永久性路面与结构材料性能张起森

永久性路面与结构材料性能张起森第1页/共97页一、永久性路面设计理念第2页/共97页定义perpetualpavement

：指只需定期更换路面表层（把破坏限制在路面上层），而不需进行结构性修复或重建，且使用寿命大于50年的沥青路面。full-depthasphaltpavement（全厚式路面）deepstrengthasphaltpavement（高强度路面）long-lifeasphaltpavement（长寿命路面）第3页/共97页设计理念上面层：抗车辙能力和抗磨耗能力中间层：抗车辙能力基层：抗疲劳能力

路基：高强、稳定和坚固

第4页/共97页最大拉应变路面基础100~180mm高模量抗车辙材料(根据需要定)柔性抗疲劳材料

75~100mm

40~75mm

高质量SMA、OGFC或Superpave}100~150mm高压力区设计理念第5页/共97页自下而上进行设计和施工基础（高强、稳定和坚固）稳定将使用期间的季节性变化和体积变化降低到最小下面层加强抗疲劳性能上面层加强抗车辙性能设计理念第6页/共97页

永久性沥青路面在使用过程中，为保持其良好的性能和使用寿命，必须定期检测，当自下而上的疲劳开裂、温度开裂、车辙等病害达到预定深度时(即达到磨耗层深度)，就必须采取罩面等措施。对于永久性沥青路面而言，这点非常关键，它保证了将病害限制在表层，且尽可能减小未来罩面的附加厚度（重铺厚度必须尽可能采用原厚度）第7页/共97页要应避免以下现象发生

重复弯曲导致疲劳开裂

重复变形导致车辙HMA基层路基第8页/共97页永久性路面优点沥青路面寿命可达50年路面平整，噪音低，摩擦系数高成本效益高路面的养护维修仅限于面层沥青面层可再循环减少疲劳开裂和车辙损坏最大限度地减少自然资源的使用采用力学方法进行路面设计，综合考虑疲劳开裂、车辙和温度开裂第9页/共97页使用时间总费用传统路面永久性路面经济性能经济差第10页/共97页二、永久性路面设计方法第11页/共97页设计原理 力学方法设计过程 类似于其它结构设计方法 选择控制点 验算控制标准

(由下至上设计)

输入材料性能参数路面分析模型路面应力和应变路面变换方程路面使用寿命拉应变标准压应变标准永久性路面设计过程第12页/共97页力学设计法路面模型材料性能(模量值)路面反应

(应变,应力等)转移函数路面寿命是否满足?设计完成尽量不让沥青层底拉应变>65με或路基顶压应变>200με第13页/共97页1992年Monismith提出力学设计法的流程图第14页/共97页力学性能标准ESAL作用下弯曲拉应变极值

<65me(Monismith,VonQuintus,Nunn,Thompson等人研究发现)垂直压应变极值

<200me(Monismith,Nunn等人研究发现)厚HMA(>200mm）基层(asrequired)路基第15页/共97页疲劳开裂 控制点位置：面层底面 控制标准：拉应变<65µ

厚度要求：>200mm

永久性变形 控制点位置：路基顶面 控制标准：压应变<200µ

永久性路面设计控制点路基力学指标基层面层第16页/共97页设计软件 软件名称：PerRoad3.0

软件开发：DavidTimm,NCAT，Auburn大学设计软件下载

URL地址：http://www.A

点击PerpetualPavement设计软件安装 连击PerRoad设计软件PerRoad3.0第17页/共97页建立新文件

点击File中Save SAVEAS窗口出现，键入文件名建立新文件键入文件名设计软件应用第18页/共97页输入设计参数

路面结构材料和季节参数 交通参数交通参数选择设计参数输入窗口结构和季节参数设计软件应用第19页/共97页路面结构材料和季节参数 材料性能和变异性 模量温度调整 性能标准和转换公式：变异性输入窗口使用性能选择窗口模量温度调整窗口设计软件应用第20页/共97页交通参数(轴载谱)

车轴类型 轴载分布 轴载数 增长率

轴载谱输入窗口车轴类型轴载数轴载分布增长率设计软件应用第21页/共97页三、表面开裂第22页/共97页表面开裂

过去一般认为沥青路面的开裂是从下到上的开裂，但近几年欧洲和美国加利福尼亚、伊利诺伊德克萨斯、肯塔基、弗罗里达等州调查发现轮迹带出现自上而下纵向裂缝。弗罗里达大学等对此展开了大量理论和现场调查研究，并取得了一定成果第23页/共97页1、特征：纵向，横向都有；在轮迹上和轮迹外面发生；沥青层较厚时（6in~8in或更厚）；易与传统的疲劳裂缝混淆2、观测到的开裂出现时间：法国：路面摊铺后3~5年内；英国：沥青层厚＞180mm，10年内；荷兰：沥青层厚＞160mm，常有发生；日本：不同路面厚度，1~5年内；美国：华盛顿州，层厚＞160mm，3~8年内；佛罗里达州，5~10年内。Topdowncracking（自上而下的开裂）第24页/共97页3、产生原因：高轮胎压力和超载，→较高的水平张拉应力和剪应力；

温差应力(出现较高的温度应力临界状态时间较短，如冬天一般是晚上出现)；车轮运动引起表面反复拉压而疲劳；刚性轮碾压导致的表面施工裂缝；老化（沥青层变硬变脆）；离析（骨料离析，温度离析）；

第25页/共97页4、Topdown的微结构与微观力学机理压缩和剪切加载后表面强拉应力是导致Topdown开裂的机理。见图力学机理示意图最大张力位置示意图

第26页/共97页计算结果示图如下：第27页/共97页5、试验观测（图像分析技术）试验观测-APA与图像分析示意图观测到的表面裂缝示意图第28页/共97页6、试验观测与分析绪论：

①不一定从表面开始，也可能从表面下一定距离的位置起裂；②拉伸型和剪切型裂缝导致；③可能发生在具有较软的沥青或路面温度较高的位置；④裂缝开始和扩展与材料结构有关；⑤还可能与车辙和疲劳有关。7、工程应对方法：增加沥青膜厚度；采用温度敏感性低的沥青；采用纤维；采用智能型材料；采用薄水泥混凝土面层（复合式路面）第29页/共97页

开裂(从表面开始)轴载表面开裂TRL第30页/共97页新泽西

I-287

表面开裂第31页/共97页150mm50mm华盛顿沥青路面Top-Down开裂>150mm第32页/共97页M3 2TRL第33页/共97页四、永久性路面对结构层设计的要求第34页/共97页设计内容路基基层中间层面层第35页/共97页材料设计参数采用理论弹性材料理论设计参数弹性模量E和泊松比μ第36页/共97页材料参数确定方法第37页/共97页123加载前加载中加载后-与加载前尺寸同弹性材料的力学行为第38页/共97页DDD/2slDlel=Dl/let=DD/DE=s/em=el/et确定E和μ第39页/共97页FWD测试方法第40页/共97页模量反算传感器荷载变形路面结构第41页/共97页材料参数与路面响应关系沥青层厚度与车辙率关系沥青层厚度与层底拉应变关系沥青层模量与层底拉应变关系沥青层厚度与路基顶压应变关系统计学设计方法第42页/共97页沥青层厚度(mm)车辙率(mm/msa)01002003004000.11101001000(资料来源：TRL

)沥青层厚度与车辙率关系第43页/共97页沥青含量与车辙关系沥青含量％沥青含量标准偏差％车辙量为10%（15mm或更大）时的累计轴载作用次数占目标累计轴载作用次数的百分比第44页/共97页沥青层厚度沥青层底拉应变沥青层模量E1h1

拉应变

(et)沥青层厚度与层底拉应变关系(资料来源：TRL

)第45页/共97页沥青层模量沥青层底拉应变沥青层模量E1h1

拉应变

(et)沥青层模量与层底拉应变关系(资料来源：TRL

)第46页/共97页沥青层厚度

路基顶压应变E1E2E3h1h2

压应变(ev)沥青层厚度与路基顶压应变关系(资料来源：TRL

)第47页/共97页疲劳寿命与力学响应转换关系etev(资料来源：APA)第48页/共97页统计学设计方法材料厚度f

材料性能f

轴重f蒙特卡洛随机取样力学模型

路面力学响应f%低于极限%高于极限或然设计方法(ProbabilisticDesign)–蒙特卡洛模拟法(MonteCarloSimulation)(资料来源：APA)第49页/共97页沥青结合料等级选用(资料来源：APA)第50页/共97页

按SHRP提出的Superpave沥青混合料设计方法，沥青结合料技术规范（AASHTOMP1-93）按路面7天的平均最高路面温度和最低路面温度，把沥青的性能按高温分为七级；从PG46到PG82，每六度划分一个等级。每个高温等级中又有相应的低温等级。例如PG64-28，其高温等级为64℃，即可在路面温度达到64℃的环境中使用，也可在最低温度-28℃的环境中使用（见表）。而PG76、PG82适用于慢速、长期荷载或超重载的地段使用。沥青结合料规范考虑了HMA的三个主要性能：车辙（G*/sinδ），疲劳开裂（G*sinδ）和低温开裂（S,m），并有相应试验指标进行控制。沥青结合料等级选用

第51页/共97页Superpave结合料分为七级，每级温差6℃，见表，高温等级（℃）低温等级（℃）PG46－34－40－4652－10－16－22－28－34－40－4658－16－22－28－34－4064－10－16－22－28－34－4070－10－16－22－28－34－4076－10－16－22－28－3482－10－16－22－28－34第52页/共97页沥青混合料磨耗层厚度

40－75mm受力特点高受力复合区域，是各种损坏最易发生的区域要求抗车辙、表面开裂，良好的抗滑性能，减少水溅、水漂，降低路面噪音功能设计寿命

10年第53页/共97页沥青混合料磨耗层混合料类型考虑选择SMA，Superpave密级配混合料或者OGFC对城市重交通，可选择SMA对中轻交通，可选择Superpave性能检测性能试验（抗水损、抗磨耗、高温车辙等）第54页/共97页

对于磨耗层应采用相应的PG等级的沥青（高温、低温性能）。由于一般结合料不能满足当地极端气候条件的要求，因此对结合料必须进行改性。下图展示了常用结合料与改性的结合料的劲度（粘度）特性。第55页/共97页1）较高施工温度，劲度较低，泵送、拌和及压实；2）较高服务温度，劲度较高，减少车辙和推挤；3）较低服务温度，劲度较低，松弛更快，减少开裂；4）在通常温度下增加沥青与集料的粘性，减少剥落。但是选择沥青外加剂或改性剂必须认真研究，要考虑改性效果，相融合、兼容性（匹配，配伍）、耐久、费用、安全等问题。下表列出了目前常用的外加剂和改性剂。

第56页/共97页第57页/共97页沥青混合料中间层厚度

100－175mm受力特点荷载稳定发展和扩散的区域，易发生车辙区域要求提供传荷和承重性能，应防止车辙，具有良好的稳定、耐久性能。设计寿命

50年以上第58页/共97页沥青混合料中间层混合料类型考虑选择骨架密实型级配混合料和高温稳定性好的沥青结合料性能检测性能试验（抗水损、高温车辙、耐久性等）第59页/共97页PG高温等级与表面层一致，低温可提高一个等级。这一层建议用高模量沥青混合料以提高其抗车辙能力。

高模量沥青混合料——通过采用适当的技术，使沥青混合料的动稳定度（60℃，0.7MPa）达到

5,000次/mm以上；且15℃，10HZ条件下动态模量达到14,000MPa以上；45℃，10HZ条件下动态模量2,000MPa以上；45℃，0.1HZ条件下达到500MPa以上，同时满足这些条件的混合料称为高模量沥青混合料。山东地方标准DB21/T1754-2009提出了两种生产高模量沥青混合料的方法：

一个是高模量沥青方案，与SBS改性沥青混合料基本相同；

一个是高模量外掺剂方案，沥青用量约0.3-0.5%，控制粉胶比0.8-1.1。

第60页/共97页山东省交通科研院提出的高模量沥青技术要求相当(PG70-22)见下表

第61页/共97页高模量沥青混合料配合比设计检验指标如下

第62页/共97页高模量外掺剂宜选用聚烯烃类物质，其质量要求见表项目单位技术要求试验方法熔体流动速度（170℃）不小于g/10min1GB/T3682密度g/cm30.92-0.98GB/T1033软化点不小于℃140GB/T1633颗粒直径mm3-5——

法国推荐用硬质沥青5-10，10-15，15-25（针入度，25℃）来生产高模量沥青混合料。对于沥青针入度更高的采用掺入外加剂的方法进行改性。

第63页/共97页路面厚度减少层底拉应变厚沥青层路面

=

低应变应变低于疲劳极限

=

寿命不确定压应变拉应变应变疲劳寿命不确定寿命沥青混合料基层(资料来源：APA)第64页/共97页沥青混合料基层厚度

75－100mm受力特点主要抵抗由于行车荷载反复作用造成的弯拉应力引起的疲劳开裂要求提供传荷和承重性能，应具有良好的稳定、疲劳性能。设计寿命

50年以上第65页/共97页沥青混合料基层混合料类型采用富沥青、改性沥青、厚沥青层、耐疲劳材料等方式实现性能检测性能试验（抗水损、耐久性等）

为了提高其变形性（柔性），一般要求可以增加0.5%左右的沥青用量，甚至可以掺加聚合物纤维等一类措施提高其抗裂能力。同时PG高温等级可降一个等级。

第66页/共97页永久性路面推荐混合料类型汇总表第67页/共97页永久性路面推荐混合料类型汇总表(续)第68页/共97页基层柔性、半刚性，刚性底基层半刚，柔性垫层(粒料)排水，均匀支撑路基改善层弹模E＞70MPa路基强度，稳定，防排水（如地下水小于1.5m），建议使用一个排水系统。路面基础第69页/共97页底基层厚度要求路基顶面底基层厚度要求(资料来源：APA)路基强度要求

Illinoi经验：CBR>6。

或者：路基上铺石灰稳定层或碎石层底基层05101520250123456789CBR加铺层厚度要求/英寸路面基础第70页/共97页基础要求英国运输研究工作室:第71页/共97页基础要求LCPC(法国)14吨荷载下变形<2mm承载板试验模量>7300psi（约50MPa）1psi＝6.89kPa德国路基顶模量

=6500psi（约45MPa）底基层模量

=17,500psi(约120MPa，轻交通)底基层模量

=26,000psi(约180MPa，重交通)第72页/共97页基础-伊利诺斯州(美国州名)05101520250123456789CBR

路基上所需厚度（英寸）

需要补强区域补强选择

不需要补强区域第73页/共97页基础要求排水必要性考虑技术设备要求季节性变化特殊情况冻融区域地基膨胀土地基第74页/共97页五、各地永久性路面状况第75页/共97页

传统的沥青路面设计寿命为20年。适度增加路面强度及沥青混合料基层厚度的永久性路面，则甚至可以获得50年或50年以上使用寿命。欧洲使用情况简介美国使用情况简介中国山东滨州永久性路面试验路各地永久性路面状况第76页/共97页欧洲使用情况简介1977年德国A5高速公路FrankfurterKreuz采用的结构是37mm浇注沥青砼面层+200mm沥青砼基层+150mm稳定底基层。该高速公路双向日交通量152000辆/d，重载货车比例为10％～20％，使用17年后标准轴载次数为125百万次，到现在仍然使用良好。再如德国汉堡高速公路都承受着非常重的交通量，结构为35mm浇注沥青砼面层+265mm沥青砼基层+150mm级配砂砾+防冻层第77页/共97页欧洲使用情况简介法国巴黎Peripherique道路双向交通量200000辆/d，重载货车占10％，年标准轴次1千万。1993年进行了大修，结构为40mm排水面层+220mm高模量沥青砼基层。再如法国Stered高速，结构为70mm沥青砼+60mm沥青稳定砂砾+100～350mm水泥稳定砂砾+150mm砂层第78页/共97页欧洲使用情况简介意大利的DelSole高速，结构为30mm中粒式沥青砼+70mm粗粒式沥青砼+150mm沥青碎石+360mm级配砂砾+300～400mm砂层奥地利Brenner高速，结构为27mm细粒式沥青砼+30mm中粒式沥青砼+45mm粗粒式沥青砼+140mm沥青碎石（密级配）+160mm沥青碎石（开级配）+300mm防冻层第79页/共97页美国使用情况简介NewJerseyNewJersey运输部对I-287州际道路的路面损害情况进行调查。该道路1993年年平均日交通量为11.1019万次，货车占22％，重货车占9％。20年累计当量荷载5000万次。由于是重载交通，因此经常出现停车、慢速行车。1963年修建，原结构为3inHMA面层+7in基层+8in密级配的级配碎石+10in级配砂砾底基层，路基为粉质砂土。第80页/共97页美国使用情况简介NewJersey使用多年来除了局部进行了小面积的补坑外，没有经过其他维修。调查发现路面维修很少，路表行车道处产生了纵向疲劳开裂，且车辙深度达到25mm以上。但是进一步研究表明这些病害深度都没有发展到路表75mm以下，因此决定冼刨调表明75mm沥青面层，重新加铺100mmHMA。该工程1994年完工，2001年调查时没有发现任何开裂、车辙，预计结构能够使用40年以上。第81页/共97页美国使用情况简介Iowa20世纪60年代修建的州际道路I-80上的两段道路，被APA授予2002年永久性路面奖，一条在Cedar，另一条在Johnson。该奖授予美国州际高速公路系统上的6个不同路段。Cedar路段修建于1962年，结构为4.5inHMA面层+16inATB，直接放到细粒土上。使用到现在为止分别在1967年、1990年进行了表面修补。第82页/共97页美国使用情况简介Iowa与Cedar不同的是，Johnson路段路基土是罕有的潮湿，1964年采用了6in土石底基层，结构为3inHMA面层+14inATB，1964年面层进行2in罩面，1968年工程结束，到现在只进行过一些面层修复（与刚通车时相比，现在I-80道路上的交通量已经增长了5倍多）。实践表明，正确的路面结构设计、严格的施工质量控制和适当的维修，沥青路面一定能够使用很长时间。第83页/共97页美国使用情况简介Washington1999年该州交通运输部（WSDOT）对480km全路段进行了详细调查。该路中有三种路面结构：柔性结构、CTB基层（水泥稳定基层）沥青路面和PCC路面，依次占里程百分比为47％、33％和20％。而且全段被Cascade山脉分成两个不同的气候区，西部为温和海洋性气候，交通量较高；而东部夏热冬寒，部分路段交通量较小（标准轴次37.5万次/年/车道），而有些路段交通量又很高（标准轴次2500万次/年/车道）。第84页/共97页马里兰州路面结构使用状况马里兰州的巴尔的摩环形公路也是一个很好的例子，日交通量（ADT）是175000辆/日，货车占19％。结构为2inSMA19+2.5inHMA基层（大粒径石料）。总厚度为16in（40.6cm），没有发现自下而上的疲劳开裂，4年的观测表明，路面车辙正常，为1/8in。第85页/共97页俄亥俄州柔性路面研究4条州际公路性能调查结果HMA路面－没有修复或重建而使用超过34年“没有大量结构性或排水维修的柔性路面”仅略多于目前HMA路面花费第86页/共97页FHWA–

长期路面性能研究数据GPS-6(FHWA-RD-00-165)数据结论大部分AC罩面>15years(修复前)许多AC罩面>20years（大破坏前）厚面层意味着少:疲劳开裂横向开裂纵向开裂第87页/共97页抗车辙面层车辙出现在沥青上面层Full-ScaleTracksMn/ROADWesTrackNCAT加速加载路面试验CalAPTFHWA第88页/共97页中国山东滨州永久性路面试验路背景：滨州地处黄河尾闾、渤海之滨，是联接京津塘与山东半岛两大经济发达地区的交通枢纽和黄河三角洲开发的重要基地。试验路（离黄河只有几公里