（道路与铁道工程专业论文）长寿命沥青路面抗疲劳层性能研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着半刚性基层沥青路面的缺点逐渐暴露出来，国内对柔性路面的研究越来越重视。 对长寿命路面的研究表明，它的优点是十分突出的。路面的使用年限可以得到大幅度提高，养护工 作也变得容易很多。本文参照国外对抗疲劳层沥青混合料的研究成果，对抗疲劳层结构和性能进行 研究。 首先分析长寿命沥青路面结构各层的功能和抗疲劳层的力学特性，提出细型密级配的抗疲劳层 沥青混合料，并对混合料配合比设计方法进行研究。 其次，对抗疲劳层沥青混合料的高温抗永久变形性能、以及抗疲劳性能进行试验研究，并采用 对数正态分布和双参数威布尔分布模型统计分析疲劳试验数据，回归出了抗疲劳层沥青混合料的疲 劳模型。同时，通过室内外的试验研究，分析了抗疲劳层沥青混合料的结构设计参数。 最后，通过铺筑试验路，对抗疲劳层沥青混合料的施工工艺和施工控制进行研究，并在路面结 构中埋设传感器，供路面结构分析和长期性能研究。 关键词：长寿命路面抗疲劳层配合比设计单轴蠕变疲劳 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 1 1r e c e n ty e a r s ，w i t ht h es h o r t c o m i n g so f s e m i - r i g i dp a v e m e n ta r eg r a d u a l l yd i s c o v e r e d ，t h er e s e a r c h o ff l e x i b l ep a v e m e n ti sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n ti n t e r n a l l ya n de x t e r n a l l y t h er e s e a r c ho f p e r p e t u a lp a v e m e n ts h o w si t sr e m a r k a b l em e r i t t h el i f eo ft h ep a v e m e n tc a nb eg r e a t l ye x t e n d e d ，a n dt h e m a i n t a i nw i l lb e c o m em u c hm o r ee a s i l y r e f e r r i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l to ff a t i g u e r e s i s tl a y e ra s p h a l t m i x t u r ei nf o r e i g nc o a n t r i e s t h es t n 】c t l l r ea n dp e r f o r m a n c eo f f a t i g u e - r e s i s tl a y e rh a v eb e e nr e s e a r c h e d a tt h eb e g i n n i n g ，t h el a y e r so fp e r p e t u a lp a v e m e n ta r ed i s c u s s e d t h em e c h a n i c so ff a t i g u e r e s i s t l a y e rh a sb e e na n a l y z e d t h e nt h ef i n ed e n s ea s p h a l tc o n c r e t ei sd i s c u s s e di nf a t i g u e - r e s i s tl a y e r ，a n dt h e d e s i g nm e t h o do f f a t i g u e r e s i s tl a y e rm i x t u r eh a sa l s ob e e nd i s c u s s e d s e c o n d l y , h i g ht e m p e r a t u r es t a b i l i t yp e r f o r m a n c ea n df a t i g u ep e r f o r m a n c eo ff a t i g u e - r e s i s tl a y e r a s p h a l tm i x t u r eh a v eb e e nd i s c u s s e dw i t he x p e r i m e n t a t i o ni nt h el a b o r a t o r y b yp r o b a b i l i t ya n a l y s i s ，t h i s p a p e rf i n dn o r m a ls c h o o la n dw e i b u l la r eb o t hc a nb eu s e dt os i m u l a t et h ef a t i g u el i f eo f f a t i g u e r e s i s tl a y e r a s p h a l tm i x t u r e i nh i 【曲p r o b a b i l i t y , t h ew e i b u ui sb e t t e r t h e n ，f a t i g u ed e s i g nc r i t e r i ao ff a t i g u e - r e s i s tl a y e r a s p h a l tm i x t u r eh a sb e e na n a l y z e d ， i nt h ee n d ，t h ef a t i g u e r e s i s tl a y e ra s p h a rm i x t u r eh a sb e e nc o n s t r u c t e di nt e s tr o a d ，t h e nc o n s t r u c t i o n t e c l l n o l o g ya n dc o n t r o lo ff a t i g u e r e s i s tl a y e ra s p l l a nr i l i x t l l r eh a v eb e e nr e s e a r c h e d a n dl a ys o m es e n s o r s i nt h es t r u c t u r et oa n a l y z ep a v e m e n ts t r u c t u r ea n dr e s e a r c ht 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 t k e yw o r d s ：p e r p e t u a lp a v e m e n t f a t i g u e r e s i s tl a y e r m i xd e s i g n c r e e pf a t i g u e i i 东南大学学位论文独仓j 性声明 本a 声鹱所呈交懿学谴论文是我令久在导掭揍导下遂芎亍戆疆究工俘及叛褥 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 其他人已缀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 赘学位或诞书露谴雳适的稠瓣。与我同工捧涎戮恚羽、本研究所敛戆饪 鼋荧献均 已在论文中作了明确的随明并表示了谢意。 研究生签名：寥毛艘 日期：坐坚垒躐竺 j 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中簪科学技术信息磺究所、国家潮书馆有权保黧本人所送交学位 、“一。 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 电子文档盼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 文霰查滴髑借阕，可以公布( 包括刊登) 论文的全都或部分内容。论文豹公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：耄盟导师签名：毒缸翻期：字霉步玎 乒， j 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 1 1 我国沥青路面结构的特点与使用现状 二十世纪五十年代以来，各国修建沥青路面的数量迅猛增长，所占比重很大。我国的公路和城 市道路近2 0 多年来使用沥青材料修筑了相当数量的沥青路面。早期的路面结构型式主要为适应低、 中交通的泥结碎石、级配砾碎石路面、渣油沥青表处、贯入式路面。 但随着交通运输业的不断发展，原先的路面结构型式己不能满足交通增长的需要。上世纪八十 年代后期，我国开始建设高速公路。主要修建了七条高速公路，如沪嘉高速公路、京津塘高速公路、 京石高速公路、广佛高速公路等。由于缺乏高速公路的设计和施工经验，所以这一时期高速公路的 设计主要参考国外的一些路面结构进行设计。上世纪八十年代后期修建的部分高速公路路面结构及 厚度见表1l 。 上世纪八十年代后期建设的部分高速公路路面结构及厚度1 1 表11 沥青面层厚度 基层厚度 底基层厚度 道路名称 4 中粒式 d 旺a + 5 粗粒2 5 2 8 水泥石屑或 广佛高速公路2 5 水泥碎石或石屑 式h m a + 6 沥青碎石 水泥土 5 中粒式h m a + 5 租粒 沈大高速公路2 0 水泥砂砾或矿渣砂砾或矿渣 式h m a + 5 沥青碎石 2 0 2 3 中粒式l i m a ， 2 0 2 5 水泥碎石或 2 5 3 5 无机稳定土京津塘高速公路粗粒式h m a 和沥青碎 二灰碎石 石 京石高速公路北京段 1 2 h m a 3 5 二灰砂砾 从表1 1 中可以看出，上世纪八十年代后期开始修建的高速公路沥青面层的厚度差别较大，并 且偏向于采用中粒式的沥青混凝土做表面层。基层与底基层厚度较厚，并且大都采用当地易于得到 的材料。这一时期由于受到国外沥青碎石层可以改善沥青路面的反射裂缝的影响，一般都采用沥青 碎石作为下面层。 进入九十年代以后，我国高速公路建设进入了快速发展的阶段，由于缺乏沥青材料和高质量施 工机械，经济基础落后等因素，“强基薄面”成为我国沥青路面建设的指导思想，半刚性基层沥青路 面成为我国沥青路面结构的主要型式。新建的高等级公路9 0 以上采用半刚性基层沥青混凝土面层 的结构型式。面层通常采用三层式结构，总厚度在1 2 1 8 c m 之间；基层选用无机结合料稳定粒料， 厚度在2 5 4 0 c m 之问；底基层一般采用无机结合料稳定土，厚度在1 5 4 0 c m 之间。上世纪九十年 代以来的部分高速公路路面结构及厚度见表1 2 。 采用半刚性基层沥青面层的路面结构型式，其优点表现在【jj ： ( 1 ) 可以发挥半刚性基层整体强度高、板体性好等优点，提高路面承载能力。通常来说，半刚 性基层材料具有较高的抗压强度和抗压回弹模量以及一定的抗弯拉强度，且强度随龄期而不断增长， 因此，半刚性基层沥青路面具有较小的弯沉和较强的荷载分布能力。半刚性路面的承载能力可由半 刚性基层满足。 ( 2 ) 半刚性基层刚度大，使得其上沥青面层弯拉应力值很小，提高了沥青面层抵抗行车荷载疲 劳破坏能力，甚至可认为半刚性基层上的沥青面层不会产生疲劳破坏，因此通常路面结构设计时， 不需验算沥青面层层底应力。 ( 3 ) 厚半刚性材料基层可抵消土基强度的巨大差别。半刚性基层沥青路面的路表弯沉均较小。 经过十几年的高速公路建设实践，半刚性基层沥青路面普遍存在的技术和质量问题主要有：路 面的早期破坏严重和耐久性差。半刚性基层沥青路面的早期破坏一直是困扰着我国工程技术人员的 一个主要问题。部分高速公路在开放交通1 2 年就出现了开裂、车辙、坑槽、抗滑性能不足等早期 破坏类型，严重影响道路使用性能，有的不得不进行修复，使本来就不富裕的建设经费要拿出相当 一部分用来维修养护，给高速公路公路建设造成严重的经济损失和很坏的社会影响。虽然道路的设 东南大学硕士学位论文 计使用年限为l o 1 5 年，但是现有道路的实际使用寿命只有8 1 2 年，有的甚至3 4 年或在交工验收 至竣工验收期就出现严重的破坏。 上世纪九十年代以来的部分高速公路路面结构及厚度表1 2 上面层厚度中面层厚度下面层厚度基层厚度底基层厚度 道路名称 4 中粒式 8 粗粒式h m a2 3 级配碎 广深高速公路+ 1 0 密级配l o 沥青碎石2 3 水泥碎石 石+ 2 2 - - 3 2 h m a 沥青碎石 未筛分碎石 济南一青岛高速公路4 由s a c5 粗粒式h m a6 沥青碎石2 0 水泥砂砾2 6 石灰土 2 8 级配碎 深圳一汕头高速公路3 抗滑h m a5 中粒式h m a6 粗粒式h m a2 5 水泥石屑 宁通高速公路 ( 扬州段) 4d 3s l h 6 粗l h 6 b m 2 0 二灰碎石3 3 石灰土 丁向琏岔跆 4s a c 1 6 6 粗a c 2 5 i6 沥青碎石2 8 二灰碎石2 0 二灰土 京福高速公路 4 a k 一1 3 a 6 改进a c 2 0 i7 改进a c 一2 5 i 3 8 水稳碎石2 0 二灰土 ( 扬州段) 石家庄一安阳 高速公路 4 中s a c 5 粗s a c 6 a c 一3 0 i 2 0 水泥碎石4 0 石灰土 连徐高速公路 4 a k 1 3 a6 a c 一2 0 i7 a c 2 5 i3 6 水稳碎石2 0 二灰土 徐宿高速公路( s q 2 1 )4 s u p e r p a v e l 36 s u p e r p a v e l 98 s u p e r p a v e 2 5 3 6 水稳碎石2 0 二灰土 亍砜l 苛遐公龉 4s m a 1 3 6 改进a c 2 0 i7 改进a c 一2 5 i3 8 水稳碎石2 0 二灰土 沿江高速( 江阴段) 4s m a 1 3 6 粗a c 一2 08 粗a c 一2 53 8 水稳碎石2 0 二灰土 半刚性基层沥青路面出现的一些影响行车性能的问题主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 半刚性基层沥青路面早期损坏特别严重，尤其是多雨潮湿地区，由于半刚性基层压实后非 常致密，几乎成为不透水层，雨水通过路面裂缝和沥青混合料的较大孔隙渗入路面结构中，在高速 行车下产生极大的动水压力而冲刷基层造成唧浆。这一过程的反复作用最终导致基层丧失支撑、基 层软化、路面承载强度下降、网裂不断发展，从而加速路面结构的破坏，路面出现大量的坑洞和沉 陷。从调查青况看，我国的半刚性基层沥青路面早期损坏非常严重。 ( 2 ) 国内外普遍重视的半刚性基层沥青路面的反射裂缝至今也没有得到很好的解决。半刚性基 层材料在外界温度、湿度变化下产生干温缩裂，这种具有裂缝的基层在干、温收缩应力进一步作用 下，裂缝顶端产生较大拉应力集中是造成基层裂缝沿面层底部向上反射直至贯通的主要原因。反射 裂缝己成为半刚性基层沥青路面的主要病害之一，调查表明，我国不论南方还是北方，通车后一年 最迟第二年均出现大量裂缝。沪嘉高速公路1 9 8 8 年底竣工，1 9 9 0 年2 月即出现裂缝，至1 9 9 4 年1 6 公里道路发现裂缝1 2 6 7 条，广佛高速公路1 9 8 9 年7 月竣工，1 9 9 0 年2 月全线1 5 公里共发现裂缝 3 1 8 0 条。大量裂缝的产生，在一定程度上削弱了路面结构的强度。这些裂缝曲曲折折，常有锐角， 在行车作用下裂缝边缘容易碎裂。雨水从裂缝下渗到半刚性基层，容易产生冲刷唧浆现象，进而发 展成网裂甚至坑洞。 以上两点分析可以看出，引起半刚性基层沥青路面早期破损的原因主要是反射裂缝，如何减轻 半刚性基层沥青路面的反射裂缝己成为一个世界性的难题。我国经过多年的研究，提出了各种措施 来减轻反射裂缝。 目前，国内偏向于增加沥青混凝土层厚来减少半刚性基层沥青路面的早期损坏。大幅度增加沥 青面层厚度，可以延缓干缩温缩裂缝反射到沥青面层表面，如表12 中的广深高速公路，沥青层厚 度达到3 2 c m ，现场调查没发现横向裂缝，说明采用厚沥青层能有效减少反射裂缝。 沥青混凝土层加厚，沥青路面的车辙又成为主要病害，广深高速公路的车辙产生的关键就是由 于采用了过厚的沥青碎石层，沥青碎石的高温稳定性不足，导致高温条件下路面出现较大的侧向位 移。因此为了采用厚层沥青混凝土路面结构，必须对沥青混合料进行合理的级配设计。 1 1 2 国外沥青路面的结构类型及发展现状 美国是世界上最早采用沥青路面的国家，目前的高速公路主要修建于二十世纪5 0 7 0 年代，近 三十年主要进行路面的维修和罩面，新建的公路很少。目前沥青路面占到总路面的9 4 ，州际公路 沥青路面所占百分率也由新建初期的5 0 多增加到8 0 多。德国7 5 以上为沥青路面。 早在上世纪六十年代以前，美国和英国等均进行了沥青路面的足尺试验路研究，比较了不同类 型的基层对路面性能路表弯沉和路面开裂的影响。通过对试验路的长期弯沉观测，得到在使用 2 第一章绪论 2 4 1 2 天以后不同面层和基层组合类型的路面弯沉情况，采用沥青混凝土面层和沥青碎石基层的路面 结构组合具有最好的路面使用性能。美国各州公路工作者协会( a a s h o ) 在1 9 5 6 1 9 6 0 年间进行 了著名的a a s h o 试验路研究。共比较了四种基层：碎石基层、砾石基层、水泥处治基层和沥青处 治基层。研究发现，虽然沥青稳定基层路面比水泥稳定基层路面产生了更大的车辙量，但其路面的 使用品质高于水泥稳定基层。根据现时服务性指数( p s i ) 得出1 个单位厚的沥青稳定基层相当于 1 3 个单位厚的水泥处治基层，即采用沥青稳定基层路面结构可以降低路面的总厚度”j 。 从2 0 世纪6 0 年代各州开始修建全厚式沥青路面和深层高强度沥青路面结构。全厚式沥青路面 是各沥青层直接铺筑在土路基上，深层高强度路面是沥青面层和基层铺筑在相对比较薄( 大约 1 0 1 5 c m ) 的粒料基层上。这两种路面结构最初的设计寿命都是2 0 年。大部分的全厚式沥青路面和 深层高强度沥青路面到了使用年限以后，仍具有较好的结构强度，而仅需要对其表面功能作些修复， 如薄的罩面或铣刨、罩面。 德国在二战期间修建了大量的高速公路，6 0 年代迎来了第二个道路建设高峰，其典型结构是采 用沥青混凝土与级配碎石的组合。由于要满足抗冻厚度，需要大量优质的级配碎石，提高了路面造 价，并且材料的运输也为道路交通带来了较大负担。因此德国公路部门开始考虑采用较薄的结构 层来取代厚级配碎石层。1 9 6 9 年，研究人员将美国全厚式沥青路面结构引入德国的道路建设，进行 了大量的比较研究。采用1 4 c m 的沥青基层代替了6 0 c m 厚的粒料基层，从而节省了石料的用量，从 总的经济效益上来看采用全厚式结构是更为有利的。德国规定沥青路面的水泥稳定碎石或二灰碎石 基层通常在下面三个条件只要有一个成立时，基层必须做横向切缝处理：l 、当基层抗压强度大于 9 0m p a ；2 、基层厚度超过2 0 cm ；3 、基层以上的沥青面层厚度小于1 4c m 。德国底基层大部分用 的是防水、防冻层。材料组成主要是砂砾和碎石，压实厚度是最大粒径的3 倍。德国用设计好的程 序来确定混合料级配曲线，既准确又省时。特别对0 2 m m 粒径用精密仪器等份水洗筛分，其均匀 性很好n 英国的沥青路面结构较多采用沥青混凝土层作为路面基层，其路面设计规范中对基层沥青混凝 土的级配和沥青用量等有相应的规定。并且为了保证沥青混凝土基层的抗疲劳性能，英国建议采用 尽可能高的沥青用量。 日本主要的高速公路均采用两层式沥青面层，并以较厚的沥青稳定碎石作为基层，多采用级配 碎石和水泥稳定材料作为底基层。其沥青层的总厚度达到了2 5 3 0 c m ，是典型的沥青稳定基层路面 结构。根据日本道路的使用现状，这些高速公路很少产生疲劳裂缝，主要的问题是车辙。 由国外的沥青路面结构可以看出，沥青层的总厚度比较大，一般超过2 0 c m ；而基层或者底基层 则多采用强度较低的无机稳定材料以及级配碎石等。其路面结构相对于我国的半刚性路面来讲，更 偏于柔性。国外的沥青路面结构有向进一步加厚沥青层的厚度并提高沥青稳定基层的强度特性这个 方向发展。 进入9 0 年代以后，交通量的增长迅速，原有的沥青路面结构已经不能满足路面的长期使用要求， 各国都在进行长寿命沥青路面的研究。北美、欧洲、日本、澳大利亚等大都将沥青路面的设计年限 延长至2 0 年4 0 年。2 0 0 1 年1 2 月日本新版路面设计施工指针中规定，在设计时根据具体情况 确定设计年限，一般来说，对主要的干线公路的高速公路为4 0 年、国道为2 0 年i 对隧道内的路面 为2 0 4 0 年；对交通量大的交叉口( 立交) 和城市的干线道路为2 0 年以上。 j i m h u d d l e s t o n 等人将长寿命路面引进美国，并提出了长寿命路面的设计概念，如图1 1 。 图1 1 长寿命路面的设计概念 东南大学硕士学位论文 长寿命路面的设计思路是：路表至深度1 0 1 5 c m 深处为高应力区，路面上层4 7 c m ，采用 高质量h m a 或开级配磨耗层；中间1 0 1 7 c m 采用高模量抗车辙沥青混凝土，下层层底处将产生最 大拉应变，反复荷载作用下，可能会产生疲劳开裂，并延伸到路面表面。因此，要求下层有足够的 疲劳稳定性，保持路面不发生结构性破坏，定期( 大约2 0 年左右) 更换表面功能层，道路使用寿命 可长达4 0 年以上。这种路面结构的优点是能够应付未来更大的交通量和较大的轴重，在表面开裂后 只需更新磨耗层而保持其下各层的耐久性。美国有许多州已经开始制定长寿命路面设计指南，并且 在2 0 0 4 年又有更多的i 、h ；n d h n 定长寿命路面设计指南这行列9 j 。 1 1 3 研究意义 我国幅员辽阔，又是一个多山国家，从北向南分处于寒带、温带和热带。从青藏高原到东部沿 海高程相差4 ，0 0 0 m 以上，因此自然因素变化极为复杂。不同地区自然条件的差异同公路建设密切相 关。同时，东部沿海地区人口密集，占据了很大的国民生产总值，而且经济发展迅猛，交通量增长 迅速。比如沪宁高速公路1 9 9 7 建成通车，通车不到六年时间交通量就达到了设计的累计标准轴载作 用次数。目前我国高速公路的总里程己达到3 0 ，0 0 0 多公里，且仍有1 6 ，0 0 0 多公里高速公路正在修建 中，我国用十几年的时间走完了国外发达国家近半个世纪的高速公路建设历程。但9 0 以上的高等 级公路采用半刚性基层沥青路面，这种单一的路面结构型式，不能适应我国各地区气候、经济水平 和交通量等差别，且早期病害较为严重，影响了高速公路的社会服务功能和形象。因此，应发展形 式多样的结构类型，让道路工作者根据各地区具体情况选用合理的路面结构。 长寿命路面的设计理念代表了国外高等级公路路面结构设计的新趋势，具有一定的合理性。至 2 0 0 2 年年底，我国高速公路总里程已经居世界第二位，但我国高速公路的密度还很小，同时高速公 路的早期破坏也非常严峻。长寿命路面的设计从长期的投资、道路的养护及维修、道路使用者的安 全舒适等方面都有很大的优势。 长寿命路面的设计要求基层的沥青混合料层不产生疲劳破坏或者是很微小的疲劳损伤，才能保 证不发生从下而上的疲劳裂缝，保证道路真正的长寿命。因此，必须对位于受拉区的抗疲劳层沥青 混合料进行性能研究，为长寿命路面结构在我国的推广应用提供理论依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 长寿命路面设计理念由澳大利亚和英国的工程师首先提出。上世纪六十年代澳大利亚的道路工 程师利用“富油基层”的概念设计了多条沥青层厚度在2 0 0 3 4 5 m m 的道路j 。在英国，由于2 0 年的 设计寿命己无法满足快速增长的交通量的需要，又展开了长寿命道路的研究。通过研究推荐典型结 构如下：在准各好的土基上铺筑三层，上层为2 3 c m 的磨耗层、中层为2 0 4 0 c m 的高模量沥青稳 定基层、下层为一定厚度的底基层。这样可以保证路面不会出现基层的疲劳开裂，保证了路面的长 久使用性能。 j i m h u d d l e s t o n 将长寿命路面的概念引进美国以后，在美国得到广泛应用。美国工程师对老路进 行调查，发现其中类似长寿命路面概念设计的道路使用状况良好。州际公路( i n t e r s t a t er o u t e ) i 一 4 0 ，建于1 9 7 6 年，已经使用3 0 多年，平均年交通量3 ，0 0 0 ，0 0 0 到3 ，5 0 0 ，0 0 0 ：使用期间基层和联结 层均完好，只是进行了罩面。i 一9 0 建于1 9 7 0 年代中期，设计年限4 0 年，定期养护，每十到十五年 进行一次罩面，很好地保护了面层以下各层材料。美国近几年也用长寿命路面的概念设计并修建了 多条道路。道路设计年限、交通量，路面结构见表1 3 。 抗疲劳层的性能关系到路面中下层在道路使用过程中的完好性。美国伊利诺斯州大学在研究低 应变下沥青混合料的疲劳寿命及富油沥青混合料对疲劳性能的提高时得出结论：低于1 0 0 微应变时， 沥青混合料的疲劳寿命格外长；富油基层和低于1 0 0 微应变均能提高疲劳性能口】。俄勒冈州交通局 研究认为，当沥青混合料低于7 0 微应变时，沥青混合料疲劳寿命可看作无限【l 。伯克利大学在i 一 7 1 0 长寿命路面设计时，分别进行了排水沥青混凝土和基层沥青混凝土在油石比4 7 和5 2 下的 疲劳试验，采用应变控制。得出结论9 j ：油石比提高以后，沥青混合料的疲劳寿命均有不同程度的 提高。s a m u e lh c a r p e n t e r 、k h a l i d a g h u z l a n 和s h i h u is h e n 1 l l 通过室内试验研究认为在低于7 0 9 0 微应变下的沥青混合料疲劳变得无限，这一点对沥青路面结构设计意义重大。 4 第一章绪论 美国长寿命路面概念设计的道路k 7 8 9 1 表1 3 道路名称设计年限交通量路面结构 磨耗层5 c m o g f c ，最大公称粒径1 9 m m ，沥青 p g 7 0 - 2 8 i - 54 0 2 5 c m s u p e r p a v e l 9 ，沥青p g 7 0 _ 2 2 碎石化混凝土 2 0 0 1 年平均日交磨耗层75 c m s m a l 9 ，沥青p g 7 6 - 2 2 通量1 2 4 0 0 辆，卡联结层75 c m ，虽大公称粒径1 9 m m ，沥青p g 7 6 2 2 i 一3 5车占3 6 ；预计2 0 c m 最大公称粒径1 9 m m ，沥青p g 7 0 - 2 2 2 0 2 1 年平均日交 抗疲劳层5 c m ，s u p e r p a v e l 2 5 ，沥青p g 6 4 2 2 通量2 3 ，1 0 0 辆2 0 c m 石灰稳定土 预计2 0 2 0 年平均磨耗层5 c m s m a 日交通辆2 3 6 0 0 0 37 5 c m ，最大公称粒径2 5 r a m 沥青p g t 0 2 2 i 一6 9 53 0 辆；e s a l s 为3 0 c m ，最大公称粒径3 75 m m 沥青稳定碎石 7 6 0 0 0 0 0 0 1 5 c m 级配碎石 磨耗层25 c m ，o g f c ，改性沥青 e s a l s 为 75 c m 排水沥青混凝土，油石比47 i 一7 1 03 0 2 0 0 ，0 0 0 ，0 0 01 5 c m 沥青混凝土，沥青p g 6 4 1 6 ，油石比4 7 抗疲劳层75 c m 沥青混凝土，油石比52 6 注：e s a l 卜一累计标准轴载作用次数 1 2 2 国内研究现状 长寿命沥青路面设计理念还是近几年才从国外吸收引进，目前国内还没有真正意义上的长寿命 路面。从我国上世纪八十年代后期开始修建高速公路以来，有两条高速公路：京津塘高速公路和广 深高速公路，相对国内强基薄面来讲采用了较厚的沥青面层，京津塘高速公路沥青面层的厚度达到 了2 0 c m 以上，广深高速公路的面层厚度达到3 2 c m 。从使用的情况来看，这两条高速公路早期破坏 现象较其他高速公路稍好一些。2 0 0 2 年5 月对广深高速公路全路段的路面进行了检测，裂缝类的破 坏比较少，较厚的面层对防止反射裂缝、疲劳裂缝的产生起到至关重要的作用，从而也减少了路面 因裂缝而随之出现的各类早期破坏现象。按2 0 m 统计车辙，尽管有些地段，l k m 内平均车辙深度 1 5n l r n 的比例达到3 4 ，但整个路段的平均车辙深度只有7 7 7 mi 1 3 【l 。但沥青路面的抗车辙能力主 要取决于沥青混合料的高温稳定性，需要对厚沥青混凝土路面中高模量抗车辙层沥青混合料的级配 设计，抗车辙性能进一步研究。两条道路的面层水损坏现象很少。这些现象从一定程度上推进了国 内研究人员对长寿命路面设计的研究。 目前，国内对沥青稳定基层研究较多，铺筑了多条试验路。如交通部公路科学研究所在青海省 铺筑的马平高速公路沥青路面试验路；东南大学在河南省开封市境内的商开高速公路兰杞连接线上 铺筑的试验路，在2 0 4 国道山东段改造工程中铺筑的试验路。这些对沥青稳定基层的研究，为长寿 命路面研究提供了很有价值的参考。 长寿命路面的研究以及试验路的铺筑都还在进行中，现有两条接近长寿命概念的试验路。一条 是承担由江阴长江大桥过来的大部分交通量的江苏省沿江高速公路，属于新建道路，由交通部公路 科学研究所和东南大学共同承担研究。试验路由四个段落组成，其中一个段落采用长寿命设计概念 设计，两个段落采用半刚性基层加柔性基层一混合式沥青路面，还有一个段落采用连续配筋水泥 混凝土基层沥青路面。 另一条是苏南到上海的黄金通道沪宁高速公路改建试验段，由东南大学、同济大学和江苏 省交通科学研究院共同承担。沪宁高速公路改建试验段也采用了多种结构型式，见表1 4 i l “。 沪宁高速公路改建试验段还请美国专家设计了一种长寿命结构作为参考，如表1 5 。 山东省也请美国专家设计了长寿命的路面结构【l “，各层厚度如表1 6 所示。 抗疲劳层是保证长寿命路面不发生疲劳破坏，不产生从下而上的疲劳裂缝。目前在国内基本上 还没有专门针对长寿命路面抗疲劳层的研究。主要研究内容集中在常规沥青混凝土方面，以及提高 沥青混合料疲劳性能、抗反射裂缝的措施等。华南理工大学的研究表明，旧混凝土路面上的沥青加 铺层抵抗反射裂缝的能力主要取决于混合料本身。在沥青正常使用范围内，沥青用量越大，混合料 疲劳寿命越长，即抵抗反射裂缝的能力越强。江苏省交通科学研究院的研究认为，同样厚度的沥青 加铺层，采用不同的沥青，不同的沥青混合料，设置不同的防裂层，其抗反射裂缝能力明显不同： 上面层采用s m a 一1 6 混凝土的抗裂能力是a c - 1 6 1 型沥青混凝土抗裂能力的两倍以上，使用改性沥青 的混合料抗反射裂缝能力有所增强。在沥青混合料中加入聚合物纤维材料来提高混合料的疲劳陛能， 称为纤维沥青混凝土。根据美国宾夕法尼亚州立大学的研究和在公路中的应用实践，聚合物纤维因 东南大学硕士学位论文 其比表面积大，也有一定吸收沥青的作用，使沥青用量增加o 1 o 2 ，能使混合料的性能得到 普遍提高，疲劳寿命提高了2 5 4 5 ，车辙减小了4 5 5 3 【1 7 】。 沪宁高速公路改建试验段结构型式表1 4 科研单位结构类型结构方案 面层 4 c m s m a l 3 + 8 c m s u p l 9 + 1 5 c m s u p 2 5 半刚性基基层l c m 稀浆封层+ 3 6 c r n 水泥稳定碎石 同济大学 底基层1 5 c m 二灰土 路基土基 面层 4 c m s m a l 3 + 8 c m s u p 2 0 + i c m s b s 防水粘结层 基层2 6 c m 连续配筋水泥混凝土+ 2 0 c m 水稳碎石 东南大学刚性基层 底基层 1 9 5 c m 二灰土+ o5 c m 下封层 路基土基e p s 路基 面层4 c m 细粒式h m a + 8 c m 中粒式h m a 全厚式沥基层 2 7 c m 沥青碎石 青路面 底基层4 0 c m 石灰土 路基 土基 江苏省交 沥青碎石面层4 c m 细粒式h m a + 8 c m 中粒式h i v i a 通科学研 基层结构基层2 5 c m 沥青碎石+ 2 0 c m 级配碎石 ( 下卧石底基层 2 2 c m 石灰土 究院 灰土) 路基土基 沥青碎石面层4 c m 细粒式h m a + 8 c m 中粒式h m a 基层结构基层 16 c m 沥青碎石+ 2 0 c m 级配碎石 ( 下卧水底基层 3 1 c m 水泥稳定碎石 稳碎石) 路基e p s 路基 美国专家为沪宁高速公路设计的参考结构表1 5 各层材料层厚( r a i n ) s m a l 3 ( 或o g f c ) 5 0 1 9 m m 抗车辙h m a ( 细级配) 8 0 1 9 m m 抗车辙h v i a ( 粗级配) 8 0 h m a 基层 2 x 8 0 级配碎石 2 1 1 0 回收沥青混凝土( 不加沥青) 2 0 0 土基的回弹模量 各层混合料 3 5 口a8 5 田a 永久性耐久性永久性耐久性 a a s h t o 7 0u 1 0 0u e a a s h t o 7 0u s1 0 0u g s m al 5l 51 51 51 5 l 5 a c 2 0 ( s u p e r p a v e 设计) 1 x 5 2 71 x 8l 8l 81 x 6 a c 2 5 ( s u p e r p a v e 设计) 2 1 02 x 91 1 01 x 1 02 9l 8 排水层 1 1 4l 1 4l 1 41 1 01 1 0 1 x 1 0 疲劳层 1 x 1 0 1 1 0l x l 0l l ol l o1 1 0 合计 5 76 1 4 74 35 13 9 1 3 本文主要研究内容 由于迅速增长的交通量，及大量超、重载车辆的存在，使我国的高速公路使用寿命普遍低于其 设计寿命。大量、频繁的维修、罩面或改建不仅妨碍了交通安全，使养护费、用户费用剧增，带来 经济上的损失，还造成了一定的负面社会影响。为此，迫切需要对沥青路面耐久性进行深入研究， 6 第一章绪论 确保其良好的路用性能和长期的使用寿命。 在分析了国内外的沥青路面结构发展以及长寿命路面研究的基础上，本文从长寿命沥青路面抗 疲劳层材料设计、结构设计参数以及施工工艺这几个方面进行研究。具体包括如下几个内容： ( 1 ) 长寿命沥青路面各层受力特点，特别是抗疲劳层力学性能分析； ( 2 ) 抗疲劳层沥青混合料设计方法和设计指标的研究，提出抗疲劳层沥青混凝土的最佳油石比 的确定方法； ( 3 ) 抗疲劳层沥青混合料疲劳性能研究，采用对数正态分布和w e i b u l l 分布理论对抗疲劳层沥 青混凝土疲劳寿命进行分析，回归抗疲劳层沥青混合料的疲劳模型； ( 4 ) 抗疲劳层结构设计参数试验研究； ( 5 ) 结合江苏省沿江高速公路长寿命沥青路面试验段，初探抗疲劳层沥青混合料施工工艺、质 量控制。 7 东南大学硕士学位论文 第二章长寿命沥青路面抗疲劳层特性分析 长寿命路面的设计概念是根据路面不同层位的性能要求来选择材料，进行合理的结构设计。力 学性能要求是路面必须满足的基本要求，本章主要详细地阐述长寿命沥青路面的概念，通过路面力 学分析长寿命沥青路面各层的力学特性，对抗疲劳层在长寿命沥青路面结构中的位置、力学性能要 求有较清楚的认识。 2 1 长寿命沥青路面的概念 长寿命路面，是一种通过预防性养护和不定期的表面层维修，但无需进行结构性大修就能够达 到很长使用年限( 例如3 0 5 0 年) 的沥青路面。为此，它必须确保路基、基层、上面层以下的沥青层 具有充分良好的使用性能，以满足各个层次的需要。长寿命路面的殴计思路是：采用适当的材料、 级配，使路面上面层满足道路使用的功能性要求，抗车辙；中、下面层满足道路使用的结构性要求。 在保持路面不发生结构性破坏的前提下，定期( 大约2 0 年左右一次) 更换表面功能层，使道路使用 寿命可长达5 0 年以上。 2 1 1 长寿命沥青路面的基本结构 “长寿命路面”是一种长设计使用年限的结构设计与维护概念。长寿命路面在维护和修复条件良 好的情况下应可以使用5 0 年以上。m i c h a e ln u n n 在1 9 9 8 年指出，即使是低强度的柔性路面，在承 受很大的交通荷载长时间冲击时也不会破坏。他还指出，现有的超过3 7 0 毫米厚的面层几乎可以在 不产生疲劳开裂或车辙等破坏情况下承受无限大的轴载作用，这些高强度厚路面只在表面观测到贯 穿裂缝和车辙。此后，u h l m e y e re ta 1 在2 0 0 0 年指出：大部分超过1 6 厘米厚的h m a 路面只在表面 产生贯穿裂缝。因此，如果表面裂缝和车辙影响到下层路面结构前适时处理，路面的寿命将大大延 长。研究人员基于这一原则并结合路面材料研究建立了一个基本的长寿命路面结构的概念。这个概 念就是在强地基上形成三层h m a 厚沥青层，每层在路面使用过程中发挥着不同功能： 1 、磨耗层：厚度通常为4 7 c m ，设计这层是用来抵抗表面的破坏，比如贯穿开裂和车辙，及 根据当地经验而定的其他特殊破坏型式。常采用s m a 、o g f c 和s u p e r p a v e 方法设计沥青混合料。 2 、中间层( 或联结层) ：厚度通常为1 0 h 1 7 c m ，这层主要承担交通荷载。因此它必须稳定性好 ( 抗车辙) 耐久性好。稳定性主要来源于集料的互相接触形成嵌挤和使用高温稳定性好的粘结料。 为了既有稳定性又有耐久性，通常推荐采用高模量抗车辙沥青混凝土。 3 、l i m a 基层：厚度通常为7 1 0 c m ，该层用来抵抗疲劳开裂。国外研究认为有两种方法可以 抵抗疲劳开裂：一是可以将路面做得足够厚，使得基层底部的抗拉应变下降到可认为沥青混凝土在 此应变水平下永远不产生疲劳破坏；二是可以在h m a 基层下加设一层韧性更好的i r m a 层，通常的 方法是提高沥青含量。也可以两者结合。 长寿命沥青路面除了对上述各层沥青混合料的要求以外，还要求路基强度达到5 0 m p a 以上，以 保证整个路面结构的稳定性。 2 1 2 长寿命沥青路面破坏型式 对路面破坏模式的正确认识是进行合理路面设计的基础。沥青路面的寿命取决于其各种有可能 的破坏模式的发生几率，要求每一种破坏模式都得到足够的保证是不可能的，即使建筑在路基绝对 稳定不发生任何破坏的条件下也是不可能的。这些模式包括针对荷载及环境气候条件( 主要是温度及 水分) 在反复荷载作用下的抗疲劳性能、抗车辙性能、以及抗温缩裂缝、抗磨耗、抗老化、抗水损害 性能，并且保证表面平整、舒适f 表面功能) 、抗滑、低噪音等等。这其中，表面层暴露在气候环境中 且直接承受荷载作用，车辙、温缩裂缝、磨损、沥青老化、抗滑及减噪性能下降、平整度衰减、舒 适性能下降等都是无法避免的，由于施工的变异性和离析问题目前还得不到有效的控制，完全不出 现松散、坑槽等也难以保证。 长寿命路面的表面层寿命也是有限度的，重要的是需要表面层以下的各层不产生结构损坏。使 用中对表面层加强观测，及时进行预防性养护，发现有局部的小损坏及时修补，有较大的损害时立 即进行铣刨、罩面、重修等等。因为一旦路面损坏达到不可预测程度( 即破坏的临界程度) ，仅仅对 第二章长寿命沥青路面抗疲劳层特性分析 路面表层进行修复就无法弥补了。 综上所述，长寿命沥青路面的破坏型式与普通沥青混凝土路面相似，但所产生的破坏必须控制 在表面层，如表面的车辙、纵横向裂缝、坑洞、松散、表面磨光和泛油等，而要避免中面层以下的 路面结构产生结构性破坏。 2 1 3 长寿命沥青路面的经济评价 长寿命路面并不是无需维修的路面，但它要求把维修局限于表面层。按照长寿命路面的思路， 表面一般设置磨耗层，为保证其“长寿命”，以后不断地进行预防性养护，或者每隔5 1 0 年对老化 损坏的表面层进行铣刨维修、加铺。中面层必须具有很高的抗车辙能力，不至于在使用期内造成损 坏。为了延长沥青层的疲劳寿命，在沥青层的底层设置一层高抗疲劳性能的层次，必要时在其上方 设置大孔隙的沥青稳定碎石排水层。为了保证各层次联结成为一个整体，沥青层的每一层之间均必 须喷洒高质量改性沥青或改性乳化沥青作粘层油。 为了达到长寿命路面长期良好的路面性能，必须严格实行定期监测，以确保路面各类损坏控制 在路面表面层顶部很薄的范围内，尽最大限度预防不出现结构性的损坏。如自上向下的温度疲劳开 裂、车辙、表面磨耗必须限制在磨耗层内。 在此设计思想下的长寿命沥青路面的初期投资势必增加，但从整个使用期的建设和运营总成本 效益来分析，将是非常合算的。采用全寿命周期成本分析方法( l c c ) 对长寿命道路进行分析评价口”。 l c c 方法以经济最佳性为根本标准，考虑两个方面的问题：一是评价和选择路面材料、结构将以全 寿命周期成本为标准，二是考虑了使用者的成本，并考虑了路面修复成本。使用者的成本应考虑以 下几个方面：在建设、维护、修复时，使用者被耽搁的成本：在预料中的特定时期内，由路面 粗糙引起的交通工具运行成本；由于路面修复，在工作区内发生的事故成本【2 4 j 。图2 1 和图2 2 分别 给出了使用过程中长寿命路面与普通路面服务状态示意图和修建、养护费用示意图。 4 4 黎 逛 善 姜 2 2 坦 鎏 0 一长寿命沥青路面- 一 普通路面( a c p c c ) 卜、ii a 、l l 一 、 l 、 1 罩面 目 t q 人 、大修 01 02 03 04 05 0 正 图2 1使用过程中长寿命路面与普通路面服务状态示意图 9 东南大学硕士学位论文 斌 辎 长寿命沥青路面普通路面( a c p c c ) ， ， ， - _ 一 j ， l 一f - 1 。 尸 一1 0 注：l 、 2 、 o1 02 03 04 05 0 正 0 年前表示修建