（材料学专业论文）沥青路面改建结构设计与复合式冷再生技术研究.pdf

i i l ll l ii i l li l l li ii l l i 、t17 3 0 3 8 0 s t u d yo na s p h a l tp a v e m e n tr e c o n s t r u c t i o ns t r u c t u r e s d e s i g na n da p p l i c a t i o no fc o m p o u n d c o l dr e c y c l i n g t e c h n o l o g y ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：z h a n gm i n g c h e n g s u p e r v i s o r ：p r o f s h e na i q i n c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 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：舌长名莜年月 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。 铷酶铲雩 年月日 年月日 摘要 沥青路面是我国高等级公路路面结构的主要形式之一。但是随着交通量的不断增 加，特别是超载车辆的长期运营，使得相当一部分高速公路路面因不堪重负而发生早期 损坏，亟需进行大规模的沥青路面翻修、改建。 本研究以山西运风路改建工程为依托，首先通过路况调查分析了旧路面结构主要破 坏模式及原因，进一步对路面破坏状态进行评价，初步确定了路面改建方案。其次，鉴 于山西运风路超载现象严重，开展了超载对路面结构行为的影响研究。借助有限元软件 a n s y s ，应用弹塑性理论对重载沥青路面结构进行数值分析，计算分析了改建沥青路面 关键力学响应规律，并探讨了路面结构力学响应随加铺层厚度及模量变化的趋势。最后， 基于节约资源和保护环境的理念，研究提出了厂拌复合式冷再生成套技术，并成功用于 运风路改建工程。对影响冷再生混合料力学性能的主要因素：面层和基层旧料掺配比例、 结合料掺量和种类、温度以及龄期等进行了试验研究，分析了混合料抗压强度、劈裂强 度和回弹模量三者之间的相关关系，同时还对复合式冷再生混合料的冻融性能进行了试 验研究。 基于以上室内试验研究，成功铺筑了实体工程，并就再生旧料的施工工艺和质量检 测进行了研究。课题研究成果不仅对路面结构设计、公路养护维修具有指导意义，而且 可供沥青路面改造设计所借鉴。 关键词：旧路改建，破坏状态评价，超载，路面结构力学响应，复合式冷再生，力学性能，影 响因素，施工工艺 b e t w e e nt h ec o m p r e s s i v es t r e n 舀h ，t h ec l e a v a g es t r e n g t ha n dc o m p r e s s i v er e s i l i e n c em o d u l u s ，s t u d i e dt h e f r e e z e - t h a wp e r f o r m a n c eo fm i x t u r e b a s e do nt h ea b o v ee x p e r i m e n t a ls t u d y , at e s tr o a dh a sb e e np a v e ds u c c e s s f u l l y , a n do nt h e r e g e n e r a t i o no ft h eo l dm a t e r i a lo fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dq u a l i t yc o n t r o lw e r es t u d i e d t h er e s e a r c h r e s u l t sn o to n l yo nt h ep a v e m e n td e s i g n ，r o a dm a i n t e n a n c ew i t ht h eg u i d a n c e ，a n df o rt h ed e s i g no fa s p h a l t p a v e m e n tr e c o n s t r u c t i o nr e f e r e n c e k e yw o r d s ：r 0 a dr e c o n s t r u c t i o n ；d e s t r o yc o n d i t i o ne v a l u a t i o n ；h e a v y - l o a d ；m e c h a n i c a lr e s p o n s e s ； c o m p o u n dc o l dr e c y c l i n gm i x ；m e c h a n i c a lp e r f o r m a n c e ；i n f l u e n c i n gf a c t o r s ；c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y i i 目录 第一章概述l 1 1 背景及研究意义l 1 2 国内外研究概况。l 1 2 1 国外研究现状1 1 2 2 国内研究现状。2 1 3 研究内容及技术路线4 1 3 1 研究内容。4 1 3 2 技术路线4 第二章半刚性基层沥青路面破坏状态与评价6 2 1 旧路路况调查。6 2 2 旧路路面破坏状态和评价指标分析6 2 2 1 旧路路面病害分类6 2 2 2 旧路路面破损状态分析。1 3 2 2 3 旧路路面破坏评价指标研究2 0 2 2 4 旧路强度检测与损坏状况评价一2 l 2 2 5 运风路破坏处理对策。2 2 2 3 本章小结2 3 第三章旧路改造结构设计及力学验算2 4 3 1 总体结构改造方案拟定2 4 3 2 拟定方案力学验算2 6 3 2 1 基本假设一2 6 3 2 2 材料参数选择2 6 3 2 3 计算结果2 8 3 - 3 拟定方案比选3 0 3 3 1 方案综合评价与对比31 3 3 2 方案推荐。3 5 3 4 本章小结3 5 第四章有限元分析超载对改建后路面结构力学响应的影响3 7 4 1 有限元法和a n s y s 简介3 7 4 1 1 有限元法基本原理3 8 4 1 2a n s y s 分析过程与步骤3 8 4 2 路面结构三维有限元计算分析3 9 4 2 1 有限元模型建立3 9 4 2 2 结构计算方案及材料参数4 0 4 2 3 弯沉4 l 4 2 4 沥青面层层底应力4 4 4 2 5 剪应力。4 8 4 2 6 路基顶面压应变5 1 4 2 7 沥青面层竖向压应力5 3 4 3 本章小结5 5 第五章半刚性基层沥青路面复合式冷再生技术研究5 7 5 1 复合式冷再生技术一5 7 5 1 1 技术特点5 7 5 1 2 强度形成机理5 8 5 2 无机结合料稳定再生料力学性能试验研究5 8 5 2 1 原材料组成分析5 8 5 2 2 试验方案设计6 l 5 3 复合式冷再生混合料力学性能影响因素研究6 3 5 3 1 水泥掺量、种类的影响6 3 5 3 2 旧料掺量的影响。6 4 5 3 3 石灰、粉煤灰的影响6 4 5 3 4 力学性能相关关系的影响6 5 5 3 5 龄期的影响6 6 5 3 6 温度的影响。6 7 5 3 7 冻融的影响7 1 5 4 本章小结7 l 第六章厂拌复合式冷再生施工工艺及实体工程7 3 6 1 实体工程概况7 3 6 1 1 旧路路面结构7 3 6 1 2 交通量及路况调查7 3 6 2 原材料及配合比设计7 3 6 2 1 沥青混凝土面层组成设计7 3 6 2 2 厂拌水泥稳定再生基层组成设计7 6 6 3 厂拌复合式冷再生基层施工工艺7 7 6 3 1 施工前准备工作7 8 6 3 2 施工工艺7 9 6 4 实体工程检测与分析8 l 6 4 1 厂拌复合式冷再生基层施工检测8 1 6 4 2 实体工程工后检测8 1 6 5 本章小结8 3 第七章结论与建议8 4 7 1 主要结论8 4 7 2 进一步研究建议8 6 参考文献。8 7 攻读硕士学位期间发表的论文及主要科研实践8 9 至炙谢。9 0 i v 长安人学硕上学位论文 1 1 背景及研究意义 第一章概述 运城至风陵渡高速公路属于山西省的交通干线，是山西省“三纵八横公路网主 骨架中纵主干线的重要路段，全长9 0 1 5 公里，是南出山西的重要通道，在晋中、晋 南的交通经济中占有举足轻重的地位。该路对沟通山西省南北交通、缓解运城市区交 通压力、促进全省经济发展和社会进步发挥着重要作用。近几年，该路交通量不断骤 增，据调查，运风路交通量年平均增长率已经达到6 3 7 ，此外，重车比例不断增大， 加之超载及自然因素的作用，路面使用性能严重下降，全线路面出现了龟裂、坑槽、 横向裂缝、纵向裂缝、唧浆、车辙、波浪及水泥混凝土路面的断板等不同形式及程度的 病害，严重影响了该路的服务能力，已不能适应社会、经济发展的需求，急需进行维修 改造【l 】。在现场路况调查的基础上，分析其主要破坏模式和原因，并对破坏状态和评 价指标进行研究，从而确定合理的旧路改建方案。路面改建设计还应遵循因地制宜、 合理选材、方便施工、利于养护、节约投资、尽量利用原有路基强度和旧路铣刨材料 的原则。为了确保旧路改建后具有更好的使用性能，使旧路维修改造工作科学、有序 地进行，以运城至风陵渡高速公路改建工程为依托，对改建过程中的加铺、再生等设 计、施工关键技术进行系统研究具有重要意义。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究现状 国外较早就开始修建改造高速公路，对于高速公路的改造升级有了比较完备的认 识，随着技术的进步和对于环境的重视，国外高速公路改造也由过去简单的考虑交通功 能满足的思维模式转变为考虑交通、生态、环境、经济、技术、社会影响等综合效益的 改建模式。 美国在高速公路建设上取得的成就是有目共睹的，在二战以后，因国防要求，美国 开始在国内大规模的建设高速公路，到6 0 年代中期，美国的高速公路网基本成型。随 着经济的发展，交通量的不断增加，7 0 年代中期以后至8 0 年代中期，美国面临了一轮 大规模的高速公路改造。 在初期建立的路面养护维修管理系统的基础上，重点对以下方面的问题开展了深入 第一章概述 研究： ( 1 ) 完善路面状况和使用工况数据库信息，具体数据包括以下内容【2 】： 原道路路面特性，包括各层路面的设计和施工数据，以及翻修、重建、补强后 的路面特性，诸如道路材料、几何参数、路面结构和各层厚度、所用材料的物理力学性 能等； 路面使用性能数据，包括平整度、路面损坏状况、承载能力和抗滑能力等； 路面使用工况数据，包括交通流量、载荷特征、交通量增长率等交通数据和温 度、晴雨等天气数据； 路面服务能力评价基础数据。 ( 2 ) 路况参数调查和使用性能检测的方法与手段 过去常用的目测法来调查路面的损坏状况和使用手持仪器来测量路面使用性能，这 样做不仅十分费工费时，而且数据的人为主观误差比较大，另外这些仪器受自然环境影 响较大。经过多年的研究工作，路况检测手段已经取得了很大的进步，如研制出弯沉仪、 摩擦系数仪等路面性能自动测试设备，另外还有交通量测试系统、轴载自动称重等设备。 ( 3 ) 路面使用性能检测模型和费用一效益评估、决策模型的建立 ( 4 ) 对改扩建道路材料的利用研究 国外特别重视对道路资源的再生利用研究，在道路的改扩建工程和路面重铺的工程 中，应用废旧沥青、砂石回收工艺，经再生处理后重铺路面。 ( 5 ) 改扩建机械的研制 由于道路的改扩建工程首先碰到的问题是对原有路面结构的处理，因此需要一些与 常规道路修筑不同的机械设备。为提高道路改扩建工程的效率，国外研制了相应的成套 专用施工设备。如为适应沥青路面冷再生工艺的冷再生机，即将路面粘结层通过冷铣刨 机使材料铣刨松散，通过添加粘结料后形成新的混合料用来铺筑坚固的基层或底基层， 典型的设备产品由德国的维特根、意大利的玛莲尼等公司生产。沥青热再生机、热再生 设备用于沥青路面的重铺工程，主要用于维修表面层，世界上生产热再生机的厂家主要 有美国热动力公司和德国的维特根公司。 1 2 2 国内研究现状 我国在高速公路改建方面还处于摸索和理论形成阶段，沈大和沪宁等高速公路的改 扩建实践，积累了许多经验和教i ) l l ，攻克了很多技术难题，不断取得突破和创新，而对 2 长安人学硕士学位论文 一些待改建的高速公路课题的研究，使得高速公路改建变得更加经济、科学和适用。国 内由于高速公路起步较晚，而高速公路改建只是近几年的事情，且开始的高速公路改建 都限于路面的加铺等项目，扩建内容很少，主要研究仅限于最近两年为数不多的几个项 目。 根据我国当前的公路现状结构，如2 0 0 1 年的1 4 3 8 万k m 中有近半数为二级以下公 路，目前旧路的改扩建仍然是提高道路等级、改变道路行车条件的一个重要手段，尤其 是一些早期修建的沥青类路面，改扩建方案比新建路线方案有着更高的经济价值。 近2 0 年以来，我国道路的养护与维修水平已经有了很大的提高，如日常养护已经 基本上实现了以机械养护为主，而且在养护新材料、新技术和新工艺方面取得了长足的 发展。1 9 8 5 年，我国首先在辽宁基地移植了英国的沥青路面管理系统，在理论上已接近 发达国家的水平。该系统的使用使道路的养护质量有了明显的提高，但在数据采集手段、 成套机械化设备和投资上还有一定的不足。受目前公路建设中存在的重建设( 新建道路) 而轻养护维修思想的影响，道路的改扩建工作无论是在系统的管理方面，还是在技术水 平、新材料、新工艺和机械化施工方面还都有待于提高和完善。具体表现在以下方面【2 】： ( 1 ) 旧路改扩建技术标准问题 道路的改扩建工程，一般情况下是对旧路技术等级的改造。但提高等级与充分利用 原有道路是相互矛盾的。由于我国原有道路的修建方式多种多样，其标准与情况也不尽 相同，因此如何对原有道路按照技术标准进行勘测，在标准和规范上与新建道路是否应 该有所差异，如何处理工程量与技术经济指标之间的关系，都是值得研究的问题。 ( 2 ) 旧路面材料的再生利用问题 目前我国部分地区开始引进相应的再生设备，并已经初步用于工程实践。由于我国 的沥青路面结构与国外的沥青结构有着较大的区别，所以在引进国外冷再生技术与设备 的同时，还需要针对其进行适用性、设计与检测标准等方面的研究。 ( 3 ) 旧路改扩建中的桥涵利用问题 旧桥的利用，首先是收集旧桥的有关资料，如进行现场勘查，了解桥梁的使用状况， 在完成较为详细调查和检测工作的基础上，研究拟定旧桥利用的设计方案。 ( 4 ) 改扩建工程中旧路处理的技术问题 对于没有拓宽的路面，由于不中断交通，施工组织上必须半幅施工，即先进行半幅 路面施工，而另半幅保持放行交通。如此的施工方法会在基层上留下施工缝。对于有拓 宽的道路改扩建工程，原道路部分一般补强，此时单侧或双侧加宽部分与原道路交界处 第一章概述 的处理也是非常关键的，一般经过一段时间的行车后，会产生不均匀沉降致使在交界处 沿行车方向形成纵缝。 ( 5 ) 旧路改扩建工程的施工组织问题 道路的改扩建工程一般是对旧路进行道路等级提高的改造，一般情况下需在施工过 程中维持车辆的通行，即不中断交通条件下进行施工。因此在旧路改扩建中，为保证工 程质量、工程进度和避免交通阻塞，改扩建工程的施工组织是非常重要的。 1 3 研究内容及技术路线 1 3 1 研究内容 本研究在检索国内外相关研究的基础上，以山西运风路为依托，通过现场路况调查， 分析旧路路面的主要破坏模式和原因，对旧路破坏状态、评价指标等进行了研究。通过 室内外试验和力学分析，对旧路改建结构方案设计、旧路再生利用技术等高等级公路改 建关键技术进行了系统研究，主要研究内容有： ( 1 ) 调查、分析运风地区沥青路面结构类型、材料组成设计与施工技术水平； ( 2 ) 查阅国内外沥青路面设计理论及方法，分析国内外沥青路面改建技术现状； ( 3 ) 半刚性基层沥青路面的破坏状态和评价指标研究； ( 4 ) 旧路改造路面结构拟定及力学验算； ( 5 ) 有限元分析超重载对旧路改造路面结构力学响应的影响； ( 6 ) 半刚性基层沥青路面复合式冷再生技术研究； ( 7 ) 实体工程研究。 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旧路改造技术研究现状，结合影响我国沥青路面的主 要破坏模式和原因，提出适合于我国沥青路面破坏状态的评价指标。 2 结构方案拟定及应力验算 推荐多种路面改造结构方案，并进行力学响应计算，借鉴国外长寿命路面设计理念， 进一步对路面结构方案比选，从受力、经济、施工工艺等角度进行综合分析，详细对比 各方案的优劣程度，结合旧路的实际情况综合考虑分析以做出判断。 3 模型建立及理论分析 应用有限元原理，建立不同轴载对于沥青路面结构影响的分析模型，进而分析对应 4 长安大学硕上学位论文 状态下的沥青路面结构力学响应。 4 进行室内试验分析 在室内对不同复合式冷再生混合料进行相关的力学性能试验研究，并且进一步分析 再生料力学性能的影响因素及其影响规律，同时验证再生料用于高等级道路改建的可行 性。技术路线如图1 1 所示。 图1 1 课题技术路线图 第二章半刚性基层沥青路面破坏状态与评价 第二章半刚性基层沥青路面破坏状态与评价 2 1 旧路路况调查 运风旧路起点 - - k 8 4 + 7 3 5 为沥青路面，k 8 4 + 7 3 5 - 终点以水泥混凝土路面为主，经 过多年的运营之后，路面使用性能严重下降。由前期调查资料可知：k 1 9 + 0 0 0 - - k 4 8 + 0 0 0 段路面破坏最为严重，主要以坑槽、网裂为主。有些路段行车道、超车道出现大面积的 坑槽，导致车辆绕行到硬路肩上，硬路肩也开始出现坑槽；k 5 1 + 0 0 0 - - k 6 5 + 0 0 0 整体较 好，局部出现严重网裂、坑槽、唧浆、车辙等病害；k 5 6 + 9 4 0 k 6 1 + 1 0 0 由于路基黄土 湿陷路面两个方向行车道出现连续纵缝，缝宽1 - - - 2 c m ，行车道严重车辙，车辙深度达 5 0 m m 左右；k 6 5 + 0 0 0 - - k 7 5 + 0 0 0 路线位于山区，大部分路面出现严重龟裂、坑槽等病 害，运风管理处在k 8 2 + 7 0 0 - - k 8 4 + 7 0 0 加铺5 c m 聚丙烯沥青面层，以提高行车安全性和 行车舒适性；k 8 5 + 0 0 0 - k 9 1 + 0 0 0 为水泥混凝土路面，共5 6 块混凝土面板断板，其中 k 8 8 + 0 0 0 处于地基黄土湿陷下沉，行车道下沉导致面板拉裂现象较为严重。 此外，调查发现，路床平均稠度、土基回弹模量低，大部分处于潮湿路段，对路面 结构受力极为不利。调查时根据路面破坏状况，将路面损坏情况划分为以下三类：路 基路面整体较好；局部破坏严重，龟裂、坑槽较多；路面破坏相当严重，坑槽、网 裂、车辙等破坏严重。 2 21 日路路面破坏状态和评价指标分析 2 2 1 旧路路面病害分类 从旧路现场调查资料可知，全线路面出现了龟裂、坑槽、横向裂缝、纵向裂缝、 唧浆、车辙、波浪及水泥混凝土路面的断板等不同形式及程度的病害，归纳起来沥青路 面损坏的类型主要分为：裂缝类损坏：包括横向裂缝、纵向裂缝、网状裂缝等；变 形类损坏：包括车辙、沉陷、拥包、波浪等；水损坏：包括松散、剥落、脱皮等引起 的集料散失、坑槽等；其他损坏：包括泛油、磨光、离析等0 3 1 。破坏程度可分为轻微、 中度、严重三种情况。最常见的损坏类型主要还是裂缝、车辙、坑槽、松散等。 1 裂缝 裂缝是高等级沥青路面最主要的破损形式，按其成因不同分为横向裂缝、纵向裂缝 和网状裂缝三种类型【4 l 。 ( 1 ) 横向裂缝 6 长安大学硕士学位论文 横向裂缝是指垂直于行车方向的裂缝，包括温缩裂缝及半刚性基层沥青路面的反射 裂缝【5 】；按其成因可分为荷载型裂缝与非荷载型裂缝两大类6 1 。 1 ) 荷载型裂缝 荷载型裂缝是路面强度不足以承担车辆严重超载引起的疲劳所产生的。首先在路面 底面产生，逐渐向上扩展至表面。由车辆荷载引起的裂缝反映在面层上，往往不是单独、 稀疏的或较有规则的裂缝，而是稠密的，不时互相联系的网状裂缝。荷载型裂缝包括： 疲劳裂缝：在行车荷载反复作用下，沥青面层和半刚性基层等整体性材料逐渐失 去承载能力而产生疲劳破坏。对于渠化交通比较明显的道路，一开始是沿轮迹带出现单 条或多条不规则的小裂缝，而后会在裂缝间出现横向和斜向的连接缝，形成裂缝网【_ 7 1 。 边缘裂缝：靠路肩边缘由于冻胀、基层或路基的承载力不足引起的纵向局部性开 裂，一般长3 0 - - 6 0 c m ，对于没有或仅有部分路肩的路面尤为严重。 滑移裂缝：由于车辆频繁制动或转弯造成的路面滑移或变形，通常发生在拐弯路 段和旧路加铺层上，因为下卧层与新加铺层之间粘结不足或粘结力差。 2 ) 非荷载型裂缝 非荷载裂缝的形成原因很多，有温缩裂缝、反射性裂缝、不均匀沉降裂缝、冻涨裂 缝、施工裂缝( 接缝) 等，其中主要是温缩裂缝和半刚性基层开裂引起的反射裂缝1 8 】。 温缩裂缝：沥青面层缩裂多发生在冬季气温较低地区或易发生温度突变地区，当 沥青面层的平均温度低于其断裂温度时，或者在降温过程中沥青面层所产生的温度应力 超过其在该温度时的抗拉强度时，沥青面层即发生开裂。 反射裂缝：基层反射裂缝是指半刚性基层先于沥青面层开裂，在荷载应力与温度 应力的共同作用下，在基层开裂处的面层底部产生应力集中而导致面层底部开裂，尔后 逐渐向上或向下扩展而使裂缝贯穿面层。如图2 1 所示。 ( 2 ) 纵向裂缝 图2 1 运砜k 7 8 + 7 1 0 段1 2 2 5 c m 龟裂，贯通横缝 7 图2 47 。2 0 c m 大面积严重龟裂 图2 5 运风k 5 4 + 9 6 5 处7 - 2 4 c m 严重龟裂 2 变形 沥青路面变形通常与交通荷载和材料缺陷有关，其次与施工缺陷和气候条件有关， 通常由交通因素和h m a 缺乏稳定性共同引起的。引起后者的原因有沥青用量太大，沥青 太软，细集料和圆形天然砂含量过高，或粗集料太光滑及压实度不够。变形的种类有： ( 1 ) 车辙 8 长安大学硕士学位论文 车辙是渠化交通引起的沥青路面损坏类型之一。当车辙达到一定深度时，由于车槽 内积水，极易发生汽车漂滑而导致交通事故。车辙的影响因素包括气温和路面温度、汽 车荷载轴载大小、长大纵坡以及沥青混合料自身沥青含量等。美国2 0 0 2 年a a s h t o 设 计指南把沥青的车辙归结为3 个影响因素，即沥青层、基层、路床变形的叠加： p d t o a l = p d a c + p d g a + p d s g式( 2 1 ) 式中：a 卜沥青层；g 卜基层；s g 一路床 通常沥青路面车辙主要有磨损性车辙、结构性车辙和失稳性车辙【5 1 三种类型。 1 ) 磨损性车辙 磨损性车辙是由于道路面层材料的不断磨损引起的。通常是由于劣质的沥青、施工 时压实不足或者使用带钉轮胎等原因造成。磨损性车辙两侧路面不会出现拥包，车辙表 面构造有些松散且车辙宽度相当窄。这种车辙在北欧国家比较常见，但在我国几乎没有。 2 ) 结构性车辙 结构性车辙是由于荷载传播扩散后仍超过路面各层的强度，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。很多结构性车辙发生在路基上，尤其当路面厚度不 足以充分分散交通荷载时。结构性车辙的横断面宽度通常相当宽，车辙呈碗形，最大变 形发生在车辙正中心或接近中心处，且车辙两侧无明显拥包。 3 ) 失稳性车辙 失稳性车辙是在温度较高的季节，经车辆反复碾压下产生永久变形和塑性流动而形 成的沥青混凝土的侧向流动变形。这种车辙主要是行车轨迹区域下面的一层或多层 h m a 被剪切移动的结果。h m a 向下移动，横向转移，然后在行车轨迹两侧向上拥包。 失稳性车辙通常伴随着车辙两侧拥包，车辙呈w 形。它容易发生在上坡路段、交叉口 附近，即车速慢、轮胎接地产生的横向应力大的地方。车辙状况如图2 6 和2 7 。 图2 6 运讽k 1 6 + 4 9 8 行车道车辙 ( 2 ) 波浪 图2 7 风 运1 0 9 + 5 8 4 大面积严重车辙、龟裂 9 第二章半刚性基层沥青路面破坏状态与评价 波浪出现在车辆起动、停止或陡坡车辆下坡紧急制动处，是在行车轨迹区域路面的 一系列紧密的峰谷或拥包，如图2 8 。波浪呈规则的和紧密的间隔，通常不到3 m 。波峰 与波谷交替出现，间隔很近，一般在6 0 m 内【9 】。波浪产生的主要原因是材料组成设计差、 施工质量差、使面层材料不足以抵抗车轮水平力的作用。 有些小波浪非常紧密，通常间隔不到1 0 c m 且波浪很浅。这种类型的波浪通常是由 于h m a 碾压时钢轮振动压路机的不当操作引起的，当压路机的前进速度大于正常每米 振动冲击次数时，便可能出现小型波浪。 图2 8 脯k 2 0 + 7 8 4 处2 , - 一5 c m 龟裂，波浪推移明显 ( 3 ) 拥包 拥包也是一种永久变形，是由于h m a 的纵向塑性运动引起的。拥包呈现出路面局 部膨胀且通常与某些形式的路面结构中断有关，由于k 8 5 + 0 0 0 k 9 1 + 0 0 0 为水泥混凝土 路面，拥包出现在旧沥青路面临近水泥混凝土路面的区域。 3 水损坏 水损坏是指沥青路面在水的作用下，沥青逐渐丧失与矿料的粘结力，从矿料表面脱 落，在车辆的作用下沥青面层呈现松散状态，以致集料从路面脱落形成坑槽。产生松散 剥落的原因主要是由于沥青与矿料问的粘附性较差，在水或冰冻作用下，沥青从矿料表 面剥落所致。产生松散剥落的另一种可能性是施工中混合料加热温度过高，致使沥青老 化失去粘性【1 0 1 。 运风旧路k 1 9 + 0 0 0 - k 4 8 + 0 0 0 段雨季存在地表积水，致使路床处于潮湿或过潮状态， 严重影响路基路面的整体强度。旧沥青路面面层结构为4 c m 沥青混凝土+ 6 c m 沥青碎石， 难以防止雨水下渗，雨水积聚在路槽内，致使路面普遍出现唧浆、坑槽等水损坏现象。 由于路床湿软，基层承受较大的弯拉应力，在较大弯拉应力和水作用下，路面出现龟裂、 坑槽、车辙。通过挖探试坑，发现不仅基层破坏，而且底基层也出现裂缝。总之，路面 结构偏薄、路床湿软，如图2 9 所示，在重载交通作用下，路面结构产生了严重破坏。 1 0 长安大学硕：仁学位论文 图2 9 路基芯样呈软塑、流塑状 ( 1 ) 松散 松散是由于沥青混凝土表面层中的集料颗粒脱落，从表面向下发展的渐进过程，集 料颗粒与裹覆沥青之间丧失粘结力是颗粒脱落的原斟1 0 】。这种破坏首先是细集料剥落， 然后是粗集料剥落。松散也是集料的水敏感性和易于剥落的早期迹象。 松散也可能与劣质热拌沥青混合料( h m a ) ( 低沥青用量、软集料等) 、施工缺陷 ( 碾压不够等) 、沥青老化变硬( h m a 生产过程中过热) 、特定类型的交通条件( 带钉 轮胎、履带运行车辆等) 以及环境状况( 冻融、干湿) 有关，如图2 1 0 。 图2 1 0 基层破坏后面层松散严重 ( 2 ) 坑槽 坑槽是指沥青路面由于面层或者面层和基层的集料局部脱落而产生的路面洞穴。由 于沥青混凝土本身孑l 隙率大或压实度不足或过分离析，使得在降雨过程中，雨水能够进 入并滞留在面层沥青混凝土中，在大量快速行车的作用下，反复的动水压力将沥青从碎 石表面剥落下来，局部混凝土松散，碎石被车轮甩出，从而路面产生了坑洞。坑槽与劣 质h m a ( 低沥青用量、软集料等) 、施工缺陷( 碾压不够、混合料离析等) 、结构问题 ( 路面厚度不足、基层承载力不足等) 以及环境状况( 冻融循环等) 有关。坑槽状况见 图2 1 1 和图2 1 2 。 青路面破坏状态与评价 图2 1 2 运一风k 1 8 + 6 0 0 坑槽+ 脱皮+ 网裂 4 其他损坏 此外，旧路路面在使用过程中，会因为温度、荷载或者轮胎的作用出现泛油、磨光 以及集料外露等其他不严重的损坏，但也影响了路面的使用性能。 ( 1 ) 泛油 泛油是指沥青从沥青混凝土层内部和下部向上移动，在表面产生过多的沥青，使路 表面发光发亮，表面构造度显著减小的现象，是不可逆的累计过程。泛油通常在炎热的 天气下十分粘稠，在湿雨的季节，泛油部分特别滑。 当碎石封层沥青含量太高，集料用量太低或大量集料损失时，也可能产生泛油。泛 油也与劣质热拌沥青混合料( h m a ) ( 沥青用量过高、沥青太软、低空隙率等) 、施工 缺陷( 粘结料使用过量等) 、环境状况( 天气太热等) 以及交通因素( 高交通量等) 有 关。当过量的沥青填充到沥青混合料空隙中时，沥青向上运动从而产生泛油。 ( 2 ) 磨光 沥青路面在使用过程中，在车轮反复滚动摩擦的作用下，集料表面被逐渐磨光，有 时还伴有沥青的不断上翻、泛油，导致沥青面层表面光滑，尤其在雨季会因此而酿成车 祸。这种现象与采用了敏感性比较大的沥青混合料级配类型有关。表面磨光的内在原因 是集料质地软弱，缺少棱角，或矿料级配不当，粗集料尺寸偏小或沥青用量偏多等。 ( 3 ) 混合料的均匀性 另一个值得强调的问题是沥青混合料的非均匀性，即大量存在的离析现象。传统上 人们没有把混合料的非均匀性当成一个严重问题来看待，并未采取严格的措施予以控 制，只要求认真施工。但是随着交通量的增大，均匀性已经成为决定路面质量的重要因 素之一，应该引起充分注意。 将路面早期水损坏的主要原因归结于路面空隙率过大，又将空隙率过大的原因归结 1 2 长安大学硕：仁学位论文 于压实不足，这确实是早期路面空隙率过大的主要原因，但却比较容易解决。实际上， 混合料的离析是造成局部空隙率过大的另一个主要原因，而且是较难解决的技术问题。 可以说，路面大部分早期损坏类型都是起源于混合料的不均匀，一旦混合料发生离析， 一切材料设计工作都变得徒劳了。路面压实度不足，有时也是混合料离析引起的。当混 合料发生离析时，仅仅依靠提高压实度难以达到减小空隙率的目的，甚至会造成集料碎 裂而适得其反。 2 2 2 旧路路面破损状态分析 根据对运风高速公路的调查可知全线路面的主要病害有龟裂、坑槽、横向裂缝、纵 向裂缝、唧浆、车辙、波浪及水泥混凝土路面的断板等；路基病害有软基沉陷、黄土湿 陷、台背填土下沉。究其破坏因素主要包括以下几个方面【1 2 】【1 3 】： 交通：主要是重载交通的影响，它是造成损坏的重要原因： 水：该路段地下水位较高，再加上某些路段在雨季存在积水，致使路床处于潮湿 或过湿状态，从而严重影响路面和路基的强度。例如在填挖交界处，由于急流槽的位置 设置不当而冲毁路基。在k 8 6 + 9 5 0 处风陵渡高架桥桥面水排到桥头引道加筋挡土墙基础 部位，造成大面积地基湿陷挡墙随之下沉； 路面结构：沥青路面结构层设计不够合理，路面面层结构为4 c m 沥青混凝土+ 6 c m 沥青碎石，其厚度太薄、面层材料孔隙率大，难以防止雨水下渗，雨水下渗后积聚在路 槽内，致使路面普遍出现唧浆、坑槽等水损坏现象。由于路床湿软，基层承受较大的弯 拉应力，在较大弯拉应力和水作用下，路面出现龟裂、坑槽、车辙在所难免。总之，由 于路面结构偏薄，路床湿软，在重载交通作用下，路面结构产生严重破坏； 施工质量：由于填土压实度低，雨水下渗，造成台背填土湿软下沉。在湿陷性黄 土地区，地基未进行必要的处治遇水湿陷，路基路面出现纵向连续纵缝； 环境：自然冲沟地基软弱下沉，造成路基不均匀沉降，路面产生裂缝。雨水下渗， 填方路基产生软弱夹层，路基产生严重变形。 经过对大量沥青路面破损路段的研究发现，造成路面破损的原因无异于都存在以上 几点，只不过在不同路段、不同的环境和不同的施工质量下，各个因素的影响程度不同。 因此在沥青路面设计中，应综合考虑以上各个因素，足够重视路面结构、施工质量和道 路所处外部环境等对道路本身性能的严重影响，确保沥青路面的各项路用性能良好。 综上所述，就路面结构和材料方面而言，造成运风路路面破坏的原因有： 第二章半刚性基层沥青路面破坏状态与评价 满足设计要求，直接影响路面的使用寿命； 面层材料空隙率大，严重透水造成面层和基层材料的水损坏； 基层、底基层材料配合比不当，造成结构强度低； 部分路段路基压实度不足，造成路基变形，路面开裂。 路基含水量大，土基模量低，基层、底基层承受较大的弯拉应力，半刚性结构层 产生疲劳开裂。 路面结构的损坏状况，反映了路面结构在自然因素和行车作用下保持完整性和完好 的程度。一般新建或改建的路面，都需要采取日常养护措施来进行保养，以延缓路面损 坏的出现。在路面结构出现损坏后，便需采取相应的措施来延缓损坏的进一步发展。当 路面损坏严重到一定程度后，这时只能采取改建或重建来恢复提高其结构完好性。为了 给道路改建提供合理的维修、改造方案，必须对路面的破损程度进行全面细致调查分析， 以指导原路面的改建或重建工作。路面破坏程度的分析评价通常是根据每公里中l o o m 代表路段的损坏调查结果为基础的【1 4 1 。路面外观评价、历史信息评价和路面性能评价的 结果可用于确定路面破损的原因，进一步选择适宜的修复方法。其中，路面各种破损和 可能影响道路破损的因素如表2 1 所示。 沥青路面可能出现各种不同类型、不同程度和不同范围的损坏，为了便于定量比较， 需要有一个综合评价指标，把各种损坏状况和影响综合起来。为了区分某种损坏对路面 使用性能的不同影响程度，对某种损坏可按其严重程度划分为几个等级。在确定等级的 时候，通常采用扣分法【1 4 】。在我国通常选用路面状况指数p c i ，以百分制为计量标准。 对于不同的损坏类型、严重程度和范围规定不同的扣分值，按路段的损坏状况累计其扣 分值后，以剩余的数值表征或评价路面结构的完好程度，可用下式表示： p c i ：c 一1 5 d r 0 4 1 2 如 d r = d a x 1 0 0 = a i w i a x l 0 0 f = l 式( 2 - 2 ) 式( 2 - 3 ) 式中：c 初始( 无损坏时) 评分值；百分制时一般用c = 1 0 0 ； d r 路面破损率，为各种损坏的折合损坏面积之和与路面调查面积之比( ) ； d 一调查路段内的折合破损面积( m 2 ) ； a 调查路段的路面总面积( m 2 ) ； 1 4 w4 如=e = d 长安火学硕上学位论文 表2 1 影响道路破损因素【1 5 】 道路破坏形式道路破损影响因素 基层面层h m a 性能 交通环境 施工 道路结构 松散 木木木，l c木木木木水，i c 木木 坑槽 木木 木木宰术木木木：i c 木水木木 泛油 ：i c木木半水木木木枣木木木 抗滑力 木木木半木木木木木 路肩脱落 木水木木：l c 木爿c 木木木 车辙 爿c 木，l c 木，i c木木水木木木木木爿c 波浪 ：i c 木木，i ：木木木木水木水木 拥包 木，k 木半球木木 木，# ，i c 疲劳裂缝 木木木：l ：l ：，i c 木木木：i ：木木水 边缘裂缝 木木木木木木木木，l c 木木木 滑移裂缝 术水木木木木木木枣木术 块状裂缝 ，k 水木水木半木枣木牢水，i c 纵向裂缝 木 爿c 木木木木木木 横向裂缝 术水木木木木木木水 木 反射裂缝 木木木，i c：l c 水，l c 木木 木术 间断裂缝 木木：i ： 木 木术 木 术木木水 膨胀 木木木 木木，i c 木 木 ：i c 突起 水术木木木水木术 ，k 凹陷 木，l c 球木 ：i c 术：i c ：l c 木 沉降 ，i c 术木 木木 术木木 木 行驶质量 木木木术：i c 术木木木木木，i c 强度 木木木，l c 术 水 水木 水宰木术 注：料车表示可能性较大；料表示可能性一般；宰表示可能性很小。 1 5 章半刚性基层沥青路面破坏状态与评价 a i 第i 类路面损坏的面积( m 2 ) ； w i 第i 类路面损坏的权重，其具体值可查表2 2 获得； i 考虑损坏程度( 轻、中、重) 的第i 项路面损坏类型； i r 损坏类型总数，沥青路面取2 l ，水泥混凝土路面取2 0 ，砂石路面取6 。 各种损坏类型和严重程度对路面完好程度及其继续衰变速度有不同程度的影响，对 路面使用要求的满足程度有不同的影响，对养护和改建措施有不同的需要，其间很难建 立明确的定量关系。目前采用权重系数把不同损坏类型和严重程度对路面损坏的程度联 系了起来【l 引。其中沥青路面破损权重系数( w i ) 可参考表2 2 。根据所提供的权重系数， 用式2 2 和式2 3 进行计算分析，可以将路面状况划分为优、良、中、次和差5 个等级 【1 5 】。根据评分值为每一等级规定相应的级差范围和相应的养护对策类型，见表2 3 。 表2 2 沥青路面损害类型和权重( w i ) 1 5 】 破损类型 严重程度权重( w i )计量单位 轻0 6 龟裂 中 0 8面积m 2 重1 o 轻0 6 块状裂缝 面积m 2 重 0 8 轻 o 6 长度m 纵向裂缝 重 1 0 ( 影响宽度：0 2 m ) 轻0 6 长度m 横向裂缝 重1 o ( 影响宽度：0 2 m ) 轻 o 8 坑槽面积m 2 重 1 0 麻面 o 1 面积m 2 轻o 6 松散面积m 2 重1 0 轻 o 6 沉陷面积m 2 重1 0 轻 0 6 长度m 车辙 重 1 o ( 影响宽度：0 2 m ) 轻o