纤维增强沥青路面封层抗裂性能形成机理分析

（平顶山市公路管理局中心试验室 河南 平顶山 467000）

【摘 要】 在沥青纤维封层中，纤维的嵌锁咬合作用，提高了开裂断面抗剪切传荷能力，纤维的存在使纤维封层表面的裂缝尖端的应力减小，有效的阻止了裂缝的进一步的扩展。同时，纤维封层能降低裂缝尖端的应力，起到阻裂的作用，对提高路面耐久、抗渗、耐磨等性能起到积极地作用。

【关键词】 纤维；沥青路面；封层 ；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）纤维增强沥青封层技术是指采用纤维封层核心设备同时洒（撒）布沥青粘结料和玻璃纤维，然后在上面洒布碎石经碾压后形成新的表面磨耗层或者应力吸收中间层，是一种新型道路预防性养护技术［1］。按层位功能分，纤维沥青碎石封层可分为上封层（表面磨耗层）和下封层（应力吸收层），其结构图如图1所示。 

〖TPE:中华建设图14年6月郏付堂1.TIF，BP#〗〖TS(〗图1 纤维增强封层示意图〖TS)〗

（2）纤维沥青层是沥青纤维增强封层抗裂性能的主要贡献者，它是一种以沥青为基本相，短纤维为增强相的复合材料［2］，短纤维随机分布于沥青层中，相互搭接构成网状增强体，对其路用性能起到了极大地改善作用，研究纤维增强沥青封层的抗裂性，对提高路面耐久、抗渗、耐磨等性能起到积极地作用，而且有效的改善了路面的服务功能，适用于提高原有沥青路面的耐久性、防水性能、抗滑性能以及车辙、平整度的修复工作。

2. 裂纹的基本类型

（1）在线弹性断裂力学中，根据裂纹受荷载作用及裂纹变形情况，可将裂纹分为三种基本类型［3］，即I型、II型和III型，如图2所示。

（2）I型裂纹即为张开型裂纹，指裂纹受垂直于裂纹面的拉应力作用，裂纹面相对张开。

（3）II型裂纹即为滑开型裂纹，指裂纹受平行于裂纹面而垂直于裂纹尖前缘线的剪应力作用，裂纹上下两表面沿x轴相对滑开。

（4）III型裂纹即为撕开型裂纹，指裂纹受既平行于裂纹面又平行于裂纹尖前缘线的剪应力作用，裂纹上下两表面沿z轴相对错开。 

3. 裂缝的形成扩展机理分析

按照裂缝的类型分析了裂缝的主要形成机理，为有针对性的分析纤维封层的抗裂机理提供了理论基础。

(l)纵向裂缝。

纵向裂缝产生的原因有多种可能性，主要有：由于路基填土压实或两侧密实度不均和路基边缘受水浸蚀，导致路基不均匀沉降和承载力不足形成裂缝；沥青含腊量偏高，延度偏于下限，油层抗拉强度低，长期在行车荷载作用下形成纵向裂缝，填土含水量偏大，在冻胀作用下形成裂缝。

(2)横向裂缝。

由于路基土体的不均匀沉降引起的横向裂缝，低温收缩或半刚性基层收缩是产生横向温度裂缝的主要原因；沥青路面低温抗裂性能的好坏，关键是沥青材料本身直接影响到沥青混合料的低温抗裂性。面层的表面开裂后，就会在裂缝尖端产生应力集中，使其继续向下发展并贯穿整个沥青面层。

(3)反射裂缝。

反射裂缝产生的基本机理是沥青面层受到交通荷载和温度联合或单独作用产生受拉疲劳和剪切疲劳。由于温度变化引起的混凝土板伸缩和交通荷载驶过接缝或裂缝，在缝端附近的沥青混凝土材料内产生应力集中，而接缝或裂缝处不能很好地传递拉应力或剪应力，导致反射裂缝的产生和发展。根据断裂力学原理可分为：温度应力对应着张开模式(I型)，行车荷载对应着张开和剪切模式(I和II型)混合型。

(4)龟裂。

龟裂、不规则裂缝的形成主要是路面整体强度不足，沥青路面老化，在行车荷载的作用下形成的；另外，基层排水不良，低温时沥青混合料变硬或变脆，也能造成龟裂。

(5)滑移裂缝。

滑移裂缝产生的典型原因是层间的豁结性能不好，滑移裂缝最常发生在车辆刹车、转弯或加速的位置，在城市道路的交叉口路段经常可以观察到滑移裂缝。

4. 纤维封层阻裂机理分析

由纤维封层施工工艺知，纤维夹在两层乳化沥青层之间，并且从纤维封层的拉拔试验的层间破坏状态显示，纤维封层成型后，纤维完全在纤维封层之下；针对纤维夹层的位置和上述介绍的裂缝形成的机理，将裂纹扩展分为沥青面层表面和反射裂缝开裂后的裂纹两种扩展方式来介绍纤维封层的阻裂机理。

4.1 沥青面层表面开裂后的裂纹扩展。

（1）沥青路面开裂以后，不论在交通荷载或负温度梯度作用下，裂纹均可能向路面深度扩展，并且在路面的裂纹的缝端会产生很大的拉应力和剪应力集中，其完全可能超过材料的抗拉强度而使路面继续开裂［4］。由于纤维封层的成型厚度较薄，通过测量的试验路面的平均厚度为4mm，原路面的刚度较大，在负温度梯度作用下，原路面也会产生超过本身材料的抗拉强度的拉应力而使原路面面层开裂。这种裂缝的存在也会促使纤维封层表面裂缝的发展。

（2）纤维封层由于较薄，可以看作纤维夹在碎石之间，按照冷拌沥青混合料理解。纤维的嵌锁咬合作用，提高了开裂断面抗剪切传荷能力，纤维的存在使纤维封层表面的裂缝尖端的应力减小，有效的阻止了裂缝的进一步的扩展。另外，按照复合材料科学原理［5］，纤维的增韧作用与纤维本身的强度和韧性没有任何的关系，而来自于纤维与基体材料因材料性质差异在纤维和基体界面附近形成的残余应力应变场及显微裂纹。这种残余应力应变场要么来自纤维和基体材料因热膨胀系数的巨大差异，要么是因为纤维在某一温度下相变而产生膨胀。残余应力应变场可以抵消部分外加荷载，从而降低宏观裂纹扩展时裂纹尖端的应力；残余应力场在纤维和基体界面处产生的显微裂纹将部分释放材料中的应变而使裂纹区中存在残余应变，在宏观裂纹扩展后，其尾区的残余应变将降低裂纹尖端的应力；由于形成显微裂纹，显微裂纹周围材料的弹性模量降低而成为软化材料，它也有助于降低宏观裂纹扩展时裂纹尖端的应力。从而阻止裂纹的进一步的发展。

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4.2 反射裂纹的扩展。

目前用土工织布、玻璃纤维格栅等土工加筋材料防止反射裂缝，它们的受力变形实质上是一种复合材料中增强相的行为，应具有较强的界面特性［6］。这种界面特性体现在土工加筋材料与填料之间的力与变形的相互关系。针对原路面的网裂较严重现象分析纤维封层阻止反射裂缝扩展的机理。纤维封层施工时，撒铺纤维之前先撒铺一层乳化沥青，增强的纤维和纤维封层与路面的结合，能改善裂缝处拉应力的集中，即使纤维与路面联结不好，此时纤维的张力较大，因荷载的复合效应，纤维仍能降低裂缝尖端的应力。有研究表明［7］，铺设纤维等土工筋材还能增大裂缝的扩展角，即是延长裂缝扩展路径和裂缝发展的时间，因此纤维封层能降低裂缝尖端的应力，起到阻裂的作用。沥青混合料路面层间加铺玻璃纤维格栅能有效的阻止反射裂缝的扩展，纤维封层中的纤维也能起到这样的效果。

5. 结论

沥青路面开裂以后，不论在交通荷载或负温度梯度作用下，裂纹均可能向路面深度扩展，并且在路面的裂纹的缝端会产生很大的拉应力和剪应力集中，其完全可能超过材料的抗拉强度而使路面继续开裂。研究表明，在沥青纤维封层中，纤维的嵌锁咬合作用，提高了开裂断面抗剪切传荷能力，纤维的存在使纤维封层表面的裂缝尖端的应力减小，有效的阻止了裂缝的进一步的扩展。同时，纤维封层能降低裂缝尖端的应力，起到阻裂的作用，对提高路面耐久、抗渗、耐磨等性能起到积极地作用，是一种值得推广的新型沥青路面施工技术。

参考文献

［1］ 陈晓娟. 纤维沥青碎石封层适应性及阻裂效应研究［D］．西安：长安大学，2010.

［2］ Aysar NAJD，郑传超，纤维加筋沥青混凝土断裂性能试验， 长安大学学报（自然科学版），2005(5).

［3］ 陈华鑫， 张争奇. 纤维沥青混合料的低温抗裂性能［J］. 华南理工大学学报(自然科学版)，2004,(04).

［4］ 申爱琴等.沥青路面层间处置新材料及施工关键技术研究［R］.2009.2.

［5］ 朱春凤.玻璃纤维改善沥青混凝土性能的理论和试验研究［D］.吉林:吉林大学，2007.5.

［6］ 毛成.沥青路面裂纹形成机理及扩展行为研究:(博士学位论文).成都:西南交通大学，2004.3.

［7］ 郑健龙，周志刚.沥青路面抗裂设计理论与方法.北京:人民交通出版社，2003.



［基金项目］河南省2013年科技发展计划项目（132102210464）：沥青路面纤维增强封层关键技术研究。

［文章编号］1619-2737（2014）06-05-819

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4.2 反射裂纹的扩展。

目前用土工织布、玻璃纤维格栅等土工加筋材料防止反射裂缝，它们的受力变形实质上是一种复合材料中增强相的行为，应具有较强的界面特性［6］。这种界面特性体现在土工加筋材料与填料之间的力与变形的相互关系。针对原路面的网裂较严重现象分析纤维封层阻止反射裂缝扩展的机理。纤维封层施工时，撒铺纤维之前先撒铺一层乳化沥青，增强的纤维和纤维封层与路面的结合，能改善裂缝处拉应力的集中，即使纤维与路面联结不好，此时纤维的张力较大，因荷载的复合效应，纤维仍能降低裂缝尖端的应力。有研究表明［7］，铺设纤维等土工筋材还能增大裂缝的扩展角，即是延长裂缝扩展路径和裂缝发展的时间，因此纤维封层能降低裂缝尖端的应力，起到阻裂的作用。沥青混合料路面层间加铺玻璃纤维格栅能有效的阻止反射裂缝的扩展，纤维封层中的纤维也能起到这样的效果。

5. 结论

沥青路面开裂以后，不论在交通荷载或负温度梯度作用下，裂纹均可能向路面深度扩展，并且在路面的裂纹的缝端会产生很大的拉应力和剪应力集中，其完全可能超过材料的抗拉强度而使路面继续开裂。研究表明，在沥青纤维封层中，纤维的嵌锁咬合作用，提高了开裂断面抗剪切传荷能力，纤维的存在使纤维封层表面的裂缝尖端的应力减小，有效的阻止了裂缝的进一步的扩展。同时，纤维封层能降低裂缝尖端的应力，起到阻裂的作用，对提高路面耐久、抗渗、耐磨等性能起到积极地作用，是一种值得推广的新型沥青路面施工技术。

参考文献

［1］ 陈晓娟. 纤维沥青碎石封层适应性及阻裂效应研究［D］．西安：长安大学，2010.

［2］ Aysar NAJD，郑传超，纤维加筋沥青混凝土断裂性能试验， 长安大学学报（自然科学版），2005(5).

［3］ 陈华鑫， 张争奇. 纤维沥青混合料的低温抗裂性能［J］. 华南理工大学学报(自然科学版)，2004,(04).

［4］ 申爱琴等.沥青路面层间处置新材料及施工关键技术研究［R］.2009.2.

［5］ 朱春凤.玻璃纤维改善沥青混凝土性能的理论和试验研究［D］.吉林:吉林大学，2007.5.

［6］ 毛成.沥青路面裂纹形成机理及扩展行为研究:(博士学位论文).成都:西南交通大学，2004.3.

［7］ 郑健龙，周志刚.沥青路面抗裂设计理论与方法.北京:人民交通出版社，2003.

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［基金项目］河南省2013年科技发展计划项目（132102210464）：沥青路面纤维增强封层关键技术研究。

［文章编号］1619-2737（2014）06-05-819

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4.2 反射裂纹的扩展。

目前用土工织布、玻璃纤维格栅等土工加筋材料防止反射裂缝，它们的受力变形实质上是一种复合材料中增强相的行为，应具有较强的界面特性［6］。这种界面特性体现在土工加筋材料与填料之间的力与变形的相互关系。针对原路面的网裂较严重现象分析纤维封层阻止反射裂缝扩展的机理。纤维封层施工时，撒铺纤维之前先撒铺一层乳化沥青，增强的纤维和纤维封层与路面的结合，能改善裂缝处拉应力的集中，即使纤维与路面联结不好，此时纤维的张力较大，因荷载的复合效应，纤维仍能降低裂缝尖端的应力。有研究表明［7］，铺设纤维等土工筋材还能增大裂缝的扩展角，即是延长裂缝扩展路径和裂缝发展的时间，因此纤维封层能降低裂缝尖端的应力，起到阻裂的作用。沥青混合料路面层间加铺玻璃纤维格栅能有效的阻止反射裂缝的扩展，纤维封层中的纤维也能起到这样的效果。

5. 结论

沥青路面开裂以后，不论在交通荷载或负温度梯度作用下，裂纹均可能向路面深度扩展，并且在路面的裂纹的缝端会产生很大的拉应力和剪应力集中，其完全可能超过材料的抗拉强度而使路面继续开裂。研究表明，在沥青纤维封层中，纤维的嵌锁咬合作用，提高了开裂断面抗剪切传荷能力，纤维的存在使纤维封层表面的裂缝尖端的应力减小，有效的阻止了裂缝的进一步的扩展。同时，纤维封层能降低裂缝尖端的应力，起到阻裂的作用，对提高路面耐久、抗渗、耐磨等性能起到积极地作用，是一种值得推广的新型沥青路面施工技术。

参考文献

［1］ 陈晓娟. 纤维沥青碎石封层适应性及阻裂效应研究［D］．西安：长安大学，2010.

［2］ Aysar NAJD，郑传超，纤维加筋沥青混凝土断裂性能试验， 长安大学学报（自然科学版），2005(5).

［3］ 陈华鑫， 张争奇. 纤维沥青混合料的低温抗裂性能［J］. 华南理工大学学报(自然科学版)，2004,(04).

［4］ 申爱琴等.沥青路面层间处置新材料及施工关键技术研究［R］.2009.2.

［5］ 朱春凤.玻璃纤维改善沥青混凝土性能的理论和试验研究［D］.吉林:吉林大学，2007.5.

［6］ 毛成.沥青路面裂纹形成机理及扩展行为研究:(博士学位论文).成都:西南交通大学，2004.3.

［7］ 郑健龙，周志刚.沥青路面抗裂设计理论与方法.北京:人民交通出版社，2003.

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［基金项目］河南省2013年科技发展计划项目（132102210464）：沥青路面纤维增强封层关键技术研究。

［文章编号］1619-2737（2014）06-05-819

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