长寿命沥青路面报告

1、 长 寿 命 沥 青 路 面长寿命沥青路面关键技术研究长寿命沥青路面关键技术研究changshouming liqinglumian guanjian jishuyanjiu报告人：申爱琴报告人：申爱琴（教授（教授 博士生导师）博士生导师）长安大学长安大学 公路学院公路学院 长 寿 命 沥 青 路 面长寿命沥青路面关键技术研究长寿命沥青路面关键技术研究主要内容主要内容1 1 长寿命沥青路面发展及研究现状长寿命沥青路面发展及研究现状2 2 长寿命沥青路面设计理论及设计指标长寿命沥青路面设计理论及设计指标3 3 长寿命沥青路面结构设计长寿命沥青路面结构设计4 4 长寿命沥青路面结构层材料设计长寿命

2、沥青路面结构层材料设计5 5 长寿命沥青路面层间处治技术长寿命沥青路面层间处治技术6 6 长寿命沥青路面经济效长寿命沥青路面经济效益分析益分析 长 寿 命 沥 青 路 面 1 长寿命沥青路面发展及研究现状长寿命沥青路面发展及研究现状 长 寿 命 沥 青 路 面1.1 前言前言- 近年来我国高速公路里程增长迅速。近年来我国高速公路里程增长迅速。 2000年底，高速公路通车年底，高速公路通车总里程已达到总里程已达到1.6万公里，万公里，我国高速公路总里程跃居我国高速公路总里程跃居世界第三位；世界第三位；2002年底，我国高速公路年底，我国高速公路通车总里程已达到通车总里程已达到2.52万万公里公里

3、,跃居世界第二位；跃居世界第二位；截止到截止到2004年底，我国高年底，我国高速公路通车里程已超过速公路通车里程已超过3.4万公里，保持世界第二。万公里，保持世界第二。 长 寿 命 沥 青 路 面1.1 前言前言- 我国所建高速公路中我国所建高速公路中90%以以上为半刚性沥青路面结构。上为半刚性沥青路面结构。 存在一系列问题：存在一系列问题： 长 寿 命 沥 青 路 面1.2 长寿命路面的设计理念长寿命路面的设计理念（1）传统路面存在的问题）传统路面存在的问题 - 采用半刚性基层结构采用半刚性基层结构(结构单一结构单一) ; - 面层厚度比国外的薄面层厚度比国外的薄(总厚度相当总厚度相当);

4、- 路面的破坏形式与设计指标不一致路面的破坏形式与设计指标不一致 - 易出现结构性破坏，修复困难易出现结构性破坏，修复困难.（2）长寿命路面的特点）长寿命路面的特点 - 沥青面层厚度大沥青面层厚度大; - 服务周期长服务周期长(超过超过50年年); - 维修方便且费用低维修方便且费用低 长 寿 命 沥 青 路 面（3）长寿命沥青路面设计理念）长寿命沥青路面设计理念 按功能合理设计结构层按功能合理设计结构层 基本前提基本前提: - HMA 路面足够厚路面足够厚,以消除自下而上的路面破坏。以消除自下而上的路面破坏。 结构结构 - 路面必须有合适的厚度和刚度以抵抗变形路面必须有合适的厚度和刚度以抵抗

5、变形, - 具有足够厚度和良好性能以抵抗自基层底的疲劳开裂。具有足够厚度和良好性能以抵抗自基层底的疲劳开裂。 功能功能 - 上面层设计主要考虑抗车辙能力和抗磨耗能力上面层设计主要考虑抗车辙能力和抗磨耗能力; - 中间层设计主要考虑抗车辙能力中间层设计主要考虑抗车辙能力; - 基层设计主要考虑抗疲劳能力基层设计主要考虑抗疲劳能力. 长 寿 命 沥 青 路 面1.3 国外长寿命路面的发展及现状国外长寿命路面的发展及现状1.3.1 欧洲永久性路面欧洲永久性路面（1）使用寿命）使用寿命40年年（2）裂缝）裂缝 - 裂缝产生于沥青面层表面并由上向下发展；裂缝产生于沥青面层表面并由上向下发展； - 绝大多

6、数为纵向裂缝绝大多数为纵向裂缝,位置在轮迹两侧位置在轮迹两侧,也有横向表也有横向表面裂缝面裂缝,但很少见。但很少见。 长 寿 命 沥 青 路 面（3）车辙）车辙 1997 年年Nunn等人发现等人发现,厚沥青路面存在一个厚度厚沥青路面存在一个厚度上限上限,超过这个超过这个 限值自下而上的疲劳开裂和结构限值自下而上的疲劳开裂和结构性车辙都不会发生。性车辙都不会发生。 长 寿 命 沥 青 路 面1.3.1 欧洲永久性路面欧洲永久性路面（4）疲劳寿命）疲劳寿命 - 数据统计分析表明数据统计分析表明,90%多的残余寿命差别是由沥青用量和沥青硬度的不多的残余寿命差别是由沥青用量和沥青硬度的不同而引起的同

7、而引起的,沥青的老化则是疲劳寿命差异的主要影响因素。沥青的老化则是疲劳寿命差异的主要影响因素。（5）沥青的养生）沥青的养生 - 主要结构层的逐渐硬化对道路有利主要结构层的逐渐硬化对道路有利, - 确切地说确切地说,沥青的老化是一种养生过程。沥青的老化是一种养生过程。 - 不希望磨耗层过度老化不希望磨耗层过度老化, 会导致路面从表层开裂。会导致路面从表层开裂。 - 基层使用的沥青针入度为基层使用的沥青针入度为100,20年后其针入度会降至年后其针入度会降至20甚至更低。甚至更低。TRL对对AC养生研究表明养生研究表明:道路在使用期间沥青碎石基层劲度会逐渐增长至原来道路在使用期间沥青碎石基层劲度会

8、逐渐增长至原来的的4倍或者更高倍或者更高,这种变化对长寿命路面的设计有重大意义。这种变化对长寿命路面的设计有重大意义。 长 寿 命 沥 青 路 面1.3.1 欧洲永久性路面欧洲永久性路面（6）路面强度）路面强度 - 沥青在养生作用下道路劲度随时间增加，路段弯沉随时间而减小；沥青在养生作用下道路劲度随时间增加，路段弯沉随时间而减小； - 施工良好的厚沥青路面荷载扩散能力提高，沥青基层不会出现因交通施工良好的厚沥青路面荷载扩散能力提高，沥青基层不会出现因交通诱发的破坏。诱发的破坏。（7）材料选择）材料选择 - 英国硬质沥青的使用是与长寿命路面结构的使用相结合；英国硬质沥青的使用是与长寿命路面结构的

9、使用相结合； - 采用刚度更大的基层材料，如采用刚度更大的基层材料，如HMB15、HMB25、HMB35三种高模量三种高模量沥青混合料。沥青混合料。 长 寿 命 沥 青 路 面1.3.2 美国永久性路面美国永久性路面（1）欧洲设计理念的延续和发展）欧洲设计理念的延续和发展（2）使用寿命）使用寿命50年，罩面层年，罩面层1520年以后进行修复年以后进行修复（3）结构形式）结构形式 - 全厚式沥青混凝土路面和高强度厚沥青路面的发展。全厚式沥青混凝土路面和高强度厚沥青路面的发展。 长 寿 命 沥 青 路 面1.3.2 美国永久性路面美国永久性路面（4） 疲劳裂缝疲劳裂缝 实例：实例：新泽西州建于新泽

10、西州建于1968年的州际公路年的州际公路I-287,面层厚度是面层厚度是10in.(25.4cm)。1993 年的路面调查发现年的路面调查发现,路表出现很多裂缝路表出现很多裂缝,但现但现场取芯表明裂缝深度大都在场取芯表明裂缝深度大都在3英寸英寸(7. 62 cm)之内之内,没有由下向上发没有由下向上发展的疲劳裂缝。展的疲劳裂缝。 （5）提出疲劳极限的概念）提出疲劳极限的概念 - 沥青面层或沥青碎石基层在层底拉应变很小时沥青面层或沥青碎石基层在层底拉应变很小时,可以承受相当多数可以承受相当多数量的荷载作用而不发生疲劳破坏量的荷载作用而不发生疲劳破坏, - 沥青混合料的疲劳应变小于沥青混合料的疲劳

11、应变小于“应变下限应变下限”时时,材料内部将不发生疲材料内部将不发生疲劳损坏的累积。劳损坏的累积。 长 寿 命 沥 青 路 面（6）路面设计方法）路面设计方法力学经验路面设计方法力学经验路面设计方法 特点：特点： - 把路面结构设计同材料的选择和施工结合起来考虑；把路面结构设计同材料的选择和施工结合起来考虑；- 考虑到路面损坏分析是材料性能、温度、水和荷载的相互作用结果；考虑到路面损坏分析是材料性能、温度、水和荷载的相互作用结果；- 提供更精确的设计、提高路面寿命、提供费用提供更精确的设计、提高路面寿命、提供费用-效益合理的设计，效益合理的设计，- 具有特殊的分析能力，如不同的损坏、特殊荷载、

12、路面损坏调查评具有特殊的分析能力，如不同的损坏、特殊荷载、路面损坏调查评价等。价等。 长 寿 命 沥 青 路 面1.3.3 其它国家长寿命路面其它国家长寿命路面 - 除了美国和欧洲，加拿大、澳大利亚甚至南非等许多国除了美国和欧洲，加拿大、澳大利亚甚至南非等许多国家都在对长寿命路面进行广泛的研究，并取得了一定成果。家都在对长寿命路面进行广泛的研究，并取得了一定成果。 - 到目前为止到目前为止,永久性路面设计方法在设计参数、设计标准永久性路面设计方法在设计参数、设计标准上还没有一个统一的标准上还没有一个统一的标准,仍处在发展完善阶段。仍处在发展完善阶段。 长 寿 命 沥 青 路 面1.4 国内长寿

13、命沥青路面研究及发展现状国内长寿命沥青路面研究及发展现状1.4.1 研究现状研究现状 - 处于长寿命沥处于长寿命沥青路面结青路面结构研究的构研究的初级探索阶初级探索阶段。段。 国内相关研究与实践国内相关研究与实践 - 西西部交通科技建设项目部交通科技建设项目“重载交通长寿命沥青路面关键技术重载交通长寿命沥青路面关键技术研究项目研究项目” - 河河南尉许高速公路是一种南尉许高速公路是一种“ 刚柔并济、优势互补刚柔并济、优势互补”的水泥混凝土的水泥混凝土与沥青混凝土（与沥青混凝土（PCC+AC）复合式路面结构，结构如图）复合式路面结构，结构如图1-1。开。开封至封至郑州高速公路、厦门环岛高速公路、

14、合肥至全椒高速公路、天津市道郑州高速公路、厦门环岛高速公路、合肥至全椒高速公路、天津市道路、国道路、国道323宜州宜州-都街段都修建有复合式路面结构。都街段都修建有复合式路面结构。 长 寿 命 沥 青 路 面图图1-1 河南尉许高速公路复合式长寿命路面结构简图河南尉许高速公路复合式长寿命路面结构简图路 基18cm厚的二灰碎石基层厚的二灰碎石基层 2cm厚的应力吸收层厚的应力吸收层 4cm 改性沥青混凝土改性沥青混凝土 28cm厚的水泥混凝土面板厚的水泥混凝土面板 1.5cm厚的防水联接层厚的防水联接层 长 寿 命 沥 青 路 面 2. 长寿命沥青路面设计理论及设计指标长寿命沥青路面设计理论及设

15、计指标 长 寿 命 沥 青 路 面2.1 国内外的沥青路面设计体系国内外的沥青路面设计体系2.1.1 基于经验的设计方法基于经验的设计方法（1）CBR法法 - 以以CBR值作为路基土和路面材料（主要是粒料）的性质指标。值作为路基土和路面材料（主要是粒料）的性质指标。- 通过对已损坏或使用良好的路面的调查和通过对已损坏或使用良好的路面的调查和CBR的测定，建立起的测定，建立起路基路基土土CBR-轮载轮载-路面结构层厚度路面结构层厚度（以粒料层总厚度表征）三者间的经验（以粒料层总厚度表征）三者间的经验关系。关系。 2. 长寿命沥青路面设计理论及设计指标长寿命沥青路面设计理论及设计指标 长 寿 命

16、沥 青 路 面（2）AASHTO法法 在在AASHTO试验路的基础上建立。试验路的基础上建立。 - 整理试验路的试验观测数据，得到路面结构整理试验路的试验观测数据，得到路面结构-轴载轴载-使用性能三使用性能三 者间的经验关系式。者间的经验关系式。 特点：特点： - 采用现时服务能力指数（采用现时服务能力指数（PSI）作为路面使用性能的度量指标。）作为路面使用性能的度量指标。 - 路面使用性能指标路面使用性能指标PSI,主要受平整度的影响，与裂缝、车辙、修补主要受平整度的影响，与裂缝、车辙、修补等损坏的关系很小。等损坏的关系很小。 长 寿 命 沥 青 路 面2.1.2 基于力学的力学基于力学的力

17、学-经验设计方法经验设计方法 壳牌（壳牌（Shell）公司的）公司的Peattie和和Dormon提出力学提出力学-经验法经验法设计沥青路面的框架：设计沥青路面的框架：a 以弹性层状体系（三层）代表路面结构，计算分析圆形均布轮载以弹性层状体系（三层）代表路面结构，计算分析圆形均布轮载作用下结构内各特征点的应力、应变和位移值作用下结构内各特征点的应力、应变和位移值;b 以沥青面层的疲劳开裂以及路基土和粒料层的过量永久性变形作以沥青面层的疲劳开裂以及路基土和粒料层的过量永久性变形作为沥青路面的主要损坏模式，为沥青路面的主要损坏模式，c 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选用面

18、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。或压应变作为设计指标。 长 寿 命 沥 青 路 面Shell法采用的三层弹性体系路面模型法采用的三层弹性体系路面模型 在第四届在第四届(1977)和第五届和第五届(1982) 沥青路面结构设计国际会议上，沥青路面结构设计国际会议上， 各国分别提出了十余种以力学经验法为基础的设计方法。各国分别提出了十余种以力学经验法为基础的设计方法。 长 寿 命 沥 青 路 面力学经验法设计方法示例力学经验法设计方法示例 结构路面模型损坏模型环境路面材料Shell多层弹性疲劳（沥青、水泥稳定层）车辙（路基应变、沥青层）温度沥青混凝土、水泥稳

19、定基层、粒料美国AI多层弹性疲劳（沥青层）车辙（路基应变）温度冻融沥青混凝土、乳化沥青基层、粒料南非NITRR多层弹性或粘弹性疲劳（沥青、水泥稳定层）车辙（路基应变、粒料层剪切）温度断级配沥青混合料、沥青混凝土、水泥稳定粒料、粒料美国联邦公路局多层弹性疲劳（沥青、水泥稳定层）车辙（路表PSI）温度沥青混凝土、水泥稳定粒料、粒料、硫化处治材料英国诺丁汉大学多层弹性疲劳（沥青、水泥稳定层）车辙（路基应变）温度热碾沥青层、沥青混凝土、粒料法国LPC多层弹性疲劳（沥青、水泥稳定层）车辙温度沥青混凝土、沥青稳定基层、水泥稳定粒料、粒料比利时多层弹性疲劳（沥青、水泥稳定层）车辙温度沥青混凝土、沥青稳定基层

20、、粒料 长 寿 命 沥 青 路 面沥青路面结构设计框图沥青路面结构设计框图 长 寿 命 沥 青 路 面2.2 目前的沥青路面的早期损坏类型及结构损坏模式目前的沥青路面的早期损坏类型及结构损坏模式2.2.1 沥青路面的早期损坏类型沥青路面的早期损坏类型 （1）第一类早期损坏往往发生在通车后不久，有的是当）第一类早期损坏往往发生在通车后不久，有的是当年，年， 有的在有的在13年内发生年内发生 。 特点：特点： a、局部性；、局部性； b、通常行车道首先发生；、通常行车道首先发生； c、强烈的时间特性；、强烈的时间特性； d、通过及时的局部性的维修和铣刨加铺可以得到缓解。、通过及时的局部性的维修和铣

21、刨加铺可以得到缓解。 长 寿 命 沥 青 路 面（2）第二类早期损坏）第二类早期损坏 由深层次原因导致的早期损坏，与我国采用较薄沥青由深层次原因导致的早期损坏，与我国采用较薄沥青层的半刚性基层沥青路面结构有关。层的半刚性基层沥青路面结构有关。 - 薄沥青层从长远来说，无法防止开裂，无法防止各种途径地水薄沥青层从长远来说，无法防止开裂，无法防止各种途径地水地进入，又不能迅速地排除水，尤其是在严重的超限超载车辆通地进入，又不能迅速地排除水，尤其是在严重的超限超载车辆通行的路段，超载和水的共同作用使沥青路面在短时间内发生较严行的路段，超载和水的共同作用使沥青路面在短时间内发生较严重的损坏，且导致基层

22、结构的损坏。重的损坏，且导致基层结构的损坏。 长 寿 命 沥 青 路 面2.2.2 路面结构损坏模式路面结构损坏模式 传统沥青混凝土路面结构损坏模式传统的沥青混凝土传统沥青混凝土路面结构损坏模式传统的沥青混凝土路面损坏类型最主要的是疲劳开裂和永久变形这两类路面损坏类型最主要的是疲劳开裂和永久变形这两类,传统沥青混凝土路面结构损坏模式传统沥青混凝土路面结构损坏模式 长 寿 命 沥 青 路 面2.2.2 路面结构损坏模式路面结构损坏模式（1）车辙）车辙 - 一种是车辙只发生在沥青面层一种是车辙只发生在沥青面层,为表面车辙为表面车辙; - 另一种车辙产生于土基另一种车辙产生于土基,为结构性变形。为结

23、构性变形。 对道路的车辙产生速率的调查结果：对道路的车辙产生速率的调查结果： - 沥青层厚小于沥青层厚小于180mm时，车辙率较大；时，车辙率较大； - 沥青其厚度大于沥青其厚度大于180mm时时, 车辙速率会迅速降低。车辙速率会迅速降低。 对厚沥青面层道路对厚沥青面层道路,调查表明：调查表明： - 车辙的大部分主要发生在沥青层表面车辙的大部分主要发生在沥青层表面 。 长 寿 命 沥 青 路 面车辙车辙 长 寿 命 沥 青 路 面（2）疲劳开裂）疲劳开裂定义：定义： - 疲劳开裂是指在荷载重复作用下沥青混凝土面层底面弯拉应变引起的疲劳开裂是指在荷载重复作用下沥青混凝土面层底面弯拉应变引起的开裂

24、开裂,并且由下而上发展直至贯穿整个沥青混凝土面层并且由下而上发展直至贯穿整个沥青混凝土面层,造成路面损坏。造成路面损坏。如图如图2-5。 数据统计分析表明：数据统计分析表明： - 90 %多的残余寿命差别是由沥青用量和沥青硬度的不同而引起的，沥多的残余寿命差别是由沥青用量和沥青硬度的不同而引起的，沥青的老化则是疲劳寿命差异的主要影响因素。青的老化则是疲劳寿命差异的主要影响因素。 计算表明：计算表明： - 基层弹性劲度随沥青的老化增加，扩散荷载的能力也逐渐提高，从而基层弹性劲度随沥青的老化增加，扩散荷载的能力也逐渐提高，从而减小了车辆荷载引起的、导致路面疲劳的基层拉应变。减小了车辆荷载引起的、导

25、致路面疲劳的基层拉应变。 长 寿 命 沥 青 路 面沥青路面疲劳开裂沥青路面疲劳开裂 长 寿 命 沥 青 路 面（3）永久变形）永久变形 定义：定义： - 在荷载重复作用下路基顶面压应变产生的不可恢复的变形量的积累。在荷载重复作用下路基顶面压应变产生的不可恢复的变形量的积累。 包括：包括： - 固结和剪切两部分固结和剪切两部分,通常在路面设计中处理。通常在路面设计中处理。 永久变形与材料的属性有关：永久变形与材料的属性有关： - 沥青混凝土沥青混凝土-累积永久变形与弹性变形的比率与重复荷载数累积永久变形与弹性变形的比率与重复荷载数N和温度和温度T及及应力值有关；应力值有关； - 粒状材料累积变

26、形与弹性变形的比率是体积和八面体剪切应力的函粒状材料累积变形与弹性变形的比率是体积和八面体剪切应力的函数；数； 长 寿 命 沥 青 路 面软土地基累积永久变形与弹性变形的比率为：软土地基累积永久变形与弹性变形的比率为： log(p/r)= a0 + b0 logN 其中其中, a0和和b0为常数。为常数。 永久变形与车辆荷载作用轴次关系最初是由永久变形与车辆荷载作用轴次关系最初是由Monismith等人于等人于1975 年提出的，如下式所示年提出的，如下式所示:p= ANb , 其中其中,p为累积永久应变；为累积永久应变；r 为弹性变形；为弹性变形；N为作用轴次；为作用轴次；A、b为为回归参数

27、。回归参数。 长 寿 命 沥 青 路 面永久变形永久变形 长 寿 命 沥 青 路 面2.3 各国提出的长寿命沥青路面设计理念、方法、指标各国提出的长寿命沥青路面设计理念、方法、指标 随着社会发展随着社会发展,交通量和轴载的增加交通量和轴载的增加,沥青路面的诸多设计方沥青路面的诸多设计方法的局限性也愈加显化法的局限性也愈加显化 针对与解决此类问题针对与解决此类问题 诞生了基于力学的长寿命路面结构设计方法诞生了基于力学的长寿命路面结构设计方法 长 寿 命 沥 青 路 面2.3.1 基于力学的长寿命路面结构设计方法基于力学的长寿命路面结构设计方法实质：实质：-运用力学方法来分析路面结构对气候和荷载的

28、响应。运用力学方法来分析路面结构对气候和荷载的响应。 （1）Monismth1992年在年在TRB会议上提出了这种设计方法会议上提出了这种设计方法, Monismth和和Long建议控制沥青层底的弯拉应变建议控制沥青层底的弯拉应变60，基顶压应变，基顶压应变200。 长 寿 命 沥 青 路 面基于力学的路面设计流程基于力学的路面设计流程(Monismith,1992) 长 寿 命 沥 青 路 面Monismith和和Long建议建议 各层应变控制指标各层应变控制指标 行车荷载行车荷载沥青层底沥青层底弯拉应变弯拉应变 60me 基顶压应变基顶压应变 200me路基路基 长 寿 命 沥 青 路 面

29、2.3.2 基于力学的长寿命路面结构设计方法基于力学的长寿命路面结构设计方法（2）伊利诺斯州的基于力学的路面结构设计方法）伊利诺斯州的基于力学的路面结构设计方法 - 以以ILLI_PAVE程序的有限元分析结果为基础程序的有限元分析结果为基础,采用了一个控制应变采用了一个控制应变的疲劳方程的疲劳方程,这个疲劳方程可以用来控制这个疲劳方程可以用来控制HMA层的配合比、拉应力和层的配合比、拉应力和路用性能。路用性能。 - 这种设计方法已经被伊利诺斯州交通运输部这种设计方法已经被伊利诺斯州交通运输部(IDOT)所采纳。所采纳。（3）以明尼苏达公路研究课题采集的数据为基础）以明尼苏达公路研究课题采集的数

30、据为基础,明尼苏明尼苏达州制定了一种力学设计方法。达州制定了一种力学设计方法。 用层状弹性理论程序用层状弹性理论程序WESLEA计算路面结构在荷载下的响应。计算路面结构在荷载下的响应。 长 寿 命 沥 青 路 面2.3.2 基于力学的长寿命路面结构设计方法基于力学的长寿命路面结构设计方法（4）英国的设计方法）英国的设计方法 - 以计算结构层中临界位置的响应为理论基础。以计算结构层中临界位置的响应为理论基础。 Nunn 等人认为，等人认为， - Nunn 等人在等人在1997年发现，沥青路面面层存在一个厚度极限，在施年发现，沥青路面面层存在一个厚度极限，在施工良好的道路中，超过这个厚度限值，由下

31、到上的疲劳开裂和结构性工良好的道路中，超过这个厚度限值，由下到上的疲劳开裂和结构性的车辙都可避免。的车辙都可避免。 - 当累计标准轴载作用次数当累计标准轴载作用次数(ESAL)超过超过8000万次时，沥青面层厚度万次时，沥青面层厚度不再需要增加。不再需要增加。 - 在沥青面层层底存在一个极限弯拉应变水平，当层底应变处于这在沥青面层层底存在一个极限弯拉应变水平，当层底应变处于这个水平以下时疲劳损坏就不会发生。个水平以下时疲劳损坏就不会发生。 长 寿 命 沥 青 路 面长寿命沥青混凝土路面设计原理长寿命沥青混凝土路面设计原理 考虑国内提出的抗剪概念的长寿命沥青混凝土路面设计原理图考虑国内提出的抗剪

32、概念的长寿命沥青混凝土路面设计原理图 长 寿 命 沥 青 路 面 3. 长寿命沥青路面结构设计长寿命沥青路面结构设计 长 寿 命 沥 青 路 面3.1 长寿命沥青路面结构分层以及各层功能特点长寿命沥青路面结构分层以及各层功能特点 长寿命沥青路面结构设计要达到三个目标：长寿命沥青路面结构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；）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；）路面破坏仅发生在路面表层，且能迅速修复；（3）定期的路面表层养护、检修和更换能使路面结构达到）定期的路面表层养护、检修和更换能使路面结构达到长寿命

33、（超过长寿命（超过50年）。年）。 长 寿 命 沥 青 路 面3.1 长寿命沥青路面结构分层以及各层功能特点长寿命沥青路面结构分层以及各层功能特点 - 长寿命路面的破坏主要是磨耗层自上而下的功能性破坏。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，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。构的承重层。 - 结构具体分层：结构具体分层： 由路基顶面向上长寿命沥青路面由由路基顶面向上长寿命沥青路面由HMA基层、基层、HMA中间层和磨耗层中间层和磨耗层三部分组成。三部分组成。 长 寿 命 沥 青 路 面

34、长寿命沥青路面结构示意图长寿命沥青路面结构示意图 长 寿 命 沥 青 路 面 3.1.1 结构要点结构要点 (1) 轮载下轮载下100150mm区域是高受力区域区域是高受力区域,也是各种损坏也是各种损坏(主要是主要是车辙车辙)易发区域易发区域;(2) 磨耗层（面层）：磨耗层（面层）：4075mm高性能沥青混凝土，为车辆提供高性能沥青混凝土，为车辆提供良好的行驶界面良好的行驶界面, 应具有足够的表面构造深度，抗车辙、水稳应具有足够的表面构造深度，抗车辙、水稳定性好定性好;(3) HMA中间层：中间层：100175mm高模量抗车辙沥青混凝土，起到高模量抗车辙沥青混凝土，起到连接和扩散荷载的作用连接

35、和扩散荷载的作用, 应具有高模量应具有高模量(刚度刚度)、抗车辙特性、抗车辙特性; 长 寿 命 沥 青 路 面3.1.1 结构要点结构要点(4) HMA基层：基层：75100mm高柔性抗疲劳沥青混凝土，起到消除疲劳破高柔性抗疲劳沥青混凝土，起到消除疲劳破坏的作用坏的作用, 最大拉应变产生在最大拉应变产生在HMA基层底部基层底部, 该区域最易发生疲劳破该区域最易发生疲劳破坏，所以该层应具备柔性高、抗疲劳能力强、水稳定性好等优点坏，所以该层应具备柔性高、抗疲劳能力强、水稳定性好等优点;(5) 路面基础不仅为沥青面层的铺筑提供良好的界面路面基础不仅为沥青面层的铺筑提供良好的界面, 而且对于路面的变而

36、且对于路面的变形、抗冻都是至关重要的。形、抗冻都是至关重要的。 长 寿 命 沥 青 路 面3.1.2 HMA基层受力特性基层受力特性 取两个结构作为研究对象分析取两个结构作为研究对象分析结构二结构二结构一结构一路面厚度：路面厚度：60cm沥青层厚：沥青层厚：40cm路面厚度：路面厚度：78cm沥青层厚：沥青层厚：37cm 长 寿 命 沥 青 路 面3.2 国外长寿命沥青路面结构设计国外长寿命沥青路面结构设计3.2.1 各国长寿命沥青路面结构设计年限各国长寿命沥青路面结构设计年限单位单位西费吉尼亚西费吉尼亚堪萨斯州堪萨斯州俄亥俄州俄亥俄州华盛顿华盛顿威斯康星威斯康星州州犹他州犹他州加利福尼亚加利

37、福尼亚年限年限4030354050305035单位单位科罗拉多州科罗拉多州伊利诺斯州伊利诺斯州夏威夷夏威夷AASHTO（1993）俄勒冈州俄勒冈州FHWA西班牙西班牙年限年限4040305030503035不小于不小于3530单位单位德国德国英国英国法国法国南非南非日本日本加拿大加拿大澳大利亚澳大利亚年限年限30404030402040204030402040 各国长寿命沥青路面结构设计年限各国长寿命沥青路面结构设计年限 长 寿 命 沥 青 路 面3.2.2 美国长寿命沥青路面设计实例美国长寿命沥青路面设计实例 长 寿 命 沥 青 路 面3.2.2 密歇根州永久性路面设计推荐结构密歇根州永久性

38、路面设计推荐结构20年设计交通量，SAL1063102030总沥青层厚度290345370405SMA厚度（mm）3565Supempave厚度（mm）5050联结层厚度（mm）11590140115140125150HMA基层厚度（mm）125150155180165180190集料基层厚度（mm）330430集料底基层厚度（mm）380250非冰冻敏感路基土厚（mm）345315220200维修1年20151515铣刨一罩面厚度50501006511565115维修2年32303030铣刨一罩面厚度（mm）5050505075 长 寿 命 沥 青 路 面3.2.3 俄亥俄州结构设计实例俄亥

39、俄州结构设计实例临界拉应变临界拉应变=70， 结构设计参数如表。结构设计参数如表。材料材料模量模量泊松比泊松比厚度厚度SMA PG76-22M（设计空隙率（设计空隙率3.5%）E=3450MPa=0.354cmSuperpave 19 PG7622M（设计空隙率（设计空隙率4%）E=3450MPa=0.354.5cm联结层联结层PG64-22（302，设计空隙率，设计空隙率4.5%）E=3450MPa=0.35设计层设计层抗疲劳层抗疲劳层 PG64-22（302，设计空隙率，设计空隙率3%）E=3450MPa=0.3510cm集料基层集料基层E=140MPa=0.415cm路基路基CBR=4,

40、5,6=0.45Wayne US 30道路永久路面结构设计参数道路永久路面结构设计参数 长 寿 命 沥 青 路 面StarkI-77结构设计参数结构设计参数材材 料料厚厚 度（英寸）度（英寸）Superpave12.5 PG76-22M（设计空隙率（设计空隙率3.5%）4cmSuperpave 19 PG76-22M(设计空隙率设计空隙率4.0%)4.5cm联结层联结层 PG58-28（设计空隙率（设计空隙率4.0%，30%再生料）再生料）25cm抗疲劳层抗疲劳层 PG58-28（302，设计空隙率，设计空隙率3.0%）10cm集料基层集料基层15cm路基层路基层 长 寿 命 沥 青 路 面3

41、.2 国内长寿命沥青路面结构设计探索国内长寿命沥青路面结构设计探索 - 全厚式沥青路面建设费用高，短期内在我国推广不现实。全厚式沥青路面建设费用高，短期内在我国推广不现实。 - 如何研究设计适合我国经济技术条件、自然条件、资源条件的长寿命如何研究设计适合我国经济技术条件、自然条件、资源条件的长寿命沥青路面是我们要解决的主要问题。沥青路面是我们要解决的主要问题。 - 我国在长寿命沥青路面方面的研究正逐步深入，国内一些科研机构如我国在长寿命沥青路面方面的研究正逐步深入，国内一些科研机构如长安大学、东南大学、交通部公路科学研究所、江苏交通科学研究院长安大学、东南大学、交通部公路科学研究所、江苏交通科

42、学研究院等都对此进行了研究，铺筑了试验路，也取得了不少成就。等都对此进行了研究，铺筑了试验路，也取得了不少成就。 长 寿 命 沥 青 路 面3.2.2 江苏省沿江高速公路长寿命路面试验路结构方案江苏省沿江高速公路长寿命路面试验路结构方案 K57229耿泾河中桥耿泾河中桥 K58240 K59+481 K61+231赵市线中桥赵市线中桥 K62+850常熟一标终点常熟一标终点 图中：图中：CS水泥稳定碎石，水泥稳定碎石，ATB沥青稳定碎石，沥青稳定碎石，GRH级配碎石，级配碎石， 红色采用改性沥青。红色采用改性沥青。C/FDAC粗粗/细型密级配沥青混凝土混合料细型密级配沥青混凝土混合料 长 寿

43、命 沥 青 路 面江苏省沿江高速公路长寿命路面试验路结构江苏省沿江高速公路长寿命路面试验路结构D长寿命结构长寿命结构 长 寿 命 沥 青 路 面3.2.2 长安大学长寿命沥青路面课题长安大学长寿命沥青路面课题（1）结构设计特点：）结构设计特点：A 根据国情，混合式基层沥青路面与半刚性基层沥青路面是研究重点根据国情，混合式基层沥青路面与半刚性基层沥青路面是研究重点 。B 结合结合HPDS软件、东南大学设计软件、软件、东南大学设计软件、SHELL BISAR 3.0对结构分别对结构分别计算与验算的结果计算与验算的结果 C 结构层总厚度及沥青层厚度均有所增加，以减小由荷载产生的沥青层结构层总厚度及沥

44、青层厚度均有所增加，以减小由荷载产生的沥青层底拉应变，达到长寿命路面的设计要求底拉应变，达到长寿命路面的设计要求 （2）长安大学长寿命沥青路面课题试验路结构）长安大学长寿命沥青路面课题试验路结构课题组提出了三种结构方案，并于铺筑了试验路。课题组提出了三种结构方案，并于铺筑了试验路。 长 寿 命 沥 青 路 面三种方案对照三种方案对照 ATB-25 12cm路 基 SMA-13 4cmHMAC-20 6cmFAC-25 8cmATB-30 12cm 二灰稳定碎石二灰稳定碎石 20cm 二灰稳定碎石二灰稳定碎石 18cm路面厚度：路面厚度：68cm沥青层厚：沥青层厚：30cm方案一方案一路 基 二

45、灰稳定碎石二灰稳定碎石 20cm 改性沥青改性沥青AC-5 2cm SMA-13 4cmHMAC-20 8cm FAC-25 12cm 水泥粉煤灰碎石水泥粉煤灰碎石 20cm方案二方案二路面厚度：路面厚度：66cm沥青层厚：沥青层厚：26cm SMA-13 4cm HMAC-20 6cm FAC-25 8cm路 基ATB-30 12cm二灰稳定碎石二灰稳定碎石 16cm二灰稳定碎石二灰稳定碎石 16cm 玻璃隔栅应力吸收层玻璃隔栅应力吸收层 水泥粉煤灰碎石水泥粉煤灰碎石18cm方案三方案三路面厚度：路面厚度：68cm沥青层厚：沥青层厚：18cm 长 寿 命 沥 青 路 面3.2.3 沪宁高速公

46、路拓宽段工程试验段结构沪宁高速公路拓宽段工程试验段结构路面厚度:79cm沥青层厚:39cm路面厚度:79cm沥青层厚:37cm路面厚度:79cm沥青层厚:28cm 长 寿 命 沥 青 路 面3.2.4 山东长寿命路面结构汇总（单位：山东长寿命路面结构汇总（单位：cm) 长 寿 命 沥 青 路 面 4 长寿命沥青路面结构层材料设计长寿命沥青路面结构层材料设计 长 寿 命 沥 青 路 面 4.1 概述概述长寿命沥青路面各结构长寿命沥青路面各结构层层材料设计是保证路面良好路用性材料设计是保证路面良好路用性能的关键，能的关键，根据各结构层功能进行根据各结构层功能进行路面材料路面材料设计设计,提出材料指

47、标要求提出材料指标要求磨耗层：抵御车辙、老化、温度开裂和磨耗；磨耗层：抵御车辙、老化、温度开裂和磨耗； 中间层：抵御车辙，传递、分散荷载；中间层：抵御车辙，传递、分散荷载； 基层：承重层，抵抗层底弯拉应变基层：承重层，抵抗层底弯拉应变 。 长 寿 命 沥 青 路 面4.2 磨耗层材料设计磨耗层材料设计 4.2.1 影响因素和性能要求影响因素和性能要求 影响因素影响因素 磨耗层的具体要求依赖于交通条件、环境因素、当地的经验和经济磨耗层的具体要求依赖于交通条件、环境因素、当地的经验和经济条件。面层受到自然条件条件。面层受到自然条件 (雨水、气温、日照雨水、气温、日照) 和行车荷载的作用最和行车荷载

48、的作用最频繁频繁, 处于压应力、剪切应力集中的区域。处于压应力、剪切应力集中的区域。 性能要求性能要求 包括抗车辙性能、抗表面开裂性能、良好的抗滑性能、缓解水雾的包括抗车辙性能、抗表面开裂性能、良好的抗滑性能、缓解水雾的影响并能减小噪声等。影响并能减小噪声等。 长 寿 命 沥 青 路 面4.2.2 磨耗层材料设计方法磨耗层材料设计方法 磨耗层材料应选择磨耗层材料应选择SMA、密级配混合料或、密级配混合料或OGFC等。等。 - 在一些对抗车辙性能、耐久性、抗渗性、抗磨损性要求高的地区在一些对抗车辙性能、耐久性、抗渗性、抗磨损性要求高的地区, 可以选择可以选择SMA, 这在交通量大且载重车多的城市

49、区域尤为适用。这在交通量大且载重车多的城市区域尤为适用。 - 在交通量小且载重车比例较少的情况下在交通量小且载重车比例较少的情况下, 使用密级配混合料更为适使用密级配混合料更为适合。与合。与SMA一样一样, 它也必须满足抗车辙、抗渗、抗磨耗及气候状况的它也必须满足抗车辙、抗渗、抗磨耗及气候状况的要求。要求。 - OGFC具有优良的抗滑性能、排水性能以及减少噪声等优点。可用具有优良的抗滑性能、排水性能以及减少噪声等优点。可用于对排水有特殊要求的的情况于对排水有特殊要求的的情况 以以SMA和和OGFC配合比设计方法为例介绍磨耗层材料设计方法。配合比设计方法为例介绍磨耗层材料设计方法。 长 寿 命

50、沥 青 路 面4.2.2.1 磨耗层材料磨耗层材料SMA配合比设计配合比设计 SMA配合比设计包括：配合比设计包括： （1）材料选择）材料选择 （2）确定初试级配；）确定初试级配； （3）测定粗集料骨架间隙率）测定粗集料骨架间隙率VCADRC； （4）选择初试沥青用量；）选择初试沥青用量； （5） 根据根据VMA和和VCA确定设计级配；确定设计级配； （6）马歇尔试验并根据空隙率）马歇尔试验并根据空隙率VV确定最佳沥青用量。确定最佳沥青用量。 SMA 长 寿 命 沥 青 路 面配合比设计流程配合比设计流程SMA 长 寿 命 沥 青 路 面（1）材料选择）材料选择A 粗集料粗集料 - 采用坚硬、

51、粗糙的、有棱角的优质石料采用坚硬、粗糙的、有棱角的优质石料. - 粗集料性质必须在粗集料性质必须在公路沥青路面施工技术规范公路沥青路面施工技术规范(JTJ032) 规定的规定的抗滑表层的基础上抗滑表层的基础上,对石料压碎值提高到不大于对石料压碎值提高到不大于25 % ,针片状颗粒含量针片状颗粒含量指标要求不大于指标要求不大于15 % 。B 细集料细集料 - 最好使用坚硬的人工砂最好使用坚硬的人工砂 - 细集料的视密度、坚固性、砂当量和棱角性指标必须满足细集料的视密度、坚固性、砂当量和棱角性指标必须满足公路沥公路沥青路面施工技术规范青路面施工技术规范(JTJ032) 规定的质量技术要求规定的质量

52、技术要求. 长 寿 命 沥 青 路 面（1）材料选择）材料选择 C 填料填料 - 粉胶比一般达到粉胶比一般达到1. 82. 0 - 必须使用磨细的必须使用磨细的石灰石矿粉石灰石矿粉, 应满足应满足公路沥青路面施工技术规范公路沥青路面施工技术规范(JTJ032)的要求的要求. 采用石灰石矿粉的亲水系数必须小于采用石灰石矿粉的亲水系数必须小于1 ,与沥青应有与沥青应有良好的粘附性良好的粘附性,小于小于0.075 mm的含量应大于的含量应大于75%. D 纤维稳定剂纤维稳定剂 采用木质素纤维、矿物纤维采用木质素纤维、矿物纤维,聚合物纤维等各种正式纤维产品聚合物纤维等各种正式纤维产品 长 寿 命 沥

53、青 路 面E 沥青结合料沥青结合料 - 沥青结合料的质量必须满足沥青玛蹄脂的需要沥青结合料的质量必须满足沥青玛蹄脂的需要,要有较高的粘度要有较高的粘度,符合符合一定的要求一定的要求,以保证有足够的高温稳定性和低温韧性以保证有足够的高温稳定性和低温韧性. - 必须采用符合必须采用符合“重交通道路沥青技术要求重交通道路沥青技术要求”的沥青的沥青,在大多数地区要使在大多数地区要使用比通常较硬一级的沥青用比通常较硬一级的沥青,最好采用改性沥青最好采用改性沥青. - SMA和改性沥青是从矿料级配和沥青结合料两个方面改善沥青路面质和改性沥青是从矿料级配和沥青结合料两个方面改善沥青路面质量量. 是采用是采用

54、SMA一个途径一个途径,还是改性沥青一个途径还是改性沥青一个途径,或者同时采用改性或者同时采用改性沥青和沥青和SMA两个途径两个途径,主要取决于使用者的目的以及经济实力主要取决于使用者的目的以及经济实力. 长 寿 命 沥 青 路 面（2）确定初试级配）确定初试级配 根据国内外经验及有关部门根据国内外经验及有关部门规范规范,推荐的推荐的SMA 的间断级配的间断级配如表如表. -选择初试级配时必须以该表选择初试级配时必须以该表为基础为基础, 以以4.75 mm 通过率为变化点通过率为变化点, 改变改变3 个不同的通过率个不同的通过率: 22%、25%、28% , 或者采用或者采用20%、25%、3

55、0% ,3个级配均固定个级配均固定矿粉数量矿粉数量,0.075 mm 通过率通过率为为10%左右左右. 沥青玛蹄脂碎石混合料沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA) 矿料级配建议范围矿料级配建议范围 长 寿 命 沥 青 路 面4.2.2.1 磨耗层材料磨耗层材料SMA配合比设计配合比设计 （3）测定粗集料骨架间隙率）测定粗集料骨架间隙率VCADRC - 在压实状态下沥青混合料中的粗集料骨架间隙率在压实状态下沥青混合料中的粗集料骨架间隙率VCAmin必须必须等于或小于没有其他集料、结合料存在时的粗集料集合体在捣实等于或小于没有其他集料、结合料存在时的粗集料集合体在捣实状态下的间隙率状态下的间隙率VCADR

56、C （4）选择初试沥青用量）选择初试沥青用量 - 首先考虑最小沥青用量的规定首先考虑最小沥青用量的规定 - 在选择初试沥青用量时在选择初试沥青用量时,一般可根据粗集料毛体积相对密度选择一般可根据粗集料毛体积相对密度选择 长 寿 命 沥 青 路 面AASHTO 的的SMA 规范关于沥青用量的规定规范关于沥青用量的规定 长 寿 命 沥 青 路 面（5）根据）根据VMA和和VCA确定设计级配确定设计级配 A 按照确定初试的沥青用量按照确定初试的沥青用量,用用3组初试级配拌和制作马歇尔试件组初试级配拌和制作马歇尔试件, 试件数量为每组试件数量为每组4个个,3组试件共计组试件共计12个个 ， B 将三组

57、初试级配的试验结果将三组初试级配的试验结果VCAmin和和VCADRC比较比较,绘制成图。绘制成图。 C 从中选择符合从中选择符合VCAmin VCADRC要求的级配要求的级配,以以4. 75 mm的通过率的通过率最大的一组级配为设计级配最大的一组级配为设计级配. D 注意注意,尽量选择尽量选择VMA稍大于稍大于17 %的级配为设计级配的级配为设计级配,以防在施工过以防在施工过程中程中VMA可能会有所降低可能会有所降低. 长 寿 命 沥 青 路 面根据根据VCA确定级配中确定级配中4. 75mm 的通过率的通过率 长 寿 命 沥 青 路 面（6）马歇尔试验并根据空隙率）马歇尔试验并根据空隙率V

58、V确定最佳沥青用量确定最佳沥青用量 - 在设计级配确定以后在设计级配确定以后,可以变化可以变化3 个不同的沥青用量个不同的沥青用量,每组每组4个试件个试件. 1个用于测定理论最大相对密度个用于测定理论最大相对密度,3个压实成型进行马歇尔试验。个压实成型进行马歇尔试验。 - 由此可以根据空隙率要求确定最佳沥青用量由此可以根据空隙率要求确定最佳沥青用量. 马歇尔试验的结果必须符合马歇尔试验的结果必须符合SMA混合料的设计技术要求混合料的设计技术要求,如表如表. 长 寿 命 沥 青 路 面我国我国SMA马歇尔试验配合比设计技术要求马歇尔试验配合比设计技术要求 长 寿 命 沥 青 路 面4.2.2.2

59、 磨耗层材料磨耗层材料OGFC配合比设计配合比设计OGFC设计包括：设计包括： （1）目标空隙率；）目标空隙率； （2）材料选择；）材料选择； （3）试验级配的选择；）试验级配的选择； （4）沥青用量的初选和试件成型；）沥青用量的初选和试件成型； （5）空隙率的确认；）空隙率的确认； （6）沥青析漏试验；）沥青析漏试验； （7）最佳沥青用量的确定；）最佳沥青用量的确定； （8）混合料配合比设计检验。）混合料配合比设计检验。OGFC 长 寿 命 沥 青 路 面4.2.2.2 磨耗层材料磨耗层材料OGFC配合比设计配合比设计（1）目标空隙率）目标空隙率 - 空隙率以空隙率以20%20%为基准为基准

60、, , 在在18%18%25%25%范围内决定。范围内决定。（2）材料选择）材料选择 A 沥青和纤维沥青和纤维 - 使用高劲度结合料改性沥青，如表使用高劲度结合料改性沥青，如表 。 - 使用基质沥青通常要比当地气候条件使用的沥青高使用基质沥青通常要比当地气候条件使用的沥青高2个等级。个等级。 - 添加剂使用木质纤维或矿物纤维添加剂使用木质纤维或矿物纤维 OGFC 长 寿 命 沥 青 路 面改性沥青技术要求改性沥青技术要求 长 寿 命 沥 青 路 面（2）材料选择）材料选择 B 集料集料 - 粗集料形状以方形石为佳粗集料形状以方形石为佳 - 细集料可以使用少量人工砂细集料可以使用少量人工砂, 但