土工合成材料在沥青路面中的应用有哪些呢？

土工合成材料在沥青路面中的应用有哪些呢？今天小编来聊一聊，下面一起看一下吧。

一、土工合成材料功能 

（一）土工合成材料应用的历史

最早用于土木建筑工程大约在20世纪30年代或40年代，用途：游泳池防渗，材料为聚氯乙烯薄膜。

合成纤维应用开始于20世纪50年代末期，用合成纤维织物作成砂袋用于道路工程、护岸、水坝和隧道等工程。

我国合成材料的应用开始于20世纪60年代中期，使用范围包括公路、铁路、水利水电、机场、建筑、地下工程、港口码头等大行业。

（二）土工合成材料的功能与应用

土工合成材料的功能概括起来有六个方面：

1.过滤作用——防止由于水流把土颗粒带走而造成结构破坏或失效。

在公路工程中，主要用于挡土墙回填土中排水系统的滤层；排水暗管周边或碎石排水层周边的滤层；公路和机场道面基层与地基之间的土工织物隔离层。

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。

应用：软基处理中用的塑料排水板或袋装砂等；土工格栅碎石桩等；挡土墙、隧道周边的排水；路面结构盲沟等。

3．隔离作用——把不同粒径的土、砂、石料，或土、砂、石料与地基隔离开来，以免相互混杂或污染，土工织物、土工膜均有隔离作用。

应用：铁路、公路路基、土石坝工程、软土地基处理以及河道整治工程。

4．加筋作用——土工合成材料布设于土体中，扩散土体中的应力，增加土体的模量，传递拉应力，限制土体的侧向位移；还可增加土体与其他材料之间的摩擦力，提高土体及建筑物的稳定性。

应用：公路、铁路等建筑中的软基加强；填土（膨胀土）或路堑边坡的加固；桥台填土的加固；路面的防裂等。

5.防渗作用——土工膜或复合型土工材料有防止气体、液体渗漏的功能，保护环境及建筑物的安全。  

应用：桥面防水，隧道周边的防水都有应用。

6.防护作用——很多土工合成材料对土体都有防护作用，   

应用：岸壁的防护膜（笼）、边坡的方冲刷绿化(三维格室）等。

二、土工布在沥青路面中的应用 

（一）技术要求

（二） 土工布在路面中的作用及其机理

1、作用

 ①减少或延缓反射裂缝的出现（对于半刚性基层和旧水泥及沥青路面的防裂）；

 ②提高路面抗车辙的能力；

 ③提高沥青路面疲劳寿命；

 ④有可能减薄沥青路面的厚度；

 ⑤ 土工布在沥青浸渍之后还有防水的作用。

土工织物的上述效果，国内外的研究均得到了证实。英国的S.F.Brown教授、加拿大的R.Hass教授、美国的Steinberg和日本的研究，均认为沥青路面加铺土工布后可减少车辙，延缓和减少反射裂缝，同时可减薄面层厚度。我们国家从二十世纪八十年代初开始研究，同济大学和长沙交通学院等单位在广东惠州铺筑了一段土工布防裂的试验，经过观察也认为是有效果的。后来在全国更大范围内，应用土工布铺筑了数十段试验路，也反映出它们对沥青路面确有加筋和防裂的作用。目前许多工程单位都采用了这样措施来防止半刚性基层沥青路面、旧水泥路面和旧沥青路面罩面的反射裂缝问题。

2、机理分析

1）加筋作用

2）桥联增韧效应

①从加铺土工合成材料的开裂路面断裂力学分析看出，其应力强度因子K均有较大的降低。这是因为随着裂缝两边受弯拉而扩张时，土工织物的抗拉能力发挥了作用，它把裂缝两边拉紧，不让张开，表现出一种“桥联增韧”的作用。这种“桥联增韧”效应会随着土工合成材料的张拉模量的增大而增强。

②土工织物与上、下结构层处于完全联结状态时，在对称荷载作用下，土工合成材料的桥联增韧效应会降低裂缝尖端的应力集中程度，在裂缝扩展初期最为明显，在扩展后期渐趋稳定。在非对称荷载作用下，土工合成材料均能降低开裂缝尖端附近的拉应力和剪切应力，但降低拉应力集中的效果更为明显，此时裂缝主要表现为剪切型开裂（KⅡ）,而且这种剪切作用随着裂缝扩展而增强。土工合成材料降低剪切应力集中的作用在裂缝扩展初期较为明显。

③土工合成材料的桥联增韧效应降低了裂缝端附近的应力集中程度，且当裂缝接近路表面时应力变为压应力，这就削弱了水平荷载对裂缝扩展的影响，对路面的使用是有利的。

对于温度应力的分析也可得到类似的结论。

在水泥砼路面接缝上端铺设橡胶沥青应力吸收层（其作用和土工织物类似）后，沥青层中的有效应力较未铺设前降低了83～88％。这个效果是十分显著的。上述作用的综合效果，反映出土工合成材料有助于路面的抗疲劳能力得到提高。

模拟在水泥路面上加铺沥青路面的实际情况，采用APA进行反射型裂缝荷载疲劳对比试验，试验结果如下表。由此可知：在夹层中加入土工布的沥青砼的疲劳寿命比无土工布的沥青砼提高了三倍。

3）提高界面抗剪能力

三、工程纤维在沥青路面中的应用

（一）国内几种常用纤维的基本性能

木质素纤维质地疏松，分支较多，各纤维相互缠绕，比表面积较大，且表面粗糙不平，粗细不均；

石棉纤维较细，分叉较多，粗细也不均匀，比表面较前者要小，且表面较光滑；

聚丙烯腈纤维和聚酯纤维端部有明显的突起，似“触角”状，有利于相互搭接。

（二）沥青加纤维的作用

为了满足工程的需要，沥青混合料在低温条件下必须解决开裂问题，而在高温时又必须解决车辙变形问题，一般沥青是很难同时满足上述两方面要求。从粘弹性力学原理，控制高温变形的材料参数是弹性模量、粘度、相位角和蠕变强度；而控制低温开裂的参数是屈服强度和断裂韧性。所以沥青混合料需要“三增”，即“增大弹性”、“增大强度”和“增大韧性”才能满足各种使用要求。

通改性沥青受到的限制

普通改性沥青受到的限制：

普通改性沥青，例如用SBS和PE等改性沥青，是基于“合金化”的原理制成的。所谓“合金化”是指将合金添加剂加入高温熔融的基体材料中，使二者融为一体，合金添加剂原子和分子结构将溶解并均匀分散于基体材料中。这种改性方法，受到了沥青溶解度的严格限制，同时过多的添加剂用量会影响拌和、储存和施工。通常改性剂的掺量不能超过5％～6％，这就带来了以下问题：

用改性剂“增弹增粘”有一个限度，且随温度升高，其效果急剧下降；

难于提高沥青的柔韧性；

难于解决随时间老化脆化问题（改性剂本身同样存在老化问题）。

沥青加纤维的作用机理：

所谓“复合材料化”是指在基体材料中掺加纤维或粒子型材料，形成“基体+纤维”复合材料。这是一门为克服“合金化”先天不足而发展起来的现代材料科学技术。

纤维与基体是一种物理合成叠加，二者以独立的物质形态存在，这种复合材料可以把它们各自的优点叠加起来，具有“增弹”、“增强”和“增韧”的作用；

纤维的加入量一般不受沥青基体材料物理性质的限制；

沥青复合材料性能与纤维加入量成线性比例关系（当然还有一个经济问题），所以可以通过纤维加入量来控制沥青混合料性能；

在沥青老化脆化时，纤维可起补偿作用，对于这种“沥青+纤维”材料简称“纤维复合沥青”。

（三）纤维沥青胶浆的性能

沥青混合料由沥青胶浆及骨料两部分组成。胶浆在沥青混合料中所占比例不大，但对路面性能起着十分重要的作用。根据SHRP研究果沥青对于高温车辙的贡献率为29%，对疲劳的贡献率为52%，对温度裂缝的贡献率为87%。试验时可知，纤维加入到沥青中后，其稠度和粘度明显增加。下面我们根据两个试验来评价纤维沥青胶浆的性能。

（1）沉锥试验

（2）动态剪切（DSR）试验

沉锥试验

沉锥试验是一种简单而又有效的测试纤维沥青抗剪切能力的方法。实际反映了纤维沥青膏体的抗剪切能力的大小。即沉锥沉入的深度越大，其抗剪能力越小。沉锥测试仪是由水泥砂浆稠度仪改装而成的，因其沉锥质量轻，故在沉锥上外加500g的砝码。

动态剪切（DSR）试验 ：

动态剪切流变仪(Dynamic Shear Rheometer)是一种评价高分子材料流动特性的通用仪器，在SHRP计划中，DSR试验主要用于评价旋转薄膜烘箱老化前后的高温性能和压力老化后沥青的疲劳性能。

试验采用符合技术要求的SBS改性沥青，纤维采用VIRTOP80木质素纤维和Dolanit AS纤维。制备试样时的温度控制为175°，分别按照4%和6%用量（相当于沥青混合料中0.2%和0.3%纤维用量、5%沥青用量）配制了不同的沥青胶浆，搅拌混合至均匀。

验结果表明：

纤维掺量一定时，随着温度提高，G*/sinδ值迅速降低，沥青胶浆具有显著的温度敏感性；

在相同的温度时，随纤维用量增加，G*/sinδ值也增加，说明纤维的加入使得纤维沥青胶浆的高温稳定性得以提高。

使用木质素纤维时，4%用量和6%的效果具有显著的差距，而Dolanit AS纤维的差距则小得多。

由纤维胶浆试验可得到以下结论：

纤维越细对沥青吸附力越强，对沥青的稳固作用越好，但其抗剪性能未必好，正如沉锥试验所验证那样；

纤维的加入对沥青的高温性能均有所改善，但其改善幅度大小同纤维的组成和粗细状况有关，其改善效果应视纤维对沥青的稳定吸附作用和加筋作用的综合情况而定；

纤维对沥青有很好的吸附和稳固作用，因而掺加纤维的沥青混合料其最佳沥青用量均有所增加，增加的幅度与纤维的表面特征、组成结构、分散程度和掺加剂量等有关；

纤维胶浆的高温性能与纤维沥青混合料的具有一致性，但纤维作用效果如何，同矿料级配等条件有关。

沥青+纤维粘弹性力学与复合材料细观力学原理解释：

增大粘度

增大模量

增大强度

增大韧性

沥青加纤维的作用机理

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