中南大学路基路面工程课件_10.沥青路面.ppt

路基路面工程,2011.03,主讲 周建普,10.沥青路面,10.1沥青路面概述 10.2沥青路面材料的结构与力学特性 10.3沥青路面的稳定性和耐久性 10.4沥青路面的原材料 10.5沥青混合料组成设计,10.1 沥青路面概述,10.1.1 沥青路面的基本特性,沥青路面是用沥青材料作结合料粘结矿料修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构。 与水泥混凝土路面相比，沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪音低 、施工期短、养护维修简便、开放交通快、适宜于分期修建等优点。 沥青路面面层属柔性结构层，沥青路面的强度与稳定性在很大程度上取决于土基和基层的特性 。,10.1.2 对沥青路面的基本要求 沥青路面面层直接承受车辆和环境因素的作用,而沥青材料物理力学性质受气候、时间、温度、湿度等因素影响很大，这是沥青路面使用中的一个重要特点。因此，沥青路面必须满足以下基本要求。 （1）高温稳定性；（2）低温抗裂性；（3）耐久性；（4）抗滑能力； （5）防渗能力,10.1.3 沥青路面的分类 （1）按强度构成原理 嵌挤类：矿料的颗粒尺寸相对较为均一，路面的强度和稳定性主要依靠集料颗粒之间相互嵌挤所产生的内摩擦力。热稳定性好，但空隙率大，易渗水，因而耐久性较差。,密实类: 矿料级配按最大密实原则设计，路面的强度和稳定性主要取决于混合料的粘聚力和内摩擦力。 开式：小于0.5mm的细粒较少，剩余空隙率大于6%，热稳定性较好。 闭式：小于0.5mm的细粒较多，剩余空隙率小于6%，密实而耐久，但热稳定性较差。,10.1 沥青路面概述,图10-1 最大粒径16mm 的两种不同的沥青混合料,层铺法：分层洒布沥青，分层铺撒矿料和碾压的方法修筑。 路拌法：在路上用将矿料和沥青材料就地拌和摊铺和碾压而成。 厂拌法：一定级配的矿料和沥青材料在工厂用专用设备加热拌和，然后送到工地摊铺碾压而成。,（2）按施工工艺,10.1 沥青路面概述,图10-2 层铺法施工洒布沥青,土10-3 厂拌法施工机械摊铺,（3）按沥青路面的技术特性,沥青表处路面：用沥青和集料按层铺法或拌和法铺筑而成的厚度不超过3cm的沥青面层。 沥青贯入式（上拌下贯）路面：用沥青和集料按层铺法铺筑而成，厚度一般为48 cm的沥青路面 。 沥青贯入式之上加铺拌和的沥青混合料，称上拌下贯。 沥青碎石路面：以沥青和嵌挤结构集料冷拌或热拌铺筑面层的路面，有时用作联结层。 沥青混凝土路面：以沥青和密实结构集料经热拌铺筑面层的路面，可由单层、双层、三层沥青混合料组成。 沥青马蹄脂碎石（SMA）路面：以间断级配的集料为骨架，用改性沥青、矿粉及纤维素组成的沥青马蹄脂为结合料，经拌和、摊铺、压实而成的一种构造深度较大的面层。具有抗滑耐磨、孔隙率小、抗疲劳、高温抗软化、低温抗开裂等优点。 沥青封层：液体沥青浇洒或沥青砂（石屑）铺筑而成的防水结构薄层。 沥青透层 ：液体沥青浇洒而成的为稳定和粘结基层或旧路顶面松散颗粒的结构薄层。 沥青粘层：为使面层与基层或上下面层粘结更好而浇洒的粘结薄层。,10.1 沥青路面概述,10.2.1沥青混合料的结构力学特性 （1）沥青混合料结构组成的胶浆理论,10.2 沥青路面材料的结构与力学特性,（2）沥青混合料的组成结构状态 沥青混合料的力学强度主要取决于集料颗粒间的摩擦力和嵌挤力、沥青胶结料的粘结性以及沥青与集料之间的粘附性等。 不同级配组成的沥青混合料，具有不同的空间结构类型，也就具有不同的内摩擦力和粘结力。沥青混合料的组成结构类型有： 密实悬浮结构；骨架空隙结构；密实骨架结构。,10.2 沥青路面材料的结构与力学特性,10.2.2 沥青混合料的粘弹性质与模量 （1）沥青混合料粘弹性质 沥青混合料是一种典型的粘、弹、塑性综合体，在低温小变形范围内接近线弹性体，在高温大变形范围内表现为粘塑性体，而在常温下为一般的粘弹性体。用粘弹性理论研究沥青混合料的模量须以下原则： 沥青混合料兼具虎克弹性与牛顿粘性的双重性质； 沥青混合料的力学性质应作为温度与时间的函数表示； 宜将沥青混合料的性质描述为仅在某一条件下才具有的性质。 （2）沥青的劲度模量 沥青的劲度模量：指在一定时间( )和温度( )条件下，应力与总应变的比值。,（10-2-1）,沥青的劲度是温度和时间的函数。当温度较低、在短时间荷载作用下，其劲度模量趋近弹性模量；在高温和长期荷载作用时，其劲度模量随时间急剧下降，线性条件再次得到满足；而在中等温度和加荷时间会出现非线性。,10.2 沥青路面材料的结构与力学特性,（3）沥青混合料的劲度模量 沥青混合料的劲度模量是沥青劲度模量和混合料中集料数量的函数。,（9-2-2） 式中：,式中： 沥青混合料的劲度模量； 沥青劲度模量； 系数, ( 100MPa） 空隙率不等于3%时的系数， 沥青混合料的空隙率，%； 集料系数， 集料比容； 沥青比容。,（10-2-2）,10.2 沥青路面材料的结构与力学特性,10.2.3 沥青混合料的强度 （1）剪切强度 沥青路面的推挤、拥包、车辙等，都是剪切变形的结果。摩尔-库仑公式反映了沥青混合料的强度与混合料内部的粘结力和摩阻力之间的直接关系。 但由于沥青混合料在高温情况下力学性质的复杂，常使抗剪强度理论的应用处于半理论半经验状态。 根据沥青结构层的三向应力状态，采用三轴试验方法，认为材料的剪切强度特性符合摩尔-库仑公式。,10.2 沥青路面材料的结构与力学特性,（2）断裂强度 断裂强度主要用于分析随气温下降时沥青面层收缩受阻而转化为收缩应力，当收缩应力超过极限强度所造成的缩裂问题。 沥青混合料的断裂强度也是温度和加荷速率的函数，随着温度的下降和加荷速率的加大而提高，当温度继续下降时，强度反而略有下降。 对于密集配沥青混合料，断裂强度随集料级配细度的增加而增大，且在某一最佳矿粉/沥青比时断裂强度最高。,10.2 沥青路面材料的结构与力学特性,10.3.1 沥青路面的高温稳定性 （1）沥青路面高温稳定性:是指沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力。推移、拥包、搓板、泛油、车辙等现象均属于沥青路面高温稳定性不足的表现。主要在高温、低加荷速率以及抗剪切能力不足，即沥青路面的劲度较低时出现。 （2）车辙的类型： 失稳型车辙； 结构型车辙； 磨耗型车辙。 （3）车辙形成过程：初始阶段的压密过程；沥青混合料的侧向流动；矿质集料的重新排列及矿质骨架的破坏。,沥青混凝土抗压强度随温度的变化 表10-1,10.3沥青路面的稳定性与耐久性,图10-6 沥青路面车辙,影响高温稳定性的因素 表10-2,图10-7 沥青面层高温软化,（4）影响高温稳定性的因素,10.3沥青路面的稳定性与耐久性,图10-8 降温 30时沥青面层的温度应力,10.3.2 沥青路面的低温抗裂性 （1）沥青路面的温度应力 由于温度下降引起沥青路面材料体积收缩，因材料受到约束而不能缩短，则立即产生温度应力，当该应力超过材料的抗拉强度时，就会产生裂缝。图10-8说明沥青路面低温缩裂从路表自上而下发展。,图10-9 沥青路面与缘石的裂缝实况,10.3沥青路面的稳定性与耐久性,（2）影响沥青路面低温开裂的因素 混合料中沥青的性质：沥青低温延度及针入度越大，其开裂温度就越低，其中低温延度比针入度对开裂温度的影响更为显著。 混合料的沥青含量：在马歇尔实验最佳用量-1%+0.5%范围内，不明显影响路面的横缝产生频率 。 混合料的剩余空隙率：剩余空隙率越大，沥青混合料劲度越小，低温收缩越小。 混合料的级配与矿料品种：连续、密实的级配低温开裂较小，矿料品种对低温开裂影响不明显。 沥青面层的厚度：较厚的沥青面层能限制和约束收缩裂纹的发展。 基层情况：收缩明显的半刚性基层常常使沥青面层产生较多的低温裂缝和反射裂缝。 路基情况：沥青面层相同情况下，沙土路基上的沥青路面的裂缝比粘土路基上的沥青路面的裂缝要密。,10.3沥青路面的稳定性与耐久性,10.3.3 沥青路面的水稳定性 （1）沥青路面的水损害 沥青路面的耐久性主要依靠沥青与集料之间的粘附程度，水的作用破坏了沥青与集料之间的粘附性。是影响沥青路面耐久性的主要因素之一。 水损害的发生使得沥青与集料脱离，从而路面出现松散、剥离、坑洞等病害，严重危害道路的使用性能。,10.3沥青路面的稳定性与耐久性,（2）沥青路面水稳定性破坏作用机理 首先，水进入沥青中使沥青粘附性减小，导致沥青混合料的强度和劲度降低。 其次，水进入沥青薄膜与集料之间阻断沥青与集料的相互粘结，由于集料表面对水比对沥青有更强的吸附力，从而使沥青从集料表面剥落。 10.3.4 沥青路面的抗疲劳特性 （1）沥青混合料疲劳力学模型,沥青混合料的疲劳是材料在荷载重复作用下产生不可恢复的强度衰减积累所引起的一种现象。重复作用次数越多，强度的损伤越烈，它所能承受的应力应变值越小。 材料出现疲劳破坏的重复应力值称为疲劳强度，相应的重复作用次数称为疲劳寿命。 一般以沥青混合料劲度下降到初始劲度50%或更低作为疲劳破坏的标准。采用式（10-3-1）表示。,图10-11 沥青路面水损害作用,（10-3-1）,10.3沥青路面的稳定性与耐久性,式中： 混合料劲度下降到50%或更低时的重复作用次数； 对式件每次施加的常量应变最大幅度； 取决于沥青混合料成分和特性的常数。 材料在承受重复常量应力或应变条件下，施加的应力或应变与疲劳寿命之间的关系在双对数坐标上呈线性反比关系，如图10-12所示的疲劳试验曲线。,（2）影响沥青路面疲劳的因素 材料的性质： 沥青混合料的劲度是影响疲劳寿命的重要因素，一切与劲度模量相关的因素度直接影响到沥青混合料的疲劳寿命，如沥青种类、用量、稠度。 混合料的空隙率、压实程度。 集料的级配、形状、表面纹理。,10.3沥青路面的稳定性与耐久性,图10-12 不同加载模式下的疲劳曲线,荷载条件： 全过程保持加载条件不变，称简单荷载；按某种预定形式重复改变荷载条件，称复合荷载。 在控制应力加载模式中，材料劲度随加载次数的增加而减小，为了保持各次加载时的应力不变，实际作用于试件的变形就要增加。 在控制应变加载模式中，为了保持每次加载时的应变不变，实际作用于试件的应力就要减小。 分析发现：控制应变加载模式适合于沥青混合料层厚较薄(5cm)和模量较低的路面；控制应力加载模式适合于沥青混合料层厚较大(5cm)和模量较高的路面。,10.3沥青路面的稳定性与耐久性,图10-13 沥青混合料在不同加载模式下的疲劳反应图解,环境因素 温度：温度在一定限度内下降时，沥青混合料劲度增加，在承受一定压力的条件下所产生的变形小，因而在控制应力加载模式试验中具有较长的疲劳寿命；而在控制应变加载模式试验中，温度增加引起混合料劲度降低，使裂缝扩展速度减慢而导致疲劳寿命延长。低温、常温时表现为疲劳断裂，高温时表现为塑性变形累积，无明显疲劳极限。 湿度：湿度加大将导致沥青路面的水损害，缩短沥青路面的使用寿命。,10.3沥青路面的稳定性与耐久性,（3）沥青路面疲劳破坏机理 在移动车轮荷载作用下，路面结构内各点所处的应力应变状态不同，如图10-14。 面层底面B点：车轮作用其上时受到全拉应力作用，车轮驶过后应力方向改变，量值变小并有剪应力产生。当车轮驶过一定距离后，B点则承受主压应力作用。B点应力随时间的变化曲线如图10-15。,图10-14 路面面层在车轮下的受力状态,面层顶面A点：车轮驶近时受拉，直接作用时受压，车轮驶过后又受拉。车轮驶过一次就驶A、B点出现一次拉压应力循环，因而路面长期处于应力循环变化状态。 路面材料的抗压强度远大于抗拉强度，而面层底部B点在车轮下所受的拉应力效之表面A点在车轮驶进或驶离后所产生的拉应力要大得多。 因此，荷载重复作用下的路面裂缝通常是丛路面底部开始的。,10.3.5 沥青路面的耐老化性能 沥青的耐久性是影响沥青路面使用品质和寿命的最主要因素，受沥青老化的制约，沥青混合料的技术性能随时间推移逐渐降低直至满足不了交通荷载的要求。 老化过程的两个阶段:施工过程中的热老化和路面使用过程中的长期老化,图10-16 沥青老化示意图,图10-15 B点应力随时间的变化,10.3沥青路面的稳定性与耐久性,10.4.1 沥青材料 （1）道路石油沥青 沥青路面一般采用道路石油沥青或经过乳化、稀释、调和、改性等工艺加工处理作为结合料。我国道路石油沥青以针入度为指标划分为7个标号，每一种标号的石油沥青分为A、B、C三个等级，分别适用于不同等级的公路和不同的结构层次，见表10-3。,道路石油沥青的适用范围 表10-3,10.4 沥青路面的原材料,（2）煤沥青 由于煤沥青对人体健康有害，已很少使用，一般仅作为透层沥青使用。 （3）乳化沥青 酸性、潮湿的石料，以及低温季节施工宜选用阳离子乳化沥青；碱性石料或与掺入的水泥、石灰、粉煤灰共同使用时，宜选用阴离子乳化沥青。 （4）改性沥青 使用改性沥青对改善沥青路面的高温及低温稳定性有显著效果。一般采用聚合物、天然沥青、或其他改性剂对基质石油进行改性。聚合物改性剂分为三类： 热塑性橡胶类：苯乙烯-丁二烯-苯乙烯( SBS)、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯（SIS)等 橡胶类：天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、氯丁橡胶(CR)、丁二烯橡胶(BR)等 树脂类:乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)、聚乙烯( PE 、无规聚丙烯(APP) ,聚氧乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS）等。 10.4.2 粗集料 指粒径大于大于2.36mm粒径的材料，粗集料有碎石、筛选砾石、破碎砾石、钢渣、矿渣等 。高速公路和一级公路必须使用碎石或破碎砾石。粗集料应该洁净、 干燥、表面粗糙、近立方体、无风化、无杂质，并具有足够的强度和耐磨性能。,10.4 沥青路面的原材料,10.4 沥青路面的原材料,粗集料的质量应符合表10-4的规定。粗集料应具有良好的磨光值PSV，与沥青之间具有良好的粘附性，其值应符合表10-5的要求。,沥青混合料用粗集料质量技术要求 表10-4,10.4.3细集料 指集料中粒径0.36mm的部分，细集料有机制砂、天然砂、石屑。细集料应洁净、干燥、无风化、无泥、无杂质，并有适当的颗粒级配。 热拌沥青混合料的细集料宜采用优质的天然砂或机制砂，在缺砂地区也可以用石屑 与沥青粘结性能很差的天然砂及用花岗岩、石英岩等酸性石料破碎的机制砂或石屑不宜用于高速公路、一级公路沥青面层。,10.4 沥青路面的原材料,粗集料与沥青的粘附性、磨光值的的技术要求 表10-5,沥青混合料用细集料质量要求 表10-6,10.4 沥青路面的原材料,10.4.4 填料 指采用石灰岩或岩浆岩中的超基性岩石等憎水性石料经磨细得到0.075mm的矿粉 。必须干燥、洁净、能自由从矿粉仓流出。为提高矿料粘附性，可掺入部分消石灰粉、水泥或磨细粉煤灰。,沥青混合料用矿粉质量要求 表10-7,10.4 沥青路面的原材料,10.5 沥青混合料组成设计,10.5.1沥青混合料的分类 （1）密级配沥青混凝土混合料（AC）。适用于各级公路沥青面层的任何层次。 （2）沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）。适用于表面层、中面层或加铺磨耗层。 （3）半开级配沥青碎石混合料，设计空隙率为6%12%（AM）。适用于三级及三级以下公路，表面应设置防水上封层。 （4）密级配沥青稳定碎石混合料，设计空隙率为3%6%（ATB）。亦称大粒径沥青碎石混合料，适用于基层。 （5）排水式沥青稳定碎石混合料，设计空隙率大于18%（ATBP）。适合作排水基层。 （6）排