纖維增強瀝青路面封層抗裂性能形成機理分析

（平頂山市公路管理局中心試驗室 河南 平頂山 467000）

【摘 要】 在瀝青纖維封層中，纖維的嵌鎖咬合作用，提高了開裂斷面抗剪切傳荷能力，纖維的存在使纖維封層表面的裂縫尖端的應力減小，有效的阻止了裂縫的進一步的擴展。同時，纖維封層能降低裂縫尖端的應力，起到阻裂的作用，對提高路面耐久、抗?jié)B、耐磨等性能起到積極地作用。

【關鍵詞】 纖維；瀝青路面；封層 ；抗裂性能

Analysis of fiber reinforced asphalt pavement sealing layer formation mechanism of crack resistance

Jia Fu-tang

(Pingdingshan Highway Administration Central Laboratory Pingdingshan Henan 467000) 

【Abstract】 In the seal layer of the asphalt fibers, the interlocking engagement of the fibers to improve the cracking section of the shear load transfer capability, the presence of the tip of the fiber the fiber stress crack sealing layer surface is reduced, effectively prevent further crack propagation . Meanwhile, the fiber sealing layer can reduce the crack tip stress crack resistance play a role in improving road durability, permeability, abrasion resistance and other properties play a positive role.

【Key words】 Fiber;Asphalt pavement;Sealing layer;Crack resistance

1. 引言

（1）纖維增強瀝青封層技術是指采用纖維封層核心設備同時灑（撒）布瀝青粘結(jié)料和玻璃纖維，然后在上面灑布碎石經(jīng)碾壓后形成新的表面磨耗層或者應力吸收中間層，是一種新型道路預防性養(yǎng)護技術［1］。按層位功能分，纖維瀝青碎石封層可分為上封層（表面磨耗層）和下封層（應力吸收層），其結(jié)構圖如圖1所示。 

〖TPE:中華建設圖14年6月郟付堂1.TIF，BP#〗〖TS(〗圖1 纖維增強封層示意圖〖TS)〗

（2）纖維瀝青層是瀝青纖維增強封層抗裂性能的主要貢獻者，它是一種以瀝青為基本相，短纖維為增強相的復合材料［2］，短纖維隨機分布于瀝青層中，相互搭接構成網(wǎng)狀增強體，對其路用性能起到了極大地改善作用，研究纖維增強瀝青封層的抗裂性，對提高路面耐久、抗?jié)B、耐磨等性能起到積極地作用，而且有效的改善了路面的服務功能，適用于提高原有瀝青路面的耐久性、防水性能、抗滑性能以及車轍、平整度的修復工作。

2. 裂紋的基本類型

（1）在線彈性斷裂力學中，根據(jù)裂紋受荷載作用及裂紋變形情況，可將裂紋分為三種基本類型［3］，即I型、II型和III型，如圖2所示。

（2）I型裂紋即為張開型裂紋，指裂紋受垂直于裂紋面的拉應力作用，裂紋面相對張開。

（3）II型裂紋即為滑開型裂紋，指裂紋受平行于裂紋面而垂直于裂紋尖前緣線的剪應力作用，裂紋上下兩表面沿x軸相對滑開。

（4）III型裂紋即為撕開型裂紋，指裂紋受既平行于裂紋面又平行于裂紋尖前緣線的剪應力作用，裂紋上下兩表面沿z軸相對錯開。 

3. 裂縫的形成擴展機理分析

按照裂縫的類型分析了裂縫的主要形成機理，為有針對性的分析纖維封層的抗裂機理提供了理論基礎。

(l)縱向裂縫。

縱向裂縫產(chǎn)生的原因有多種可能性，主要有：由于路基填土壓實或兩側(cè)密實度不均和路基邊緣受水浸蝕，導致路基不均勻沉降和承載力不足形成裂縫；瀝青含臘量偏高，延度偏于下限，油層抗拉強度低，長期在行車荷載作用下形成縱向裂縫，填土含水量偏大，在凍脹作用下形成裂縫。

(2)橫向裂縫。

由于路基土體的不均勻沉降引起的橫向裂縫，低溫收縮或半剛性基層收縮是產(chǎn)生橫向溫度裂縫的主要原因；瀝青路面低溫抗裂性能的好壞，關鍵是瀝青材料本身直接影響到瀝青混合料的低溫抗裂性。面層的表面開裂后，就會在裂縫尖端產(chǎn)生應力集中，使其繼續(xù)向下發(fā)展并貫穿整個瀝青面層。

(3)反射裂縫。

反射裂縫產(chǎn)生的基本機理是瀝青面層受到交通荷載和溫度聯(lián)合或單獨作用產(chǎn)生受拉疲勞和剪切疲勞。由于溫度變化引起的混凝土板伸縮和交通荷載駛過接縫或裂縫，在縫端附近的瀝青混凝土材料內(nèi)產(chǎn)生應力集中，而接縫或裂縫處不能很好地傳遞拉應力或剪應力，導致反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。根據(jù)斷裂力學原理可分為：溫度應力對應著張開模式(I型)，行車荷載對應著張開和剪切模式(I和II型)混合型。

(4)龜裂。

龜裂、不規(guī)則裂縫的形成主要是路面整體強度不足，瀝青路面老化，在行車荷載的作用下形成的；另外，基層排水不良，低溫時瀝青混合料變硬或變脆，也能造成龜裂。

(5)滑移裂縫。

滑移裂縫產(chǎn)生的典型原因是層間的豁結(jié)性能不好，滑移裂縫最常發(fā)生在車輛剎車、轉(zhuǎn)彎或加速的位置，在城市道路的交叉口路段經(jīng)常可以觀察到滑移裂縫。

4. 纖維封層阻裂機理分析

由纖維封層施工工藝知，纖維夾在兩層乳化瀝青層之間，并且從纖維封層的拉拔試驗的層間破壞狀態(tài)顯示，纖維封層成型后，纖維完全在纖維封層之下；針對纖維夾層的位置和上述介紹的裂縫形成的機理，將裂紋擴展分為瀝青面層表面和反射裂縫開裂后的裂紋兩種擴展方式來介紹纖維封層的阻裂機理。

4.1 瀝青面層表面開裂后的裂紋擴展。

（1）瀝青路面開裂以后，不論在交通荷載或負溫度梯度作用下，裂紋均可能向路面深度擴展，并且在路面的裂紋的縫端會產(chǎn)生很大的拉應力和剪應力集中，其完全可能超過材料的抗拉強度而使路面繼續(xù)開裂［4］。由于纖維封層的成型厚度較薄，通過測量的試驗路面的平均厚度為4mm，原路面的剛度較大，在負溫度梯度作用下，原路面也會產(chǎn)生超過本身材料的抗拉強度的拉應力而使原路面面層開裂。這種裂縫的存在也會促使纖維封層表面裂縫的發(fā)展。

（2）纖維封層由于較薄，可以看作纖維夾在碎石之間，按照冷拌瀝青混合料理解。纖維的嵌鎖咬合作用，提高了開裂斷面抗剪切傳荷能力，纖維的存在使纖維封層表面的裂縫尖端的應力減小，有效的阻止了裂縫的進一步的擴展。另外，按照復合材料科學原理［5］，纖維的增韌作用與纖維本身的強度和韌性沒有任何的關系，而來自于纖維與基體材料因材料性質(zhì)差異在纖維和基體界面附近形成的殘余應力應變場及顯微裂紋。這種殘余應力應變場要么來自纖維和基體材料因熱膨脹系數(shù)的巨大差異，要么是因為纖維在某一溫度下相變而產(chǎn)生膨脹。殘余應力應變場可以抵消部分外加荷載，從而降低宏觀裂紋擴展時裂紋尖端的應力；殘余應力場在纖維和基體界面處產(chǎn)生的顯微裂紋將部分釋放材料中的應變而使裂紋區(qū)中存在殘余應變，在宏觀裂紋擴展后，其尾區(qū)的殘余應變將降低裂紋尖端的應力；由于形成顯微裂紋，顯微裂紋周圍材料的彈性模量降低而成為軟化材料，它也有助于降低宏觀裂紋擴展時裂紋尖端的應力。從而阻止裂紋的進一步的發(fā)展。

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4.2 反射裂紋的擴展。

目前用土工織布、玻璃纖維格柵等土工加筋材料防止反射裂縫，它們的受力變形實質(zhì)上是一種復合材料中增強相的行為，應具有較強的界面特性［6］。這種界面特性體現(xiàn)在土工加筋材料與填料之間的力與變形的相互關系。針對原路面的網(wǎng)裂較嚴重現(xiàn)象分析纖維封層阻止反射裂縫擴展的機理。纖維封層施工時，撒鋪纖維之前先撒鋪一層乳化瀝青，增強的纖維和纖維封層與路面的結(jié)合，能改善裂縫處拉應力的集中，即使纖維與路面聯(lián)結(jié)不好，此時纖維的張力較大，因荷載的復合效應，纖維仍能降低裂縫尖端的應力。有研究表明［7］，鋪設纖維等土工筋材還能增大裂縫的擴展角，即是延長裂縫擴展路徑和裂縫發(fā)展的時間，因此纖維封層能降低裂縫尖端的應力，起到阻裂的作用。瀝青混合料路面層間加鋪玻璃纖維格柵能有效的阻止反射裂縫的擴展，纖維封層中的纖維也能起到這樣的效果。

5. 結(jié)論

瀝青路面開裂以后，不論在交通荷載或負溫度梯度作用下，裂紋均可能向路面深度擴展，并且在路面的裂紋的縫端會產(chǎn)生很大的拉應力和剪應力集中，其完全可能超過材料的抗拉強度而使路面繼續(xù)開裂。研究表明，在瀝青纖維封層中，纖維的嵌鎖咬合作用，提高了開裂斷面抗剪切傳荷能力，纖維的存在使纖維封層表面的裂縫尖端的應力減小，有效的阻止了裂縫的進一步的擴展。同時，纖維封層能降低裂縫尖端的應力，起到阻裂的作用，對提高路面耐久、抗?jié)B、耐磨等性能起到積極地作用，是一種值得推廣的新型瀝青路面施工技術。

參考文獻

［1］ 陳曉娟. 纖維瀝青碎石封層適應性及阻裂效應研究［D］．西安：長安大學，2010.

［2］ Aysar NAJD，鄭傳超，纖維加筋瀝青混凝土斷裂性能試驗， 長安大學學報（自然科學版），2005(5).

［3］ 陳華鑫， 張爭奇. 纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能［J］. 華南理工大學學報(自然科學版)，2004,(04).

［4］ 申愛琴等.瀝青路面層間處置新材料及施工關鍵技術研究［R］.2009.2.

［5］ 朱春鳳.玻璃纖維改善瀝青混凝土性能的理論和試驗研究［D］.吉林:吉林大學，2007.5.

［6］ 毛成.瀝青路面裂紋形成機理及擴展行為研究:(博士學位論文).成都:西南交通大學，2004.3.

［7］ 鄭健龍，周志剛.瀝青路面抗裂設計理論與方法.北京:人民交通出版社，2003.



［基金項目］河南省2013年科技發(fā)展計劃項目（132102210464）：瀝青路面纖維增強封層關鍵技術研究。

［文章編號］1619-2737（2014）06-05-819

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4.2 反射裂紋的擴展。

目前用土工織布、玻璃纖維格柵等土工加筋材料防止反射裂縫，它們的受力變形實質(zhì)上是一種復合材料中增強相的行為，應具有較強的界面特性［6］。這種界面特性體現(xiàn)在土工加筋材料與填料之間的力與變形的相互關系。針對原路面的網(wǎng)裂較嚴重現(xiàn)象分析纖維封層阻止反射裂縫擴展的機理。纖維封層施工時，撒鋪纖維之前先撒鋪一層乳化瀝青，增強的纖維和纖維封層與路面的結(jié)合，能改善裂縫處拉應力的集中，即使纖維與路面聯(lián)結(jié)不好，此時纖維的張力較大，因荷載的復合效應，纖維仍能降低裂縫尖端的應力。有研究表明［7］，鋪設纖維等土工筋材還能增大裂縫的擴展角，即是延長裂縫擴展路徑和裂縫發(fā)展的時間，因此纖維封層能降低裂縫尖端的應力，起到阻裂的作用。瀝青混合料路面層間加鋪玻璃纖維格柵能有效的阻止反射裂縫的擴展，纖維封層中的纖維也能起到這樣的效果。

5. 結(jié)論

瀝青路面開裂以后，不論在交通荷載或負溫度梯度作用下，裂紋均可能向路面深度擴展，并且在路面的裂紋的縫端會產(chǎn)生很大的拉應力和剪應力集中，其完全可能超過材料的抗拉強度而使路面繼續(xù)開裂。研究表明，在瀝青纖維封層中，纖維的嵌鎖咬合作用，提高了開裂斷面抗剪切傳荷能力，纖維的存在使纖維封層表面的裂縫尖端的應力減小，有效的阻止了裂縫的進一步的擴展。同時，纖維封層能降低裂縫尖端的應力，起到阻裂的作用，對提高路面耐久、抗?jié)B、耐磨等性能起到積極地作用，是一種值得推廣的新型瀝青路面施工技術。

參考文獻

［1］ 陳曉娟. 纖維瀝青碎石封層適應性及阻裂效應研究［D］．西安：長安大學，2010.

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［4］ 申愛琴等.瀝青路面層間處置新材料及施工關鍵技術研究［R］.2009.2.

［5］ 朱春鳳.玻璃纖維改善瀝青混凝土性能的理論和試驗研究［D］.吉林:吉林大學，2007.5.

［6］ 毛成.瀝青路面裂紋形成機理及擴展行為研究:(博士學位論文).成都:西南交通大學，2004.3.

［7］ 鄭健龍，周志剛.瀝青路面抗裂設計理論與方法.北京:人民交通出版社，2003.



［基金項目］河南省2013年科技發(fā)展計劃項目（132102210464）：瀝青路面纖維增強封層關鍵技術研究。

［文章編號］1619-2737（2014）06-05-819

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4.2 反射裂紋的擴展。

目前用土工織布、玻璃纖維格柵等土工加筋材料防止反射裂縫，它們的受力變形實質(zhì)上是一種復合材料中增強相的行為，應具有較強的界面特性［6］。這種界面特性體現(xiàn)在土工加筋材料與填料之間的力與變形的相互關系。針對原路面的網(wǎng)裂較嚴重現(xiàn)象分析纖維封層阻止反射裂縫擴展的機理。纖維封層施工時，撒鋪纖維之前先撒鋪一層乳化瀝青，增強的纖維和纖維封層與路面的結(jié)合，能改善裂縫處拉應力的集中，即使纖維與路面聯(lián)結(jié)不好，此時纖維的張力較大，因荷載的復合效應，纖維仍能降低裂縫尖端的應力。有研究表明［7］，鋪設纖維等土工筋材還能增大裂縫的擴展角，即是延長裂縫擴展路徑和裂縫發(fā)展的時間，因此纖維封層能降低裂縫尖端的應力，起到阻裂的作用。瀝青混合料路面層間加鋪玻璃纖維格柵能有效的阻止反射裂縫的擴展，纖維封層中的纖維也能起到這樣的效果。

5. 結(jié)論

瀝青路面開裂以后，不論在交通荷載或負溫度梯度作用下，裂紋均可能向路面深度擴展，并且在路面的裂紋的縫端會產(chǎn)生很大的拉應力和剪應力集中，其完全可能超過材料的抗拉強度而使路面繼續(xù)開裂。研究表明，在瀝青纖維封層中，纖維的嵌鎖咬合作用，提高了開裂斷面抗剪切傳荷能力，纖維的存在使纖維封層表面的裂縫尖端的應力減小，有效的阻止了裂縫的進一步的擴展。同時，纖維封層能降低裂縫尖端的應力，起到阻裂的作用，對提高路面耐久、抗?jié)B、耐磨等性能起到積極地作用，是一種值得推廣的新型瀝青路面施工技術。

參考文獻

［1］ 陳曉娟. 纖維瀝青碎石封層適應性及阻裂效應研究［D］．西安：長安大學，2010.

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［3］ 陳華鑫， 張爭奇. 纖維瀝青混合料的低溫抗裂性能［J］. 華南理工大學學報(自然科學版)，2004,(04).

［4］ 申愛琴等.瀝青路面層間處置新材料及施工關鍵技術研究［R］.2009.2.

［5］ 朱春鳳.玻璃纖維改善瀝青混凝土性能的理論和試驗研究［D］.吉林:吉林大學，2007.5.

［6］ 毛成.瀝青路面裂紋形成機理及擴展行為研究:(博士學位論文).成都:西南交通大學，2004.3.

［7］ 鄭健龍，周志剛.瀝青路面抗裂設計理論與方法.北京:人民交通出版社，2003.

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［基金項目］河南省2013年科技發(fā)展計劃項目（132102210464）：瀝青路面纖維增強封層關鍵技術研究。

［文章編號］1619-2737（2014）06-05-819

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