（道路与铁道工程专业论文）长寿命沥青路面层间处治技术研究.pdf

摘要 在现代交通作用下，由于路面结构层层间处治不当，引起沥青路面产生早期病害的 现象随处可见，说明沥青路面在层问材料设计、施工工艺等方面存在着诸多问题。本论 文针对长寿命沥青路面层间处治技术开展研究，采用力学计算和理论推导、室内模拟试 验、试验路铺筑以及现场测试试验相结合的方法，探寻适合我国国情、交通状况、材料 供应、建设水平的长寿命沥青路面层问处治技术，对我国长寿命沥青路面的研究和推广 具有重要意义。 课题在充分吸收国内外研究成果的基础上，依托实体工程，建立了沥青路面三维空 间模型，采用b i s a r 理论设计方法就路面结构层参数、荷载作用方式、层间接触状态 对路面层问最大剪应力的影响进行了力学计算分析，探索了路面最大剪应力点位及各个 参数对层间最大剪应力的影响规律。通过研发的“多功能层间材料剪切试验仪 对层间 材料进行剪切试验，从而对层间材料的路用性能做出客观评价，同时运用材料力学知识， 从材料的损伤机理角度分析了层间剪切破坏过程。通过大量的室内试验，运用各种试验 方法证实透层油在半刚性基层上并不能达到很好的渗透效果。对影响层间材料路用性能 的主要因素：材料种类、用量、温度、荷载、施工工艺等进行了详细研究，针对封层的 研究，首次提出基层表面粗糙度、抗渗水性、抗层间推移、抗剪强度等指标。在铺筑实 体工程的基础上，结合目前国内的施工机械及施工水平，提出了长寿命沥青路面层间处 治施工质量控制的三大关键技术，并且推荐了层间处治材料类型及最佳用量，可供长寿 命沥青路面层间设计、施工参考。 关键词：长寿命沥青路面，层间处治技术，剪切破坏三阶段，层间接触状态，抗剪 强度，渗透深度，基层表面粗糙度，施工关键技术，寿命周期费用分析 a b s t r a c t u n d e rt h em o d e mt r a f f i c ，t h e r ea r eal a r g en u m b e ro fe a r l yd i s e a s e sc a u s e db yi m p r o p e r t r e a t m e n to fi n t e r l a y e r , w h i c he x p l a i nt h a tt h e r ea r em a n yi s s u e se x i s t i n gi nt h em a t e r i a l s d e s i g na n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya s p e c t so fa s p h a l tp a v e m e n t t h ep a p e ri sa b o u ts t u d yo n t e c h n o l o g yo fi n t e r l a y e rt r e a t m e n tf o rp e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n t ，a d o p t i n gm e t h o d so f c o m b i n a t i o no fm e c h a n i c a lc a l c u l a t i o n sa n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，r o o ms i m u l a t i o nt e s t s ， p a v i n gt r i a lr o a da n do n - s i t et e s t s a n de x p l o r e st e c h n o l o g yo fi n t e r l a y e rt r e a t m e n tf o rp a p t h a ti ss u i t a b l ef o rt h en a t i o n a lc o n d i t i o n so f c h i n a ，t r a f f i cc o n d i t i o n s ，m a t e r i a ls u p p l ya n dt h e l e v e lo fc o n s t r u c t i o n ，w h i c hi sg r e a ts i g n i f i c a n c et or e s e a r c ha n de x t e n s i o no fp a p o nt h eb a s i so fs u f f i c i e n tr e f e r e n c e so fr e s e a r c hr e s u l t sa th o m ea n da b r o a d ，t h es u b je c t d e p e n d so ne n t i t yp r o j e c t ，s e t su pt h r e ed i m e n s i o n a ls p a c em o d e l ，a n da d o p t sb i s a r t h e o r e t i c a ld e s i g np r o c e d u r et oc a l c u l a t ea n da n a l y z et h ee f f e c to fm a x i m a ls h e a rs t r e s sb y p a r a m e t e ro fr o a ds t r u c t u r ei n t e r l a y e r , m o d eo fl o a da c t i o na n dc o n t a c tc o n d i t i o nb e t w e e n l a y e r s ，e x p l o r i n gt h ep l a c eo ft h em a x i m a ls h e a rs t r e s so nr o a ds u r f a c ea n de f f e c t sr u l eo f p a r a m e t e r st ot h ei n t e r l a y e rm a x i m a ls h e a rs t r e s s t h es u b je c td o s es h e a rt e s t t oi n t e r l a y e r m a t e r i a l su s i n gt h ed e v e l o p e d m u l t i p l ef u n c t i o n st i e rm a t e r i a ls h e a r si n s t r u m e n t ”，a n dt h e n o b j e c t i v e l yv a l u a t e so nt h er o a dp e r f o r m a n c eo fi n t e r l a y e rm a t e r i a l s ，a n da n a l y z e st h es h e a r d e s t r o y i n gp r o c e s sf r o mt h ev i e w o fm a t e r i a ld a m a g em e c h a n i s mu s i n gt h em a t e r i a l m e c h a n i c a lk n o w l e d g ea tt h es a n l et i m e t h r o u g hm a n ye x p e r i m e n t sa n dv a r i o u sm e t h o d s ，i t i sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep r i m ec o a ta s p h a l tc a n ta c h i e v eag o o dp e n e t r a t i o nr e s u l ti nt h e s e m i r i g i db a s e t h es u b j e c tc a r r i e so u tad e t a i l e ds t u d yo nt h em a i nf a c t o r st h a te f f e c tr o a d p e r f o r m a n c e so fi n t e r l a y e rm a t e r i a l sw h i c h i n c l u d e sm a t e r i a l st y p e ，d o s a g e ，t e m p e r a t u r e ，l o a d ， c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo n ，a n df i r s t l ya d v a n c e st h eb a s es u r f a c eh a r s h n e s s ，t h e r e s i s t a n c et ow a t e r , t h ea n t i s l i d i n ga n dt h es h e a rs t r e n g t ha g a i n s tt h es t u d yo fs e a lc o a t ，o n t h eb a s eo fe n t i t ye n g i n e e r i n g a d v a n c et h r e ek e yt e c h n o l o g i e so fi n t e r l a y e rt r e a t m e n tf o rp a p t h a tc o m b i n e sw i t ht h ed o m e s t i cm a c h i n e r ya n dl e v e lo fc o n s t r u c t i o na tp r e s e n t , a n d r e c o m m e n dt h eb e s tt y p ea n dd o s a g eo fm a t e r i a l sf o rd e s i g n c o n s t r u c t i o nr e f e r e n c et op a p k e yw o r d s ：p e r p e t u a la s p h a l tp a v e m e n t ，t e c h n o l o g yo fi n t e r l a y e rt r e a t m e n t ，t h et h r e e s t a g eo fs h e a rd e s t r o y s ，c o n t a c tc o n d i t i o nb e t w e e nl a y e r s ，s h e a rs t r e n g t h ，p e n e t r a t i o nd e p t h ， b a s es u r f a c eh a r s h n e s s ，k e yt e c h n i q u eo fc o n s t r u c t i o n ，l i f ec y c l ec o s t sa n a l y s i s i i 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。 ：纨乏芎舶月加 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： l 中墨嘭 甘 学 朋 角 咻冰 k 幻 长安人学硕上学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 长寿命沥青路面是指设计使用寿命大于4 0 年的沥青路面，其特点是在使用期内不 发生结构性破坏，通过周期性的养护、维修能够保证道路的使用功能【l ，4 】。根据山东省 公路水路交通“十一五 发展规划提出的交通发展指导思想和科技创新、可持续发 展等原则【3 1 ，随着国家对公路投资及建设速度的不断加大、加快，特别是在重载车辆日 益增加的这样一个大背景下，为了谋求更高的公路建设质量标准，提高基础设施耐久性 和可靠性，使高速公路路面多层组合体系具有良好的结构承载力和耐久性，以及提高公 路抗水毁能力，层间处治技术引起了公路行业的多方重视。然而，国内公路建设在进行 路面结构设计时，对于沥青路面的透层、封层、粘层等功能层并不作专门的力学计算分 析，造成设计与实际情况相脱节；由于缺乏相应的理论依据，施工中对材料种类、用量 及工艺更是存在随意性及不规范性；对沥青路面层问处治关键技术研究不深入。本课题 是长寿命沥青路面结构设计与材料参数一体化研究课题的子课题，研究对象为长寿命沥 青路面层间处治技术，研究内容主要包括对不同接触状态下的层间剪应力计算分析、，层 间材料路用性能及影响因素研究、层间处治关键技术研究三大部分。 本课题在长寿命沥青路面一体化研究总课题立项之初就展开对山东省滨州地区道 路病害现状调研，发现大多数道路无法达到设计使用年限就已经产生大面积破坏，某些 道路在修筑后前几年就产生了许多路面病害，由于沥青路面层间损坏引起的路面病害主 要表现在推移、分层、开裂、水毁等几个方面。其原因首先是透层达不到理想的渗透深 度和粘结效果，透入深度相当小或基本不透入，在基层施工后立即进行透层的撒布，施 工车辆又将对透层产生破坏和污染，粘结效果并不好。其次是沥青路面各功能层防水效 果较差，使得半刚性基层发生严重水破坏以致面层整体失稳，道路建设者们对沥青路面 设置封层的必要性还不是十分清楚，至于是设置上封层好还是设置下封层好目前也无权 威性的定论。最后在该辖区内几条已有部分病害发生的重要道路上钻取芯样发现甚至沥 青面层之间也多有分层现象发生，说明层间粘结不好很有可能是施工时没有重视粘层的 洒布或者是由于粘层被严重污染所致。然而，以上所述并不仅仅是沥青路面层间发生损 坏的全部原因，为此，下面就将本课题关于该地区沥青路面在层间结合方面存在问题的 调研做一总结分析。 第一章结论 11 1 存在的问题及机理分析 1 、存在的问题 1 ) 层间损坏引起推移变形 美国l t p p 沥青路面损坏鉴别手册中有一太类就是由丁二层问接触不好造成纵向推 移、拥包等变形引起的损坏而且对其严重程度不分轻重，只要出现变形就可判定为损 坏，统训数量按i n 2 处计1 4 ”。该损坏病害主要是由于沥青路面在行车垂直荷载和高速行 驶所产生水平力的综合作用下，在沥青路面层间产生的较大剪应力所引起的剪切变形， 这种综合作用越大，层间产生的剪应力就越大。特别是在夏季持续高温、重车及超载车 辆作用下，上下层之间的粘结力变差，抗水平剪切能力较弱，在水平方向上产生相对位 移而发生剪切破坏，从而产生推移、拥包等变形损坏。 2 ) 沥青路面分层现象严重 在对滨州地区部分公路钻芯取样过程中发现 很难有把基层和面层同时钻起的完整芯样( 图11 ) ， 说明基【n 】层之间分离现象严重甚至已完全丧失粘 结力，钻出的芯样长度参差不齐说明即使沥青面层 之间也出现了分层现象。造成沥青路面分层的原因 非常复杂，一方面是由于路基整修施工与沥青混合 料的摊铺同时进行或者层与层之间施工持续时间鞍长，在铺筑上层时，对下层的污染没 有进行有效处理使得两层z 间形成薄薄的污染夹层，这样下承层与上承层之间缺少有 效的粘结力：另一方面与1 7 前的路面分层施工和压实工艺有很大的关系，路面各层的压 实度相对来说都是很高的，而分层施工容易导致路面各结构层之问形成一个个滑动层 面，各层之b j 缺少有效的摩阻力。 3 ) 雨水下渗使得基层损坏 半刚性基层沥青路面因其整体强度、抗永久变形能力均较强，已成为我国目前高等 级公路路面结构的主要形式。考虑到我国的国情，长寿命沥青路面不可能从半刚性基层 沥青路面一蹴而就。然而，半刚性基层由于材料自身的原因其丌裂不可避免，此时基层 顶面如果没有足够的防护措施，大量的降水直接渗入路基就会造成路基失稳、路山承载 力太幅下降，进而造成路面板体的严重破坏，耐久性变羞，导致沥青路面发生早期破坏， 太大缩短了半刚性基层沥青路面结构的使用寿命。冈此，很有必要在半刚性基层顶而设 置一个防水层来阻止路面水下渗以保证路基结构的稳定。 黑 长安大学硕士学位论文 4 ) 设计理论不完全符合实际 沥青路面的结构设计是以弹性层状体系理论为基础的，各结构层之间必须是一个整 体才能符合完全连续的界面条件。如果路面各结构层之间没有粘结好，则层间的界面条 件将变成不完全连续甚至完全不连续，如此导致按相关理论设计的沥青路面受力状态和 使用寿命与实际不符。沥青路面的层间状态由连续变为滑动，层间的应力状态水平( 拉 应力、剪应力) 会增加几倍直接导致路面产生破坏2 1 。因此，非常有必要对层间不同接 触状态下的设计理论进行分析研究。 2 、机理分析 1 ) 行车荷载的复杂特性 作用于路面的行车荷载是十分复杂的，例如： 压力、冲击力、刹车及启动时的纵向水平力、转弯 时的侧滑力、轮胎后缘的真空吸力等，其中以行车 荷载的水平力作用对沥青路面层间所产生的剪切 备2 、峨芝踟歹茹k ， 影响最大( 图1 2 ) ，在车轮的重力作用下，a 点承圈l 2 菊载作掰下盼路面受艨 受压应力作用，而路面下b 点受到全拉应力作用【7 1 。当车轮向前移动时，路面面层底部 将沿b 点移动轨迹受到应力的连续作用。如果层间存在抗剪强度上的薄弱环节，就会 使这种拉应力得到释放而产生层的相对位移，严重时形成拥包。由于车辆制动、加速、 转向、以及克服前进中的阻力对路面施加水平力，层间连续状态将变为不完全连续或者 是完全不连续状态，这些水平力将直接造成路面的推移、拥包、开裂等病害。 2 ) 层间材料的粘结机理 ( 1 ) 浸润理论 当一滴液体与固体表面接触后，接触面自动增大的过程，即所谓的浸润。它是液体 与固体表面接触时发生的分子间相互作用的现象。 液体的浸润主要是由表面张力所引起的， 液体与固体都有表面张力，对液体称为表面张 力，对固体则称为表面能，常用符号y 表示， 如图1 3 所示，图中钇为液体的表面张力，冶 为固体的表面能，y q r 为固体和液体之间的界 薹鲞 冬? 殪缝 “￥t 一毒乙 圈”滚橱与固桕之闻羽按澜图示 面张力，矽为接触角。接触角矽是通过固液一气三相交点所作液滴曲面切线与液滴接触 3 第一章绪论 固体平面的夹角。由图1 3 可见，固体的表面能力图使液滴展开，而液体的表面张力则 使液滴收缩，液体对固体表面浸润性与固体的表面能和液体的表面张力有着直接关系。 ( 2 ) 粘结理论 材料浸润只是粘结的前提，它们之间必须形成粘结力才能牢固地结合在一起，那么 粘结力是怎么形成的呢? 目前有如下几种比较公认的理论可以用来解释粘结本质。 a 、机械结合理论 机械结合理论是最早提出的粘结理论。任何物体表面即使宏观上用肉眼看起来十分 光滑，但放大看还是十分粗糙，遍布沟痕，有些表面还是多孔性的，液体材料渗透到这 些凸凹不平的沟痕、孔隙中，固化后在界面区产生了啮合力。 b 、吸附理论 吸附理论认为粘结是类似吸附现象的表面过程，液体材料中有机大分子通过链段与 分子链的运动逐渐向被粘物表面迁移，极性基团靠近，当距离小于5 a 时，能够相互吸 引，产生分子间力，也就是所谓的范德华力和氢键形成粘结。 c 、扩散理论 扩散理论认为分子或链段的热运动( 微布朗运动) 产生了两种物体之间的互相扩散， 从而使一个物体的分子跑到另一个物体的表层里，另一个物体的分子也跑到这个物体的 表层里，中间的界面逐渐消失，相互“交织 牢固地结合。 d 、化学键理论 化学键理论认为两种物体表面产生化学反应而在界面上形成化学键结合，将两者牢 固地联接起来。因为化学键比分子间力要大1 2 个数量级，所以能获得高强度地牢固粘 结。化学键力包括离子键力、共价键力、配位键力等。 e 、静电理论 静电理论认为粘结物与被粘物之间存在双电层，由于静电的吸引而产生粘附力。 上述是产生粘结力的五种理论，在产生粘结力的因素中只有分子间作用力普遍存在 于所有粘结体系中，其它作用仅在特殊情况下才为粘结力的来源。 3 ) 层间剪应力设计指标 我国新建公路沥青路面设计采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理 论，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标。对沥青混凝土面层和半刚性材料的基层、 底基层应进行层底拉应力的验算【2 0 1 。由于汽车在沥青路面上启动、制动常常引起沥青路 面的上面层产生推挤和拥包等剪切破坏，我国城市道路设计规范规定在弯沉和拉应力两 4 k 安大学硕十学位论文 项指标之外，增加一项剪应力指标。在进行沥青面层的剪切验算时，要求面层在车轮垂 直荷载与水平荷载共同作用下，其破坏面上可能产生的剪应力应不超过结构的容许抗剪 强度，即： r m a ) 【 ( 1 1 ) 路面结构抗剪疲劳强度： 疗 f = q ( t ) i = l ( 1 2 ) 路面层间抗剪疲劳强度： f f 2 ( i ，) ( 1 3 ) 路面层间材料抗剪强度： 霉= c + c r t g 呼a ( 1 4 ) 由于沥青路面在施工过程中是分层摊铺压实的，各个结构层的表面都达到了相对平 整密实的状态，所以在层间结合面上的摩阻力够就远远低于各层混合料内部产生的摩阻 力，因而其抗剪强度就转化为对层间粘结力c 的依赖，如果忽视这种层间结合的要求或 者没有有效的材料与工艺来实现层间粘结以建立一个大于或等于结构强度的基础，层问 结合界面就会变成一个路面整体结构的薄弱地带【8 1 。 1 1 2 研究层问处治技术的意义 长寿命沥青路面层间特别是基面层之间的粘结困难是当前普遍面临的一个问题，课 题通过大量的室内、室外试验，即就层间材料种类、用量、温度、压力、基层成型龄期 等因素对于层问粘结强度的影响规律进行研究，这在理论上对于系统掌握层间处治技术 是很有价值的，例如：层间使用什么样的材料好? 存在不存在一个最佳材料用量? 若材 料种类已经确定，如何能够提供一个长期稳定的路用性能? 等等。由于长寿命沥青路面 必须具备优良的路用性能，因此非常有必要对其路面层间不同接触状态下的受力情况进 行分析，而本课题研发的“多功能层间材料剪切试验仪”测试系统，可以在较真实的模 拟路面层间受力情况下测试出路面各结构层之间的粘结强度，为研究长寿命沥青路面层 间处治技术提供了科学的硬件环境及软件基础。 长期以来，在交通量不大、车辆荷载较轻的前提下，面层剪应力并不是路面损伤的 主要肇因，所以人们对于路面剪应力的研究分析很少，只是在城市道路设计规范 5 第一章绪论 ( c j j 3 7 9 0 ) 中有所体现，而城市道路设计规范中所考虑的剪应力主要着眼于水平荷载 产生的剪应力。迄今为止，人们对剪应力指标与路面结构抗剪强度关系的认识尚不十分 清楚，实际上，剪应力指标的引入不仅会使路面结构设计更加准确，而且可能是判断路 面层间甚至路面路用性能的关键指标和有效手段。 在公路建设事业蓬勃发展的今天，加强路面结构层之间的粘结对提高路面的使用寿 命十分重要，开展长寿命沥青路面层问处治及施工关键技术专题研究已刻不容缓。长寿 命沥青路面的层问处治，一方面在于加强层间粘结使路面结构具有连续性；另一方面是 为了提高路面的防水性，要达到这些目的，就必须高度重视层间结合的设计与施工工艺， 同时应积极探索和应用层间粘结新材料、新技术。经过多方技术研究及改进后，在沥青 路面的层间处治技术方面将会有质的飞跃，在提高高速公路路面结构层之间的整体协同 工作能力、延长道路使用寿命方面提供科学的理论和实践指导。同时，研究成果还将进 一步修改、完善现行技术规范中相关条款，促进公路事业健康快速的发展，对我国长寿 命沥青路面的建设与发展具有一定的理论意义和较好的实用价值。 1 2 国内外研究概况 近年来在公路建设中，沥青路面层间处治技术越来越受到专家、学者的重视，但是 将路面层间处治技术单独作为一个专题进行深入研究的很少，有深度的更少。国外发达 国家沥青路面施工规范或行业建议中，针对沥青路面层间处理的方法，各国的描述有一 定的差异，而且主要是针对材料进行的一定论述，下面就从不同的角度按不同的层位分 别予以简要介绍。 1 2 1 国外研究概况 在西方国家的路面结构中，由于半刚性基层使用十分有限，与国内半刚性基层类似 的工艺是在路面基层或底基层材料中使用贫水泥混凝土、水泥稳定粒料或水泥稳定土， 英国有类似的应用。这些材料在临时交通放行前，国外规范一般规定应使用乳化沥青表 处进行封闭养生。 国外在规范中一般明确规定了透层的工艺所要应用的基层种类是非稳定粒料基层， 即使是对于煤油、汽油等稀释沥青这类渗透性较好的材料。由于考虑施工的实际效果， 欧美国家规范中对施工工艺的规定较为细致，对于乳化沥青透层，通常根据基层种类的 不同有不同破乳速度、不同沥青含量、不同粘度的乳化沥青可供选择。对含细料较多、 6 长安人学硕士学位论文 压实后表面密实的基层，规范一般都规定了应采取基层表面重新翻松后洒布乳化沥青， 翻拌后重新压实的工艺保证乳化沥青在基层表面材料中的良好分布。阳离子乳化沥青透 层油通常被大量应用于级配碎石类的柔性基层。在水泥、二灰等半刚性基层上，由于材 料具有强碱性，则主要采用阴离子或非离子乳化沥青。 美国路易斯安那州2 0 0 0 年道路和桥梁标准规范标准规定透层油使用稀释沥青 m c 3 0 ，m c 7 0 或a e p 改性乳化沥青，其用量为1 1 5 1 3 5 l m 2 。美国沥青协会m s 2 2 对透层油的叙述只谈到“采用中凝液体沥青和乳化沥青可以渗入未处治基层材料至足够 的深度”，包括其他的规范及乳化沥青的专著( m s 一1 9 ) 都没有关于适用于水泥稳定基层的 透层油的描述。在不少国家，用作透层油的乳化沥青使用阴离子类型的更多，因为它要 相对便宜得多。 国外规范规定层与层之间必须洒粘层沥青，粘层沥青通常采用乳化沥青或改性乳化 沥青，但采用什么类型的乳化沥青，各国做法有所不同。美国a a s h t o 及各州的规范 都规定用慢裂型乳化沥青作粘层，这是因为他们使用的乳化沥青的粘度大，残留物浓度 较高；在法国通常采用快裂型乳化沥青； ( p k r - t ) ，按照定量0 枷6 l m 2 均匀喷洒， 特征指标如表1 1 。 日本关于粘层原则上使用橡胶乳化沥青 然后养生处理，其橡胶乳化沥青( p l t ) 表1 1 橡胶乳化沥青的标准性能( j e a a s ) 躺蟹 p 繇_ t 、丽 i2 憨疋祧峻t e n g l e r f 2 5 ) 1 l o 貉 ：缓毅豁， ( 1 1 8 赫， 0 3 以卜 粥蓊废2 3 以l 二 i b 铐 貉l + ) 蔟z z 戏匆澎纷簟5 0 以 ： 钳入浚( 2 5 ) 1 l o n6 0 1 0 0 以f1 0 0 。1 5 0 以f 缝i ：)镰 1 0 0 以l ： 蒎 缓i f5 ) 住：t o ot 2j ： 笈 软化点 勰0 以l ：1 2 0 以i ： 残秧秘浚 f 2 5 c ) i i 1 i tr k g f c 置2 9 f3 0 ) 以l ： 织( t c n a g l a b e s s ) f 1 5 冀f k g f c l t 3 9f1 0 ) l j , 1 - 物 执l 龟缎後 2 5 ) 珂i t k g f c - ) 1 5f1 5 以l ： ft e n a e i t y ) ( 1 5 ) h 1 i t ( k g f t i l t ) 2 0f2 0 以i ：) 缓分1 0 以f 伪满稳定狂f 2 ，l4 , n - i ) 薯 1 以f 允斡l 颥秘欲玖歇 琢礅缠定链 ( 一5 ) 物暖 7 第一章绪论 1 2 2 国内研究现状 1 、层间材料研究现状 公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 2 0 0 4 ) 中透层的定义：为使沥青面层与 非沥青材料基层结合良好，在基层上喷洒液体石油沥青、乳化沥青、煤沥青而形成的透 入基层表面一定深度的薄层。同时规定：沥青路面各类基层都必须喷洒透层油，基层上 设置下封层时，透层油不宜省略。然而由于施工方便、成本相对低廉，近年来，高速公 路施工中仍经常采用普通慢裂和中裂乳化沥青作为透层油。但由于缺少相应的检验标 准，且对常用的中、慢裂乳化沥青的渗透性能及其粘结质量不够重视，导致在表面致密 的半刚性基层上洒布时，无论阳离子乳化沥青和阴离子乳化沥青，由于自身的粘稠性， 乳化沥青就像泼在了一层浓密的滤网上，其渗透性都不尽如人意，无法满足渗透入基层 一定深度的技术要求。即使是渗透性很好的材料，如煤沥青和煤油稀释沥青，在表面硬 化、材料致密的半刚性基层上的渗透能力也是有限的，特别是含有大量粉料的二灰类材 料，透入基层的仅仅是一些水份而已。 规范中封层的定义：为封闭表面空隙、防止水分侵入而在沥青面层或基层上铺筑的 具有一定厚度的沥青混合料薄层。铺筑在沥青面层之间的称为上封层，铺筑在沥青面层 与基层之间的称为下封层。在高速公路建设的实际过程中，对于封层采用何种沥青材料、 如何使用这一问题上，各个施工单位面临的情况各不相同，有的基层是在完工之后一两 天就洒布透层油铺筑下封层，有的至少七天后才洒布透层油；有的基层是完工后当年摊 铺沥青面层的，有的基层是完工后需要过冬再施工沥青面层的。由于基层表面因级配或 结合料的差异而不同、所承载的临时交通量也不同，致使所用的沥青种类和用量以及石 料的粒径和用量都有较大的差异。规范中未能针对相关问题进行明确的指导和建议，在 实际施工过程中，很多工程只能简单地套用规范，同时为了降低成本，往往使用规范中 的材料用量低限，从而造成沥青路面的早期损坏发生率极高。 粘层一般是设置在沥青路面面层之间的，主要用来提高高速公路路面多层体系的连 续性，虽然用量较少但其作用不容忽视。由于沥青路面面层材料组成、力学特性比较接 近，加之施工连续、施工上层以前几乎不开放交通使得下层表面比较洁净，所以，粘层 相对其它功能层来说所出现的层间问题并不明显。原规范定稿时仅仅从经济角度考虑， 同意上下层是连续摊铺并未产生污染时可省去粘层，当已遭污染时必须扫除干净再洒布 粘层油。美国的规范规定用慢裂型乳化沥青做粘层，我国的实践经验证明粘层使用慢裂 型乳化沥青在洒布后流淌严重，用快裂型的较为适宜。 8 长安人学硕上学位论文 2 、层间结构研究现状 近十几年以来，国内许多专家、学者先后从结构方面入手对沥青路面层间剪应力问 题进行了研究。八十年代末关昌余等人采用古德曼层间结合力学模型描述多层柔性路面 结构层间的半结合状态，计算分析了层间粘结系数k 对路面结构受力状态的影响，提 出了抗剪强度和粘结系数的实验室实测结果，分析了各种因素对粘结系数的影响，提出 了可用于柔性路面结构设计的粘结系数取值方法。1 9 9 9 年国内李杰武等人在研究 r c c a c 复合式路面的过程中认为：基层和面层的厚度、模量对基面层间剪应力的影响 较大。2 0 0 2 年同济大学的孙立军教授应用有限元法对非均布荷载作用下路面的应力应 变场进行了分析，得出层间接触条件的不同对路面结构层最大剪应力的影响，与结构整 体强度、基层类型以及荷载大小有很大的关系。西安公路交通大学也为研究r c c a c 复合式路面r c c 与a c 层间结合状态，研制了一套较为智能的测试系统( l l m ) 。关于 对路面层间剪应力进行研究的问题，国内学者针对研究对象开发了许多试验设备，其中 具有代表性的如下： 1 ) 关昌余等人在进行层间抗剪模量测定时，研制了如图1 4 所示的直剪仪。 图1 4 测定抗剪模量的直剪仪示意图 2 ) 河南省公路局为研究r c c a c 复合式路面r c c 与a c 层间结合状态，研制了如 图1 5 所示的层间剪应力试验仪。 图1 5 层间剪应力试验仪示意图 9 缈驴k弘致 第一章绪论 3 ) 同济大学在对沥青铺装层与水泥混凝土桥面的界面粘结性能实验时，研制了如 图1 6 所示的加载装置。 图1 6 加载装置示意图 4 ) 西安公路交通大学也为研究r c c a c 复合式路面r c c 与a c 层间结合状态，研 制了一套较为智能的测试系统( l l m ) ，如图1 7 所示。 辔力传戆嚣 砂辑箍屡 试静徭 图1 7l l m 测试系统试验布置示意图 分析以上研究还存在一些不足，首先开发的仪器大多以直剪为主，与实际道路在车 辆运行时受力状态不符；其次是剪切仪能够提供的加载力有限，限制了其一定的使用范 围：再次就是没有考虑到外界环境对路面层间性能的影响；还有就是对层间处治关键技 术缺乏研究。总之，研究现状可概括为： 对沥青路面层间所受剪应力分析不够透彻 缺少对沥青路面层间处治技术的理论支撑 缺乏能够准确测试路面层间抗剪强度的常规仪器 没有建立起层间材料与路用性能之间的相应关系 沥青路面层间处治技术路用性能指标体系不完善 没有全面掌握沥青路面层问处治的关键技术所在 1 0 长安大学硕：l ：学位论文 1 3 研究内容与技术路线 1 、研究内容 根据国内外的研究现状，针对本科研项目合同的具体技术要求以及滨海地区的实际 情况，长寿命沥青路面层问处治技术研究的主要内容分为以下7 个部分： 1 ) 对长寿命沥青路面层间剪应力及不同接触状态下的受力情况进行力学计算，找 出路面最大剪应力点位及路面结构参数对层间最大剪应力的影响规律； 2 ) 研发能够模拟路面所处外界环境条件及荷载作用方式的“多功能层间材料剪切 试验仪 ，通过剪切试验对层间材料的路用性能做出客观评价，并且运用材料力学知识 对沥青路面层问剪切破坏过程进行深入的理论分析； 3 ) 对洒布在半刚性基层上的透层沥青的渗透深度进行研究，找出本质规律及其影 响因素。对影响透层抗剪强度指标的因素：沥青材料的种类及用量、竖向压力、剪切角 度、剪切温度、以及基层成型龄期等分别进行深入细致的研究，得出不同因素对基面层 之间抗剪强度的影响主次及规律； 4 ) 提出能够控制封层施工质量的各项指标，从理论上阐明设置封层( 防水层) 对 提高路面使用寿命的重要性并且推荐出封层最佳沥青和石料的类型与用量： 5 ) 对影响粘层抗剪强度的因素进行研究并且推荐出粘层最佳沥青材料类型及用量； 6 ) 结合实体工程的铺筑，对长寿命沥青路面层间处治关键技术进行深入系统研究； 7 ) 最后对长寿命沥青路面层间处治技术做一简单的全寿命周期内的经济效益分析。 2 、技术路线 本课题通过调研发现沥青路面由于层间损坏引起的大量病害以及关于层间设计、材 料、施工上的诸多问题，在充分吸收国内外研究成果的基础上，依托实体工程，根据沥 青路面基面层、面层之间的结构与功能要求，采用b i s a r 理论设计方法，通过建立三 维空间模型进行计算，就路面结构层参数、荷载作用方式、层间接触状态、层间材料性 能、用量等参数对路面结构中各个层间最大剪应力的影响进行分析，找出路面最大剪应 力点位及路面结构参数对层间最大剪应力的影响规律。 根据现场施工参数在室内进行各类模拟试验，通过自主研发的“多功能层间材料剪 切试验仪 进行层间性能评价测试并结合实际施工条件对层间技术进行评价。根据复合 材料理论，影响路面层问路用性能的因素较多，各因素影响范围难以确定，甚至在试验 前难以预先考虑到某些影响因素的主次地位，故无法较好地使用正交方法设计试验，本 第一章绪论 研究中按单因素设计各项试验，尽可能的找出主要因素对层间路用性能的影响趋势，通 过对结果的合理分析，确定出层间最佳材料类型及用量等参数。依托实体工程对层间处 治技术的路用性能进行现场检测以及全寿命周期内的经济效益分析，提出长寿命沥青路 面层间处治的关键技术，为今后的沥青路面层问设计、施工、养护等提供研究数据及理 论支撑，长寿命沥青路面层间处治技术研究框架如图1 。8 。 图1 8 长寿命沥青路面层间处治技术研究框架 1 2 长安大学硕十学位论文 第二章长寿命沥青路面层间剪应力计算分析 为真实反映长寿命沥青路面层间的工作状态，根据路面结构等效换算理论将沥青路 面多层弹性体系简化为三层弹性体系，建立考虑透层、封层、粘层等功能层的力学计算 模型，对以上三个功能层本身以及功能层与沥青面层和半刚性基层之问的剪应力进行系 统的计算，分析路面结构参数和行车荷载对层间剪应力的影响，找出路面层间剪应力变 化的一般规律，简化模型后进一步计算出沥青路面层间不同接触状态下的剪应力情况， 为沥青路面功能层的设计、施工提供理论支撑和设计依据。 2 1 剪应力计算基本参数的确定 世界上许多国家都有自己的沥青路面设计方法，有些国家同时有数种设计方法，目 前比较有影响力的设计方法是a a s h t o 和s h e l l ，前者主要是依据美国1 9 5 9 年1 9 6 1 年在伊利诺州所做试验道路( a a s h or o a dt e s t ) 的观测结果及经过多年的经验修正， 由于引用许多美国本土的资料与统计回归公式，所以此法对于地区及环境因素的依赖性 较强，基本属于经验设计方法；壳牌( s h e l l ) 公司开发的b i s a r ( b i t u m e ns t r u c t u r e s a n a l y s i si nr o a d s ) 程序是基于多层弹性理论且使用积分的转换程序( i n t e g r a lt r a n s f o r m p r o c e d u r e s ) 来计算应力、应变及位移的方程式，此方程式在路面各层的垂直方向有厚 度限制，而在水平方向无限制，材料为均质且各向同性，表面荷载则以一个圆形区域上 的均布荷载来表示，可计算多达l o 层的结构体系在垂直和水平荷载作用下，层间完全 连续、绝对光滑以及具有部分摩擦力时的x 、y 、z 三向应力、应变和位移，该法属于 理论设计方法。 由于b i s a r 程序的建立具有理论依据，能够对路面层间不同接触状态下的受力特 点进行分析，相比其它计算方法，b i s a r 程序还具有简单、有效的特点。所以，本研 究力学分析采用基于数值方法建立的b i s a r 程序，通过建立三维空间模型来进行力学 计算。多层沥青路面结构体系在受力上是十分复杂的，在计算它的各点内力时会遇到很 多力学和数学方面的困难。例如：作用于路面上的荷载不仅仅是静止的，还有多次反复 作用的动荷载。由于汽车轮胎胎面花纹的存在，使得实际有效接地面积比印痕内的总接 地面积小，般认为，公路轮胎纵沟型花纹折减系数为7 5 8 0 ，横沟型花纹折减系 数为7 0 , - - 7 5 t 2 5 1 ，在进行力学计算时有必要考虑作用面积的折减系数。而且分布在印 痕上的压力并不完全是均匀的。 13 第二章长寿命沥青路面层间剪应力计算分析 根据公路沥青路面设计规范( j t gd 5 0 2 0 0 6 ) 、城市道路设计规范( c j j3 7 9 0 ) 以及文 献 2 0 】的相关内容，力学计算用轴载等基本参数如表2 1 所示。一般情况下，接触面上 的压力分布是不均匀的，孙立军教授在沥青路面结构行为理论一书中对此有更为详尽的 研究分析，他把压力分布状态分为三类：均匀分布、凸型分布、凹型分布。在此，为了 能够分析出沥青路面层间剪应力的变化规律，假定接触面上的压力是均匀分布的。 表2 1 力学计算用基本参数 标准轴载 b z z 1 0 0 标准轴载p ( 刚) l o o 双圆荷载当最圆半径6 ( e m ) 1 0 6 5 接地压强p ( m p a ) o 7 0 双圆中心距1 5 d ( e m ) 3 1 9 5 同时由于作用于路面表面的水平荷载以车轮垂直荷载乘以车轮与路面之间的摩擦 系数表示，即：q = f * p ，式中摩擦系数，对车辆正常行驶时为0 3 ，对停车站、交叉 口等缓慢制动地点为0 2 ，对偶然的紧急制动为o 5 。计算时只考虑车辆正常行驶( f - - - o 3 ) 和紧急刹车( 厂= o 5 ) 两种情况。 2 2 长寿命路面结构计算模型的建立 大济路北延段是山东省道2 3 9 线的重要组成部分，起于国道2 0 5 线河沟收费站以西 与国道2 0 5 线相交处，终点接于无棣县城以北大济路，全线按一级公路进行设计，其路 面结构组合及参数如表2 2 所示。 表2 2 路面结构组合及参数 厚度 抗压模量e ( m p a ) 泊松比 层位 材料名称 ( 锄) 2 0 1 5 ( 无量纲) 上面层细粒式沥青混凝土 41 4 0 02 0 0 00 2 5 下面层中粒式沥青混凝十 61 2 0 01 8 0 00 2 5 上基层 二灰稳定碎石 1 61 5 0 01 5 0 00 3 0 下基层二灰稳定碎石 1 61 5 0 01 5 0 0o 3 0 底基层二灰稳定土 1 67 5 07 5 00 ，3 0 土基天然七 4 04 00 3 5 1 4 长安人学硕士学位论文 由于沥青路面各层材料自身物理特性的巨大差异以及半刚性基层致密高强、呈板体 性的特点使得沥青路面面层与半刚性基层之间、半刚性基层与土基之间在使用过程中往 往难以达到理想的连续状态，成为半刚性基层沥青路面结构组合最薄弱的界面。基于以 上考虑，我们把沥青面层与半刚性基层之间、半刚性基层与土基之间分别定义为第一、 第二界面。 根据上述层状体系的考虑，使用当量厚度 法，按相关公式把该多层体系换算为三层体系 然后进行相关力学计算，为了简化计算及更易 寻找出路面结构参数对层间剪应力的影响规 律，参考文献 2 0 】的相关内容，建立如图2 1 所 示的三层弹性体系剪应力计算模型。 在力学分析求解时，模型的结构特性和材 料