（道路与铁道工程专业论文）沥青混合料离析对季冻区沥青路面长期路用性能的影响.pdf

摘要 截止2 0 0 8 年底，全国高速公路总里程达到6 0 3 万公里，稳居世界第二位，所建高 速公路中，沥青路面占到9 0 以上。纵观我国高速公路建设及使用现状，虽然里程增长 迅猛，但暴露出的问题也不少，沥青路面早期损害现象普遍。究其原因，除了路面结构 设计与材料质量控制方面存在问题外，由于施工质量引起的路面损害问题越来越受到道 路工作者的关注。沥青混合料离析就是沥青路面施工中遇到的最最棘手问题，也是导致 沥青路面发生损害的根本原因之一。 沥青混合料离析不仅导致沥青路面各类早期损坏发生，而且对路面长期使用性能也 有重要影响。路面长期性能的研究在美国等发达国家已进行了几十年，取得了丰硕的成 果，而我国对沥青路面长期性能的研究尚处于初期阶段。本研究旨在依托吉林省吉珲高 速公路，开展沥青混合料离析对沥青路面长期路用性能的影响，填补这方面研究的空白。 通过分析国内外沥青路面长期路用性能的评价指标，提出适用于我国，特别是季冻 区沥青路面长期路用性能的评价指标。利用a n s y s 软件建立的模型来模拟沥青路面的 离析状态，分析得出了离析状态下沥青路面结构的力学响应，并通过沥青路面寿命的预 估模型，计算得到了沥青混合料不同离析程度对于沥青路面寿命的影响。 为了避免了室内成型试件及性能试验不能完全表征实际路面性能的缺点，本研究在 吉珲高速沥青路面施工现场整幅切取路面板，通过大量路面切板试验，分析了沥青混合 料不同离析程度对于沥青路面各项长期路用性能指标的影响。 最后采用国际上最新的小型加速加载设备( m m l s 3 ) ，对吉珲高速路面上面层和中 面层切取的试件进行加速加载试验，分析了荷载与离析程度对沥青路面长期路用性能的 影响规律。 本研究从理论到实际、从室内到现场就混合料离析对路面长期性能的影响进行了详 实的分析研究，得出了许多有价值的结论及建议，为沥青路面施工控制以及沥青路面长 期经济效益分析提供了依据，也为沥青路面长期路用性能的系统研究打下了基础。 关键词：长期路用性能，评价指标，沥青混合料离析，加速加载，力学响应，疲劳寿命 a b s t r a c t b yt h ee n do f2 0 0 8 ，t h eh i g h w a yh a se x p e r i e n c e dr a p i dd e v e l o p m e n ti nc h i n a , t h et o t a l l e n g t ho f n a t i o n a lh i g h w a yh a sr e a c h e d6 0 3 0 0k i l o m e t e r s ，w h i c hc o n t i n u e st or a n ks e c o n di n t h ew o r l d ，b u i l tb yt h eh i g h w a y , t h ea s p h a l tp a v e m e n ta c c o u n tf o r9 0 t h r o u g h o u tc h i n a sh i g h w a y c o n s t r u c t i o na n du s eo ft h es t a t u sq u o ，a l t h o u g ht h er a p i di n c r e a s ei nm i l e a g e ，b u ta l s o e x p o s e dal o to fe a r l yd a m a g et oa s p h a l tp a v e m e n tu n i v e r s a lp h e n o m e n o n t h er e a s o n , i n a d d i t i o nt ot h es t r u c t u r a ld e s i g no fp a v e m e n ta n dm a t e r i a l sq u a l i t yc o n t r o lp r o b l e m s ，t h e c o n s t r u c t i o nq u a l i t yd u et or o a dd a m a g ec a u s e db yt h ei s s u eo fm o r ea n dm o r ec o n c e r n e d a b o u tt h er o a dw o r k e r s s e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i x t u r ea s p h a l tp a v e m e n tc o n s t r u c t i o ni s e n c o u n t e r e di nt h em o s td i f f i c u l ti s s u e ，b u ta l s ol e a dt ot h eo c c u r r e n c eo ft h ed a m a g eo f a s p h a l tp a v e m e n t ，o n eo ft h er o o tc a u s e s s e g r e g a t i o no fa s p h a l tm i x t u r ea s p h a l tp a v e m e n tw i l ln o to n l yl e a dt oa l lk i n d so f d a m a g eo c c u r r e de a r l ya n dl o n g t e r mu s eo ft h er o a d sh a v ea ni m p o r t a n ti m p a c to n p e r f o r m a n c e i nt h ed e v e l o p e dc o u n t r i e s ，t h el o n g t e r mp e r f o r m a n c eo fp a v e m e n th a sb e e n s t u d i e df o rs e v e r a ld e c a d e s ，a n dm a n yf r u i t f u la c h i e v e m e n t sw e r em a d e h o w e v e r , t h i ss t u d y i ss t i l li ni t si n i t i a ls t a g ei nc h i n a t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yr e l yo nj i l i n h u n c h u nh i g h w a y , t oc a r r yo u ts e g r e g a t i o no ft h ea s p h a l tm i x t u r eo fa s p h a l tp a v e m e n to fl o n g - t e r mp a v e m e n t p e r f o r m a n c ei m p a c to f r e s e a r c ht of i l lg a p si nt h i sr e g a r d t h i sp a p e ra n a l y s e dt h ee v a l u a t i n gi n d i c a t o r so fl o n g - t e r mp e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l t p a v e m e n ta th o m ea n da b r o a d ，t h r o u g hw h i c ht h ee v a l u a t i n gi n d i c a t o r so fl o n g - t e r m p e r f o r m a n c eo ft h ea s p h a l tp a v e m e n ts u i t e df o ro u rc o u n t r yi ns e a s o n a lf r o s tr e g i o nw e r e p r o p o s e d i na d d i t i o n ，t h em o d e lw a se s t a b l i s h e db ya n s y s s o f t w a r ei no r d e rt os i m u l a t et h e s e g r e g a t i o ns t a t eo fa s p h a l tm i x t u r e ，a n dt h em e c h a n i c a lr e s p o n s eo fa s p h a l tp a v e m e n t s t r u c t u r eu n d e rs e g r e g a t i o nw a so b t a i n e d a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rh a se s t a b l i s h e dt h el i f e p r e d i c t i o nm o d e lo fa s p h a l tp a v e m e n t ，a n da l s oh a sa n a l y s e dt h ei m p a c tt h a tb eg i v e nt ot h e l i f eo fa s p h a l tp a v e m e n tb yd i f f e r e n td e g r e eo fs e g r e g a t i o n i no r d e rt oa v o i dt h ei n t e r i o rm o l d i n ga n dp e r f o r m a n c et e s ts p e c i m e nc a nn o tb e c o m p l e t e l yc h a r a c t e r i z e dt h es h o r t c o m i n g so ft h ea c t u a l r o a dp e r f o r m a n c e ，t h es t u d yo f j i l i n h u n c h u nh i g h - s p e e da s p h a l tp a v e m e n tw h o l ec o n s t r u c t i o ns i t e ，t h er o a dc u tp a n e l s ，a 1 1 1 l a r g en u m b e ro fr o a d sc u tt h r o u g ht h ep l a t et e s t ，a n a l y s i so ft h ea s p h a l tm i x t u r eo fd i f f e r e n t d e g r e eo fs e g r e g a t i o na s p h a l tp a v e m e n tf o rt h el o n g t e r mp a v e m e n tp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s f i n a l l y , t h el a t e s ta c c e l e r a t e dp a v e m e n tt e s t i n ge q u i p m e n t ( m m l s 3 ) i nt h ei n t e r n a t i o n a l w a su s e dt ot e s tt h el o n g t e r mp e r f o r m a n c eo ft h e s ep l a t e sw h i c he x t r a c t e df r o mt h eu p p e r l a y e ra n dm i d d l el a y e ro ft h ea s p h a l tp a v e m e n t ，a n a l y s i so ft h el o a da n dt h ed e g r e eo f s e g r e g a t i o no fa s p h a l tp a v e m e n to nt h er o a dp e r f o r m a n c eo fal o n g - t e r mi m p a c to ft h el a w i nt h i ss t u d y , f r o mt h e o r yt or e a l i t y , f r o mt h ei n t e r i o rt ot h es i t eo nt h em i x t u r eo f l o n g t e r mi s o l a t i o no nt h er o a dp e r f o r m a n c eo fad e t a i l e da n a l y s i s ，d r a w nal o to fv a l u a b l e c o n c l u s i o n sa n dr e c o m m e n d a t i o n s ，w h i c hw i l lg i v et h e b a s i sf o rt h e a s p h a l tp a v e m e n t c o n s t r u c t i o nc o n t r o la n dl a yt h ef o u n d a t i o nf o rt h el a t e rl o n g - t e r mp e r f o r m a n c er e s e a r c ho f a s p h a l tp a v e m e n t k e yw o r d s ：l o n g t e r mp a v e m e n tp e r f o r m a n c e ；e v a l u a t i o ni n d e x ；s e g r e g a t i o no fa s p h a l t m i x t u r e ；a c c e l e r a t e dp a v e m e n tt e s t ；m e c h a n i c a lr e s p o n s e ；f a t i g u el i f e i v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：罕各7 0 0 7 , 年多月孑日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 论文作者签名： 导师签名： 銎 l 冲覆譬 如口7 ，年月罗日 4 节年否月罗日 k 安大学硕学位论立 1 1 背景及意义 第一章概述 随着我国高速公路的发展，我国的公路施工技术以及路面质量已经有了很大的提 高，但是由于我国高速公路建设起步晚，施工经验少，施工水平参差不齐，在道路施工 中所遇到的问题越来越引起了道路专家的重视。特别是沥青路面的诸多病害都直接与道 路旆工质量相关，这些病害的产生严重影响了沥青路面的长期使用性能。在沥青路面施 工中，沥青混合料的离析一直是困扰道路施工者的一个难题当离析产生后，沥青混合 料的密度、空隙率分布不均匀，从而导致沥青混台料的性能受到影响，进而也会影响到 沥青路面的长期路用性能。 吉林至珲春高速公路( 简称吉珲高速公路) 包括江密峰至黄松甸段、敦化至延吉段 两段( 圈1 1 ) ，是国家“两纵两横”公路主干线同江至三亚公路长春至拜春支线的 重要路段，是国家及吉林省“十五”重点建设项目。该工程总投资4 08 亿元，全程2 2 3 公里，建成后，将使吉林省形成南联北拓、东开西延的交通局面，促进吉林省交通运输 事业和旅游事业的发展，开发图们江下游地区，同时也打开吉林省到日本海方向、俄罗 斯的通道，加强与其经济往来。这条路的建成对于振兴东北老工业基地也有着重要的意 义。 图11 吉林珲春高速公路示意图 第一章概述 吉珲高速处于吉林省东部，距黄海、日本海较近，气候湿润多雨；西部远离海洋而 接近干燥的蒙古高原，气候干燥，北部接近严寒带，自然区划为1 1 2 区；该地区为显著 的温带大陆性季风气候，并有明显的四季更替。在这个地区修筑高等级沥青路面，面对 很多季冻区特有的情况。该地区在冬季气温很低，达到一3 0 ，夏季正午气温很高也能 达到三十多摄氏度，而在春季又面临着冻融的严峻考验，所以该地区的沥青路面既要有 很好的低温抗裂性能，又要有很好的高温抗车辙性能以及抗水损害能力。 沥青混凝土路面的破坏形式主要有裂缝、车辙、松散、剥落等。沥青路面病害发生 的原因是多方面的，其中包括路面设计不合理、施工质量水平不高、养护管理不到位、 交通量大，重车多、超载现象严重、水对路面结构的破坏、气候的影响等原因。而其中 一个重要的原因就是施工质量存在问题。在施工方面，虽然在大多数高速公路沥青面层 已经使用了优质的材料，施工中使用了比较先进的施工机械，但是还是无法修建出高水 平的沥青混凝土路面。其主要原因是我国目前沥青混凝土路面施工技术总体水平偏低， 施工过程中还存在着以下问题：原材料质量和配合比控制不到位，混合料的拌和、摊铺 和碾压温度没有控制好，运输和摊铺过程中出现级配离析、温度离析，压实度不够，路 面的构造深度不均，沥青面层分幅摊铺时两幅接茬处未处理好等。而这些问题都会影响 到沥青路面的质量，是造成沥青路面结构性破坏的最主要因素。 路面的结构性破坏不仅使道路建设的初期投入得不到充分利用，大修的成本也十分 昂贵。纵观我国已建成的半刚性基层沥青路面，其实际寿命通常不到设计寿命的1 2 ， 更有些道路通车一到两年内便不能使用了，不得不大修或重建。以3 万公里的高速公路 估算，每公里4 车道的建造费平均为2 0 0 0 万元，耗资6 0 0 0 亿元，其寿命减少一半，提 早卜7 年便要大修或重建，保守计算平均每年要多花8 5 0 亿元【l 】。另外，大修需要较长 时间，十分不利于现代快速和大容量的交通发展，中断或影响交通造成的损失也很严重， 道路结构性维修时废弃的道路材料也会造成严重的环境污染。因而沥青路面使用寿命太 短直接造成道路建设巨大的浪费和对社会严重的影响。路面耐久性差、使用寿命短的问 题已成为阻碍我国道路建设发展的主要问题之一。 与我国相比，国外沥青路面的设计和使用寿命越来越长。继全厚式沥青混凝土路面 和高强度厚沥青路面之后又出现了永久性路面或者长寿命路面。长寿命路面的理念是所 设计的沥青路面能够使用4 卜5 0 年以上、采用较厚的沥青层的柔性路面，由于沥青层 相对较厚，传统的疲劳开裂可能性大大降低，路面的损坏主要位于面层的顶部( 2 5 一 l o o m m ) ，这样一旦路面表面损坏达到临界水平，只需将损坏的顶层洗刨修补或对面层 2 长安大学硕士学位论文 罩面处理，使得沥青路面在使用年限内不需要大的结构性重修或重建，并企图无限期的 使用下去。只维修表层的做法不仅降低了维修费用，而且减小了对交通运行的影响，大 大提高了总体效益。 吉珲高速采用的沥青层厚度达到了2 4 c m 之多，应该归为长寿命路面的范畴。所以 对于吉珲高速沥青路面长期路用性能的研究就显得尤为重要。本课题就是根据沥青路面 施工中最常遇到的离析问题，来分析其对于沥青路面长期路用性能的影响。分析结果对 于季冻区沥青路面的设计、施工都有着重要现实意义和指导作用。 1 2 国内外沥青路面长期性能研究现状 1 2 1 国外研究现状 国外有很多国家从上世纪八十年代起就开始了路面长期性能的研究，美国对于路面 长期性能的研究是最早也是最先进的。其中路面长期性能( l t p h ，0 n gt e r mp a v e m e n t p e r f o r m a n c e ) 研究作为一项持续2 0 年的公路研究项目，始于1 9 8 7 年的美国战略公路研 究计划( s h i 冲) ，在s h r p 结束后由美国联邦公路局( f h w a ) 负责继续进行。该计划 的内容可概括为：对采用不同设计方案和不同材料、处于不同环境条件和路基状况下、 经历不同荷载作用和养护维修措施的路面结构进行广泛深入的调查研究，回答与路面性 能相关的长期荷载影响、气候影响、材料变异性、施工操作、养护维修实践等基本问题， 为延长路面使用寿命提供技术支持。截止2 0 0 7 年，l t p p 已在北美地区建立了2 5 0 0 多 个试验观测路段，并得到了广泛的国际参与。s h r p 期间的l t p p 研究历时5 年左右。 l t p p 按干湿条件和冰冻程度将北美地区分为4 个大的气候区，即干一不冻区、湿一不 冻区、干一冻区和湿一冻区，确定了一般性路面研究( g p s ) 计划和特定性路面研究( s p s ) 计划，分别选定和修建了若干试验性路面观测段，并以此为依托开展l t p p 的各方面研 究工作【2 1 。 g p s 的方案和项目在s h r p 的5 年内已全部确定。g p s 所确定的观测路段均为处于 使用期内的现有路面，而不是为此研究专门修建的。由于所处地区不同，这些路段的设 计标准也不尽相同，但路面结构属于北美地区有代表性的型式。按照不同路面结构型式， g p s 划分为8 种类型【3 】【4 】( 表1 1 ) 。 第一章概述 表1 1 路面长期性能g p s 试验方案 编号试验方案 g p s 1 沥青混凝土路面( 粒料基层) g p s - 2沥青混凝土路面( 稳定类基层) g p s 3 有接缝的素混凝土路面 g p s _ 4 有接缝的钢筋混凝土路面 g p s 5 连续配筋混凝土路面 g p s 6沥青混凝土路面上设沥青混凝土加铺层 g p s 7 水泥混凝土路面上设沥青混凝土加铺层 g p s 8 水泥混凝土路面上设分离式水泥混凝土加铺层 g p s 和s p s 计划的每一试验方案都按所在州一地区中心一国家中心三级质量保体 系进行严格的论证和筛选，在实施过程还根据实际情况不断进行调整和修正。s p s 随 s h r p 开始，目前仍在进行中。区别于g p s 的是，该研究的试验方案是由l t p p 的参加单 位作为研究性项目专门修建的，在修建期间进行了大量有关材料特性和具体施工情况的 数据采集工作。s p s 按其特定的研究内容分类【3 】( 表1 2 ) 。 s h r p 还开展了路面材料特性、路面性能检测、信息管理系统开发、交通数据采集 和数据分析等方面的研究工作。但这些只是针对g p s 的，2 0 0 6 年f h w a 发起了材料性 能计划m a p ( m a t e r i a l sa c t i o np l a n ) 才填补的s p s 的材料数据。l 1 p p 收集的数据主要 是弯沉，车辙深度，f w d ，还有气候数据资料等。总之，美国对于路面长期性能的研究 是系统的，多方面的。加拿大在路面长期性能的研究方面与美国保持同步，可以说是直 接参与了美国的s h r p 计划。l t p p 项目把收集的数据进行分析评估，如评价现有设计 方法；改进路面维修策略和新建路面的设计过程；确定荷载、环境、材料特性及其变异 性、施工质量及养护水平对路面性能的影响；确定设计中的某些要点内容对路面性能的 影响。 除以美国为首的以大量试验段观测为基础的l t p p 协作项目外，一些国家还开展了 基于理论模型的路面长期性能研究工作。 4 长安大学硕士学位论文 表1 2 路面长期性能s p s 试验方案 编号名称考察内容 环境区划、路基土类型和交通量对不同结构组合( 包括结构层 s p 孓l 柔性路面的结构性因素 类型、厚度以及路面排水条件) 柔性路面的影响 环境区划、路基土类型和交通量对不同结构组合( 包括结构层 s p s - 2 刚性路面的结构性因素 类型、厚度、平面尺寸以及路面排水条件) 刚性路面的影响 柔性路面预防性养护措施环境区划、路基土类型、交通量、结构承载能力以及路面初始 s p s 3 的有效性状况对沥青混凝土路面预防性养护措施的影响 刚性路面预防性养护措施环境区划、路基土类型、基层类型和面层类型( 素混凝土或钢 s p s 一4 的有效性筋混凝土) 对有接缝水泥混凝土路面预防性养护措施的影响 环境区划、原路面状况和交通量对沥青混凝土路面不同加铺维 s p s 5 沥青混凝土路面的维修修措施( 包括不同表面处理方法、不同沥青加铺层类型) 和厚 度的影响 环境区划、面层类型( 有接缝或连续配筋) 、原路面状况和交 有接缝水泥混凝土路面的通量对水泥混凝土路面不同维修措施( 包括表面处理、破碎定 s p s - 6 维修位后加铺沥青混凝士以及做有限表面处理后填封接缝并加铺 沥青混凝土) 的影响 水泥混凝土路面上设结合环境区划、面层类型( 有接缝或连续配筋) 、原路面状况和交 s p s 一7 式水泥混凝土加铺层的结通量对水泥混凝土路面加铺维修措施( 包括不同表面处理方 构法、粘结剂类型和加铺层厚度) 的影响 非重交通情况下环境对路 环境区划和路基土类型( 冻敏土、膨胀土、细粒土和粗粒土) s p s 8 面的影响对不同结构组合的非重交通柔性路面和刚性路面的影响 s h r p 沥青标准和混合料 s h r p 沥青研究计划提出的路面沥青标准和混合料设计方法 s p s 9 设计方法的验证 ( 1 9 9 3 年) 的适用性 英国n o t t i n g h a l n 大学和c a m b r i d g e 大学的研究者通过开展路面动荷载模拟、路面结 构响应分析、材料破坏模型三部分研究工作，以简化的三层弹性体系为基础，建立了模 拟沥青路面长期性能的理论模型。模型的流程如图1 2 【5 】on o t t i n g h a m 大学的理论模型 的总体结构是合理的，指导思想也很明确，但理论分析本身还有待于进一步完善。 5 第一章概述 图1 2n o t t i n g h a m 模型流程 加拿大w a t e r l o o 大学为完善力学一经验设计方法，进行了路面使用性能的研究以 p c i 为路面性能评价指标，分别建立荷载、环境相关的路面性能模型。该模型的参数通 过长期路面监测数据检验进行标定，这种标定需循环进行直至路面性能预测取得满意的 结果。路面性能模型建立流程见图1 3 t 6 1 。 以上述模型为基础，引入路面寿命周期内的养护维修策略分析、可靠性设计概念和 经济分析，w a t e r l o o 大学的研究组最终提出了名为o p a c2 0 0 0 的路面设计、养护策略选 择工具，其运行流程见图1 4 【6 1 。 6 长安大学硕士学位论文 图1 3w a t e r l o o 路面性能模型 图1 4o p a c2 0 0 0 运行流程 7 1。；。i 第一章概述 1 2 2 国内研究现状 我国的路面长期性能研究尚处于起步阶段，1 9 9 7 年，西安公路交通大学( 现长安大 学) 与河南省交通厅合作，正式启动了“河南省高速公路路面长期性能 研究计划，第 一阶段研究工作于2 0 0 0 年完成【7 1 。我国的公路建设目前正处于高速发展的时期加快基础 设施建设、拉动内需的政策和西部大开发战略的实施，进一步促进了公路建设的蓬勃发 展遍及全国的大量公路工程项目的建设，特别是众多高等级公路的修筑实践，为路面长 期性能研究项目提供了前所未有的良好环境。 但是路面长期性能研究内容庞杂，研究周期较长需要大量的人力物力支持，特别是 资金投入，据统计，美国开展的l t p p 计划，仅对前5 年的研究工作投资预算已达5 1 亿美元，该项目在1 9 9 3 年后仍得到大量的资金支持【8 1 。在我国现有条件下，完全仿照国 外l t p p 的模式开展研究，其经费负担势必难以承受。鉴于我国的国情，路面长期性能 研究应扬长避短，走理论与实践相结合的途径，重视关于路面性能的理论研究工作，进 一步深入研究在长期交通荷载和环境因素等作用下路面材料与结构的工作特性以及路 面性能的变化规律，建立描述上述问题的分析模型、仿真模型和预测模型；结合研究的 关键内容和工程建设实际，修筑一定数量的试验路段；根据试验与观测结果，逐步修正 并完善理论模型，最终形成关于路面长期性能的系统理论和方法。 目前，由西部交通建设科技项目“高速公路沥青路面长期性能研究 正在进行中， 而高速公路沥青路面长期性能研究需要进行长期的试验和观测，所以这个项目研究可能 要持续1 5 到2 0 年。该项目的成果，对于如何保证高速公路沥青路面具有良好的长期性 能以减少养护费用，具有很大的意义。这个项目有三个任务，一是验证我国现有设计方 法和设计参数，看它们是否科学、有效；二是要确定高速公路沥青路面长期性能研究的 框架，找出影响路面长期性能的主要因素，并提出适合我国国情的研究试验方法。此外 还要进行高速公路寿命周期经济分析方法研究；三是要在我国修筑试验路进行长期观 测，根据美国经验，长期性能观测试验路的布局要根据气候条件来确定，并适当考虑交 通量的情况，所以要对试验路进行合理的布局规划【9 】。 我国对于路面长期性能的研究还有很长的路要走，而l t p p 这一道路工程界前所未 有的科技协作项目己扩展到全球范围。加入l t p p 的国际协作，不但可以吸收和借鉴其 它国家的先进技术和研究方法，还能够获得相当多的试验、观测数据可供分析和验证， 从而节省较多类似的工作和重复的投入。但应该看到，不同国家和地区在自然条件、气 候状况、技术水平等方面的情况不尽相同，研究内容也有不同侧重，完全照搬国外经验 长安大学硕士学位论文 和技术并不可行，必须针对我国具体情况，发挥特长和优势开展自主研究，同时有机地 结合国际交流与合作，才能有效地实现我国路面长期性能研究的目标。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本课题结合依托工程( 吉林一珲春高速公路) ，通过大量的室内室外试验以及理论 分析，旨在分析沥青混合料离析对季冻区沥青路面长期性能的影响。本文的主要研究内 容如下： 1 国内外沥青路面长期性能研究现状分析； 2 沥青路面长期路用性能的评价指标研究； 3 离析状态下沥青路面结构的力学响应计算分析： 4 季冻区典型沥青路面结构离析状态下长期路用性能预估； 5 离析对于沥青路面长期路用性能的影响研究； 6 基于加速加载试验的离析对于沥青路面长期性能的影响。 1 3 2 技术路线 1 研究现状与地区特点相结合 深入分析目前国内外沥青路面长期性能的评价指标，结合影响我国季冻区沥青路面 长期性能的主要因素，提出适合于我国沥青路面长期性能的评价指标。 2 模型建立及理论分析 应用有限元原理，建立不同离析状态对于沥青路面结构影响的分析模型，进而分析 对应状态下的沥青路面结构力学响应。 3 季冻区沥青路面典型结构长期性能预估 根据力学模型的分析，再结合工程实际提出季冻区沥青路面长期性能的预估模型。 并利用预估模型求解离析对季冻区典型沥青路面结构的长期性能的影响规律。 4 进行室内试验分析 在室内对不同离析状态的沥青混合料进行相关的长期性能试验研究，通过实验分析 离析对于路面性能的影响，同时验证理论研究的正确性。 5 小型加速加载设备用于研究离析对沥青路面性能的影响 利用南非制造的小型加速加载设备进一步验证离析对于沥青路面长期性能的影响 9 第一章概述 规律。 根据理论分析和试验研究，揭示离析对于季冻区沥青路面长期性能的影响规律，为 沥青路面长期性能的研究提供一定的理论及试验依据。技术路线如图1 5 所示。 国外长期性能研究 现状 沥青路面长期性能 的影响因素 综合分析 季冻区沥青路面的 特点 评价季冻区沥青路面长期性能的指标 实体工程路面结构 离析模型的建立 力 学 响 应 分 析 实体工程路面结构长 期性能预估模型 离析对长期性能影响 的室内普通试验验证 高离 温析 琵 疲离 劳析 性对 能沥 鏊翼 料 低离 温析 性对 能沥 鏊耋 料 理论、室内常规实 验、加速加载试验 基于加速加载试验 的长期性能研究 混离 合析 料程 的度 影对 响于 路 面 层 离析对于季冻区沥青路面长期性能的影响规律 图1 5 课题技术路线图 l o 面荷 层载 混加 合载 静 路 长安大学硕士学位论文 第二章沥青路面长期路用性能评价 2 1 国内外沥青路面长期路用性能评价指标研究 路面使用性能是指路面为保障车辆正常行驶所应具有的品质和能力。使路面在一个 较长时间内具有较高的使用性能，是道路设计、施工及养护工作的最终目的所在。因此， 这些年来，对于路面长期使用性能的研究成为了国际道路工程界普遍重视的一项基础性 研究。 2 1 1 国外评价指标研究 路面使用性能是个覆盖面很宽的技术术语，泛指路面的各种技术行为。1 9 6 2 年， c a r a y 和i r i c k 首次提出了使用性能( p e r f o r m a n c e ) 的概念，给出了路面使用性能的经 典定义，即“路面服务能力的演变过程 ，按此定义提出了p s i 这一使用性能指标。在 很长的时间里，路面的使用性能就是指路面的服务能力。但自从1 9 8 7 年美国将“基于 性能 作为s h r p 的主要研究思想以来，路面性能的覆盖范围被不断扩大，包含了路面 行驶质量、损坏状况、结构的力学反映、行驶安全性以及路面材料的疲劳、变形、开裂、 老化特性等各方面的含义，成为了一个泛指路面和材料各种技术行为的术语。为了规范 路面使用性能的技术含义，p a t e r s o nw d 0 1 0 】给出了使用性能的新定义，即“路面为 道路使用者提供的服务的变化趋势 ，该定义包括了路面为道路使用者提供的不同侧面 的服务。从道路使用者的角度说，希望路面拥有的性能如下： 可接受的行驶舒适性； 高质量的车辆运营条件，以最大限度地降低车辆损坏的风险； 行车安全； 最小的环境影响。 影响路面使用性能的直接路面特性是路面平整度、车辙、摩擦系数、泥土的崩射 喷射损伤、路面反射特性以及交通噪声等。从实质来说，路面使用性能只是路面特性的 外在反映，造成路面使用性能变化的原因则在于路面结构( 和材料) 的物理特性和力学 特性在外界因素( 荷载、环境) 下的交互作用，其包括如下几个方面： 路面损坏( 裂缝，松散，坑槽，构造深度变化等) ； 路面变形( 车辙，平整度等) ； 材料特性( 材料模量和劲度，材料强度等) ； 第二章沥青路面长期路用性能评价指标 力学特性( 弯沉，应力，应变等) 。 美国的l t p p ( l o n gt e r mp a v e m e n tp e r f o r m a n c e ) 项目就是专门研究路面的长期性能， 做为s h r p 的一个子项，l t p p 研究计划对目前的路面技术进行了全面客观的了解和评价， 研究提出能够解释路面使用性能变化过程的模型，弄清不同的设计特点、不同的交通、 不同的环境、不同的材料，不同的施工质量和不同的养护水平对路面性能的影响。 而l t p p 收集的路面性能数据主要是弯沉、车辙深度、f w d 这几项指标。随着路面长 期性能观测与分析工作的进行，产生大量的数据信息。为了充分利用这些数据和信息， s h r p 建立了国家路面性能数据库( n p p d b ) 提高到重要的战略高度，以满足l t p p 计划的 需要，实现l t p p 的目标。 n p p d b 存贮的数据包括路段概况、材料特性、纵断面、弯沉、横断面、路面破损、 表面摩擦、养护历史、维修历史、气候、交通等各方面内容。为建立n p p d b ，s h r p - l t p p 开发了信息管理系统( i m s ) ，包括一个中央系统和四个地区系统。i m s 的一个重要作用 是对收入并存贮在n p p d 中的数据的精度和正确性进行检验和校核【4 】。下面是l t p p m s 的各部分之间及与外部系统之间的关系如图2 1 所示。 图2 1l t p p i m s 协作关系图 在s h r p 期间，利用已获得的n p p d b 数据，对数据进行了初步的分析工作。这些工 1 2 长安大学硕士学位论文 作实行合同制，针对l t p p 的各方面目标开展，如：评价现有设计方法；改进路面维修 策略和新建路面的设计过程；确定荷载、环境、材料特性及其变异性、施工质量及养护 水平对路面性能的影响；确定设计中的某些要点内容对路面性能的影响。 f h w a 接管后修订了数据分析计划，新计划分4 个阶段进行：数据的初步分析； 条件性输入和可控因素的调查；开发详细的性能预测模型：进行开发全面的性能预 测和策略选择工具【1 1 l 。 综上所述，国外长期性能评价指标是全方位，多体系的，经过二十多年的跟踪观测、 数据收集以及试验，能够全面系统的评价道路在使用期内各个阶段的质量以及预测路面 的使用性能等。美国在长期性能方面的研究尤其是长期性能评价指标的确定方面是以实 际工程为基础，具有很强的说服力。美国在长期性能方面的研究对其他国家有着很好的 借鉴作用。 2 1 2 国内评价指标研究 路面的长期使用性能指标要反映路面在较长的使用期以至整个寿命期内的使用性 能变化情况，因此这种指标应起到以下两个方面的作用： 反映路面性能在长期使用过程中的变化； 反映导致路面性能变化的外界和路面自身因素的影响作用。 我国的长期使用性能指标有其特殊性，根据中国目前沥青路面的设计规范，路面设 计采用设计弯沉值作为路面整体刚度的设计指标，并对沥青混凝土和半刚性基层进行层 底弯拉应力验算1 2 】。路面弯沉不仅能够反映路面各结构层及土基的整体强度和刚度，而 且与路面的使用状态存在一定联系。 对于路面使用性能，在中国公路养护技术规范中，采用了破损、强度、平整度 和抗滑四项指标。一般认为，弯沉作为表征路面结构强度的指标，与其他路面使用性能 指标存在一定的联系，但通过对国内众多半刚性基层沥青路面，特别是高速公路的路面 调查发现，单纯以弯沉作为路面长期使用性能指标，存在着以下一些问题： 弯沉作为一个反映路基路面整体强度和刚度的指标，虽然与路面的使用性能具有一 定的联系却不能在路面力学行为和路面使用性能之间建立明确的联系。从对一些路面的 长期观测情况来看，许多路面的弯沉在较长的使用期限内并未出现明显的变化，但实际 路面使用性能却已经出现了明显的变化，比如出现了明显的裂缝、车辙等病害。下图2 2 、 2 3 、2 4 为五条路的弯沉、开裂率、车辙的逐年对应关系图【1 3 】。 1 3 第二章沥青路面长期路用性能评价指标 图2 2 逐年弯沉变化图 图2 3 逐年开裂率变化图 图2 4 逐年车辙值变化图 因此以弯沉作为设计指标的路面设计方法，在对于路面使用寿命的预测上只能采用 经验法而无法使用力学分析法来进行预测。对于路面长期使用性能研究来说，预测路面 的使用寿命或其在一个较长时期内的使用性能变化情况，是其核心的内容。而单以弯沉 这一指标显然难以达到此目的。 1 4 长安大学硕士学位论文 具有相同代表弯沉值的两个路面结构，可能由于结构层次的组合或所选用材料的不 同，使其内部各结构层处于不同的受力状态，导致路面出现不同的破坏特征，具有不同 的使用寿命。在中国广泛使用半刚性基层的情况下，路面结构的强度或承载力均可以满 足要求，以至于在不同路基条件、不同自然环境下，如果采用相同或比较接近的半刚性 基层时，路面的设计弯沉有可能相同或非常接近，这不利于路面结构组合的优化，也不 能反映各地区不同自然环境条件对于路面结构的影响f 1 4 】。 从国内外研究情况来看，能够在路面力学行为和路面使用性能间建立关系的指标是 疲劳和车辙前者反映了路面结构在车辆荷载的重复作用下所产生的结构损坏，既反映了 路面的损坏状况，又与路面结构层受力状态密切相关：后者则是反映了沥青路面在环境 和荷载共同作用下所产生的永久变形，在半刚性基层沥青路面中，突出反映了沥青面层 的粘塑性”】【1 6 】。因此在许多力学一经验设计方法中，这两个指标都被选为设计指标。 2 2 季冻区沥青路面长期路用性能的主要影响因素 随着公路交通量日益增长，汽车轴重不断增大，汽车对路面的破坏作用变得越来越 明显。路面使用期间，在气温环境影响下经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变 交替变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数后，在荷载 作用下路面产生的应力将会超过强度下降后的结构抗力，使路面出现裂纹，产生疲劳断 裂破坏。除了荷载因素外，材料性质与种类、环境变量等都是影响沥青路面长期性能的 因素。尤其是在季冻区，沥青路面经受的荷载、材料、环境的变化更为复杂。充分了解 沥青路面长期性能的影响因素，有助于我们更好的改善沥青路面的性能。 2 2 1 荷载因素 1 荷载次数 国内外现行的沥青路面设计规范都是以汽车的当量轴次进行设计的，即路面在使用 年限内的交通量。沥青路面在汽车荷载的重复作用下其使用性能必然会有所变化。这就 要求我们研究荷载作用次数是如何影响沥青路面的使用性能的。 室内试验表明，材料的疲劳寿命可按不同的荷载条件测定，一种是控制应力模式， 一种是控制应变模式。在控制应力加载模式中，由于材料劲度随着加载次数的增加而逐 渐减小，因而为了要保持各次加载时的常量应力不变，每次加载实际作用于试件的变形 就要增加；而在控制应变加载模式中，为了要保持每次加载的常量应变，每次加载作用 第二章沥青路面长期路用性能评价指标 于试件的实际应力则减小。 因此，采用不同的加载模式作用于试件的实际受荷状况是不同的。对于相同的沥青 混合料，试件在承受简单荷载或是复合荷载的情况下所表现出来的疲劳反映是不同的。 试件在承受简单荷载的情况下，在初始应力和应变相同的条件下，采用两