（道路与铁道工程专业论文）高等级公路沥青路面使用性能评价的研究.pdf

摘要 近三十多年我国的公路的建设取得了突飞猛进的发展，尤其是高等级公路沥 青路面的建设正处于一个空前高速增长时期。高等级公路沥青路面在经受气候、 环境等自然环境的同时，还要承受繁重的轴交通荷载和大交通量的反复作用。这 导致路面使用品质逐年下降，并出现裂缝、车辙、不平整等一系列病害，严重地 影响了公路的投资效益。随着我国高等级公路的迅猛发展，高等级公路沥青路面 的养护越来越引起人们的重视。 针对这些问题，本论文对高等级公路沥青路面使用性能进行了比较深入的研 究，在调查研究的基础上对我国高等级沥青路面的主要病害就行了分析并提出了 相应的措施。综合分析国内外最新研究成果，介绍和分析了路面使用性能评价指 标与标准以及常用的评价模型。并对目前国内沥青路面使用性能评价模型在路面 使用性能中的应用做了详细的介绍。重点通过确定沥青路面公路技术状况的单项 指标( 路面损坏、路面平整度、车辙、抗滑性和结构强度) ，利用模糊数学综合评 价模型对高等级沥青路面的使用性能进行了分析，确定了评价因素集、模糊评语 矩阵及权重，从而建立了基于模糊综合评判的模型，对路面使用性能进行了比较 科学的评价。同时还将定性的预测转化为定量预测建立了物元模型，通过关联度 综合等级评定道路路况符合某等级标准的程度，这些方法为高等级沥青路面使用 性能养护管理提供了决策的支持，具有重要的现实意义。 关键字：使用性能；模糊综合评判；物元模型；评价方法；养护决策 a bs t r a c t h i g h w a yc o n s t r u c t i o nh a sd e v e l o p e dr a p i d l yi nm o r et h a n3d e c a d e si nc h i n a , e s p e c i a l l yt h ec o n s t r u c t i o no fa s p h a l tp a v e m e n to fh i g h - g r a d eh i g h w a yc u r r e n t l y m a i n t a i n e dr a p i dg r o w t h t h ea s p h a l tp a v e m e n to fh i g h - g r a d eh i g h w a yw h i c hw i l lg o t h r o u g hs u c ha st h ei n f l u e n c eo fc l i m a t e ，e n v i r o n m e n t ，a l s oh a v e t or e c e i v eb u s yt r a f f i c w h i c ha c t e dr e c i p r o c a l l y a l lt h e s ef a c t o r sw i l ll e a dt h eq u a l i t yo fp a v e m e n tt od e c r e a s e g r a d u a l l y , a c c o m p a n y i n gt h ec r a c k ，t r a c k , o u t - o f - f l a t n e s s ，w h i c hh a das t r o n gi m p a c to n i n v e s t m e n tb e n e f i t w i t ht h ed e v e l o po fh i g h g r a d eh i g h w a y , t h em a i n t e n a n c ew i l lb e m o r ea n dm o r ei m p o r t a n t a i m i n ga t t h e s ed i s a d v a n t a g e s ，t h ep a p e rw i l ld oi n - d e p t hs t u d yo ns e r v i c e p e r f o r m a n c eo fa s p h a l tp a v e m e n to fh i g h - g r a d eh i g h w a y b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o no f t h ec u r r e n ts i t u a t i o n ，t h ep a p e ra n a y l i z e dt h em a i nd i s e a s e so fa s p h a l tp a v e m e n to f h i g h - g r a d eh i g h w a y , a l s op u tf o r w a r dm e a s u r e s a c c o r d i n g t ot h el a t e s ta c h i e v e m e n t si n t h i sf i e l d ，t h et r e a t i s ei n t r o d u c e dt h ep e r f o r m a n c ea s s e s s m e n ti n d e xa n dn o r m ，a l s os o m e c o m m o ne v a l u a t i o nm o d e l s t h ep a p e ra l s oi n t r o d u c e dc u r r e n te v a l u a t i o nm o d e l sw h i c h h a v ec o m m o nu s e dt h a ta p p l i e di nt h ep a v e m e n t b yd e t e r m i n i n gt h ea s p h a l tp a v e m e n t t e c h n i c a ls t a t u so ft h ei n d i v i d u a lt a r g e t ( r o a dd a m a g e ，r o a dr o u g h n e s s ，r u t t i n g ，s l i p r e s i s t a n c ea n ds t r u c t u r a ls t r e n g t h ) ，a n dt a k i n ga d v a n t a g eo ff u z z yc o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm o d e lt o a n a l y s i s t h ep e r f o r m a n c eo fh i g h - g r a d ea s p h a l tp a v e m e n t ， d e t e r m i n ee v a l u a t i o nf a c t o rs e t ，f u z z ym a t r i xa n dt h ew e i g h to fr e v i e w s ，s os e tu pt h e m o d e lb a s e do nf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na n dg i v eam o r es c i e n t i f i ce v a l u a t i o n o ft h ep a v e m e n tp e r f o r m a n c e s i m u l t a n e o u s l y ，i ts e t su pam a t t e r - e l e m e n tm o d e lf o r t u r n i n gq u a l i t a t i v ep r e d i c t i o ni n t oq u a n t i t a t i v ep r e d i c t i o na n de v a l u a t e st h ed e g r e eo f r o a dc o n d i t i o n si nl i n e 、) l ，i t ht h es t a n d a r d so fal e v e lb yg e n e r a ll e v e lc o r r e l a t i o n t h e s e m e t h o d sh a v ei m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eb e c a u s et h e yp r o v i d ead e c i s i o n - m a k i n g s u p p o r tf o rt h ep e r f o r m a n c ea n dm a i n t e n a n c em a n a g e m e n to f t h ea s p h a l tp a v e m e n to f h i g h g r a d eh i g h w a y k e yw o r d s ：p e r f o r m a n c e ；f u z z yc o m p r e h e n s i v ee v o l u t i o n ；m a t t e r - e l e m e n tm o d e l ； c o n s e r v a t i o nd e c i s i o n ；m a i n t e n a n c em a n a g e m e n t 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本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。本人完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名。勃镢彦醐：纠年名月，岁日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 他媒体发表论文的权利。 学位论文作者签名：享钕哆 指导教师签名：互绎融 日期矽年妒月，多日日期叩年年月乡日 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列数据库中 全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定享受相关权益。 学位论文作者签名：旆缀f 疹 指导教师签名：互拜肜 日期夕矽年妒月多日 日期哆年孑月7 ，日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出与研究意义 路面使用性能的预测历来是交通管理部门十分重视的问题。路面在使用过程 中，由于不断承受行车荷载和各种因素的作用，以及路面材料的老化，致使路面 产生各种各样的破损，使用性能也随时间逐渐降低。当路面的使用性能降低到某 一标准时，就必须采取相应的养护和改建措施以恢复和提高其使用性能为选择 最佳养护对策，公路养护管理部门要及时准确地了解路面的使用状况，做出科学 的判断及预测，才能知道何时该采取何种相应措施，这就要预估其性能随时间演 化的规律。因此，建立使用性能预估模型，是路面管理系统中最主要的组成部分 之一。 路面使用性能( p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ) 的概念最早由美国各少i i 公路与运输工作 者协会( a a s h t o ) 在1 9 6 2 年提出，随着社会经济的发展，人们对路面使用性能的 要求也在不断变化。随着现代化科技在道路工程领域内的广泛应用，特别是高速 公路的飞速发展，对路面使用功能和服务质量提出了更高的要求，使路面使用性 能的内涵得到不断丰富完善。道路路面使用性能的一般理解是，路面为保障公路 运输车辆的安全正常行驶所应具备的能力和属性。对于高速公路路面而言，还要 满足车辆在一定的使用年限内高速、安全、舒适、经济地行驶。分析研究高速公 路路面使用性能，是进行路面使用性能评价和预测的前提，也是高速公路路面养 护管理决策的基础。 路面使用性能依据所采集到的数据对现有路况进行评价，是对路面使用性能 预测和养护方案优化决策的基础，是路面管理系统的重要组成部分。路面使用性 能具有多方面的属性，因此，对路面使用性能的评价按单项使用性能属性进行评 价。路面质量评价结果的可靠程度一方面取决于监测数据的准确性，另一方面依 赖于科学的评价法，包括技术的选择。近年来，对路面质量评价方法的研究相当 活跃，各种方法的研究都是为了更客观、更准确地反映路面质量的实际情况。路 面使用性能评价从评价指标来看，有单指标评价和综合指标评价，单指标评价从 不同侧面反映了路面满足使用要求的情况，综合指标使路网或各个路段的使用性 能具有可比性，目前综合指标评价方法主要有，层次分析法、系统分析法、回归 分析法、遗传神经网络、灰色评价方法、模糊数学分析法和物元模型分析法。以 上各种方法推动着路面性能评价的发展。 沥青路面在经受繁重的轴载负荷和密集交通量的反复作用的同时，还经受气 候、环境的影响，路面使用品质呈逐年下降趋势，有的还会出现裂缝、车辙、沉 陷、龟裂等破损病害，因此保持优良的路面使用品质是公路为车辆提供高速、畅 2 第一章绪论 通和舒适行车的重要保障。当路况变化达到一定限度或路面使用性能降到接近最 低可接受水平时，就要求我们及时采取现代化的养护对策，快速进行修复，使沥 青路面的使用品质保持在良好状态。可见养护对策的确定与路面使用性能密切相 关，为了能正确判断需养护路段和制定相应的养护对策，需对路面的使用性能做 出准确的评价。通过路面性能评价，可以了解旧路段路面的服务水平和状况，判 断哪些路段需要采取养护措施和采取什么措施，以便及时地恢复路面的使用品质， 使路面使用性能维持在较高的水平，路面使用品质下降速率慢，增加路面的使用 寿命，从某种意义上说减少了养护或改建费的支出。故此论文研究的目的在于在 上述众多的评价方法中，找出最有效的评价方法，为道路工作者提供安全可靠的 评价方法。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 七十年代初许多发达国家的公路网已经基本建成，新建道路减少而现有道路 的养护维修问题日益突出，为了保护和改善现有道路的服务水平，每年需要耗费 大量资金在道路养护和维修上，因而许多国家的公路管理部门开始将注意力转向对 现有道路路面使用性能的分析研究，这些分析研究一般都包括路面使用性能的评 价、性能指标的预测和养护决策方案的制定，而这些思想和方法又大多数体现在 各国建立的路面管理系统和路面养护维修系统中。从七十年代后期起，美国和加 拿大等发达国家的许多州和省相继建立和实施了网级路面管理系统，n a 十年代 中期，约有3 5 个州和省已经建成路面管理系统。 其中对后来路面管理系统发展影响较大的有：1 9 7 8 年美国加利福尼亚州付诸 实施的路面管理系统，该系统主要用于对该州的刚性路面和柔性路面进行路况监 测，提供路段损坏信息及确定养护和改建对策等，同时系统能够按路面使用性能 参数进行项目的优先排序，选用平整度、路面破损程度和平均日交通量三项因素 作为影响排序的主要因素。由美国陆军建筑工程研究所开发的p a v e r 系统，该系 统能够提供路面状况信息，进行路况评价、预测，确定目前和今后养护和改建的 需要，选择可使资金得到最佳使用的养护改建项目和对策方案等，是服务于路面 管理的较好的系统。在该系统中首次提出用扣分法来建立路面破损评价模型，该 方法能够精确地计算和折算由多种损坏所导致的路面总体损害程度。亚利桑大州 路面管理系统在八十年代初期建成并投入运营，这是一个供财政规划用的网级优 化系统，该系统首次成功地将马尔可夫决策过程引入网级路面管理系统。它依据 路面使用性能变量( 如平整度、开裂量等) ，把路网内的路面划分为不同的路况状态， 不同时期路网内处于各种状态的路面的比例定义为路网的使用性能，管理部门为 路网使用性能设定某种目标或标准。密里根州的路面管理系统管理，该系统提出 第一章绪论 了路面使用性能的衰减曲线( 对数方程) ，并利用该方程和马尔可夫模型相结合，预 测路面的使用性能从而实现了养护费用的动态规划。加拿大阿尔伯达省的路面管 理系统包括省公路系统的和各个城市的，是相对比较综合、完善的系统，其开发 采用分阶段建立和实施的方法，如路面信息和需求系统( p i n s ) 、改建信息和优先规 划系统( r i p p s ) 及城市路面管理系统( m p m s ) 。城市路面管理系统( m p m s ) 功能更完 善，包括数据库管理、养护计划、路网改建计划、项目级设计和分析共四个子系统。 我国路面管理系统的研究始于1 9 8 4 年，1 9 8 5 年首先在辽宁营口地区移植了英 国的沥青路面养护管理系统。而后，陆续引进了英国的b s m 路面评价系统、芬兰 f p m s 路面管理系统及世界银行h d k i i i 公路投资效益分析模型等。在“七五”期间， 许多科研院所和公路管理部门联合( 或单独) 开发了一系列的路面管理系统。交通部 公路科学研究所的潘玉利博士提出了我国公路路面管理系统的基本框架，路面管 理系统大致包括数据库管理、路面性能评价、路面性能预测和路面养护决策四部 分，并在参考国外模型方法的基础上，建立了符合我国实际的一些模型。同济大 学和北京、广东公路管理局合作进行了路面管理系统的研究开发工作，较系统地 建立了沥青路面使用性能评价体系，及确定了选择路面养护对策的方法。对我国 路面管理系统的发展与推广应用做出较大贡献的应属c p m s ( c h i n ap a v e m e n t m a n a g e m e n ts y s t e m ) ，该系统是在国家重点公关项目“干线公路路面评价养护系统 成套技术”的研究基础上建立的我国干线公路路面评价养护系统，作为交通部重点 推广项目，已在我国多个省市得到应用。同时也有不少科研工作者在路面使用性 能的研究上作出了不少的贡献：刘伯莹分析了网级路面管理系统的结构框架，建 立了砂石路面的对策分析、使用性能预测和经济分析模型。刘可研究了水泥混凝 土路面使用性能的评价方法和指标、在预测路面使用性能时采用了马尔可夫，初 步分析了动态规划模型。侯静将人工神经网络技术应用于路面性能预测中，利用 其处理复杂的非线性问题时所具有的优势建立了预测模型进行了基于w e b g i s 的 路面管理系统的结构和功能设计，建立了路面管理系统专业模块。韩磊以沪杭高速 的上海至杭州高速公路路况普查的数据为基础，参照美国现时服务指数p s i 的建 立的方法，通过与当地的专家小组的评价对比，进行了建模和分析。 1 3 文章的主要研究内容 本文结合历史监测数据和相关的参考资料，主要研究了高等级沥青路面用性 能的评价。在调查研究的基础上，对我国高等级沥青路面特征及主要病害进行详 尽的分析和归纳，并给出在实际工程中消除、避免、减小或防治路面损坏的技术 措施。介绍路面使用性能评价指标与标准和国内外路面使用性能常用评价模型， 对适合我国高等级沥青路面结构性能评价的影响因素、评价指标和评价标准进行 4 第一章绪论 分析和研究。探讨目前国内路面使用性能综合评价模型在路面使用性能评价中的 应用，分析了多种评价方法的基本思路及其优缺点，为建立新模型做准备。在国 内外路面性能评价研究成果的基础上，确定沥青路面公路技术状况的各项评价指 标。( 路面损坏；路面平整度；路面车辙；抗滑性能；结构强度) 。基于模糊综合 评判和物元分析方法，建立沥青路面使用性能评价模型，并对实际路段进行了分 析和验证。探讨高等级公路沥青路面养护决策，根据模型，对每个路段提出养护 对策。 第二章高等级公路沥青路面主要病害类型及预防措施 5 第二章高等级公路沥青路面主要病害类型及预防措施 2 1 高等级公路沥青路面的使用性能 使用性能包括功能性能、结构性能、结构承载能力、安全性能几个方面。功 能方面的使用性能体现了路面为道路使用者提供方便和行驶舒适性程度的能力； 结构方面的性能表现了路面的物理状况，结构承载能力是路面结构剩余寿命的体 现，而安全方面的性能则是车辆在路面上行驶时安全性的表征【。 2 1 1 功能性能 路面的基本功能是为车辆提供快速、安全、舒适和经济的行驶表面，路面的功 能性能便是指路面满足这一基本功能的能力，它反映了路面的行驶质量与服务水 平。路面的行驶质量与路面表面的平整度特性、车辆悬挂系统的振动特性、人对 振动的反映能力或接受能力三方面因素有关，从路面状况的角度来看，影响路面行 驶质量的主要因素是路面平整度。 行车安全性 在路面安全性方面，主要用路面表面抗滑性能来表征。研究发现：高速公路路面 摩擦系数随车速增高而衰减。因此。研究人员建议在安全性评价方面增加一项路面 构造深度来表征路面的表面特性，对高速公路路面摩擦系数随车速增高而衰减的情 况来进行评价。 行车安全性包括抗滑、溅水、夜间亮度或反光性等。沥青面层的抗滑性能主 要取决于表面层。决定抗滑性能主要有两大因素，一是所用碎石的表面纹理深度； 二是面层的表面构造深度，即表面碎石颗粒与碎石颗粒之间的间隙。碎石的表面 纹理深度决定面层的摩擦系数，面层表面的构造深度决定车辆在高速行使时摩擦 系数的降低百分率。随着行车的不断磨耗作用，路面的抗滑能力会逐渐下降。路 表面水在高速行驶车轮的作用下，会向两侧和后方溅水，影响后随车辆的视线， 并可能危及行车安全。路表面的粗构造可加速路表水的排除，减轻溅水和喷雾现 象，保障行车安全。 行驶舒适性 车辆在路面上行驶的舒适性与路面的平整度密切相关。路面表面平整度是路 面主要使用性能指标之一，它是车辆高速行使时是否安全和舒适的重要影响因素。 路面的平整度受到很多因素的影响，首先，它直接受基层平整度的影响，而基层 平整度又受到底基层和路基平整度的影响，因此，必须保证各层平整度满足要求。 其次面层平整度还受到混合料的最大粒径、混合料的拌和均匀性、粗细颗粒离析 6 第二章高等级公路沥青路面主要病害类型及预防措施 现象、混合料的温度差异、摊铺现场各个工序的管理等。在路面使用期间，随着 车辆荷载的反复作用、周围环境周期变化的影响以及路面龄期的增加，路面的平 整度会随着各种路面病害的出现而逐渐下降。 运行经济性 车辆在路上行驶的运行费主要包括燃油、轮胎、维修和工时等消耗。道路线 型、交通状况及路表状况( 如粗糙度、平整度) 对运行经济性有关。 对环境的不良影响 道路交通噪声是环境噪声污染的最主要来源，随着交通量的增长，降低噪声 己成为公众日益关注的问题。降低噪声应从汽车、轮胎和路面三方面着手。 2 1 2 结构性能 路面结构性能，是指路面结构保持完好的程度，是路面损坏状况物理性能最 直接的反映，它不仅提供了路面结构完好程度等信息，还为确定路面所需的养护 和改建措施提供依据，并为设计、施工、养护提供反馈信息。沥青路面破损主要表 现为裂缝、松散、变形和其他四种类型。对于路面中多种不同的破损类型及不同 的严重程度，通常用路面状况指数p c i 来表示。其计算公式为： 疗，札 p c i = 1 0 0 一y y d p 形， ( 2 1 ) 智符 u 式中：尸c ，一路面状况指数； i ，相应的损坏类型( 共n 种) 和严重程度等级( 共m 级) ； d 尸j 类损坏，i 级严重程度的扣分值； 彬，多种损坏类型的严重程度的权函数。 另一个常用的评价指标是路面综合破损率( d r ) ，其计算公式为： d r ：yydk a ( 2 2 ) _ _ i i t i 式中：口，i 类损坏，j 级严重程度的实际破损面积； k 。，- i 类损坏，j 级严重程度的换算系数； 么路段的路面总面积。 p c i 的数值范围为0 1 0 0 ，其值越大，表明路况越好。 损坏状况：路面结构的损坏状况，反映路面结构在行车荷载和自然因素作 用下保持其结构完整性或完好的程度。路面损坏状况程度随时间而发展，采用日 常保养和维修措施可以延缓路面损坏的发展速度。 结构承载能力：路面结构的承载能力，通常指路面在达到预定的损坏状况 第二章高等级公路沥青路面主要病害类型及预防措施 7 之前还能承受的行车荷载作用次数，或者还能使用的年限。路面的承载能力随己 经受的行车荷载作用次数或使用年数而逐渐下降。结构承载能力同损坏状况存在 着内在关系，随着承载能力的下降，路面的损坏逐步出现和发展。 2 2 沥青路面主要病害类型 主要病害类型分析【1 7 】【1 8 】： 沥青路面的裂缝 沥青路面的裂缝包括：1 ) 横向裂缝。这种裂缝与路面中线近于垂直，裂缝起初 大多出现于路面两侧的硬路肩，逐渐发展而贯穿全路幅，贯穿的裂缝沿路面大致呈 均匀分布。2 ) 纵向裂缝。高速公路普遍存在纵向裂缝，大多在半填半挖路基或路 面加宽处产生，其主要原因是路基压实度不足，出现不均匀沉降。3 ) 龟裂。相互 交错的疲劳裂缝，形成一系列多边形小块组成的网状开裂，龟裂的初始形态是沿 轮迹带出现单条或多条平行的纵缝，其后在纵缝间出现横向和斜向连接缝，形成 网状裂缝。 沥青路面的车辙 车辙是在行车荷载重复作用下，路面产生永久性变形积累形成的带状凹槽。 车辙和推移降低了路面平整度当车辙达到一定深度时) 由于辙槽内积水) 极易发生 汽车飘滑而导致交通事故。沥青路面表面沿轮迹的纵向凹陷，是沥青路面特有的 一种损坏现象，是在与时间有关的荷载因素和气候因素共同作用下，轮迹带逐渐 产生下洼形变并形成两条纵向的凹槽。车辙的深度常以轮迹带外侧凸起部分的峰 顶到槽的谷底的距离表示。 沥青路面的松散 集料和沥青逐渐脱开并散失。松散可能出现在整个路面表面，也可能在局部 区域出现，但由于行车作用，般轮迹处比较严重。 沥青路面的水损害 是指沥青路面在存在水分的条件下，经受交通荷载和温度涨缩的反复作用， 一方面水分逐步侵入到沥青与集料的界面上，同时由于水动力的作用，沥青膜渐 渐地从集料表面剥离，并导致集料之间的粘结力丧失而发生的路面破坏过程。这 种破坏主要表现为路表面产生坑槽，出现卿浆、网裂：表面层和中面层同时产生坑 槽以及局部表面产生网裂和变形。 冻胀和翻浆 由于冰冻的作用，路基上层积聚的水分引起路面胀起并开裂，春融时在行车 的作用下产生翻浆。路基的翻浆必然会导致路面的破坏。翻浆多发生在挖方或半 8 第二章高等级公路沥青路面土要病害类型及预防措施 填半挖路段，因排水不畅造成路基含水量过大，在冬季冻涨，春融季节翻浆。 沥青路面的沉陷 路面出现沉陷主要是由于路基变形引起，路基压实度不足，路基强度和路面 承载力差，在一些高填方和半填半挖路段，碾压机械往往很难达到需要碾压的位 置而使填方路堤的下部实际上无法压实，通车一段时间后，就会产生局部沉陷， 尤其在桥梁两端的台背后出现桥头跳车现象更为普遍。 泛油 沥青混合料中的沥青在天气炎热时向上迁移到路面表面，而在冷天时又不存在 逆过程，因而沥青积聚在路面表面，形成一层有光泽的沥青膜的现象为泛油。有 些高速公路沥青路面常出现泛油病害，最直接的影响是摩擦系数降低，致使路面 抗滑性能降低，影响高速行车安全快速通行。 2 3 沥青路面病害原因分析及预防措施 高速公路沥青路面的损坏所表现出的形态和特征是多种多样的，这是因为促 使路面出现损坏的原因是多方面的。有车载因素、环境因素、水作用的因素、设 计施工、材料和养护管理等因素。同一种原因可以引起不同损坏形态，而同一种 损坏形态可以由不同因素所造成。 2 3 1 沥青路面的裂缝 沥青路面建成后，都会产生各种形式的裂缝。初期产生的裂缝对沥青路面的 使用性能基本上没有影响，但随着表面雨水的侵入，导致路面强度下降，在大量 行车荷载作用下，使沥青路面产生结构性破坏。虽然说沥青路面的裂缝多种多样， 但就其开裂的主要原因而论，可分为荷载型裂缝和非荷载型裂缝。 非荷载型裂缝即不是由行车荷载引起的裂缝。沥青面层上的非荷载型裂缝 主要是温度裂缝，温度裂缝主要表现为横向裂缝。横向裂缝通常不是由于荷载作 用引起的，低温收缩或半刚性基层收缩是产生横向裂缝的主要原因。沥青材料在 较高温度条件下，具有良好的应力松弛性能，温度升降产生的变形不至于产生过 高的温度应力。但在冬季气温骤降时，沥青混合料的应力松弛赶不上温度应力的 增长，同时劲度急剧增大，超过混合料的极限强度或极限拉伸应变，便会产生开 裂。这种情况在沥青面层与基层的附着力不够好，可允许有一定白山收缩时，更 易发生。另一种情况，温度反复升降导致温度应力疲劳使混合料的极限拉伸应变 变小，又加上沥青的老化使沥青劲度增高，应力松弛性能降低，故可能在比一次 性降温开裂温度更高的温度下开裂，同时裂缝是随着路龄的增加而不断增加。再 第二章高等级公路沥青路面主要病害类型及预防措施 9 有就是由于半刚性基层收缩引起的裂缝，这些裂缝在交通荷载或温度作用下，有 下层逐渐反射到表面。横向裂缝是沥青面层发生最多的一种裂缝，它也是沥青路 面早期破坏现象之一，它是不可避免的，横向裂缝多数是由温度引起的，在温度 下降的过程中，面层表面的温度最低，温度变化时也是表面的温度变化率最大。 因此，表面产生的拉应力最大，温度裂缝总是起始于表面并向下延伸。温度裂缝 随着路面使用年限的增加而逐渐增多。非荷载型裂缝的另一种类型是纵向裂缝， 纵向裂缝主要是由于路基不均匀沉降引起的。还有一种原因就是在冰冻地区的沥 青路面上，由于路基冻胀引起的裂缝。 荷载型裂缝即主要由于行车荷载作用而产生的裂缝。龟裂、网裂均属这种 类型。龟裂是路面在车辆荷载的反复作用下，由于路面结构的强度不足而产生的。 另外，基层排水不良，低温时沥青混合料变硬或变脆，也可能造成龟裂。龟裂在 我省各条高速公路上普遍存在，且面积较大，春融期更为严重。有的路段出现卿 浆、横向推移，并逐年加重，这说明路面基层结合料已脱落，基层结构己松散破 坏。 影响沥青路面非荷载型裂缝的因素是： 1 ) 沥青品种和品质。油源、低温延度、粘度、针入度、劲度、含腊量和抗老 化性能等。 2 ) 沥青混合料的组成。矿料级配、沥青含量、集料品种。 3 ) 面层的厚度。对于温度裂缝，厚度的影响不明显，对于反射裂缝，面层越 厚，反射裂缝出现得越晚、越少。 4 ) 基层材料的收缩性。基层材料的收缩性越小，面层裂缝越少。 5 ) 土基。砂土路基多于粘土路基。 6 ) 气温。 最低温度和温度变化率。此外，路龄、交通量、应力集中、施工原因都对裂 缝的产生有影响。减轻非荷载型裂缝的措施需要从设计和施工两个入手。设计方 面，首先要选用抗冲刷性能好、干缩系数和温缩系数小及抗拉强度高的半刚性材 料做基层；其次是选用优质沥青做沥青面层；在稳定度满足要求的前提下，应该选 用针入度较大的沥青做沥青面层；面层沥青最好选用改性沥青。施工方面，严格 控制半刚性基层施工碾压时的含水量，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；半刚性基层碾压完成后，要及时养生， 保护混合料的含水量不受损失：养生结束后，应立即喷洒透层油，并尽快铺筑沥 青面层。 1 0 第二章高等级公路沥青路面主要病害类型及预防措施 2 3 2 沥青路面的车辙 车辙是沥青路面病害的主要问题，一般情况下，车辙可分两种类型： 1 ) 结构性车辙 这种车辙的宽度较大，两侧没有隆起现象，横断面成v 字形。这种车辙的产 生主要是由于荷载作用超过路面各层的强度。 2 ) 流动性车辙 沥青硷的侧向流动变形，在高温的条件下，车轮碾压的反复作用，荷载应力 超过沥青混合料的稳定度极限，使流动变形不断积累形成车辙。一方面是轮迹部 位下凹，另一方面车轮作用甚少的车道两侧反面向上隆起，在弯道处还明显向外 推挤，这种车辙一般都有两侧隆起现象横断面形成w 型。车辙的形成主要由于车 辆渠道化行驶，重载车辆和轮胎压力增加而引起，沥青混合料是一种粘弹性材料， 其强度和模量都随温度升高而急剧下降。在相同的条件下，沥青混凝土的强度和 回弹模量变化很大，在路面适应的温度范围内其值相差几倍到几十倍。因此，在 高温季节，高速公路行车道上的轮迹带承受着大量重车的反复作用。沥青混合料 在高温时的强度不足以抵抗重轮荷载的反复作用，轮下的沥青混合料产生剪切变 形而侧向流动，轮迹带变形下凹，形成槽形的车辙。 影响沥青路面车辙深度的主要因素是沥青路面结构和沥青混凝土本身的内 在因素，以及气候和交通量及交通组成等的外界因素。 内因： 1 ) 沥青混合料的强。沥青混合料的强度取决于混合料的内摩擦角和粘结力。 a 、内摩擦角。碎石的颗粒形状和纹理深度，天然砂的用量。颗粒形状越接近 立方体，扁平长条颗粒的含量越少，混合料的内摩擦角越大；天然砂用量越多， 对强度的不利影响越大；矿料的最大粒径。大尺寸集料混合料具有良好的抗永久 变形能力。4 7 5m i l l 以上的碎石含量越高，内摩擦角及强度越大；沥青用量越大， 混合料的强度越低；沥青混合料的级配和密度，密实度越大混合料的抗车辙能力 越强。 b 、粘结力。沥青的针入度越大，混合料的粘结力越小，混合料的强度和抗车 辙能力越差，沥青的高温粘度越高，混合料的强度就越大；沥青的感温性越大， 高温时沥青混合料的粘结力越弱，抗车辙能力越差；沥青与矿料的粘结力越好， 沥青混合料的粘结力越好；填料的种类和粉料沥青比。填料加入水泥、石灰等会 大幅增加混合料的粘结力；沥青用量过多，会降低混合料的粘结力；混合料的密 实度越大，粘结力越好。 2 ) 路面结构类型和沥青面层厚度一般情况下，沥青路面的车辙与路面结构类型 第二章高等级公路沥青路面主要病害类型及预防措施 1 1 密切相关，柔性路面要重于半刚性路面，半刚性路面要重于刚性组合式路面。半 刚性基层上沥青面层不宜过厚，过厚的沥青面层容易产生严重的车辙。 外因： 1 ) 交通条件。a 、行车荷载( 轴重，轮胎压力) 。b 、交通量和渠道化程度。c 、 荷载作用时间和水平力。 2 ) 气候条件。路面温度( 气温、日照等) 。 防止车辙的主要措施： 1 ) 由于沥青混合料的高温抗剪切强度不足而产生的侧向流动变形的程度与沥 青混合料的高温稳定性直接有关，使用温度稳定性好的沥青是提高沥青混合料稳 定度的最重要措施，在规定沥青标号范围内使用较稠和粘度高的沥青可以提高沥 青混合料的抗变形能力。 2 ) 用聚合物( 如s b s ，s b r p e 等) 改性沥青，可以改善沥青混凝土的使用性能， 使其满足设计使用期间交通条件的要求，如减少高温时的永久变形或增加低温时 的抗疲劳能力。同时，还有改善结合料与矿料粘结强度的能力。聚合物加入沥青 后使沥青变稠，粘度增加减小了温度敏感性，结果是相应地减少永久变形并改善 沥青混凝土层的何载分布能力。弹性体聚合物的加入，增加总变形中的弹性变形 可减少粘滞变形的量，并可改善沥青混凝土的柔性。 3 ) 不同级配类型的沥青混合料的高温稳定性。沥青混合料的高温稳定性首先取 决于矿料的骨架，尤其集料的相互嵌挤作用，沥青结合料的性质和含量则对混合 料剪切变形起制约作用。矿料级配组成对混合料高温稳定性起决定性作用，目前 国内常用的面层沥青混凝土，主要以密实型为主。传统的a c 型是一种密实型连续 级配混合料，通常其级配曲线比较靠近最大密实线，因此空隙率一般较小，具有 一定抗水损害能力。但这种悬浮密实结构，强度主要由粘结力构成，在重交通荷 载作用下，由于混合料热稳定性不足，易发生车辙变形。a k 型是一种多碎石连续 级配沥青混凝土，由于其远离最大密度线，级配中的粗集料较多，而将细集料与 粗集料联系起来的中间集料相对较少。他的特点是空隙率接近a c i 级配，表面粗 糙，抗滑性能好，高温稳定性优于a c 型级配。s m a 是一种粗集料间断级配沥青 混凝土，集料组成中，大小颗粒不是连续存在，有足够的粗集料形成空间骨架， 又有必要数量的细集料填充于骨架间的空隙，使混合料有较高的密实度而形成一 种骨架密实结构，内摩阻力和粘结力均较高，有很好的抗车辙能力。 4 ) 混合料级配变化对高温稳定性的影响：有关资料表明，通常情况下，沥青混 合料的抗车辙能力级配矿料相互嵌挤的骨架作用的贡献占6 0 ，而沥青胶结材料 的性质提供4 0 的抗变形能力。因此，矿料级配是否合理，骨料间是否能有效嵌 挤对沥青混合料的高温稳定性起主导作用。试验分析表明，集料的级配组合，对 1 2 第二章高等级公路沥青路面主要病害类型及预防措施 沥青混合料的高温稳定性起决定性的作用，因此，在沥青混合料配合比设计时， 应同时考虑沥青混合料的高温稳定性。从施工实际情况来说，矿料混合料的级配 和油石比应该是一个合理的范围，在这个范围内无论级配和油石比如何变化，都 不应引起沥青混合料的性能急剧变化，甚至波动到技术要求的最低值以下。 2 3 3 沥青路面的松散 松散产生的原因： 材料因素 1 ) 沥青：沥青与集料的粘附性和抗剥离性是防止路面剥离的基本条件。所以选 用沥青应具有良好的粘附性和抗老化性能。 2 ) 集料：沥青混合料所用的集料一般情况下是碱性集料，它与沥青的粘附性好。 如使用酸性集料，通常添加一定数量的抗剥落剂来提高沥青与集料的粘附性和抗剥 离性，而这些抗剥离剂的优劣就决定着抗剥落性能。集料的吸水率大不仅影响拌和 机生产能力，而且残存的水分影响施工压实度及空隙率，易使混合料产生剥落。 设计因素 1 ) 级配：合理设计混和料级配，尽量减少空隙率可防止或减少水分进入沥青混 合料内部，美国s h r p 计划推荐最合理的空隙率应为4 。由于i i 型沥青混凝土水稳 定性要比i 型沥青混凝土差，所以下面层应尽量使用i 型沥青混凝土。 2 ) 防水设计：设置沥青面层的防水层：在沥青面层结构组合设计中，应将其中 一层按密集配要求来考虑，或专门设置一层隔水层来防水，减少面层渗水。设置沥 青下封层；在干净的基层表面上设置一层沥青薄膜下封层，一方面减少基层受到 水的冲刷，另一方面形成一个光滑的界面，以利于渗入的水的排除。 施工因素 控制混合料温度，确保料温在规定要求范围之内，料温太高或太低决不能施 工；确保压实度达到规范要求；严格控制沥青面层的标高，确保沥青面层的厚度。 2 3 4 沥青路面的水损害 水损害的特点 沥青路面的水损害是指沥青路面在存在水分的条件下，经受交通荷载和温度 胀缩的反复作用，一方面水分逐步侵入到沥青与集料的界面上，同时由于水动力 的作用沥青膜渐渐地从集料表面剥离，并导致集料之间的粘结力丧失而发生的路 面破坏过程。水损害有以下特点： 1 ) 破坏发生在雨季，有时一场大雨就导致严重破坏； 第二章高等级公路沥青路面主要病害类型及预防措施 1 3 2 ) 破坏之前一般先有小块的网裂，出现卿浆，然后松散形成坑槽； 3 ) 发生水损害的地方一般是透水或排水不畅的部位，挖开可以看见下面有积水 或浮浆： 4 ) 行车道破坏比较严重，超车道一般没有破坏，这与交通量和重车交通有关； 5 ) 一般不会整个路面同时破坏，这是由于沥青混合料的离析造成粗集料的集 中，使局部空隙率过大，使路面渗水。 水损害的出现主要是因为防止车辙，沥青混合料采取了坚硬的优质石料、采 用较粗的粒径，适当减少沥青用量等措施，使沥青与石料的粘结力不好，从而造 成沥青路面的水稳定性不足。在春融季节路面会出现麻面、松散、坑槽等病害。 在路面设计理论上，我国的路面设计方法不考虑路面结构层排水和不设置有效防 水层，这也是造成水破坏的重要原因。另外，降水量、交通量、交通组成及行车 速度也对路面的水损害有关。其破坏发展的过程： 1 ) 在开始阶段，水分侵入沥青与集料的界面，以水膜或水气的形式存在，影响 沥青与集料的粘附性； 2 ) 在反复荷载的作用下，沥青膜与集料开始剥离； 3 ) 渐渐地集料开始松散、掉粒； 4 ) 最后，形成坑槽。 水损害的数量和速度与下列因素有关：沥青混凝土是密实型( i 型) 或是半 开式( i i 型) 及其空隙率大小，沥青和碎石的粘结力大小，交通量的大小和重载 车辆的多少。目前我省高速公路的水损害基本上发生在行车道。当然，与高速公 路沿线的降雨量大小有密切关系。 预防水损害的关键要通过以下途径来解决： 1 ) 防止或减少水分进入沥青混合料内部，不致侵入到沥青与集料的界面中去。 要想达到这一要求，主要因素就是控制沥青混合料的级配，尤其是减小空隙率， 目前，我国大部分高速公路的沥青路面面层混合料的空隙率较大，抗滑表层及底 面层均有较大的空隙率，减小其空隙率是防止水损害的有效方法，s m a 结构既具 有很好的抗滑性又具有较小的空隙率，使路面的水稳定性得到较大改善。 2 ) 提高沥青与集料的粘附性，增强集料之间的粘结力。一般情况下，石灰石等 碱性石料与沥青的黏附性很好，但耐磨性能差，不能适应沥青路面表面层抗滑及 耐磨耗的需要，采用石灰石铺筑的s m a 路面，所期望的石料之间的嵌挤能力不能 很好的形成。而玄武岩集料与沥青之间具有较好的黏附性。 3 ) 提高压实标准，减小空隙率。为尽可能提高沥青混凝土面层的不透水性，应 该提高沥青面层的压实度，上面层不小于9 8 ，中、下面层不小于9 7 。 4 ) 路面结构设置排水层或结构层。水是危害路面造成水损害破坏的主要因素， 1 4 第二章高等级公路沥青路面主要病害类型及预防措施 因此，做好排水设计是避免造成水损害的一个方面。现在的问题是沥青面层本身 是透水的，即使是很致密的级配，也难免会由于沥青混合料摊铺时的离析而局部 透水。在雨季水进入沥青面层内部是不可避免的。但是，过去在路面设计时一般 是不考虑路面结构层内部排水问题的。相反普遍设计了埋置式路缘石，阻碍了渗 入路面内部水的排出。 5 ) 提高沥青混合料水稳性。水损害是由于水的侵入而导致集料上沥青膜剥落造 成路面松散破坏，为满足路面抗滑性能对集料质量的要求，面层集料多采用抗磨 光性能好的酸性或中性集料，但这些集料与沥青的粘附性不好，致使沥青混合料 的抗水损害能力严重不足。在美国是将酸性石料用1 2 石灰水浸泡。 2 3 5 冻胀和翻浆 沥青路面产生冻胀和翻浆主要是在冻融时期，因为水的侵入和路基土的水稳 定性能差，由于冰冻的作用，路基上层积聚的水分冻结后引起路面胀起并开裂。 道路翻浆是多种因素综合作用的结果。这些因素主要指水、土质、温度、路面和 行车荷载五个主要因素。其中水、土、温度构成翻浆的三个自然因素，缺