（道路与铁道工程专业论文）基于旧路调查的路面主要损坏类型和路面性能研究.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 摘要 路面的耐久性是路面研究的核心，路面长期性能研究对提高路面的使用寿命具有十分重要的意义。 对路面长期性能的研究有室内研究和室外研究两种手段。旧路调查是室外研究的重要内容，是了解 真实行车和真实地质、地貌以及自然环境因素条件下路面损坏的实际发生和发展情况以及路面性能的衰 变过程的重要手段，能弥补室内研究存在的不足。 本文以路面长期性能调查研究为主线，在对使用8 年之久的沪宁高速公路老路面性能历史资料进 行广泛调研的基础上，对长期使用后的路面材料进行了室内试验，分析了路面材料8 年前后的性能变化 规律，结果表明在行车、温度、湿度以及老化等主要因素的影响下，路面材料的主要力学指标和路用性 能指标均发生了较大的变化；对路面结构性能进行现场测试分析，结果表明裂缝是影响路表回弹弯沉的 主要因素，而半刚性基层沥青路面使用后期路表弯沉平均值主要受底基层厚度的影响，结构性能研究中 还对层问结合状态以及环境因素对路面受力的影响进行了重点研究；调查了路面的沥青面层、二灰碎石 基层和二灰底基层的病害情况，重点对裂缝进行了统计分析，并以材料和结构的测试分析结果为基础， 对调研的主要路面损坏类型裂缝的一些特殊现象进行计算分析，其中包括疲劳裂缝、温度裂缝和反 射裂缝，得出了较多有益的结论。 关键词：半刚性基层沥青路面，早期损坏，长期性能，裂缝 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n l ed u r a b i l i t yo fp a v e m e n ti so n eo ft h em a i np u r p o s e o ft h ep a v e m e n tr e s e a r c ha n d p a v e m e n td e s i g n n 圮l o n g t e r mp e r f o r m a n c es t u d yi sv e r yi m p o r t a n tt oi n c r e a s et h eu s e f u ll i f e o fp a v e m e n t l a b o r a t o r ys t u d ya n df i e l ds t u d ya r et w ou s u a lm e t h o d si nt h es t u d yo nt h el o n g - t e r m p e r f o r m a n c eo fp a v e m e n t 1 1 l ei n v e s t i g a t i o no no l dp a v e m e n ti sh e l p f u lt ou n d e r s t a n dt h eh a p p e n a n dd e v e l o p m e n t p r o c e s s o fp a v e m e n t p r e m a t u r ed e s t r o y a n dt h er e s u l to fp a v e m e n t p e r f o r m a n c ed e c l i n eu n d e rt h ei n f l u e n c eo ft r u ev e h i c l e ，g e o l o g y , m a t u r a le n v i r o n m e n ta n dt r u e l a n d f o r mw h i c hc a nf i l lu pt h ed e f i c i e n c yo fl a b o r a t o r ys t u d y t h es u b j e c to ft h i sp a p e ri sl o n g t e r mp e r f o r m a n c e b a s e do nt h ew i d e l yi n v e s t i g a t i o no n h i s t o r i c a li n f o r m a t i o na b o u tu s i n gp e r f o r m a n c eo ft h eh u n i n ge x p r e s s w a yp a v e m e n tu s e df o r8 y e a r s t h em a t e r i a lp e r f o r m a n c eu s e df o r8y e f l l sa r ；ct e s t e da n dt h ec h a n g ed i s c i p l i n eo fm a t e r i a l l o n g - t e r mp e r f o r m a n c ea r ea n a l y s e d t h er e s u l t so fa n a l y s i ss h o wt h a tt h em a i nm e c h a n i c a l i n d e x e sa n du s ep e r f o r m a n c ei n d e x e sc h a n g eal o tu n d e rt h e t h ef l u e n c eo ft r a f f i cf l o w , t e m p e r a t u r e r a d i a t i o na n dw a t e r t h es t r u c t u r a lp e r f o r m a n c eo fp a v e m e n ti st e s t e di nt h e f i e l d a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tc r a c k i n g sa r em a i nf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ea v e r a g er o a d s u r f a c ed e f l e c t i o n h o w e v e lt h et h i c k n e s so fs u b b a s ec a nc o n t r o lt h ev e r a g er o a ds u r f a c e d e f l e c t i o nr e l a t i v et ot h es e m i r i g i da s d h a l tp a v e m e n t i nt h es e c t o ro fs t r u c t t i r a lp e r f o r m a n c e s t u d y , t h ei n t e r f a c i a lc o n t a c ta n dt h ei n f l u e n c eo fs e t t i n g so nf o r c eo fp a v e m e n ti ss t u d i e d e s p e c i a l l y t h es t a t eo fa s p h a l ts u r f a c e 1 i m ef l y - a s hs t a b i l i z e da g g r e g a t eb a s ec o u r s ea n dl i m e f l y a s hs u b b a s ei si n v e s t i g a t e da n dt h ec r a c k i n g sa r ea n a l y s e ds t a t i s t i c a l l y o nt h eb a s eo ft h e r e s u l t so fa n a l y s i so nm a t e r i a la n ds t r u c t u t 。a lp e r f o r m a n c e ，s o m ec a l c u l a t i o na n a l y s i s e st ot h e m a i nd e s t r o yt y p e ，n a m e l yc a c k i n g s ，i n c l u d i n gf a t i g u ep h e n o m e n a , t h e r m a lc r a c k i n g sa n d r e f l e c t i v ec r a c k i n g s 。a r ep e r f o r m e d , s ot h a ts o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa r eg o t k e y w o r d ：a s p h a l tp a v e m e n tw i t hs e m i r i g i db a s e ，p r e m a t u r ed e s t r o y , l o n g - t e r mp e r f o r m a n c e ， c r a c k i n g ，t h e o r yo fp a v e m e n td e s i g n 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研究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。 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： 三i 丑i 导师签名： 日期：叼衫 东南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景与目的 第一章绪论 路面研究是高速公路科研工作中的重中之重，其原因是路面直接承受交通荷载、气候因素的综合作 用，直接影响道路的服务能力。路面的研究实际上可归结为路面性能( p e r f o r m a n c e ) 的研究，路面性能是 一个涵盖广泛的概念，晟早由c a r a y 和i r i c k i l l 提出，随着道路事业的发展内涵不断更新。w d o p a t e r s o n 嘲 给出的路面使用性能的最新定义为：路面为道路使用者提供的服务的变化趋势。孙立军则把包括材料 特性在内的路面使用性能称为路面结构行为。综合目前对路面性能的理解，路面性能的内容可用图1 1 来表示。 功能性能ii 结构性能ll 安伞r 生能li 外观性能 平整度等li 结构损坏和承载力ii 抗滑系数li 路面色彩 图1 1路面性能内涵图示 路面使用性能是路面服务能力随时间的变化，因此，研究使用性能与路面材料性能也就集中在备项 指标随着路面使用时间变化而变化的特征上。可以说，路面性能的时程特性研究又是路面研究中的重中 之重。 路面是一种置于复杂的地质、地貌和自然气候环境条件下经受重复车辆荷载作用的人t 构造物，要 求具有期望中的较长的使用寿命。在路面使用过程中，其性能的变化受诸多因素的不同程度的艮久影响， 这些影响冈素和影响程度可以说是一个未知数，因而使用寿命也具有不确定性。而对路面使用周期中性 能的影响和变化因素进行研究，无疑对设计出科学的高性能路面产品和增加路面使用寿命这一核心目的 具有重要意义。 我国目前的高速公路路面类型9 0 以上采用半刚性基层沥青路面结构口】，有资料表n t 4 1 ，大多数半 刚性基层沥青路面结构在使用1 - 3 年后就出现了早期损坏，主要表现为路面裂缝、车辙、水损和泛油等。 路面早期损坏使路面的使用性能不断降低，导致使用寿命远远低于预期寿命，如何减少早期损坏及降低 其危害程度，从而提高使用寿命成了半刚性基层沥青路面有待解决的关键问题。 要设计出高性能的路面产品以及减少早期损坏可采用室内模拟试验与现场追踪调查两种手段对路 面性能进行研究。室内模拟试验能够把复杂的综合影响因素单一化，从而可以从更深层次方面研究单一 影响因素的作用机理从而采取相应的应对措施，但是室内试验很难真实的模拟现场情况，特别是具有时 程特性一长达1 5 年的现场情况，另一方面，室内试验难以模拟真实的地质、地貌和自然气候环境的综 合作用，从而使室内试验结果具有局限性。室内试验的局限性还体现在研究对象上，特别是对于路面损 坏难以通过室内试验达到预期的研究目的。现场追踪调查的优点是能够了解真实外界因素作用下的路面 性能状况，特别是能够了解真实外界因素作用f 的路面损害的起因、发展和材料性能的变化情况，避免 了室内试验的局限性。但是现场追踪调查的缺陷也是明显的，即不能深层了解单一冈素的作用机理，而 且现场追踪调查时间过长，如英国a i 试验路及西部环道试验( w e s t t r a c k ) 的追踪期限是几十年1 5 ，目 前在我国进行这么长时间的全面追踪调查还很少见。 鉴于现场调查的优越性，同时为了解决不能长期全面追踪的缺陷，我国很多科研单位和科研人员对 东南大学硕上学位论文第一章绪论 使用中的道路进行了一些现场调研 6 - 7 1 。这些调研不但为道路科研积累了宝贵的资料，而且很大程度上 揭示了路面早期损坏的原因，但由于一些客观因素的影响，目前的现场调查还存在着以下的问题 ( 1 ) 调研不够系统全面：路面性能实际上是一个相互关联的系统，单纯从一个或几个方面进行调 研难以全面分析路面的长期性能的变化。 ( 2 ) 调研不够深入：半刚性基层对路面结构起着至关重要的作用，因此对基层的调研十分重要。 然而我国由丁| 缺少专门的试验路而难以对路面进行人规模的破坏性检测，仅是通过对路面损坏的外观尺 寸测量以及对表观路面性能指标进行测试研究。有些科研工作者也通过对损坏部位钻取或者切割试件进 行调研，但很少系统进行路面材料性能试验，即使有数据也十分稀少且离散性大。对路面性能研究不能 起到很好的指导作用。 如果有条件对使用一定时间后的路面进行比较彻底的破坏性检测，就可以对路面材料性能进行比较 全面的试验测定，对损坏类型特别是结构性损坏路面裂缝的产生发展情况进行观察分析。利片j 路面 面层和基层甚至是底基层和路基的材料性能指标，结合路面损坏和路面结构类型的调研结果可以对路面 进行一个比较全面的系统的分析，这会对研究如何设计高性能的路面和如何减少早期损坏，提高路面的 使用寿命有所帮助，而这正是笔者的研究目的。 本文依托江苏省高速公路建设指挥部研究课题沪宁高速公路老路面性能分析及评价方法研究项 目，结合沪宁高速公路使用8 年后扩建时对老路沥青面层铣刨，对面层、基层、底基层和路基进行材料 试验和损坏调查，同时对路面结构性能进行测定，然后结合历年的养护资料进行研究。一方面尽量结合 其他公路的调研资料及研究结果对路面性能和路面损坏进行比较系统全面的分析，另一方面也为后续的 道路研究做数据与资料上的积累。 1 2 国内外研究现状 国外对路面长期使用性能进行了比较深入的研究。国外习惯于铺设专门的试验路进行有目的的跟踪 观测，如著名的英国a i 试验路、美国阿灵顿( a r l i n g t o n ) 试验路、a a s h o 试验路以及两部环道试验 ( w e s tt r a c k ) 等等”】。这些人型试验路都带有比较强的目的性，如a i 试验路主要检验一些混合料类型 和结构厚度的使_ j 情况，a r l i n g t o n 试验路则主要对水泥混凝十路面的设计方法积累数据，这种大型的 试验路能够在全真模拟实际行车以及气候环境条件下进行路面各项性能的观测试验，能够了解路面随着 使用时间的增加各项性能指标的变化规律。国内对路面的研究具有自己的特点，一方面道路具有区域性 质，由于受到诸多冈素的影响而决定了国外的先进技术只能借鉴而不可照搬，另一方面国情的不同决定 了研究手段的差异。我国也建立了比较多的试验路，如西三线等，但对这些试验路不同使用时间的破坏 性观测和材料性能的试验还缺乏系统性，有待深入研究。 对于材料的长期性能研究，国外一般是在对试验路进行长期追踪观测时进行试验，目前最有名的是 s h r p 的路面长期使用性能l t p p ( 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 ) 研究计划和加速路面试验a p t ( a c c e l e r a t e dp a v e m e n t ) 研究计划”j ，观测时 间预期为2 0 年，这些试验积累了大量材料试 验数据，为材料长期性能研究奠定了坚实的基 础。在s h r p 开发沥青混合料的老化设备以研 究沥青混合料的长期老化性能时，从使用中的 道路路肩位置钻取了试件测定其弹性模量，并 以其和初期的比值作为表征材料老化程度的 指标，如图1 - 2 ，结果表明沥青混合料随着使 用时间的增加由于老化而导致其抗压同弹模 丑 喇 鄹 024681 01 21 4 路龄( 年) 量不断增长嘲；文献【9 】则对沥青混合料在长 图1 - 2 不同使用期沥青混合料的劲度 期老化作用下的路用性能作了分析：美国开发的a a s h t ot 2 8 3 抗水损害性能试验方法能够模拟实际状 况下5 年的抗水损害能力嘲，结果表明材料随着使用时间的增加由于空隙率不断减小其抗水损性能增加。 一2 东南大学硕士学位论文第一章绪论 国内在材料长期性能研究方面十分欠缺，目前室内试验主要使用s h r p 开发的仪器进行沥青胶结料和沥 青混合料的老化试验，现场试验更少。“七五”国家科技攻关专题曾于1 9 8 5 年9 月在山东寿光试验路进 行了沥青同收并测定老化性能，得出了不同使用期针入度、延度以及软化点的时程变化规律”u j 。文献【8 】 认为沥青混合料在使用过程中的抗压同弹模量测定值多在3 0 ( x ) - 5 0 0 0 m p a 之间。 路面使用性能的研究日前主要属于路面管理系统的内容，而路面管理系统主要是为路面的维修提供 决策支持。国外路面管理系统的研究十分深入，建立了大量的路面性能衰变模型，如美国a a s h t o 模 型】、美国a l b e r t a 省模型“、v e s am a n n i s t o j 3 l 等人的芬兰模型，挪威模型【l ”等我国也开发了相应的 路面性能衰变模型和路面管理决策系统，如北京模型【1 ”，孙立军模型等。我国沥青路面养护技术规范 【l q 中以路面状况指数( p c i ) 、路面强度指数( p s s i ) 、行使质量指数( r q i ) 和抗滑性能指数( s r j ) 来 表征沥青路面的使用性能，形成了具有我国特色的路面养护系统。由于路面管理系统只研究路面结构承 载力、路表损坏统计、路表摩擦系数的时程特性，对于路面损坏、结构承载力的机理和相互联系难以进 行深入的研究。 国内外对结构承载能力的研究都比较多，特别是最近几年由美国发明的落锤式动态弯沉仪( f w d ) ， 不但能够快速的进行路表弯沉测定，更能够快速的反算路面结构层的动态模量，对研究路面结构承载力 性能提供了科学便捷的方法。我国自形成沥青路面设计规范开始就进行路面承载力的研究，对路表同弹 弯沉与结构层材料的内在联系、理论弯沉与实测弯沉的差异修正等方面的研究比较深入且成熟，并形成 了主要以路表回弹弯沉为设计指标的半刚性基层沥青路面与柔性基层沥青路面的设计方法。在形成规范 期间，特别是9 7 版规范选择全国5 4 条高速公路在不同使_ h j 期实测的路表回弹弯沉为样本建立了以路表 回弹弯沉为设计指标的设计方法。 路面损坏是国内外都比较重视也是研究最多的路面结构性能，特别是对路面结构层的疲劳破坏的研 究比较充分。目前在裂缝扩展的理论研究上采用断裂力学理论与有限元方法相结合来计算裂缝尖端的应 力强度因子，根据p a r i s 公式计算材料的疲劳寿命，为研究裂缝提供了新的方法。但是这些研究大多 把路面结构的破坏过程简单化或者抽象化，与实际的破坏过程脱节。 1 3 沪宁高速公路简况及调研方案 沪宁高速公路建成于1 9 9 6 年9 月，按照部颁公路工程技术标准( j t j 0 0 1 8 8 ) 平原微丘高速公 路标准建设，沪j 高速公路设计车速为1 2 0 k m h ，路基宽2 6 m ，基层与面层具体结构设置分别见表1 - 1 和表1 - 2 。沪宁高速公路设计年限为1 5 年，设计弯沉值( 路表容许弯沉值) 为3 2 ( o 0 1 m m ) ，设计年 限内一个车道上的累计当量轴次为( 2 2 1 。2 9 3 ) 1 0 7 次，采用三层式沥青砼面层，基层与沥青面层间 喷洒l c m 厚的乳化沥青( 慢裂) 封层。 表1 - 1沪宁高速公路基层与底基层结构 苏州段无锡段常州段镇江段 结构段 ( 结构一) ( 结构二)( 结构三)( 结构四) 基层( 二灰碎石) 厚度 3 0 c t n2 5g i n 4 0c m 2 0 9 i n 底基层( 二灰土) 厚度 3 0c m3 5 e r a2 0 e r a4 0 e m 表1 2沪t 高速公路全线设计路面面层结构 层位沥青类型 层厚混合料类型 上面层普通重交沥青a h 7 04 c m a c 1 6 b 中面层普通重交沥青a t t 7 0 6 c l na c 2 5 i 下面层普通重交沥青a h 7 06 c m a c 2 5 全线公路自然区划分别为i v i ( 上海丹阳) 和1 3 2 ( 丹阳一南京) 区，其中苏州2 标、无锡4 标和 常州6 标三个标段的公路自然区划属于i v i 区，镇江1 0 标公路自然区划属于i v 2 。 全线平均填土高度3 7 m ，最高达1 0 m 以上，设计估算最大沉降量达1 5 0 r a m ，一般在3 5 - 4 ) 0 m m 。 3 东南大学硕士学位论文第一章绪论 全线十层主要为弧粘七层、淤泥质粘性十层、亚砂土层、粘士层和粉砂层等组成，土壤含水量常在 2 4 3 2 之间，以孔隙比大于1 0 的淤泥质粘土层为多，孔隙比大于1 3 的软士极少。大多数属中压缩 性土，土壤塑性指数多在2 1 2 6 之间。全年平均温度1 5 一1 6 ，历年最高和最低气温分别为4 3 和1 8 9 ，最人冻土深度1 9 c m ，无霜期2 2 0 - 2 3 0 天，年平均降雨量1 0 5 0 - 1 1 5 0 m m ，年降水日1 1 0 - 1 3 0 天左右， 降水随季节变化较人，多集中于6 - 9 月，雨量占全年5 0 以上，每年6 月下旬至7 月中旬为江南梅雨 季节，常有阴雨连绵现象。 通车8 年来，沪宁高速公路的交通量年均增长达到3 0 ，随着大型车数量的明显增加以及超限车 辆的运行，交通负荷日趋加重，全线范围内沥青路面出现了唧浆、坑槽、裂缝、松散、车辙等不同类型 的病害。2 0 0 5 年5 月江苏省高速公路建设指挥部决定对该路进行扩建。结合扩建过程中对老路面层的 铣刨，对老路进行结构性能、材料性能和病害调研，方案如f ： 首先，根据不同的基层厚度对路面划分段落，形成了本文所述的结构一至结构四，选择每种结构 中具有典型损坏形式的段落，形成了结构调查段，目的是为了了解不同基层厚度对路面性能的影响以及 典型损坏类型发生发展的影响因素。 其次，使用梁式弯沉仪测定路表回弹弯沉，使用地质雷达测量面层和基层的破碎情况以及结合面 脱落情况；对路表损坏进行观察、测量和统计，对主要损坏部位通过钻芯取样观察，判断损坏的原因和 影响深度，同时对各调查段进行大量取样以进行室内试验。 第三，结合扩建施t 过程中对沥青面层的铣刨，观察面层内部的损坏状况特别是裂缝情况；面层 铣刨后，对基层顶面进行损坏测量和统计，并测定基层顶的回弹弯沉和当量回弹模量，着重对裂缝顶部 范围进行弯沉、当量回弹模量的测量；对基层大量取样，以进行室内试验。 第四，采用第三步的方法对基层和底基层进行调研和测量，观察铣刨基层的车道和未铣刨基层的 车道侧壁，测量统计基层底部的裂缝情况。 第五，开挖底基层，对路基进行c b r 、含水量、干密度等指标测定，并着重对裂缝或者破碎部位 进行测量和试验。 第六。室内进行材料性能试验，包括沥青混合料、沥青胶结料、二灰碎石基层和二灰土底基层以 及土基。 1 4 主要内容及技术路线 1 4 1 主要研究内容 ( 1 ) 路面长期使用后材料与结构的性能研究 对使用8 年后的路面材料沥青混合料、沥青胶结料、二灰碎石基层和二灰土底基层常用物理力 学指标及路用性能指标进行室内试验测定，现场检测使_ 8 年后的路面结构性能，结合路面使用初期的 材料与结构性能指标以及历年的养护资料，分析使用8 年后路面材料性能与结构性能的变化特征，分析 车辆荷载、温度、老化和湿度等主要因素对材料与结构性能变化的影响；应用弹性层状体系力学计算软 件计算路面结构使用8 年后的受力情况，分析其变化特征以及对路面设计的影响。并分析气候因素以及 材料的刚度自增长对路面受力的影响。 ( 2 ) 温度裂缝与反射裂缝分析 调研面层、基层、底基层的裂缝情况，对裂缝进行分类统计，然后结合材料与结构性能的研究结 果，分析所发现的温度裂缝和反射裂缝的特殊现象。 ( 3 ) 疲劳现象研究 着重对路面结构层的疲劳现象进行研究，包括表面疲劳t d c 、面层疲劳b u c 以及基层的疲劳裂缝， 并对路面结构的疲劳破坏过程进行计算分析。 4 东南大学硕十学位论文第一章绪论 1 4 2 研究的技术路线 以路面长期性能为主线，根据材料和结构性能指标的测试结果，结合路面建成初期的材料和结构性 能指标调研结果，对路面性能和主要损坏类型路面裂缝进行分析，具体技术路线如图1 - 3 ： 图1 - 3 研究的技术路线 5 东南大学硕士学位论文第= 章路面长期使用后材料性能的试验分析 第二章路面长期使用后材料性能的试验分析 材料性能是路面性能的主要组成部分，也是路面结构性能的基础。一方面通过材料性能试验可以了 解材料性能指标的变化趋势，另一方面可以通过材料指标进行结构力学计算以及评价材料长期性能的优 劣，再者根据检测的材料性能指标可以对路面损坏进行计算分析。 根据上述分析的需要，本章简要列出了沥青混合料、沥青胶结料、二灰碎石基层以及二灰底基层常 用物理力学指标及路用性能指标的测试和统计结果，并结合初期材料性能指标的调研结果，对材料性能 的变化规律和变化原因进行了分析。 2 1 沥青混合料 2 1 1 沥青混合料力学性能 2 1 1 1 抗压回弹模量 沪宁高速公路沥青面层厚度均为1 6 c m ，二灰碎石基层厚度有4 种，为书写和分析方便，本文定义 四个具有不同基层厚度的路段为结构一至结构四( 详见绪论) 。 抗压回弹模量是沥青混合料最基本也是最重要的力学指标，由于在进行沥青路面设计时，计算路表 弯沉和层底拉应力验算分别采2 0 。c 和1 5 时抗压同弹模量，冈此本次试验也采用这两个温度条件。 试件取自沪宁高速公路使用8 年后的沥青面层，所测定的各结构段抗压回弹模量平均值如表2 - 1 。 表2 - 1沥青混合料平均抗压回弹模量( m p a ) 结构段结构一 结构二 结构三 结构四实测平均值初始值 差： 1 5 1 9 4 52 0 8 43 6 3 5 2 7 0 l 2 5 9 l1 8 4 2 2 0 1 8 5 51 1 9 22 7 6 72 2 2 12 0 0 91 2 1 5 注：按照试验规程【”f 采用项面法测定。 表2 1 所示各结构段抗压同弹模量的平均值具有很大的变异性，回弹模量的大小也与基层厚度没有 明显的相关关系。1 5 和2 0 c 模量测定结果相对于初期值分别提高了4 0 和6 5 。 试件取样时存在着以下问题： ( 1 ) 路面损坏段和完好段的取样 在路面损坏比较严重的地段，由于面层破碎而难以取得完整芯样，理论上该部分的抗压回弹模量接 近于粒料抗压同弹模量( 4 0 0 m p a ) ，从而存在着损坏段与完好段数据取舍的矛盾。 ( 2 ) 道路横断面位置上的取样 由于交通量在道路横断面上具有横向分布差异，从而对抗压网弹模量造成了不同的影响：一是荷载 对路面材料所造成的损伤不同；二是荷载对路面材料所造成的后续压实程度不同；三是由于后续压实程 度不同而导致空隙率有所差异，空隙率的差异造成沥青混合料老化和水损程度不同，而三个方面对抗压 回弹模量都具有一定的影响。 把能够确定取样位置的试件的抗压回弹模量测定结果绘制成断面图，如图2 - 1 和2 - 2 。图示结果表 明，1 5 ( 2 和2 0 条件下沥青混合料的抗压回弹模量由超车道位置向行车道及路肩位置逐渐减小，形成 了一个明显的模量梯度。 通常认为，荷载的损伤累积会造成沥青混合料抗压回弹模量的降低，而后续的交通量压实作用会使 抗压回弹模量有所升高。对丁- 老化作用，大量的试验结果表明其抗压同弹模量是升高的，因此国外通常 以老化后的回弹模量与老化前的回弹模量比值来表征沥青混合料的老化程度，特别是s h r p m 4 ) 0 7 中明 6 东南大学硕士学位论文 第二章路面长期使用后材料性能的试验分析 4 0 0 0 勺3 5 0 0 皇 面3 彻 擎2 5 0 0 回2 0 0 0 出 螭1 5 0 0 1 0 0 0 1 52 53 54 55 56 57 58 59 5 距中分带距离( m ) 注：中分带边缘距超车道0 7 5 m ，超车道和行车道宽各3 7 5 m ，下同。 图2 1 横断面上的1 5 抗压回弹模量 0 1 23 45678 距中分带距离( m ) 图2 2 横断面上的2 0 抗压回弹模量 确规定采用回弹模量( a s t md4 1 2 3 ) 、动力模量( a s t md3 4 9 7 ) 来表示“”。越大的空隙率沥青混合 料越容易老化”】，冈此，交通量的后续压实作用所造成的空隙率减小又降低了老化程度，从而降低了抗 压回弹模量的增氏幅度。综合来看，老化是造成沥青混合料抗压同弹模量增长的主要因素。 我国采用车道系数玎来表征柔性路面一个车道上所承担的交通量比例，规范【l ”中车道系数采用 0 6 07 文献【2 0 】对沪宁高速公路交通量进行了分析，得到不考虑小车的超车道车道系数为0 3 8 ，行车 道车道系数为0 6 2 ，因此，超车道承受的实际交通量远远小于行车道，这与抗压回弹模量在断面上的分 布规律是相符的，说明由于交通量作用造成空隙率的减小从而导致行车道老化程度较轻，抗压回弹模量 低于超车道。 2 1 1 2 劈裂强度 劈裂强度也是沥青混合料的一个最重要力学指标，主要表征混合料抗疲劳开裂和低温开裂能力。我 国沥青路面设计规范中要求对整体性结构层进行层底弯拉应力验算，可以说劈裂强度限制了路面最小厚 度。 在1 5 c 条件下，采用万能试验机对5 0 只左右的沥青混合料试件进行了劈裂强度测定，试样来自于 旧路现场，结果如表2 2 。 表2 - 2沥青混合料劈裂强度( m p a ) 结构段结构一结构二结构三结构四平均值初期值增加( ) 上面层 2 0 12 5 82 5 13 0 7 2 5 91 3 69 0 4 中面层 2 2 22 6 82 3 92 7 72 5 31 4 47 5 7 下面层 2 2 22 4 83 0 12 3 92 5 31 4 17 9 4 试验结果表明，相对于初期的沥青混合料，经过8 年使用后其劈裂强度平均值增加了7 5 9 0 ， 7 舢 舢 枷 舢 勺垒一哪辎截匝域辐 东南大学硕士学位论文第= 章路面长期使用后材辩性能的试验分析 末期上、中、l - 面层沥青混合料劈裂强度基本相同，8 年前后对比柱状图如2 - 3 。 口初期口8 年后 。黧 皇2 0 | | l 1 5 躲：焉 上面层中面层 下面层 图2 3路面使用8 年前后劈裂强度对比图 影响劈裂强度的外因主要是老化和车辆荷载，老化会促使沥青混合料变硬从而提高了劈裂强度， s h r p 所进行的长期老化试验( s t o a ) 结果表明，沥青混合料老化后与老化前劈裂强度比值在1 1 2 1 7 5 之间1 ；而荷载的作用是双向的，其中荷载所造成的损伤累积会降低材料的劈裂强度，而荷载作用所造 成的后续压实( 也即空隙率的减小) 使材料的劈裂强度有所提高。由于上、中、下面层混合料末期劈 裂强度相差不大，由此可以推断老化作用对劈裂强度的影响比较小，符台s h r p 的试验结果。 从影响因素上来看，劈裂强度与抗压同弹模量具有相似性。采用与抗压回弹模量相同的方法来观察 道路横断面上劈裂强度的变化特征，绘制图如2 4 、2 - 5 和2 - 6 。 一4 重s 簧z 蘩- 0 0 1 23 4 5 6 7 8 91 01 1 1 2 距中分带距离0 i ) 4 2 3 弓2 釜 饕o 01234567891 0 1 1 1 2 距中分带距离( m ) 图2 _ 4 上面层劈裂强度的断面分布图2 5 中面层劈裂强度的断面分布 图示表明，上面层和中面层末期劈裂强度在横断面上的分布没有太大差异，但超车道与路肩位置稍 微低予行车道位置。下面层劈裂强度的分布具有明显的波形规律，这与抗压回弹模量在断面上的分布特 性是不同的。 距中分带距离( ) 图2 - 6下面层劈裂强度的断面分布 分布特性的不同表明劈裂强度和抗压回弹模量的主要影响冈素与影响程度有所不同。从老化方面来 看，上、中、下沥青面层的老化程度差异很大，根据文献【8 】中的试验结果，上面层老化比较严重从而 劈裂强度最高，而中下面层老化相对比较轻从而劈裂强度较低，这也符合本文的试验结果，同时后文动 稳定度测试结果也证明了这一点；各结构层承受的压应力是不同的，上中下面层依次减小，连续状态下 上、中、下面层底都承受压应力，而光滑状态下都承受拉应力。因此下面层相对处于最不利于劈裂强度 8 j星越嚼群躲 东南大学硕士学位论文 第一二章路面长期使用后材料性能的试验分析 升高的位置。 2 1 2 沥青混合料路用性能 2 1 2 1 高温抗车辙能力 我国公路沥青路面设计规范( j t j 0 1 4 - 9 7 ) 和沥青与沥青混合料试验规程( r f j 0 5 2 2 0 0 0 ) 中 主要是采用车辙试验结果即动稳定度d s ( d y n a m i cs t a b i l i t y ) 来表示其高温抗车辙能力的大小，计算 式如2 1 ： d s ：( t 2 _ - - t t ) x 广n x c l c 2 ( 2 - 1 ) 其中：d l 、d 2 分别为对应时间f 1 、t 2 ( 4 5 r a i n 和6 0 m i n ) 的变形量，m ； c 、c ，分别为试验机修正系数和试件系数； 试验轮往返碾压速度，通常为4 2 次 m i n 。 动稳定度试件要求是新拌混合料，不允许二次重塑。本次试验目的是评价经过多年使用后沥青混合 料高温性能的变化，其中也包括老化造成的影响，试验采用现场切割试件的方法直接进行动稳定度的测 定，避免重塑过程中的老化现象。试验结果如表2 - 3 和图2 - 7 ： 表2 - 3 沥青混合料高温稳定性试验结果( 次m ) 结构段结构一结构二结构三 平均值 初期 上面层1 6 9 71 0 8 89 8 51 2 5 7 上面层3 7 0 6 3 9 3 83 1 5 03 5 9 8 8 年后 中面层1 5 3 71 9 0 92 7 3 9 2 0 6 2 下面层2 7 3 91 4 0 01 8 3 61 9 9 2 注：表中上面层初期数据指上面层a c 1 6 b 中下面层无初始数据。 逞 g 魁 删 嚣 播 结构一结构二结构三平均值 图2 - 7路面使用8 年前后动稳定度对比图( 上面层) 表2 - 3 中的试验结果表明，8 年后上面层沥青混合料的动稳定度增加了3 倍，各结构段基本上都在 2 3 5 倍左右。这说明8 年后沥青混合料的高温抗车辙能力人幅度提高。 老化是造成混合料动稳定度升高的主要冈素。公路工程沥青及沥青混合料试验规程( 2 0 0 0 4 ) 6 - 1 5 ) 认为：重塑制作试件的动稳定度可能高出新制作试件的2 倍甚至好几倍，其原因是沥青混合料经历了一 次老化过程，本文试验结果与此相符。动稳定度的升高是由于沥青混台料经过8 年的自然老化( 也包括 一个短期老化过程) 所造成的，即相对于初期的沥青混合料，其抗车辙能力随着使用时间的增加而逐渐 增加。 中下面层分别采用a c 2 5i 型和a c 一2 5 i i 型沥青混合料，由于所使用的沥青种类相同，根据通常的 规律( 动稳定度随粒径变粗而升高) ，中下面层的初期动稳定度大于上面层。但测定结果表明8 年后中 9 东南大学硕十学位论文 第二章路面长期使用后材料性能的试验分析 下面动稳定度基本相同，都远低于上面层，这说明上面层的老化程度远大于中下面层。 8 年的老化与重塑制作一次的老化结果使动稳定度增加的幅度相差不大。表2 - 4 是二次加热老化的 试验结果，这说明，施工阶段的短期老化对沥青混合料动稳定度影响很大，而长期老化所占的比重很小。 也就是说，沥青混合料在路面建成后动稳定度即达到了一定的程度，在长期使用过程中，动稳定度的变 化不大，也就是高温抗车辙性能变化不人。 表2 _ 4重塑试件动稳定度试验结果( 次m ) 8 1 i 沥青混合料 a c 1 3a c 1 6现场取样 l 新拌沥青混合料1 0 8 6 1 0 2 b7 4 2 l - 二次加热混合料2 9 5 43 2 5 8 2 8 0 0 2 1 2 2 低温抗裂性能 低温条件f 沥青混合料会产生体积收缩，从而在路面内部产生较大的拉应力。再加上荷载的作用会 造成路面开裂并促使裂缝扩展。 采用小梁微型万能试验机在一l o o 条件下测定沥青混合料的弯拉破坏应变和弯拉劲度模量，加载速 率为l m m m i n ，试件尺寸为长2 5 0 4 - 2 o m m ，宽3 0 4 - 2 o m m 、高3 5 4 - 2 o m m 的棱柱体小梁，跨径为2 0 0 4 - o 5 m m 。试样采用现场切割的办法制作小梁试件，试验结果如表2 - 5 。 表2 5低温弯拉强度试验结果 层位指标 结构一结构二结构三中间值初期值 上面层破坏戍变( i t ) 3 2 3 2 62 8 3 6 52 5 9 0 82 8 3 63 0 4 5 劲度模量( m p a ) 1 5 9 9 9 2 3 0 3 2 8 2 8 2 5 5 9 8 2 3 0 3 7 中面层破坏戌变( ue )1 7 0 6 33 9 2 6 63 9 0 6 4 3 9 2 62 9 7 0 劲度模量( m p a )1 2 8 1 0 2 1 3 4 2 9 1 2 2 3 1 8 02 1 3 4 8 下面层 破坏应变( ue )1 9 5 8 44 6 4 6 92 2 7 12 2 7 1 2 9 2 4 幼度模量( m p a ) 2 1 0 7 41 8 1 2 42 0 0 2 4 2 0 0 22 8 7 4 试验结果表明，8 年后面层沥青混合料的低温破坏戍变普遍比初期低，说明沥青混合料的低温抗开 裂能力降低了。从后文沥青性能的测定结果来看，其1 5 ( 2 延度降低了8 6 9 ，由于沥青胶结料对沥青 混合料的低温抗开裂能力有9 0 的贡献嘲，因此沥青低温性能比初期下降，与混合料测试结果一致。 2 1 3 沥青混合料的组分及物理指标 2 1 3 1 沥青含量 沥青含量对沥青混合料的高温稳定性、耐久性具有显著的影响，同时会影响施工和易性以及沥青混 合料的力学性能。 采用离心式抽提仪测定旧路沥青含量，结果如表2 - 8 。 表2 - 8沥青混合料沥青含量检测结果( ) 上面层中面层下面层 结构段 油石比设计油石比油石比设计油石比油石比设计油石比 结构一 5 3 9 4 9 4 2 24 34 1 43 8 结构二5 0 74 8 4 4 6 4 34 3 03 8 结构三5 2 34 84 3 54 3 4 3 1 3 8 结构四5 2 84 74 3 44 34 2 83 8 平均值 5 2 44 84 3 44 34 2 6 3 8 从表2 - 8 能够看出，上、中、下面层的油石比平均值比设计油石比大，其中上、下面层偏大了0 4 5 左右，中面层则和设计值比较接近，偏大了0 0 4 ，具体如图2 - 9 。 l o 东南大学硕士学位论文第二章路面长期使用后材料性能的试验分析 j 四 晨 磐 羞 恒 震 结构段 图2 9各结构段上、中、下面层油石比增加图示 本次沥青抽提试验试件数量达4 0 只，不会产生样本过少带来的试验误差。二次验证试验表明，试 验结果没有人为因素影响。从后文抽提沥青的溶解度可知，8 年前后溶解度基本没有变化，说明抽提试 验中沥青里漏入矿粉很少。 笔者调研了一些施t ：资料，结构二某标段1 7 天施工期内共对上面层沥青混合料a c 1 6 b 进行了2 3 次的沥青抽提、集料筛分试验和1 7 次马歇尔试验，抽提试验的油石比为4 7 0 , - - 4 8 2 ( 限于篇幅，具体 未列出) ；结构一可查证的三组上面层沥青混合料a c 1 6 b 现场抽提试验油石比为4 6 5 0 4 ，偏差均 在设计值0 2 左右，这说明施i ：因素不是导致沥青含量偏人的原因。 许多研究者认为【l 】【4 】，中面层沥青由于水损害和车辆的碾压吸附作用会重分布到沥青上面层，从而 可使上面层沥青含量增加。但这种“迁移”会造成中面层沥青含量的降低，与实测结果不符。 2 0 0 1 年东南大学对沪宁高速公路上面层a c 1 6 b