土工合成材料在瀝青路面中的應(yīng)用有哪些呢？今天小編來聊一聊，下面一起看一下吧。

一、土工合成材料功能 

（一）土工合成材料應(yīng)用的歷史

最早用于土木建筑工程大約在20世紀(jì)30年代或40年代，用途：游泳池防滲，材料為聚氯乙烯薄膜。

合成纖維應(yīng)用開始于20世紀(jì)50年代末期，用合成纖維織物作成砂袋用于道路工程、護(hù)岸、水壩和隧道等工程。

我國(guó)合成材料的應(yīng)用開始于20世紀(jì)60年代中期，使用范圍包括公路、鐵路、水利水電、機(jī)場(chǎng)、建筑、地下工程、港口碼頭等大行業(yè)。

（二）土工合成材料的功能與應(yīng)用

土工合成材料的功能概括起來有六個(gè)方面：

1.過濾作用——防止由于水流把土顆粒帶走而造成結(jié)構(gòu)破壞或失效。

在公路工程中，主要用于擋土墻回填土中排水系統(tǒng)的濾層；排水暗管周邊或碎石排水層周邊的濾層；公路和機(jī)場(chǎng)道面基層與地基之間的土工織物隔離層。

2．排水作用——利用土工材料的孔或排水通道，排除土中的水分。

應(yīng)用：軟基處理中用的塑料排水板或袋裝砂等；土工格柵碎石樁等；擋土墻、隧道周邊的排水；路面結(jié)構(gòu)盲溝等。

3．隔離作用——把不同粒徑的土、砂、石料，或土、砂、石料與地基隔離開來，以免相互混雜或污染，土工織物、土工膜均有隔離作用。

應(yīng)用：鐵路、公路路基、土石壩工程、軟土地基處理以及河道整治工程。

4．加筋作用——土工合成材料布設(shè)于土體中，擴(kuò)散土體中的應(yīng)力，增加土體的模量，傳遞拉應(yīng)力，限制土體的側(cè)向位移；還可增加土體與其他材料之間的摩擦力，提高土體及建筑物的穩(wěn)定性。

應(yīng)用：公路、鐵路等建筑中的軟基加強(qiáng)；填土（膨脹土）或路塹邊坡的加固；橋臺(tái)填土的加固；路面的防裂等。

5.防滲作用——土工膜或復(fù)合型土工材料有防止氣體、液體滲漏的功能，保護(hù)環(huán)境及建筑物的安全。  

應(yīng)用：橋面防水，隧道周邊的防水都有應(yīng)用。

6.防護(hù)作用——很多土工合成材料對(duì)土體都有防護(hù)作用，   

應(yīng)用：岸壁的防護(hù)膜（籠）、邊坡的方?jīng)_刷綠化(三維格室）等。

二、土工布在瀝青路面中的應(yīng)用 

（一）技術(shù)要求

（二） 土工布在路面中的作用及其機(jī)理

1、作用

 ①減少或延緩反射裂縫的出現(xiàn)（對(duì)于半剛性基層和舊水泥及瀝青路面的防裂）；

 ②提高路面抗車轍的能力；

 ③提高瀝青路面疲勞壽命；

 ④有可能減薄瀝青路面的厚度；

 ⑤ 土工布在瀝青浸漬之后還有防水的作用。

土工織物的上述效果，國(guó)內(nèi)外的研究均得到了證實(shí)。英國(guó)的S.F.Brown教授、加拿大的R.Hass教授、美國(guó)的Steinberg和日本的研究，均認(rèn)為瀝青路面加鋪土工布后可減少車轍，延緩和減少反射裂縫，同時(shí)可減薄面層厚度。我們國(guó)家從二十世紀(jì)八十年代初開始研究，同濟(jì)大學(xué)和長(zhǎng)沙交通學(xué)院等單位在廣東惠州鋪筑了一段土工布防裂的試驗(yàn)，經(jīng)過觀察也認(rèn)為是有效果的。后來在全國(guó)更大范圍內(nèi)，應(yīng)用土工布鋪筑了數(shù)十段試驗(yàn)路，也反映出它們對(duì)瀝青路面確有加筋和防裂的作用。目前許多工程單位都采用了這樣措施來防止半剛性基層瀝青路面、舊水泥路面和舊瀝青路面罩面的反射裂縫問題。

2、機(jī)理分析

1）加筋作用

2）橋聯(lián)增韌效應(yīng)

①?gòu)募愉佂凉ず铣刹牧系拈_裂路面斷裂力學(xué)分析看出，其應(yīng)力強(qiáng)度因子K均有較大的降低。這是因?yàn)殡S著裂縫兩邊受彎拉而擴(kuò)張時(shí)，土工織物的抗拉能力發(fā)揮了作用，它把裂縫兩邊拉緊，不讓張開，表現(xiàn)出一種“橋聯(lián)增韌”的作用。這種“橋聯(lián)增韌”效應(yīng)會(huì)隨著土工合成材料的張拉模量的增大而增強(qiáng)。

②土工織物與上、下結(jié)構(gòu)層處于完全聯(lián)結(jié)狀態(tài)時(shí)，在對(duì)稱荷載作用下，土工合成材料的橋聯(lián)增韌效應(yīng)會(huì)降低裂縫尖端的應(yīng)力集中程度，在裂縫擴(kuò)展初期最為明顯，在擴(kuò)展后期漸趨穩(wěn)定。在非對(duì)稱荷載作用下，土工合成材料均能降低開裂縫尖端附近的拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力，但降低拉應(yīng)力集中的效果更為明顯，此時(shí)裂縫主要表現(xiàn)為剪切型開裂（KⅡ）,而且這種剪切作用隨著裂縫擴(kuò)展而增強(qiáng)。土工合成材料降低剪切應(yīng)力集中的作用在裂縫擴(kuò)展初期較為明顯。

③土工合成材料的橋聯(lián)增韌效應(yīng)降低了裂縫端附近的應(yīng)力集中程度，且當(dāng)裂縫接近路表面時(shí)應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力，這就削弱了水平荷載對(duì)裂縫擴(kuò)展的影響，對(duì)路面的使用是有利的。

對(duì)于溫度應(yīng)力的分析也可得到類似的結(jié)論。

在水泥砼路面接縫上端鋪設(shè)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層（其作用和土工織物類似）后，瀝青層中的有效應(yīng)力較未鋪設(shè)前降低了83～88％。這個(gè)效果是十分顯著的。上述作用的綜合效果，反映出土工合成材料有助于路面的抗疲勞能力得到提高。

模擬在水泥路面上加鋪瀝青路面的實(shí)際情況，采用APA進(jìn)行反射型裂縫荷載疲勞對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下表。由此可知：在夾層中加入土工布的瀝青砼的疲勞壽命比無土工布的瀝青砼提高了三倍。

3）提高界面抗剪能力

三、工程纖維在瀝青路面中的應(yīng)用

（一）國(guó)內(nèi)幾種常用纖維的基本性能

木質(zhì)素纖維質(zhì)地疏松，分支較多，各纖維相互纏繞，比表面積較大，且表面粗糙不平，粗細(xì)不均；

石棉纖維較細(xì)，分叉較多，粗細(xì)也不均勻，比表面較前者要小，且表面較光滑；

聚丙烯腈纖維和聚酯纖維端部有明顯的突起，似“觸角”狀，有利于相互搭接。

（二）瀝青加纖維的作用

為了滿足工程的需要，瀝青混合料在低溫條件下必須解決開裂問題，而在高溫時(shí)又必須解決車轍變形問題，一般瀝青是很難同時(shí)滿足上述兩方面要求。從粘彈性力學(xué)原理，控制高溫變形的材料參數(shù)是彈性模量、粘度、相位角和蠕變強(qiáng)度；而控制低溫開裂的參數(shù)是屈服強(qiáng)度和斷裂韌性。所以瀝青混合料需要“三增”，即“增大彈性”、“增大強(qiáng)度”和“增大韌性”才能滿足各種使用要求。

通改性瀝青受到的限制

普通改性瀝青受到的限制：

普通改性瀝青，例如用SBS和PE等改性瀝青，是基于“合金化”的原理制成的。所謂“合金化”是指將合金添加劑加入高溫熔融的基體材料中，使二者融為一體，合金添加劑原子和分子結(jié)構(gòu)將溶解并均勻分散于基體材料中。這種改性方法，受到了瀝青溶解度的嚴(yán)格限制，同時(shí)過多的添加劑用量會(huì)影響拌和、儲(chǔ)存和施工。通常改性劑的摻量不能超過5％～6％，這就帶來了以下問題：

用改性劑“增彈增粘”有一個(gè)限度，且隨溫度升高，其效果急劇下降；

難于提高瀝青的柔韌性；

難于解決隨時(shí)間老化脆化問題（改性劑本身同樣存在老化問題）。

瀝青加纖維的作用機(jī)理：

所謂“復(fù)合材料化”是指在基體材料中摻加纖維或粒子型材料，形成“基體+纖維”復(fù)合材料。這是一門為克服“合金化”先天不足而發(fā)展起來的現(xiàn)代材料科學(xué)技術(shù)。

纖維與基體是一種物理合成疊加，二者以獨(dú)立的物質(zhì)形態(tài)存在，這種復(fù)合材料可以把它們各自的優(yōu)點(diǎn)疊加起來，具有“增彈”、“增強(qiáng)”和“增韌”的作用；

纖維的加入量一般不受瀝青基體材料物理性質(zhì)的限制；

瀝青復(fù)合材料性能與纖維加入量成線性比例關(guān)系（當(dāng)然還有一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題），所以可以通過纖維加入量來控制瀝青混合料性能；

在瀝青老化脆化時(shí)，纖維可起補(bǔ)償作用，對(duì)于這種“瀝青+纖維”材料簡(jiǎn)稱“纖維復(fù)合瀝青”。

（三）纖維瀝青膠漿的性能

瀝青混合料由瀝青膠漿及骨料兩部分組成。膠漿在瀝青混合料中所占比例不大，但對(duì)路面性能起著十分重要的作用。根據(jù)SHRP研究果瀝青對(duì)于高溫車轍的貢獻(xiàn)率為29%，對(duì)疲勞的貢獻(xiàn)率為52%，對(duì)溫度裂縫的貢獻(xiàn)率為87%。試驗(yàn)時(shí)可知，纖維加入到瀝青中后，其稠度和粘度明顯增加。下面我們根據(jù)兩個(gè)試驗(yàn)來評(píng)價(jià)纖維瀝青膠漿的性能。

（1）沉錐試驗(yàn)

（2）動(dòng)態(tài)剪切（DSR）試驗(yàn)

沉錐試驗(yàn)

沉錐試驗(yàn)是一種簡(jiǎn)單而又有效的測(cè)試?yán)w維瀝青抗剪切能力的方法。實(shí)際反映了纖維瀝青膏體的抗剪切能力的大小。即沉錐沉入的深度越大，其抗剪能力越小。沉錐測(cè)試儀是由水泥砂漿稠度儀改裝而成的，因其沉錐質(zhì)量輕，故在沉錐上外加500g的砝碼。

動(dòng)態(tài)剪切（DSR）試驗(yàn) ：

動(dòng)態(tài)剪切流變儀(Dynamic Shear Rheometer)是一種評(píng)價(jià)高分子材料流動(dòng)特性的通用儀器，在SHRP計(jì)劃中，DSR試驗(yàn)主要用于評(píng)價(jià)旋轉(zhuǎn)薄膜烘箱老化前后的高溫性能和壓力老化后瀝青的疲勞性能。

試驗(yàn)采用符合技術(shù)要求的SBS改性瀝青，纖維采用VIRTOP80木質(zhì)素纖維和Dolanit AS纖維。制備試樣時(shí)的溫度控制為175°，分別按照4%和6%用量（相當(dāng)于瀝青混合料中0.2%和0.3%纖維用量、5%瀝青用量）配制了不同的瀝青膠漿，攪拌混合至均勻。

驗(yàn)結(jié)果表明：

纖維摻量一定時(shí)，隨著溫度提高，G*/sinδ值迅速降低，瀝青膠漿具有顯著的溫度敏感性；

在相同的溫度時(shí)，隨纖維用量增加，G*/sinδ值也增加，說明纖維的加入使得纖維瀝青膠漿的高溫穩(wěn)定性得以提高。

使用木質(zhì)素纖維時(shí)，4%用量和6%的效果具有顯著的差距，而Dolanit AS纖維的差距則小得多。

由纖維膠漿試驗(yàn)可得到以下結(jié)論：

纖維越細(xì)對(duì)瀝青吸附力越強(qiáng)，對(duì)瀝青的穩(wěn)固作用越好，但其抗剪性能未必好，正如沉錐試驗(yàn)所驗(yàn)證那樣；

纖維的加入對(duì)瀝青的高溫性能均有所改善，但其改善幅度大小同纖維的組成和粗細(xì)狀況有關(guān)，其改善效果應(yīng)視纖維對(duì)瀝青的穩(wěn)定吸附作用和加筋作用的綜合情況而定；

纖維對(duì)瀝青有很好的吸附和穩(wěn)固作用，因而摻加纖維的瀝青混合料其最佳瀝青用量均有所增加，增加的幅度與纖維的表面特征、組成結(jié)構(gòu)、分散程度和摻加劑量等有關(guān)；

纖維膠漿的高溫性能與纖維瀝青混合料的具有一致性，但纖維作用效果如何，同礦料級(jí)配等條件有關(guān)。

瀝青+纖維粘彈性力學(xué)與復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)原理解釋：

增大粘度

增大模量

增大強(qiáng)度

增大韌性

瀝青加纖維的作用機(jī)理

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