永久性路面与半刚性基层沥青路面对比研究

1、我国目前普遍流行的路面结构型式是半刚性基层上铺筑沥青面层, 比较分析 永久性沥青路面与半刚性基层沥青路面的异同能更深刻认识永久性路面。当前我国 90%以上的高等级公路结构采用半刚性基层沥青路面。 其优点是初期修 建成本较低, 致命的缺陷是容易开裂, 从而导致其他病害, 目前普遍采用增加水 泥稳定碎石中粗集料含量的方法来增强其抗裂能力, 该办法具有基本不增加工程 成本的优点,但对施工工艺要求较高。国外早在 就提出了长寿命沥青路面的概念并运用于工程当中,取得了良好的效 果。 我国也借鉴国外这一先进的路面设计理念开始对永久性路面开展研究。 永久 性路面的定义,基本特点。永久性路面的造价相对于普通路面

2、要高, 这也是我国目前面临的一个问题。 因此 推广存在困难, 判定永久性路面与半刚性基层路面的适用性具有现实意义。 本文 通过比较永久性路面与半刚性基层路面对永久性路面的可行性进行研究。主要从以下几个方面进行论述。我国目前采用的半刚性基层路面与国内外长寿命典型路面结构对比分析,两种路面形式路面材料分析,经济效益分析。这种结构,刚度大、模量高、板体性强、弯沉小且投资经济并能充分利用我国丰 富的粉煤灰资源,这是半刚性沥青路面成为我国高等级公路的主流的重要原因。 典型结构分析:结构设计理念对比:半刚性基层:结构选择的基本原则, 目前的路面设计理论和方法, 只是以前轻 交通路面设计理论和方法的简单外延

3、,与重交通路面的要求尚有较大距离。 重轴 载和大交通量的情况下,半刚性基层路面出现了许多问题,其路面结构设计理论和方法参数有待研究。我国半刚性基层路面结构设计时采用以路表弯沉、结构层底拉应力为控制指标。 结合调查路段的路面结构和实际的使用状况 , 以及国内外半刚性基层沥青路面实 体工程设计 , 半刚性基层沥青路面的承载能力主要依靠半刚性基层。因此承载能 力改变时主要通过改变基层的厚度来实现。沥青面层的厚薄主要考虑道路等级 (交通量 的影响 , 为此 , 可得出半刚性基层沥青路面典型结构沥青面层、基层、底 基层厚度改变的基本原则。1 沥青面层总厚度控制在 616cm 。对相同交通等级 , 不同的

4、路基等级 , 基层 (或底基层 厚度不同 ; 不同的交通等级 , 相同的土基等级要改变沥青面层的厚度2 基层 (或底基层 厚度变化尽可能考虑施工因素 , 即施工作业次数最小。3 不同的交通等级 , 主要改变基层或底基层的厚度。4 材料选择应结合当地实际 , 基层一般采用水泥(石灰稳定粒料。在路面设计方面,除了 AASHTO 设计方法采用 PSI (现有路况功能指标以外分为两大类:以路表车辙、各结构层底拉应变(应力和土基顶面压应变为设计指标。以路表弯沉、结构层底拉应力为设计控制指标第一类设计控制指标为国外大多数国家所采用 ,第二类控制指标的使用以中国为代表,国外较少使用 . 存在问题:重轴载和大

5、交通量的情况下,半刚性基层路面出现了许多问题,其路面结构设计理论和方法参 数有待研究。长寿命沥青路面的设计理念:永久性路面结构设计采用以力学为基础的设计方法。 力学方法设计基于层状弹性 理论,设计要达到三个目标:(1不出现结构性破坏,包括结构性裂缝和结构性车辙;(2路面破坏仅发生在路面表层,且能迅速修复;(3定期的路面磨耗层养护、检修和更换能使路面结构达到长寿命(超过 50年 。设计理念:选用面层底面在荷载重复作用下的拉应变以及路基顶面的压应力或压 应变作为设计指标,结合考虑了交通参数、环境因素、土基状况、材料特性进行 结构设计,以沥青面层的疲劳开裂以及永久性变形作为沥青路面的主要损坏模 式,

6、通过定期更换路面磨耗层达到长寿命。长寿命路面的破坏主要是磨耗层自上而下的功能性破坏。 路面设计时, 将上面层 设计成功能层, 将中下面层、 基层设计为结构的承重层。 永久性路面获得长寿命 的前提就是有足够厚的 HMA 面层铺筑在充分稳固的路基之上, 这种结构设置型 式能够有效防止发源自路面底部的结构性破坏, 众所周知, 结构性破坏维修起来 相当麻烦且需要大量资金、物力、人力。各结构层材料特点:半刚性基层路面:改 性 沥 青 SM A -13 4cm改 性 沥 青 Sup-19 8cm重 交 沥 青 Sup-25 8cm水 泥 稳 定 碎 石 40cm石 灰 土 15cm土 基15时不同荷载作用

7、下半刚性基层路面各结构层最大拉应力值变化如图: 15时不同荷载条件下半刚性基层路面各结构层最大拉应力值对比 由图中, 随着荷载的增加沥青面层表面最大拉应力成减小的趋势, 水泥稳定碎石 基层底部最大拉应力随着路面荷载的增加而增加, 荷载增加 43%时, 层底最大弯 拉应力增长幅度达 170%。 可见重载情况下基层层底拉应力 (应变 大幅度增加。 半刚性基层由于其自身材料性质, 抵抗拉应变的能力较差, 在重载作用下基层很 容易发生疲劳破坏。相同面层结构,沥青稳定基层层底拉应力在同样轴载的作用下小于半刚性基层, 且其随轴载的变化率小于半刚性基层。 因此长寿命沥青路面对重载有较好的使用 性能。而半刚性

8、基层路面对于较低荷载具有较好的经济性。 图 15不同荷载下路面各结构层拉应力变化图新规范沿袭了 1986年规范的基本框架和指标,采用设计弯沉代替原先采用的容 许弯沉, 分别给出了适合于碎砾石基层和半刚性基层地弯沉控制指标, 考虑了相 应于不同指标的荷载换算。规范以路面的设计弯沉、沥青面层底面的弯拉应力、 基层底面的弯拉应力为设计的控制指标。 结构设计及其验算采用按多层弹性体理 论编制的专用设计程序,使用简单,便于掌握。根据典型路面结构说明各自的适用性和特点:磨耗层 7.5cm SMA19 沥青 PG76-22联结层 7.5cm 最大公称粒径 19mm 沥青 PG76-2220cm 最大公称粒径

9、 19mm 沥青 PG70-22抗疲劳层 5cm Superpave12.5 沥青 PG64-2220cm 石灰稳定土 2001年平均日交通量 12,400辆 , 卡车占 36%;预计 2021年平 均日交通量 23,100辆7.5cm SMA 19 沥 青 PG 76-227.5cm 最 大 公 称 粒 径 19m m 沥 青 PG 76-2220cm 最 大 公 称 粒 径 19m m 沥 青 PG 70-225cm Superpave12.5 沥 青 PG 64-2220cm 石 灰 稳 定 土土 基结构分析 :该结构为典型的长寿命沥青路面结构,7.5cm 厚的 SMA19直接与外界接触

10、承受着荷载,日照,雨水等的作用,具有耐 磨耗、抗剪、抗车辙、抗老化等功能。联结层 为 7.5cm 最大公称粒径 19mm 选用沥青 PG76-22混合料, 采用高模量沥 青主要考虑该层剪力较集中,该层的作用是传递和分散传递荷载,20cm 最大公称粒径 19mm 沥青 PG70-22混合料基层,主要作用是承重抗变形, 外荷载作用下, 该层拉应力较大, 因此采用较低模量的沥青以提高其抗疲劳能力。 抗疲劳层 5cm Superpave12.5 沥青 PG64-22底基层, 该层在外荷作用下拉应力达 到各结构层中最大因此采用 PG64-22低模量沥青目的是防止疲劳破坏,另外低 模量的沥青混合料具有很好

11、的抗永久变形的能力可以避免石灰稳定土产生的裂 缝向上反射。各结构层材料分析:路面维护养护方面:综合分析:结论面层类型选择面层直接经受行车荷载和气候因素的作用 , 应具有较高的强度和稳定性 , 而且要 防渗 , 其表面还应有良好的平整度和粗糙度。 除承载能力外 , 半刚性路面的行驶质 量或使用性能主要取决于沥青面层 , 要求沥青面层裂缝少、车辙轻、平整、抗滑 性能好和经久耐用。沥青面层能否达到这些使用要求 , 与所用沥青、沥青混合料 的类型和性质以及沥青面层的厚度有密切的关系 , 应该根据各种沥青混合料的特 性来选择合适的面层结构。表面层沥青表面层直接遭受大气因素和行车荷载的作用 , 是最重要的

12、层次 ; 表面层应该 具有良好的温度稳定性 , 低温时具有良好的抗裂性能和抗温度疲劳裂缝的能力。 另外 , 表面层还应该具有不透水性 , 防止自由水由表面透入路面结构层及自由水 较长时间停滞在表面层内 , 以保证路面耐久性。中面层和底面层沥青路面的中面层和底面层的设计应充分考虑沥青混合料的抗永久变形能力 (车 辙 , 即沥青混合料的高温稳定性。 这是因为车辙可能发生在表面层 , 也可能发生 在中下面层 ; 这与荷载的大小、 厚度有很大关系。 荷载越大 , 荷载的影响深度也越 大 , 中下面层产生车辙的可能性就越大。作为路面的基层 , 必须具备有足够的强度和刚度、水稳定性、抗冲刷能力、收缩 性小

13、、平整度和与面层结合良好等基本条件。国内外的经验表明 :沥青路面的整 体承载力完全可以通过半刚性基层材料予以满足 , 沥青面层仅起功能性作用。因 此 , 当半刚性基层达到一定的厚度时 , 增加沥青路面的厚度对路面整体承载力提 高很少。有关资料表明半刚性基层沥青路面厚度从 9 cm 增加到 15 cm 对路面整体 承载力无影响。综合分析:损坏形式分析:半刚性基层路面， 半刚性基层路面， 早期主要损坏现象1 研究认为,我国的沥青路面的早期破坏主要发生在通车不超过3年内。 根据国 内外沥青路面的早期破坏特点进行分析,可以总结如下。 (1 沥青路面裂缝 半刚性基层本身的温缩和干缩特性产生裂缝,并使沥青

14、面层 产生反射裂缝,在温度、车辆荷载以及水的综合作用下,加速路面结构的破坏。 (2水损坏 结构中有水时,在车辆荷载的作用下产生动水压力,造成沥青混合料 和半刚性基层路面冲刷破坏，导致结构发生破坏。 (3 车辙病害 车辙等沥青路面的流动变形是最常见的路面损坏现象,与开裂、 水损坏相比,车辙的危害性最大,直接威胁交通安全。 半刚性基层沥青路面对重载车来说具有更大的轴载敏感性。 重载车换算为标 准轴载时对柔性基层通常是按四次方换算， 对半刚性基层而言随着基层和沥青层 模量比的增大，换算荷载很达到10次方以上，轴载增加一倍对柔性基层的换算轴 次是增大16倍，而半刚性基层达到上千倍。也就是说，同样的超载

15、对半刚性基层 沥青路面的危害要远远大于对柔性基层沥青路面的危害，对路面的损伤也大得 多。 半刚性基层损坏后没有愈合的能力，且很难进行修补，只有挖除重建，这给半刚 性基层路面的维修造成极大的不便。 半刚性基层的干缩和温缩开裂及由此引起的沥青路面的反射裂缝，实难避免。 半刚性基层沥青路面反射裂缝产生的最根本原因在于外界因素， 即湿度和温度变 化导致半刚性基层干缩和温缩开裂裂缝尖端应力重分布，使其端部应力集中， 从而使紧靠裂缝顶端的面层底部先开裂 底部开裂的沥青面层在交通及环境荷载 作用下，裂缝进一步向上扩展、延伸，最后形成贯通面层的反射裂缝 温缩： 影响半刚性基层温缩性质的因素既多又复杂, 主要有

16、温差、材料的温缩系数、弹 性模量和极限拉应变、基层长度和厚度、阻力系数及材料的徐变等。本文分析表 明, 选择温缩性小、 极限拉应变大的路面材料是控制半刚性基层温缩裂缝的有效 措施。昼夜温差引起疲劳破坏。气温骤降和季节性温度变化,尤其是负温冰冻的 作用,易引起温度裂缝。 干缩：干缩也是导致半刚性基层先开裂的一个重要因素 对于无合适养生的半刚性基层，特别是干缩性大的稳定细粒土基层，在混合料 抗拉强度还未完全形成前，基层失水过多会产生很大的干缩应力，极易产生干缩 裂缝 国外有学者通过对基层干缩温缩裂缝空间分布的量化分析, 认为数量多宽度小 的裂缝比数量少宽度大的裂缝有益于路面的长期稳定, 还有学者利

17、用环形试件 研究了水泥稳定材料干缩的全过程, 指出水泥稳定材料早期干缩在总体积中的 比例可达50%。 改善半刚性基层的温干缩性质 造成半刚性基层沥青反射裂缝的一个重要原因是半刚性基层的自身开裂因此， 要减少其自身的开裂就应该努力降低其温缩干缩系数 1） 尽量使用骨架密实结构矿料级配 2） 由于细料比表面大，所以半刚性基层材料中细料越多，材料内部孔隙也就越 多， 从而在水作用下其收缩也就越大， 所以要控制粒料中细料含量和塑性指数 通 过0.075 mm 筛孔的细料含量控制在约5 % 7 %；细土的塑性指数应尽可能地小， 不宜大于4 3）在满足要求的情况下，用最小水泥剂量因为随着水泥用量增加，其收缩也 随之增加必要时，在水泥稳定料中使用减水剂在面层和基层之间