（道路与铁道工程专业论文）冷再生沥青路面结构设计方法研究.pdf

硕l j 学位论文 摘要 我国经济的繁荣，促进了交通事业的发展。至2 0 0 7 年底我国公路通车总里程 已经达到3 5 8 万公里，其中高速公路5 3 9 万公里。我国现有公路中，2 0 世纪9 0 年代修建的已经陆续进入大、中修阶段。对于在沥青路面养护、维修和改造过程 中所产生的大量废弃材料，通过再生加以利用是当代公路建设中一项具有战略意 义的重大举措。 我国沥青路面再生研究起步相对较晚，迄今的工作多集中在材料方面，就冷 再生沥青路面的结构设计而言，目前还没有形成一个完整的方法。本文试图借鉴 国际上已有研究成果，在分析和实验室试验的基础上，同时结合我国实际情况， 探讨冷再生沥青路面结构设计方法，构建一个完整的冷再生沥青路面结构设计方 法。 在设计方法的构建中，建立冷再生沥青路面结构设计应当遵循的原则；建议 冷再生沥青路面上表面层的最小厚度，以抵抗冷再生沥青混合料初期可能的磨耗 与松散损坏；建议冷再生沥青混合料以1 5 0 c 劈裂抗拉强度为指标分为四类：建议 冷再生沥青路面的表面层、再生层和基层三层结构组合，阐明冷再生沥青路面的 结构设计在很大程度上与改建类似，只需将原路面当量回弹模量替换为基层顶面 当量回弹模量，冷再生沥青路面再生层的厚度可以采用改建路面设计的方法计算 确定；给出常用冷再生沥青路面材料厚度设计图以方便初步设计应用。最后，应 用本文中提出的设计方法，设计并修筑了冷再生沥青路面试验路段。试验路段通 车一年以来，道面没有明显破损现象，弯沉、平整度检测结果良好，达到预期目 的，分析显示，试验路经济效益达到3 9 6 ，社会效益显著。 关键词：沥青路面；沥青混合料；冷再生；结构设计；厚度计算 a b s t r a c t lh e p r o s p e r i t y o fo u r c o u n t r y se c o n o m yp r o m o t e st h e d e v e l o p m e n to f t r a n s p o r t a t i o ne n t e r p r i s e b yt h ee n do f2 0 0 7 ，t h et o t a lm i l e a g eo fo u rc o u n t r vh a s a c h i e v e d3 , 5 8 0 ，0 0 0 k i l o m e t e r s ，o fw h i c ht h ef r e e w a yi s 5 3 ，9 0 0k i l o m e t e r s h a s a l 咒a d ye n t e r e di n t ot h es t a g eo fh e a v ya n dm e d i u mm a i n t e n a n c eb u i l ti nt h e19 9 0 s a m a s so fm a t e r i a l s ，a b a n d o n e di nt h eb i t u m e np a v e m e n tm a i n t e n a n c e ，r e h a b i l i t a t i o n a n d 。e c o n s t r u c t i o n ，a r er e u s e dt h r o u g hr e c y c l i n g ，w h i c hh a st h es t r a t e g i c s i g n i f i c a n c e i nt h ep r e s e n th i g h w a yc o n s t r u c t i o n t h er e s e a r c ho nc o l dr e c y c l i n ga s p h a l tp a v e m e n ti s s t a r t e dl a t ei n0 u rc o u n t r y ， a n dal o to fw o r ki sf o c u s e do nm a t e r i a l s a tp r e s e n t ，t h e r ei s n ，t ac o m p l e t es t a n d a r d f o rs t r u c t u r a l d e s i g nm e t h o do f c o l dr e c l a i m e da s p h a l tp a v e m e n t s i nt h i s p a p er b a s i n go nt h ea n a l y s i sa n dl a be x p e r i m e n t ，a tt h es a m et i m ec o m b i n i n gw i t ht h ea c t u a l s l t u a t i o ni no u rc o u n t r y ，t h ea u t h o rt r i e st ou s ef o r e i g nr e s e a r c hr e s u l t s ，d i s c u s s e st h e s t r u c t u r a l d e s i g nm e t h o d so fc o l dr e c l a i m e da s p h a l tp a v e m e n t s ，a n d d e v e l o p e sa c o m p r e h e n s i v em e t h o df o r t h es t r u c t u r a ld e s i g no fc o l dr e c l a i m e da s p h a l t p a v e m e n t i nt h e d e v e l o p m e n to ft h e m e t h o d ，p r i n c i p l e sf o rc o l dr e c l a i m e da s p h a i t p a v e m e n td e s i g na r ee s t a b l i s h e d w i t ht h ep r i n c i p l e s ，t h em i n i m u mt h i c k n e s so f s u r f a c ec o u r s eo v e rc o l d r e c y c l e d l a y e ri ss u g g e s t e dt or e s i s tt h ep o l i s h i n ga n d d i s p e r s i n gd a m a g ei nt h eo r i g i n a lp e r i o do ft h ec o l dr e c y c l i n ga s p h a l tm i x t u r e t h e c l a s s i f i c a t i o no fc o l dr a pm a t e r i a l si s s p e c i f i e df o u rt y p e sb yt h e1 5 。ci n d i r e c t t e n s i l es t r e n g t h ，a n dat h r e e l a y e r e ds t r u c t u r a ls y s t e mi s s u g g e s t e d i ti si n d i c a t e dt h a t t h et h i c k n e s so fc o l dr a p l a y e rc a nb ed e t e r m i n e dw i t hp r o c e d u r e ss i m i l a rt 0t h o s e f o rd e s i g n i n go v e r l a y s j u s tt a k i n gf o u n d a t i o ne q u i v a l e n tr e s i l i e n tm o d u l u s i n s t e a do f f o r m e rp a v e m e n te q u i v a l e n tr e s i l i e n tm o d u l u s ，t h et h i c k n e s so fc o l dr a p l a y e rc a nb e c a l c u l a t e db yp a v e m e n tr e c o n s t r u c t i o n d e s i g nm e t h o d ，a n dc h a r t sa r ep r o v i d e df o r c o n v e n i e n c ei nt h i c k n e s sd e t e r m i n a t i o no fc o m m o nr a pm a t e r i a l s f i n a l l y , i t i s s u c c e e d e dt o a p p l yt h em e t h o dt od e s i g na n dc o n s t r u c tac o l d r e c y c l i n ga s p h a i t p a v e m e n t a f t e ro p e n e dt ot r a f f i cf o ro n ey e a r ，t h e r ei sn od a m a g eo b s e r v e da tt h e s u r f a c eo ft h ep a v e m e n t ，a n dt h et e s t i n gr e s u l t so fd e f l e c t i o na n dr o u g h n e s sa r ew e l l b a s e do na n a l y s i s ，e c o n o m i ce f f i c i e n c yo ft h er o a da c h i e v e s3 9 。6 ，s o c i a le f f i c i e n c v i sr e i n a r k a b l e 硕i ：学位论文 k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；a s p h a l tm i x t u r e ；c o l dr e c y c l i n g ；s t r u c t u r a ld e s i g n ； t h i c k n e s sd e t e r m i n a t i o n i v 冷雨乍沥青路向结构设计方法研究 插图索引 图1 1 几种典型的沥青路面损坏2 图1 2 美国纽约州一乡村公路路面冷再生前后对比3 图2 1a a s h t o 沥青路面设计诺模图9 图2 2a i 混合料类型a 的冷再生结构设计1 1 图2 3a i 混合料类型b 的冷再生结构设计一1 1 图2 4a i 旧粒料基层上冷再生沥青混合料一1 2 图2 5 南非e t l 乳化沥青混合料基层路面建议结构1 5 图2 6 南非e t 2 乳化沥青混合料基层路面建议结构。1 6 图3 18 0 - k ne s a l 与b z z 1 0 0 累计轴次关系1 8 图3 2a i 设计方法e s a l 、b z z 1 0 0 与最小面层厚度关系1 9 图3 3 沥青路面建筑材料基本特性的概念表示2 0 图3 4 六种冷再生沥青混合料集料级配2 2 图3 5 冷再生混合料成型过程2 3 图3 61 0 0 r a p 沥青混合料干密度作为含水量的函数2 4 图3 7r a p 含量与2 0 。c 及1 5 0 c 抗压回弹模量关系一2 8 图3 8r a p 含量与1 5 。c 劈裂抗拉强度关系2 8 图3 9i i 类冷再生材料沥青路面结构厚度设计3 3 图3 1 0i i i 类冷再生材料沥青路面结构厚度设计一3 4 图4 1 试验路段原路面病害3 5 图4 2 试验路冷再生沥青混合料设计级配3 9 图4 33 0 r a p a c 2 0 普通乳化沥青冷再生混合料最佳用水量曲线4 0 图4 45 0 r a p a c 2 0 改性乳化沥青冷再生混合料最佳用水量曲线4 0 图4 53 0 r a p 普通乳化沥青混合料最佳油石比试验结果4 1 图4 63 0 r a p 改性乳化沥青混合料最佳油石比试验结果4 1 图4 75 0 r a p 改性乳化沥青混合料最佳油石比试验结果4 2 图4 8 试验路路面结构方案4 4 图4 9 双滚筒厂拌再生设备4 4 图4 1 0 正在装料的运输车4 5 图4 1 1 已装车的冷再生混合料4 5 图4 1 2 压实后的冷再生路面4 6 v 硕f ：学位论文 附表索引 表2 1a a s h t o 典型再生沥青混合料结构层系数9 表2 2a i 冷再生混合料集料级配1 1 表2 3a i 冷再生基层上最小面层厚度1 2 表2 4a i 折算系数1 3 表2 5 南非乳化沥青混合料的分类1 3 表2 6 南非各类乳化沥青混合料的典型组成1 4 表2 7 南非各类乳化沥青混合料的路面设计参数1 4 表3 1 建议的冷再生沥青路面最小面层厚度与原j t j0 1 4 规范推荐面层厚度1 9 表3 2 最佳含水量试验结果2 4 表3 3 不同方法确定的百分比最佳油石比2 5 表3 4 马歇尔试验和劈裂试验结果2 6 表3 5 单轴压缩试验抗压强度与抗压回弹模量2 7 表3 61 5 0 c 劈裂试验结果一2 9 表3 7 建议的冷再生沥青路面材料分类3 0 表3 8 建议的冷再生沥青路面结构3 0 表4 1 浙江$ 2 2 省道历年混合交通量3 5 表4 2 原路面回弹弯沉检测值3 7 表4 3 试验路近期交通组成与交通量3 8 表4 4 冷再生混合料性能指标汇总表4 3 表4 5 沥青混合料设计参数取值( m p a ) 4 3 表4 6 弯沉检测综合数据结果4 7 表4 7 平整度检测综合数据结果4 7 表4 8 冷再生混合料成本4 9 表4 9 冷再生混合料的毛效益5 0 表4 1 0 使用冷再生混合料的净效益一5 1 表b 4 1i i 类冷再生材料沥青路面结构厚度计算数据6 1 表b 4 2i i i 类冷再生材料沥青路面结构厚度计算数据6 3 v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 律后果由本人承担。 作者签名：事知缉 日期：加昭年占月，弓日 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。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期： 洲年 参月i3 日 日期：。昭年多月1 3 , 日 瓠一 痨 口h1j 嘴刁 w 丁j 7 名名签签者师作导 硕l ：学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 1 1 1 我国公路路面现况 2 0 世纪8 0 年代以来，我国公路建设以前所未有的速度发展。进入“十一五 期间，全国公路总量持续增长，截至2 0 0 7 年底，全国公路总里程达3 5 8 3 7 万公 里；路网结构进一步改善，国道、省道里程里程进一步增长，全国公路总里程中， 国道1 3 7 1 万公里，省道2 5 5 2 万公里；公路技术等级和路面等级进一步提高。 全国等级公路里程2 5 3 5 4 万公里，占公路总里程的7 0 7 ，比上年末提高4 7 个 百分点；公路密度进一步提高，全国公路密度为3 7 3 3 公里百平方公里，比上年 末提高1 3 2 公里百平方公里，全国通公路的乡( 镇) 占全国乡( 镇) 总数的9 9 o t 1 1 。 沥青路面作为一种无接缝的连续式路面，具有许多优点：平整、行车平稳舒 适、噪音低、耐久、抗滑、防渗、便于维修等，已成为目前公路路面的主要形式 之一1 2 1 。在我国，沥青路面在公路路面中占有的比例越来越大，至2 0 0 7 年底，全 国等级公路里程2 5 3 5 4 万公里，有铺装路面1 2 5 0 3 万公里，其中沥青混凝土路 面4 0 1 6 万公里；在发达国家，沥青路面也被广泛采用，美国的公路9 0 以上是 沥青路面。 1 1 2 我国沥青路面改建现状 随着时间的增长，沥青路面材料在交通与环境作用下逐渐老化、强度降低， 沥青面层的损坏( 损害、破坏) 现象逐渐增多，主要可表现为松散、坑洞、车辙 变形、疲劳裂缝等【3 】，图1 1 是几种典型的沥青路面损坏形式。在路面这些表象 发生以前，损坏可能已经相当严重，必须加以维修和改建。沥青路面的损坏可以 发生在路面使用期间任何时期，防止路面损坏的最好办法是良好的设计与施工。 发达国家的经验表明，通常情况下，公路交付使用后，短则五、六年，长则十来 年，沥青路面需要不同形式的改建维修，可以是加铺结构层、沥青混凝土罩面等 形式。在我国，公路建设的不断发展，高速公路和国、省道干线路网的形成，公 路养护与维修任务日益繁重，按照沥青路面8 1 5 年的设计年限，从现在起，每 年约1 0 的沥青路面进入中修、大修或重建。目前来看，我国沥青路面的真正使 用寿命远没有达到设计寿命，一般在通车3 5 年就要翻修面层【4 1 。因此，我国沥 青路面改建面临着巨大的任务，而改建每年产生的旧沥青混合料达到数百万吨之 巨，如能把旧沥青混合料再生利用，每年可节省大量的道路建筑材料。 n m 膏路血结构世”方“、 究 a ) 松散、坑洞 b ) 开裂 c ) 车辙 图11 几种典型的沥青路面损坏 1 1 3 沥青路面再生技术及实际意义 按照沥青路血8 1 5 年的设计年限，从现在起，每年约1 0 的沥青路面进入 l j 修、大修或重建。因此，每年产生的口沥青混合料达到数卣月吨之巨，如能把 旧沥青混合料再生利用，每年可节省材料费用数亿元人民币这一数字还以每年 1 5 的速度在增长。另方面，假如这些为数巨大的沥青混合料不予利用，不仅 浪费了资源也会对环境造成严霞的污染，主要表现在如下几个方面的负面影响： ( 1 ) 大量开采新集料使不能在中、短期内再生的石矿资源日趋枯竭，破坏自然 环境，引起水土流失；( 2 ) 大量废弃的沥青混合料需要巨大的场地来堆存，而沥 青义不能在短期内自然分解，经过日晒雨淋后，对周围水土、空气造成环境污染， 需要花费额外的资金来治理环境污染；( 3 ) 废料中的集料与沥青均不可能以人类 文明史的年限来再生，这种资源旦枯竭，就消耗完牛，从而影响社会的可持续 发展，也影响社会与自然的多样性、丰富性。 近年来，由r 公路养护事业的发展，以及资源供应的n 益紧张，加之人们环 境保护意 = l 的增强，沥青路面再生技术越来越引起公路养护部门的重视。 澌青路而再生技术是指将旧沥青路面材料( 主要是面层材料，有时也包括部 分基层材料) 适当加工，按比例加入一定量的胶结材料或再生剂( 水泥、石灰、 泡沫沥青和乳化沥青等) ，需要时加入部分新集料，制成混合料重复利用的路面养 护维修技术。按照不刚的工艺，可以分为热再生技术和冷再生技术1 5 , 6 1 。热再生技 术包括就地热再生和厂拌热再生，冷再生技术包括厂拌冷再生和就地冷再生。冷 再 ：足在自然环境温度下完成沥青路面的翻挖、破碎、新材料的添加、拌和、摊 铺及压宴成型，重新形成路面结构层的一种工艺方法，丰要用作公路路面的基层 或底基层也可作为低等级公路的面层。热再生技术主要用于恢复老化沥青的粘 结性能，重新发挥沥青的胶结料作用，将沥青资源再生利用因此用于热再生的 材料只能是沥青面层材料。而冷再生技术主要是将原有的路面材料加以蕈复使用， 原有的路面材料主要起骨料的作用，因此用于冷再生的路面材料不仅可以是沥青 面层材料还可以足无机结合料稳定的基层材料。 与热再生相比，冷再生不仅可以节约能源和资源，1 0 0 利用旧沥青混合料， 而且可以延长施工季节，改善施工人员的工作条件，减少环境污染。与其他传统 的施工方法相比，冷再生般可以节省总投资4 0 一5 0 1 7 + l z l ，还可以有效的解决 原路面的车辙、开裂等精害。图12 所示为美国纽约州一乡村公路路面冷再生前 后对比 5 , 6 1 。 a ) 冷再生前 j 、。蛭 。鼍“。， b ) 冷再生后 图12 美国纽约州一刍村公路路面冷再生前后对比 冷再生沥青路面结构设计方法研究 1 2 沥青路面再生技术国内外研究现状 1 2 1 国内应用现状及相关研究 我国在早期曾不同程度地利用废旧沥青混合料来修路，但都将其作为废料利 用，一般只用于轻交通道路、人行道或道路垫层【13 1 。1 9 8 2 年山西省结合油路的大 中修工程铺筑沥青再生试验段8 0 余公里。1 9 8 3 年建设部曾下达了“废旧沥青混合 料再生利用”的研究项目。湖南省将乳化沥青加入渣油表处面层材料，并分别用拌 和法和层铺法修筑了再生试验路( 冷再生) 用于低等级公路沥青路面。甘肃省兰 州公路总段从1 9 8 3 年以来采用阳离子乳化沥青作再生剂对夏兰路、兰包路、甘川 路修筑了冷法再生沥青路面，同时对兰空榆中机场专用道路、中川路、西兰路、 兰三路修筑了热法再生沥青路面。云南省1 9 8 3 1 9 8 8 年分别对昆洛、昆畹、贵昆 路进行了再生沥青路面的试验研究【1 3 , 1 4 】。 1 9 9 8 年1 0 月邯郸市交通局引进了世界最先进的再生机一德国维特根公司的 w r 2 5 0 0 ，首次利用现场再生技术对河北省境内的一段路进行了改造。沪宁高速 公路上海段大中修工程采用沥青路面现场热再生技术迸行表面作业，该设备和技 术由上海浦东路桥建设股份有限公司从国外引进，并于2 0 0 2 年底在浦东的几条主 要公路上得到了成功应用。2 0 0 2 年京津塘高速公路对部分老化严重的沥青路面进 行了就地热再生，广佛高速公路改造工程也采用厂拌热再生技术进行施工，2 0 0 3 年河北省石安高速公路管理处也对部分老化严重的路段进行了就地热再生，以恢 复路面的行驶性能，并将再生沥青混合料作为高速公路底面层。2 0 0 6 年，江苏省 在沪宁高速公路改扩建工程中采用了沥青路面厂拌冷再生作为柔性基础，取得较 好效果；江西昌九高速维修工程也将乳化沥青厂拌冷再生对旧沥青路面进行再生 处理并应用于基层1 1 5 l 。 这些旧沥青路面再生利用工作都取得了成功，为我国旧沥青路面再生提供了 宝贵经验，为进一步的工作奠定了重要基础。但是，总的说来，沥青路面再生技 术在国内的研究目前仍处于开始阶段，在实际工程中虽有应用，但没有得到大规 模的推广。作为一项技术，目前尚未形成系统。就冷再生沥青路面的结构设计而 言，目前还没有一个完整的方法，也未见有相关的文献资料。 1 2 2 国外应用现状及相关研究 废旧沥青路面材料再生利用的试验研究，最早是1 9 1 5 年在美国开始进行的， 但以后由于大规模的新路建设，且由于再生沥青混合料的性价比与新拌沥青混合 料差距较大和施工关键设备不能满足人们的期望，故对这项技术没有引起足够的 重视1 1 6 1 。 4 硕l j 学位论文 1 9 7 3 年由于石油危机的爆发，燃油供应困难，而且由于严格的环保法制，又 使砂石材料的生产受到限制，导致了建设资金的减少和筑路材料的供应不足，废 旧沥青路面材料的再生利用才又引起了人们的重视1 1 6 】。1 9 7 4 年美国重新开始研究 这项技术，且伴随着施工关键设备如间歇式拌和机及路面铣刨车的研制成功，再 生沥青路面迅速在全美推广应用。 美国沥青路面热再生技术可以分为二种形式，其一为现场热再生，通过一系 列重型设备将旧沥青路面加热到一定的温度后软化分散、加入再生剂进行路拌和 压实。其二为厂拌热再生，采用铣刨机将旧沥青路面清除，铣刨料经过热再生技 术处理后与新拌沥青混合料混合重新用于沥青路面的铺筑。至于采用何种热再生 技术应对旧沥青路面的破损程度及沥青的老化程度进行试验与评估并根据路面的 使用要求进行确定。1 9 8 1 年美国交通运输研究委员会编制出版了路面废料再生 指南，同年美国沥青协会出版了沥青路面热再生技术手册，1 9 8 3 年又出版 了沥青路面冷拌再生技术手册。根据美国联邦公路管理局统计，到1 9 9 5 年2 5 个州再生沥青混合料的用量就达到近2 亿吨，差不多为美国全国路用沥青混合料 的一半。这表明美国的沥青路面再生技术己经达到了相当成熟的地步。 日本从1 9 7 6 年开始进行了沥青路面再生技术的研究，1 9 8 4 年7 月，日本道 路协会出版了路面废料再生利用技术指南，并且就有关厂拌再生技术编制了 手册。欧洲一些国家对沥青路面再生技术的研究也在同一时期展开。2 0 世纪7 0 年代中期，德国、荷兰和芬兰等国家相继进行了小规模的试验研究，并迅速推广 应用。相比之下，德国沥青路面再生技术研究的发展速度较快，居欧洲之首位。 法国对沥青路面再生技术的研究也颇为重视。前苏联在1 9 6 6 年就出版了沥青混 凝土废料再生利用技术的建议，但实际应用甚少，1 9 7 9 年出版了旧沥青混凝 土再生混合料技术准则，提出了适用于各种条件下的沥青路面材料再生利用方 法，1 9 8 4 年又出版了再生路用沥青混凝土一书，该书详细地阐述了路拌再生 和厂拌再生的方法。 国外一些国家的沥青路面再生研究起步较早，已经形成一个技术系统。作为 沥青路面再生技术基础与重要组成部分的冷再生沥青路面结构设计，一些交通部 门和组织机构对冷再生沥青路面进行了大量研究，有的国家对这些研究成果进行 研究整理，已经形成了相对完整的方法。美国沥青协会出版的沥青路面冷拌再 生技术手册【1 6 】中详细介绍了沥青路面冷再生的混合料设计方法、结构设计方法、 施工工艺等内容。美国n c a t ( n a t i o n a lc e n t e rf o ra s p h a l tt e c h n o l o g y ，国家沥青 技术中心) 1 9 9 7 年的报告全面总结了沥青路面再生的研究成果【5 j ，其中包括了沥 青路面冷再生的结构设计的研究成果。 冷雨生沥青路面结构设计方法研究 1 3 本文主要研究内容及意义 目前沥青路面再生技术在国内的研究仍处于开始阶段，作为一项技术，目前 尚未形成系统，就冷再生沥青路面的结构设计方法而言，目前还没有一个完整的 方法。为此，中国交通部于2 0 0 5 年开展了西部交通建设科技项目“沥青路面再生 利用关键技术研究”，本文即依托于该项目子课题“沥青路面厂拌冷再生关键技 术研究”，项目编号2 0 0 4 3 1 8 0 0 0 0 2 。通过本文的研究，将在国内外已有成果的基 础上，结合我国国情，根据道路的自然条件与使用条件，参考实验室试验结果， 通过论证、计算，确定冷再生沥青混合料的适用层位和厚度，建议冷再生沥青路 面结构设计方法。从而为我国道路设计人员在设计冷再生沥青路面时提供一个参 考和技术支持。主要研究内容包括以下几个方面： ( 1 ) 确定冷再生沥青路面结构设计的基本原则； ( 2 ) 确定的冷再生沥青混合料之上表面层最小厚度； ( 3 ) 冷再生沥青路面材料的分类； ( 4 ) 推荐结构与厚度设计： ( 5 ) 依托工程项目实施。 硕f j 学位论文 第2 章现有冷再生沥青路面结构设计方法综述 道路沥青路面冷再生是沥青路面再生的一部分，也是沥青路面技术整体的一 部分。相应地，冷再生沥青路面结构设计是再生沥青路面结构设计的一部分，也 是沥青路面结构设计的一部分。伴随着沥青路面冷再生的实践，也逐步开展了对 冷再生沥青路面的结构设计方面的研究，在国外一些国家的沥青路面再生研究起 步较早，已经形成一个技术的系统，有的国家已经形成了相对成熟的方法。本章 介绍美国a a s h t 0 ( a m e r i c a na s s o c i a t i o no fs t a t eh i g h w a ya n dt r a n s p o r t a t i o n o f f i c i a l s ，美国各州公路与运输官员协会) 和a i ( a s p h a l ti n s t i t u t e ，沥青协会) 以 及南非的冷再生沥青路面结构组合设计相关研究与方法。 2 1a s s h t o 方法 a s s h t o 是代表各州、各种运输模式的行业组织，美国大部分公路都是用 a a s h t o 路面结构设计指南【”l ( a a s h t og u i d ef o rd e s i g no fp a v e m e n t s t r u c t u r e s ) 设计的。a a s h t o 指南源于试验，是二十世纪五、六十年代大规模现 场试验的产物，属经验法。a a s h t o 自首次发行1 9 6 1 版中间指南试用以来，每 若干年修订一次，现行的是1 9 9 3 版。1 9 9 6 年启动，迄今已耗费数百万美元的力 学经验设计指南( m e c h a n i s t i c e m p i r i c a ld e s i g ng u i d e ，原称2 0 0 2 指南) 正在独 立审查、地方标定等过程中，尚未正式颁布实施。 对于沥青路面厚度设计，a a s h t o 指南中将不同的车辆荷载换算为标准轴载 的当量作用次数，标准轴载为1 8 k i pe s a l ( 1 8 k i pe q u i v a l e n ts i n g l ea x l el o a d ) ， 即单轴、轴重p = 1 8 千磅力8 0k n 的轴载。e s a l 当量作用次数根据荷载对路 面损害等效的原则确定，等效系数以列表的形式给出，是轴数、轴重、p 。和s n 的函数。路面厚度设计的依据是无量纲的现实可服务性指数( p r e s e n ts e r v i c e a b i l i t y i n d e x p s i ) 的变化。p s i 的值从0 到5 ，p s i = 0 表示不可能的道路，p s i = 5 表示 完美道路。实际柔性路面开放交通时的初始p s i ，p o = 4 2 4 5 ：一定时间以后， 经过交通荷载与环境因素的作用，需要大修或重建时允许的末期p s i ，p t _ 2 5 3 o 。 p s i 的变化a p s i = p o p t - 1 2 2 0 。路面的p s i 最初由主观试验确定，后与各种路 面状况的客观试验结果建立了相关关系。路基在环境因素的作用下，可能发生膨 胀和冻胀，造成p s i 的损失，由试算确定。 a a s h t o 指南采用可靠度设计，考虑交通荷载预测与使用性能变量的不确定 性；与此对应，包括材料性质在内的输入量均采用平均值。可靠度定义为路面在 设计年限给定交通与环境条件下满足使用性能的概率。路面整体可靠度用无量纲 冷再生沥青路血结构设计方法研究 的可靠度水平( r e l i a b i l i t yl e v e l ) r 表示，与可靠度相关的变异用无量纲的、独 立的标准差( s t a n d a r dd e v i a t i o n ) s o 表示；r = 5 0 9 9 9 ，根据道路的重要性确 定；s o = 0 4 0 0 5 0 ，根据实际情况分析确定。柔性路面抵抗荷载的能力用无量纲 的结构数( s t r u c t u r a ln u m b e r ，s n ) 表达，对于典型的三层结构，结构数定义为式 ( 2 1 ) ： s nia l d l + a 2 d 2 m 2 + a 3 d 3 m 3 ( 2 1 ) 式中：a l 、a 2 、a 3 = 面层、基层、底基层层系数( l a y e rc o e f f i c i e n t ) ；d l 、 d 2 、d 3 = 各层厚度( i n c h e s ，英寸) ；m 2 ，m 3 = 基层、底基层排水系数( d r a i n a g e c o e f f i c i e n t ) 。式( 2 1 ) 的表达可以调整适应不同层数的结构。a a s h t o 指南柔 性路面诸设计变量之间由式( 2 2 ) 联系： i l o ( 磊般_ s l n 3 2 7 ( 2 2 ) 式中：m r = 土基回弹模量，p s i ( p o u n d sp e rs q u a r ei n c h ，磅平方英寸) ，取 与季节有关的加权平均；w 1 8 = 累计1 8 k i pe s a l ；z r = 标准正态分布对应于所 选可靠度水平r 的偏差值，例如r = 9 0 时z r = 1 2 8 2 ，r = 9 5 时z r = 1 6 4 5 ， r = 9 9 时z r = 2 3 2 7 等。式( 2 2 ) 是s n 的隐式，指南采用诺模图求解，如图 2 1 。厚度设计不但要满足路面整体的s n 要求，而且要满足自上而下每一结构层 相应的s n 要求。 与新建路面相同，a a s h t o 指南的加铺( 罩面) 层的厚度设计仍然是基于结 构数s n 。对于再生路面( 包括冷、热再生) ，可以采用同样的方法，只是材料的 层系数需要适当取值。将再生层当成加铺层处理，再生路面结构层的结构数就等 于新路( 包括再生层在内) 要求达到的结构数减去现有道路的有效结构数，如式 ( 2 3 ) 所示： s n o l = s n r 一( f k s n x 4 r )( 2 3 ) 式中：l = 加铺层的结构数，虮= 现有条件下满足预估交通量新路面的 结构数，f r l = 残留寿命系数，s n ，。f f = 罩面时原路面的有效结构数。 表2 1 中列出了通过现场试验得到的典型再生沥青混合料结构层系数【5 , 1 7 】。 8 硕i j 学位论文 = ：。，魄。蚓 1 勺l 抖b 。丹l 蚋吨。l 删一。瑚+ j l 弋赢l + 啪2 慨 一叮 “赢丽 f，f w m 5 tg o o r 9 5 0 0 拍 - - 5 0 p s l p s l - i ， d 咖s q f v i c e o b h 竹咖, p s i ， e ： 爹 ， 殇 ；m 勿 矿 八 一， 么缆 一 ， 舜 荔髭 图2 1a a s h t o 沥青路面设计诺模图 表2 1a a s h t o 典型再生沥青混合料结构层系数 此外，对于各种再生材料的层系数，还可以根据v a nw i j k 等人【1 8 2 0 j 基于路面 结构应变、永久变形和材料的疲劳特性推导的方法计算。应用弹性层状体系理论 与有限元方法可以计算路面结构的应力、应变和永久变形。将再生路面的再生层 替换为a a s h t o 标准h m a ( h o tm i xa s p h a l t ，热拌沥青混合料) 结构层，并比较 再生路面与h m a 路面的应变、永久变形和疲劳寿命，就可以得出再生层的层系数。 在相同的气候、土基、排水和p s i 条件下，路面在同样e s a l 作用下应有相同的服 冷1 i f 生沥青路而结构设i - t y 法研究 务年限和s n 。保持其它层的系数与厚度不变，将再生路面的再生层替换为h m a 结构层，可以得到式( 2 4 ) ： sn，；-掌snaah h ， ( 2 4 ) ，= 掌 ，、， 式中：s n ，_ 再生路面结构数；s n = 标准结构层的路面结构数；a ，_ 再生层 层系数；a 宰= h m a 层层系数，0 4 4 ；h _ 再生层厚度；h = 在相同应变、永久变 形或疲劳寿命下的沥青层厚度。 v a nw i j k 等人【1 8 】的计算研究表明，泡沫沥青冷再生混合料路面结构的层系数 范围为0 2 0 0 4 2 ，中值0 3 1 ；乳化沥青冷再生混合料的层系数范围为0 1 7 0 4 1 ， 中值0 2 9 。与h m a 的0 4 4 相比，可以认为冷再生沥青混合料的结构层系数合理范 围为0 3 0 。0 3 5 。但是，冷再生混合料的层系数受多种因素的影响，如养护、水分 蒸发速度等等，必须结合具体工程，合理评价。 2 2a i 方法 a i ( a s p h a l ti n s t i t u t e ，沥青协会) 是美国的一个行业组织，同时又是一个沥 青技术研究实体。a im s 2 1 手册( 1 9 8 3 第一版，1 9 9 8 重印) 中介绍了冷再生沥青 路面的材料评价、混合料设计、厚度设计、就地冷再生施工、厂拌冷再生施工等 内容【13 1 。 a i 冷再生沥青路面厚度设计方法属于理论法，采用两个应变作为设计指标。 一个指标是沥青混合料层底水平拉应变，以控制路面疲劳开裂：另一个是路基顶 面竖向压应变，以控制永久变形【2 1 1 。对于已知的交通量和土基回弹模量，路面厚 度可以通过诺模图图2 2 或图2 3 得到。图中交通量以设计年限1 8 k i p ( 8 0k n ) e a l ( e q u i v a l e n t a x l el o a d ，= e s a l ) 轴载当量累计作用次数表示，土基回弹模 量指在动力荷载作用下的材料性质。 图2 2 或图2 3 是基于乳化沥青冷再生混合料的，也适用于低粘度沥青冷再生 混合料。沥青混合料分为两大类，a 类和b 类，图2 2 适用于a 类，图2 3 适用于b 类。 a 类包括集料级配满足表2 2 中a 、b 、c 、d ( 简单处理的、轧制碎石、天然料场 或河岸料场) 的混合料，b 类包括集料级配满足表2 2 中e 、f 、g ( 砂或粉砂) 的 混合料。 硕i ：学f 赴论文 旃! 牡| 薛 f一抖 雷 二蒋 ，j 。 叶 。：f 一 + 摧笛蓦易一廿形 = = f ： ml 【； l ，_ l 一r 1 0 + 一，； 、1 l + ；茸泫 z 碜缀： ，一 ：i f a f 荔 z ：羹 一i i j ： 纵 。t ： 0 e i ；：崭搿缪黝缪黝彩 “一+ 一r l 一 点 ：已! ，獭据 麓缀步 眷于7t 獭 打一 一，”7 一汾委z ji 罄 一_ _，多一：j 譬 7 幺f i 彳 f 一t ozz !，一z 西卅 主主l 一 一 i 派“譬 j 上l t 1 。l l l i 。_ ；j 。一一 置- _ - 一 _ 正 u 图2 2a i 混合料类型a 的冷再生结构设计 5 啊- _ - 醴t 柚帆 d l 喇畦 l ， 图2 3a i 混合料类型b 的冷再生结构设计 表2 2a l 冷再生混合料集料级配 - 1 1 冷再生沥青路面结构设计方法研究 图2 2 与图2 3 给出的是沥青路面冷再生基层与沥青面层的总厚度，冷再生基 层上推荐的最小沥青面层厚度如表2 3 所示。沥青混凝土或i 型乳化沥青混合料( 试 验室设计、厂拌、密级配、性能与沥青混凝土类似的乳化沥青混合料) 面层可以 替代部分厚度的a 型或b 型乳化沥青混合料。当使