长寿命沥青路面报告申爱琴非常重要ppt课件.ppt

长寿命沥青路面关键技术研究changshouming liqinglumian guanjian jishuyanjiu,报告人：申爱琴（教授 博士生导师）长安大学 公路学院,长寿命沥青路面关键技术研究主要内容,1 长寿命沥青路面发展及研究现状2 长寿命沥青路面设计理论及设计指标3 长寿命沥青路面结构设计4 长寿命沥青路面结构层材料设计5 长寿命沥青路面层间处治技术6 长寿命沥青路面经济效益分析,1 长寿命沥青路面发展及研究现状,1.1 前言,- 近年来我国高速公路里程增长迅速。,2000年底，高速公路通车总里程已达到1.6万公里，我国高速公路总里程跃居世界第三位；2019年底，我国高速公路通车总里程已达到2.52万公里,跃居世界第二位；截止到2019年底，我国高速公路通车里程已超过3.4万公里，保持世界第二。,1.1 前言,我国所建高速公路中90%以上为半刚性沥青路面结构。 存在一系列问题：,1.2 长寿命路面的设计理念,（1）传统路面存在的问题 - 采用半刚性基层结构(结构单一) ; - 面层厚度比国外的薄(总厚度相当); - 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.（2）长寿命路面的特点 - 沥青面层厚度大; - 服务周期长(超过50年); - 维修方便且费用低,（3）长寿命沥青路面设计理念,按功能合理设计结构层 基本前提: - HMA 路面足够厚,以消除自下而上的路面破坏。 结构 - 路面必须有合适的厚度和刚度以抵抗变形, - 具有足够厚度和良好性能以抵抗自基层底的疲劳开裂。 功能 - 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; - 基层设计主要考虑抗疲劳能力.,1.3 国外长寿命路面的发展及现状,1.3.1 欧洲永久性路面（1）使用寿命40年（2）裂缝 - 裂缝产生于沥青面层表面并由上向下发展； - 绝大多数为纵向裂缝,位置在轮迹两侧,也有横向表面裂缝,但很少见。,（3）车辙,2019 年Nunn等人发现,厚沥青路面存在一个厚度上限,超过这个 限值自下而上的疲劳开裂和结构性车辙都不会发生。,1.3.1 欧洲永久性路面,（4）疲劳寿命 - 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 - 主要结构层的逐渐硬化对道路有利, - 确切地说,沥青的老化是一种养生过程。 - 不希望磨耗层过度老化, 会导致路面从表层开裂。 - 基层使用的沥青针入度为100,20年后其针入度会降至20甚至更低。TRL对AC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的4倍或者更高,这种变化对长寿命路面的设计有重大意义。,1.3.1 欧洲永久性路面,（6）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； - 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。（7）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； - 采用刚度更大的基层材料，如HMB15、HMB25、HMB35三种高模量沥青混合料。,1.3.2 美国永久性路面,（1）欧洲设计理念的延续和发展（2）使用寿命50年，罩面层1520年以后进行修复（3）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。,1.3.2 美国永久性路面,（4） 疲劳裂缝 实例：新泽西州建于1968年的州际公路I-287,面层厚度是10in.(25.4cm)。1993 年的路面调查发现,路表出现很多裂缝,但现场取芯表明裂缝深度大都在3英寸(7. 62 cm)之内,没有由下向上发展的疲劳裂缝。 （5）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,可以承受相当多数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“应变下限”时,材料内部将不发生疲劳损坏的累积。,（6）路面设计方法,力学经验路面设计方法 特点： - 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；- 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，- 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。,1.3.3 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,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,仍处在发展完善阶段。,1.4 国内长寿命沥青路面研究及发展现状,1.4.1 研究现状 - 处于长寿命沥青路面结构研究的初级探索阶段。 国内相关研究与实践 - 西部交通科技建设项目“重载交通长寿命沥青路面关键技术研究项目” - 河南尉许高速公路是一种“ 刚柔并济、优势互补”的水泥混凝土与沥青混凝土（PCC+AC）复合式路面结构，结构如图1-1。开封至郑州高速公路、厦门环岛高速公路、合肥至全椒高速公路、天津市道路、国道323宜州-都街段都修建有复合式路面结构。,图1-1 河南尉许高速公路复合式长寿命路面结构简图,2cm厚的应力吸收层,4cm 改性沥青混凝土,2. 长寿命沥青路面设计理论及设计指标,2.1 国内外的沥青路面设计体系2.1.1 基于经验的设计方法（1）CBR法 - 以CBR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CBR的测定，建立起路基土CBR-轮载-路面结构层厚度（以粒料层总厚度表征）三者间的经验关系。,2. 长寿命沥青路面设计理论及设计指标,（2）AASHTO法,在AASHTO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-轴载-使用性能三 者间的经验关系式。 特点： - 采用现时服务能力指数（PSI）作为路面使用性能的度量指标。 - 路面使用性能指标PSI,主要受平整度的影响，与裂缝、车辙、修补等损坏的关系很小。,2.1.2 基于力学的力学-经验设计方法,壳牌（Shell）公司的Peattie和Dormon提出力学-经验法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或压应变作为设计指标。,Shell法采用的三层弹性体系路面模型,在第四届(1977)和第五届(1982) 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。,力学经验法设计方法示例,沥青路面结构设计框图,2.2 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 （1）第一类早期损坏往往发生在通车后不久，有的是当年， 有的在13年内发生 。 特点： a、局部性； b、通常行车道首先发生； c、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。,（2）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重的损坏，且导致基层结构的损坏。,2.2.2 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,2.2.2 路面结构损坏模式,（1）车辙 - 一种是车辙只发生在沥青面层,为表面车辙; - 另一种车辙产生于土基,为结构性变形。 对道路的车辙产生速率的调查结果： - 沥青层厚小于180mm时，车辙率较大； - 沥青其厚度大于180mm时, 车辙速率会迅速降低。 对厚沥青面层道路,调查表明： - 车辙的大部分主要发生在沥青层表面 。,车辙,（2）疲劳开裂,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开裂,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。如图2-5。 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，沥青的老化则是疲劳寿命差异的主要影响因素。 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，从而减小了车辆荷载引起的、导致路面疲劳的基层拉应变。,沥青路面疲劳开裂,（3）永久变形,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。 包括： - 固结和剪切两部分,通常在路面设计中处理。 永久变形与材料的属性有关： - 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N和温度T及应力值有关； - 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；,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, a0和b0为常数。 永久变形与车辆荷载作用轴次关系最初是由Monismith等人于1975 年提出的，如下式所示:p= ANb , 其中,p为累积永久应变；r 为弹性变形；N为作用轴次；A、b为回归参数。,永久变形,2.3 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,交通量和轴载的增加,沥青路面的诸多设计方法的局限性也愈加显化 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,2.3.1 基于力学的长寿命路面结构设计方法,实质：-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TRB会议上提出了这种设计方法, Monismth和Long建议控制沥青层底的弯拉应变60，基顶压应变200。,基于力学的路面设计流程(Monismith,1992),Monismith和Long建议 各层应变控制指标,基层,路基,2.3.2 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 - 以ILLI_PAVE程序的有限元分析结果为基础,采用了一个控制应变的疲劳方程,这个疲劳方程可以用来控制HMA层的配合比、拉应力和路用性能。 - 这种设计方法已经被伊利诺斯州交通运输部(IDOT)所采纳。（3）以明尼苏达公路研究课题采集的数据为基础,明尼苏达州制定了一种力学设计方法。 用层状弹性理论程序WESLEA计算路面结构在荷载下的响应。,2.3.2 基于力学的长寿命路面结构设计方法,（4）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。 Nunn 等人认为， - Nunn 等人在2019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，由下到上的疲劳开裂和结构性的车辙都可避免。 - 当累计标准轴载作用次数(ESAL)超过8000万次时，沥青面层厚度不再需要增加。 - 在沥青面层层底存在一个极限弯拉应变水平，当层底应变处于这个水平以下时疲劳损坏就不会发生。,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,3. 长寿命沥青路面结构设计,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）定期的路面表层养护、检修和更换能使路面结构达到长寿命（超过50年）。,3.1 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。 - 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。 - 结构具体分层： 由路基顶面向上长寿命沥青路面由HMA基层、HMA中间层和磨耗层三部分组成。,长寿命沥青路面结构示意图,3.1.1 结构要点,(1) 轮载下100150mm区域是高受力区域,也是各种损坏(主要是车辙)易发区域;(2) 磨耗层（面层）：4075mm高性能沥青混凝土，为车辆提供良好的行驶界面, 应具有足够的表面构造深度，抗车辙、水稳定性好;(3) HMA中间层：100175mm高模量抗车辙沥青混凝土，起到连接和扩散荷载的作用, 应具有高模量(刚度)、抗车辙特性;,3.1.1 结构要点,(4) HMA基层：75100mm高柔性抗疲劳沥青混凝土，起到消除疲劳破坏的作用, 最大拉应变产生在HMA基层底部, 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;(5) 路面基础不仅为沥青面层的铺筑提供良好的界面, 而且对于路面的变形、抗冻都是至关重要的。,3.1.2 HMA基层受力特性,取两个结构作为研究对象分析,3.2 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,3.2.2 美国长寿命沥青路面设计实例,3.2.2 密歇根州永久性路面设计推荐结构,3.2.3 俄亥俄州结构设计实例,临界拉应变=70， 结构设计参数如表。,Wayne US 30道路永久路面结构设计参数,StarkI-77结构设计参数,3.2 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。 - 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。 - 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等都对此进行了研究，铺筑了试验路，也取得了不少成就。,3.2.2 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 K58240 K59+481 K61+231赵市线中桥 K62+850常熟一标终点,图中：CS水泥稳定碎石，ATB沥青稳定碎石，GRH级配碎石，红色采用改性沥青。,图中：CS水泥稳定碎石，ATB沥青稳定碎石，GRH级配碎石， 红色采用改性沥青。C/FDAC粗/细型密级配沥青混凝土混合料,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,3.2.2 长安大学长寿命沥青路面课题,（1）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 。B 结合HPDS软件、东南大学设计软件、SHELL BISAR 3.0对结构分别计算与验算的结果 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课题组提出了三种结构方案，并于铺筑了试验路。,三种方案对照,3.2.3 沪宁高速公路拓宽段工程试验段结构,3.2.4 山东长寿命路面结构汇总（单位：cm),4 长寿命沥青路面结构层材料设计,4.1 概述,长寿命沥青路面各结构层材料设计是保证路面良好路用性能的关键，根据各结构层功能进行路面材料设计,提出材料指标要求磨耗层：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； 基层：承重层，抵抗层底弯拉应变 。,4.2 磨耗层材料设计,4.2.1 影响因素和性能要求 影响因素 磨耗层的具体要求依赖于交通条件、环境因素、当地的经验和经济条件。面层受到自然条件 (雨水、气温、日照) 和行车荷载的作用最频繁, 处于压应力、剪切应力集中的区域。 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、缓解水雾的影响并能减小噪声等。,4.2.2 磨耗层材料设计方法,磨耗层材料应选择SMA、密级配混合料或OGFC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, 可以选择SMA, 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, 使用密级配混合料更为适合。与SMA一样, 它也必须满足抗车辙、抗渗、抗磨耗及气候状况的要求。 - OGFC具有优良的抗滑性能、排水性能以及减少噪声等优点。可用于对排水有特殊要求的的情况 以SMA和OGFC配合比设计方法为例介绍磨耗层材料设计方法。,4.2.2.1 磨耗层材料SMA配合比设计,SMA配合比设计包括： （1）材料选择 （2）确定初试级配； （3）测定粗集料骨架间隙率VCADRC； （4）选择初试沥青用量； （5） 根据VMA和VCA确定设计级配； （6）马歇尔试验并根据空隙率VV确定最佳沥青用量。,SMA,（1）材料选择,A 粗集料 - 采用坚硬、粗糙的、有棱角的优质石料. - 粗集料性质必须在公路沥青路面施工技术规范(JTJ032) 规定的抗滑表层的基础上,对石料压碎值提高到不大于25 % ,针片状颗粒含量指标要求不大于15 % 。B 细集料 - 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公路沥青路面施工技术规范(JTJ032) 规定的质量技术要求.,（1）材料选择,C 填料 - 粉胶比一般达到1. 82. 0 - 必须使用磨细的石灰石矿粉, 应满足公路沥青路面施工技术规范(JTJ032)的要求. 采用石灰石矿粉的亲水系数必须小于1 ,与沥青应有良好的粘附性,小于0.075 mm的含量应大于75%. D 纤维稳定剂 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,E 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,要有较高的粘度,符合一定的要求,以保证有足够的高温稳定性和低温韧性. - 必须采用符合“重交通道路沥青技术要求”的沥青,在大多数地区要使用比通常较硬一级的沥青,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量. 是采用SMA一个途径,还是改性沥青一个途径,或者同时采用改性沥青和SMA两个途径,主要取决于使用者的目的以及经济实力.,（2）确定初试级配,根据国内外经验及有关部门规范,推荐的SMA 的间断级配如表. -选择初试级配时必须以该表为基础, 以4.75 mm 通过率为变化点, 改变3 个不同的通过率: 22%、25%、28% , 或者采用20%、25%、30% ,3个级配均固定矿粉数量,0.075 mm 通过率为10%左右.,沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA) 矿料级配建议范围,4.2.2.1 磨耗层材料SMA配合比设计,（3）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VCAmin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状态下的间隙率VCADRC （4）选择初试沥青用量 - 首先考虑最小沥青用量的规定 - 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,AASHTO 的SMA 规范关于沥青用量的规定,（5）根据VMA和VCA确定设计级配,A 按照确定初试的沥青用量,用3组初试级配拌和制作马歇尔试件, 试件数量为每组4个,3组试件共计12个 ， B 将三组初试级配的试验结果VCAmin和VCADRC比较,绘制成图。 C 从中选择符合VCAmin VCADRC要求的级配,以4. 75 mm的通过率最大的一组级配为设计级配. D 注意,尽量选择VMA稍大于17 %的级配为设计级配,以防在施工过程中VMA可能会有所降低.,根据VCA确定级配中4. 75mm 的通过率,（6）马歇尔试验并根据空隙率VV确定最佳沥青用量,- 在设计级配确定以后,可以变化3 个不同的沥青用量,每组4个试件. 1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。 - 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SMA混合料的设计技术要求,如表.,我国SMA马歇尔试验配合比设计技术要求,4.2.2.2 磨耗层材料OGFC配合比设计,OGFC设计包括： （1）目标空隙率； （2）材料选择； （3）试验级配的选择； （4）沥青用量的初选和试件成型； （5）空隙率的确认； （6）沥青析漏试验； （7）最佳沥青用量的确定； （8）混合料配合比设计检验。,OGFC,4.2.2.2 磨耗层材料OGFC配合比设计,（1）目标空隙率 - 空隙率以20%为基准, 在18%25%范围内决定。（2）材料选择 A 沥青和纤维 - 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2个等级。 - 添加剂使用木质纤维或矿物纤维,OGFC,改性沥青技术要求,（2）材料选择,B 集料 - 粗集料形状以方形石为佳 - 细集料可以使用少量人工砂, 但不能混入粘土、灰尘等有害物质。 C 填料 - 要求使用石灰石粉, 也可使用质量通过验证的熔渣粉末等材料。 - 台湾地区提出的OGFC材料试验方法及指标要求见表。,台湾地区OGFC 材料试验方法及指标要求,（3）试验级配的选择,- 应用已推荐级配范围, 但必须按给定方法检查粗集料石-石接触的骨架结构。 现行规范尚未提出OGFC级配范围, - 试验时, 以规格级配的中间值为目标的集料配合比作为1号, 在1号配合比外, 把2.36mm 筛通过质量百分率各调整3% 的集料配合比定为2号和3号。,几个最新OGFC 推荐级配范围,表中级配是美国、日本、韩国和我国台湾地区的最新OGFC推荐级配范围, 供设计时参考,（4）沥青用量的初选和试件成型,- 为了测量压实试件的空隙率,可以根据经验初选沥青用量为4.5%。 对于1、2、3号配合比, 各制作4个马歇尔试件; - OGFC混合料是开级配, 细集料少, 温度下降非常快, 因此在试件制作过程中需要特别注意温度的控制。,（5）空隙率的确认 A 利用制作的试件, 按照体积法测量试件的毛体积密度, 按照真空法测量分散OGFC混合料的理论最大密度, 从而计算其空隙率。 B 将计算空隙率与目标空隙率比较, 调整2.36mm筛通过率, 再算出各档集料配合比, 并把它作为最终集料配合比。（6）沥青析漏试验 以最终集料配合比, 按照沥青用量4.0%6.0% 的范围, 以0.5%为单位按照“沥青混合料谢伦堡沥青析漏试验”(T0732-2000) 进行沥青析漏试验。,（7）最佳沥青用量的确定 根据沥青析漏试验和试件飞散损失试验结果, 以沥青析漏试验的反弯点作为最大沥青用量, 以试件飞散试验的反弯点作为最少沥青用量, 在该范围内, 考虑现场条件等因素后, 决定最佳沥青用量。 （8）混合料配合比设计检验 用试验确定的最佳沥青用量, 进行马歇尔稳定度、渗水试验、动稳定度试验、水稳定性试验等沥青混合料配合比检验试验。,美国OGFC马歇尔配合设计指标及要求,4.2.2.3 OGFC路面排水设计,排水沥青路面的上面层采用OGFC，下面采用不透水的沥青混合料结构层，以防止雨水下渗进入基层。 为确保OGFC铺装层以下结构的不透水性，设计中主要采用以下方法： - 基层上用0.5cm沥青下封层（稀浆封层）； - 中下面层的沥青混合料均用密级配的沥青混凝土； - 在排水沥青铺装层及密级配的中面层之间设置一层0.5cm的沥青上封层（稀浆封层）。从而达到了防止排水性沥青铺装层的雨水下渗问题.,4.3 HMA中间层材料设计,中间层须同时具有耐久性、稳定性和抗车辙性能。 4.3.1 耐久性 - 耐久性是其抗疲劳性能、水稳定性、抗老化性能的综合反应，其与混合料的空隙率有密切关系。 - 提高中间层沥青混合料的耐久性能可以通过合理选择材料和增加骨料表层沥青膜的厚度来实现。,4.3.2 稳定性,稳定性可以从粗骨料间的骨架结构及采用合适的高等级沥青来获得, 这对面层上部150mm区域是至关重要的。因为此区域是承受车轮荷载作用的高应力区,极易产生剪切损坏。,长寿命路面沥青结构等级确定,4.3.3 抗车辙性能,长寿命沥青路面应力分析可知，剪切应力峰值主要集中在中间层 中间层最有可能出现剪切破坏, 因此要求有较好的抗车辙性能。 材料设计时可采用改性沥青，塑料隔栅, 混合料采用骨架嵌锁结构,沥青混合料嵌锁细部结构,4.3.3 抗车辙性能,（1）结合料要求 中间层沥青结合料所要求的高温等级与磨耗层一致, 以抵抗车辙。 - 由于面层中温度的梯度相当陡,并且中间层温度不可能像表面层那样低, 所以中间层的低温等级便可放宽一个等级。例如表面层用的沥青等级为PG70-28, 则中间层可用PG70-22。,（2）集料要求,中间层混合料的内部摩阻力通过集料间嵌锁获得, - 可采用碎石和砂砾以确保形成集料骨架, 选择之一就是采用最大公称直径较大的集料。对最大公称直径达到37.5mm的混合料, 可以使用Superpave混合料设计方法。只要集料间保持接触, 使用小粒径的集料也可以达到同样效果。 注意：粗集料混合料的离析必须考虑，这主要是对施工控制提出要 求在制造、运输和摊铺过程中需要严格按施工规范操作。,4.4 HMA基层材料设计,4.4.1 性能要求 - 长寿命路面的基层设计为结构的承重层，要求有一定的抗车辙能力。 - 路面结构中, 基层层底出现的拉应力最大, 在弯拉应力的反复作用下出现层底疲劳开裂的可能性也最大, 要求基层具有很好的耐久性,优良的抗疲劳性能。,4.4.2 抗疲劳设计,HMA基层设计必须使底面的弯拉应变低于材料的疲劳极限。这样才可预防或减缓路面结构性破坏。 （1） 增加混合料的柔性。 - 增加沥青含量有助于改善混合料柔性。 这种高沥青含量的基层已经应用于美国的加利弗尼亚州和伊利诺斯州。 - 采用改性沥青也可以提高混合料抵抗变形和抗疲劳能力。,沥青含量（种类）与路面疲劳寿命关系,（2）增加路面厚度,- 为路面结构设计一个适当的厚度,让底部的拉应变低于积累破坏可能发生的程度。 分析：荷载不变，路面厚度增加其路面顶部压应变、底部拉应变绝对值均减小，另外，当底部疲劳拉应变小到一定程度则可以认为其疲劳寿命是无限的（即疲劳作用次数是无限大），所以可以为路面结构设计一个适当的厚度，使底部的拉应变减小，即可保证基层底部不发生疲劳破坏。,路面厚度与路面疲劳寿命关系,4.4.3 基层材料设计其他规定,（1）沥青基层应尽量减小孔隙率, 以确保在集料空隙间沥青结合料的较高填充量, 这对增加基层的耐久性和柔性是非常有利的。 （2）细级配沥青混合料有助于改善疲劳寿命(Epps and Moni smith)。 （3）沥青等级应满足沥青各层对其高温性能的要求, 沥青低温性能应当与中间层相同。 （4）沥青基层极易受水影响, 所以必须考虑湿度因素。 高含量沥青混合料能抵抗湿度的影响, 但是在配合比设计时最好仍然进行水稳定性能测试, 例如使用AASHTO-T-283方法。,5 长寿命沥青路面层间处治技术,5.1 层间处治技术的研究现状,5.1.1 国外研究现状 国外关于长寿命沥青路面层间处治技术的研究资料较少，只针对层间的研究主要以国际稀浆封层协会（ISSA）为代表。,5.1.2 国内研究现状,（1） 八十年代末关昌余等人 采用古德曼层间结合力学模型描述多层柔性路面结构层间的半结合状态，计算分析了层间粘结系数K对路面结构受力状态的影响，提出了抗剪强度和粘结系数的实验室实测结果，分析了各种因素对粘结系数的影响，提出了可用于柔性路面结构设计的粘结系数取值方法。 （2）2019年国内李杰武等人在研究RCC-AC复合式路面的过程中认为: 基层和面层的厚度、模量对基面层间剪应力的影响较大。,5.1.2 国内研究现状,（3） 2000年封基良等人在研究沙漠公路基面层滑移中认为: 在竖向荷载或水平荷载单独作用下剪应力随面层基层参数的变化如表,5.1.2 国内研究现状,（4） 2019年同济大学的孙立军教授： 应用有限元法对非均布荷载作用下路面的应力应变场进行了分析， 得出层间接触条件的不同对路面结构最大剪应力的影响，与结构整体强度、基层类型以及荷载大小有很大的关系。,5.1.3 剪应力测试试验设备,（1）关昌余等人在进行层间抗剪模量测定时，研制了直剪仪,测定抗剪模量的直剪仪示意图,（2）河南省公路局为研究RCC-AC复合式路面RCC与AC层间结合状态，研制了层间剪应力试验仪。,层间剪应力试验仪示意图,（3） 同济大学在对沥青铺装层与水泥混凝土桥面的界面粘结性能实验时，研制的加载装置,加载装置示意图,（4）长安大学也为研究RCC-AC复合式路面RCC与AC层间结合状态，研制了一套较为智能的测试系统(LLM)。,LLM测试系统试验布置示意图,5.2 层间处治技术研究方法,5.2.1 力学分析方法 （1）ANSYS有限元法： 允许材料参数在深度方向变化，也能考虑材料参数在水平方向的变化，并考虑本构关系的应力依赖性。 存在问题 用解析的方法分析沥青路面有很大的局限性 首先，它必须假设道路材料为线弹性或一些非常简单的非线形， 其次，解析的方法只能求解一些较为简单的荷载形式 另外，解析方法把路面看作是在水平方向无限大的连续介质体，没有考虑路面的有限尺寸，而且不能分析路面上出现裂缝等几何不连续体对结构的力学特性的影响。,（2）Bisar3.0分析法,理论依据为英、荷联资的Shell公司的Shell设计法。 Shell设计法属于力学经验法，是国际上公认的比较完善的路面设计方法。Shell设计法的力学图示如下:,双圆均布荷载作用的力学图示,5.2.2 材料性能研究,5.2.2.1 乳化沥青性能研究(1)普通乳化沥青的渗透性试验,洒布型阳离子乳化沥青的渗透性试验结果,(1)普通乳化沥青的渗透性试验,试验结果表明:阳(阴) 离子乳化沥青在表面致密的半刚性基层上洒布,其渗透效果不佳。洒布作业在基层施工后尽快进行,则可形成较好的粘结薄层。,洒布型阴离子乳化沥青的渗透性试验结果,（2）高渗透力乳化沥青的渗透试验,采用中裂阳离子乳化剂对掺加渗透剂的AH - 90 沥青乳化后、沥青含量45 %的油水比例的乳化沥青,具有较强的渗透性能,高渗透力乳化沥青的渗透试验结果,试验结果表明:高渗透力乳化沥青对半刚性基层渗透效果相对于普通的乳化沥青较佳。由此对比确定用高渗透力乳化沥青作为基层的透层油使用。,5.3.2.2 改性沥青性能研究,同济大学与长安大学共同对沥青混凝土路面基面层间结合材料进行了研究，自行研制了SBR、ES 和SBS等3种改性乳化沥青作为层间粘结剂, 基质沥青为兰炼AH-90。（1）粘结强度测试,改性沥青粘结强度比较,三种改性沥青分别当改性剂量为5%,7%,3%时达到最佳粘结强度,单位：KPa,5.2.2.2 改性沥青性能研究,(2)层间剪切试验,(3)温度对剪切力的影响,不同温度条件的粘结强度 单位：KPa,在不同温度条件下SBR改性乳化沥青较热沥青有较好的粘结强度,不同沥青作层间处治材料进行剪切试验结果显示SBR改性乳化沥青具有最佳的抗剪性能,5.2.2.3 土工聚合物性能研究,从20世纪70年代末塑料土工格栅出现后,近几年又涌现出经编土工格栅和玻纤土工格栅。,3 种不同格栅性能比较,3 种不同格栅性能比较得出结论,(1) 玻纤格栅具有最佳的极限抗拉强度。经编格栅具有最佳的极限延伸率(2) 玻纤格栅耐温性明显较其它格栅好, 经编格栅由于经过涂层浸渍, 耐温性有所提高。(3) 塑料格栅的纵、横向接点是直接成型做成,故强度和纵、横向肋条的强度相当, 而经编、玻纤格栅接点为编织而成, 故强度较本身材料强度低很多。,格栅的选择,关键性指标: - 筋材强度(包括短期和长期强度) 和延伸率(包括短期和长期延伸率, 即蠕变)。强度为控制筋材能否满足工程所需增强要求的指标, 延伸率则为控制筋材能否满足工程变形要求的指标。 根据沥青路面层间材料需要-我们从中优选出玻纤格栅。 - 玻纤格栅适用于沥青和混凝土路面加筋、路面反射裂缝防治及新旧路面的衔接等变形量不是很大的场合。 - 作用: 抗疲劳开裂、抗低温收缩、耐高温车辙和延缓反射裂缝。,5.4 层间处治实用技术及功能,5.4.1 透层材料及其作用 5.4.1.1 设置目的： - 在粒料类基层(如级配砾石、级配碎石) 及各种水泥稳定、石灰稳定和石灰工业废渣稳定基层上,喷洒一层低粘滞度的液体沥青,使之透入基层表面,作为铺筑沥青面层前的一种预先处治,以增加基层与沥青面层之间的粘结力、填塞基层表面的孔隙以及将基层表面可能松散的集料结合在一起。,5.3.1.2 透层的作用,(1) 帮助增进并维持基层与沥青面层间的粘结力.(2) 封闭基层表面的孔隙,从而减少水分的透入,避免可能形成的冲刷现象. (3) 能在很大程度上防止基层吸收第一次喷洒的面层沥青.(4) 增强基层的表面,处治松散表层.(5) 临时性地保护基层,抵抗气候及轻交通的有害作用,兼有养护作用.,5.4.1.3 透层材料的选择,- 一般采用液体石油沥青，乳化沥青，煤沥青。 - 透层沥青的选用应根据基层表面密实情况确定,表面致密、孔隙率小时宜选用渗透性强、粘度低的沥青;表面粗糙、孔隙率大时可选用粘度较高的沥青。,5.3.1.4 选择标准：,透层其性能就应该满足以下几方面的要求: 渗透性。 - 透层沥青在洒布后要能透入基层5mm以上,并且不能在基层表面形成油膜。 干燥性。 - 洒布的透层沥青要能够很快挥发干燥,且透入后的沥青在挥发后要保持足够数量的残留沥青,以充分发挥透层作用。 耐久性。 - 挥发后的残留沥青要有一定的抗老化能力,以保证在较长的使用期限内发挥其应有的作用。此外,透层沥青还应该保证其安全性。透层不能使用易燃和有毒性的沥青,以免造成火灾和对人体及环境的危害。,5.3.2 下封层材料及其作用,5.3.2.1 设置目的： - 沥青路面下封层是为了封闭基层表面, 防止水分渗入基层, 增强基层与面层之间的粘结而设置的沥青混合料薄层。5.3.2.2 目前国内下封层的主要结构- 单层式沥青下封层、双层式沥青下封层及稀浆封层等, 采用的沥青种类有: 普通乳化沥青、改性乳化沥青及热沥青等。,5.4.2.3 下封层作用,（1）粘结作用 与结合不良的情况比较，它可以减少面层底层由行车荷载引起的拉应力和拉应变，它还可以明显减少温度变化引起的沥青面层内的拉应力和拉应变。（2）封水、防水作用下封层同透层一起能够在基层顶面形成一个密封层，防止了外部水移入和内部水份蒸发，使基层水化作用充分进行，保证在最佳含水量情况下形成强度，从而能提高基层强度的整体均匀性。,5.3.3 应变消减中间层,5.3.3.1 设置目的： 减少或预防反射裂缝，用中间层使沥青面层变薄，同时延缓或消灭路面使用期间的反射裂缝。,5.3.3.2 应变消减中间层作用,（1）减少路面与基层相对运动的传递；提高路面与基层之间的结合，从而消除或减轻层间的滑移危险； SAMI单独成一层，并成为上下层接触面间的弹性联结，由于此弹性联结，面层和基层间可以差动而不承受由于基层移动造成的应力。 （2）减弱反射裂缝 采用低弹性模量和具有良好粘结性能的改性沥青在低温时可以形成弹性膜，使基层上传的应力可以在膜中间层的界面上被消散，从而不至于引起沥青面层开裂。,5.4.4 其他层间处治技术,（1）设置应力吸收层： 应力吸收层材料在延缓或抑制沥青路面的反射裂缝方面具有不同于一般防裂夹层的优越性，成为半刚性基层沥青路面采用的一种重要技术方案。（2）铺设玻纤格栅层： 玻纤格栅层具有消散应力，阻止反射裂缝的出现，同时还具有承重的作用。（3）增设防水粘结层： 从层间应具备的功能考虑设置防水粘结层，既起到防止水破坏又起到连接相邻结构层的作用。,5.5 研究方向-层间处治评价方法及指标的提出,- 以层间结构材料的抗剪强度为指标确定层间材料的种类和用量，通过分析层间材料对温度的敏感性，提出抗剪强度一温度指数的定义。 - 剪应力指标的引入不仅会对路面结构设计造成影响，更将对路面材料设计、尤其是路面结构组合设计带来革命性的变化，它是判别沥青路面层间连接作用的关键指标和有效手段，是联系路面材料设计与路面结构设计的更为直接的桥梁，是应该着重研究的。,6 长寿命沥青路面经济效益分析,6.1 综合效益概述,综合效益的比较应包括寿命周期费用和其他费用的比较 寿命周期费用： 路面寿命期内全部的施工和养护费用以及和养护活动相关的施工场内的交通费用。,寿命周期费用的分析过程及影响因素,（1）分析过程： 确定新建和罩面改建