長壽命瀝青路面報告申愛琴非常重要

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1、長壽命瀝青路面關鍵技術研究changshouming liqinglumian guanjian jishuyanjiu,報告人：申愛琴（教授 博士生導師） 長安大學 公路學院,長壽命瀝青路面關鍵技術研究主要內容,1 長壽命瀝青路面發(fā)展及研究現(xiàn)狀 2 長壽命瀝青路面設計理論及設計指標 3 長壽命瀝青路面結構設計 4 長壽命瀝青路面結構層材料設計 5 長壽命瀝青路面層間處治技術 6 長壽命瀝青路面經濟效益分析,,1 長壽命瀝青路面發(fā)展及研究現(xiàn)狀,1.1 前言,- 近年來我國高速公路里程增長迅速。,2000年底，高速公路通車總里程已達到1.6萬公里， 我國高速公路總里程躍居世界第三位； 2002年

2、底，我國高速公路通車總里程已達到2.52萬公里,躍居世界第二位； 截止到2004年底，我國高速公路通車里程已超過3.4萬公里，保持世界第二。,1.1 前言,我國所建高速公路中90%以上為半剛性瀝青路面結構。 存在一系列問題：,1.2 長壽命路面的設計理念,（1）傳統(tǒng)路面存在的問題 - 采用半剛性基層結構(結構單一) ; - 面層厚度比國外的薄(總厚度相當); - 路面的破壞形式與設計指標不一致 - 易出現(xiàn)結構性破壞，修復困難. （2）長壽命路面的特點 - 瀝青面層厚度大; - 服務周期長(超過50年); - 維修方便且費用低,（3）長壽命瀝青路面設計理

3、念,按功能合理設計結構層 基本前提: - HMA 路面足夠厚,以消除自下而上的路面破壞。 結構 - 路面必須有合適的厚度和剛度以抵抗變形, - 具有足夠厚度和良好性能以抵抗自基層底的疲勞開裂。 功能 - 上面層設計主要考慮抗車轍能力和抗磨耗能力; - 中間層設計主要考慮抗車轍能力; - 基層設計主要考慮抗疲勞能力.,1.3 國外長壽命路面的發(fā)展及現(xiàn)狀,1.3.1 歐洲永久性路面 （1）使用壽命40年 （2）裂縫 - 裂縫產生于瀝青面層表面并由上向下發(fā)展； - 絕大多數(shù)為縱向裂縫,位置在輪跡兩側,也有橫向表面裂縫,但很少見。,（3）車轍,1997 年Nunn等人發(fā)現(xiàn),厚瀝青

4、路面存在一個厚度上限,超過這個 限值自下而上的疲勞開裂和結構性車轍都不會發(fā)生。,1.3.1 歐洲永久性路面,（4）疲勞壽命 - 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明,90%多的殘余壽命差別是由瀝青用量和瀝青硬度的不同而引起的,瀝青的老化則是疲勞壽命差異的主要影響因素。 （5）瀝青的養(yǎng)生 - 主要結構層的逐漸硬化對道路有利, - 確切地說,瀝青的老化是一種養(yǎng)生過程。 - 不希望磨耗層過度老化, 會導致路面從表層開裂。 - 基層使用的瀝青針入度為100,20年后其針入度會降至20甚至更低。TRL對AC養(yǎng)生研究表明:道路在使用期間瀝青碎石基層勁度會逐漸增長至原來的4倍或者更高,這種變化對長壽命路面的設計有重大意義。

5、,1.3.1 歐洲永久性路面,（6）路面強度 - 瀝青在養(yǎng)生作用下道路勁度隨時間增加，路段彎沉隨時間而減??； - 施工良好的厚瀝青路面荷載擴散能力提高，瀝青基層不會出現(xiàn)因交通誘發(fā)的破壞。 （7）材料選擇 - 英國硬質瀝青的使用是與長壽命路面結構的使用相結合； - 采用剛度更大的基層材料，如HMB15、HMB25、HMB35三種高模量瀝青混合料。,1.3.2 美國永久性路面,（1）歐洲設計理念的延續(xù)和發(fā)展 （2）使用壽命50年，罩面層1520年以后進行修復 （3）結構形式 - 全厚式瀝青混凝土路面和高強度厚瀝青路面的發(fā)展。,1.3.2 美國永久性路面,（4） 疲勞裂縫 實例：新澤西州

6、建于1968年的州際公路I-287,面層厚度是10in.(25.4cm)。1993 年的路面調查發(fā)現(xiàn),路表出現(xiàn)很多裂縫,但現(xiàn)場取芯表明裂縫深度大都在3英寸(7. 62 cm)之內,沒有由下向上發(fā)展的疲勞裂縫。 （5）提出疲勞極限的概念 - 瀝青面層或瀝青碎石基層在層底拉應變很小時,可以承受相當多數(shù)量的荷載作用而不發(fā)生疲勞破壞, - 瀝青混合料的疲勞應變小于“應變下限”時,材料內部將不發(fā)生疲勞損壞的累積。,（6）路面設計方法,力學經驗路面設計方法 特點： - 把路面結構設計同材料的選擇和施工結合起來考慮； - 考慮到路面損壞分析是材料性能、溫度、水和荷載的相互作用結果； - 提供更精確的設

7、計、提高路面壽命、提供費用-效益合理的設計， - 具有特殊的分析能力，如不同的損壞、特殊荷載、路面損壞調查評價等。,1.3.3 其它國家長壽命路面,- 除了美國和歐洲，加拿大、澳大利亞甚至南非等許多國家都在對長壽命路面進行廣泛的研究，并取得了一定成果。 - 到目前為止,永久性路面設計方法在設計參數(shù)、設計標準上還沒有一個統(tǒng)一的標準,仍處在發(fā)展完善階段。,1.4 國內長壽命瀝青路面研究及發(fā)展現(xiàn)狀,1.4.1 研究現(xiàn)狀 - 處于長壽命瀝青路面結構研究的初級探索階段。 國內相關研究與實踐 -- 西部交通科技建設項目“重載交通長壽命瀝青路面關鍵技術研究項目” -- 河南尉許高速公路是一種“

8、剛柔并濟、優(yōu)勢互補”的水泥混凝土與瀝青混凝土（PCC+AC）復合式路面結構，結構如圖1-1。開封至鄭州高速公路、廈門環(huán)島高速公路、合肥至全椒高速公路、天津市道路、國道323宜州-都街段都修建有復合式路面結構。,圖1-1 河南尉許高速公路復合式長壽命路面結構簡圖,2cm厚的應力吸收層,4cm 改性瀝青混凝土,2. 長壽命瀝青路面設計理論及設計指標,,2.1 國內外的瀝青路面設計體系 2.1.1 基于經驗的設計方法 （1）CBR法 - 以CBR值作為路基土和路面材料（主要是粒料）的性質指標。 - 通過對已損壞或使用良好的路面的調查和CBR的測定，建立起路基土CBR-輪載-路面結構層厚度（以粒料層總

9、厚度表征）三者間的經驗關系。,2. 長壽命瀝青路面設計理論及設計指標,（2）AASHTO法,在AASHTO試驗路的基礎上建立。 - 整理試驗路的試驗觀測數(shù)據(jù)，得到路面結構-軸載-使用性能三 者間的經驗關系式。 特點： - 采用現(xiàn)時服務能力指數(shù)（PSI）作為路面使用性能的度量指標。 - 路面使用性能指標PSI,主要受平整度的影響，與裂縫、車轍、修補等損壞的關系很小。,2.1.2 基于力學的力學-經驗設計方法,殼牌（Shell）公司的Peattie和Dormon提出力學-經驗法設計瀝青路面的框架： a 以彈性層狀體系（三層）代表路面結構，計算分析圓形均布輪載作用下結構內各特征點的應力、應

10、變和位移值; b 以瀝青面層的疲勞開裂以及路基土和粒料層的過量永久性變形作為瀝青路面的主要損壞模式， c 選用面層底面在荷載重復作用下的拉應變以及路基頂面的壓應力或壓應變作為設計指標。,Shell法采用的三層彈性體系路面模型,在第四屆(1977)和第五屆(1982) 瀝青路面結構設計國際會議上， 各國分別提出了十余種以力學經驗法為基礎的設計方法。,力學經驗法設計方法示例,瀝青路面結構設計框圖,2.2 目前的瀝青路面的早期損壞類型及結構損壞模式,2.2.1 瀝青路面的早期損壞類型 （1）第一類早期損壞往往發(fā)生在通車后不久，有的是當年， 有的在13年內發(fā)生 。 特點： a、局部性； b、通

11、常行車道首先發(fā)生； c、強烈的時間特性； d、通過及時的局部性的維修和銑刨加鋪可以得到緩解。,（2）第二類早期損壞,由深層次原因導致的早期損壞，與我國采用較薄瀝青層的半剛性基層瀝青路面結構有關。 - 薄瀝青層從長遠來說，無法防止開裂，無法防止各種途徑地水地進入，又不能迅速地排除水，尤其是在嚴重的超限超載車輛通行的路段，超載和水的共同作用使瀝青路面在短時間內發(fā)生較嚴重的損壞，且導致基層結構的損壞。,2.2.2 路面結構損壞模式,傳統(tǒng)瀝青混凝土路面結構損壞模式傳統(tǒng)的瀝青混凝土路面損壞類型最主要的是疲勞開裂和永久變形這兩類,,傳統(tǒng)瀝青混凝土路面結構損壞模式,2.2.2 路面結構損壞模式,（1）

12、車轍 - 一種是車轍只發(fā)生在瀝青面層,為表面車轍; - 另一種車轍產生于土基,為結構性變形。 對道路的車轍產生速率的調查結果： - 瀝青層厚小于180mm時，車轍率較大； - 瀝青其厚度大于180mm時, 車轍速率會迅速降低。 對厚瀝青面層道路,調查表明： - 車轍的大部分主要發(fā)生在瀝青層表面 。,車轍,（2）疲勞開裂,定義： - 疲勞開裂是指在荷載重復作用下瀝青混凝土面層底面彎拉應變引起的開裂,并且由下而上發(fā)展直至貫穿整個瀝青混凝土面層,造成路面損壞。如圖2-5。 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表明： - 90 %多的殘余壽命差別是由瀝青用量和瀝青硬度的不同而引起的，瀝青的老化則是疲勞壽命差

13、異的主要影響因素。 計算表明： - 基層彈性勁度隨瀝青的老化增加，擴散荷載的能力也逐漸提高，從而減小了車輛荷載引起的、導致路面疲勞的基層拉應變。,瀝青路面疲勞開裂,（3）永久變形,定義： - 在荷載重復作用下路基頂面壓應變產生的不可恢復的變形量的積累。 包括： - 固結和剪切兩部分,通常在路面設計中處理。 永久變形與材料的屬性有關： - 瀝青混凝土-累積永久變形與彈性變形的比率與重復荷載數(shù)N和溫度T及應力值有關； - 粒狀材料累積變形與彈性變形的比率是體積和八面體剪切應力的函數(shù)；,,軟土地基累積永久變形與彈性變形的比率為： log(p/r)= a0 + b0 lo

14、gN 其中, a0和b0為常數(shù)。 永久變形與車輛荷載作用軸次關系最初是由Monismith等人于1975 年提出的，如下式所示:p= ANb , 其中,p為累積永久應變；r 為彈性變形；N為作用軸次；A、b為回歸參數(shù)。,永久變形,2.3 各國提出的長壽命瀝青路面設計理念、方法、指標,隨著社會發(fā)展,交通量和軸載的增加,瀝青路面的諸多設計方法的局限性也愈加顯化 針對與解決此類問題 誕生了基于力學的長壽命路面結構設計方法,2.3.1 基于力學的長壽命路面結構設計方法,實質： -運用力學方法來分析路面結構對氣候和荷載的響應。 （1）Monismth1992年在TRB會議上提出了這種設計方法, Mo

15、nismth和Long建議控制瀝青層底的彎拉應變60，基頂壓應變200。,基于力學的路面設計流程(Monismith,1992),Monismith和Long建議 各層應變控制指標,,,,,基層,路基,2.3.2 基于力學的長壽命路面結構設計方法,（2）伊利諾斯州的基于力學的路面結構設計方法 - 以ILLI_PAVE程序的有限元分析結果為基礎,采用了一個控制應變的疲勞方程,這個疲勞方程可以用來控制HMA層的配合比、拉應力和路用性能。 - 這種設計方法已經被伊利諾斯州交通運輸部(IDOT)所采納。 （3）以明尼蘇達公路研究課題采集的數(shù)據(jù)為基礎,明尼蘇達州制定了一種力學設計方法。 用層狀彈性理

16、論程序WESLEA計算路面結構在荷載下的響應。,2.3.2 基于力學的長壽命路面結構設計方法,（4）英國的設計方法 - 以計算結構層中臨界位置的響應為理論基礎。 Nunn 等人認為， - Nunn 等人在1997年發(fā)現(xiàn)，瀝青路面面層存在一個厚度極限，在施工良好的道路中，超過這個厚度限值，由下到上的疲勞開裂和結構性的車轍都可避免。 - 當累計標準軸載作用次數(shù)(ESAL)超過8000萬次時，瀝青面層厚度不再需要增加。 - 在瀝青面層層底存在一個極限彎拉應變水平，當層底應變處于這個水平以下時疲勞損壞就不會發(fā)生。,長壽命瀝青混凝土路面設計原理,考慮國內提出的抗剪概念的長壽命瀝青混凝土路面設計

17、原理圖,,3. 長壽命瀝青路面結構設計,3.1 長壽命瀝青路面結構分層以及各層功能特點,長壽命瀝青路面結構設計要達到三個目標： （1）不出現(xiàn)結構性破壞，包括結構性裂縫和結構性車轍； （2）路面破壞僅發(fā)生在路面表層，且能迅速修復； （3）定期的路面表層養(yǎng)護、檢修和更換能使路面結構達到長壽命（超過50年）。,3.1 長壽命瀝青路面結構分層以及各層功能特點,- 長壽命路面的破壞主要是磨耗層自上而下的功能性破壞。 - 路面設計時 ，將上面層設計成功能層，將中下面層、基層設計為結構的承重層。 - 結構具體分層： 由路基頂面向上長壽命瀝青路面由HMA基層、HMA中間層和磨耗層三部分組成。,長壽命瀝青

18、路面結構示意圖,3.1.1 結構要點,(1) 輪載下100150mm區(qū)域是高受力區(qū)域,也是各種損壞(主要是車轍)易發(fā)區(qū)域; (2) 磨耗層（面層）：4075mm高性能瀝青混凝土，為車輛提供良好的行駛界面, 應具有足夠的表面構造深度，抗車轍、水穩(wěn)定性好; (3) HMA中間層：100175mm高模量抗車轍瀝青混凝土，起到連接和擴散荷載的作用, 應具有高模量(剛度)、抗車轍特性;,3.1.1 結構要點,(4) HMA基層：75100mm高柔性抗疲勞瀝青混凝土，起到消除疲勞破壞的作用, 最大拉應變產生在HMA基層底部, 該區(qū)域最易發(fā)生疲勞破壞，所以該層應具備柔性高、抗疲勞能力強、水穩(wěn)定性好等優(yōu)點;

19、(5) 路面基礎不僅為瀝青面層的鋪筑提供良好的界面, 而且對于路面的變形、抗凍都是至關重要的。,3.1.2 HMA基層受力特性,取兩個結構作為研究對象分析,3.2 國外長壽命瀝青路面結構設計,3.2.1 各國長壽命瀝青路面結構設計年限,各國長壽命瀝青路面結構設計年限,3.2.2 美國長壽命瀝青路面設計實例,3.2.2 密歇根州永久性路面設計推薦結構,3.2.3 俄亥俄州結構設計實例,臨界拉應變=70， 結構設計參數(shù)如表。,Wayne US 30道路永久路面結構設計參數(shù),StarkI-77結構設計參數(shù),3.2 國內長壽命瀝青路面結構設計探索,- 全厚式瀝青路面建設費用高，短期內在我國推廣不現(xiàn)實。

20、 - 如何研究設計適合我國經濟技術條件、自然條件、資源條件的長壽命瀝青路面是我們要解決的主要問題。 - 我國在長壽命瀝青路面方面的研究正逐步深入，國內一些科研機構如長安大學、東南大學、交通部公路科學研究所、江蘇交通科學研究院等都對此進行了研究，鋪筑了試驗路，也取得了不少成就。,3.2.2 江蘇省沿江高速公路長壽命路面試驗路結構方案,K57229耿涇河中橋 K58240 K59+481 K61+231趙市線中橋 K62+850常熟一標終點,,,,,,,,,,,,,,,,圖中：CS水泥穩(wěn)定碎石，ATB瀝青穩(wěn)定碎石，GRH級配碎石，紅色采用改性瀝青。,圖中：CS水泥穩(wěn)定碎石，ATB

21、瀝青穩(wěn)定碎石，GRH級配碎石， 紅色采用改性瀝青。C/FDAC粗/細型密級配瀝青混凝土混合料,江蘇省沿江高速公路長壽命路面試驗路結構,,D長壽命結構,3.2.2 長安大學長壽命瀝青路面課題,（1）結構設計特點： A 根據(jù)國情，混合式基層瀝青路面與半剛性基層瀝青路面是研究重點 。 B 結合HPDS軟件、東南大學設計軟件、SHELL BISAR 3.0對結構分別計算與驗算的結果 C 結構層總厚度及瀝青層厚度均有所增加，以減小由荷載產生的瀝青層底拉應變，達到長壽命路面的設計要求 （2）長安大學長壽命瀝青路面課題試驗路結構 課題組提出了三種結構方案，并于鋪筑了試驗路。,三種方案對照,3.2.3 滬寧

22、高速公路拓寬段工程試驗段結構,3.2.4 山東長壽命路面結構匯總（單位：cm),,4 長壽命瀝青路面結構層材料設計,4.1 概述,長壽命瀝青路面各結構層材料設計是保證路面良好路用性能的關鍵， 根據(jù)各結構層功能進行路面材料設計,提出材料指標要求 磨耗層：抵御車轍、老化、溫度開裂和磨耗； 中間層：抵御車轍，傳遞、分散荷載； 基層：承重層，抵抗層底彎拉應變 。,4.2 磨耗層材料設計,4.2.1 影響因素和性能要求 影響因素 磨耗層的具體要求依賴于交通條件、環(huán)境因素、當?shù)氐慕涷灪徒洕鷹l件。面層受到自然條件 (雨水、氣溫、日照) 和行車荷載的作用最頻繁, 處于壓應力、剪切應力集中的區(qū)域。 性能要

23、求 包括抗車轍性能、抗表面開裂性能、良好的抗滑性能、緩解水霧的影響并能減小噪聲等。,4.2.2 磨耗層材料設計方法,磨耗層材料應選擇SMA、密級配混合料或OGFC等。 - 在一些對抗車轍性能、耐久性、抗?jié)B性、抗磨損性要求高的地區(qū), 可以選擇SMA, 這在交通量大且載重車多的城市區(qū)域尤為適用。 - 在交通量小且載重車比例較少的情況下, 使用密級配混合料更為適合。與SMA一樣, 它也必須滿足抗車轍、抗?jié)B、抗磨耗及氣候狀況的要求。 - OGFC具有優(yōu)良的抗滑性能、排水性能以及減少噪聲等優(yōu)點?？捎糜趯ε潘刑厥庖蟮牡那闆r 以SMA和OGFC配合比設計方法為例介紹磨耗層材料設計方法。,4.2

24、.2.1 磨耗層材料SMA配合比設計,SMA配合比設計包括： （1）材料選擇 （2）確定初試級配； （3）測定粗集料骨架間隙率VCADRC； （4）選擇初試瀝青用量； （5） 根據(jù)VMA和VCA確定設計級配； （6）馬歇爾試驗并根據(jù)空隙率VV確定最佳瀝青用量。,SMA,,（1）材料選擇,A 粗集料 - 采用堅硬、粗糙的、有棱角的優(yōu)質石料. - 粗集料性質必須在公路瀝青路面施工技術規(guī)范(JTJ032) 規(guī)定的抗滑表層的基礎上,對石料壓碎值提高到不大于25 % ,針片狀顆粒含量指標要求不大于15 % 。 B 細集料 - 最好使用堅硬的人工砂 - 細集料的視密度、堅固性、砂當量和

25、棱角性指標必須滿足公路瀝青路面施工技術規(guī)范(JTJ032) 規(guī)定的質量技術要求.,（1）材料選擇,C 填料 - 粉膠比一般達到1. 82. 0 - 必須使用磨細的石灰石礦粉, 應滿足公路瀝青路面施工技術規(guī)范(JTJ032)的要求. 采用石灰石礦粉的親水系數(shù)必須小于1 ,與瀝青應有良好的粘附性,小于0.075 mm的含量應大于75%. D 纖維穩(wěn)定劑 采用木質素纖維、礦物纖維,聚合物纖維等各種正式纖維產品,E 瀝青結合料,- 瀝青結合料的質量必須滿足瀝青瑪蹄脂的需要,要有較高的粘度,符合一定的要求,以保證有足夠的高溫穩(wěn)定性和低溫韌性. - 必須采用符合“重交通道路瀝青技術要求”的瀝青,在大

26、多數(shù)地區(qū)要使用比通常較硬一級的瀝青,最好采用改性瀝青. - SMA和改性瀝青是從礦料級配和瀝青結合料兩個方面改善瀝青路面質量. 是采用SMA一個途徑,還是改性瀝青一個途徑,或者同時采用改性瀝青和SMA兩個途徑,主要取決于使用者的目的以及經濟實力.,（2）確定初試級配,根據(jù)國內外經驗及有關部門規(guī)范,推薦的SMA 的間斷級配如表. -選擇初試級配時必須以該表為基礎, 以4.75 mm 通過率為變化點, 改變3 個不同的通過率: 22%、25%、28% , 或者采用20%、25%、30% ,3個級配均固定礦粉數(shù)量,0.075 mm 通過率為10%左右.,瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA) 礦料級配建

27、議范圍,4.2.2.1 磨耗層材料SMA配合比設計,（3）測定粗集料骨架間隙率VCADRC - 在壓實狀態(tài)下瀝青混合料中的粗集料骨架間隙率VCAmin必須等于或小于沒有其他集料、結合料存在時的粗集料集合體在搗實狀態(tài)下的間隙率VCADRC （4）選擇初試瀝青用量 - 首先考慮最小瀝青用量的規(guī)定 - 在選擇初試瀝青用量時,一般可根據(jù)粗集料毛體積相對密度選擇,AASHTO 的SMA 規(guī)范關于瀝青用量的規(guī)定,（5）根據(jù)VMA和VCA確定設計級配,A 按照確定初試的瀝青用量,用3組初試級配拌和制作馬歇爾試件, 試件數(shù)量為每組4個,3組試件共計12個 ， B 將三組初試級配的試驗結果VCAmin

28、和VCADRC比較,繪制成圖。 C 從中選擇符合VCAmin< VCADRC要求的級配,以4. 75 mm的通過率最大的一組級配為設計級配. D 注意,盡量選擇VMA稍大于17 %的級配為設計級配,以防在施工過程中VMA可能會有所降低.,根據(jù)VCA確定級配中4. 75mm 的通過率,（6）馬歇爾試驗并根據(jù)空隙率VV確定最佳瀝青用量,- 在設計級配確定以后,可以變化3 個不同的瀝青用量,每組4個試件. 1個用于測定理論最大相對密度,3個壓實成型進行馬歇爾試驗。 - 由此可以根據(jù)空隙率要求確定最佳瀝青用量. 馬歇爾試驗的結果必須符合SMA混合料的設計技術要求,如表.,我國SMA馬歇爾試驗

29、配合比設計技術要求,4.2.2.2 磨耗層材料OGFC配合比設計,OGFC設計包括： （1）目標空隙率； （2）材料選擇； （3）試驗級配的選擇； （4）瀝青用量的初選和試件成型； （5）空隙率的確認； （6）瀝青析漏試驗； （7）最佳瀝青用量的確定； （8）混合料配合比設計檢驗。,OGFC,4.2.2.2 磨耗層材料OGFC配合比設計,（1）目標空隙率 - 空隙率以20%為基準, 在18%25%范圍內決定。 （2）材料選擇 A 瀝青和纖維 - 使用高勁度結合料改性瀝青，如表 。 - 使用基質瀝青通常要比當?shù)貧夂驐l件使用的瀝青高2個等級。 - 添加劑使用木質纖維或礦物纖

30、維,OGFC,改性瀝青技術要求,（2）材料選擇,B 集料 - 粗集料形狀以方形石為佳 - 細集料可以使用少量人工砂, 但不能混入粘土、灰塵等有害物質。 C 填料 - 要求使用石灰石粉, 也可使用質量通過驗證的熔渣粉末等材料。 - 臺灣地區(qū)提出的OGFC材料試驗方法及指標要求見表。,臺灣地區(qū)OGFC 材料試驗方法及指標要求,（3）試驗級配的選擇,- 應用已推薦級配范圍, 但必須按給定方法檢查粗集料石-石接觸的骨架結構。 現(xiàn)行規(guī)范尚未提出OGFC級配范圍, - 試驗時, 以規(guī)格級配的中間值為目標的集料配合比作為1號, 在1號配合比外, 把2.36mm 篩通過質量百分率各調整3% 的集料

31、配合比定為2號和3號。,幾個最新OGFC 推薦級配范圍,表中級配是美國、日本、韓國和我國臺灣地區(qū)的最新OGFC推薦級配范圍, 供設計時參考,（4）瀝青用量的初選和試件成型,- 為了測量壓實試件的空隙率,可以根據(jù)經驗初選瀝青用量為4.5%。 對于1、2、3號配合比, 各制作4個馬歇爾試件; - OGFC混合料是開級配, 細集料少, 溫度下降非?？? 因此在試件制作過程中需要特別注意溫度的控制。,,（5）空隙率的確認 A 利用制作的試件, 按照體積法測量試件的毛體積密度, 按照真空法測量分散OGFC混合料的理論最大密度, 從而計算其空隙率。 B 將計算空隙率與目標空隙率比較, 調整2.36

32、mm篩通過率, 再算出各檔集料配合比, 并把它作為最終集料配合比。 （6）瀝青析漏試驗 以最終集料配合比, 按照瀝青用量4.0%6.0% 的范圍, 以0.5%為單位按照“瀝青混合料謝倫堡瀝青析漏試驗”(T0732-2000) 進行瀝青析漏試驗。,,（7）最佳瀝青用量的確定 根據(jù)瀝青析漏試驗和試件飛散損失試驗結果, 以瀝青析漏試驗的反彎點作為最大瀝青用量, 以試件飛散試驗的反彎點作為最少瀝青用量, 在該范圍內, 考慮現(xiàn)場條件等因素后, 決定最佳瀝青用量。 （8）混合料配合比設計檢驗 用試驗確定的最佳瀝青用量, 進行馬歇爾穩(wěn)定度、滲水試驗、動穩(wěn)定度試驗、水穩(wěn)定性試驗等瀝青混合料配合比檢驗試驗

33、。,美國OGFC馬歇爾配合設計指標及要求,4.2.2.3 OGFC路面排水設計,排水瀝青路面的上面層采用OGFC，下面采用不透水的瀝青混合料結構層，以防止雨水下滲進入基層。 為確保OGFC鋪裝層以下結構的不透水性，設計中主要采用以下方法： - 基層上用0.5cm瀝青下封層（稀漿封層）； - 中下面層的瀝青混合料均用密級配的瀝青混凝土； - 在排水瀝青鋪裝層及密級配的中面層之間設置一層0.5cm的瀝青上封層（稀漿封層）。從而達到了防止排水性瀝青鋪裝層的雨水下滲問題.,4.3 HMA中間層材料設計,中間層須同時具有耐久性、穩(wěn)定性和抗車轍性能。 4.3.1 耐久性 - 耐久性是其抗疲勞性能、

34、水穩(wěn)定性、抗老化性能的綜合反應，其與混合料的空隙率有密切關系。 - 提高中間層瀝青混合料的耐久性能可以通過合理選擇材料和增加骨料表層瀝青膜的厚度來實現(xiàn)。,4.3.2 穩(wěn)定性,穩(wěn)定性可以從粗骨料間的骨架結構及采用合適的高等級瀝青來獲得, 這對面層上部150mm區(qū)域是至關重要的。因為此區(qū)域是承受車輪荷載作用的高應力區(qū),極易產生剪切損壞。,長壽命路面瀝青結構等級確定,4.3.3 抗車轍性能,長壽命瀝青路面應力分析可知，剪切應力峰值主要集中在中間層 中間層最有可能出現(xiàn)剪切破壞, 因此要求有較好的抗車轍性能。 材料設計時可采用改性瀝青，塑料隔柵, 混合料采用骨架嵌鎖結構,瀝青混合料嵌鎖細部結構,4.

35、3.3 抗車轍性能,（1）結合料要求 中間層瀝青結合料所要求的高溫等級與磨耗層一致, 以抵抗車轍。 - 由于面層中溫度的梯度相當陡,并且中間層溫度不可能像表面層那樣低, 所以中間層的低溫等級便可放寬一個等級。例如表面層用的瀝青等級為PG70-28, 則中間層可用PG70-22。,（2）集料要求,中間層混合料的內部摩阻力通過集料間嵌鎖獲得, - 可采用碎石和砂礫以確保形成集料骨架, 選擇之一就是采用最大公稱直徑較大的集料。對最大公稱直徑達到37.5mm的混合料, 可以使用Superpave混合料設計方法。只要集料間保持接觸, 使用小粒徑的集料也可以達到同樣效果。 注意：粗集料混合料的離析

36、必須考慮，這主要是對施工控制提出要 求在制造、運輸和攤鋪過程中需要嚴格按施工規(guī)范操作。,4.4 HMA基層材料設計,4.4.1 性能要求 - 長壽命路面的基層設計為結構的承重層，要求有一定的抗車轍能力。 - 路面結構中, 基層層底出現(xiàn)的拉應力最大, 在彎拉應力的反復作用下出現(xiàn)層底疲勞開裂的可能性也最大, 要求基層具有很好的耐久性,優(yōu)良的抗疲勞性能。,4.4.2 抗疲勞設計,HMA基層設計必須使底面的彎拉應變低于材料的疲勞極限。這樣才可預防或減緩路面結構性破壞。 （1） 增加混合料的柔性。 - 增加瀝青含量有助于改善混合料柔性。 這種高瀝青含量的基層已經應用于美國的加利弗尼亞州和伊利諾

37、斯州。 - 采用改性瀝青也可以提高混合料抵抗變形和抗疲勞能力。,瀝青含量（種類）與路面疲勞壽命關系,（2）增加路面厚度,- 為路面結構設計一個適當?shù)暮穸?讓底部的拉應變低于積累破壞可能發(fā)生的程度。 分析：荷載不變，路面厚度增加其路面頂部壓應變、底部拉應變絕對值均減小，另外，當?shù)撞科诶瓚冃〉揭欢ǔ潭葎t可以認為其疲勞壽命是無限的（即疲勞作用次數(shù)是無限大），所以可以為路面結構設計一個適當?shù)暮穸?，使底部的拉應變減小，即可保證基層底部不發(fā)生疲勞破壞。,路面厚度與路面疲勞壽命關系,4.4.3 基層材料設計其他規(guī)定,（1）瀝青基層應盡量減小孔隙率, 以確保在集料空隙間瀝青結合料的較高填充量, 這對增

38、加基層的耐久性和柔性是非常有利的。 （2）細級配瀝青混合料有助于改善疲勞壽命(Epps and Moni smith)。 （3）瀝青等級應滿足瀝青各層對其高溫性能的要求, 瀝青低溫性能應當與中間層相同。 （4）瀝青基層極易受水影響, 所以必須考慮濕度因素。 高含量瀝青混合料能抵抗?jié)穸鹊挠绊? 但是在配合比設計時最好仍然進行水穩(wěn)定性能測試, 例如使用AASHTO-T-283方法。,,5 長壽命瀝青路面層間處治技術,5.1 層間處治技術的研究現(xiàn)狀,5.1.1 國外研究現(xiàn)狀 國外關于長壽命瀝青路面層間處治技術的研究資料較少，只針對層間的研究主要以國際稀漿封層協(xié)會（ISSA）為代表。,5.

39、1.2 國內研究現(xiàn)狀,（1） 八十年代末關昌余等人 采用古德曼層間結合力學模型描述多層柔性路面結構層間的半結合狀態(tài)，計算分析了層間粘結系數(shù)K對路面結構受力狀態(tài)的影響，提出了抗剪強度和粘結系數(shù)的實驗室實測結果，分析了各種因素對粘結系數(shù)的影響，提出了可用于柔性路面結構設計的粘結系數(shù)取值方法。 （2）1999年國內李杰武等人在研究RCC-AC復合式路面的過程中認為: 基層和面層的厚度、模量對基面層間剪應力的影響較大。,5.1.2 國內研究現(xiàn)狀,（3） 2000年封基良等人在研究沙漠公路基面層滑移中認為: 在豎向荷載或水平荷載單獨作用下剪應力隨面層基層參數(shù)的變化如表,5.1.2 國內研究現(xiàn)狀,（4

40、） 2002年同濟大學的孫立軍教授： 應用有限元法對非均布荷載作用下路面的應力應變場進行了分析， 得出層間接觸條件的不同對路面結構最大剪應力的影響，與結構整體強度、基層類型以及荷載大小有很大的關系。,5.1.3 剪應力測試試驗設備,（1）關昌余等人在進行層間抗剪模量測定時，研制了直剪儀,測定抗剪模量的直剪儀示意圖,,（2）河南省公路局為研究RCC-AC復合式路面RCC與AC層間結合狀態(tài)，研制了層間剪應力試驗儀。,層間剪應力試驗儀示意圖,,（3） 同濟大學在對瀝青鋪裝層與水泥混凝土橋面的界面粘結性能實驗時，研制的加載裝置,加載裝置示意圖,,（4）長安大學也為研究RCC-AC復合式路面RCC與

41、AC層間結合狀態(tài)，研制了一套較為智能的測試系統(tǒng)(LLM)。,LLM測試系統(tǒng)試驗布置示意圖,5.2 層間處治技術研究方法,5.2.1 力學分析方法 （1）ANSYS有限元法： 允許材料參數(shù)在深度方向變化，也能考慮材料參數(shù)在水平方向的變化，并考慮本構關系的應力依賴性。 存在問題 用解析的方法分析瀝青路面有很大的局限性 首先，它必須假設道路材料為線彈性或一些非常簡單的非線形， 其次，解析的方法只能求解一些較為簡單的荷載形式 另外，解析方法把路面看作是在水平方向無限大的連續(xù)介質體，沒有考慮路面的有限尺寸，而且不能分析路面上出現(xiàn)裂縫等幾何不連續(xù)體對結構的力學特性的影響。,（2）Bisar3.

42、0分析法,理論依據(jù)為英、荷聯(lián)資的Shell公司的Shell設計法。 Shell設計法屬于力學經驗法，是國際上公認的比較完善的路面設計方法。Shell設計法的力學圖示如下:,雙圓均布荷載作用的力學圖示,5.2.2 材料性能研究,5.2.2.1 乳化瀝青性能研究 (1)普通乳化瀝青的滲透性試驗,灑布型陽離子乳化瀝青的滲透性試驗結果,(1)普通乳化瀝青的滲透性試驗,試驗結果表明:陽(陰) 離子乳化瀝青在表面致密的半剛性基層上灑布,其滲透效果不佳。灑布作業(yè)在基層施工后盡快進行,則可形成較好的粘結薄層。,灑布型陰離子乳化瀝青的滲透性試驗結果,（2）高滲透力乳化瀝青的滲透試驗,采用中裂陽離子乳化劑對摻加

43、滲透劑的AH - 90 瀝青乳化后、瀝青含量45 %的油水比例的乳化瀝青,具有較強的滲透性能,,高滲透力乳化瀝青的滲透試驗結果,試驗結果表明: 高滲透力乳化瀝青對半剛性基層滲透效果相對于普通的乳化瀝青較佳。由此對比確定用高滲透力乳化瀝青作為基層的透層油使用。,5.3.2.2 改性瀝青性能研究,同濟大學與長安大學共同對瀝青混凝土路面基面層間結合材料進行了研究，自行研制了SBR、ES 和SBS等3種改性乳化瀝青作為層間粘結劑, 基質瀝青為蘭煉AH-90。 （1）粘結強度測試,改性瀝青粘結強度比較,三種改性瀝青分別當改性劑量為5%,7%,3%時達到最佳粘結強度,單位：KPa,5.2.2.2 改性瀝青

44、性能研究,(2)層間剪切試驗,(3)溫度對剪切力的影響,不同溫度條件的粘結強度 單位：KPa,,在不同溫度條件下SBR改性乳化瀝青較熱瀝青有較好的粘結強度,不同瀝青作層間處治材料進行剪切試驗結果顯示SBR改性乳化瀝青具有最佳的抗剪性能,5.2.2.3 土工聚合物性能研究,從20世紀70年代末塑料土工格柵出現(xiàn)后,近幾年又涌現(xiàn)出經編土工格柵和玻纖土工格柵。,3 種不同格柵性能比較,3 種不同格柵性能比較得出結論,(1) 玻纖格柵具有最佳的極限抗拉強度。經編格柵具有最佳的極限延伸率 (2) 玻纖格柵耐溫性明顯較其它格柵好, 經編格柵由于經過涂層浸漬, 耐溫性有所提高。 (3) 塑料格柵的縱、橫

45、向接點是直接成型做成,故強度和縱、橫向肋條的強度相當, 而經編、玻纖格柵接點為編織而成, 故強度較本身材料強度低很多。,格柵的選擇,關鍵性指標: - 筋材強度(包括短期和長期強度) 和延伸率(包括短期和長期延伸率, 即蠕變)。強度為控制筋材能否滿足工程所需增強要求的指標, 延伸率則為控制筋材能否滿足工程變形要求的指標。 根據(jù)瀝青路面層間材料需要-我們從中優(yōu)選出玻纖格柵。 - 玻纖格柵適用于瀝青和混凝土路面加筋、路面反射裂縫防治及新舊路面的銜接等變形量不是很大的場合。 - 作用: 抗疲勞開裂、抗低溫收縮、耐高溫車轍和延緩反射裂縫。,5.4 層間處治實用技術及功能,5.4.1 透層材料及其作

46、用 5.4.1.1 設置目的： - 在粒料類基層(如級配礫石、級配碎石) 及各種水泥穩(wěn)定、石灰穩(wěn)定和石灰工業(yè)廢渣穩(wěn)定基層上,噴灑一層低粘滯度的液體瀝青,使之透入基層表面,作為鋪筑瀝青面層前的一種預先處治,以增加基層與瀝青面層之間的粘結力、填塞基層表面的孔隙以及將基層表面可能松散的集料結合在一起。,5.3.1.2 透層的作用,(1) 幫助增進并維持基層與瀝青面層間的粘結力. (2) 封閉基層表面的孔隙,從而減少水分的透入,避免可能形成的沖刷現(xiàn)象. (3) 能在很大程度上防止基層吸收第一次噴灑的面層瀝青. (4) 增強基層的表面,處治松散表層. (5) 臨時性地保護基層,抵抗氣候及輕交通的有害作

47、用,兼有養(yǎng)護作用.,5.4.1.3 透層材料的選擇,- 一般采用液體石油瀝青，乳化瀝青，煤瀝青。 - 透層瀝青的選用應根據(jù)基層表面密實情況確定,表面致密、孔隙率小時宜選用滲透性強、粘度低的瀝青;表面粗糙、孔隙率大時可選用粘度較高的瀝青。,5.3.1.4 選擇標準：,透層其性能就應該滿足以下幾方面的要求: 滲透性。 - 透層瀝青在灑布后要能透入基層5mm以上,并且不能在基層表面形成油膜。 干燥性。 - 灑布的透層瀝青要能夠很快揮發(fā)干燥,且透入后的瀝青在揮發(fā)后要保持足夠數(shù)量的殘留瀝青,以充分發(fā)揮透層作用。 耐久性。 - 揮發(fā)后的殘留瀝青要有一定的抗老化能力,以保證在較長的使用期限內發(fā)

48、揮其應有的作用。此外,透層瀝青還應該保證其安全性。透層不能使用易燃和有毒性的瀝青,以免造成火災和對人體及環(huán)境的危害。,5.3.2 下封層材料及其作用,5.3.2.1 設置目的： - 瀝青路面下封層是為了封閉基層表面, 防止水分滲入基層, 增強基層與面層之間的粘結而設置的瀝青混合料薄層。 5.3.2.2 目前國內下封層的主要結構 - 單層式瀝青下封層、雙層式瀝青下封層及稀漿封層等, 采用的瀝青種類有: 普通乳化瀝青、改性乳化瀝青及熱瀝青等。,5.4.2.3 下封層作用,（1）粘結作用 與結合不良的情況比較，它可以減少面層底層由行車荷載引起的拉應力和拉應變，它還可以明顯減少溫度變化引起的瀝青面層

49、內的拉應力和拉應變。 （2）封水、防水作用 下封層同透層一起能夠在基層頂面形成一個密封層，防止了外部水移入和內部水份蒸發(fā)，使基層水化作用充分進行，保證在最佳含水量情況下形成強度，從而能提高基層強度的整體均勻性。,5.3.3 應變消減中間層,5.3.3.1 設置目的： 減少或預防反射裂縫，用中間層使瀝青面層變薄，同時延緩或消滅路面使用期間的反射裂縫。,5.3.3.2 應變消減中間層作用,（1）減少路面與基層相對運動的傳遞；提高路面與基層之間的結合，從而消除或減輕層間的滑移危險； SAMI單獨成一層，并成為上下層接觸面間的彈性聯(lián)結，由于此彈性聯(lián)結，面層和基層間可以差動而不承受由于基層移動造成的

50、應力。 （2）減弱反射裂縫 采用低彈性模量和具有良好粘結性能的改性瀝青在低溫時可以形成彈性膜，使基層上傳的應力可以在膜中間層的界面上被消散，從而不至于引起瀝青面層開裂。,5.4.4 其他層間處治技術,（1）設置應力吸收層： 應力吸收層材料在延緩或抑制瀝青路面的反射裂縫方面具有不同于一般防裂夾層的優(yōu)越性，成為半剛性基層瀝青路面采用的一種重要技術方案。 （2）鋪設玻纖格柵層： 玻纖格柵層具有消散應力，阻止反射裂縫的出現(xiàn)，同時還具有承重的作用。 （3）增設防水粘結層： 從層間應具備的功能考慮設置防水粘結層，既起到防止水破壞又起到連接相鄰結構層的作用。,5.5 研究方向-層間處治評價方法及指標

51、的提出,- 以層間結構材料的抗剪強度為指標確定層間材料的種類和用量，通過分析層間材料對溫度的敏感性，提出抗剪強度一溫度指數(shù)的定義。 - 剪應力指標的引入不僅會對路面結構設計造成影響，更將對路面材料設計、尤其是路面結構組合設計帶來革命性的變化，它是判別瀝青路面層間連接作用的關鍵指標和有效手段，是聯(lián)系路面材料設計與路面結構設計的更為直接的橋梁，是應該著重研究的。,,6 長壽命瀝青路面經濟效益分析,6.1 綜合效益概述,綜合效益的比較應包括壽命周期費用和其他費用的比較 壽命周期費用： 路面壽命期內全部的施工和養(yǎng)護費用以及和養(yǎng)護活動相關的施工場內的交通費用。,壽命周期費用的分析過程及影響因素,（

52、1）分析過程： 確定新建和罩面改建后的路面使用性能衰變模型； 交通量預估； 為分析期制定養(yǎng)護和改建策略； 確定各種養(yǎng)護和改建策略的時機或預期壽命； 為施工、改建和養(yǎng)護評估管理費用； 評估用戶和非用戶費用； 制定現(xiàn)金流量圖； 計算費用現(xiàn)值；,壽命周期費用的分析過程及影響因素,（2）影響因素： 分析期、材料價格、折現(xiàn)率、 交通量的預測、使用性能控制標準、 不同養(yǎng)護和改建策略、評價指標的選取,其他費用,包括： （1）路面改建現(xiàn)場由于乘客和貨物運輸所產生的費用， （2）施工現(xiàn)場道路使用者和施工人員較高的事故發(fā)生率有關的費用。 （3）道路維修中造成路面無法

53、正常使用延誤費用； （4）路面損壞，車速降低，車輛磨損增加、耗油量增加費用； （5）路面破壞，行駛不暢，交通阻塞，延時誤工費用； （6）路面使用狀況不佳，交通事故率增加造成費用。,6.2 長壽命瀝青路面與半剛性基層路面綜合效益比較,我國高速公路中90%以上為半剛性瀝青路面結構，比較其與長壽命瀝青路面的經濟效益有現(xiàn)實意義；,6.2.1 半剛性瀝青路面經濟效益分析,問題： 早期破壞現(xiàn)象嚴重：裂縫、水損害、車轍等 普遍現(xiàn)象： 早期破損修補破損加快頻繁修補越修壞得越快,后果,- 導致路面使用壽命遠小于設計值； - 影響交通順暢，行車舒適性性大大降低，容易引發(fā)交通事故，造成燃油浪費； - 若基層出

54、現(xiàn)破壞，維修復雜，耗用大量資金和人力資源，維修過程中長時間封閉交通，嚴重影響道路使用功能。 ,6.2.2 長壽命瀝青路面經濟效益分析,- 長壽命瀝青路面由于采用瀝青穩(wěn)定基層初期建設費用較高； - 長壽命瀝青路面路面裂縫減少，疲勞破壞、車轍等病害較少，能夠為道路使用者提供優(yōu)良持續(xù)的服務； - 永久性瀝青路面無需大規(guī)模的翻修只要定期檢測更換磨耗層，維護修復方便快捷，縮短維修時間； - 長壽命瀝青瀝青路面路用性能良好，高強度加厚瀝青路面比普通瀝青路面使用周期更長并且養(yǎng)護費用更少。,6.2.4 國外調查研究分析,- 國外研究指出，若一個重交通道路的路面能夠運營50年且不需要任何改建措施，那么它就會使公

55、路建設總體投資減少而又有較高的投資效益。 - 美國使用的長壽命路面，其使用年限一般為20年40年，若按照總的全壽命成本效益計算，則長壽命瀝青路面更加經濟。 - 據(jù)紐約一些采用50年設計使用壽命的道路統(tǒng)計資料，長壽命瀝青路面與傳統(tǒng)的路面平均每公里的造價之比，對30cm的面層為1.24，對25cm厚度的面層為1.4。這一比率隨著承包商對建造長壽命瀝青路面所需的新施工工藝的熟悉以及需要新增設備費用的折舊將會進一步下降。,6.4 結論和研究意義:,無論從性能價格比還是壽命周期費用方面分析，長壽命瀝青路面較傳統(tǒng)瀝青路面都具有明顯的優(yōu)勢，因此在我國開展長壽命瀝青路面研究對于提高道路使用性能，節(jié)約道路建設、養(yǎng)護、維修綜合費用都具有重要的現(xiàn)實意義！,,歡迎交流！,