文献综述(或调研报告):
3.1 国内外研究现状
沥青混合料的抗裂缝性能近年来越来越称为沥青混合料研究的重要内容。随着道路使用要求逐年提高,各种为满足特殊使用性能而配制的改性沥青混合料也应运而生,但这些沥青混合料在满足某一项或几项特殊使用功能的同时也在一定程度上舍弃某些性能。如通常采用的SBS沥青存在运输存储要求高,易离析等问题[[6]],但未掺TPS(Tafpack-Super)的普通沥青混凝土(Asphalt Concrete, AC)等又不具备足够的抗水损性能,因此充分研究各种沥青混合料在其整个寿命周期内的行为显得尤为重要。
3.1.1 沥青抗裂性能研究
沥青开裂性能受到多种因素的影响,一般认为沥青路面的裂缝有横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝三种。在裂缝发展初期往往不会对沥青路面的使用性能造成较大的影响,但随着裂缝的逐步扩展,路面的美观和使用性能均会急剧下降,严重时对行车安全造成危害。沥青路面的开裂问题一直以来都是研究者重点关注的内容。Raquel Moraes等探究了不同成分沥青混合料在常温和低温下的抗开裂性能,发现小分子含量较高的沥青混合料抗开裂性能较好,可能是由于小分子沥青的黏结性能更为优异[[7]]。Rasool Nemati等采用速率相关指数(Rate-dependent Cracking Index, RDCI)评价沥青混合料的抗开裂性能,发现RDCI在表征黏弹性材料抗开裂性能方面比起常用的半圆弯曲测试(Semi-circular Bending, SCB)具有更好的效果,在测试数据的变异性方面大大降低,采用RDCI反映沥青混合料开裂性能显得更为准确可靠[[8]]。Imad Basheer等采用沥青路面寿命相关指数,结合沥青路面所处交通荷载、环境和路基工况建立沥青路面疲劳和反射裂缝分析模型,并结合德克萨斯州实际工程情况探究了不同环境因素对两种裂缝产生和发展过程的影响[[9]]。Sanghyun Chun等探究了集料尺寸对热拌沥青混合料抗开裂性能的影响,提出采用骨料尺寸范围相关指标(Dominant Aggregate Size Range – Interstitial Component, DASR-IC)判断沥青混合料抗开裂性能。工程实践表明DASR-IC直接与沥青混合料的路用性能相关,能够在抗开裂方面为沥青混合料设计提供可靠的参考[[10]]。Marcin Stienss等从温拌沥青混合料的应用性能出发,探究不同添加剂对其抗裂性能的影响,结果表明蜡基添加剂由于其良好的粘结性能,能够有效提高沥青混合料的抗裂性能,而高分子表明活性剂对沥青混合料性质影响则不够明显[[11]]。国外对沥青混合料开裂性能的研究大多是从实际工程应用出发,采用新的评价方法,或是从开裂现象出发对沥青混合料进行改性处理,探究不同改性剂对开裂性能的影响。这些研究均较少关注路面实际使用过程中裂缝产生和扩展的机理,这对已经投入使用的路面养护而言无法提供足够的参考,因此有必要对其开裂过程进行进一步研究。
针对我国沥青路面使用现状,国内学者也对沥青混合料的开裂行为进行了大量研究。翟瑞鑫着重探究了冻融循环下大粒径透水沥青的开裂性能,并得出了冻融循环条件下沥青路面抗反射裂缝性能的对数关系式。进一步掺入改性剂的研究表明,橡胶粉和SBS改性剂能够增强大粒径透水沥青的抗裂性能[[12]]。苗雨等采用有限元方法对有多个裂缝的沥青路面裂缝扩展行为进行探究,结果表明仅在交通荷载因素影响下,裂缝多向着荷载相反方向进行扩展,其中反射裂缝的扩展路径近似为“Z”型,而表面裂缝多沿直线扩展形成纵向或横向裂缝[[13]]。高媛媛等基于断裂力学理论探究沥青路面的反射裂缝问题,结合实际工程情况计算分析影响反射裂缝的主要因素,结果表明车辆荷载作用下,剪切破坏是反射裂缝的主要形式。对我国常用的半刚性基层而言,其弹性是影响反射裂缝的主要因素,而面层弹性影响相对较小,这为后续沥青路面的设计和施工提高了可靠的参考[[14]]。王华城等采用实地调研的方法分析高速路面裂缝形态特征及开裂模式,结果表明半刚性基层路面裂缝主要形态为下宽上窄,沥青面层为上宽下窄,表明半刚性基层的主要开裂形式为自下而上的反射裂缝,此外,高速路面中80%的横向裂缝为该类型裂缝[[15]]。周正峰等采用有限元软件ABAQUS建立黏聚区模型,分析其在路面反射裂缝模拟中的应用,结果表明交通荷载作用下的裂缝类型主要是单侧荷载作用引起的II型剪切裂缝,增加沥青面层厚度能有效减少反射裂缝的影响,与现有理论计算结果一致,表明了黏聚区模型的可靠性[[16]]。与国外相比,我国的沥青混合料开裂研究主要集中于开裂机理研究方面,并取得了丰硕的成果。但这些成果大多只揭示了裂缝的产生机理和其主要影响因素,对于裂缝发展过程的关注相对较少,对于裂缝扩展的研究有待进一步深化。
3.1.2 橡胶沥青抗裂性能研究
橡胶沥青比普通沥青具有更好的黏度和强度性能,相应的抗疲劳裂缝和荷载裂缝性能也更加优异。近年来,橡胶沥青由于其在各种工程性质上的优越性而被广泛采用,对其抗裂性能的研究也有了可喜的成果。干法和湿法是目前橡胶沥青生产过程中最为常用的两种方法。干法是指在沥青混合料拌合阶段,直接向沥青混合料中加入橡胶颗粒一起拌合,以取代原来沥青混合料级配中的一部分矿物骨料,其概念最早由瑞典一家公司提出[[17]]。湿法则最早由美国亚利桑那州凤凰城的一名材料工程师Charles McDonald提出。他首先提出将橡胶颗粒或粉末与基质沥青充分混合,并让二者反应45分钟至1小时,所得混合物性质比原有沥青改善很多[2]。
(1) 干法沥青抗裂性能
干法的主要优势在于使用过程中对拌合场地要求较低,大多数干法沥青均可在现场直接拌合,与湿法沥青相比省去了沥青混合料在运输和储存过程中的损耗和能源消耗,具有更强的环境适用性能。
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