第十三章 沥青路面.ppt

第十三章沥青路面 第一节概述一 沥青路面的基本特性1 定义 沥青路面是通过各种方式将沥青材料用作矿料的结合料 经铺筑后形成路面面层并与其他各类基层和垫层共同组成的路面结构的统称 2 特点 表面平整 无接缝 行车舒适 耐磨 振动小 噪声低 施工期短 养护维修简便 适宜分期修建 面层抗拉强度较低 整体强度和稳定性取决于土基和基层的特性 二 沥青路面的损坏类型及其成因1 裂缝 按其成因不同分为横向裂缝 纵向裂缝和网状裂缝三种类型 第十三章沥青路面 横向裂缝是指垂直于行车方向的裂缝 按成因不同 又分为荷载型与非荷载型两大类 荷载型是由于车辆严重超载 致使拉应力超过其疲劳强度而断裂 非荷载型裂缝是横向裂缝的主要形式 这种裂缝又可分为两类 沥青面层缩裂和基层反射裂缝 非荷载型横向裂缝一般比较规则 每隔一定的距离产生一道裂缝 纵向裂缝产生的原因有两种 一种情况是沥青面层分路幅摊铺时 两幅接茬处未处理好 在车辆荷载与大气因素作用下逐渐开裂 另一种情况是由于路基压实度不均匀或由于路基边缘受水浸蚀产生不均匀沉陷而引起 网状裂缝主要是由于路面的整体强度不足而引起的 也可能是由于路面出现横向或纵向裂缝后未及时封填 致 第十三章沥青路面 使水分渗入下层 加剧了路面的破损 在施工期及长期使用过程中的老化也是导致沥青面层形成网裂的原因之一 2 车辙 是渠化交通引起的沥青路面损坏类型之一 主是从提高沥青的高温稳定性防治车辙 3 松散剥落 指沥青从矿料表面脱落 产生的主要原因是由于沥青与矿料之间的粘附性较差 在水或冰冻作用下 沥青从矿料表面剥离所致 另一种原因是施工过程中混合料加热温度过高 致使沥青老化失去粘性 4 表面磨光 产生的原因是集料质地软弱 缺少棱角 或矿料级配不当 粗集料尺寸偏小 细料偏多 或沥青用量偏多等 第十三章沥青路面 三 对沥青路面的基本要求1 高温稳定性 2 低温抗裂性 3 耐久性 4 抗滑能力 5 防渗能力 四 沥青路面使用性能的气候分区沥青路面的使用性能根据高温 低温和雨量三个主要因素的气象资料 进行分区 五 沥青路面的分类 第十三章沥青路面 1 按强度构成原理分类可分为密实型和嵌挤型两大类 密实型沥青路面要求矿料的级配按最大密实原则设计 其强度和稳定性主要取决于混合料的粘聚力和内摩阻力 密实型沥青路面按其空隙率的大小可分为闭式和开式两种 闭式混合料中含有较多的小于0 5MM和0 074MM的矿料颗粒 空隙率小于6 混合料致密而耐久 但热稳定性差 开式混合料中小于0 5MM的矿料颗粒含量较少 空隙率大于6 其热稳定性较好 嵌挤型沥青路面要求采用颗粒尺寸较为均一的矿料 路面的强度和稳定性主要依靠集料颗粒之间相互嵌挤所产生的内摩阻力 而粘聚力则起次要作用 这种路面热稳 第十三章沥青路面 定性较好 但易渗水 耐久性差 2 按施工工艺分类根据施工工艺的不同 分为层铺法施工 路拌法施工和厂拌法施工的沥青路面三种 层铺法 A 定义 将沥青分层洒布 矿料分层撒铺 然后碾压形成沥青面层的施工方法 B 特点 工艺和设备简便 功效较高 施工进度快 造价较低 结构强度低 使用寿命短 路面成型期较长 需要经过炎热季节经行车碾压之后路面方能最终成型 路拌法 第十三章沥青路面 路拌法是指在路面上用人工或机械将矿料和沥青材料就地拌和 摊铺 碾压密实后形成沥青结构层的施工方法 沥青材料分布均匀 可以缩短路面的成型期 但强度较低 厂拌法 是用不同粒径的碎石 天然砂 矿粉和沥青按一定比例在拌和机中热拌所得的拌和物 在规定温度范围内运到工地并用摊铺机摊铺 碾压密实成型的沥青路面 达到规定的强度孔隙率后 称作沥青混凝土 按混合料铺筑温度的不同可分为热拌热铺和热拌冷铺 3 根据沥青路面技术特性分类 第十三章沥青路面 可分为沥青混凝土 热拌沥青碎石 乳化沥青碎石 沥青贯入式 沥青表面处治五种类型 此外还有沥青玛蹄脂碎石混合料 沥青表面处治是用沥青裹覆矿料 铺筑厚度小于3cm的一种薄层路面面层 宜选择在干燥和较热的季节施工 并在雨季前及日最高温度低于15度到来以前半个月结束 表面处治是按嵌挤原则构成强度的 可采用道路石油沥青或乳化沥青 可采用拌和法或层铺法施工 拌和法施工可采用热拌热铺或冷拌冷铺法 层铺法宜采用沥青洒布车及集料撒布机联合作业 沥青贯入式路面指具有较高的强度和稳定性 其强度构成主要依靠矿料的嵌挤作用和沥青材料的粘结力 第十三章沥青路面 是一种多孔隙结构 为防止水的下渗 增强路面的水稳定性 路面的最上层应撒布封层料或加铺拌和层 应选择在干燥和较热的季节施工 厚度一般为4 8cm 所用的集料应选择有棱角 嵌挤性好的坚硬石料 沥青碎石路面是指用沥青碎石作面层的路面 沥青碎石的配合比设计应根据实践经验和室内试验的结果 并通过施工前的试拌和试铺来确定 适用于三级及三级以下公路的沥青面层 二级公路的养护罩面以及各级公路沥青路面的联结层或整平层 一般情况下 乳化沥青碎石混合料路面的沥青面层采用双层式 SMA混合料是一种由沥青 纤维稳定剂 矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充于间断级配的粗集料骨架空隙中所形成的沥青混合料 具有三多一少的特点 粗集料多 矿粉多 沥青结合料多 细集料少 其设计配合比不完全依靠马歇尔试验方法 而是以体积指标确定 第十三章沥青路面 第二节沥青路面材料的结构与力学特性沥青路面面层的铺筑材料为沥青混合料 它的结构相对比较松散 并具有明显的颗粒特征 因此具有独特的结构与力学特点 一 三相体系与压实性能它由集料 沥青和空气三相组成 根据土力学三相体系理论 可以得到一些相关的量 见P314 其中孔隙比 空隙率 剩余空隙率 沥青饱和度 压实度 均可以用作表征沥青混合料压实程度的指标 沥青混合料必须经过拌和 摊铺 碾压才能形成一种结构 具有一定的强度 尤其是碾压 第十三章沥青路面 影响压实可行性能的主要因素有 压实温度 压实速度 压实应力 沥青用量等 根据压实度定义 实际施工时的视密度可以通过钻孔取芯在试验室内测定 而真密度则通过各组成材料的配合比用量及密度 由P315公式计算出来 二 沥青混合料的结构力学特性沥青混合料属于颗粒性材料 颗粒性材料的强度构成起源于内摩阻力和粘结力 对于沥青混合料 它的主要力学强度取决于集料颗粒间的摩擦力和嵌挤力 与结构有关 沥青胶结料的粘结力以及沥青与集料之间的粘附性等 第十三章沥青路面 按沥青混合料强度构成原则的不同 其结构可分为按嵌挤原理构成的结构和按密实级配原理构成的结构两大类 按嵌挤原理构成的沥青混合料要求采用较粗的 颗粒尺寸较均匀的集料 沥青在混合料中起填隙作用 并把集料粘结成为一个整体 这种材料强度主要依靠颗粒之间的嵌挤产生的 沥青贯入式路面 沥青表面处治以及沥青碎石路面均为此类结构 其性能受温度影响相对较小 按密实级配原理构成的沥青混合料 是指集料和沥青按最大密实原则进行配合而形成的一种材料 其结构强度是以沥青与集料之间的粘结力为主 以集料颗粒间的嵌挤力和内摩阻力为辅而构成的 沥青混凝土路面和沥青碎石混合料路面属于此类 受温度影响较大 第十三章沥青路面 沥青混合料组成结构有三种状态 1 密实悬浮结构 采用连续型密级配 集料的颗粒尺寸由大到小连续存在 这种沥青材料性质表现为粘结力较高 内摩阻力较小 稳定性较差 2 骨架空隙结构 采用连续开级配的沥青混合料属于这一类型 这种材料内摩阻力较大 而粘结力较小 修筑沥青路面 稳定性好 3 密实骨架结构 是综合以上两种类型的结构 这种沥青混合料同时具有较高的粘结力和内摩阻力 目前研究沥青混合料强度构成特性 普遍采用摩尔 库仑理论 并引进粘结力和内摩阻角作为理论指标 第十三章沥青路面 纯沥青的C不等于0 但内摩阻角为0 干燥集料的C等于0 而内摩阻角不等于0 但沥青混合料 其C和内摩阻角均不为0 理论准则和试验结果结合起来可以确定这两个参数 理论准则采用前述理论 试验结果可通过三轴试验 简单拉压试验或直剪试验获得 三轴试验 按公式 13 3 确定 简单拉压试验 按公式 13 6 确定 直剪试验 通过试验作出剪力和正应力坐标图 绘制库仑直线 从而求出 三 沥青混合料的粘弹性性质与力学模型一般认为 沥青混合料是一种弹 粘 塑性综合体 第十三章沥青路面 低温小变形范围内接近线弹性体 高温大变形活动范围内表现为粘塑性体 而在通常温度的过渡范围内则为一般粘弹性体 1 粘弹性材料的基本性质 1 应力应变关系的曲线性及其不可逆性 2 对加载速度和试验温度的信赖性 并服从时间温度换算法则 3 具有十分明显的蠕变与应力松驰特性 4 对于线粘弹性材料 则服从线性叠加原理和复数模量原理 2 蠕变与松驰特性 第十三章沥青路面 蠕变是当应力为一恒定值时 应变随时间逐渐增加的现象 应力松驰是当应变为一恒定值时 应力随时间而衰减的过程 3 基本流变模型 略 4 沥青混合料的力学模型 略 四 沥青混合料的模量用粘弹性理论研究沥青混合料的模量时必须遵循如下基本原则 1 沥青混合料兼具虎克弹性与牛顿粘性的双重性质 2 沥青混合料的力学性质均应作为温度与时间的函数表示 第十三章沥青路面 3 将沥青混合料的性质作为某一条件的响应是比较合理的 宜将其描述为仅在某一条件下才具有的性质 在处理疲劳破损时 通常采用动态试验 在解决车辙问题时 常采用蠕变试验 在分析低温缩裂时 常采用应力松驰试验 A 蠕变试验 采用拉伸 压缩和弯曲等力学图式 在固定荷载作用下量测应变随时间的变化 蠕变柔量的计算公式 13 12 B 应力松驰试验 松驰模量的计算公式 13 13 C 等应变速率试验 按切线斜率计算的是切线劲度模量 割线斜率计算的是割线劲度模量 计算公式 13 14 第十三章沥青路面 4 动载试验 最常用的是对试件施加正弦波 复数模量即是两个最大幅值之比 1 沥青的劲度模量 是一定时间和温度条件下 应力与总应变的比值 计算公式见 13 19 总应变包括弹性应变 延迟弹性应变 残余应变等 2 沥青混合料的劲度模量随着集料的掺入 沥青混合料的劲度模量不断地增大 计算公式见 13 22 五 沥青混合料的强度分析路面的实际受损状态后可以看出 沥青混合料抵制破坏的强度主要有三个方面 第十三章沥青路面 即剪切强度 断裂强度和临界应变 1 剪切强度是一项重要的强度指标 它反映了混合料的强度与混合料内部的粘结力和摩阻力之间的直接关系 有利于材料的组成设计 2 断裂强度主要用于分析随气温下降时沥青面层收缩受阻而转化为收缩应力 当收缩应力超过极限强度时所造成的缩裂问题 3 临界应变和强度一样是材料组成结构的特征值 并随温度和加荷时间而有规律的变化 第十三章沥青路面 第三节沥青路面的稳定性与耐久性一 沥青路面的高温稳定性 高温稳定性破坏沥青混凝土的高温稳定性主要表现在夏季路面是否在车辆荷载的作用下逐渐形成车辙 所谓高温条件是指温度高于25 30度 沥青混合料高温稳定性影响因素分为内因 沥青用量 沥青质量 混合料类型 矿料级配类型 矿料颗粒形状 矿料表面特性 沥青与矿料的粘附 矿粉用量 和外因 温度 湿度 行车荷载 施工质量 两类 第十三章沥青路面 沥青混合料高温性能试验方法主要试验方法有 室内圆柱形试件的单轴静载 动载 重复试验 三轴静载 动载 重复试验 简单剪切的静载 重复加载和动力试验 此外还有中空圆柱形试件的动力 剪切试验 棱柱形梁式试件的弯曲蠕变试验 小型模拟设备的车辙试验 大型环道 直道试验设备的足尺路面高温性能试验和现场试验路面的加速车辙试验 提高沥青混合料高温稳定性的措施A 选用粘度高 针入度较小 软化点高和含蜡量低的沥青 B 用外掺剂改性沥青 第十三章沥青路面 C 在确定中 下面层沥青混合料的沥青用量时 采用略小于马歇尔试验确定的最佳沥青用量值 D 采用粒径较大和碎石含量多的矿料 并控制碎石中的扁平 针状颗粒的含量不超过规定值 E 保护矿粉与沥青之比为1 1 2 使矿粉有足够数量 以减少起润滑作用的游离沥青 减薄沥青膜的厚度 F 沥青混合料的马歇尔试验击实试件剩余孔隙率为4 左右 G 碾压时采用较高的压实度 二 沥青混合料低温抗裂性 低温开裂破坏沥青路面的低温缩裂大致可分为两类 第十三章沥青路面 一类是温度下降而造成路面的开裂 一类是属于路基或基层收缩与冰冻共同作用而产生的裂缝 裂缝从基层反射到面层 影响沥青路面低温开裂的因素主要有 沥青的性质 当地的气温状况 沥青老化程度 路基的种类和路面层次的厚度等 此外 路面面层与基层的粘结状况 基层材料的特征 行车状况对开裂也有影响 三 沥青路面的水稳定性沥青混合料在浸水条件下 由于沥青与石料的粘附性降低导致沥青混合料的物理力学性能降低的程度称为沥青混合料的水稳定性 第十三章沥青路面 1 沥青路面水稳性作用机理首先是水浸入沥青中使沥青粘附性减小 导致混合料的强度和劲度减小 其次水进入沥青薄膜和集料之间 阻断沥青与集料的相互粘结 2 沥青路面水稳定性的评价方法 1 煮沸试验 为区分沥青薄膜剥落与未剥落提供了直观的结果 可作为最先选用的试验 2 浸水马歇尔试验 是我国常用的评价沥青路面水稳定性的方法 3 冻融台座试验法 试图模拟路面在使用五年时 沥青粘结力发生的变化 第十三章沥青路面 4 浸水间接拉伸试验 要求试件在浸水真空压力下达到55 80 饱和度 通过浸水与不浸水条件下试件的间接抗拉强度比来评定 5 冻融劈裂试验 与浸水间接拉伸试验方法相似 只是增加了冻融循环条件 主要为模拟冰冻地区沥青面层的工作环境 加剧水对混合料的破坏程度 6 浸水车辙试验 把车辙试验放在浸水条件下进行 我国规范规定 用煮沸法检验沥青与集料之间的粘附性 用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验检验沥青混合料的水稳定性 3 提高沥青水稳定性技术措施 第十三章沥青路面 1 完善路面结构排水系统 2 沥青材料选择应考虑选取粘度大的沥青和表面活性成分含量高的沥青 3 集料选择 在其他各项指标满足要求的前提下 尽量选择二氧化硅含量低的碱性集料 若无碱性集料 应掺加外加剂 以改善粘附性 4 施工时保持集料干燥 无杂质 拌和充分 摊铺不产生离析 碾压时保证达到压实要求 四 沥青路面的抗疲劳性能路面材料在低于极限抗拉强度下经受重复拉应力或拉应变而最终导致破坏 称为疲劳破坏 影响沥青混合料疲劳特性的因素 主要有沥青混合料的密实度 劲度 沥青含量 集料特性 温度及加载速度等 第十三章沥青路面 五 沥青路面的耐老化性能老化过程一般分为二个阶段 施工过程中的热老化和路面使用过程中的长期老化 1 沥青的老化过程 1 运输和储存过程的老化 调查表明 这一阶段的沥青老化非常小 2 拌和过程的热老化 拌和过程的老化是沥青短期老化的最主要阶段 3 施工期的老化 沥青混合料摊铺 碾压和降温期间 沥青的热老化有进一步发展 2 沥青混合料老化试验和评价 1 短期老化的试验方法 第十三章沥青路面 应体现松散混合料在拌和 储存和运输中受热而挥发和氧化的效应 以模拟沥青混合料施工阶段的老化效果 有三种方法 烘箱老化法 延时拌和法 微波加热法 2 长期老化试验方法应着重体现沥青混合料压实成型试件持续氧化效应 以模拟使用期内沥青路面的老化效果 三种方法 加压氧化处理 延时烘箱加热 红外线 紫外线处理 第十三章沥青路面 第四节沥青路面的原材料一 沥青材料沥青路面所采用的沥青材料有石油沥青 煤沥青 液体石油沥青和沥青乳液 改性沥青 沥青路面采用的沥青标号 应按照公路等级 气候条件 交通条件 路面类型及在路面结构中的层位及受力特点 施工方法等 结合当地使用经验 经技术论证后确定 改性沥青的制作工艺可以选用预混法或直接加入法 预混合可选用机械搅拌法 高速剪切法或胶体磨混融的方法也可制造高剂量改性沥青 然后在使用前混合基质沥青进行二次掺配 第十三章沥青路面 二 粗集料沥青路面可选用轧制碎 砾 石 筛选砾石 矿渣等作为粗集料 碎石应均匀 清洁 坚硬 无风化 轧制砾石由天然砾石轧制并经筛选而得 应优先选用碱性碎 砾 石 粗集料应选用抗冲击好 耐磨的材料 三 细集料要求坚硬 清洁 干燥 无风化 不含杂质 并有适当的级配 见表13 20 13 22 四 矿粉矿粉宜采用石灰岩中的强基性 憎水性岩石经磨细得到的矿粉 原石料中的泥土杂质应除尽 过细颗粒的含量不宜过多 具体规定见表13 23 第十三章沥青路面 第五节沥青混合料组成设计一 沥青混合料分类按集料公称最大粒径 矿料级配 空隙率大小可分为以下几类 1 密级配沥青混凝土混合料 适用于各级公路沥青面层的任何层次 2 沥青玛蹄脂碎石混合料 适用于表面层 中面层或加铺磨耗层 3 半开级配沥青碎石混合料 适用于三级及三级以下公路 表面应设防水上封层 4 密级配沥青稳定碎石混合料 适用于基层 5 排水式沥青稳定碎石混合料 适用于排水基层 第十三章沥青路面 6 排水式开级配磨耗层 适用于高速公路排水式沥青路面磨耗层 二 沥青混合料的选用选用的原则 1 沥青面层与沥青碎石基层通常都采用双层或三层式结构 层间应喷洒粘层油 以加强层间联结 2 满足耐久 稳定 密实 安全等功能性要求 且便于施工 3 表面层应具有良好的表面功能 密水 耐久 抗车辙 抗裂性能 当抗滑性能不符合要求时 应及时在表面层上加铺抗滑磨耗层 第十三章沥青路面 三 沥青混合料的配合比设计沥青混合料组成设计内容包括确定沥青混合料材料品种及混合料类型 矿料最优级配 最佳沥青用量 我国规定 热拌沥青混合料配合比设计采用马歇尔试验方法 设计任务 根据公路性质 交通量 路用性能要求 筑路材料 当地气候条件 施工技术水平等选择原材料 确定混合料类型 矿料级配类型和最佳沥青用量 设计流程 确定混合料类型 混合料类型由矿料公称最大粒径确定 原材料选择 确定工程设计级配范围 要考虑的因素见P355 矿料配合比设计 符合表13 27 13 32规定 马歇尔试验 以预估的沥青用量为中值 按一定间隔取5个或以上不同的沥青用量分别制作马歇尔试件 进行马歇尔试验 确定最佳沥青用量 以沥青用量为横坐标 第十三章沥青路面 以马歇尔试验的各项指标为纵坐标 将试验结果绘入图中并连成曲线 确定沥青用量范围 见P361计算公式13 33 34 35 最佳沥青用量的调整 配合比设计检验 检验项目包括高温稳定性 水稳定性 低温抗裂性 渗水系数 配合比设计报告 包括工程设计级配范围说明 材料品种选择与原材料质量试验结果 矿料级配 最佳沥青用量 以及各项体积指标 配合比设计检验结果等 2 生产配合比设计阶段对热料仓中的材料进行取样分析 同时反复调整冷料仓进料比例以达到供料均衡 并取目标配合比设计的最佳沥青用量 最佳沥青用量 0 3 三个沥青用量进行马歇尔试验 确定生产配合比的最佳沥青用量 第十三章沥青路面 3 生产配合比验证阶段铺筑试验路段 进行马歇尔试验检验 确定生产用的标准配合比 第十三章沥青路面 第六节沥青路面施工与质量控制一 洒铺法沥青路面面层的施工包括沥青表面处治和沥青贯入式两种 1 沥青表面处治沥青表面处治是用沥青裹覆矿料 铺筑厚度小于3cm的一种薄层路面面层 宜选择在干燥和较热的季节施工 并在雨季前及日最高温度低于15度到来以前半个月结束 表面处治是按嵌挤原则构成强度的 可采用道路石油沥青或乳化沥青 可采用拌和法或层铺法施工 拌和法施工可采用热拌热铺或冷拌冷铺法 层铺法宜采用沥青洒布车及集料撒布机联合作业 第十三章沥青路面 层铺法施工工艺 清理下承层 洒布沥青 铺撒矿料 碾压 双层式或三层式沥青表面处治施工重复2 3 4步 初期养护 2 沥青贯入式路面具有较高的强度和稳定性 其强度构成主要依靠矿料的嵌挤作用和沥青材料的粘结力 是一种多孔隙结构 为防止水的下渗 增强路面的水稳定性 路面的最上层应撒布封层料或加铺拌和层 应选择在干燥和较热的季节施工 厚度一般为4 8cm 所用的集料应选择有棱角 嵌挤性好的坚硬石料 施工工序如下 第十三章沥青路面 整修和清扫基层 浇洒透层或粘层沥青 铺撒主层矿料 碾压 浇洒第一层沥青 铺撒第一次嵌缝料 碾压 浇洒第二层沥青 撒布嵌缝料 碾压 铺撒封层料 最后碾