（机械设计及理论专业论文）沥青路面坑槽修补技术及其计算机仿真分析.pdf

摘要 本文主要针对沥青路面坑槽的破损机理和修补技术进行了详细的分析和研究，对坑 槽的形成和修补机理进行全面、科学合理的研究，并对其进行了仿真分析，为以后的坑 槽修补提供了理论依据。 根据沥青路面坑槽破损的几何形状及成因，对其进行了全面、细致的分类，并对其 大小和严重程度等级进行了划分。对沥青路面坑槽修补材料进行分析和比较，得出了各 种材料的适用范围。本文针对四种开槽方式提出了修补料用量控制法，来准确控制修补 材料的投料量。本文对填料式、挖补式、热烘式和喷射式四种坑槽修补技术进行详细的 分析和比较，得出各种坑槽修补技术合理的适用天气和温度。同时本文按照永久性坑槽 修补技术要求，研究了坑槽的施工工艺，归纳提炼出了坑槽修补施工工艺的步骤。 本文应用有限元分析软件a n s y s 对坑槽在车轮荷载作用下的数值响应进行了研究。 分析了不同修补材料、荷载作用位置对坑槽壁缝力学参数的影响，并对槽壁洒布粘层油 前后的力学响应作了对比分析。 关键词：沥青路面；坑槽；破损机理；修补技术；有限元分析；施工工艺 a b s t r a c t t h i st h e s i sp m a r i l ya i l a l y s e sm ed i s t r e s sm e c h a n i s m sa n dr 印a i rt e c h i l i q u e so ft h e a s p h a l t sp o t h 0 1 e s s t u d yo nt h ec a u s e sa n dr 印a i rm e c h a j l i s m so fp o t h o l e ss c i e n t i f i c a l l y 锄d r a t i o n a l l y ，a i l du s ea n s y ss o 肌a r et os i m u l a t ea n a l y s ei t t h et h e s i so f r e r st h em e o r e t i c a l f o u n d a t i o nf o r t h ec o n s n l j c t i o n a c c o r d i n gt oa s p h a l tr o a dp o t h 0 1 e sd i s t r e s sg e o m e t r i cf 0 硼sa n dc a u s e s ，t oc l a s s i f yt h e p o t h 0 1 e sr a t i o n a l l ya l l dc a r e 如l l y ，a i l dd i v i d et h e ma c c o r d i n gt om e i rs i z ea n ds e v e r i t y 铲a d e a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i sa n dt h ec o m p 撕s o nt ot h ea s p h a l tr o a dp o m o l ep a t c h i n gm a t e r i a l ，t o o b t a j nm ea p p l i c a b l es c o p eo fe a c hl 【i n d so fm a t 嘶a 1 ho r d e rt 0e n s u r et h ed e n s i t yd e g r e e a n dt h el e v e ld e 孕e eo fr 印a i r e dp o t h 0 1 e s ，t h i sm e s i sp r e s e n t sm a t e r i a lc a p a c i t ym e t h o dt o c o n t r o l t h ea c c u r a t ef e e la m o u n to fp a t c h i n gm a t e r i a l s t h i st h e s i sa l l a l y z e sa n dc o m p a r e st h e p a d d i n gt y p e ，t h ed i g g i n gt y p e ，h o t 嘶e st h et y p ea n dm ej e tt y p ep a t c l l i n gt e c l l l l o l o g y ，o b t a i n m es u i t a b l ew e a t l l e ra i l dt h et 唧e r a t u r eo fe a c hl 【i n d so fp o t h o l e sp a t c h i n gt e c h n o l o 缈 s i m u l t a n e o u s l ya c c o r d i n g t 0 p e m a l l e mp o t h o l e s p a t c h i n gs p e c i f i c a t i o n ，s t u d y t h e c o n s t m c t i o nc r a ro ft h ep o t h o l e s ，r e 丘n e dm ep o t 王l o l e sp a t c h i n gc o n s t m c t i o nc m r s t e p h lt h i st h e s i s ，a i l s y ss o r w a r ep a c k a g ew a se m p o l y e dt or e s e a r c hr e s p o n s e so fp o t h o l e s b a l s e do nt h e 仔a c t u r em e c h a n i c s ，b ym e a n so ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，m em e c h a m s mo f r e f l e c t i v ec r a c kp r o p a g a t i o nu 1 1 d e r 仃a 炳c1 0 a d i n g sw e r es t u d i e d t h ea u t h o ra l s oa n a l y s et h e f a c t o r si n n u c e n c i n gt h ec r a c k 目o w m k e yw o r d s ：a s p h a l tr o a d ；p o m o l e s ； d i s 骶s sm e c h a n i s m s ；p a t c l l i n gt e c l u l o l o g y ； f e m a n a l y s i s ；c o n s t m c t i o np r o c c d u r e s i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 耸清华必9 年5 月7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 镎甬华 糯弘孽 少7 年5 月7 日 朋7 年j 玛7 日 长安大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早三；百化 随着改革开放的不断深入和国民经济的飞速发展，公路建设作为我国经济建设的重 点项目，最近几十年飞速发展。我国高速公路建设的速度非常快，高速公路里程达到很 大规模，并且以后也将高速发展，同时高速公路的交通量也呈增长的趋势。但是我国高 速公路的建设起步较晚，技术力量储备薄弱，并且我国的交通荷载及交通流量偏大，车 辆超载比较严重，已修筑路面结构存在不少技术问题，一些路段的建设质量低下，很多 路面通车不久就出现种种早期损坏特征，如车辙、严重开裂、泛油、坑槽等，基于以上 存在的问题，必须对已修筑路面进行大规模的维修。大量的调查研究表明，我国高速公 路建成通车几年后，就产生不同程度的早期损坏，这些病害大多数都是局部存在的问题。 其中大部分损坏特征为局部坑槽的出现、松散、车辙、推拥的流动性变形等一系列表观 特征，以上损害可通过小范围的维修得到缓解。但是如果沥青路面一旦出现了丌裂现象， 沥青路面将会受到水的冲刷作用，使裂缝向路面结构层下方发展，随着时间的增长，极 易发展成坑槽，最后甚至形成大面积的坑槽裂缝，严重影响了高速公路的正常营运。由 此可以看出对高速公路早期损坏进行小规模维修是非常有必要的，尤其是对裂缝和坑槽 的修补可以极大的延缓高速公路的破坏，起到很大的经济效益和社会效应。本书在对沥 青路面坑槽进行研究的基础上利用计算机进行模拟仿真，进而找出沥青路面坑槽维修的 最佳方法。 1 1 本文的提出及研究意义 截止到2 0 0 8 年底，全国公路总里程达3 2 0 万公里，其中高速公路里程达到5 3 6 万 公里。由于沥青路面具有足够的弹塑性等变形能力，而且具有良好的减震性和平稳性， 并且在行车过程中噪音低、不扬尘，因此，我国的高等级公路绝大多数为沥青路面，尤 其是高速公路，其中9 0 以上为沥青路面。高速公路暴露在大自然环境中，遭受着各种 恶劣环境条件的侵蚀，频繁地受到车辆荷载的作用。高等级公路的使用年限一般设计为 1 2 年到1 5 年，但是我国近期修建的高等级公路路面由于种种原因出现了裂缝、坑槽等 早期病害，养护维修提早进入日程，甚至部分路面刚建成不久就需要进行养护，大量的 沥青路面，特别是高等级沥青路面已经或即将进入养护维修期，沥青路面的养护维修理 论迫切需要研究完善。一般可将沥青路面的养护维修工作大体分为预防性养护和矫正性 养护两大类。其中沥青路面的预防性养护是保养路面以期延缓路面恶化速度的作业，通 常用于没有发生损坏或只有轻微损害的路面。而沥青路面的矫正性养护是维修已经发生 第一章绪论 局部损害的作业。假如沥青路面出现裂缝而不及时维修，那么雨水顺着空隙渗入且在行 车荷载作用下将会发生卿泥现象，从而导致坑槽的出现，降低路面的使用寿命；如若沥 青路面出现拥包和车辙而不及时维修，则使路面的性能指标明显下降，进而会出现路面 结构层的进一步损害。所以沥青路面的养护维修必须做到迅速和富有成效，这样才能达 到高等级路面的路况要求。 美国联邦公路管理局( f h w a ) 进行了柔性路面长期路用性能的相关试验s p s 一3 ，并 对5 年的试验数据进行了统计和分析。该研究认为：路用性能指标的提高很大一部分由 养护水平决定的。由图1 1 表明，经养护维修后的路用性能指标得到很大的提高；不经 养护维修的路面，则出现路用状况的性能指标在使用一段时间后迅速下降的现象，当路 面等级评分 0 c e 喀e 唼娴 。謦羹用f ；! ；困r 安支支s s ：r 之是是是之：过 v 一 1 01 52 02 53 0350 图1 1 路面性能曲线及相应费用的比较 美国m i c l l i g a i l 州交通运输部门( d o t ) 在1 9 9 2 年进行了一项预防养护维修计划， 共花费8 千万美元的养护费用对里程大约为4 2 6 5 i 的路面进行了养护维修，但是如果 重建该段路线，工程费用将是养护费用的1 4 倍。当然，重新建设该路线可以使路面使 用年限增长，但养护维修也能使使用年限增长6 到1 1 年【2 1 。如果路面出现破损而不能做 到及时维修，即使后期维修能延缓由于各种因素造成的路面破坏，但是会使后续破损更 多，并且维修费用显著增加。图1 2 、图1 3 为路面损坏前后达到同样寿命所需罩面层厚 度的对州3 1 。从图中可看到在路面破损前采用2 的预防性罩面层效果上相当于破损后 的5 3 4 ”的罩面层，而维修费用仅仅只有其三分之一。以上可以看出，要使路面保持良 好的使用性能，及时、有效的养护维修是非常有必要的。这样公路养护部门才能以最小 的投资代价达到最大的投资回报。 在国内，随着公路等级的不断提高，特别是高速公路总里程的迅速增加，对沥青路 2 长安人学硕士学位论文 面的养护维修工作提出了更新、更高的要求。我国交通部于1 9 9 6 年颁布并实施的公 路养护技术规范【4 】，其中“公路养护的技术政策和措施”的第8 条，表示要大力推广 和发展公路养护机械化。为了做到这一点，进而使公路养护机械技术不断发展，必须要 增强养护新材料和新工艺的探索，尤其是新材料、新工艺和新设备的综合方面的研究。 因此，关于沥青路面养护维修新技术的研究工作应尽早展开，刻不容缓。 七 钳 o 一6 ) 、口 9 0 。，因此干燥石料很容易被沥青润湿，也就 是说沥青薄膜可以在石料表面铺展为薄层。 但是如果沥青薄膜在石料表面润湿，遇到水时，沥青薄膜极易从石料表面脱落，如 图3 2 所示。用o 一6 ) 、( w 一6 ) 和o w ) 来分别表示石料一沥青、水一沥青和 石料一水的界面表面张力，则石料一沥青一水三相系的近似平衡方程式可表示为： 1 2 长安大学硕i ：学位论文 ( s w ) 一( s 一6 ) 一( w 一6 ) c o s 口= o ( 3 3 ) 则接触角口可表示为： o s 一1 与铲 4 ， 在不掺加抗剥落剂的情况下，p w ) o 一6 ) 、9 0 。 口 1 8 0 。，沥青很容易被水 置换，因此沥青与集料粘附后容易被7 k 所剥落。 图3 1 沥青薄膜在石料表面的润湿 水 图3 2 水对沥青薄膜的剥落 另外还可用表面电位的机理解释沥青从集料表面的剥落【2 6 j ，如图3 3 所示。沥青与 集料粘附性的本质是两种材料界面的亲和力，包括表面张力、分子引力、机械附着力、 化学反应引力及两种物质的表面电荷产生的引力。由于水分子h 2 0 的氢离子端带正电 荷，氧离子端带负电荷，水的极性很强能够将吸附在集料固体表面的沥青置换。一般的 集料表面或多或少都具有亲水憎油的性能。当集料遇水，水能够穿透沥青膜到达集料表 面，将沥青剥落。 牯附状态 水的浸入 广弋 吖 图3 3 沥青从集料表面剥落机理 如果路面有路表水，车辆行驶时，轮胎挤压前方积水，而使路表空隙渗入水分，形 第三章沥青路面坑槽的修补原理的研究 成水压力；而当行驶后，空隙中的水分又被轮胎后方与路面之间产生的短暂的真空吸力 给吸出，此过程的反复循环便形成水力冲刷，集料表面的沥青膜随之渐渐脱离。如果沥 青表面层空隙率较大，当孔隙中充满水时( 甚至是封闭的) ，在车辆荷载作用下孔隙中 会产生压力和负压力，也将导致沥青膜的剥离。在水和交通荷载共同产生的不间断水力 冲刷( 对连通孔隙) 或孔隙压力( 对封闭空隙) 作用下，沥青膜最终从集料表面剥落且 发生收缩和移动，两者分离、互不相关，沥青路面表面出现麻面、松散、掉粒等现象， 而散落的材料被不断行驶的车轮带离破损处，逐渐形成坑槽。这种类型的坑槽初期一般 都较浅，破损面较小，然后逐渐向下扩展。坑槽破损首先出现在局部面层材料压实度不 足、空隙率大、油石比偏小、沥青老化等地方。 当沥青表面层和中面层是空隙率较大的半开级配沥青混合料( 包括级配不良所造成 的空隙率较大) ，或沥青路面局部有微小裂缝，或局部压实不足时，路表水会渗入并滞 留在沥青路面结构层内，如果沥青路面结构层内排水不畅，则面层材料中的空隙就充满 自由水，在车辆荷载作用下形成水力冲刷。如果存在上下贯通的裂缝或一直通到基层的 孔隙，将会产生唧泥现象。在不间断的水力冲刷或孔隙压力作用下，沥青膜逐渐从集料 表面脱落，沥青与集料间的粘附性丧失。同时，沥青结合料在水的长期浸泡下自身的粘 结性变差，造成沥青路面面层材料的粘聚力丧失，呈现粒料分离状态。此时沥青路面面 层材料的抗剪能力大大降低，其抗剪能力几乎完全由集料间的内摩阻力形成。 图3 4 表示某沥青路面在不同轴重下某种沥青混凝土路面1 5 c m 面层中剪应力分布 的曲线【z 7 1 。图中曲线自下而上相应的轴重为1 0 0 k n 、1 1 0 k n 、1 2 0 l 、1 3 0 i o ) 且坑槽处于干燥状态时，寿命最长；而在气温较低( o ) 且坑槽处于干燥状态时，其寿命最长；而采用应急性修补工艺，无 论气温高低，在坑槽处于潮湿状态时，修补坑槽时寿命都最短。也就是说，对于冷拌沥 青混合料，最好在较温暖的气侯条件下及坑槽处于干燥状态时，采用永久性修补工艺对 坑槽进行修补，此时维修寿命最长。但是，相对于热拌沥青混合料而言，在气温较低且 坑槽处于潮湿状态时，采用冷拌沥青混合料进行维修其效果要稍好。 为了扩大冷拌沥青混合料的应用范围，必须要提高其修补性能，通过添加改性剂的 方法来制备高性能的改性乳化沥青混合料。表4 6 是以改性乳化沥青混合料作为坑槽修 补材料的调查结果。 表4 6 改性乳化沥青混合料用于坑槽修补的性能调查结果 修补坑槽寿命( 年) 施t 气温 o ( 即3 2 下) 坑槽状况 潮湿干燥潮湿 干燥 最高寿命 6666 最低寿命o 0 10 0 1o 0 20 0 8 平均寿命 1 0 81 7 71 2 11 8 8 标准著1 1 51 9 91 3 81 3 2 调查数量 4 74 74 95 0 从表中可以看出：如果采用高性能的改性乳化沥青混合料作为坑槽修补料，不论施 工气温的高低、坑槽干燥或潮湿，其寿命相差不大，但是比采用普通乳化沥青明显要长。 而且在坑槽处于潮湿状态时，其平均修补寿命都超过1 年时间，是普通冷拌沥青混合料 的平均寿命的2 3 倍。因此，在低温条件下或坑槽处于潮湿状态时最适宜采用改性乳 长安大学硕j 二学位论文 化沥青混合料进行坑槽维修，修补效果非常好，性能发挥更突出；而在温暖气温条件下 及坑槽处于干燥状态时进行坑槽维修，改性乳化沥青并无明显优势，远远比不上热拌沥 青混合料。 4 1 3 聚酯纤维沥青混凝土 聚酯纤维【3 8 】是从石油中提炼出来的1 0 0 原酯材料，具有优良的性能，在2 4 9 下绝 对不会收缩、变形、软化和失去强度。如果在沥青混凝土中适量加入聚酯纤维，那么由 于吸附在沥青混凝土中的聚酯纤维起到的多向加强筋的作用，大大改善了混合料的高温 性能，这就是聚酯纤维沥青混凝土。国内外的专家与学者对这种材料进行了大量的研究， 并将其广泛应用于实际路面工程中，如路面的加铺和维修等。实践结果表明，聚酯纤维沥 青混合料路面的强度、高温稳定性、低温抗裂性及抗水性等路用性能都有了显著的改善， 使用寿命大大延长。图4 2 是聚酯纤维存在于沥青混合料中的状态。 图4 2 聚酯纤维存在于沥青混合料中的状态 目前主要采用莫尔一库伦强度理论来说明粒料类路面结构的强度机理，其强度理论 公式用下式表示： f = c + 盯t a n ( 4 1 ) 式中，f 抗剪强度 盯垂直压力 c 凝聚角 矽内摩擦角 由式( 4 1 ) 可以看出，粒料类路面的强度主要由内摩阻力和粘结力组成。首先，在聚酯 纤维沥青混凝土中，纵横交错的聚酯纤维形成了骨架结构网，聚酯纤维与集料的啮合作 用形成了较大的摩擦角，从而产生内摩阻力。其次，聚酯纤维与沥青的粘结力承担了部 分沥青混凝土基体所承受的拉应力。而且聚酯纤维的抗拉强度很高，在拉伸过程中吸收 大量的能量，可以有效地阻断裂纹的扩展。同时聚酯纤维可将断裂的两部分结构紧密相 接使沥青混凝土具有自愈的能力，大大延迟了其老化、破坏的时间。总的来说，聚酯纤维 第叫章沥青路面坑槽修补材料及修补工艺的分析 在沥青混凝土中主要起了抗拉和抗裂作用。另外，分布均匀且数量巨大的聚酯纤维使沥 青混合料的劲度模量增加，从而改善沥青混合料的疲劳耐久性，延长其使用寿命。 4 2 沥青路面坑槽修补的方法 4 2 1 沥青路面坑槽修补的方法 坑槽是沥青混凝土路面最常见的、产生数量较多的一类病害。若不及时进行维修， 将严重影响行车的舒适性和安全性，降低路面使用寿命。因此，要重视坑槽的维修。结 合现有的修补工艺和修补设备，将沥青路面坑槽的修补方法分为填料式坑槽修补、挖补 式坑槽修补、热烘式坑槽修补和喷射式坑槽修补四类【3 9 1 。 一、填料式坑槽修补技术 填料式坑槽修补是一种应急性的、临时性的修补方法。首先，对坑槽进行简单清理， 紧急时可不清理，然后直接填入沥青混合料、碾压成型。这种修补方法所需时间短且维 修设备简单，比较适合雨天的抢修或者出现大量坑槽而交通繁忙的地段，另外也适合冬 季等低温条件的维修。填料式坑槽修补的施工工艺如图4 3 所示 a 清理坑槽b 填放新料 c 碾压成型 图4 3 填料式坑槽修补工艺流程图 大体按照以下施工工艺： 1 、清理坑槽：使用一些简单的清理工具把坑槽内的杂物进行扫除，然后使用拖把、 吸水布等清理坑槽内的积水。 2 、填放新料：填料时先填坑槽四周，然后再逐步向坑槽中间填补，这样是为了避 免坑槽四周拐角处形成空洞。填完料之后再用推平板推匀、整平。 3 、碾压成型：用压路机、平板夯等压实设备进行碾压，尽量采用带振动装置的压 实设备以保证压实效果。碾压后，修补面应与周边旧路面齐平。 二、挖补式坑槽修补技术 挖补式坑槽修补是一种永久性的坑槽修补方法，它是将不规则的沥青路面坑槽切 割成矩形，同时将坑槽的底面挖至露出完好部分，为填补新料提供一个坚实可靠的壁面 2 8 长安大学硕上学位论文 和底面，从而延长使用寿命。挖补式坑槽修补的施工工艺如图4 4 所示 隧隧一蓬 a 路面坑槽b 切割处理坑槽并涌布粘层油c 分层填料、分层碾压d 封缝防水 图4 4 挖补式坑槽修补工艺示意图 具体工艺流程如下： l 、划出坑槽轮廓线：在实际坑槽边缘外至少3 0 c m 处，沿平行或垂直于行车方向划 出矩形。 2 、处理坑槽：先用液压镐或切缝机沿划好的轮廓线切缝，然后再将轮廓线范围内 的沥青混凝土凿松并清除废料，最后进行开挖。注意要先从中间挖起，然后向四周拓展， 要开挖到直至坑槽露出坚实的底面和壁面。当坑槽损坏的深度太深时，那么要将坑槽凿 成台阶宽度不小于l o c m 的台阶，以便分层进行压实。开挖好坑槽之后再用吹风机烘干 坑槽内的积水，并吹净浮灰、散落小颗粒等杂物。 3 、洒布粘层油：在坑槽的底面和壁面均匀地涂上一层粘层油，可以是热沥青、乳 化沥青或泡沫沥青等。当分层填料分层碾压时，粘结层也要依次分层洒布。 4 、填补、碾压沥青混合料：把沥青混合料填充到坑槽里面，然后进行碾压，当坑 槽太深时，需要按照分层填补、分层碾压的原则。填补沥青混合料时，应按照从四周向 中间的顺序进行填补，避免坑槽四角落处形成空洞。宜采用振动平板夯对小坑槽进行碾 压；而大坑槽则采用振动钢轮压路机进行碾压。 5 、封缝防水：在坑槽四周新旧料接缝处