两种力学方法，分别计算分析了纤维沥青碎石封层路面在静载和动载作用下的力学响应，综合分析静、动力学计算结果，为纤维沥青碎石封层的力学性能设计提供依据。为了深入探索纤维沥青碎石封层的抗裂行为机理，论文基于复合材料及断裂力学理论，借助于图像分析技术，计算分析纤维沥青碎石封层的断裂韧性以及沥青路面裂缝应力强度因子，探索纤维沥青碎石封层在裂缝尖端应力下的阻裂行为规律；结合纤维沥青碎石封层工作环境，论文先从理论上剖析了这种封层发生水损害的机理，自主研发了动力渗水仪，为深入研究纤维沥青碎石封层抗动水行为提供了技术手段。利用这个新设备，通过不同条件下纤维沥青碎石封层材料材料的动力渗水试验，研究了封层材料在动力水作用下的行为及性能变化规律，最终提出纤维沥青碎石封层材料在动力水作用下的性能控制指标。基于纤维沥青碎石力学分析、结构抗裂及抗渗行为分析，开展了纤维沥青碎石封层结构行为适应性研究，并通过理论分析及有限元计算重点研究纤维沥青碎石封层对自然环境、交通状况以及旧路路况的适应性，提出了纤维沥青碎石封层的适用条件及最佳养护时机的确定方法。
引入系统论方法研究了纤维沥青碎石封层材料组成设计。依据系统论的方法，将纤维沥青碎石封层分为沥青层材料设计、纤维沥青层设计和纤维沥青碎石封层设计三个层次进行设计。在理论分析及试验研究的基础上，提出了基于路用性能的纤维沥青碎石封层多指标控制体系：即以层间抗剪强度作为粘结性能的控制指标，以集料脱石率作为粘附性能控制指标，以动水压力渗透下的抗渗强度为抗渗性能指标，以构造深度作为抗滑性指标。并提出了基于系统论方法的纤维沥青碎石封层配合比设计方法及流程。
By the end of2011, the highway traffic mileage of our nation has reached4.05millionkilometers. Because we attach importance to highway construction than maintenance, thepremature damage especially asphalt pavement surface feature decay of highway iswidespread. In order to regeneration pavement surface features and prevent the developmentof pavement damage, the pavement need preventive conservation. Fiber reinforced chip sealis a new asphalt pavement preventive maintenance technology，which has more advantages inperformance and efficiency than similar preventive maintenance. But it lacked a clearunderstanding of it’s structural behaviour, appropriate evaluation index system has not beenestablished and material composition design methods has not formed. In this paper, for thekey problems in the theory and application of technology, researches on road behaviormechanism and material design, and focus on exploring crack resistance and resistance tohydrodynamic in theory, have important theoretical and practical significance for thedevelopment and application of this new technology.
By finite element analysis, using of statics and dynamics, respectively calculating themechanical response of fiber reinforced chip seal road under static and dynamic loads, andprovide a basis for fiber reinforced chip seal design. For exploring the mechanism of fiberreinforced chip seal crack behavior, based on composite materials and fracture mechanicstheory, by image analysis techniques，to calculate and analyze the fracture toughness of fiberreinforced chip seal and the stress intensity factor of asphalt road surface crack，and exploreresistance behavior law in the crack tip stress. Combination of work environment, the waterdamage mechanism is firstly analyzed theoretically. Dynamic permeable test instrument andmoving water pressure flushing tester are invented for depth study of fiber reinforced chipseal anti-hydrodynamic behavior. Taking advantage of these new equipments, throughdynamic permeable test under different material conditions, variation of Seal coat materialsbehavior and performance are discussed, and fiber reinforced chip seal performance controlindicators under moving water effect is propose. Applicable conditions and the bestmaintenance timing method based on fiber reinforced chip seal are determined，by analyzing impact of the fiber reinforced chip seal work environment to performance, and focus on theadaptability to the natural environment, traffic conditions, as well as the old road trafficthrough theoretical analysis and finite element calculation.
System theory is led into research on fiber reinforced chip seal material compositiondesign. According to system theory, fiber reinforced chip seal design methods can be dividedinto three levels, asphalt layer material design, fiber asphalt layer design and fiber reinforcedchip seal design. Through theoretical analysis and experimental study, fiber reinforced chipseal multi-index control system are proposed, considering Interlayer shear strength as controlindex of bonding properties, considering the strength under hydrodynamic pressure asimpermeability indicators, considering the material removal rate as adhesion properties index,considering structure depth as slip resistance index and fiber reinforced chip seal designmethod and process based on system theory are proposed. Relying on entity engineering, testroad was paved through the application of fiber reinforced chip seal design, and a depth studyon construction process control technology was carried out.
引文
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