（道路与铁道工程专业论文）BRT停车段沥青路面抗剪切推移特性研究.pdf

摘要 b r t 作为一种新型的城市公共交通系统是解决城市交通矛盾的有效途径之一，具有 投资少、建设周期短、见效快等特点。b r t 道路大多为专用车道，采用完全渠化方式， 车轮作用位置相对集中，受力模式跟普通城市道路路面有明显区别，道路结构承受很大 的剪切推移力，从而对路面结构与材料的抗剪性能有更严格要求。 本文针对掺加抗车辙剂沥青混合料、灌注式沥青混合料和日本环氧沥青混合料，通 过车辙性能试验、贯入剪切试验和直接剪切试验，来评价其抗剪切特性，从而推荐出了 性价比合理的沥青混合料类型用于b r t 行车道。 采用s b r 改性乳化沥青、s b s 改性沥青和日本环氧三种层间粘结剂，利用直接剪 切试验和拉拔试验进行层间抗剪性能研究，结合经济和施工因素，推荐出了适合不同条 件的粘层材料。 根据我国不同地区的气候特点，结合沥青混合料和层间材料的抗剪性能研究，推荐 了b r t 路面典型结构。同时，在力学分析和试验基础上，提出b r t 停车段路面材料设 计参数控制指标，为以后相关工程借鉴。 最后，结合厦门b r t 实体工程，研究了施工工艺和质量控制措施。 关键词：b r t 路面；抗剪性能；抗车辙剂；灌注式；环氧沥青；粘结层； 贯入剪切试验：典型结构 a b s t r a c t b u sr a p i dt r a n s i t ( b r t ) ，a san e wm o d e lo fm u n i c i p a lp u b l i ct r a n s p o r t a t i o n ，i sa n e f f e c t i v ew a yt os o l v ec i t yt r a f f i cp r o b l e m s i th a sc h a r a c t e r i s t i c so fl o w e ri n v e s t m e n t ，s h o r t e r c o n s t r u c t i o np e r i o d ，a n de a s i e rt ot a k ee f f e c t b r th i g h w a yi sm o s t l ya c c o m m o d a t i o nl a n ea s c o m p l e t e c h a n n e l i z e dt r a f f i c b e c a u s eo fr e l a t i v e l yc o n c e n t r a t e dw h e e ll o a d ，p a v e m e n t s t r u c t u r eo fb r ti ss i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n to fo r d i n a r yu r b a nh i g h w a yi nt h eb e a r i n gm o d e ，a n d b e a r sg r e a ts h e a rf o r c e ，w h i c hr e q u i r e st h a tp a v e m e n ts t r u c t u r ea n dm a t e r i a l sh a v eh i g hs h e a r s t r e n g t h i nv i e wo fa n t i r u t t i n ga d d i t i v ea g e n t 、c e m e n ts l u r r y - f i l l i n ga n dj a p a ne p o x ya s p h a l t m i x t u r e ，t h ep a p e re v a l u a t e st h ea n t i s h e a r i n gc h a r a c t i s t i e so fd i f f e r e n ta s p h a l t m i x t u r e s t h r o u g hr u t t i n gt e s t 、p e n e t r a t i o ns h e a rt e s ta n dd i r e c ts h e a rt e s t ，a n dr e c o m m e n d ar e a s o n a b l e c o s t e f f e c t i v ea s p h a l tm i x t u r ea st r a f f i cl a n eo fb r t t h e p a p e rs l e e t ss b r m o d i f i e de m u l s i o na s p h a l t 、s b sm o d i f i e da s p h a l ta n dj a p a ne p o x y b i n d e ra sa d h e s i v el a y e rb yu s i n go fd i r e c ts h e a rt e s ta n dp u l l o u tt e s t ，t or e c o m m e n da d h e s i v e l a y e rm a t e r i a l sf o rd i f f e r e n tc o n d i t i o n s a c c o r d i n gt ot h ec l i m a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fo u rc o u r t r ya n dr e s e a r c hr e s u l t so nt h es h e a r p e r f o r m a n c e ，t h ep a p e rr e c o m m e n d st y p i c a lp a v e m e n ts t r u c t u r e s f u r t h e r m o r e ，b a s e d o n m e c h a n i c a la n a l y s i sa n dt e s tr e s e a r c h , t h ep a p e rp u t sf o r w a r dp a r a m e t e r sc o n t r o li n d e x e so f p a v e m e n t m a t e r i a l sd e s i g ni no r d e rt oo f f e rt h er e f e r e n c ef o rr e l a t e dp r o j e c t s a tl a s t ，t h ep a p e ru t i l i z e st y p i c a lp a v e m e n ts t r u c t u r e sa n ds t u d yo nt h ec o n s t r u c t i o n t e c h n i q u ea n dq u a l i t yc o n t r o lm e a s u r e sb a s e do nx i am e n b r ta r o j e c t k e y w o r d s ：b r tp a v e m e n t ；t h ea n t i - - s h e a r i n gp e r f o r m a n c e ； a n t i - r u t t i n ga d d i t i v ea g e n t ； c e m e n ts l u r r y - f i l l i n g ；e p o x ya s p h a l t ；a d h e s i v el a y e r ；p e n e t r a t i o ns h e a rt e s t ； t y p i c a lp a v e m e n ts t r u c t u r e 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：南墨铉- 口哆年6 月芦 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：痞乎压2 哆年参月夕日 导师签名：1 年舌月夕日 长安大学硕士学位论文 1 1 研究的背景和意义 第一章绪论 随着我国社会经济高速发展，城市化进程明显加快，机动化水平逐年提高，城市交 通资源供给与需求之间的矛盾日益突出，进而在很大程度上制约着城市的可持续发展。 建设畅通、高效的现代交通系统已逐渐成为城市政府的一项首要任务。城市交通是一项 公众服务，因而大力发展城市公共客运系统将是解决城市交通矛盾的有效途径之一，它 也必将促进城市的可持续发展，推动社会经济继续迅猛发展。 城市公共客运系统包括常规交通n b t ( n o r m a lb u st r a n s i t ) 、快速公交b r t ( b u s r a p i dt r a n s i t ) 和快速轨道交通r r t ( r a p i dr a i lt r a n s i t ) 三种方式。如今，n b t 在各大 城市都得到很好发展，但随着城市机动化水平的提高，道路拥堵比较严重，n b t 开始制 约城市交通的顺畅发展。而r r t 和b r t 能有效合理利用道路资源和城市空间，逐渐赢 得世界众多城市的青睐，其中b r t 相比r r t ，建设投资少、周期短，成为了解决城市 交通问题方法的焦点。 b r t 起源于2 0 世纪7 0 年代的巴西库里蒂巴市。当时城市交通的拥堵状况日益恶化。 库里蒂巴市在面临缺乏足够资金来建设轨道交通的情况下，为了缓解交通拥堵状况，决 策者及城市规划人员大胆开发并实施了一种新兴的公共交通方式。它是一种介于轨道交 通与常规公交之间的新型公交模式，通常也被称作“地面上的地铁系统”，它是利用现代 化公交技术配合智能交通和运营管理，开辟公交专用道路和建造新式公交车站，实现轨 道交通运营服务，达到轻轨服务水准的一种独特的城市客运系统。b r t 主要由五大部分 组成： ( 1 ) 专用路权：设置全时段、全封闭、形式多样的公交专用道，提高快速公交的 运营速度、准点率和安全性； ( 2 ) 先进的车辆：配置大容量、高性能、低排放、舒适的公交车辆，确保快速公 交的大运量、舒适、快捷和智能化； ( 3 ) 设施齐备的车站：提供水平登乘、车外售检票、实时信息监控系统和有景观 特色的建筑，提供安全、舒适的候车环境与快速方便的上下车服务； ( 4 ) 面向乘客需求的线路组织：采用直达线、大站快运、常规线、区间线和支线 等灵活的运营组织方式，更好地满足乘客的出行需求； 第一章绪论 ( 5 ) 智能化运营系统：运用自动车辆定位、实时营运信息、交通信号优先、先进 车辆调度，提高快速公交的营运水平。 和n b t 和r r t 相比，b r t 各个方面优点都很突出，主要有： ( 1 ) 最有效地利用城市道路资源，快速公交人均占用道路资源仅为小汽车的1 2 0 ； ( 2 ) 低能耗和低污染的交通方式，快速公交是人均能耗最低的机动化交通方式，是人 均碳排放量、常规污染最低的机动化交通方式； ( 3 ) 减少城市的财政负担，b r t 的建设和运营成本仅为r r t 的1 1 0 ，一条轨道交通投 资可以用来建成覆盖全市的快速公交网络； ( 4 ) 建设周期短快，b r t 建设少于1 8 月，r r t 建设至少3 6 月； ( 5 ) 社会公平性，快速公交系统服务不同收入水平的阶层，b r t 的高性价比能让政府 为低收入、老年人和残疾人群体，提供低票价、高品质的公共交通服务。 正是基于b r t 解决交通问题的优势，现在无论发达国家还是发展中国家都在进行 b r t 建设，在我国，建设部于2 0 0 4 年推出公交优先发展战略，重点推广b r t 建设，从 此我国的b r t 开始迅速发展。现今北京、常州、杭州、济南等城市都建设有b r t ，但 是大多数城市的b r t 专用路权建设方面只注重于b r t 的路线规划，对其路面结构研究 很少。本文结合厦门b r t 的实体工程，从路面结构出发，研究适合于b r t 停车段的路 面结构和材料，这为提高b r t 路面结构的使用寿命意义重大。 1 2b r t 停车段路面病害调查分析 针对b r t 系统停车段路面，对国内现有b r t 项目进行调研和考察，发现很多停车 段沥青混凝土路面破坏严重，尤其是剪切推移对道路运营、交通行车安全造成很大影响， 如图1 1 。这些病害缩短了路面的使用寿命，不仅造成了多方面的浪费，而且在经济和 社会方面造成不良影响。 b r t 系统的运营特点体现在路段、路口、车站与普通公交系统存在差异。路段多在 封闭式道路或专用车道上运营，为完全渠化方式，车轮作用位置相对集中。路口大部门 设置了信号优先的控制系统，但仍需减速或少量停车通过。车站多采用封闭式，车外售、 检票，站台为岛式或侧式，车辆停靠为定点停车，在固定位置上下车等【1 0 】。这就造成b r t 路面承受较大的剪切推移力，再加上路面材料选用及结构设计的不合理，从而就会出现 路面的剪切推移破坏。 2 k 盘大学硕l ：学位论文 图1 1 路面典型推穆破坏 1 21 北京市南中轴b r t l 号线路面病害分析 12 1 1 使用状况 北京市南中轴b r t l 号线是我国内地第一条高等级b r t 系统，全线于2 0 0 5 年1 2 月3 0 同投入运营。它南起五环外的德茂庄，北至前门，全长约1 52 k m ，途经二环路、三环路、 四环路和五环路，共设站1 7 座。 一期工程于2 0 0 4 年1 2 月2 6 日开通运营，在路面结构组合设计中考虑了不同位置的使 用要求，为增强b r t 停车段的抗车辙能力，沥青面层采用了双层改性沥青混凝土，并在 上、中面层层间加铺玻纤格栅。尽管如此，由于对b r t 系统运行特性的认识不够充分， 各停车站处均出现不同程度的车辙，最大车辙深度达5 7 c m 。在随后的二、三期工程对 某些路段更改设计方案为：上面层级配采用s m a - 1 3 ，中、下面层添加抗车辙剂，现在 路面使用良好；而部分没有掺加抗车辙剂的车站车辙比较明显，如图12 为西洼地站的路 面病害，另外和义农场站距离路口较近，受双重不利条件的考验，车辙比较严重，如图 13 所示。 图1 2 西洼地站路面车辙病害图1 3 和义农场站路面车辙病害 2 12 病害原因分析 美国s h r p - a 一3 1 8 研究报告认为车辙是行车的压密变形和沥青混凝土横向流动变形 第一章绪论 共同作用的结果。大部分来自于剪切变形，主要原因为面层的沥青层承受了过大的应力， 而剪切变形受温度的影响较大【8 1 。d a w l e y 对加拿大的公路进行现场调研，认为大部分路 段的车辙来源于沥青混凝土的剪切流动变形【9 1 。b r t 道路大多是封闭式和专用车道，属 于完全渠化方式，车轮作用位置相对集中，路面结构承受很大的剪切推移力，这样就要 求在设计时应充分考虑b r t 道路的特殊性，合理优选路面结构。针对北京b r t 路面车 辙的具体原因，分析如下： l 、交通条件 交通是路面结构设计最基础的因素。b r t 车辆具有的大、重、长等外部特点以及定 点停靠的运营特点；同时，车辆在进站之前就开始刹车，进站速度与路段相比降低约l 倍，速度越低对路面抗剪切推移性能的要求就越高。 我国城市道路均采用1 0 0k n 作为标准轴载，但换算公式中的指数5 次方不能适合 b r t 这种较重的交通条件。研究资料表明：对于重载交通，轴载换算公式中的指数可达 至1 1 6 次方。参考各国轴载换算公式，基本采用疲劳理论对交通量进行换算，但是对于b r t 这种重载车辆的轴载换算时，均缺乏成熟的换算方法。目前我国规范采用的标准轴载 ( b z z 一1 0 0 ) 的轮胎接地压强为0 7 m p a ，而北京市南中轴实际行驶b r t 车辆的轮胎接地压 强高于0 7 m p a 。美国工程兵( g t m ) 的相关调查资料显示，当接触压强从0 6 m p a 增加到 0 8 3 m p a 的情况下，路面结构的寿命将减少3 8 。对于b r t 系统采用0 7 a 作为标准荷 载进行试验和设计偏低，应根据实际荷载适当提高试验荷载和压实标准。 2 、气候条件 北京市2 0 0 5 年6 月、7 月连续出现高温天气，日最高气温达到3 8 ，而沥青混凝土面 层内部温度最高能达n 6 0 ，这对b r t 系统路面材料的高温抗剪切推移性能提出更高要 求。 3 、材料设计【1 0 】 材料的选择直接影响到路面结构的使用寿命。从现场钻芯来看，半刚性基层材料良 好，沥青混凝土上面层变化不明显，中下面层剪切流动变形明显，说明其抗剪切性能较 差，高温稳定性不足。 北京通常采用9 0 号基质沥青，但对于重载交通、行车速度慢的路段，基质沥青应使 用低标号的。在路面结构设计中也提出过采用7 0 号基质沥青，但由于材料原因施工时并 没有采用。 混合料的结构类型是影响材料性能的最主要因素，骨架密实型结构的综合性能均优 4 长安大学硕士学位论文 于悬浮密实型和骨架孔隙型。北京市南中轴b r t 系统中、下面层采用了原规范中a c 2 0 1 和a c 2 5 i 型的悬浮密实型结构类型，其抗车辙能力显得不足。 4 、施工因素【i o l 北京市南中轴b r t 系统面层施工时外界温度较低，摊铺和碾压受一定条件限制，压 实度偏低。从钻芯样可看出，沥青面层间夹杂土颗粒，存在层间污染，各层间已成为非 连续体系，是结构受力的薄弱层，极易产生剪切推移破坏。这就要求选用利于施工的粘 层油作为层间材料，以提高路面各结构层的连续性，抵抗剪切推移破坏。 1 2 2 常州市b r t l 号线路面病害分析 常 n b r t l 号线于2 0 0 8 年4 月全面运营，它北起常州高新区，中间穿过主城中心区， 终点为常州南部科教城，基本沿客流南北主通道，全长2 2 5 k m 。其有效缓解了交通拥堵 的状况，加强了城南与城北的联系，在开发利用沿线土地和经营城市资源等方面也都取 得了良好成效。但是常州b r t 获得显著成效的同时，b r t 站台段路面早起损坏严重，在 通车较短时间内，就出现车辙、开裂、坑糟等病害。这些病害的出现，既严重影响了道 路的服务能力，又增加了养护工作量及其难度，并造成了不小的经济损失。 其主要原因在于：在路面结构设计时，交通量的预测值与道路通车后的交通量实测 值存有较大的误差，庞大且技术先进的b r t 公交车承载总重量远比普通公交车大得多， 其扭矩大刹车急，在站台停车时，采用的又是与站台安全门对接式定位停车方式，这使 得b r t 路面承受较大的剪切推移力，造成路面发生早期破坏。常州地处我国沥青使用性 能分区的夏炎热l 一4 区，夏季高温天气较多，这就对路面材料的高温性能有更高的要求。 另外，路面结构层组合不合理导致路面各层受力不均，不能b 很z 好传递或承受荷载而发生 剪切流动变形；因沥青材料本身的高温性能差或沥青混合料的配比设计不合理等而导致 沥青混合料的高温性能不良，造成路面失稳发生车辙等病害。 综上所述，可见b r t 路面使用过程中都出现了抗剪切推移能力不足的情况，这会减 小b r t 系统的运营寿命，也就很难起到解决城市交通困境的有效作用。而主要原因是路 面结构与材料设计不合理，以及对b r t 特殊交通条件考虑不周，另外也没有评价b r t 路 面材料高温抗剪切推移能力的指标和方法，所以本论文通过结构与材料设计，研究b r t 停车段沥青混合料的抗剪性能试验方法和评价指标。 1 3 沥青路面结构与材料剪切性能研究概述 5 第一章绪论 传统的路面力学结构设计均以圆形均布荷载近似描述轮载对路面的作用力，设计控 制指标则采用路表弯沉和某些结构层层底拉应力。路表弯沉主要反映的是路面的整体强 度，其主要作用是控制路基路面结构的总变形，防止沉降、车辙等整体强度不足的损坏， 并不能反映出沥青路面及混合料的具体受力特性；而层底弯拉应力的主要作用是防止相 应结构层的疲劳开裂，也没有反映沥青混合料的具体受力特性和沥青混合料的本质特 性。 在车辆荷载作用下，路面结构层将会产生剪应力，而在混合料在设计和性能评估中， 并没有考虑其剪切性能的好坏。当混合料以及沥青路面的各项指标均满足要求时，沥青 路面发生剪切破坏是完全可能的，发生在路面中的剪应力是很大的，并且基层的刚度越 大，反映到面层中的剪应力也越大。 传统的沥青混合料设计采用的是马歇尔设计方法，但其物理意义不明确，尤其对于 稳定度的指标和概念，研究者很少能够说明这个指标与路用性能之间的本质关系；并且 随着新兴路面材料和结构的兴起，女n s m a 、o g f c 、半柔性灌注式路面等结构形式和抗 车辙剂、环氧沥青等新材料的出现，用马歇尔方法根本无法评定混合料质量的优劣。 路面损坏的原因主要是外部环境因素( 如雨水、温度变化和车辆荷载等) 和路面结 构与材料内在因素两方面。我国近年来的道路迅猛发展，道路投资大，但与此同时出现 的道路早期损坏现象尤显突出，有的道路修建通车还远没达到使用寿命，甚至有的道路 通车还没有一年就发生了破坏，这其中与施工、材料本身缺陷等方面密切相关，同时车 辆荷载的变化和材料设计组成不合理也是其中重要的原因。 在进行路面结构和材料组成设计中，现有的设计方法并没有考虑混合料和路面结构 层的抗剪特性，因此也就不能断定路面结构层是否有足够的抗剪强度，是否会出现剪切 破坏。同时，车辆超载情况下，轮载的非均匀特性更加明显，路面产生最大剪应力值就 会越大，路面发生剪切破坏的可能性也就越大。因此，研究沥青路面结构及材料的抗剪 性能对于路面的结构设计和道路路用性能是十分必要的。当路面结构层在车辆荷载作用 下可能发生剪切破坏时，若能找出能反映路面结构和材料的抗剪强度指标，并据此受剪 特性进行路面材料的组成设计，对提高路面的使用寿命有直接的影响。 1 3 1 沥青混合料抗剪切性能研究进展 考虑混合料的抗剪切特性，在当前沥青混合料的设计和路面结构设计中很少应用。 在以往各国进行的抗剪切特性研究中，都采用三轴试验和抗剪公式加以分析。在各国的 6 长安大学硕士学位论文 设计规范中，目前采用抗剪指标的只有美国加州路面设计规范有这一项指标，其目 的是用来验证基层厚度是否满足使用要求，所提指标主要是针对基层参数，未曾提及对 混合料的影响。但是作为一项混合料的重要指标，各国的公路研究者却自始至终对其充 满了浓厚的兴趣。 沥青混合料的抗剪切特性研究始于二十世纪三十年代，五六十年代达到高潮。期间， 美国道路科研人员对混合料抗剪特性进行了大量研究，主要代表人物有n o r m a nw m c l e o d 、va e n d e r s b y 和g o e t za n dc h e l a 等。 n o r m a nw m c l e o d 1 1 】从静载作用条件下的路面抗剪稳定度、考虑轮胎内力分布时的 路面抗剪稳定度、考虑刹车以及车辆加速时的有水平剪应力条件下的路面抗剪稳定度三 个方面进行了系统的研究。同时开创性地考虑了轮胎与路面以及路面与基层之间的摩擦 力对路面抗剪性能的影响，这对以后的抗剪性能研究产生了深远影响。在路面结构力学 研究中，引入轮胎的接地分布压力图，根据轮胎的接地分布压力分布不均匀的特性，提 出了不同的设计标准，最后给出基于直线包络线下的路面抗剪的设计诺模图。随后给出 了基于曲线包络线的路面抗剪的设计方法，使其更加符合道路的实际受力状态。 v a e n d e r s b y 提出了制备沥青混合料三轴试验试件的具体试验方法，为后来三轴试 验的研究作出了贡献【1 2 】。l - w n i j b o e r 则将三轴试验测得的数据引入沥青混合料配合比 设计中，考虑了抗剪参数对路用性能的影响；还利用p r a n d t l 公式对塑性条件下的沥青 混合料进行了评估，使沥青混合料设计更加完善。vr s m i t h 利用弹性理论的方法系统 全面地分析了道路结构剪切受力状态，分别研究了试验类型、加载速度和温度对三轴试 验方法试件的抗剪切能力的影响，从试样制备到数据整理都给出了完备的理论分析和详 细的步骤，并把三轴试验结果与其他的方法进行了比较和分析，提出了沥青混合料抗剪 切的破坏标准以及混合料应该满足的物理力学性能，并通过诺模图的形式给出在不同荷 载条件下混合料应达到的抗剪要求。 g o e t za n dc h e n 考虑到三轴试验时利用液体加侧向力比较复杂，就对三轴试验理论 和方法进行了改进研究，加压方式改用大气压，方便实用，便于推广，对当时试验研究 有相当大的现实指导作用【1 4 】。利用这种试验方法，对不同的集料类型和级配、不同的沥 青含量以及不同条件下的加载速率进行了抗剪性能的研究。 w s h o u s e l 1 5 】利用三轴试验方法对沥青混合料进行了力学方面的解释，指出了粒 料的真实受力特性是一种拱联效应，而力的传递就是通过拱联效应实现的。同时还提出 了相应的沥青混凝土剪切计算公式。除此以外，h v e e m 、t e r z a g h i 、t a y l o r 、r u t l e d g e 和 7 第一章绪论 h o l t z 等分别从沥青混合料抗剪的特性出发，对沥青混合料力学性能和路面设计理论方 法进行了研究，推动了这方面力学研究的发展，为以后抗剪切性能力学研究奠定了基础。 二十世纪七八十年代，b h s u b b a r a j u 1 6 】采用了埋入传感器的方法研究剪切应力分布 规律，通过对试件施加不同的荷载进行剪应力的测试和分析，最后给出了具体的抗剪切 性能力学计算公式。 w i l l i a ml h e l w i t t 1 7 】在柔性路面的设计方法中引入理论抗剪公式，与t e x a sh i g h w a y d e p a r t m e n t 设计方法和马歇尔设计方法进行比较，得出了利用抗剪公式进行设计得出的 结果更为合理，最后还给出了设计用的诺模图。e d w a r ds b a r b e r 给出了路面在水平剪 应力和垂直力同时作用条件下道路的受力状态，并且指出道路设计中必须考虑水平剪应 力的作用，在水平力和垂直力共同作用下，道路中产生的剪应力大大增加，道路的稳定 性降低。m a h m o u da m e r i g a z n o n 和d a l l sn l i t t l 1 8 】利用八面体剪应力的方法对基于刚性 基层上的沥青罩面层进行了分析。分别分析了罩面厚度、层间连接条件、罩面材料劲度 不同时面层内的八面体剪应力的分布规律，以及是否有水平剪应力时八面体剪应力的分 布规律，并且给出了利用八面体剪应力分析混合料力学性能的实现方法，最后与m c l e o d 的设计方法进行了比较。k i r y u k h i n 在第八届国际沥青会议上提出了利用抗剪特性和控 制裂缝进行路面设计的方法，但并没有提出具体的试验方法和可操作的控制标准。 二十世纪九十年代随着经济的发展和道路车辆与荷载的增加，沥青混合料抗剪切性 能的研究又逐渐引起道路研究人员的关注，主要是路面建设初期出现了大量的损坏，而 很多研究者从路面抗剪切方面分析早期损坏，从而推动沥青混合料抗剪切性能研究，但 是损坏的机理至今尚在研究过程中。g n k i r y u k h i n t 旧】基于剪应力标准提出了一个流变模 型，并且利用该模型给出了详细的控制指标和参数，并且给出了计算剪应力参数的试验 方法和计算公式，从混合料抗剪切性能的角度提出道路设计的设计标准。e r k e n s 、a i t l a r a l o u l i z i 、z h o n gw u 等均是利用该方法对沥青混合料的性能进行了研究。此外，美国b o i s e s t a t eu n i v e r s i t y 利用静三轴和动三轴对沥青混合料的性能进行了试验研究，对不同温度 条件下的剪切性能进行试验比较分析发现：( 1 ) 沥青混合料最大孔隙水压力与应变和沥 青含量无关，但受温度影响较大；( 2 ) 最大偏应力发生在应变值为3 时，并且与试件 中的沥青含量和试验温度无关。 传统的研究认为：沥青混合料的剪切破坏主要是沥青混合料高温稳定性不足，在荷 载作用下产生永久变形和剪切推移。以上这些研究主要是在理论上做了必要的尝试，其 试验方法在设计和施工控制中并没有被广泛使用，原因主要有：( 1 ) 试验方法复杂，仪 长安大学硕士学位论文 器费用昂贵，操作困难；( 2 ) 没有形成统一的标准，在设计和施工中难以采用和控制： ( 3 ) 无法反映路面的实际受力状态。随着设计的深入研究，材料的发展和施工工艺的 提高等，针对当前的交通、材料和道路结构中，如何综合考虑抗剪性能也就变得迫在眉 睫。 在我国，1 9 8 6 年建设部城市道路柔性路面设计方法与指标的研究将抗剪指标参 数引入城市道路设计中，并列入城市道路设计规范t 7 1 ( g j t3 7 呻0 ) ，在当时促进了 城市道路设计的发展，但是近几年，我国沥青路面的高速发展，渠化交通日益明显，而 路面的早期破坏现象也日趋严重，国内专家学者对此进行了大量的研究，从试验方法、 路面材料、力学机理分析等诸方面取得了一定成果，研究认为设计中忽略路面抗剪性能 是早期损坏的重要原因之一。 2 0 0 4 年同济大学孙立军教授【2 0 】通过分析沥青路面的早期破坏，利用单轴贯入试验 和无侧限抗压试验，对沥青混合料抗剪切性能进行了研究。同济大学林绣贤教授【2 2 1 从城 市道路设计规范( g j t3 7 呻o ) 的抗剪切指标分析入手，提出采用闭式三轴试验测定 抗剪参数可用单轴贯入试验来替代，同时对贯入试验进行理论上的论证和简化，对测定 的仪器设备、温度提出更可行的建议。同济大学邵显智【2 3 1 从影响沥青混合料抗剪性能的 因素入手，对单轴贯入试验进行了进一步研究，并提出用极值点取代损伤拐点来评价沥 青混合料的抗剪切性能。同时还进行了沥青混合料剪切疲劳研究，分析了单轴贯入剪切 疲劳试验的可行性，说明单轴剪切疲劳试验能够反映路面的实际受力情况。 2 0 0 6 年长安大学郝培文教授【2 4 】研制开发了一种直接剪切试验仪，确定了直接剪切 的试验方法和主要参数，并利用该仪器进行不同外界条件下沥青混合料剪切性能研究， 同时与车辙试验进行比较，得出抗剪指标能很好的评价沥青混合料的高温抗车辙性能。 2 0 0 7 年中南大学聂忆华博士【2 5 】进行了沥青路面剪应力分布研究，通过有限元计算 法得出最大剪应力分布在距表3 c m 深度左右范围内，提出三层沥青面层结构需进行上面 层和中面层的剪应力计算。 可见，我国对于沥青混合料抗剪强度的研究主要着眼于路面永久变形能力方面，还 未能提出一种统一的试验方法和标准体系，而对抗剪强度高的新型材料的研究更是比较 少。虽然我国城市道路设计中考虑到剪切作用的影响，然对城市路面的抗剪切性能试验 方法和城市道路新型材料方面还有待进一步深入研究。 9 第一章绪论 1 3 2 沥青路面层间抗剪切性能研究进展 国外开展层间抗剪性能的研究较早，并且很注重试验仪器的开发。早在1 9 7 8 年，u z a n 等人就在室内成型立方体试件，采用直剪试验仪进行不同温度下的层间剪切试验【圳。 1 9 8 6 年，荷兰d e l r 大学的m 。l e n a a r 【2 7 1 等人采用圆柱体试件对经过不同层问处治的沥青路 面进行了抗剪性能测试发现：喷洒粘层油对抗剪强度没有太明显贡献。瑞士联邦材辑检 测与研究实验室有一套标准的评价沥青路面层问抗剪强度的试验方法和仪器，并且形成 了自己的标准。1 9 9 7 年，h 本的h h l y a 和s a l o 通过拉伸试验和剪切试验研究粘层材料和 层f 日j - t 净程度对抗剪强度的影响。发现粘层在高温f 所起作用较为明显，界面受到污染 对抗剪强度产牛不利影响”i 。 2 0 0 3 年，s l o l a r 等人在佛罗里达州研发了一种简单的直剪试验仪f 州，它的最大优点 是可以很方便地安装在各种试验机或马歇尔稳定度仪上，如图14 所示。研究人员进行了 大罱室内试验，并与现场钻芯进行对比分析得出水会对抗剪强度产生不利影响。 图1 4 安装在m t s 和马歇尔稳定度仪上的直接试验仪 2 0 0 5 年，美国r 卸d y 等人对沥青面层问粘结性能展开了深入研究i ”】，分析了粘层材 料类型、喷洒量、面层类型、温度等众多因素肘层间粘结性能的影响，研究认为温度对 粘结性能的影响最为显著。另外研究者还规范了直剪试验，确定了适合的试验温度和剪 切速率，并和现场钻芯试样进行了对比。美国l a i t l l 等人通过佛罗罩达州的剪切仪、u t e p 拉拔仪和扭剪试验仪三种试验方法对层间粘结性能进行全面试验，研究得出铣创旧路使 界面粗糙可以明显改善层间粘结效果。 我国对于层间抗剪性能的研究开始较晚，而且没有统的试验理论和方法。长安大 学张占军采用固定正应力剪切、直接剪切和直接拉仲试验进行过多方面研究，而东南大 学高雪池采用4 0 。斜面剪切试验。 长安大学刘细军m 1 研制开发了一种原理简单、数据采集方便的直接剪切试验仪，确 长安大学硕士学位论文 定了直接剪切的试验方法和主要参数，并利用该仪器进行不同外界条件下沥青混合料剪 切性能研究，同时对层间抗剪性能进行合理有效的分析。长安大学王正文通过计算确定 了相应的抗剪强度和抗拉强度指标，并采用直剪试验和拉拔试验对粘层材料的粘结性能 进行了评价。 长沙理工大学的张志勇3 1 1 采用剪切试验和拉拔试验对胶粉沥青、s b s 改性沥青、环 氧沥青和乳化沥青的粘结层进行对比研究，确定了四种粘结剂的最佳用量，分析了温度、 浸水、正压力等因素对粘结层抗剪强度和拉拔试验的影响。东南大学的王涓【3 2 】比较三种 柔性防水材料的剪切性能和拉拔性能，并对试验方法和评价进行了探讨，为合理选择防 水粘结层材料提供了依据。 由以上分析可知，我国在层间抗剪切性能评价和国外情况类似，多采用剪切试验和 拉拔试验，没有形成统一的评价体系。所以，急需针对层间抗剪性能提出标准试验方法 与评定标准。 1 4 本文主要研究内容 b r t 路面结构属于城市道路路面结构，而我国城市道路规范采用路表回弹弯沉、 弯拉应力和剪应力三项设计指标，同时考虑日趋大型化的b r t 车辆停车刹车力大和路 面受力位置集中等因素，b r t 路面结构材料应具有更强的抗推移和抗剪切性能。 本研究根据b r t 停车段路面的特点，通过不同的抗剪性能试验，选择性价比合适 的沥青混合料类型和层间粘结材料，对b r t 停车段路面结构的拟定提供理论支持，为 相关技术规范或规程的修订提供依据。具体研究内容如下： l 、掺加抗车辙剂沥青混合料抗剪切技术研究 本研究选取法国p r i 、德国d u r o f l e x 和中国海川r a ds p u n r i e 三种抗车辙剂，级配 采用s m a - 1 3 和a c 1 6 c ，沥青采用t p s 高粘改性沥青，利用贯入剪切试验和直接剪切 试验进行不同抗车辙剂混合料抗剪性能影响因素分析。 2 、环氧沥青混合料抗剪切技术研究 环氧沥青混合料是一种强度高、韧性高的热固性材料，广泛应用于桥面铺装、停车 站和道路交叉口。本研究选取二次改良后的日本环氧沥青作为结合料，基质沥青采用埃 索7 0 # ，级配采用a c 一1 6 ，利用贯入剪切试验和直接剪切试验研究其抗剪性能。 3 、灌注式沥青混合料抗剪切技术研究 灌注式沥青混合料广泛应用于收费站、停车场、加油站与公共汽车专用线。本研究 第一章绪论 采用4 2 5 r 水泥开发新型特殊水泥胶浆，基体沥青混合料采用大空隙沥青混合料，并进 行灌浆技术研究，利用贯入剪切试验和直接剪切试验研究其抗剪性能。 4 、路面层间抗剪切技术研究 采用s b r 改性乳化沥青、s b s 改性沥青以及日本环氧粘结剂三种材料，通过直接 剪切试验和直接拉拔试验，在不同温度和不同用量下进行抗剪切技术研究。 5 、b r t 典型路面结构推荐及设计指标 通过沥青混合料和层间材料的抗剪性能优选对比，推荐适合b r t 停车段的路面典 型结构和设计控制指标。 6 、厦门b r t 实体工程铺筑 通过室内不同沥青混合料抗剪切技术研究和层间抗剪切技术研究，在考虑材料经济 性基础上，选取合理的方案用于实体工程铺筑，研究其施工工艺和质量控制措施。 1 2 长安大学硕士学位论文 第二章b r t 停车段沥青混合料配合比设计 2 1 沥青路面结构受力分析 由于b r t 采用渠化交通方式以及车辆刹车力较大，b r t 专用道路路面面层承受较大 的剪应力，破坏形式主要是车辙、拥包和推移等剪切破坏，因此b r t 专用车道设计应进 行材料的抗剪性能研究。利用有限元软件进行沥青混凝土面层力学分析，沥青面层的剪 应力分布如图2 1 所示，由图2 1 可知剪应力在距路表2 8 c m 范围内都比较大，较易产生剪 切破坏，并且随着轴重的增加，最大剪应力增大，剪应力峰值增加，最大剪应力集中在 面层上部。 在垂直荷载和水平荷载共同作用下，剪应力在面层某一深度达到最大，这个位置一 般在上、中面层接触处，然后随着深度增大而减小，在上面层范围内较易产生剪切破坏， 使路面产生拥抱、推挤、开裂。根据力学分析可知，剪应力主要出现在上、中面层，下 面层剪应力很小，所以本文仅对上、中面层进行对比研究。研究主要分两个方面：一是 上、中面层的沥青混合料的抗剪性能研究，包括掺加抗车辙剂沥青混合料、日本环氧沥 青混合料和灌注式沥青混合料，其次考虑到层间是结构受力的薄弱层，而且最大剪应力 很有可能出现在层间位置，所以对层间选取了s b r 改性乳化沥青、s b s 改性沥青和日本 环氧三种粘结剂材料，进行层间的抗剪性能研究。 ，- 、 罡 兰 、- ， r 毯 襁 嵝 暄 怔 烬 距路表的距离( 锄) 图2 1 面层内剪应力随轴重变化图 第二章b r t 停车段沥青混合料方案研究及其配合比设计 2 2 掺加抗车辙剂沥青混合料配合比设计 2 2 1 概述 欧洲许多国家广泛使用抗车辙剂来提高沥青路面抗剪切推移变形的问题，各种等级 的公路大量使用抗车辙剂，甚至包括许多重要的桥梁和隧道的铺装也采用掺加抗车辙剂 沥青混合料。 我国针对掺加抗车辙剂沥青混合料也进行了大量试验研究。其中应用较为广泛的抗 车辙剂是法国p r i 、德国d u r o f l e x 和海川公司的r a ds p u n r i e 。掺加p r i 抗车辙剂的沥青 混合料已用于北京、山西、陕西、浙江部分高速公路，实体工程和室内外试验研究表明， 掺加p r i 可以显著提高沥青路面抗永久变形能力和抗剪切推移能力，从技术经济方面考 虑掺加矿料质量4 的p r i 抗车辙剂效果显著，可达到或超过相同级配s b s 改性沥青混 合料抗车辙水平。而德国d u r o f l e x 在北京、辽宁、山西、广东等地区的新建道路和旧路 养护维修项目上获得应用，取得较好效果。普遍认为德国d u r o f l e x 可以显著提高沥青混 合料的高温稳定性和抗水损坏性能3 3 1 。 本文研究目的是提高沥青混合料的抗剪切推移能力，由以往研究可知，抗车辙在抵 抗高温稳定性方面优势突出，所以研究中选取了法国p r i 、德国d u r o f l e x 和海川r a d s p u n r i e 抗车辙剂进行研究。不同抗车辙剂对沥青混合料的作用机理不完全相同，但是 抗剪切推移原理基本包括四个方面： 1 、嵌挤作用 沥青路面使用过程中，温度低于抗车辙剂材料的玻璃化温度，抗车辙剂变形颗粒处 于玻璃态，变形能力较差，维持压实后的形状，限制了矿料颗粒间的相对滑动，增加了 矿料颗粒间的嵌挤力，因而提高了沥青混合料的抗剪切推移性能。 2 、加筋作用 沥青混合料中片状或纤维状抗车辙剂变形体相互间联结成一个立体网状结构，将矿 料颗粒牢固地限制在网格内，从而使沥青混合料抗推移能力提高。 3 、胶结作用 拌和温度较高，抗车辙剂有较好的流动性，其通过润湿和浸润作用包裹在矿料颗粒 表面，当温度冷却后，在矿料颗粒间形成具有很高刚度和强度的粘结，使得颗粒之间的 相对滑动阻力变大，从而提高混合料抗剪切推移性能。 1 4 长安大学硕士学位论文 4 、吸收沥青中的轻质油分 抗车辙剂属于高分子材料，可吸收沥青中的轻质油分，从而增加了沥青的粘度，提高 沥青混合料的高温劲度模量，有利于提高沥青混合料抗剪切推移能力。 2 2 2 原材料试验 2 2 2 1 集料技术性质 b r t 停车段要求材料具有较好的抗剪切性能，粗集料要有较高的压碎值，应均匀、 洁净、干燥、无风化、无杂质，并且有足够的强度、耐磨耗性、抗冻性、耐腐蚀性、抗 冲击性、耐磨光性、抗破碎性以及与沥青的良好粘附性，且必须严格限制粗集料的扁平 颗粒含量。通过材料优选，研究中粗、细集料均采用力学性能较高的花岗岩，其物理力 学指标如表2 1 ，各项技术指标均满足规范要求。 表2 1 粗集料物理力学指标 粗集料试验结果 检测项目要求试验方法 1 0 2 0 m m5 1 0 m m 集料压碎值慌 2 51 7 0t 0 31 6 2 0 0 0 洛杉矶磨耗损失脱 2 81 6 4 5t 0 31 7 2 0 0 0 表观相对密度2 52 6 3 1 42 6 2 3 4 表干相对密度 2 6 0 1 32 5 8 2 3 t 0 3 0 4 - 2 0 0 0 毛体积相对密度 2 5 8 2 52 5 5 7 0 吸水率觞20 7 1 50 9 9 0 针片状