硕士论文-同步碎石下封层应用技术研究.doc

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1、分类号：U41；U2 10710-20060846 硕 士 学 位 论 文 同步碎石下封层应用技术研究 * 导师姓名职称 申请学位级别工学硕士学科专业名称道路与铁道工程 论文提交日期年 月 日 论文答辩日期年 月 日 学位授予单位长安大学 答辩委员会主席 学位论文评阅人 Research on the Application of Under-seal synchronous pavement A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate：Zhou Zehong Supervisor：Prof. Zheng Nanxia

2、ng Changan University, Xian, China 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究 工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包 含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 年 月 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属 学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利 等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论

3、文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 （保密的论文在解密后应遵守此规定） 论文作者签名： 年 月 日 导 师 签 名： 年 月 日 i 摘摘 要要 半刚性基层沥青路面反射裂缝是在长期的公路建设中常见而又难以杜绝的一大难 题，同步碎石用作下封层这项新技的出现为减少沥青面层反射裂缝作出一定贡献。 本文在查阅了大量的有关于同步碎石封层以及路面层间处理和桥面层间粘结层的 研究报告、论文，借鉴了前人不少的研究成果、方法，提出将同步碎石下封层技术用 于用于防止基层反射裂缝和减少水损害。 首先针对同步碎石下封层本身的特殊性，对原材料性能进行分析并提出规格指标 及性能标准；采用 ANSYS 有限元计算软件对设

4、置同步碎石下封层的半刚性基层沥青路 面结构的力学反应进行分析，计算同步碎石下封层参数变化对设有裂缝的基层力学性 能影响。提出以界面强度为指标的同步碎石下封层设计方法，并结合试验用原材料给 出了具体的设计示例。通过剪切、拉拔试验分析同步碎石下封层粘结性能的影响因素， 优选适用于同步碎石下封层的最优沥青、最佳沥青洒布量、最佳碎石撒布率。采用加 厚式车辙试验、低温弯曲试验、加压渗水试验验证了设置同步碎石下封层对路用性能 的改善效果。最后对同步碎石下封层施工和经济性作简单分析。 关键词：道路工程，同步碎石下封层，抗剪强度，抗拉强度，设计方法，路用性能 ii Abstract The reflectiv

5、e cracking of semi-rigid base asphalt pavement is a difficult problem in highway construction which is common and hard to avoid.The use of synchronous pavement stress-absorbing interlays this new technology give some hope for reducing the reflective cracking of asphalt surface course. Lots of studyi

6、ng reports and thesises about synchronous pavement and the interlaminar tackling of pavement and the interlaminar bond course of the bridge deck in this essay.I also use the experiences of many studying results and methods of predecessors.The idea that using synchronous pavement this technology is p

7、ut forward and this technology is used to prevent reflective cracking and reduce water damaging. Firstly we analyse the function of the material which is needed in the synchronous pavement directed at the speciality of synchronous pavement itself.We also tried to bring up specification quotas and fu

8、nction standards.I used ANSYS finite element calcucating software to analyse the mechanical reaceion of semi-rigid base asphalt pavement construction which have synchronous pavement.The mechanical influence of the change of synchronous pavement parameter to the basement which have crack was also cal

9、culated. The essay also brought up the design method of synchronous pavement in which we used boundary strength as target. Listing a specific example of design With the raw materials used in the experiments. We analyse the influence factor to adhering function of synchronous pavement according to sh

10、earing and drawing experiment. The best quantity of asphalt and asphalt spreading and the best crushed stone spreading rate which is suit to synchronous pavement are determined. Using add-thickness track test、cold bend test and pressured water infiltration test to validate the improvement of pavemen

11、t performance when under-sealsynchronous pavement have setted.In the end,analyzing the construction and economical efficiency of under- sealsynchronous pavement simply. Keyword: highway construction, under-seal synchronous pavement, shear strength, tensile strength,design method ,pavement performanc

12、e iii 目 录 第一章 绪论.1 1.1 本课题研究的目的和意义1 1.2 国内外研究现状及存在问题2 1.2.1 橡胶沥青封层.3 1.2.2 稀浆封层.4 1.2.3 同步碎石封层.4 1.2.4 存在问题.5 1.3 主要研究内容.6 1.4 技术路线.6 第二章 同步碎石下封层原材料性能分析及试验方法7 2.1 同步碎石下封层集料7 2.1.1 基本要求.7 2.1.2 集料指标分析.7 2.2 沥青粘结料.8 2.3 透层油.10 2.4 粘层油.11 2.5 同步碎石下封层试验模型.12 2.6 水泥稳定基层13 2.7 沥青混合料.13 2.8 试件成型.14 2.9 钻芯取

13、样.16 第三章 同步碎石下封层力学性能分析.18 3.1 模型的建立.18 3.2 同步碎石下封层对路面结构应力应变分析21 3.2.1 同步碎石下封层参数变化对面层底面拉应力的影响22 3.2.2 同步碎石下封层参数对沥青面层表面弯沉的影响23 3.2.3 同步碎石下封层参数变化对沥青面层内最大剪应力的影响 24 iv 3.3 本章小结.25 第四章 基于界面强度的同步碎石下封层设计方法27 4.1 概述.27 4.2 基于界面强度的同步碎石下封层设计方法研究28 4.2.1 设计思路及步骤.28 4.2.2 碎石用量计算及沥青用量预估30 4.2.3 最佳油量、最佳碎石粒径和撒布率的确定

14、35 4.2.4 设计示例.35 第五章 同步碎石下封层优选.38 5.1 概述.38 5.2 基于界面剪切强度的同步碎石下封层优选39 5.2.1 剪切试验仪器.39 5.2.2 剪切试验温度的确定.40 5.2.3 基于界面剪切强度的合理型式优选41 5.2.4 影响抗剪强度的因素.50 5.3 基于界面拉拔强度优选52 5.3.1 试验仪器.52 5.3.2 实验步骤：.53 5.3.3 试验数据分析.53 5.4 同步碎石下封层对路用性能的改善55 5.4.1 高温性能.55 5.4.2 低温性能.56 5.4.3 防水性能.59 5.5 本章小结.60 第六章 同步碎石下封层施工技术

15、及质量评价61 6.1 同步碎石下封层中主要使用的设备61 6.1.1 同步碎石封层车.61 6.1.2 轮胎压路机.62 v 6.1.3 沥青洒布车.63 6.1.4 清扫车.63 6.2 同步碎石下封层施工前准备工作64 6.3 同步碎石下封层的施工工艺68 6.4 同步碎石下封层施工应注意的问题73 6.5 同步碎石下封层质量控制与检测74 6.6 沥青洒布量和均匀性控制.75 6.6.1 碎石撒布量和均匀性控制.75 6.6.2 同步碎石下封层粘结性能检测75 6.7 小结.75 第七章 同步碎石下封层经济性分析.77 7.1 经济分析原理78 7.2 经济计算模型78 7.3 经济效

16、益估算79 7.4 小结.81 主要结论及进一步研究建议.82 参考文献.83 攻读学位期间取得的研究成果.85 致 谢86 长安大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 本课题研究的目的和意义 公路作为国家的基础设施，是关系到国家整体国民经济发展的重要因素，同时也 是一个国家现代化水平的重要标志之一。 改革开放30年来，我国公路建设发展迅速。一是我国公路建设规模快速增长。30 年来，我国公路通车总里程由89万公里增长到358万公里，增长3倍多；我国公路建设 年投资规模由1978年的49亿元增长到2007年的6490亿元，提前13年实现了总长35000 公里的“五纵七横”国道主干线的基本贯通

17、。二是高速公路从无到有，发展迅速。从 1988年第一条高速公路沪嘉高速公路建成通车，到2007年底，我国高速公路通车里程 达54000公里，稳居世界第二。 随着公路建设事业的发展，国家对公路的投入不断加大，交通部西部课题项目中 心立项了科研课题，各科研院所、公路相关大专院校加大了对公路研究，相关的技术也 得到了较大的提高。通过研究和在实际施工过程中积累了丰富的经验，所修建的公路在 质量标准越来越高，在路基、路面材料及其结构组成方面进行了许多优化和改进，并且 为了使高速公路路面多层组合体系具有良好的结构承载力和耐久性，提高抗水害侵 蚀能 力，以改性沥青、新型混合料为代表的新材料和新工艺得到了广泛

18、的应用，对于面层表 面以及基层与面层之间的层间处理技术也越来越重视。 相对水泥路面来说，沥青路面基层其承重作用更大，基层质量的好坏直接影响路 面的使用寿命和服务水平。沥青路面基层一般分为柔性基层和半刚性基层两类， 目前我 国高等级公路路面结构主要采用以二灰材料和水泥稳定材料为主的半刚性基层沥青路面。 半刚性基层沥青路面因其整体强度、抗永久变形能力均较强，能适应重交通 ；半刚性基 层材料分布较广，价格不高，便于就地取材，施工比较技术要求不高，整体造价相对来 说较低。然而，半刚性材料有其缺陷性，它对温度和湿度变化比较敏感，在其强度形成 过程中以及运营期间会产生干缩裂缝和温度收缩裂缝。在路面交通荷载

19、重复作用下，半 刚性基层的这种干缩裂缝和温缩裂缝会扩展到沥青路面面层形成反射裂缝。 目前绝大部 分以半刚性基层沥青路面为结构的高速公路都存在裂缝，包括横缝和纵缝。路面裂缝不 仅影响美观，降低平整度，而且会削弱路面的整体平整度。 在雨雪天气下，雨水会从裂 缝渗入到路面结构，而这些水分极难从路面结构层中排出，在车辆荷载的反复作用下， 第一章 绪论 2 基层中的细料和结合料容易被冲刷，渗入到半刚性基层表面后将造成粒料松散，使得裂 缝进一步扩大，基层含水量增大，强度降低，最终将导致局部地段整个路面结构的破坏。 对于长期以来半刚性基层沥青路面所存在的反射裂缝问题，国内外许多 研究机构对 半刚性基层路面结

20、构的裂缝问题和水损坏问题展开了大量的研究，但是这个问题一直没 有得到很好的解决，对其防治应从以下几个方面来考虑: l) 从基层自身设计上着手，选用合理的基层材料，对半刚性基层无机结合料，应 通过试验确定其最佳组成，确定合理的基层材料配比和水泥剂量，使设计出的基层具有 较小的干缩系数和温缩系数，同时其基层强度指标也不低，以便使其抗裂性能尽量符合 当地环境条件的要求，提高其早期强度，增大其弯拉强度，减弱温湿效应，提高耐用性， 增强抗裂性能，尽量减少基层自身裂缝或使其不产生裂缝。 2) 合理选择面层结构和材料。面层结构采用优质原材料，集料质量严格把关，级 配设计要通过大量试验并结合当地实际条件确定，

21、沥青应选用劲度模量大、温度敏感性 低的沥青或改性沥青，把握好沥青温度敏感性这一特征，正确选用沥青标号， 减少沥青 面层自身温湿效应，并增强对基层可能形成反射裂缝的预防。 3) 在基层顶面设置应力消减层。设置正确的应力消减层可明显减弱裂缝尖端应力 的奇异性，降低应力强度因子，对减缓反射裂缝的产生和扩展具有良好的效果。 4) 施工技术方面。施工作为工程质量最直接的一道工序，其程序是否合理对反射 裂缝有着很大的影响。施工时应严格控制半刚性基层施工碾压时含水量，混合料的含水 量不能超过压实需要的最佳含水量或控制在施工规范容许的范围内 ;对施工完成后要注 意养生。 对于基层材料设计已经做了大量的研究，对

22、温缩系数和干缩系数的计算也已推导 出计算公式；由于应力吸收层相关的研究处于兴起阶段，技术尚不完善，鉴于此，本文 想通过对在半刚性基层上设置同步碎石下封层来减少裂缝和防水损害这一目的来进行研 究，作一些理论和实验分析，以期望能对防止半刚性沥青路面的反射裂缝提出一些解决 办法。 1.2 国内外研究现状及存在问题 从已建成的高速公路营运效果来看，半刚性基层沥青路面发生病害的原因与半刚 性基层结构设计、基层与面层层间处理效果有极大关系，因此，在近些年的公路设计、 长安大学硕士学位论文 3 建设中，更加重视对层间封层的设计。在基层和面层之间设计封层后可以提高面层和基 层之间的粘结效果，可以提高层间抗剪切

23、能力、防止基层裂缝反射到面层上和防止路面 水下渗的作用。 目前采用的封层有橡胶沥青封层、同步碎石封层、碎石封层和稀浆封层等。 1.2.1 橡胶沥青封层 橡胶沥青（AR）起源于上世纪60 年代的美国，经过近50 年的发展应用证明，把橡 胶沥青应用于道路工程中，可以在提高道路各种使用性能的同时大大降低建造成本与养 护费用，降低行车噪音提高居民生活质量。而且橡胶沥青生产可环保利用废旧轮胎，符 合国家提倡的“建立节约型社会”、“发展循环经济”等政策。橡胶沥青在道路工程中 的应用得到了各级政府的大力支持，受到了愈来愈多项目业主的欢迎。 橡胶沥青（AR）拥有较强的高温稳定性、低温抗裂性、以及抗老化、抗疲劳

24、、抗 水损坏的特性。所以把橡胶沥青设计应用于道路方案中，可以充分体现以下特性与优点： 抗反射裂缝。在铣刨、填缝、整治、调平后的旧路面上铺装橡胶沥青应力吸收 层（SAMI）是国际公认的抗反射裂缝最有效的解决方案，因为橡胶沥青利用较强的粘性， 可有效解决加铺层与水泥路面的粘接问题，同时高用量的橡胶沥青与单一粒径的碎石强 力粘结，形成约1cm厚弹性良好的防裂层，原路面的各种裂缝将难以穿透该橡胶沥青应 力吸收层向上传播。 抗水损坏。橡胶沥青应力吸收层，也是一个良好的防水层，首先，该层橡胶沥 青用量较大（2.6kg/m），在原路面上形成约3mm厚的沥青膜，完全可以防止雨水的向 下渗透，对下面层起到保护作

25、用。其次，在上面摊铺沥青混合料面层时，橡胶沥青应力 吸收层顶部的橡胶沥青会二次熔化，经路面压实后会充分填充面层混合料底部的缝隙， 可解决防止水渗透问题，从而排除层间存水的可能。 抗低温脆裂。由于橡胶本身的可塑性和延展性，使得橡胶沥青低温延度增大， 橡胶沥青路面抗低温脆裂能力大大增强。 抗高温车辙。橡胶沥青本身拥有较强的高温稳定性和粘性，所以用于路面结构 中的橡胶沥青胶结料具有高粘性与不易流动性。另外碎石外层所裹附的橡胶沥青胶结料 中含有大颗粒的橡胶粉，可产生较大的磨阻力，也使碎石不易滑动，可减少车辙形成， 同时保证结构能力。 第一章 绪论 4 美国设计规范中说明： 1cm橡胶沥青应力吸收层的防

26、反射裂缝能力相当于5cm普通重交沥青混合料 1cm橡胶沥青混合料等于2cm普通沥青混合料的抗反射裂缝能力。 由中国(2)半刚性基层表层粒料容易松散，透层油有助于结合基层 表面集料中的细料，以免松散后影响层间粘结;(3)由于在完成基层的铺装后一般要一段 时间的养生,在此期间要洒水，适时洒布透层油还可以封闭缝隙，减少水分挥发，降低 基层的养生费用,提高养生质量;(4)如果透层油施工比较合符规定，经过透层油渗透成型 以后的基层,表面的开口孔隙被填充,从而得到一个渗透深度上的防水层，对减少水损坏 有一定的作用;(5)一般在基层施工结束后一段时间才铺筑面层，由于某种原因推迟铺筑 面层的情况下,透层可为基

27、层提供临时性防护措施,防止降雨和临时行车的破坏。 目前对透层油的使用和研究已经有不少了，主要存在的问题有：透层油的渗透深 度不够和透层油撒布不均匀。 本课题采用煤油稀释沥青作为透层油，通过在实验室自行配制生产，沥青采用克 拉玛依 110#基质沥青，煤油采用一般民用清洁煤油。克拉玛依 110#基质沥青指标如表 2.6. 表表 2.6 克拉玛依克拉玛依 110#基质沥青技术指标基质沥青技术指标 检测项目单位实测值规范规定值试验依据 针入度(25,5s,100g)0.1mm113100120T 0604 针入度指数 PI -0.8-1.51.0T 0604 密度(15) g/cm31.01实测T 0

28、603 软化点(R基层顶面直接受温差变化的作 用,而基层底面受底基层保护作用,温度变化相对较小,因此形成自上而下的温度梯度,基 层顶面所受温差变化作用要大于基层底面,温缩也开始于基层顶面。因此,无论干缩还是 温缩,所引起的裂缝都是从基层顶面开始的。初期的干、温缩引起混合料收缩产生裂缝 是半刚性基层板体早期开裂的重要原因之一。 在环境温度和湿度不断变化过程中会产生温湿应力循环,以及在瞬时车辆荷载的重 复作用下会产生荷载应力循环。在温湿循环应力和荷载循环应力的共同作用下,会在低 于材料极限承载能力的情况下发生破坏,从而产生疲劳开裂现象。 半刚性上设置同步碎石下封层可以防止基层裂缝反射到沥青路面层，

29、减缓路面的 损坏速度，同时起到封水作用，避免路表雨水下渗到基层。本文采用有限元分析方法 对同步碎石下封层对基层应力的消解作用进行简单的模拟计算，分析同步碎石下封层 厚度、模量变化对路面结构层应力应变的影响。 3.1 模型的建立 本文在采用有限元理论进行力学计算时将设计路面结构视为弹性层状体系，整个 模型由沥青面层、同步碎石下封层、带有裂缝的半刚性基层和地基几部分组成，通过 建立三维模型进行计算。 1、有限元分析首先要进行几何模型尺寸的选定。在路面结构分析时，一般假定路 面各结构层为平面无限大的弹性层，路基为弹性半空间体。但是在采用有限元进行实 际力学分析时，模型尺寸只能采用有限尺寸，并且不能太

30、大，尺寸太大会增加工作量。 鉴于此，本论文计算中结构模型尺寸确定为：土基：7m5m6m,半刚性基层： 5m4m0.35m，同步碎石下封层：5m4mhm，沥青混凝土加铺面层： 5m4m0.16m。 第三章 同步碎石下封层力学性能分析 20 图图 3. 1 路面结构三维模型图路面结构三维模型图 2、基本假设： 双圆均布荷载作用下多层弹性层状体系的基本假设： （1）. 路面结构层厚度均匀、水平方向无限大，路基为半无限体； （2）. 各层材料均匀且各向同性； （3）. 各层材料为线弹性体 （4）. 作用于弹性层状体系最上面的荷载是轴对称的； （5）. 体力忽略不计。 （6）. 半刚性基层裂缝宽 1cm

31、 本论文假设层间完全连续，且不考虑水平力因素的影响。 3、材料参数 根据计算的目的取向，本文的材料参数选择入下表所示： 表表 3.1 路面结构参数表路面结构参数表 模量 Mpa厚度 m泊松比 沥青混凝土面层12000.160.25 同步碎石下封层200-10000.01-0.030.25 水泥稳定基层20000.350.35 土基10060.35 长安大学硕士学位论文 21 4、网格划分：网格划分不同对计算精度和速度有不同影响，综合考虑后面层采用 六面体网格划分，其它单元划分采用四面体自由网格划分，面层水平尺寸为 0.1m，土 基采用 0.5m。具体视图如下： 图图 3.2 路面结构三维网格划

32、分路面结构三维网格划分 5、加载位置及计算点位 当车辆荷载通过裂缝的过程中，路面结构层所受应力分布也不同，当荷载作用在 半刚性基层裂缝正上方时，在裂缝正上方面层将出现较大拉应力。因此本文中加载部 位和计算点位都放在裂缝正上方。 半刚性基层裂缝 同步碎石下封层 半刚性基层 沥青混凝土面层 图图 3.3 应力计算点位图应力计算点位图 第三章 同步碎石下封层力学性能分析 22 加载部位 半刚性基层裂缝 半刚性基层 同步碎石下封层 沥青混凝土面层 图图 3.4 荷载作用在裂缝正上方荷载作用在裂缝正上方 图图 3.5 假设有裂缝区域的网格划分假设有裂缝区域的网格划分 3.2 同步碎石下封层对路面结构应力

33、应变分析 现行路面设计中，比较遵循采用“强基薄面”的设计思想，面层越厚，其抗反射 裂缝以及抗车辙能力也越强，但是从经济性角度考虑，这种采用加大面层厚度来增加 寿命的方法不太可取，因此在本节力学计算中沥青混凝土面层采用 16 公分不变尺寸， 模量参数也采用不变模式。基层厚度和模量也采用一固定值。主要通过改变同步碎石 下封层参数来研究同步碎石下封层在荷载作用下对半刚性基层裂缝以及沥青面层的影 响。对同步碎石下封层厚度范围的确定主要结合工程经济性和技术可行性来考虑选择 长安大学硕士学位论文 23 的，厚度采用 1cm、2cm、3cm 三种厚度，其模量范围为 200 MPa -1000 MPa，增幅为

34、 200MPa。 图图 3.6 荷载作用下结构的应力分布云图荷载作用下结构的应力分布云图 在假设基层存在裂缝的情况下，分析碎石封层对面层的受力影响，当荷载位置位 于裂缝正上方时的应力分布云图如图 3.6 所示，黄色区域应力最大的区域位于裂缝的正 上方，可见基层存在裂缝的情况下有必要在基层与面层间修筑隔离层或应力吸收层。 3.2.1 同步碎石下封层参数变化对面层底面拉应力的影响 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 2004006008001000 同步碎石下封层模量MPa 面层层底拉应力MPa 1cm 2cm 3cm 图图 3.7 同步碎石下封层模量与同步碎石

35、下封层模量与层底面拉应力层底面拉应力的关系的关系 第三章 同步碎石下封层力学性能分析 24 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 1cm2cm3cm 同步碎石下封层厚度cm 面层层底拉应力MPa 200MPa 400MPa 600MPa 800MPa 1000MPa 图图 3.8 同步碎石下封层厚度与同步碎石下封层厚度与层底面拉应力层底面拉应力的关系的关系 由图 3.8 可知，随着同步碎石下封层模量的增加，基层底面拉应力不断减少，但 是下降的幅度越来越小。随着同步碎石下封层厚度的增加，基层层底拉应力不断减小， 且模量越小，减小的幅度越大。看出封层厚度在 2cm

36、 到 3cm 变化对面层底面的拉应力 影响不是很明显了。因此可以看出，同步碎石下封层的设置对减小面层层底拉应力其 着很大的作用。 3.2.2 同步碎石下封层参数对沥青面层表面弯沉的影响 33 33.5 34 34.5 35 35.5 36 36.5 37 020040060080010001200 同步碎石下封层模量MPa 沥青面层表面弯沉0.01mm 1.0cm 2.0cm 3.0cm 图图 3.9 同步碎石下封层模量对沥青面层表面弯沉的影响同步碎石下封层模量对沥青面层表面弯沉的影响 长安大学硕士学位论文 25 33.5 34 34.5 35 35.5 36 36.5 37 01234 同步

37、碎石下封层厚度cm 沥青面层表面弯沉0.01mm 200MPa 400MPa 600MPa 800MPa 1000MPa 图图 3.10 同步碎石下封层厚度对沥青面层表面弯沉的影响同步碎石下封层厚度对沥青面层表面弯沉的影响 由图 3.10 可知，随着同步碎石下封层的模量增加，沥青路面表面弯沉逐渐减小， 说明模量的增大过程，同步碎石下封层的变形能力在逐渐减弱。当同步碎石下封层模 量为 200MPa 时，随着同步下封层厚度的增加，弯沉逐渐增加；当同步碎石下封层模 量为 400MPa 时，同步碎石厚度变化对路面表面完成影响不大：当同步碎石下封层模 量大于 400MPa 时，随着同步碎石下封层厚度的增

38、加，弯沉逐渐减小，且模量越大， 弯沉减小越快。 3.2.3 同步碎石下封层参数变化对沥青面层内最大剪应力的影响 204 206 208 210 212 214 020040060080010001200 同步碎石下封层模量Mpa 沥青面层内最大剪应力Kpa 1.0cm 2.0cm 3.0cm 图图 3.11 同步碎石下封层模量与沥青面层内最大剪应力的关系同步碎石下封层模量与沥青面层内最大剪应力的关系 第三章 同步碎石下封层力学性能分析 26 204 206 208 210 212 214 01234 同步碎石下封层厚度cm 沥青面层内最大剪应力 kpa 200Mpa 400Mpa 600Mpa

39、 800Mpa 1000Mpa 图图 3.12 同步碎石下封层厚度与沥青面层内最大剪应力的关系同步碎石下封层厚度与沥青面层内最大剪应力的关系 由图 3.12 可知，随着基层模量的增加，沥青面层内最大剪应力增加，且增加的幅 度较大，因此，对于沥青面层内抗剪而言，降低同步碎石下封层模量对减小面层内最 大剪应力有利。当同步碎石下封层模量小于 600MPa 时，随着同步碎石下封层厚度的 增加，沥青面层内最大剪应力不断减小：当同步碎石下封层模量大于 600Mpa 时，随 着同步碎石厚度的增加，沥青面层内剪应力不断增大。 3.3 本章小结 通过采用有限元分析软件对有裂缝的半刚性基层路面结构建立三维模型，对

40、模型 进行网格划分，对设置同步碎石下封层的路面结构进行简单的力学分析，通过改变下 封层的厚度及模量，计算其对沥青路面面层层底拉应力、路表弯沉、沥青面层内最大 剪应力的影响。 经分析得出如下结论： 1、同步碎石下封层模量的增加，基层底面拉应力不断减少，；随着同步碎石下封 层厚度的增加，基层层底拉应力不断减小，且模量越小，减小的幅度越大。因此认为 同步碎石下封层的设置对减小面层层底拉应力其着很大的作用。 2、同步碎石下封层对路表弯沉有影响：封层模量增加，沥青路面表面弯沉逐渐减 小，当同步碎石下封层模量为 200MPa 时，随着同步下封层厚度的增加，弯沉逐渐增 加；当同步碎石下封层模量为 400MP

41、a 时，同步碎石厚度变化对路面表面完成影响不 大：当同步碎石下封层模量大于 400MPa 时，随着同步碎石下封层厚度的增加，弯沉 逐渐减小，且模量越大，弯沉减小越快。 长安大学硕士学位论文 27 3、随着基层模量的增加，沥青面层内最大剪应力增加，且增加的幅度较大；当同 步碎石下封层模量小于 600MPa 时，随着同步碎石下封层厚度的增加，沥青面层内最 大剪应力不断减小：当同步碎石下封层模量大于 600Mpa 时，随着同步碎石厚度的增 加，沥青面层内剪应力不断增大。 第四章 基于界面强度的同步碎石下封层设计方法 28 第四章 基于界面强度的同步碎石下封层设计方法 4.1 概述 同步碎石封层技术是

42、法国赛格玛公司在 40 多年的实际道路铺筑养护经验中总结发 明的新一代道路建设和养护技术，20 世纪 80 年代开始在法国被大规模采用，20 世纪 90 年代传播到欧洲各国及美国，同步碎石封层可作为等级道路的下封层，也可以作为 路面表面的防护层。同步碎石封层设计中碎石和沥青用量的计算方法最初是由 Norman McLeod 在 1960s 后期提出的，后来被美国沥青协会和乳化沥青制造协会采纳。 Strategic Highway Research Program（SHRP）将该方法用于碎石封层的设计，这种设计 方法是针对路面养护上封层设计提出的，它考虑了沥青要求、碎石尺寸、碎石片状指 数(FI

43、)、碎石平均最小尺寸、松散碎石的单位质量、碎石密度、松散碎石的空隙率、碎 石吸收率、交通量修正因子、碎石损失系数、路面状况修正因子等影响因素。 在应用碎石封层技术进行路面养护时，集料是主要用来抵挡车轮磨耗的，所以正 确的集料撒布量应该是可以完全覆盖旧路面，集料之间应该是肩并肩紧密的构成一个 平面，达到集料覆盖率 100%。如果集料的覆盖率过低，过多的紫外线对沥青的照射会 导致沥青变性老化，从而导致路面损坏情况发生。如果集料的覆盖率过高会导致过多 的集料被挤压到沥青层中，从而导致一些已经粘到沥青层的集料脱落。一方面造成不 必要的材料浪费，另外脱落的集料有可能会被车轮带起轧碎汽车挡风玻璃。 表表

44、4.1 国外碎石封层施工中的碎石撒布量国外碎石封层施工中的碎石撒布量 集料尺寸集料的数量(kg/m2) 19.09.5mm2227 12.54.75mm1416 9.52.36mm1114 4.751.18mm811 同步碎石被引进到我过已经有一段时间了，施工技术在日趋完善，在长期的实践 中也积累了少经验。表 4.2 是目前国内同步碎石施工结合料洒布量经验值，提供了对于 特定尺寸的集料做单石单料的碎石封层应用时沥青的一个大致洒布量。 长安大学硕士学位论文 29 表表 4.2 单石单料应用时沥青的洒布量单石单料应用时沥青的洒布量 集料尺寸沥青洒布量(kg/m2) 58mm0.81.0 813mm

45、0.91.3 1015 mm1.21.6 同步碎石封层技术运用到半刚性基层上作为下封层时，主要功能是用于防止基层 裂缝反射到沥青路面路表，防止路面结构中不能流出的雨水渗入基层，对基层起到保 护作用。半刚性基层由于温缩和干缩将产生横向裂缝，这是公路建设中遇到最多同时 也是很难解决的问题。同步碎石下封层是通过在基层上洒布沥青并同步撒布碎石经碾 压形成的一薄层，其整体力学特征是柔性的，可以将向上传递的应力分散在较大的面 积，可延缓罩面层反射裂缝的产生时间，同时经同步碎石封层作的下封层由于其柔韧 性，尽管反射裂缝已经反射到罩面层，但下封层本身不会断裂，这样水就无法向下渗 透而破坏基层和路基。与此同时，

46、在进行沥青洒布时，流动性很好的沥青会顺利的渗 入水稳层表面的细微裂缝深处，使下封层与水稳层基层的粘结性更好，在碎石下封层 上铺筑沥青面层时，碎石与沥青混合料能有更好的嵌挤能力，真正起到了联结上面层 和基层的作用。 由于其功能性与用于路面养护时不一样，其碎石粒径选择、撒布量的确定和最佳 沥青用量的选择要根据其功能性来设计，不能照搬用与上封层的设计方法。鉴于此， 本论文提出适合下封层的设计方法。 4.2 基于界面强度的同步碎石下封层设计方法研究 4.2.1 设计思路及步骤 1）设计思路 保证沥青的包裹高度 同步碎石下封层对碎石的粒径，形状等有较高要求，粒径上要选用单一粒径，对 细长扁平状含量要进行

47、控制，整个碎石粒径比较均匀，碎石形状上用立方体状碎石， 做到“一石到顶，整齐排布”的效果。可以采用基质沥青、改性沥青、改性乳化沥青 以及橡胶沥青作为洒布油，作为胶结料，它要保证一个恰当的量，使得同步撒布的碎 石能很好的被稳固，同时也不能形成一个软弱夹层。为了使碎石能够牢固地镶嵌在路 面上，我们设想让碎石有 70%的高度被沥青包裹。 第四章 基于界面强度的同步碎石下封层设计方法 30 图图 4.1 碎石在沥青中的嵌入程度碎石在沥青中的嵌入程度 对于基质沥青，应该设计碎 70%左右嵌入到基质沥青中。无论采用乳化沥青或者 稀释沥青进行同步碎石下封层洒布时，由于不同公司生产的乳化沥青其配比不一样， 其

48、中包含有稀释剂或水等将会蒸发掉的成份，最终的残留沥青量会比最初值要低，所 以一定要能够确切知道粘结剂中的沥青含量，设计时要根据乳化沥青中基质沥青含量 进行计算，通常，稀释沥青中含有 85%的基质沥青和 15%的稀释剂，乳化沥青中含有 2/3 的基质沥青和 1/3 的水和乳化剂。一般情况下洒布乳化沥青时，乳化沥青的高度基 本与碎石高度齐平，待乳液破乳水分挥发以后，其高度大约在碎石 70%的高度。如果 乳化沥青的高度过低，凝固以后，碎石的嵌入深度不够，粘结效果将达不到最佳状态。 图图 4.2 粘粘结结剂剂中中的的基基质质沥沥青青含含量量 长安大学硕士学位论文 31 图图 4.3 乳化沥青破乳前后的

49、体积变化乳化沥青破乳前后的体积变化 保证界面有足够的强度 优选出的同步碎石下封层结构要提供足够的抗剪切或抗拉拔强度，以提高层间性 能。 2） 设计步骤 原材料选择及评价 包括沥青优选和碎石的选择。 拟定碎石撒布率，计算碎石撒布量 碎石撒布量通过公式 4.1 计算 K （4.1）（EGHVC1)04.1 ( C碎石用量，kg/m2 V松散碎石的空隙率，% H碎石平均最小尺寸，mm G碎石毛体积密度，kg/m2 E碎石损失系数，% k碎石撒布率，% 预估初始沥青用量 在试验所测得的碎石物理参数的基础上，通过理论方法预估沥青用量，具体计算 见公式 4.2 （4.2） R ASVH B 40 . 0 B沥青用量，kg/m2 H碎石平均最小尺寸，mm V松散碎石的空隙率，% S基层顶面状况修正因子，kg/m2 A碎石吸收率，kg/m2 第四章 基于界面强度的同步碎石下封层设计方法 32 以预估沥青用量为中值，以中值15%、30%变化油量，成型五组不同沥青 用量下的复合试件，以抗剪强度或抗拉强度最