水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究.ppt

交通运输部科学研究院交通运输部科学研究院 道路结构与材料研究中心道路结构与材料研究中心 陈景陈景 20122012年年3 3月月 水泥混凝土路面加铺水泥混凝土路面加铺 沥青层技术研究沥青层技术研究 主 要 内 容 一、概述 二、国内外研究现状 四、加铺设计过程 五、加铺层结构设计方法 六、工程案例 三、技术关键 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 公路总里程 高速公路总里程 一、概 述 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 2010年底，有铺装路面191.80万公里，其中 沥青混凝土路面54.25万公里，水泥混凝土路 面达137.55万公里。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 路面维修养护工程量逐步增大 养护技术需要进一步创新 修复工作机械化程度低 快通早强材料 预防性养护措施缺失 加铺时机的选择 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 十二五目标 国省干线公路路面铺装率达到95%以上，总体技术状况 MQI达到80以上；高速公路平均路面使用性能指数PQI大于 90，国省干线公路（高速公路除外）平均PQI大于80，且 PQI值小于70的比重下降至12%以内 积极推进绿色养护，推广水泥路面就地利用 加强水泥路面养护新技术和新材料研发 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 路面耐久性不足 早期损坏：开裂、断板、 错台、沉陷等 原因 l路面结构与材料耐久性不 足 l施工与养护质量控制不佳 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 水泥混凝土路面养护技术 1.1.传统养护技术：传统养护技术： l l 路面快速修补路面快速修补 l l 局部挖除局部挖除 l l 加铺罩面加铺罩面 2.2.水泥混凝土路面再生利用技术水泥混凝土路面再生利用技术 l l 破碎稳压破碎稳压 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 通行能力 显著下降 平整度降低 行车舒适性降低 行车噪声增大 为了满足交通运输日益发展的需要，提高道路服务水为了满足交通运输日益发展的需要，提高道路服务水 平，对旧水泥混凝土路面进行加铺改造已经成为我国公路平，对旧水泥混凝土路面进行加铺改造已经成为我国公路 建设面临的一项迫切任务建设面临的一项迫切任务! ! 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 加铺水泥混 凝土面层 水泥混凝土路面 加铺改造方式 加铺沥青混 凝土面层 行车舒适、施工方便、快速开 放交通，又能够充分利用旧水 泥混凝土路面的强度 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 沥青加铺层与水泥混凝土层作 为两种不同的材料和结构层组合 在一起时，由于模量的不同，在 受到荷载及温度应力作用时，两 种材料将会产生不同的应力 应变状态，因此，在其界面会产 生应变差和应力差，如果结构及 材料设计不合理层间粘结失效 ，加铺层脱落。 1 ，11 ，1 2 ，22 ，2 脱落严重 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 反 射 裂 缝 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 目前，我国现行的规范明确规定要针对路 面检查评定结果确定养护对策，安排大、中 修或专项工程，对整个路段路面平整度、抗 滑能力不足的，可采取罩面，铺筑加铺层， 以恢复其表面功能。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 规范增加了旧水泥混凝土路面加铺沥青层 这一设计内容，但没有较为成熟的理论分析 及设计方法，主要是充分吸收国外经验，参 照国外相关研究成果，结合我国交通荷载情 况，以经验法设计为主。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究二、国内外研究概况 近几十年来国外发达国家如西班牙、美国、法国 、加拿大、澳大利亚、日本等国家先后进行了复 合式路面技术的开发与应用研究，已分别铺筑了 实验路与实体工程。 河南开封至洛阳段高速、尉氏至许昌高速、 京珠高速长沙至湘潭段 ，广西桂林至南宁高 速、黄沙河至灵川段旧水泥混凝土路面改造 中均采用了复合式结构型式。 复合式路面研究应用 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 橡胶沥青复合式路面 橡胶沥青复合式路面，最早始于20世纪40年代的 美国，经研究发现，在道路工程中应用这种材料 后，沥青路面的抗滑性能、抗磨损性能、疲劳性 能和抗车辙性能有了一定的提高，如果是同样的 道路设计寿命年限，橡胶沥青路面厚度至少可减 薄1/2，可节约大量的建设费用，同时还可缩短 施工工期。 美国在室内试验研究和试验路研究的基础上，建 立了一系列的橡胶沥青混合料性能指标，以及相 应的试验评价方法，积累了大量的成功经验。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 橡胶沥青复合式路面 我国对橡胶沥青复合式路面的应用研究，主要集 中在橡胶改性沥青的加工工艺、橡胶改性沥青性 能评价指标和标准、橡胶沥青混合料设计方法以 及施工工艺这些方面。 胶粉（40目） 200220 190210 45分钟 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 超薄橡胶沥青磨耗层 减薄加铺层厚度 水泥混凝土路面 橡胶沥青磨耗层 加入橡胶（高弹性） 与我国构建资源节约 环境友好型社会及畅 通平安出行环境方针 政策相一致 节省表面 优质材料 显著提 高疲劳 耐久能 力 保证路 面结构 承载能 力 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 世界不同国家和地区都积极开展了复合式路面的应用研究，从国内外的工程实践 应用研究来看，成功与失败各占一半。主要原因是结构组合及材料设计不合理、施工 工艺问题。 研究现状分析 无材料选择依据无标准规范无成熟设计方法三无 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 1、旧水泥混凝土路面状况检测及评价 、加铺前旧水泥混凝土路面病害处治 、水泥路面和沥青路面层间结合 、防治旧水泥混凝土路面反射裂缝的措施 、沥青加铺层厚度的确定 三、技术关键 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 1、加铺前旧水泥混凝土路面状况检测及评价 路面破损情况结构承载能力行驶质量抗滑能力 采用目测及仪具量测 优良中次差 采用无破损和破损相 结合的方法（FWD或贝 克曼梁） 优良中次差 断面类或反应类设备 优良中次差 摆式仪 优良中次差 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 、加铺前旧水泥混凝土路面病害处治 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 、加铺前旧水泥混凝土路面病害处治 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 加铺沥青层前如果不对旧水泥混凝土路面进行表面处理，会导致层 间粘结不够，加铺后不久就产生早期破坏。 、水泥路面和沥青路面层间结合 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 、防治旧水泥混凝土路面反射裂缝的措施 加铺维修改造技术最大 的难点是防止或减少水泥 混凝土旧路面的反射裂缝 。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 、防治旧水泥混凝土路面反射裂缝的措施 反射裂缝是由于原有的旧水泥混凝土路面的裂缝 在荷载和温度的作用下会扩展到沥青面层，而形成 的一种裂缝。反射裂缝在许多寒冷国家或地区如北 美、加拿大、日本、俄罗斯、北欧以及我国北方地 区非常普遍。 反射裂缝 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 、防治旧水泥混凝土路面反射裂缝的措施 反射裂缝的存在会极大地影响沥青加铺层的使用 寿命，不仅影响行车舒适性，而且导致路面水下浸 ，影响到路基的强度与稳定性。更为重要的是，在 行车荷载反复作用和周期性变化环境温度的影响下 ，常常使得裂缝迅速向四周扩展，大大缩短了罩面 层的使用寿命。反射裂缝是水泥路面加铺沥青层面 临的一大技术难题。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 、防治旧水泥混凝土路面反射裂缝的措施 目前国内外对减少反射裂缝的主要方法有： （）使用防裂效果更好的面层； （）增加沥青面层厚度； （）从结构本身入手防止和减少反射裂 缝(如采用碎石化技术)； （）设置应力吸收层等。 上述方法中有的造价偏高，有的在设计上难度较大。而应力吸收层是 一种造价适中，阻裂效果良好的方法。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 、防治旧水泥混凝土路面反射裂缝的措施 应力吸收层在路面结构中能依靠自身的塑性变形 来吸收应力。根据断裂力学的理论，低弹性模量，高 韧性的应力吸收层，可以缓解裂缝尖端的应力集中现 象，因而能起到较明显的防裂作用。国内外对此类防 裂措施开展了不少试验研究，并取得了一定的研究成 果。 常用 措施 土工布土工格栅 改性沥青 层 改性沥青 砂 细粒式沥 青混凝土 碎石封层 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 碎石封层应力吸收层施工示意图 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 高性能应力吸收层技术指标高性能应力吸收层技术指标 采用SBS等聚合物改性沥青 软化点7585 车辙试验动稳定度 DS2000次/mm 小梁弯曲试验最大破坏应变max3500u 混合料级配需专门设计，其中矿粉用量大于 8%，油石比8%。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 高性能应力吸收层高性能应力吸收层 由于应力吸收层沥青混合料细集料多、沥青用 由于应力吸收层沥青混合料细集料多、沥青用 量多等特点，在配合比设计方法上与普通量多等特点，在配合比设计方法上与普通HMAHMA存在存在 较多不同之处。除应满足普通较多不同之处。除应满足普通HMAHMA的相关要求外，的相关要求外， 还应注意以下几点还应注意以下几点: : （）既能满足抵抗重复车辆荷载作用的疲劳性能（）既能满足抵抗重复车辆荷载作用的疲劳性能 的要求，又能满足该层抵抗永久变形的抗车辙要求的要求，又能满足该层抵抗永久变形的抗车辙要求 ； （）能够防止水渗入到路面结构内部；（）能够防止水渗入到路面结构内部； （）施工方便，易于生产、拌和以及摊铺压实。（）施工方便，易于生产、拌和以及摊铺压实。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 四、加铺设计过程 1.路面损坏状况调查及评定 2.旧水泥混凝土路面的修复设计 3.最小加铺厚度的计算 4.道路纵断面设计 5.沥青混凝土加铺层结构设计 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 在车辆荷载与温度应力作用下，旧水泥混凝土板 接缝处，会产生垂直相对位移与水平相对位移，从而导致沥青 加铺层内产生较大的拉应力与剪应力，引发反射裂缝。 设计控制的指标为因旧路面板的移动产生的拉应 变和因接缝两侧不同的竖向位移造成的剪应变。 该方法力学概念简单清楚，易于接受和应用，但由于该 分析方法中作了一些粗糙的假定，从而并不能准确的分析沥青 加铺层中应力分布状况，无法考虑接缝或裂缝处的应力集中对 罩面层反射裂缝的影响。 ARE(Austin Research Engineers)法 五、加铺层设计方法 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 该法是一种经验法，认 为沥青加铺层的破坏原因 是行车荷载所引起的接缝 处的竖向弯沉差。设计参 数主要考虑水泥混凝土板 长、接缝宽度和层间处置 措施。层间处置可设置土 工织物、应力吸收薄膜层 、排水下封层或对旧水泥 混凝土板进行破碎与稳定 处理。 AI(美国沥青学会)法 该法以弯沉差为控制指 标，给出了简单的图表来确 定罩面层的厚度，虽然考虑 了防反措施在减薄罩面层厚 度方面的影响，但没有给出 定量的关系。 五、加铺层设计方法 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 AASHTO法 AASHTO设计法是迄今为止较完善的经验设 计方法，是基于等效结构数来确定沥青加铺 层的厚度，具体内容包括可行性研究、旧水 泥混凝土板的处理、防反措施的选择和厚度 计算等。AASHTO经验设计法是以新建水泥 混凝土路面设计方程为基础，考虑旧路面的 剩余寿命，对影响路面使用性能的其他因素 也作了较全面的考虑，并引入了可靠度的概 念。此法设计概念明确，易于操作，但它没 有考虑防反措施对路面使用性能和罩面层厚 度的影响。 五、加铺层设计方法 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 工程案例 原路面结构示意图 随着周边道路网络的不断完善，人民生 活水平的提高，乘客对于行车舒适性的要求 越来越强烈，水泥路面舒适性差的弊端逐渐 体现，为了满足乘客舒适性的要求，同时提 高高速公路的服务质量，对原路段进行加铺 沥青混凝土改造设计。 一、工程概况 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究二、设计依据 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 （一）交通调查与分析 三、原路面状况及总体评价 交通流及交通组成 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 轴重超载状况 （一）交通调查与分析 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 在过去在过去5 5年，交通量持续增长，在全部车辆中，一类车、四类车、五类车增年，交通量持续增长，在全部车辆中，一类车、四类车、五类车增 长速度较快。长速度较快。20062006年至年至20112011年，五类车年平均增长速度达到年，五类车年平均增长速度达到31. 9%31. 9%，远远，远远 超过国内一般地方公路交通量增长速度。超过国内一般地方公路交通量增长速度。 交通量预测 （一）交通调查与分析 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 根据方案设计中的车型分类及超载比 例，利用AASHTO中的轴载换算系数对各 类车辆进行轴载换算，得到设计基准期10 年的累计标准轴载作用次数为4327. 2万次 。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究（二）路况评估 评价指标 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 路面行驶质量评价 从上述数据可以看出，从上述数据可以看出，RQIRQI评定为评定为“ “优优” ”等级的占等级的占3%3%，评定为，评定为“ “良良” ”的占的占59%59%，评，评 定为定为“ “中中” ”的占的占33%33%，评定为，评定为“ “次次” ”的占的占5%5%，评定为，评定为“ “差差” ”的无。因此，路面状况多处于的无。因此，路面状况多处于 优良状态。优良状态。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 平整度指数 从以上图表可以看出，主车道国际平整度百米均值主要集中在从以上图表可以看出，主车道国际平整度百米均值主要集中在2-5 2-5 (m/km)(m/km)之间，部分路段之间，部分路段3. 5 (m/km) 3. 5 (m/km) ，其中优、良比例占，其中优、良比例占50%50%，中，中 次差比例占次差比例占50% 50% 。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 路面破损情况 破碎板微细网状裂缝 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 路面破损情况 横向裂缝纵向裂缝 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 路面破损情况 角隅断裂错台 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 路面破损情况 接缝料脱落超高路段唧浆 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 通过现场采用贝克曼梁对超车道的砼板角进 行脱空检测，共检测了2170块，板角弯沉值达 到20 (0. 01mm)的共194块，占检测数量的6. 1%。由于贝克曼梁弯沉检测是抽查，每三块板 检测一块板，由于对病害板不进行检测，因此 实际脱空比例应该加上病害板，计算得到的脱 空比例为16. 6%。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 路面结构情况 基层顶面当量回弹模量（MPa） 通过钻芯及通过钻芯及FWDFWD弯沉检测，得如下检测结果。弯沉检测，得如下检测结果。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 A线方向共检测100块板，基层顶面当量回弹模量 平均值为397MPa，最大值为1082MPa，最小值为 117MPa，标准差为160MPa； B线共检测100块板， 基层顶面当量回弹模量平均值为440MPa，最大值为 854MPa，最小值为108MPa，标准差为155MPa；从 抽检测结果来看，A、 B线错台、横缝、填缝料缺损 、纵裂病害砼板的基层顶面当量回弹模量均值低于平 均值。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 主要结论及原因 1、勘测结论 (1) (1) 加铺路段水泥混凝土路面各结构层的厚度、强加铺路段水泥混凝土路面各结构层的厚度、强 度均能满足设计要求，路面结构承载力按照标准轴载度均能满足设计要求，路面结构承载力按照标准轴载 可满足设计年限的使用要求。可满足设计年限的使用要求。 (2) (2) 路面平整度优良率比率较小，仅占路面平整度优良率比率较小，仅占50%50%，通过，通过 加铺沥青混凝土可以有效改善其平整度。加铺沥青混凝土可以有效改善其平整度。 (3) (3) 路面病害板较多，断板及重裂缝板总数为路面病害板较多，断板及重裂缝板总数为615615 块，主要病害类型为破碎板、横向裂缝板，有少部分块，主要病害类型为破碎板、横向裂缝板，有少部分 的纵向裂缝板、角隅板；同时轻裂缝板发展速度较快的纵向裂缝板、角隅板；同时轻裂缝板发展速度较快 。根据脱空检测资料，考虑病害板为脱空板后，板底。根据脱空检测资料，考虑病害板为脱空板后，板底 脱空率为脱空率为16.6%16.6%。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 主要结论及原因 2、破损原因 (1)(1)一般路段路面破损。根据检测资料，比较严重的纵横一般路段路面破损。根据检测资料，比较严重的纵横 裂缝板的基层当量回弹模量均较低，因此，接缝料脱落及张裂缝板的基层当量回弹模量均较低，因此，接缝料脱落及张 开，排水系统的堵塞造成唧泥脱空，在水和重车的作用下发开，排水系统的堵塞造成唧泥脱空，在水和重车的作用下发 生断裂破坏。生断裂破坏。 (2)(2)超载严重，通过测量超载车的轴重可知，部分车辆严超载严重，通过测量超载车的轴重可知，部分车辆严 重超载，超载达到了重超载，超载达到了4.774.77倍，超载的存在对路面正常使用产倍，超载的存在对路面正常使用产 生严重的影响。生严重的影响。 (3)(3)交通量增长较快，通过计算，年增长率在交通量增长较快，通过计算，年增长率在15%15%以上，以上， 繁重的交通量对路面带来了严重考验。繁重的交通量对路面带来了严重考验。 (4) (4) 加铺路段处于山岭重丘区，雨季跨度时间长，雨量充加铺路段处于山岭重丘区，雨季跨度时间长，雨量充 沛，雨水是造成路面损坏的主要原因。沛，雨水是造成路面损坏的主要原因。 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 根据理论分析及使用经验，加铺段路面结构选用根据理论分析及使用经验，加铺段路面结构选用 2cm Novachip+5cmAC202cm Novachip+5cmAC20，大桥加铺，大桥加铺2cm 2cm NovachipNovachip超薄磨耗层，现对其进行结构计算，所取超薄磨耗层，现对其进行结构计算，所取 参数如下：参数如下： 四、加铺层结构设计 一般路基段加铺结构设计 加铺层结构计算参数 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 根据上述参数，计算得到加铺根据上述参数，计算得到加铺5cmAC-205cmAC-20 后，水泥混凝土板的综合弯拉应力为后，水泥混凝土板的综合弯拉应力为 4.1MPa4.1MPa，小于，小于4.63MPa4.63MPa，满足要求。，满足要求。 四、加铺层结构设计 一般路基段加铺结构设计 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 桥梁验算交与原设计单位进行，大桥加铺桥梁验算交与原设计单位进行，大桥加铺2cm 2cm NovichipNovichip超薄磨耗层，中小桥加铺超薄磨耗层，中小桥加铺2cm 2cm NovachipNovachip + 5cmAC-20 + 5cmAC-20。 四、加铺层结构设计 桥梁结构验算 水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究 由于原水泥混凝土路面是加铺沥青混凝土的基由于原水泥混凝土路面是加铺沥青混凝土的基 础，其稳定性及耐久性是加铺沥青混凝土路面是否础，其稳定性及耐久性是加铺沥青混凝土路面是否 成功的前提，因此，无论采用多好的沥青混凝土材成功的前提，因此，无论采用多好的沥青混凝土材 料及加铺结构，都必须做好路基路面处治工作。料及加铺结构，都必须做好路基路面处治工作。 五、加铺前旧路处治 (1)(1)对破碎板和重裂缝板块进行更换；对破碎板和重裂缝板块进行更换； (2)(2)对一般路基路面加铺路段的轻裂缝板块进行对一般路基