永久性瀝青路面概念及結(jié)構(gòu)組成解析

1、永久性瀝青路面概念及結(jié)構(gòu)組成解析組員：馬輝 左娜 張利東 朱善平 柏正云永久路面定義美國瀝青路面協(xié)會(APA)定義：永久路面是指設(shè)計(jì)使用年限達(dá)50年的瀝青路面，在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)無結(jié)構(gòu)性的修復(fù)和重建，僅需根據(jù)表面層損壞進(jìn)行周期性的修復(fù)。歐洲長壽命路面團(tuán)體ELLPAG則采用了一個相似的功能性定義：經(jīng)過合適的表面維護(hù)，路面基礎(chǔ)和基層在使用中不會出現(xiàn)明顯損壞的路面叫長壽命路面。長安大學(xué)的王選倉和侯榮國兩位教授對長壽命瀝青路面的定義為路面設(shè)計(jì)壽命超過40年的路面結(jié)構(gòu)，并具有以下特點(diǎn)： 1.設(shè)計(jì)年限達(dá)到40年 2.路面不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，損壞只發(fā)生在表面功能層， 不需要結(jié)構(gòu)性大修，只對表面功能層進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修

2、 3.路面厚度較大，初期費(fèi)用可能偏高，但維修費(fèi)用低， 在壽命周期內(nèi)最經(jīng)濟(jì)永久路面結(jié)構(gòu)組成按功能要求合理設(shè)置路面結(jié)構(gòu)層：面層具有抗車轍、不透水和抗磨耗的能力聯(lián)結(jié)層要具有良好的耐久性基層要具有抗疲勞和耐久的能力圖1 永久路面的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：輪載下100150mm區(qū)域是高受力區(qū)域，也是各種損壞(主要是輪載)的發(fā)生區(qū)域。面層40一75mm高質(zhì)量瀝青混凝土為車輛提供良好的行駛界面。中間層100175mm高模量抗車轍瀝青混凝土起到連接和擴(kuò)散荷載的作用。HMA基層75100mm高柔性抗疲勞瀝青混凝土起到消除疲勞破壞的作用。結(jié)構(gòu)層厚度/mm材料選擇主要受力特點(diǎn)主要作用和要求表層（磨耗層）4075SMA，Sup

3、erpave，密級配瀝青混合料，OGFC受壓受剪抗滑耐磨，抗車轍和開裂，降噪等瀝青砼（中間層）100175高模量抗車轍瀝青混合料豎向受壓應(yīng)具有高強(qiáng)度和良好抗車轍性能；具有很強(qiáng)的高溫抗變形能力；具有很強(qiáng)的抗水作用能力瀝青砼（基層）75100柔性抗疲勞瀝青混合料（瀝青含量高，具有足夠厚度）底層受拉具有足夠的抗疲勞性能；具有足夠的耐久性；具有足夠的水穩(wěn)定性土基密實(shí)路基，化學(xué)穩(wěn)定路基或粒料，或非穩(wěn)定類粒料等受壓必須具有最基本的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性表1 永久路面結(jié)構(gòu)組合分析Japan日本長壽命路面簡稱LSP，它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是擁有2倍于現(xiàn)行路面的使用性能，因功能破壞而維修的周期在15年以上,結(jié)構(gòu)性壽命在40-

4、60年。European歐洲各國長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)形式多種多樣USA美國長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)種類很多China山東濱州長壽命路面結(jié)構(gòu)China江蘇省沿江高速公路長壽命路面試驗(yàn)路結(jié)構(gòu) 圖中：CS水泥穩(wěn)定碎石，ATB瀝青穩(wěn)定碎石，GRH級配碎石， 紅色采用改性瀝青。C/FDAC粗/細(xì)型密級配瀝青混凝土混合料China廣梧(廣州-梧州)高速長壽命試驗(yàn)路結(jié)構(gòu)永久路面設(shè)計(jì)理念瀝青路面能夠使用4050年以上、采用較厚的瀝青層的柔性路面,可降低傳統(tǒng)的瀝青層底開裂和避免結(jié)構(gòu)性車轍。由于瀝青層相對較厚,傳統(tǒng)的疲勞開裂可能性大大降低,路面的損壞主要位于面層的頂部( 25 100mm) 。一旦路面表面損壞達(dá)到臨界水平

5、,其經(jīng)濟(jì)性處理方法就是將損壞的頂層或面層銑刨、罩面或者加鋪面層,瀝青面層材料可以再生利用。設(shè)計(jì)指標(biāo)：將面層底面在荷載重復(fù)作用下的拉應(yīng)變以及路基頂面的壓應(yīng)力或壓應(yīng)變作為設(shè)計(jì)指標(biāo)，結(jié)合考慮了交通參數(shù)、環(huán)境因素、土基狀況、材料特性進(jìn)行路面設(shè)計(jì)。以瀝青面層的疲勞開裂以及永久性變形作為瀝青路面的主要損壞模式?；诹W(xué)的永久性路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法1.Monismth1992年在TRB會議上提出了這種設(shè)計(jì)方法, Monismth和Long建議控制瀝青層底的彎拉應(yīng)變60，基頂壓應(yīng)變200。 行車荷載瀝青層底彎拉應(yīng)變 60me 基頂壓應(yīng)變 200me基層路基設(shè)計(jì)流程(Monismith,1992) 2.伊利諾斯州的

6、基于力學(xué)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法 以ILLI_PAVE程序的有限元分析結(jié)果為基礎(chǔ),采用一個控制應(yīng)變的疲勞方程,這個疲勞方程可以用來控制HMA層的配合比、拉應(yīng)力和路用性能。這種設(shè)計(jì)方法已經(jīng)被伊利諾斯州交通運(yùn)輸部(IDOT)所采納。3.以明尼蘇達(dá)公路研究課題采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),明尼蘇達(dá)州制定了一種力學(xué)設(shè)計(jì)方法。用層狀彈性理論程序WESLEA計(jì)算路面結(jié)構(gòu)在荷載下的響應(yīng)。 4.英國的設(shè)計(jì)方法 以計(jì)算結(jié)構(gòu)層中臨界位置的響應(yīng)為理論基礎(chǔ)。Nunn 等人在1997年發(fā)現(xiàn)，瀝青路面面層存在一個厚度極限，在施工良好的道路中，超過這個厚度限值，由下到上的疲勞開裂和結(jié)構(gòu)性的車轍都可避免。 當(dāng)累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)(ESAL)超

7、過8000萬次時(shí)，瀝青面層厚度不再需要增加。 在瀝青面層層底存在一個極限彎拉應(yīng)變水平，當(dāng)層底應(yīng)變處于這個水平以下時(shí)疲勞損壞就不會發(fā)生。5.國內(nèi)永久性瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)原理 國內(nèi)提出的抗剪概念的永久性瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)原理圖剪應(yīng)力控制剪切疲勞彎拉應(yīng)變控制疲勞開裂壓應(yīng)變控制永久變形瀝青混凝土層基層路基永久路面各結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì) 永久性瀝青路面各結(jié)構(gòu)層材料設(shè)計(jì)是保證路面良好路用性能的關(guān)鍵，根據(jù)各結(jié)構(gòu)層功能進(jìn)行路面材料設(shè)計(jì),提出材料指標(biāo)要求：表面磨耗層：抵御車轍、老化、溫度開裂和磨耗 中間層：抵御車轍，傳遞、分散荷載基層：承重層，抵抗層底彎拉應(yīng)變 1.磨耗層材料設(shè)計(jì)1.1 影響因素和性能要求 影響因素：

8、磨耗層的具體要求依賴于交通條件、環(huán)境因素、當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)條件。面層受到自然條件 (雨水、氣溫、日照) 和行車荷載的作用最頻繁, 處于壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力集中的區(qū)域。 性能要求：包括抗車轍性能、抗表面開裂性能、良好的抗滑性能、緩解水霧的影響并能減小噪聲等。 1.2 磨耗層材料選擇磨耗層材料應(yīng)選擇SMA、密級配混合料或OGFC等。 在一些對抗車轍性能、耐久性、抗?jié)B性、抗磨損性要求高的地區(qū), 可以選擇SMA, 這在交通量大且載重車多的城市區(qū)域尤為適用。 在交通量小且載重車比例較少的情況下, 使用密級配混合料更為適合。與SMA一樣, 它也必須滿足抗車轍、抗?jié)B、抗磨耗及氣候狀況的要求。 OGFC具有優(yōu)良的

9、抗滑性能、排水性能以及減少噪聲等優(yōu)點(diǎn)?？捎糜趯ε潘刑厥庖蟮牡那闆r。2.HMA中間層材料設(shè)計(jì) 中間層須同時(shí)具有耐久性、穩(wěn)定性和抗車轍性能。 2.1 耐久性 提高中間層瀝青混合料的耐久性能可以通過合理選擇材料和增加骨料表層瀝青膜的厚度來實(shí)現(xiàn)。2.2 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性可以從粗骨料間的骨架結(jié)構(gòu)及采用合適的高等級瀝青來獲得, 這對面層上部150mm區(qū)域是至關(guān)重要的。因?yàn)榇藚^(qū)域是承受車輪荷載作用的高應(yīng)力區(qū),極易產(chǎn)生剪切損壞。長壽命路面瀝青結(jié)構(gòu)等級確定2.3 抗車轍性能永久性瀝青路面應(yīng)力分析可知，剪切應(yīng)力峰值主要集中在中間層，中間層最有可能出現(xiàn)剪切破壞, 因此要求有較好的抗車轍性能。材料設(shè)計(jì)時(shí)可采用改性瀝

10、青，混合料采用骨架嵌鎖結(jié)構(gòu)。瀝青混合料嵌鎖細(xì)部結(jié)構(gòu) 2.4 結(jié)合料要求中間層瀝青結(jié)合料所要求的高溫等級與磨耗層一致, 以抵抗車轍。由于面層中溫度的梯度相當(dāng)陡,并且中間層溫度不可能像表面層那樣低, 所以中間層的低溫等級便可放寬一個等級。例如表面層用的瀝青等級為PG70-28, 則中間層可用PG70-22。 2.5 集料要求混合料的內(nèi)部摩阻力通過集料間嵌鎖獲得, 可采用碎石和砂礫以確保形成集料骨架, 一般選擇采用最大公稱直徑較大的集料。3.基層材料設(shè)計(jì) 3.1 性能要求 路面結(jié)構(gòu)中, 基層層底出現(xiàn)的拉應(yīng)力最大, 在彎拉應(yīng)力的反復(fù)作用下出現(xiàn)層底疲勞開裂的可能性也最大, 要求基層具有很好的耐久性,優(yōu)良

11、的抗疲勞性能。3.2 抗疲勞設(shè)計(jì) HMA基層設(shè)計(jì)必須使底面的彎拉應(yīng)變低于材料的疲勞極限。這樣才可預(yù)防或減緩路面結(jié)構(gòu)性破壞。 （1）增加混合料的柔性增加瀝青含量有助于改善混合料柔性 這種高瀝青含量的基層已經(jīng)應(yīng)用于美國的加利弗尼亞州和伊利諾斯州。采用改性瀝青也可以提高混合料抵抗變形和抗疲勞能力。 瀝青含量（種類）與路面疲勞壽命關(guān)系 疲勞壽命應(yīng)變無限疲勞壽命低瀝青含量高瀝青含量（2）增加路面厚度 為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個適當(dāng)?shù)暮穸?讓底部的拉應(yīng)變低于積累破壞可能發(fā)生的程度。壓應(yīng)變拉應(yīng)變應(yīng)變疲勞壽命無限疲勞壽命壓應(yīng)變拉應(yīng)變應(yīng)變疲勞壽命無限疲勞壽命永久路面與半剛性基層路面比較我國所建高速公路中90%以上為半剛

12、性瀝青路面結(jié)構(gòu)。 半剛性基層路面特點(diǎn)：采用半剛性基層結(jié)構(gòu)(結(jié)構(gòu)單一)；面層厚度比國外的薄(總厚度相當(dāng))；路面的破壞形式與設(shè)計(jì)指標(biāo)不一致； 易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，修復(fù)困難.1.控制指標(biāo)半剛性基層路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)采用以路表彎沉、結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力為控制指標(biāo)。永久性路面將面層底面在荷載重復(fù)作用下的拉應(yīng)變以及路基頂面的壓應(yīng)力或壓應(yīng)變作為設(shè)計(jì)指標(biāo)2.典型結(jié)構(gòu)半剛性基層路面結(jié)構(gòu)永久性路面結(jié)構(gòu)相同面層結(jié)構(gòu)，永久路面瀝青穩(wěn)定基層層底拉應(yīng)力在同樣軸載的作用下小于半剛性基層，且其隨軸載的變化率小于半剛性基層。永久性瀝青路面的瀝青穩(wěn)定基層柔性高，耐疲勞能力強(qiáng)，即使對于同樣的層底拉應(yīng)力(變)，其抵抗能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于半剛性基層路面。因此對于重載較多和交通量較大的道路永久性路面是一個較好的選擇。3.破壞模式我國半剛性基層瀝青路面的主要破壞形式包括反射裂縫、水損害、車轍等.永久性瀝青路面的主要破壞形式是車轍和top-down裂縫,路面破壞是從上到下、由外到內(nèi)發(fā)展延伸的，是一個由功能性破壞逐步發(fā)展到結(jié)構(gòu)性破壞的過程，這種破壞形式為道路維護(hù)維修提供了便利.4.綜合分析半剛性基層路面優(yōu)點(diǎn)：初期建設(shè)費(fèi)