（道路与铁道工程专业论文）就地热再生在沥青路面车辙维修中的适用性研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：整酗 日 期：垄绝：主墨 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：导师签日期：盘坠三：乡 ， 摘要 就地热再生在沥青路面车辙维修中的适用性研究 摘要 研究生：张德育 导师：黄晓明教授 ( 东南大学交通学院，江苏南京，2 1 0 0 9 6 ) 随着公路交通量的增加和重载车辆的增多，车辙已成为沥青路面主要病害之一，严 重影响路面行车安全和舒适性，公路沥青路面的车辙已经成为人们普遍关注的问题。因 此，国内外的学者对提高沥青路面抗车辙性能方面做了大量的研究，提出了许多提高沥 青路面抗车辙性能的方法。但这些研究大多都是围绕着“预防”展开的。当沥青路面出 现车辙以后应该对其采用怎样的维修方法，目前理论上研究的较少，大多数车辙维修方 法都是基于经验选取的。就地热再生就是沥青路面车辙维修方法之一，这种方法因其环 保、节约资源、交通干扰小等优点而受到道路工作者的青睐，但其维修效果究竟如何目 前尚缺乏针对性的理论支持。因此，本文通过沥青路面的车辙、加热温度场及层间接触 的数值模拟和室内试验研究了就地热再生在沥青路面车辙维修中的适用性，主要工作包 括以下几个方面： 首先，根据选定的路面结构，进行了高温条件下沥青路面车辙的数值模拟，分析了 沥青路面面层不同层位的永久变形、竖向蠕应变及变形率，得出了沥青路面面层不同层 位的车辙比例。 其次，利用彳烈q 吣的高级扩展应用功能，编写用户子程序d 兕溉对卡罗泰康 就地热再生机组对沥青路面加热的温度场进行了数值模拟，分析了加热方式和环境因素 对加热温度场的影响，确定了加热机往返加热的最佳施工参数和加热机组加热功率的最 佳组合，提出了卡罗泰康就地热再生机组的理想加热方式，得到了沥青路面中面层的加 热温度场。 再次，从沥青路面中面层经过车辆荷载作用和自身材料的老化两个方面，通过室内 试验，研究了沥青路面车辙产生前后中面层抗车辙性能的变化；根据已得到的沥青路面 中面层的加热温度场对就地热再生时中面层经过再压实这一过程进行室内试验模拟，通 过蠕变试验分析了就地热再生时中面层经过再压实后抗车辙性能的变化：根据室内试验 得到的混合料蠕变参数进行相同荷载作用时间的车辙数值计算，进一步分析了沥青路面 车辙产生前后及就地热再生时经过再压实后中面层抗车辙性能的变化。 接着，根据接触问题的基本理论，进行了上、中面层不同接触状态下沥青面层的力 学响应的数值计算，分析了上、中面层不同接触状态对沥青面层不同力学指标的影响， 进而反映其对沥青路面车辙发展规律的影响。 最后，从直接经济效益和社会、环境效益两方面对就地热再生工程的经济性进行了 竖一 分析。 本文在就地热再生维修车辙的适用性研究方面所作的数值模拟、试验分析等一系列 研究，为就地热再生维修车辙技术提供了理论支持，将会促进就地热再生技术在沥青路 面车辙维修中的推广。 关键词：就地热再生；沥青路面；车辙；中面层；加热温度场；蠕变试验；抗车辙性能； 层间接触状态；经济性 a b s t m c t r e s e a r c ho nt h e a p p l i c a b i l i 锣o f h o t i n p l a c er e c y c l i n gi n a s p h a l tp a v e m e n tr u t t i n gm a i n t e n a n c e a b s t r a c t m s cc 锄d i d a t e ：z h a n gd e - ) ，u s u p e i s o r ：p r 0 h u a n gx i a 0 一曲g ( s c h o o lo f t r a n s p o r t a t i o n ，s o u l e 嬲tu l l i v e r s i 劬n 删i n g ，j i a i l g s u2 l 0 0 9 6 ，c 1 1 i n a ) w i t h 舭i n c r e a s i n g 仃a f j e i c 肌do v e r l o a d i n gv e l l i c l e s ，n m i n gh a sa l r e a d yb e e no n eo fm c m 勾o rf a i l u r e so fa s p h a l tp a v e i l l e n t ，跚l di ts e v e r e l yi i l f l u n c e st l l e 鼢诧t ) ，a n dc o m f o r to fm e r u n i l i n gv e l l i c l e 烈i t t i n go fa s p h a l tp a v e m e n th a sb e c o r n ear e m a r k a b l ea n du m v e r s a lp r o b l e m t h e r e f o r ed o m e s t i ca n df o r e i g ns c h o l a r sm a d eal o to fr e s e a r c h e so ni m p r o v i i 培m t t i n g r e s i s t a n c eo fa s p h a l tp a v e m e m ，a i l dp u tf o n ) i ，a r da 伊e a tm a n ym e t l l o d st 0e n l l 狮c e1 1 l t t i n g r e s i s 觚eo fa s p h a l tp a v e m e n t h o w e v e r ，m o s to ft l l e s er e s e a r c h e s 、e r ec 秭e do u to i i l y c o n c e n t r a t i n g p r e v e n t i n g ，a tp r e s e n tt l l e o r i e s o nh o wt 0m a i 撇i nt l l e 咣i n go fa s p h a l t p a v e m e n t 蚯e ri ta c c u r r e da r ev e 巧诧w ，a n dam a j o r i 够o fm a i n t 撕i l i n gm e t h o d sa r ec h o o s e d b a s e do ne x p e r i e n c e h o ti l l p l a c er e c y c l i i 培i so i l eo fm a i n t a i l l i n gn m i n gm e t h o d s ，a i l d 1 1 i g h w a ye n g 洫e e r sa r ei nf h v o u r o fi to w i n gt o i t s e n v i r o m n e n t a j 衔e n d l i n e s s ，s a v i i 培 r e s o i c e sa l l dl o w 仃a f ! e i ci i l t e r f e r e n c e b u th o wi t se a e c to n 呲i i 培m a i l l t e 啪c ei s i s s t i l i 凼w n s on u 麟斌a ls i i n u l a t i o no fa s p 眦tp a v e m i 斌础i n g ，h e a _ t i n gt e m i 埘孤聆j e i e l d s ， i n t e r l a y e rc o n t a c ta n dl a b o r a t o 巧t e s t sw e r ei n t r o d u c e d i i lt h j s p a p c rt 0d e a l 、砘t ht 1 1 e 印p l i c a b i l i t ) ，o fh o ti n p l a c er e c y c l i n gi nm 越n t a i l l i i 坞a s p m tp a v e m e n t 舢i i 培t h ec o n l e n t s o ft l l i sp a p e r 1 1 1 a i n l yc o m a i n t l l ef o l l o 、 ，i n ga s p e c t s ： f i r s t l y ，b a s e do nt h cp a v e m e n t 殉m c t u r ea l r e a d yc l l o o s e n ，am l i i l e r i c a ls i m u l a t i o no f a s p h a l tp a v e i n e n t 涨i n gu n d e rm ec o n d i t i o i l so fl l i 曲t e m p e r a _ t u r cw a sc a 耐e do u tt 0a n a l y s e t t l ep e r m 锄e n td e f o r m a t i o n ，v e r t i c a lc r e e ps 佩n 觚dd e f o m l a t i o nr a t eo fd i 您j r e n tl a y e r s t h e n t h er u t t i n gp r o p o t i o no fd i f 】e r e n tl a y e r sw a so b t a i n e d s e c o n d l y ，恤s u b r o u t mo f 舰泌w 嬲c 枷e do u tb ym ej o no f 彳删q 吣t os i i n u l a t e t h e h e a t i n gt e m p e r a t u r ef l e l d s o fa s p h a hp a v e i n e n th e 曲e db yk a l o t t i k o n eh mi i l - p l a c e r e c y c l i n gv e l l i c l e s t h ei 1 1 n u e i l c eo fh e a t i n gs t ) r l ea n de i i r d i m l e m a lf a c t o ro n 也eh e a t i n g t e l n p e r a t l 鹏f i e l d sw a sa n a l y s e d ，a n dt l l eo p t i m 啪c o n s t r t l c t i o np a r 锄e t e r so fr o u n d - 仃i p h e a t i n ga i l dt l l eo p t i i i 煳c o m b i i 掰t i o no fh e a t i n gp o w e rw e r eo b t a i n e d t h e nt l l ei d e a lh e a t i i l g m e t h o do fk a l o t t i k o n eh o ti n 巾l a c er e c y c l i n gv e h i c l e sw a u sp u tf o m a r d ，b a s e do n 、h i c ht h e t e m p e 形胁ef i e l d so fi n t e 咖e d i a t el a y e r 、m a sa l s oo b t a 山戚 r d l y ，仔o mt l l ef o l l o 、) l ，i n gt w 0a s p e c t s ：舰f j f i cl o a de 虢c to ni n t e n i l e d i a t el a y e r 锄dt l l e l 垒竺! 坚竺! 一一 一一 a g i n go f i t sm a t c r i a l ，s o m el a b o r a t o r y t e s t sw e r ec a r r i e d0 u tt 0d e a l 、融m ec h 锄g eo f 础m g r e s i s t a i l c e0 fi n t e m l e d i a t el a y c rw h e nn m i n go f 嬲p 蹦tp a v e m e n th a do c c u 玎e d a c c o r d i n g t 0 a l eh e a l i n gt e m p e r a _ t l 】r e f i e l d so fi m e r m e d i a t el a y e r ，l a b 惯a ：c o 拶t e s t s 、e r e c a r r l e do u tt o s i m u l a t e 妇p r o c e s s0 fr e c o m p a c t i o no f m e d i a ：t e1 a y e rd u r i n gh o ti n p l a c e f e c y c l l n g ， b a s e do n 砌c hc r e e pt e s t sw e r ec 嘶e d 0 u tt 0a n a l y s e 舭c h a n g eo fn 施n gr e s l s 觚eo 士 i n t 咖1 e d i a t cl a y e r m n 肌c r e 印p a r 雅l e t e r s 触d 舶m t h et e s td a 协w e r ee m p l o y e dt 0 舳 n 姗e r i c a lc a l c u l a t i o no f 僦i n gu l l d e r 恤s 锄el o a dt i m c ，州c hm a d ea 触r a n a l y s l so t m ec h 觚g e0 f 州n gr e s i s t 觚c e0 fi n t e 珊e d i a t el a y e ra 胁r e c o m p a c t i o n n g h o t 阶p i e r e c y c l i n g 。 f o l l l 啵1 l y ，b a s e do nc o n t a c tn l e o r i e s ，am 脚舱r i c a lc a l c u l a t i o no f m e c h a n i c a lr e s p o n s e0 t d i f f e r e n ti n t e r f 缸地姐t eb e 帆e ns 耐a c ea n di n t e m e d i a 钯l a y e rw a s c a r r i e do u tt oa i l a l y s e t 1 1 ei n f l u e n c eo fd i 鼢e n ti n t e r f a c i n gs 眦0 nm em e c h 撕c a l i n d e x e s 锄dm em 仕1 n g d e v e l o p m e n tn l l eo fa s p h a hp a v e m e n t f i i l a l l y ，d i r e c te c o n o “cb e n e f i t ，s o c i a la n de n v i r o n m e n tb e n e m w e r ea l l a l y s e dt 0c l 鲫f y t h ee c o n o i n yo fh o ti n p l a c er e c y c l 洫g as e r i e so fc r e a t i v er e s e a r c h c s ，s u c h 弱l a b o r 卿t e s _ t s ，m m l e r i c “s i l u l a t i o n o fa s p m t p a v e m e n tm t 【i n g ，w e r cc a r r i e do u ti n l i sp a p e r - t h e s er e s e a r c h e s w i l lp r o v i d em e r 0 毗c a j s u p p 矾f o rh o ti n - p l a c er e c y c l i n gi n 州n gm 撕e n a n c e ，a n d w i l la l s op m o t e 也e d e v e l o p m e mo fh o ti n - p l a c er e c y c l i n gi na s p h a np a v e m e n t 础i n g m a i n t e n a j l c e k 州。r d s ：h o tn p l a c cr c c y c l i n g ；a s p l l a l tp a v e m e n t ；m n i n g ；i n t e m e d i a t el a y e r ；h e 妇g t e m p e r a n i r ef i e l d s ；c r e e pt e s t ；n 】由【i n gr e s i s t a n i c e ；i n t e r f a c i n g s t a ：c e 目录 口三王 目冰 摘要i a b s t r a c t i l i 第一章绪论1 1 1 研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状。2 1 2 1 沥青路面车辙产生机理及规律2 1 2 2 车辙病害维修方式。4 1 2 3 沥青路面就地热再生的特点6 1 2 4 目前存在的问题8 1 3 研究的主要内容和技术路线。9 1 3 1 本文研究的主要内容9 1 3 2 本文的技术路线1 0 第二章沥青路面面层各层位车辙比例1 1 2 1 沥青路面结构的调查与分析1 1 2 2 沥青路面变温车辙有限元建模及分析方法1 3 2 2 1 荷载作用模式及参数1 3 2 2 2 有限元模型1 6 2 3 沥青路面面层各层位永久变形分析1 6 2 4 本章小结2 1 第三章就地热再生加热温度场数值分析2 2 3 1 有限元分析建模2 2 3 1 1 表面边界条件2 2 3 1 2 底部边界条件2 4 3 1 3 计算模型与参数2 4 3 1 4 温度场实测及计算值对比分析2 5 3 2 加热温度场影响因素数值分析2 6 3 2 1 加热方式的影响分析2 6 3 2 2 环境因素对加热温度场的影响2 8 3 2 3 间歇式加热温度场分析2 9 3 3 就地热再生加热机组理想加热方式数值分析3l 3 3 1 一台加热机往返加热温度场分析3 2 3 3 2 两台加热机进行加热的路面温度场分析3 3 3 3 3 沥青路面中面层的加热温度场3 7 3 4 本章小结3 8 第四章沥青路面车辙产生前后中面层材料抗车辙性能的变化3 9 4 1 沥青路面中面层经车辆荷载作用后抗车辙性能的变化3 9 4 1 1s p t 动态三轴蠕变试验3 9 4 1 2 车辙试验4 4 4 1 3 沥青路面中面层经车辆荷载作用后抗车辙性能变化的有限元计算4 4 4 2 沥青路面中面层老化后抗车辙性能的变化4 7 v 目录 4 2 1 沥青路面中面层的老化程度。4 7 4 2 2 沥青混合料老化后抗车辙性能的变化。4 8 4 2 3 沥青混合料老化后抗车辙性能变化的有限元计算5 1 4 3 本章小结5 2 第五章就地热再生时中面层经过再压实后抗车辙性能的变化5 4 5 。l 试验方案。5 4 5 2 试验结果分析5 4 5 2 1 旋转压实试件的体积参数变化5 4 5 2 2u t m 局部加载动态蠕变试验结果分析5 6 5 2 3 就地热再生时中面层经过再压实后抗车辙性能变化的有限元计算。5 8 5 3 本章小结5 9 第六章层间接触状态对沥青路面车辙发展规律的影响分析6 1 6 1 接触问题基本理论6 l 6 1 1 接触表面间的相互作用6 1 6 1 2a b a q u s s t a i l d a r d 的接触算法6 3 6 2 上、中面层不同接触状态下力学响应的数值分析6 4 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 我国的高速公路发展比西方发达国家晚近半个世纪的时间，从8 0 年代末开始起步， 经历了8 0 年代末至1 9 9 7 年的起步建设阶段和1 9 9 8 年至今的快速发展阶段。1 9 8 8 年上 海至嘉定高速公路建成通车，结束了我国大陆没有高速公路的历史；到1 9 9 7 年年底， 我国高速公路通车里程达到4 7 7 1 公里，1 0 年间年均增长4 7 7 公里。2 0 0 2 年年底，我国 高速公路通车里程一举突破2 5 万公里，位居世界第二位，2 0 0 6 年年底超过3 万公里。 截至2 0 0 8 年年底，国内高速公路通车总里程达到6 0 3 万公里，仅次于1 0 万公里的美国， 继续居世界第二位【。 我国高等级公路的路面结构中，沥青路面占有相当大的比重，许多路面在通车后不 久就出现了泛油、坑槽、车辙、开裂等病害现象，现在最为严重的就是车辙损坏。沥青 路面在行车荷载的反复作用下，会由于永久变形的积累而导致路表面出现车辙，车辙对 路面和通行车辆的危害主要包括：车辙致使路表过量的变形，影响了路面的平整度； 轮迹处沥青层厚度减薄，削弱了面层及路面结构的整体强度，从而易于诱发其它病害； 雨天路表排水不畅，降低了路面的抗滑能力，甚至会由于车辙内积水而导致车辆飘滑， 影响了高速行车的安全；车辆在超车或更换车道时方向失控，影响了车辆操纵的稳定 性【2 】。 可见由于车辙的产生，严重影响了路面的使用寿命和服务质量。因此有必要对车辙 的预防和维修技术进行深入研究，提出有效的防治和维修措施以提高我国高等级路面的 使用功能和寿命。 目前针对我国高等级公路路面车辙主要有以下几种车辙维修方法：微表处填补技 术、铣刨加铺技术、铣刨拉毛技术、就地热再生技术、同步碎石封层技术。其中，就地 热再生维修车辙技术具有环保、节约投资、交通干扰小、有利于沥青路面层间连结和深 层裂纹的愈合等优点，是一种出色的车辙维修技术。 在2 0 世纪9 0 年代初期，中国开始了就地热再生技术和设备的研究，但主要停留在就 地热再生的技术、工艺方法、部分配套设备的研究上，还没有形成较完整的就地热再生 的技术、工艺方法和成套设备。随着国外就地热再生技术和设备大量推广应用，2 0 0 0 年 以后，河北省路桥公司、上海浦东路桥公司、山东省路桥公司、江苏省高速公路养护公 司先后引进了德国维特根r e 面x e r4 5 0 0 、加拿大马泰可刖也0 0 0 、加拿大达能、芬兰卡罗 泰康r o a d m i xp r 0 0 3 7 i 蝴等就地热再生设备，并在中国京沪高速、京津塘高速、沪宁高 速进行了推广应用。2 0 0 4 年中国已研制出就地热再生机配套设备加热车，如中联重科 l r 4 5 0 0 、鞍山森远l r j 1 、美的威特6 s 等，并在高速公路就地热再生维修中进行了配套 施工，取得了良好的效果p 】。鉴于就地热再生技术的巨大优势，其在我国沥青路面再生 东南大学硕士学位论文 领域中的应用也越来越广泛。作为一种有效的旧路维护改造方法，从经济效益与社会效 益角度都有明显优势的沥青路面就地热再生技术，无疑将拥有巨大的市场需求空间。 就地热再生维修车辙技术一般对沥青路面表层3 5 c m 厚的沥青混合料进行再生，不 处理中下面层。然而，目前许多研究认为，沥青路面中面层是车辙产生的主要层位，这 种维修方法会不会存在风险，其适用性如何，这是需要进行针对性研究的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 沥青路面车辙产生机理及规律 ( 1 ) 车辙产生机理 沥青路面车辙的产生主要是沥青混合料的粘滞流动、土基与基层的变形，并包括一 定程度的压实作用和材料磨耗，常发生在气温高于2 5 3 0 的高温季节。在有足够强 度的基层支持下，土基与基层的变形相比较而言很小，车辙主要发生在沥青面层。1 9 6 0 年州册试验路研究发现：永久变形主要是由于各结构层厚度的减少，多发生在路面 结构层( 面层3 2 、基层1 4 、底基层4 5 ) ，土基仅占9 。近年，我国普遍采用半 刚性基层沥青路面结构，沥青面层的永久变形占车辙量的9 0 以上。在我国，由于禁止 使用埋钉轮胎，磨耗性车辙很少发生。而且，我国高等级沥青路面多采用半刚性基层， 结构性车辙产生较少。失稳性车辙是目前车辙研究的主要对象，其形成机理与沥青混合 料在高温情况下受力变形的特性相关【4 】。 沥青混合料在静态荷载( 重复荷载) 作用下蠕变( 永久) 应变规律如图1 1 所示。 可以将其分为三个阶段【5 】：第一阶段：迁移期，蠕变( 永久) 变形在瞬间迅速增大，但 应变速率随时间迅速减小；第二阶段：稳定期，蠕变( 永久) 变形呈直线形稳定增长， 应变速率保持稳定，该过程占总过程的主要部分；第三阶段：破坏期，蠕变( 永久) ( b ) 永久应变 混合料变形规律 路面车辙的形成过程，张登良将沥青路面车辙 2 馘词鬃 第一章绪论 发展产生划分为3 个阶段【6 j ：开始阶段的压密过程，沥青混合料的流动，矿质骨 架的重新排列及矿质骨架的破坏。在开放交通初期，在车辆荷载作用下，混合料被压密， 其变形有一个迅速增加的过程；但变形速率迅速下降，这与迁移期相对应；通车一段时 间之后，车辙变形速率趋于稳定，对应于稳定期；到路面使用后期，达到一定的标准轴 次，辙槽处路面极易开裂破坏，最终导致其变形迅速增加，对应于破坏期。 ( 2 ) 车辙类型 沥青路面的车辙主要有以下四种类型【4 j ： 压密型车辙：由于压应力超过沥青混合料的抗压强度，沥青混合料被进一步碾压 致密造成压密型车辙。这种车辙从外形看，两侧没有隆起，横断面呈v 字形( 凹形) 。 对半刚性基层沥青路面而言，此类车辙产生的主要原因是沥青面层后续压实。 结构型车辙：由于荷载作用超过路面各层的强度，车辙主要发生在沥青面层以下 包括路基在内的各结构层的永久变形，叫做结构性车辙。这种车辙的宽度较大，两侧没 有隆起现象，横断面成浅盆状的u 字形。 流动型车辙：沥青混合料的侧向流动变形。在高温条件下，车轮碾压的反复作用， 荷载产生的剪应力超过沥青混合料的抗剪强度，使流动变形不断累积形成车辙，叫做沥 青的流动性车辙。这种车辙一般都有两侧隆起现象，车辙断面成w 形。 磨损型车辙：沥青路面在交通车辆轮胎磨耗和环境条件的综合作用下，路面被磨 损，面层内集料颗粒逐渐脱落，形成磨损性车辙。在冬季路面铺撤防滑料( 如砂) 时，磨 损型车辙会加速发展。 影响 沥青 路面 车辙 深度 的主 要因 素 沥 青 混 厶 口 料 内 摩 擦 力 粘 结 力 气候和交通条件 1 矿料最大粒径： 5 m m 的碎石含量 2 碎石强度、表面粗糙度和颗粒形状 3 沥青用量 4 沥青混合料的级配和密实度 1 沥青标号和高温粘度 2 沥青的感温性 3 沥青与矿料的粘结力 4 沥青矿粉的粘结力 5 沥青用量 6 沥青混合料的级配和密实度 7 夕 掺剂的种类和用量 1 行车荷载 2 交通量与渠化程度 3 荷载作用时间 4 路面温度及持续时间 垂亘至蔓圄嫠霉薯构类型及沥青面层类型和面 施工质量h 沥青混合料的施工温度和压实度 图1 2 影响沥青路面抗车辙性能的因素 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) 车辙影响因素 影响沥青路面抗车辙性能因素很多，归结起来可分为沥青路面结构和沥青混凝土本 身内在因素( 内因) ，以及气候和交通量及交通组成等的外界因素( 外因) ，这此影响因 素及其具体表现归纳在图1 2 所示的框图中【2 j 。 ( 4 ) 面层不同层位车辙比例 我国普遍采用半刚性基层沥青路面结构，沥青面层的永久变形占车辙量的9 0 以 上，而面层一般为两层或三层式，所以沥青路面车辙主要是沥青面层各层位车辙的累积。 所以无论是在设计阶段还是维修阶段，都需要了解沥青面层各层位的车辙比例，以便为 设计和维修提供依据，提高沥青路面的使用寿命和经济性。目前有许多研究表明，高等 级沥青路面的车辙主要产生于中面层，中面层是沥青路面车辙产生的主要层位( 见表 1 1 1 。 表1 1 某高速公路车辙处芯样厚度变化【7 l j 醛样停车道c m行车道车轮处c m厚度变化c m厚度变化率 表面层 3 5 3 0 0 51 4 3 中面层5 83 82 03 4 5 下面层 5 75 2o 58 8 总计 1 5 o1 2 03 02 0 0 高等级公路沥青路面上面层已广泛使用改性沥青，这使得上面层混合料的高温稳定 性得到一定的保证，但大多数路面的中面层仍使用普通沥青。我国公路超限超载车辆大幅 度增加的现象改变了路面结构层内应力分布( 见图1 3 ) 。随着轴载的增加，剪应力的最大 值范围由表面层向中面层转移，而且在连续高温天气下，温度不断累积，导致中面层温度 较高( 见图1 4 ) ，使中面层产生剪切流动性车辙的深度增加，其增加速度比上、下面层快。 ou u ，u 1o 1 5o 2o z 5u j 。 0 羹i 。o 一2 、一 二3 、一 0 0 2 ： 、_ ，r ! ： 、一! 一点位 ： ， 一一 _ l - 点位b 0 0 6 一。l 一，二二 一点位c3o i ； t，。( 7 一一点位d趟o 1 i 。1 ，乞：7 一- 点位e 蟋o 1 2 ，r ，y 一点位f 髦 j 0 1 4 f 州 o 1 6 2 4 、一 o 图1 3 路面最大剪应力沿深度分布8 】 1 2 2 车辙病害维修方式 目前国内外对提高沥青路面抗车辙性能方面 4 1 4 连续七天高温和非连续高温下温度场 在面层中分布的对比刚9 1 研究较多，而对于车辙病害维修方面 第一章绪论 的研究较少。当沥青路面出现车辙后，采取的维修措施主要还是依靠经验，缺乏针对性 的理论来对车辙维修进行指导。目前国内外常用的车辙维修技术主要有以下几种f l 0 】： ( 1 ) 微表处填补技术 适宜范围：压密型、磨耗型等比较稳定的车辙。 技术特点：微表处车辙填补技术施工工艺先进、速度快、成本低、防水及抗滑性能 好；填补后彻底改变了车辙内存水易产生水漂和结冰等安全隐患。微表处填补车辙为微 表处工艺中较复杂的一种，需要更专业的队伍来施工。 ( 2 ) 铣刨加铺技术 铣刨加铺技术( 改性沥青混合料、水泥沥青混合料) 主要针对车辙深度在2 c m 以上 的严重失稳型车辙，这一类车辙多由于上面层或上、中面层或上、中、下面层高温稳定 性不足而产生。处治时先铣刨掉其产生车辙的各面层，铣刨宽度视车辙范围而定，一般 单车道4 m ，双车道8 m 。铣刨后认真检查下卧层状况，并对局部破坏进行修复。 ( 3 ) 铣刨拉毛技术 对沥青路面车辙隆起部位进行局部铣刨，恢复路面使用性能、提高行车安全，该方 法具有施工时间短、交通干扰小、养护费用低的特点，是车辙处治的阶段性措施。 ( 4 ) 就地热再生技术 就地热再生( m r ) 是采用专用的就地热再生设备，对沥青路面进行加热、铣刨，就 地掺入一定比例的新沥青、新沥青混合料、再生剂等，经加热拌和、摊铺、碾压等工序， 一次性对旧沥青路面3 5 c m 范围内旧沥青混凝土路面重新再生的技术，是适合于沥青路 面面层连续修复的一种经济的现代沥青路面维修技术。该方法具有环保、节约投资、交 通干扰小、有利于沥青路面层间连结和深层裂纹的愈合的优点。 图1 5 就地热再生维修车辙技术 ( 5 ) 同步碎石封层技术 同步碎石封层技术，对路面的防水性及车辙出现有明显效果。由于同步碎石封层具 有定点定向撒布的特性，可以根据路面车辙的面积及深度，进行相应的施工。如根据车 辙的宽度，来调整沥青和石料的撤布宽度：根据车辙的深度，采用单层或多层同步碎石 封层进行修补，降低维修成本，快速恢复路面使用性能。 5 东南大学硕士学位论文 1 2 3 沥青路面就地热再生的特点 就地热再生通常使用大型沥青路面热再生联合机组进行连续施工，先用加热机把沥 青路面烤热软化，再用沥青路面铣刨机将软化的旧沥青混合料铣刨，并收集起来输送到 该机组中的连续搅拌机上，添加新骨料、补充新沥青，搅拌后，传送到机组的摊铺器上， 摊铺、捣实、熨平、碾压，铺筑成为新路面。就地热再生技术相对其它的车辙维修技术 在许多方面有着自身的特点。 ( 1 ) 加热方式 目前就地热再生技术的加热方式主要有以下几种：直火加热式、红外线辐射加热方 式、热风循环加热方式、红外线热风并用加热方式、微波加热【1 1 1 。 旧沥青道路的干燥和加热软化可使用l 台或多台加热设备。为了避免加热时沥青路 面局部过热或烧焦现象。则需要较低温度的热源与较长的加热时间，因此，需增加低热 源暴露于路面的时间，这可通过降低加热机在道路上的前进速度来实现，但这样又会影 响其它施工因素和生产效率，所以施工中常采用多个加热机组合加热以使施工质量最佳 化。若加热机数量较少，应该采用往返加热方式对沥青路面进行加热，对沥青路面加热 一定时间后，移开加热器，当表面温度下降一定程度后继续对沥青路面进行加热，如此 反复，使得热量不断向下传递的同时，表面温度不至过高。 ( 2 ) 加热温度场 h i r 施工过程中的温度控制非常关键，在整个施工过程中应对温度进行实时监控， h i r 施工过程中的温度控制可以参考表1 2 。加热机对沥青路面进行加热时，不但要使 沥青面层充分预热，还要确保：去除材料中的大量水分；沥青路面足够软化，以便翻松 或铣刨时集料的退化现象尽可能小；再生剂与外掺料可以彻底混合；取得足够的压实温 度，同时又要避免旧沥青过度再老化。因此不同的加热机组要结合自身的加热形式和路 面特点，在预热温度与机组的加热功率、行进速度、机组间距等方面寻找最佳组合。目 前国内外并没有统一认可的指标可以用来规范加热过程，保证路面中的旧沥青不被过度 老化。然而，有许多直观的信号可以说明加热过程出现了问题，这些迹象有：加热设备 中有蓝色或黑色烟气排出；烧焦或炭化的路面；加热区域内温度差异过大。若加热后排 放的气体是白色的、且易于消散，表明路面材料中的水分正以水蒸汽的形式去除。而蓝 色或黑色的烟气通常表明沥青中一些碳氢化合物被燃烧，如果出现这种情况，应立即采 取纠正行为，如减小加热设备的加热强度、增加加热设备距离路面的高度或提高加热设 备的前进速度。艘： 表1 2h i r 路面的正常施工温度要求( 参考值) 温度控制点温度要求 环境温度 1 5 外掺新沥青混合料到场温度 1 6 0 ， 8 0 摊铺温度 1 2 5 初压温度 1 2 0 碾压终了温度 7 0 美国乃砌m l l2 j 等人研究表明，就地热再生路面加热工艺非常关键，旧路面温度在7 以上时，旧路面混凝土的翻松、分离比较容易，而温度在6 以下时，翻松的1 日路面 混凝土不易分离为颗粒状，而多成大块。也即，就地热再生处理深度不仅与翻松、铣刨 工艺有关，更相关于对旧路面的加热幅度和深度。对于整个翻松旧料的温度，美国沥青 路面回收再生协会似剐啊) 推荐其最低温度应在1 0 5 以上。c d d 删【1 3 】等人的研究表明，沥 青路面表层1 4 i l l 混凝土的老化程度显著大于其余部分的老化程度。由此，采用就地热再 生工艺对旧路表面进行辐射加热，或是进行罩面养护等都应充分考虑这一情况。 c 伽聊f c 向口p 4 j 等人针对就地热再生设备进行了热量在路面面层向下传递规律的研究，得 出不同热源，不同辐射时间的温度传递规律，如图1 6 所示( 空气温度2 l ) 。 图1 6 不同热源温度和辐射时间下路面温度梯度情况 ( 3 ) 铣刨深度 就地热再生技术采用加热机对沥青路面进行加热，由于沥青混合料的导热性能较 差，加热时只能对表层3 5 c m 深度范围内的沥青混合料充分加热，在此深度范围内的沥 青混合料由于被充分加热而软化，铣刨集料不会破碎；而此深度范围以下的沥青混合料 则不能被充分加热，如果进行铣刨，则会发生集料破碎现象，影响再生混合料的性能。 因此，就地热再生技术一般只对表层3 5 c m 深度范围内的沥青混合料进行铣刨再生。 由于不同路段的旧料老化程度和热渗透程度不同，尤其是车辙或变形较大的道路， 翻松厚度可能会发生一些变化。翻松厚度在一定程度上可通过调节耙齿上的气动液压力 或改变设备的前进速度来控制，通过正确的操作加热机和翻松设备。可使翻松厚度的波 动最小化，通常可以控制波动范围在5 n u n 以内。 ( 4 ) 配合比设计 新沥青路面铺筑后，在行车载荷和自然因素的作用下，其路用性能逐渐下降，路面 失去柔软性，变的脆硬，病害破损相继出现。沥青路面在使用过程中，沥青逐渐老化具 7 东南大学硕士学位论文 体表现为：油分减少、胶质和沥青质增加：其路用技术指标表现为粘度增大、针入度降低、 软化点上升，延度降低。路面中的集料在使用过程中会逐渐发生细化，从而改变了沥青 混凝土的级配，使骨架的嵌挤作用减弱，从而使整个结构的抗剪强度减小。因此，进行 就地热再生配合比设计时需要对旧沥青的性能和集料的性能及级配进行恢复。 就地热再生配合比设计流程如下： 对旧路路面中的沥青、集料和混合料性能进行评价 l 对再生剂的类型及用量进行选择 i 试验室制备试件进行试验测试 j 确定是否需要掺加新沥青等 1 通过试验确定再生剂的掺加比例 图1 7 就地热再生配合比设计流程图 目前