CN108956296A - 一种机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法 - Google Patents

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CN108956296A CN201810765711.6A CN201810765711A CN108956296A CN 108956296 A CN108956296 A CN 108956296A CN 201810765711 A CN201810765711 A CN 201810765711A CN 108956296 A CN108956296 A CN 108956296A
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高建华
杨戈
袁捷
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Abstract

本发明涉及机场工程领域，特别是涉及一种机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法。本发明提供一种机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法，包括：获取复合道面试件，所述复合道面试件自下而上包括水泥混凝土层和沥青混凝土层；所述复合道面试件底面沿复合道面试件的宽度方向设有横缝，所述横缝沿复合道面试件的高度方向延伸；以复合道面试件的高度方向自上而下向复合道面试件施加竖向荷载F，以复合道面试件的长度方向向复合道面试件施加水平荷载D；根据裂缝长度L的变化趋势，确定试件寿命T。本发明使用试件寿命T作为指标衡量试件抵抗反射裂缝的能力，直观合理，简单方便，可直接获得。

Description

一种机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法
技术领域
本发明涉及机场工程领域，特别是涉及一种机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法。
背景技术
在既有水泥混凝土道面上加铺沥青混凝土层是一种简单的道面修复措施，它造价低，可以有效改善道面结构性能，延长道面使用寿命，提高道面使用性能，是目前旧道面加铺改造的主流方式之一。在实际工程应用中，人们发现在加铺改造结束后不久，沥青加铺层就出现了反射裂缝。反射裂缝的出现，破坏了加铺层结构的整体性，降低了道面的使用性能。路表水沿着反射裂缝下渗，会降低或破坏集料与沥青之间的粘结力，减弱基层和路基的强度。最后在行车荷载作用下产生唧泥、脱空等病害，大大缩短了旧水泥道面的寿命。
现有的反射裂缝测试方法仅考虑行车荷载的作用，或仅考虑环境温度的作用，对行车荷载和环境温度两者的综合作用缺乏考虑，测试因素较单一，不能有效模拟沥青混凝土层实际受力状态。因此，提出一种考虑行车荷载和环境温度综合作用的反射裂缝测试方法非常必要。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法，用于解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法，包括：
1)获取复合道面试件，所述复合道面试件自下而上包括水泥混凝土层和沥青混凝土层；
2)所述复合道面试件底面沿复合道面试件的宽度方向设有横缝，所述横缝沿复合道面试件的高度方向延伸；
3)以复合道面试件的高度方向自上而下向复合道面试件施加竖向荷载F，以复合道面试件的长度方向向复合道面试件施加水平荷载D；
4)根据裂缝长度L的变化趋势，确定试件寿命T。
在本发明一些实施方式中，所述复合道面试件为长方体，所述复合道面试件的长度为29.5-30.5cm，宽度为14.5-15.5cm，高度为9.5-10.5cm。
在本发明一些实施方式中，水泥混凝土层的高度为4.75-5.25cm，沥青混凝土层的高度为4.75-5.25cm。
在本发明一些实施方式中，所述横缝的宽度为4.5-5.5mm，所述横缝沿复合道面试件的高度方向延伸至距离水泥混凝土层上表面4.5-5.5mm。
在本发明一些实施方式中，所述水泥混凝土层和沥青混凝土层之间还设有粘层和/或防反层。
在本发明一些实施方式中，所述复合道面试件的制备方法包括：
i)浇筑水泥混凝土层，养护；
ii)浇筑沥青混凝土层，碾压、冷却、脱模。
在本发明一些实施方式中，所述步骤i)中，养护时间为28-29d。
在本发明一些实施方式中，所述步骤ii)中还包括：在步骤i)获取的构件表面设置粘层和/或防反层。
在本发明一些实施方式中，所述步骤3)中，试件的温度为-10.5～20.5℃。
在本发明一些实施方式中，所述竖向荷载F通过加载头施加到试件上，所述加载头的截面的长为149-151mm，宽为69-71mm；所述加载头与试件的接触面上设有缓冲层，所述缓冲层的厚度为2.5-3.5mm，所述缓冲层的材质为弹性材料。
在本发明一些实施方式中，所述竖向荷载F的压强为0.7～1.5MPa。
在本发明一些实施方式中，所述竖向荷载F的控制波形为半正弦波形，每个加载周期内半正弦荷载加载时间0.19-0.21s，卸载时间0.29-0.31s。
在本发明一些实施方式中，所述水平荷载D加载波形为正弦波，周期为9.9-10.1s。
在本发明一些实施方式中，所述水平荷载D的大小符合：
D＝LΔTα
其中，
D为水平荷载，单位为m；
L为普通混凝土道面板的长度，单位为m；
ΔT为温度差，单位为℃；
α为混凝土线膨胀系数，单位为/℃。
在本发明一些实施方式中，所述试件寿命T为：(a)反射裂缝贯穿试件所需的时间，或(b)裂缝扩展至某一长度Ln后稳定60min以上所需的时间。
附图说明
图1显示为本发明实施例中不同混合料级配曲线示意图。
图2显示为本发明实施例中所使用的复合道面试件结构示意图。
图3显示为本发明实施例中复合道面试件所受荷载示意图。
图4显示为本发明实施例中的实物示意图。
图5显示为本发明实施例中不同混合料类型试件寿命示意图。
图6显示为本发明实施例中不同混合料类型施工道面裂缝长度-时间示意图。
图7显示为本发明实施例中不同防反装置试件寿命示意图。
图8显示为本发明实施例中不同防反装置施工道面裂缝长度-时间示意图。
具体实施方式
本发明发明人通过大量研究，提供了一种新的机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法，所述试验方法通过向复合道面试件施加特定的竖向荷载和水平荷载，从而提供了一种直观合理、简单方便的试验方法，在此基础上完成了本发明。
本发明提供一种机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法，所述试验方法可以包括：获取复合道面试件，所述复合道面试件自下而上包括水泥混凝土(PCC)层和沥青混凝土(HMA)层。所述水泥混凝土层可以由本领域所使用的各种水泥混凝土浇筑获得，所述沥青混凝土层通常由待测的沥青混凝土浇筑获得。在本发明一优选实施方式中，所述复合道面试件为长方体，所述复合道面试件的长度为29.5-30.5cm，宽度为14.5-15.5cm，高度为9.5-10.5cm，所述水泥混凝土层和沥青混凝土层的分界面位于复合道面试件的中间，且水平延伸，相对应的，所述水泥混凝土层和沥青混凝土层也均为长方体，水泥混凝土层的高度为4.75-5.25cm，沥青混凝土层的高度为4.75-5.25cm。获取复合道面试件的方法对于本领域技术人员来说应该是已知的，例如，可以包括：i)浇筑水泥混凝土层，养护；ii)浇筑沥青混凝土层，碾压、冷却、脱模，再例如，养护时间可以为28-29d。
本发明所提供的机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法中，所述复合道面试件中，水泥混凝土层和沥青混凝土层之间还可以设有粘层和/或防反层，所述粘层通常指路面结构之间起黏结作用的薄层，例如，可以是粘层油等，更具体可以是阳离子乳化沥青等，所述防反层通常指加铺层与原路面之间起到传递荷载并使水平应变和竖向剪切应变减少作用的结构，例如，所述防反层可以是土工布、应力吸收层和APP油毡等。在水泥混凝土层和沥青混凝土层之间设置粘层和/或防反层的方法对于本领域技术人员来说应该是已知的，例如，可以在浇筑、养护获得的水泥混凝土层的表面设置粘层和/或防反层。
本发明所提供的机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法，还可以包括：所述复合道面试件底面沿复合道面试件的宽度方向设有横缝，在复合道面试件底面上，所述横缝通常可以由复合道面试件的一个侧面延伸至另一个侧面，所述横缝还可以沿复合道面试件的高度方向延伸。所述横缝可以用于模拟道面PCC板的横缝。在本发明一优选实施方式中，所述横缝的宽度为4.5-5.5mm，所述横缝的宽度方向通常与复合道面试件的长度方向一致，所述横缝沿复合道面试件的高度方向延伸至距离水泥混凝土层上表面4.5-5.5mm，所述水泥混凝土层上表面可以是水泥混凝土层和沥青混凝土层的接触面，所述水泥混凝土层上表面也可以是水泥混凝土层与粘层和/或防反层的接触面。
本发明所提供的机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法，还可以包括：以复合道面试件的高度方向自上而下向复合道面试件施加竖向荷载F，以复合道面试件的长度方向向复合道面试件施加水平荷载D。所述竖向荷载F可以用于模拟交通荷载的作用，所述竖向荷载F可以通过加载头施加到试件上。在本发明一优选实施方式中，所述加载头的截面的长为149-151mm，更优选为150mm±0.02mm，宽为69-71mm，更优选为70mm±0.02mm，所述加载头与试件的接触面上设有缓冲层，所述缓冲层的厚度为2.5-3.5mm，所述缓冲层的材质可以为弹性材料(例如，可以为硬质橡胶等)，所述竖向荷载F的压强为0.7～1.5MPa，所述竖向荷载F的控制波形为半正弦波形，每个加载周期内半正弦荷载加载时间0.19-0.21s，卸载时间0.29-0.31s。所述竖向荷载F所施加的位置通常位于沥青混凝土层上表面，具体可以位于横缝的正上方，也可以不位于横缝的正上方，即施加位置的位于底面上的竖直投影位于横缝的两侧。所述水平荷载D用于模拟道面温度变化时接缝两侧水泥混凝土层因热胀冷缩的位移变化，所述水平荷载D可以通过夹具等方式施加到试件上。在本发明一优选实施方式中，所述水平荷载D加载波形为正弦波，周期为9.9-10.1s，更优选为10s±0.01s，水平荷载D通常符合如下公式：
D＝LΔTα
其中，
D为水平荷载，单位为m；
L为普通混凝土道面板的长度，单位为m；
ΔT为温度差，单位为℃，即被模拟的道面所需经受的最大温度差；
α为混凝土线膨胀系数，单位为/℃，一般为8～1.2×10-6/℃。
本发明所提供的机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法中，本领域技术人员可根据需要选择合适的实验温度，所述实验温度通常为试件温度，例如，试件的温度可以为-10.5～20.5℃，更优选的，温度的下限可以为-10±0.5℃，温度的上限可以为20±0.5℃，考虑到高温膨胀对裂缝拉力的影响不大，在确定温度差时，可取道面最低月平均气温，以模拟最不利情况。
本发明所提供的机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法，还可以包括：根据裂缝长度L的变化趋势，确定试件寿命T。确定试件寿命T的方法可以为：(a)反射裂缝贯穿试件所需的时间，或(b)裂缝扩展至某一长度Ln后稳定60min以上所需的时间。在本发明一优选实施方式中，可以在测试时每隔5min记录一次裂缝在HMA层的扩展长度Li，得到裂缝长度L与加载时间T的关系曲线，从而根据裂缝长度L的变化趋势，确定试件寿命T。
本发明所提供的复合道面沥青层反射裂缝的试验方法，以水平位移模拟道面温度变化时PCC板热胀冷缩对接缝处HMA层的作用，竖向荷载模拟交通荷载的作用，避免了传统方法仅考虑行车荷载或仅考虑温度荷载的不足，可考虑行车荷载和环境温度的综合作用。本发明使用试件寿命T作为指标衡量试件抵抗反射裂缝的能力，直观合理，简单方便，可直接获得，同时，裂缝长度和加载时间的曲线图，可以用来进一步研究复合道面反射裂缝的扩展规律。
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
须知，下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置。
此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
现有三种混合料，分别命名为AC-13、AC-16以及SMA-13，需要测试由这三种混合料施工的复合道面的沥青加铺层抗反射裂缝的能力，通过比较获得最优的混合料以用于正式施工。其中，AC-13沥青混合料的最佳油石比为4.5％，空隙率为4.6％；AC-16沥青混合料的最佳油石比为4.35％，空隙率为4.8％；SMA-13沥青混合料的最佳油石比为6.0％，空隙率为4.0％，三种混合料的级配曲线如图1。
上述三种混合料抗反射裂缝能力测试的具体过程如下：
1)按本发明的方法制备三种混合料的复合试件：在室内成型“白+黑”复合道面的试件，“白+黑”复合道面试件由两层结构组成，分别是5cm厚的C32.5水泥制备的水泥混凝土(PCC)层和5cm厚的沥青混凝土(HMA)层，沥青混凝土层采用如上所述的三种混合料碾压，试件采用车辙板成型机成型，具体步骤如下：①浇筑厚5cm、边长30cm的PCC板，养生28d；②根据需要在PCC板表面撒布粘层油(粘层油采用阳离子乳化沥青)，乳化沥青型号为PC-3，由茂名市维龙石化有限公司提供；③将②的PCC板放入车辙板模具后，加入搅拌均匀的HMA混合料，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的T 0703相关要求碾压混合料，并标记碾压方向，待试件冷却后脱模。沿碾压方向的中线切割，一分为二，得到两块长×宽×高＝30cm×15cm×10cm的试件；随后在两块试件的PCC层长边中点从底部向顶部切一道横缝，横缝至PCC层与HMA层的分界面约5mm，试件示意如图2。
2)安装试件，确定试验参数。试验参数包括测试温度、竖向荷载的大小及频率、水平荷载的大小及频率，试件与承台间为橡胶垫层。竖向荷载F用于模拟交通荷载的作用，竖向荷载的控制波形为半正弦波形，每个加载周期内半正弦荷载加载时间0.2s，卸载时间0.3s，通过截面长×宽＝150mm×70mm的钢制加载头施加到试件的上表面上，钢制加载头下表面贴有一层厚3mm的硬质橡胶，压头的左侧边缘位于接缝正上方；水平荷载D用于模拟道面温度变化时接缝两侧PCC板因热胀冷缩的位移变化，采用位移控制，即通过夹具夹持试件PCC层的两端，一端的夹具固定，另一端的夹具按长度方向向试件施加荷载，加载波形为正弦波(波峰到波谷的相对位置为0.9mm，波谷即为初始位置)，周期设为10s(荷载的施加方法可以参见图3，图中，Fh为竖向荷载，Fl为水平荷载)；D的大小计算方法如下：
D＝LΔTα
其中，
D为水平荷载，单位为m；
L为普通混凝土道面板的长度，单位为m；
ΔT为温度差，单位为℃，所需模拟的工程所在地的最冷月的月平均气温为0℃，最大日温差为15℃；
α为混凝土线膨胀系数，单位为/℃，为1.2×10-6/℃；
试验中发现，当采用与AC-13和AC-16相同的试验参数来测试SMA-13抗反射裂缝性能时，试件连续受荷2h后仍未出现裂缝。为节约试验时间，对SMA-13使用更为苛刻的试验条件。各试验参数如下表1：
表1
3)开始试验，记录裂缝长度L和试件寿命T。混合料类型试件寿命T如表2，寿命T的柱状图如图5。
表2
4)选取某旧水泥混凝土加铺沥青层施工道面段，将三种混合料分别用于施工，三种混合料施工段均长为200m，施工段相连，并在原混凝土道面接缝处对应标记。通行后，分别记录标记处产生裂缝的时间和长度，结果如图6所示。
从表2和图5中可以看出，混合料类型抗反射裂缝性能由大到小依次为：SMA-13→AC-16→AC-13。SMA-13在采用更高竖向荷载、更大水平位移的试验条件下，寿命仍比AC-13长约一倍。且试验结果与图6所示的实际应用结果大致相似，证明了该试验方法的准确性。因此SMA-13为三种混合料中最优混合料，在不考虑经济因素的条件下，应选用SMA-13作为本次施工的混合料。
实施例2
某水泥混凝土道面加铺沥青层项目，需采取措施预防沥青加铺层产生反射裂缝。有三种防反措施备选：加土工布、加应力吸收层和贴APP油毡。现需要测试对比这三种防反措施的防反效果，通过比较选择最优的防反措施。经调查，工程所在地的最冷月的月平均气温为0℃，最大日温差为15℃。其中土工布采用的是聚丙烯无纺布，由山东菲博瑞德新材料有限公司提供；应力吸收层由乳化沥青和4.75mm单一粒径碎石拌和加工，乳化沥青洒布量为1.0kg/m2，碎石铺满率为60％，乳化沥青型号为PC-3，由茂名市维龙石化有限公司提供；APP油毡型号为聚酯胎(PY)I型，卷材公称厚度为3mm，由月星集团提供。
利用本发明的方法，对比三种措施防反效果的具体过程如下：
1)按本发明的方法制备三种混合料的复合试件：在室内成型“白+黑”复合道面的试件，“白+黑”复合道面试件由两层结构组成，分别是5cm厚的C32.5水泥制备的水泥混凝土(PCC)层和5cm厚的沥青混凝土(HMA)层，沥青混凝土层采用实施例1中所使用的AC-13混合料碾压，试件采用车辙板成型机成型，具体步骤如下：①浇筑厚5cm、边长30cm的PCC板，养生28d；②根据需要在PCC板表面撒布(粘层油采用阳离子乳化沥青)，乳化沥青型号为PC-3，由茂名市维龙石化有限公司提供和安装防反措施；③将②的PCC板放入车辙板模具后，加入搅拌均匀的HMA混合料，按《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)的T 0703相关要求碾压混合料，并标记碾压方向，待试件冷却后脱模。沿碾压方向的中线切割，一分为二，得到两块长×宽×高＝30cm×15cm×10cm的试件；随后在两块试件的PCC层长边中点从底部向顶部切一道横缝，横缝至PCC层与HMA层的分界面约5mm，试件示意如图2。
2)安装试件，确定试验参数。试验参数包括测试温度、竖向荷载的大小及频率、水平荷载的大小及频率：采用统一的试验条件，与表1中AC-13的相同。
3)开始试验，记录裂缝长度L和试件寿命T。防反措施试件寿命T如表3，寿命柱状图如图7。
表3
注：“+”表示达到所示时间时，试件还未完全破坏。
4)选则该项目某一施工段，将三种防反措施分别用于施工，三种防反措施施工段均长为200m，施工段相连，并在原混凝土道面接缝处对应标记，施工段加铺层均采用前述AC-13沥青混合料。通行后，分别记录标记处产生裂缝的时间和长度，结果如图8所示。
从表3和图7中可以看出，三种防反措施均可以有效延长试件的寿命，防反效果从高到低依次为：贴APP油毡、加土工布、加应力吸收层。其中贴APP油毡可以将试件寿命延长至标准试件寿命的2.5倍以上，防反效果最好。因此选用贴APP油毡作为这次施工的防反措施。且试验结果与图8所示的实际应用结果大致相似，证明了该试验方法的准确性。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种机场复合道面沥青加铺层反射裂缝的试验方法，包括：
1)获取复合道面试件，所述复合道面试件自下而上包括水泥混凝土层和沥青混凝土层；
2)所述复合道面试件底面沿复合道面试件的宽度方向设有横缝，所述横缝沿复合道面试件的高度方向延伸；
3)以复合道面试件的高度方向自上而下向复合道面试件施加竖向荷载F，以复合道面试件的长度方向向复合道面试件施加水平荷载D；
4)根据裂缝长度L的变化趋势，确定试件寿命T。
2.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述复合道面试件为长方体，所述复合道面试件的长度为29.5-30.5cm，宽度为14.5-15.5cm，高度为9.5-10.5cm。
3.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，水泥混凝土层的高度为4.75-5.25cm，沥青混凝土层的高度为4.75-5.25cm。
4.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述横缝的宽度为4.5-5.5mm，所述横缝沿复合道面试件的高度方向延伸至距离水泥混凝土层上表面4.5-5.5mm。
5.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述水泥混凝土层和沥青混凝土层之间还设有粘层和/或防反层。
6.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述复合道面试件的制备方法包括：
i)浇筑水泥混凝土层，养护；
ii)浇筑沥青混凝土层，碾压、冷却、脱模。
7.如权利要求5所述的试验方法，其特征在于，还包括如下技术特征中的一个或多个：
A1)所述步骤i)中，养护时间为28-29d；
A2)所述步骤ii)中还包括：在步骤i)获取的构件表面设置粘层和/或防反层；
A3)所述步骤3)中，试件的温度为-10.5～20.5℃。
8.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，还包括如下技术特征中的一个或多个：
B1)所述竖向荷载F通过加载头施加到试件上，所述加载头的截面的长为149-151mm，宽为69-71mm；所述加载头与试件的接触面上设有缓冲层，所述缓冲层的厚度为2.5-3.5mm，所述缓冲层的材质为弹性材料；
B2)所述竖向荷载F的压强为0.7～1.5MPa；
B3)所述竖向荷载F的控制波形为半正弦波形，每个加载周期内半正弦荷载加载时间0.19-0.21s，卸载时间0.29-0.31s。
9.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，还包括如下技术特征中的一个或多个：
C1)所述水平荷载D加载波形为正弦波，周期为9.9-10.1s；
C2)所述水平荷载D的大小符合：
D＝LΔTα
其中，
D为水平荷载，单位为m；
L为普通混凝土道面板的长度，单位为m；
ΔT为温度差，单位为℃；
α为混凝土线膨胀系数，单位为/℃。
10.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述试件寿命T为：(a)反射裂缝贯穿试件所需的时间，或(b)裂缝扩展至某一长度Ln后稳定60min以上所需的时间。
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