（道路与铁道工程专业论文）开普封层在重庆市县乡公路中的应用研究.pdf

摘要 目前重庆市农村公路技术等级低、施工技术落后、很多农村公路还未曾使用 沥青路( 或水泥路) ，仍没有适合农村公路具体环境条件和交通条件的典型路面结 构、路面材料以及施工质量控制指标。本论文针对重庆市现有农村公路修筑的实 际情况，提出了开普封层结构( 由稀浆封层和微表处构成) 路面，这是一种价格 低廉，技术相对比较成熟的路面结构。 开普封层具有施工速度快、节能环保、综合效益好等特点。该技术用于农村 公路时，可明显改善路面的路用性能，延长路面使用寿命。 本文针对开普封层使用过程中存在的问题，结合工程应用实例，从开普封层 施工技术中的材料选择、混合料技术指标、配合比设计方法、施工机械的技术要 求、施工工艺、施工质量检测等方面进行了分析和总结，为开普封层施工提供了 技术指导和借鉴。 利用a n s y s i o 0 有限元分析软件对开普封层沥青路面典型结构进行分析计算， 明确各结构层和结构层间的受力分布状况，为开普封层路面材料的开发、路面结 构组合以及路面结构层合理厚度的确定提供依据。 本论文的研究成果实用、针对性强。不仅对于重庆市加快农村公路基础设施 建设和实际工程实践的具有指导意义，而且也可以作为西部地区乃至全国农村公 路路面结构的借鉴和参考，对于充分利用地方筑路资源、节省工程造价和养护费 用，提高路面设计质量和路面使用品质、延长路面使用寿命具有重要的现实意义 和使用价值。 关键词：开普封层；稀浆封层；微表处；有限元分析；施工技术；施工质量检测 a b s t r a c t p r e s e n t , t h e r ea r em a n yp r o b l e m ss u c h 鹊l o ws t a n d a r d ，p o o rc o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g ya n dn ou s eo fa s p h a l tp a v e m e n t ( o rc e m e n tp a v e m e n t ) i ni nc o u n t yr o a di n c h o n g q i n g ，w h i c hi sc a u s e db yn ot y p i c a lr o a dp a v e m e n t ，m a t e r i a l s ，c o n s t r u c t i o n q u a l i t yi n d e xw i l la p p l yt oc o u n t yr o a dc o n d i t i o na n dt r a f f i cc o n d i t i o n i nt h i sp a p e r , t h e t h e o r yo fc a p es e a li sp u tf o r w a r da i m e da tt h ee x i g i n gp r o b l e m si nc h o n g q i n gc o u n t y r o a d , w h i c hi sac h e a pa n dm u c hm o r em a t u r i t yt e c h n o l o g yo ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r e t h e r ea r em a n ya d v a n t a g e si nc a p es e a ls u c h 嬲s h o r tt i m el i m i tf o rc o n s t r u c t i o l l e n e r g yc o n s e r v a t i o na n de n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，g o o dc o m p r e h e n s i v eb e n e f i t s t h e t e c h n o l o g yu s e dt oc o u n t yr o a dc a nb r i n gl o t so fb e n e f i t s ，o b v i o u s l yi m p r o v e m e n tr o a d p e r f o r m a n c ea n dc l e a r l yp r o l o n gr o a dl i f e b a s e do nt h ep r o b l e md u r i n gt h eu s eo f c a p es e a la n dp r e v i o u s l yc o n s t r u c t i o n e x a m p l e ，t h ep a p e ra n a l y z e sa n ds u m m a r i z e st h em a t e r i a l sc h o i c e t h em i x t l l r e t e c h n i c a l i n d i c a t o r s ，g r a d a t i o nm i l ld e s i g n ，t e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so fc o n s t r u c t i o n m a c h i n e r y , c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y , q u a l i t yc o n t r o li nc o n s t r u c t i o n , e c t w h i c hb r i n g s t h et e c h n o l o g yg u i d ef o r t h ec a p es e a lc o n s t r u c t i o n t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ea n s y s 10 0i su s e dt oa n a l y z et h et y p i c a l s t r u c t u r eo fc a p es e a l ，a n dc o m p u t e rc l e a rs t r u c t u r eo ft h es t r u c t u r a ll a y e ra n d b e t w e e n l a y e r so fm e c h a n i c a ld i s t r i b u t i o n 。w h i c hp r o v i d e sar e a s o n a b l eb a s i s 南rr o a dm a t e r i a l s d e v e l o p m e n tf o rc a p es e a lr o a d ，s u r f a c es t r u c t u r ea n ds u r f a c es t r u c t u r eo f c o m b i n a t i o n d e t e r m i n a t i o no ft h i c k n e s s i nt h i sp a p e r , t h er e s u l to fr e s e a r c hi s p r a c t i c a la n dp e r t i n e n t t h i sn o to n l v p r o v i d e sam e a n i n g f u lg u i d ef o rs p e e d i n gu pt h ec o n s t r u c t i o no f c o u n t yr o a d i n f r a s t r u c t u r ea n dt h ea c t u a lw o r k , b u ta l s oc a ns e r v ea st h ew e s t e r nr e g i o na n dt h e n a t i o n a lc o u n t yr o a ds u r f a c es t r u c t u r er e f e r e n c e i th a sr e a l i s t i c s i g n i f i c a t i o na n d a p p l y i n gv a l u ef o rt h ef u l lu s eo fl o c a lr o a dc o n s t r u c t i o nr e s o u r c e t h es a v eo f e n g l n e e n n ga n dm a i n t e n a n c ee x p e n s e s ，t h ei m p r o v e m e n to fq 砌i 够o fr o a ds u r f a c e d e s i g na n du s a g ea n dt h ep r o l o n g a t i o no ft h es e r v i c el i f eo f r o a ds u r f a c e k e y w o r d s ：c a p es e a l ，；s l u r r ys e a l ；m i c r o s u r f a c i n g ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ；c o n s t r u c t i o n q u a l i t yi n s p e c t i o n 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：j 爵福丰日期：2 。吵年牛月，；1 3 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：随馅手指导挪签名：爰配 日期：一2 7 产尹月，岁日 同期：庐哆年午月f 弓日 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： 鹃，福 日期：2 叶年广月，岁同 指导教师躲象吝侈 阿期：加毋甲月侈日 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀 下匕 1 1 课题研究目的及意义 农村公路是我国公路网的重要组成部分，规模大、覆盖面广，连接广大的县、 乡、村，直接服务于农业、农村经济发展和农民出行，是解决“三农问题的基 础条件之一。“经济要发展，交通需先行 ，要加快重庆市县乡的经济建设，必 定要大力改造农村公路。“十一五 期间国家投巨资进行农村公路改造、路面硬 化，投资集中、工期集中、工程量大。因此如何保证这些农村公路建设质量，用 最少的资金建最好的农村公路是值得研究的课题。 目前重庆市农村公路技术等级低、施工技术落后、很多农村公路还未曾使用 油路( 水泥路) ，仍没有适合农村公路交通条件的路面结构、路面材料和施工质 量控制指标，在重庆市的广大农村，农村公路路面结构形式单一。传统的几种路 面铺装结构分别存在以下不足： 贯入式或表面处治技术：大部分地区的三、四级路面仍在使用，施工水平仍 停留在8 0 年代的手工操作阶段，工艺落后。虽然造价低，但路面质量和平整度差， 在夏季高温时泛油严重，易发生推移，甚至有的沥青混合料被车轮碾走。另外其 防水性能也差，不能有效地保护基层，许多地方修建的贯入式路面在通车1 年后即 出现早期损害，产生松散、脱落和坑槽，并且扩展迅速，使用寿命极其有限。 2 0 一- - 2 2 c m 的水泥混凝土路面：使用寿命比贯入式和表面处治长，却存在养护 维修特别困难的缺点，且造价高、建设周期长。 4 一- - 6 c m 沥青混凝土路面：这种路面施工速度快，路面平整度好，但造价高， 并且单层沥青混凝土结构容易出现早期水损害，养护费用高昂。 近年来，针对包括重庆在内的西部地区农村公路总体技术水平不高的现状， 先后有不少道路研究院、所和道路研究者曾做过相应的研究，通过大量的工程实 例调查、充分的力学分析和系统的试验研究，提出了适用于西部地区农村公路的 路面典型结构，具有较高的实用价值。然而，大量的研究工作基本上都局限于在 规范的基础上对现有路面典型结构进行优化调整，或者对路面材料进行针对性的 研究，从提高路面材料物理力学性能的角度来改善农村公路的设计，以此提高农 村公路的使用效果和耐久性。另外，新型路面结构和新材料的推广应用必然要受 到其成本价格和实际使用性能等因素的制约，而新型路面结构和新材料的使用效 果和耐久性仍然有待于在使用过程中得到实践的检验。 在这样的情况下，开发出一种价格低廉，而技术相对比较成熟的路面结构就 显得意义非凡。开普封层( c a p es e a l ) 是碎石封层系统( c h i ps e a l ) 与稀浆封层系 统( s l u r r ys e a l ) 的结合( 如图l 所示) ，这种结构首先在南非的开普敦( c a p et o w n ) 2 第一章绪论 使用，因此称为开普封层n 1 ，多用于中、低等级公路新建工程面层或养护工程乜1 。 这种封层技术以其低廉的价格、优良的性能在国外的发展非常迅速，它是一种有 效的路面养护、路面修复和路面重建技术。随着路面技术的发展，表面层引入了 微表处系( m i c r o s u r f a c i n g ) ，开普封层结构得到迸一步改良。目前，开普封层路 面已经在重庆市得到成功使用，效果良好。 磨耗层8 - 1 3 m 高强微表处体系 1 0 - - 1 2 r a m 橡胶沥青 结合层 应力吸收层体系 0 5 一o 9 k g m 2 孚l 化沥青透层 基层半刚性基层 厂、 髟澎湫浍沃瑷竣渊 li 睨銎 乏；乏= j ：曼曼；萋鍪猡 鬻秒 图1 开普封层典型结构嘲 f i g u r e1t y p i c a lc a p es e a ls t r u c t u r e 3 1 在国外开普封层广泛、成功使用的基础上，结合我国农村公路的具体情况和 重庆市农村公路的使用条件，跟踪调查重庆市开普封层的实际使用效果，开发研 究适用于重庆市农村公路的开普封层沥青路面结构，形成一套完整的开普封层沥 青路面材料、结构、施工工艺技术，实现“用同样的钱，修更好的路 的目标， 对重庆市、西部地区乃至全国农村公路的建设都具有异常重要的意义。设计合理、 施工良好的开普封层具有如下优点： ( 1 ) 对路基的少量沉降适应能力强； ( 2 ) 彻底防止雨水进入路面结构，从而阻止路面的破坏； ( 3 ) 路容整齐，道路美观，符合当前“白改黑 趋势； ( 4 ) 行车舒适，除没有水泥路面的接缝外，路面平整度较好，因此行车颠簸 较少； ( 5 ) 路面扬尘少，利于沿线村民傍路行走和居住； ( 6 ) 造价节省，比传统的沥青混凝土路面( 5 c m ) 节省约3 0 - - 一4 0 ，比水泥 第一章绪论 混凝土节省约l o - - - 2 0 ，比沥青表处略贵； ( 7 ) 使用寿命长，其使用寿命是沥青表处的2 倍左右； ( 8 ) 采用大型机械化施工，质量便于控制，施工速度较水泥路面快捷。 ( 9 ) 节省地材，相比水泥混凝土路面，节省碎石8 0 ，节省水资源9 0 。 因而对保护当地环境，节约能源意义重大，属典型的生态环保技术； ( 1 0 ) 开普封层的外观与传统的沥青混凝土路面相近，路面档次高，有利于 提高新农村建设的整体形象和投资环境。 1 2 国内外研究现状 开普封层的发展一直成为人们争论的焦点。它能够填充石屑罩面石料之间的 缝隙，增加石屑罩面的应用范围和延长其使用寿命，而且石屑罩面已在许多国家 应用多年。这种表面处理形式与碎石路面非常相似。在美国的加利福尼亚，要求 稀浆封层使用的骨料和乳化沥青必须进行预先的拌制，然后铺筑到石屑罩面上， 这样可以克服道路的过早损坏、老化或者石料的松动损失，此规定从3 0 年代初期 就已经开始h 1 。 1 2 1 国外的发展现状 它开始出现在南非的c a p e 省，集中在南非的开普敦市周围地区。1 9 5 0 年第一 次在1 9 m m 的封层上面撒布经过预拌的、加热的石粉和沥青混合料。该应用极大地 提高了已有路面的耐磨性能，这种路面处治方式既有单层石屑罩面，又有多层石 屑罩面。在当初，该封层处理只是一种新的路面建筑形式，而且对交通量限制在 3 0 0 辆日。热拌沥青混凝土只是在繁忙交通的道路上才应用。在1 9 5 7 年前后，开 普封层得到了进一步的发展，形成了在1 9 m m 石屑罩面的基础上加铺两层稀浆封层 面层；在1 3 姗石屑罩面的基础上加铺一层稀浆封层面层。这种施工方法极大地 提高了骨料拌和的和易性，阻止了在高沥青含量情况下，路面容易形成弹性的状 况。在澳大利亚，开普封层最早出现在6 0 年代，比南非要晚，它们主要是在大骨 料的石屑罩面基础上，洒布阴离子乳化沥青稀浆封层，以此来增加道路的通行能 力和提高路面的耐磨性能。而且，这种方法常常用于新建的道路。近年来，这种 施工方法常常直接或间接地应用于路面的修补，采用在石屑罩面基础上加铺稀浆 封层，以增加骨料的粘结性能。在美国，工程上第一次应用开普封层技术是从南非 引进的，开普封层的应用主要是对己存在的路面进行养护处理。在北加利福尼亚， 有许多关于开普封层的建设项目，其中在城乡主干道上先采用6 一- 7 m m 的骨料进行 石屑罩面，然后采用i i 号稀浆进行封层。在城市的主要街道上，采用9 l o m m 的 骨料进行石屑罩面，同时也采用i i 号稀浆进行封层。开普封层能够有效地填充重 建道路的裂缝，尤其像稀浆封层、石屑罩面和热拌沥青路面效果更明显。通过对 4 第一章绪论 比可知，开普封层是比较经济的道路罩面最佳替代方案。 1 2 2 在我国的发展现状 开普封层在我国的起步较晚，2 0 0 0 年以来，国内才出现有关开普封层的相关 报道，但没有发现针对开普封层的自主研究成果，也未曾见到开普封层的工程实 例。直到2 0 0 4 年底，国内才开始引进开普封层技术进行试验路的铺筑。该工程位 于重庆市，为渝邻高速路草坪道口接线工程，2 0 0 4 年底施工，全长约3 k m ，起点 位于草坪，终点位于古路镇，是一条典型的通乡公路。接线工程位于农田山坡之 上，路基多为填方，该处的交通为轻型车辆、运水泥添加剂的罐车及农村物资运 输车。铺筑前由于基层过多行车，降低了基层的承载能力，加上泥浆对基层表面 的深度污染，导致面层铺筑困难。采用2 5 m m ( 1 3 m m 微表处+ 1 2 m m 稀浆封层) 结构 的开普封层，铺筑前清除泥浆污染物，补洒高渗透性乳化沥青，能保证层间粘结 并防止反射裂缝的形成，从而产生一个薄层路面延长公路的寿命。该工程施工完 后，至今未作维修，路面使用良好，大大提高了农村公路的通畅率。随着开普封 层技术的引进及其在成本价格、施工工艺和使用性能上的优越性，开普封层在重 庆得到了推广应用，渝邻高速路大湾道口接线工程、渝邻高速路高嘴道口接线工 程、江津杨家店花椒基层路面工程、江津四面山景区路面工程和渝北区张白路路 面工程相继采用开普封层进行了路面铺筑施工，经受了高温、低温、雨季的多重 考验，目前运行良好，得到了建设单位的一致好评。根据国内外开普封层的使用 情况及开普封层路面结构本身无可替代的优势，联系我国目前对于农村基础建设 的重视程度，可以预测，开普封层在我国农村公路建设中将会得到一个持续、长 足的发展。 1 3 主要研究内容、关键技术、达到的目标 开发和研究开普封层沥青路面新型材料，提出适应农村不同等级公路的开普 封层沥青路面合理结构，并制定相应的施工细则，从而有效提高路面强度、刚度 和高稳稳定性，减少农村公路路面的各种破坏，延长沥青路面使用寿命。 1 3 1 主要研究内容 县乡公路的基本特点是：公路等级低，路线线形差，陡坡、急弯多，交通条 件复杂等。根据农村公路的上述特点，在现有国内农村公路( 或适合于农村公路) 路面铺装研究成果和工程应用实例的基础上，结合国内外开普封层的研究应用情 况，研究适合重庆市县乡公路的开普封层沥青路面材料和典型路面结构，提出开 普封层沥青路面材料、结构、施工的参数指标，通过试验路及实体工程施工，完 成相应的施工技术研究，制定开普封层沥青路面的施工技术指南。 ( 1 ) 开普封层材料的研究 第一章绪论 5 开普封层结构以碎石封层( 或者改性稀浆封层) 为下承层，微表处作为面层 形成整体的结构层次，这种结构结合了碎石封层稀浆封层和微表处两者的优点， 在具有优良的抗滑性能和良好的平整度的同时，可以有效地阻止地面水对基层的 渗透，缓解基层病害对面层的影响。开普封层可以有效地保护路面，提高路面耐 久性。碎石封层( 或者改性稀浆封层) 和微表处面层材料的性能决定开普封层的 使用效果，因此开普封层材料的研究至关重要。 在这里要着重介绍一下微表处和稀浆封层，因为本课题研究的开普封层是由 微表处做上面层，稀浆封层做下面层而组成的结构。 稀浆封层( s l u r r ys e a l ) ，就是由级配好的细集料、填料、乳化沥青和水为材 料，按一定比例拌和成稀浆状，摊铺、硬化、成型后起到封层作用的一种路面结 构。稀浆封层起源于德国，至今己有9 0 多年的历史。我国开始应用稀浆封层是在 7 0 年代的援外工程，该技术是“八五期间在全国推广应用项目。稀浆封层的应 用范围非常广，亦可用于公路的养护。因为地具有节约能源、减少环境污染及延 长施工季节等优点，越来越多赢得公路技术人员和养护工人的青睐。改性乳化沥 青封层属于稀浆封层技术范畴，在它的骨料中含有细料与粉料，通过专用的稀浆 封层机拌制成糊状的稀浆混合料，然后均匀铺在路面上。该技术将稀浆封层技术 应用范围拓展到路面结构层的应用，不再仅仅是防水、维修收缩裂纹和乏油，而 且能用于形成具一定功能的结构层( 增加路面摩擦性能的防滑层、l o m m 内微观不平 的表面校准层、车辙填补) 、提高公路养护效率、对推动公路养护技术的发展有着 深远的现实意义和历史意义。 稀浆封层的应用范围哺3 ： 1 ) 对已建公路、城市道路的路面进行预防性养护。可以提高路表的抗滑性能， 封闭路面水，防止路面水损害的产生，使维修后的路面具有防水、抗滑、耐磨等 特点，是一种优良的保护层，起到了延长路面使用寿命的作用。 2 ) 新建公路的下封层嘲；它一方面可以对半刚性基层起到保水养生作用，另 一方面可以增强沥青层与半刚性基层间连接。同时，在基层铺筑后不能马上摊铺 沥青面层时避免临时对基层的损坏。 3 ) 新建和改建公路、城市道路路面上封层。其中微表处可用于新建高速公路、 城市快速路路面的表面磨耗层，而稀浆封层可用于二级及二级以下道路、城市道 路的表面磨耗层。 微表处( m i c r o s u r f a c i n g ) 是一种性能优良的路面养护技术口1 。按照国际稀浆 封层协会微表处技术指南( i s s aa 1 4 3 ) 对微表处的定义，微表处是由聚合物改性乳 化沥青、集料、填料、水和外加剂按合理配合比拌和并均匀摊铺到已适当处理过 的路面上的薄层。它应能满足摊铺不同截面厚度( 楔形、凹形) 的要求，不同沥青 6 第一章绪论 用量和不同摊铺厚度的混合料，经养生和初期交通固化后，能经受住行车的作用， 并在使用寿命内保持良好的抗滑性能( 高的摩擦系数) 。它应能适应迅速开放交通 的需要，在气温2 4 c 、湿度小于5 0 的情况下，1 2 7 r a m 厚的微表处要求施工后1h 可开放交通隅儿9 l 。微表处混合料中，集料重量占到了混合料总重量的9 0 以上，而 改性剂则是微表处区别子普通稀浆封层最重要的特征之一。因此，集料和改性剂 质量的好坏直接影响混合料性能n 训。它采用适当级配的石屑或砂、填料( 水泥、石 灰、粉煤灰、石粉等) 采用聚合物改性乳化沥青、外掺剂和水，按一定比例拌和而 成的流动状态的沥青混合料，将其均匀地摊铺在路面上形成的沥青封层。微表处 是一种道路表面罩面施工技术1 ，从原材料构成、拌和施工工艺及铺层结构特点 来看，它不属表处技术而是属于稀浆封层技术范畴。 稀浆封层和微表处的差别： 1 ) 定义不同 稀浆封层指用适当级配的石屑或砂、填料( 水泥、石灰、粉煤灰、石粉等) 与 乳化沥青、外掺剂和水，按一定比例拌和而成的流动状态的沥青混合料，将其均 匀地摊铺在路面上形成的沥青封层。从定义中可以看出二者所采用的材料不同。 微表处选用了改性乳化沥青，以提高混合料的整体性能，而稀浆封层一般采用普 通的乳化沥青，也可采用改性乳化沥青，并需实现快速开放交通的目的。而且微 表处用改性乳化沥青的蒸发残留物软化点要求也更高，即要求具有更好的高温稳 定性。此外，对于其他的材料如集料、填料的要求也不同。如微表处所用的集料 砂当量必须大于6 5 ，明显高于普通稀浆封层不小于4 5 的要求。微表处集料的 磨耗值不得大于3 0 ，而稀浆封层为不大于3 5 。微表处所用的填料种类及用量 应通过混合料设计试验确定。因此，微表处在选材时提出了更高的要求，以保证 混合料有更好的耐磨耗能力。考虑到微表处适用于承受重交通、填补车辙、摊铺 厚度较大，微表处中舍弃了普通稀浆封层中最细的i 型级配。在混合料设计方面， 微表处混合料须满足粘结力试验的要求， 封层仅对快开放交通系统才有此项要求； 以实现快速成型开放交通的要求，稀浆 微表处混合料须进行浸水l h 和6 d 的湿 轮磨耗试验，普通稀浆封层只有浸水1 h 的湿轮磨耗试验，说明微表处具有更好的 抗水损坏能力；微表处还须满足负荷车轮碾压1 0 0 0 次后试样侧向位移不大于5 的要求，以具备更好的高温稳定性，而普通稀浆封层则没有这一要求。 2 ) 微表处可以用作车辙填补，这是不同于稀浆封层的重要的一点。i s s a 给出 了不同深度车辙的稀浆混合料用量，比如需要填补的车辙深度为1 2 7 m m - - - 1 9 m e ， 稀浆混合料用量为1 0 8 1 6 2 k g m 2 i 钉。 二者在施工方面也有所差异。可以说，微表处技术填补了普通稀浆封层和热 拌沥青混凝土摊铺各自存在的缺陷，功能更为完善。此外，改性稀浆封层是稀浆 第一章绪论 7 封层的一种，它是采用改性乳化沥青，能够满足稀浆封层的相关技术要求的稀浆 封层。不可简单地认为微表处就是改性稀浆封层。 3 ) 寿命不同 欧洲研究认为普通稀浆封层的寿命一般为3 5 年，微表处的寿命可达7 年以 上。 微表处技术具有如下优点： 1 ) 可以提高路面的构造深度和摩擦系数，从而提供良好的防滑能力n 引。s u s a n e is e m a n 研究认为普通的沥青路面几年后抗滑系数一般为4 0 左右，而微表处后抗 滑系数可达5 5 ，五年后抗滑系数仍可保持5 5 左右。证明了微表处较普通沥青路面 的抗滑性要好，而且持久n 钔。 2 ) 增加路面色彩对比度n 引。 3 ) 有较好的降噪效果n 引。 4 ) 具有高温下抗变形，低温抗裂的显著性能n 刀。 5 ) 在面层不发生塑性变形的条件下可修复深达3 8 m m 的车辙而无需碾压，抬 且十分稳定、与原路面粘附得非常牢固，是不用铣刨解决车辙问题的独特维修方。 法。 6 ) 可快速开放交通，一般可在施工后一小时之内开放交通，减少对高速公路 正常运营的影响。 7 ) 改善路面性能、延长路面使用寿命n 翮。 8 ) 由于采用改性乳化沥青，施工过程中不需要加热，节约能源，无污染物排 放，符合环保要求。 微表处作为公路养护的一种新工艺、新技术，以其良好的质量、施工的快捷 性、优良的经济性得到国内外的一致认同n 引。在我国，它主要用于高速公路及一 级公路的预防性养护n 钔，也适用于新建公路的抗滑磨耗层。它还可以用于机场跑 道，提高跑道的抗滑能力，可避免石料脱落而损坏飞机发动机。用作城市干道或 重交通交叉路口的薄修复面层时，微表处施工无须改变排水系统，也不会减少路 缘石的外露高度。微表处还可以用于路面的校平层，对路面进行横向校平。微表 处一般为5 m m ，一- - l o m m 左右厚的薄层结构。根据原路面的损坏状况，可确定微表处的 结构。原路面1 5 m m 以下的车辙采用单层微表处可以起到较好的效果：深度1 5 一- - 2 5 m m 的车辙应采用多层微表处或首先进行微表处车辙填充：深度4 0 m m 以上的车辙可采 用其他方法处理车辙后再作微表处罩面：原路面宏观构造深度基本丧失的情况下 宜采用双层微表处。 但是，微表处对于路面出现的结构性破坏( 如沉陷、坑槽等) 是无能为力的， 由于其单层厚度只有5 l o m m ，在整个沥青路面结构体系中，只能作为表面保护层 8 第一章绪论 和磨耗层使用，而不起承重性的结构作用， 力，不能改善高速公路路面的整体强度啪1 。 这也是微表处的局限性所在。 不具备结构抗应变能力和结构补强能 因此要求原路面稳定，无结构性破坏， ( 2 ) 开普封层沥青路面典型结构的研究 针对重庆市县乡公路的运行特点，结合我国部分道路相关规范和重庆市地方 公路标准，研究适合于重庆市农村各等级公路的典型路面结构，为不同等级、不 同交通条件下的农村公路路面设计与施工提供依据。 ( 3 ) 开普封层沥青路面指标参数的研究 包括开普封层材料的设计指标、生产指标和施工控制指标参数的研究，路面 典型结构施工工艺控制指标的研究，以及路面材料、施工质量的检测指标参数的 研究等。 ( 4 ) 开普封层沥青路面施工技术指南的研究 根据对开普封层沥青路面材料及其性能的研究结果和重庆市县乡公路的具体 特点，研究适合不同等级农村公路开普封层沥青路面典型路面结构的施工工艺， 并提出施工技术指南，为农村公路的建设施工提供系统的指导。本课题将针对上 述各研究内容进行系统研究，使之完善化、系统化、规范化，结合重庆市县乡公 路的具体使用特点，提出相应适合重庆市县乡公路的典型路面结构方案，并形成 我国农村公路开普封层沥青路面铺装的成套技术。 1 3 2 关键技术 ( 1 ) 开普封层材料的开发； ( 2 ) 开普封层沥青路面结构的研究； ( 3 ) 开普封层沥青路面指标参数的研究； ( 4 ) 施工技术研究。 1 3 3 达到的目标 通过对国内外开普封层使用情况的调查，结合重庆市县乡公路的具体特点， 系统开展重庆市县乡公路开普封层沥青路面材料和结构研究，形成开普封层沥青 路面成套技术。切实提高重庆市乃至全国县乡公路铺装水平，延长铺装使用寿命， 并提高其使用安全性，防止早期病害的发生，取得显著技术、经济效益。 具体技术目标如下： ( 1 ) 在一手资料的基础之上设计出适合重庆市县乡公路的开普封层结构尺 寸； ( 2 ) 铺筑一条试验路段，对设计的路面结构进行研究，对试验路段进行常时 间跟踪观测研究，对开普封层路面结构设计进行进一步完善； ( 3 ) 总结试验路段新型路面结构施工成套技术，并加以推广： 第一章绪论 9 ( 4 ) 提出交工验收质量检测与评价方法；对施工质量缺陷等问题分析原因， 并提出相应的解决办法； ( 5 ) 对比分析新型路面结构在县乡公路建设中的经济性。 1 4 技术路线、实施方案 1 4 1 研究的技术路线 研究方法： 本研究项目采用实验分析、理论计算与实践观测相结合的研究方法。首先研 究县乡公路的现状，包括：气象、水文、地质、路基压实度、交通量等，在获取 第一手资料的基础上，进行新型路面结构设计，并通过有限元进行受力分析。然 后对该新型路面结构成套施工技术和施工质量进行研究，进而铺筑实验路段研究。 在对实验路段的长期观测计算的基础上完善该设计理论及该结构的组合设计参 数。最后研究该新型路面结构的造价情况，对其经济性进行研究。 技术路线： 图1 4 1 1 农村公路开普封层沥青路面技术研究流程图 f i g u r e1 4 1 - 1c a p es e a la s p h a l tp a v e m e n tt e c h n o l o g yr e s e a r c hi nr u r a lr o a df l o wc h a r t 1 4 2 实施方案 ( 1 ) 开普封层沥青路面材料室内试验研究 稀浆封层和微表处主要室内试验包括： 1 ) 原材料质量检验，包括集料、改性乳化沥青、填料、添加剂等。 l o 第一章绪论 2 ) 锥体稠度试验，测定乳化沥青稀浆封层的稠度，用以检验乳化沥青稀浆混 合料的摊铺和易性。 3 ) 拌和试验，主要确定沥青混合料的可拌和时间和初凝时间，从而为确定最 佳的沥青用量和水泥用量提供依据。 4 ) 湿轮磨耗试验( w t a t ) ，模拟行车轮胎与路面的磨耗作用，检验设计的混 合料配比能否满足行车磨耗的需要，其重点是验证稀浆封层中沥青含量是否充足。 5 ) 负荷车轮试验验( l w t ) ，沥青用量过多易引起路面波浪与泛油。负荷车轮 试验即是用以确定稀浆混合料中沥青用量的上限，与w t a t 一起确定乳化沥青的最 佳用量，它用封层表面对热砂的粘附量为检验标准。 ( 2 ) 农村公路开普封层沥青路面受力机理分析 利用a n s y s i o 0 有限元分析软件对开普封层沥青路面典型结构进行分析计算， 明确各结构层和结构层间的受力分布状况，为开普封层路面材料的开发、路面结 构组合以及路面结构层合理厚度的确定提供依据。 ( 3 ) 开普封层沥青路面试验路验证 通过试验路的铺筑，对经过理论分析和室内试验的开普封层沥青路面材料和 结构进行实体工程验证，用以检验开普封层沥青路面的路用性能和耐久性以及在 重庆市农村公路上的适用性 第二章重庆市县乡公路状况调查 第二章重庆市县乡公路状况调查 2 1 自然地理状况 会第五次会议通过了设立重庆直辖市的决议，与北京、天津、上海同为四大直辖 市。 地势：重庆地势由南北向长江河谷逐级降低，西北部和中部以丘陵、低山为主， 东南部靠大巴山和武陵山两座大山脉。 河流：主要河流有长江、嘉陵江、乌江、涪江、綦江、大宁河等。 气候：重庆属中亚热带湿润季风气候区，具有夏热冬暖，光热同季，无霜期长， 雨量充沛，湿润多阴等特点。2 0 0 7 年平均气温1 9 0 2 ，年总降雨量1 4 3 9 2 毫米。 2 2 自然环境对路面的影响 路面结构裸露在地表，直接受到自然气候因素的影响。实践表明很多路面特 别是农村公路这种低等级路面受到自然力的破坏比遭受到所施加车轮荷载的破坏 更为严重，因此路面结构必须能够抵抗各种自然因素的破坏力，其中自然因素 的影响主要是由于气候条件的变化。气候是公路建设中最活跃的因素，气候的特 点、分布规律及变化直接影响到路基路面的强度和稳定性，其对公路的影响主要 表现在温度和湿度两个方面。 22 1 温度对路面的影响 温度对于公路建设的影响是最根本的主要表现为公路路基的冻胀和翻浆、路 面材料的变形与开裂等，影响路面的稳定性和耐久性，为公路的设计、施工和养 护必须考虑到的主要自然气候因素。 ( 1 ) 温度对沥青路面的影响 沥青混凝土的刚度对温度的变化很敏感，其强度和模量都随温度的升降而产 生变化。夏季高温时，在行车荷载的重复作用下，沥青面层的永久变形容易积累 1 2 第二章重庆市县乡公路状况调查 形成车辙；另外由于行车荷载的加速与减速，路面受到很大的水平作用力，容易 发生推移( 拥包) 等剪切破坏；冬季低温时，面层易开裂。沥青路面的低温缩裂 主要分为两大类：一类是温度下降而造成路面的开裂，它与沥青混和料的体积收 缩有关，另一类是属于路基或基层收缩与冰冻共同产生的裂缝。 ( 2 ) 温度对水泥路面的影响 水泥混凝土路面板内不同深处的温度，随外界气温的变化而变化，这种变化 使混凝土板出现膨胀和收缩变形，当变形受阻时，板内便产生胀缩应力和翘曲应 力n3 1 ，容易造成面板开裂。另温度的变化对公路工程的施工也有着很重要的影响。 夏季高温时，混凝土拌合物中的水分容易蒸发，使得混凝土失去原有的施工和易 性，给施工、捣实带来困难，同时混凝土表面会出现严重的收缩裂缝，影响路面 的强度和耐久性，所以在高温季节施工过程中需要采取防护措施以防止混凝土由 于过早干燥而加速裂纹的形成。 重庆夏季温度较高，持续时间长，冬季较暖，因而应注意路面的高温稳定性。 2 2 2 湿度对路面的影响 湿度主要表现为降雨量和蒸发量及相对关系( 潮湿系数k ) ，不同区域内的不 同温度、不同的降雨量和蒸发量最终导致不同的湿度。而湿度首先取决于水分的 来源和形式，包括大气降水、地表水、地下水等，这些导致路基湿度变化的水源， 对路基强度与稳定性都会产生不同的影响，路基的强度和稳定性在很大程度上与 路基的湿度以及大气温度引起的路基水温状态有密切的关系，并在很大程度上影 响路面结构及厚度确定。 重庆市各地区气候、地形、地貌、水文地质条件差异甚大，自然因素复杂， 西北部和中部以丘陵、低山为主，东南部靠大巴山和武陵山两座大山脉。各地区 自然条件的差异同公路有密切的联系，根据对重庆市公路的调查发现，重庆市农 村公路的破坏大多数是由水引起的，很多农村公路由于缺乏排水设施或排水设施 损坏，导致了路面的提前破坏，因此，在公路和公路设计中应有相应的对策，对 降雨量较大地区则必须对路基路面的排水引起足够的重视等，因而如何根据各地 自然区域的特征，对农村公路设计、建筑材料的选择和路面方案的拟定等，进行 综合考虑是十分必要的。 2 3 道路状况调查分析 2 3 1 调查的目的和意义 为了全面地了解和掌握重庆市境内农村公路目前的使用性能和存在的问题， 必须对重庆市地区农村公路的路面状况进行调查。通过路面调查，了解重庆市农村 公路的路面结构形式、路面病害、路面材料以及交通组成情况，为重庆市农村公 第二章重庆市县乡公路状况调查 路典型路面结构的设计、施工和质量控制提供依据，以避免路面设计时的盲目性 和随意性。 2 3 2 调查方式 调查的主要方式为现场调查和书面收集资料相结合的方式。主要调查重庆市 境内农村公路路面结构类型、路面病害与交通组成情况等。通过对调查资料的统 计和分析，了解各地区路面结构形式、材料种类、病害类型及路基状况等，为典 型路面的设计提供必要的依据。 本次调查的主要内容主要有： ( 1 ) 路面结构形式及病害的调查。 ( 2 ) 筑路材料的调查。 ( 3 ) 交通量及交通组成的调查。 2 3 3 调查结果 ( 1 ) 路面结构形式及病害 重庆市农村公路路面等级较低，路面总体结构偏弱，绝大多数的路面都出现 了多种形式、不同程度的破损现象。重庆市农村公路的路面结构主要有1 5 一- , 2 5 c m 的水泥混凝土路面、4 - - - , 6 c m 沥青混凝土路面、沥青贯入式或表面处治路面、泥结 碎石路面等： 1 ) 15 ，- - 2 5 c m 的水泥混凝土路面 水泥混凝土路面虽然具有强度高、稳定性好、耐久性好、抗滑性能好、养护 维修费用少、有利于夜间行车等优点，但抗变形能力和抗水损能力差，也有开裂、 拱起错台、露骨、啃边、缺角、断板、唧泥等病害的发生。一旦发生上述病害， 混凝土路面将逐渐遭破坏，直接影响路面的使用寿命。农村公路水泥混凝土路面 病害的原因主要表现在以下几个方面： a 农村公路的基层类型选择不当，等级较低 当前农村公路有相当一部分是泥结碎石基层、片石基层等低等级的基层，甚 至还有一部分农村公路没有设置基层。调查结果表明，所有病害严重的路段都是 直接在这些基层上直接铺筑水泥混凝土路面的，这三种路面结构铺筑的水泥路面 在通车两三年内出现了不同程度的病害，尤其以没有设基层的出现的病害最严重、 最多。 b 基层和面层的厚度不够 一部分农村水泥混凝土路面在发生病害后，在检验开挖后才发现路面的厚度 不足，远远达不到水泥混凝土路面设计厚度的要求，甚至一些水泥路面的厚度只 有1 4 - - 1 7 c m 。相比较面层的设计厚度不足，基层的设计厚度不足对路面产生病害 的影响要小得多，但基层的厚度至少要保证达到一定的强度、刚度和抗冲刷能力。 1 4 第二章重庆市县乡公路状况调查 除此之外，厚度不足还表现在路面和路基的总厚度的不足。 c 用于组合的材料选择不当 当前，一部分农村公路由于施工和设计人员的技术水平问题，不能够正确地 选择材料，选出的材料也不能提供足够的强度和刚度、抗冲刷和抗冰冻等基层最 基本的要求，有一些水泥混凝士路面材料的选取只考虑当地的资源条件，不考虑 路面设计中一系列的技术问题，造成了修筑完后路面发生病害，这是当前农村公 路路面组合中存在的普遍问题，同样也是沥青路面出现病害的一点重要原因。 2 ) 4 - - 一6 c m 沥青混凝土路面 此种沥青混凝土路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪 声低、施工期短等优点，但早期破坏严重，路面寿命较短，维护困难。 3 ) 沥青贯入式或表面处治路面 该路面结构的优点是施工方便、速度快，造价低。但其本身也有使用寿命短， 易产生水损坏、龟裂及坑洞等难以克服的缺点。此外，该形式的路面在使用过程 中，石料易脱落，容易出现飞石，行车噪音大，即路面行驶条件较差。 通过分析可知，农村公路沥青路面病害的原因主要表现在以下几个方面： a 路基压实度不够，引起路面不均匀沉陷 由于施工技术水平问题，路基压实度不够，半填半挖处路面不均匀沉陷导致 裂缝或由于路面整体强度不足，基层软化，稳定性不良等原因引起的。 b 路面排水设施不完善 主要是因为农村公路排水设施不完善，无边沟或边沟缺乏养护，年久失效， 导致排水不畅，雨水直接冲刷路面，沥青路面在水或冻融循环的条件下，由于汽 车轮动态荷载的作用，进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的 反复循环作用水分逐渐渗入沥青与集料