永久性路面与结构材料性能-2012.ppt

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1、长寿命路面和温拌沥青 混合料技术 张起森 长沙理工大学,近二十年来路面工程发生了很大变化，出现了许多新的技术，新的材料和新的工艺。其中主要有： 1、美国上世纪八十年代末，九十年代初完成的SHRP计划（公路战署研究计划），依据其主要研究成果提出了Superpave（超级路面）混合料设计方法。 2、1997年英国运输研究所（TRL）Michael Nunn提出了沥青路面长寿命的概念。二十一世纪初长寿命的概念引进到了美国，而且有关这方面的研究得到了长足的发展。2003年在美国Ohio州立大学召开了第一届国际沥青路面长寿命会议。2005年在美国芝加哥召开了第一届国际水泥路面长寿命会议。对长寿命路面进行

2、了定义。,3、2002年AASHTO修改了美国的路面结构设计指南，2004年正式出版，核心是按“力学经验法”（MEPDG）进行路面结构设计，提出更加完善的设计指标和参数。 4、温拌沥青混合料技术。温拌技术是欧洲Shell等公司1995年研究开发的，2003年被美国引入并得到了进一步的发展。2006年、2008年、2011年相继召开了三次国际会议。2011年由NCHRP（美国国家合作公路研究计划）编写了“温拌沥青混合料设计指南”（NCHRP Report 691）。从目前的发展情况来看，温拌技术完全有可能取代现行的热拌沥青混合料技术。,5、各种改性沥青、高粘沥青的研究与应用，如SBS，SBR，P

3、E，抗车辙剂，阻燃剂，温拌剂等。同时出现了许多新的路面结构，如SMA，OGFC，高模量沥青混合料等。 6、施工机械和工艺的改进，如现场的再生设备（热再生，冷再生），双层摊铺一次压实设备（中联重科研发，湖南最近试用了这种设备，据说效果不错。） 7、SHRP-2。 人、车、路综合研究，提供安全、可靠、有 效、快速运输服务体系。,永久性路面与结构材料性能,主要内容,一、永久性路面设计理念 二、永久性路面设计方法 三、表面开裂 四、永久性路面的材料要求 五、目前各地永久性路面状况 六、总结,一、永久性路面设计理念,定义,perpetual pavement ：指只需定期更换路面表层（把破坏限制在路面上

4、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-depth asphalt pavement （全厚式路面） deep strength asphalt pavement （高强度路面） long-life asphalt pavement（长寿命路面）,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,设计理念,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,永久性沥青路面在使用过程中，为保持其良好的性

5、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 ）,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,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,使用时间

6、,总费用,传统路面,永久性路面,经济性能,经济差,二、永久性路面设计方法,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),永久性路面设计过程,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,设计 完成,尽量不让沥青层底拉 应变65或路基顶 压应变 200,1992年Monismith提出力学设计法的流程图,力学性能标准,弯曲拉应变极值 65me (Monismith, Von Quintus, Nunn, Thompson等人研究发现),垂直压应变极值 200me (Monismith, Nunn等人研究发现

7、),厚 HMA ( 200mm）,基层(as required),路基,疲劳开裂 控制点位置：面层底面 控制标准：拉应变200mm,永久性变形 控制点位置： 路基顶面 控制标准：压应变 200,永久性路面设计控制点,路基,力学指标,基层,面层,设计软件 软件名称：PerRoad 3.0 软件开发： David Timm, NCAT ，Auburn大学,设计软件下载 URL地址：http:/www.A 点击Perpetual Pavement 设计软件安装 连击 PerRoad,设计软件PerRoad 3.0,三、表面开裂,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

8、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,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（6in8in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35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，15年内； 美国：华盛顿州，层厚160mm，38年内； 佛罗里达州，510年内。,Top down cracking （自上而下的开裂）,3、产生原因： 高轮胎压力和超载，较高的水平张拉

9、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）；,4、Top down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Top down开裂的机理。见图,力学机理示意图 最大张力位置示意图,计算结果示图如下：,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,6、试验观测与分析绪论： 不一定从表面开始，也可能从表面下一定距离的位置起裂； 拉伸型和剪切型裂缝导致； 可能发生在具有较软的沥青

10、或路面温度较高的位置； 裂缝开始和扩展与材料结构有关； 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）,表面开裂,TRL,新泽西 I-287 表面开裂,150 mm,50 mm,华盛顿沥青路面Top-Down开裂 150 mm,M3 2,TRL,四、永久性路面对结构层设计的要求,设计内容,路基 基层 中间层 面层,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,材料参数确定方法,1,2,3,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,确定E 和,F

11、WD 测试方法,模量反算,传感器,荷载,变形,路面 结构,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,(资料来源：TRL ),沥青层厚度与车辙率关系,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,沥青层厚度,沥青层底拉应变,沥青层厚度与层底拉应变关系,(资料来源：TRL ),沥青层模量,沥青层底拉应变,沥青层模量与层底拉应变关系,(资料来源：TRL ),沥青层厚度与路基顶压应变关系,(资料来源：TRL

12、),疲劳寿命与力学响应转换关系,(资料来源：APA),统计学设计方法,或然设计方法(Probabilistic Design)蒙特卡洛模拟法(Monte Carlo Simulation),(资料来源：APA),沥青结合料等级选用,(资料来源：APA),按SHRP提出的Superpave沥青混合料设计方法，沥青结合料技术规范（AASHTO MP1-93）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

13、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*/sin），疲劳开裂（G*sin）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,Superpave 结合料分为七级，每级温差6，见表，,沥青混合料磨耗层,厚度 4075mm 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,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

14、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）,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 。,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

15、改性剂。,沥青混合料中间层,厚度 100175mm 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,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）,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；45，1

16、0HZ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。,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,高模量沥青混合料配合比设计检验指标如下,高模量外掺剂宜选用聚烯烃类物质，其质量要求见表,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。

17、对于沥青针入度更高的采用掺入外加剂的方法进行改性。,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),沥青混合料基层,厚度 75100mm 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,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

18、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。,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E70MPa 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,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：CBR6。 或者：路基上铺石灰稳定层或碎石层底基层,路面基础,基础要求,英国运输研究工作室:,基础要求,LCPC (法国) 14吨荷载下变形 7300 psi（约50MPa） 1psi6.89kPa 德国 路基顶模量 = 6500 psi（约45

19、MPa） 底基层模量 = 17,500 psi (约120MPa，轻交通) 底基层模量 = 26,000 psi (约180MPa，重交通),基础-伊利诺斯州(美国州名),需要补强区域,补强,选择,不需要补强区域,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,五、各地永久性路面状况,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,欧洲使用情况简介,1977年德国A5高速公路Frankfur

20、ter Kreuz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1020，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,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

21、沥青稳定砂砾+100350mm水泥稳定砂砾+150mm砂层,欧洲使用情况简介,意大利的Del Sole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+300400mm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,美国使用情况简介,New Jersey New Jersey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

22、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。,美国使用情况简介,New Jersey 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。,美国使用情况简介,Iowa

23、20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。,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

24、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。,美国使用情况简介,Washington 1999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）。,马里兰州路面结构使用状况,马里兰

25、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。,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,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 15 years( 修复前) 许多 AC罩面 20 years （大破坏前）

26、 厚面层意味着少: 疲劳开裂 横向开裂 纵向开裂,抗车辙面层 车辙出现在沥青上面层 Full-Scale Tracks Mn/ROAD WesTrack NCAT 加速加载路面试验 CalAPT FHWA,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）2005年6月开始施工，9月通车。,试验路设计,与美国永久性路面一样应用PerRoad软件进行设计，但该路设计轴载是重载车（平均单轴重超过9吨）。 设计控制指标： 疲劳： 将HMA层底水平拉应变70或125作为破坏临界值 车辙

27、：路基顶垂直应变为200,试验路设计,两套材料性能及破坏标准： 土基模量48MPa，疲劳破坏临界值是70（较为保守的标准），HMA层设计厚度为508mm 土基模量103MPa，疲劳破坏临界值是125， HMA层设计厚度为380mm,试验路路面结构,石灰稳定土,石灰稳定土,石灰稳定土,普通路基,HMA底层用改性沥青,这个路面结构反映了六十年代我国提出的“强基、薄面、稳土基”的设计理念。实际上这与1997年英国TRL Michael Num提出的长寿命路面的概念是一致的。 强基：试验路沥青面层的基础是二层水泥碎石基层CBG-25，二层石灰粉煤灰土底基层，每层各厚19cm，总厚度76cm。 薄面：沥

28、青层厚度平均13.7cm（双层），一次摊铺一次压实。 稳土基：在土基顶面下0.7-1.5m修筑水平沥青膜隔断层，阻止气态水上升，保持土基强度稳定。同时在底基层底面两侧往下用防水土工膜做防水墙，下端与水平隔断沥青膜相接，防止二侧边坡的自由水进入。 试验路2006年完工，基本情况良好。,长沙理工大学秦皇岛试验路,试验路路面结构,4cm，SBS改性沥青，SAC-16-1,SBS改姓沥青 粘结防水层,70号沥青粘结层,水泥粉或净浆粘结,互相紧固嵌入,70号沥青 隔断层,压实路基,0.8-1.5m 深土基,19cm，CBG-25水泥稳定碎石,8-14cm，AH-30,SAC-25-1,19cm，LFS石灰粉煤灰土,长沙理工秦皇岛试验路的路面结构,19cm，CBG-25水泥稳定碎石,19cm，LFS石灰粉煤灰土,六、结论,路面的寿命在50年或以上 自下而上进行设计与施工，强调各层设计是根据该层的功能选取控制指标、选择材料和确定厚度的 高强、稳定和坚固的基础对于永久性路面是必不可少的 疲劳寿命待定 路表可修复 高抗车辙能力 可根据不同应用要求调整 持久、平坦且行驶安全 环境破坏小 避免进行昂贵的改造工作,www.AsphaltA,