永久性路面与结构材料性能

长寿命路面和温拌沥青混合料技术张起森长沙理工大学,近二十年来路面工程发生了很大变化，出现了许多新的技术，新的材料和新的工艺。其中主要有：1、美国上世纪八十年代末，九十年代初完成的SHRP计划（公路战署研究计划），依据其主要研究成果提出了Superpave（超级路面）混合料设计方法。2、1997年英国运输研究所（TRL）MichaelNunn提出了沥青路面长寿命的概念。二十一世纪初长寿命的概念引进到了美国，而且有关这方面的研究得到了长足的发展。2003年在美国Ohio州立大学召开了第一届国际沥青路面长寿命会议。2005年在美国芝加哥召开了第一届国际水泥路面长寿命会议。对长寿命路面进行了定义。,3、2002年AASHTO修改了美国的路面结构设计指南，2004年正式出版，核心是按“力学经验法”（MEPDG）进行路面结构设计，提出更加完善的设计指标和参数。4、温拌沥青混合料技术。温拌技术是欧洲Shell等公司1995年研究开发的，2003年被美国引入并得到了进一步的发展。2006年、2008年、2011年相继召开了三次国际会议。2011年由NCHRP（美国国家合作公路研究计划）编写了“温拌沥青混合料设计指南”（NCHRPReport691）。从目前的发展情况来看，温拌技术完全有可能取代现行的热拌沥青混合料技术。,5、各种改性沥青、高粘沥青的研究与应用，如SBS，SBR，PE，抗车辙剂，阻燃剂，温拌剂等。同时出现了许多新的路面结构，如SMA，OGFC，高模量沥青混合料等。6、施工机械和工艺的改进，如现场的再生设备（热再生，冷再生），双层摊铺一次压实设备（中联重科研发，湖南最近试用了这种设备，据说效果不错。）7、SHRP-2。人、车、路综合研究，提供安全、可靠、有效、快速运输服务体系。,永久性路面与结构材料性能,主要内容,一、永久性路面设计理念二、永久性路面设计方法三、表面开裂四、永久性路面的材料要求五、目前各地永久性路面状况六、总结,一、永久性路面设计理念,定义,perpetualpavement：指只需定期更换路面表层（把破坏限制在路面上层），而不需进行结构性修复或重建，且使用寿命大于50年的沥青路面。full-depthasphaltpavement（全厚式路面）deepstrengthasphaltpavement（高强度路面）long-lifeasphaltpavement（长寿命路面）,设计理念,上面层：抗车辙能力和抗磨耗能力中间层：抗车辙能力基层：抗疲劳能力路基：高强、稳定和坚固,设计理念,自下而上进行设计和施工基础（高强、稳定和坚固）稳定将使用期间的季节性变化和体积变化降低到最小下面层加强抗疲劳性能上面层加强抗车辙性能,设计理念,永久性沥青路面在使用过程中，为保持其良好的性能和使用寿命，必须定期检测，当自下而上的疲劳开裂、温度开裂、车辙等病害达到预定深度时(即达到磨耗层深度)，就必须采取罩面等措施。对于永久性沥青路面而言，这点非常关键，它保证了将病害限制在表层，且尽可能减小未来罩面的附加厚度（重铺厚度必须尽可能采用原厚度）,要应避免以下现象发生,重复弯曲,导致疲劳开裂,重复变形,导致车辙,HMA,基层,路基,永久性路面优点,沥青路面寿命可达50年路面平整，噪音低，摩擦系数高成本效益高路面的养护维修仅限于面层沥青面层可再循环减少疲劳开裂和车辙损坏最大限度地减少自然资源的使用采用力学方法进行路面设计，综合考虑疲劳开裂、车辙和温度开裂,使用时间,总费用,传统路面,永久性路面,经济性能,经济差,二、永久性路面设计方法,设计原理力学方法设计过程类似于其它结构设计方法选择控制点验算控制标准(由下至上设计),永久性路面设计过程,力学设计法,路面模型,材料性能(模量值),路面反应(应变,应力等),转移函数,设计完成,尽量不让沥青层底拉应变65或路基顶压应变200,1992年Monismith提出力学设计法的流程图,力学性能标准,弯曲拉应变极值6。或者：路基上铺石灰稳定层或碎石层底基层,路面基础,基础要求,英国运输研究工作室:,基础要求,LCPC(法国)14吨荷载下变形7300psi（约50MPa）1psi6.89kPa德国路基顶模量=6500psi（约45MPa）底基层模量=17,500psi(约120MPa，轻交通)底基层模量=26,000psi(约180MPa，重交通),基础-伊利诺斯州(美国州名),需要补强区域,补强,选择,不需要补强区域,基础要求,排水必要性考虑技术设备要求季节性变化特殊情况冻融区域地基膨胀土地基,五、各地永久性路面状况,传统的沥青路面设计寿命为20年。适度增加路面强度及沥青混合料基层厚度的永久性路面，则甚至可以获得50年或50年以上使用寿命。欧洲使用情况简介美国使用情况简介中国山东滨州永久性路面试验路,各地永久性路面状况,欧洲使用情况简介,1977年德国A5高速公路FrankfurterKreuz采用的结构是37mm浇注沥青砼面层+200mm沥青砼基层+150mm稳定底基层。该高速公路双向日交通量152000辆/d，重载货车比例为1020，使用17年后标准轴载次数为125百万次，到现在仍然使用良好。再如德国汉堡高速公路都承受着非常重的交通量，结构为35mm浇注沥青砼面层+265mm沥青砼基层+150mm级配砂砾+防冻层,欧洲使用情况简介,法国巴黎Peripherique道路双向交通量200000辆/d，重载货车占10，年标准轴次1千万。1993年进行了大修，结构为40mm排水面层+220mm高模量沥青砼基层。再如法国Stered高速，结构为70mm沥青砼+60mm沥青稳定砂砾+100350mm水泥稳定砂砾+150mm砂层,欧洲使用情况简介,意大利的DelSole高速，结构为30mm中粒式沥青砼+70mm粗粒式沥青砼+150mm沥青碎石+360mm级配砂砾+300400mm砂层奥地利Brenner高速，结构为27mm细粒式沥青砼+30mm中粒式沥青砼+45mm粗粒式沥青砼+140mm沥青碎石（密级配）+160mm沥青碎石（开级配）+300mm防冻层,美国使用情况简介,NewJerseyNewJersey运输部对I-287州际道路的路面损害情况进行调查。该道路1993年年平均日交通量为11.1019万次，货车占22，重货车占9。20年累计当量荷载5000万次。由于是重载交通，因此经常出现停车、慢速行车。1963年修建，原结构为3inHMA面层+7in基层+8in密级配的级配碎石+10in级配砂砾底基层，路基为粉质砂土。,美国使用情况简介,NewJersey使用多年来除了局部进行了小面积的补坑外，没有经过其他维修。调查发现路面维修很少，路表行车道处产生了纵向疲劳开裂，且车辙深度达到25mm以上。但是进一步研究表明这些病害深度都没有发展到路表75mm以下，因此决定冼刨调表明75mm沥青面层，重新加铺100mmHMA。该工程1994年完工，2001年调查时没有发现任何开裂、车辙，预计结构能够使用40年以上。,美国使用情况简介,Iowa20世纪60年代修建的州际道路I-80上的两段道路，被APA授予2002年永久性路面奖，一条在Cedar，另一条在Johnson。该奖授予美国州际高速公路系统上的6个不同路段。Cedar路段修建于1962年，结构为4.5inHMA面层+16inATB，直接放到细粒土上。使用到现在为止分别在1967年、1990年进行了表面修补。,美国使用情况简介,Iowa与Cedar不同的是，Johnson路段路基土是罕有的潮湿，1964年采用了6in土石底基层，结构为3inHMA面层+14inATB，1964年面层进行2in罩面，1968年工程结束，到现在只进行过一些面层修复（与刚通车时相比，现在I-80道路上的交通量已经增长了5倍多）。实践表明，正确的路面结构设计、严格的施工质量控制和适当的维修，沥青路面一定能够使用很长时间。,美国使用情况简介,Washington1999年该州交通运输部（WSDOT）对480km全路段进行了详细调查。该路中有三种路面结构：柔性结构、CTB基层（水泥稳定基层）沥青路面和PCC路面，依次占里程百分比为47、33和20。而且全段被Cascade山脉分成两个不同的气候区，西部为温和海洋性气候，交通量较高；而东部夏热冬寒，部分路段交通量较小（标准轴次37.5万次/年/车道），而有些路段交通量又很高（标准轴次2500万次/年/车道）。,马里兰州路面结构使用状况,马里兰州的巴尔的摩环形公路也是一个很好的例子，日交通量（ADT）是175000辆/日，货车占19。结构为2inSMA19+2.5inHMA基层（大粒径石料）。总厚度为16in（40.6cm），没有发现自下而上的疲劳开裂，4年的观测表明，路面车辙正常，为1/8in。,俄亥俄州柔性路面研究,4条州际公路性能调查结果HMA路面没有修复或重建而使用超过34年“没有大量结构性或排水维修的柔性路面”仅略多于目前HMA路面花费,FHWA长期路面性能研究数据,GPS-6(FHWA-RD-00-165)数据结论大部分AC罩面15years(修复前)许多AC罩面20years（大破坏前）厚面层意味着少:疲劳开裂横向开裂纵向开裂,抗车辙面层车辙出现在沥青上面层Full-ScaleTracksMn/ROADWesTrackNCAT加速加载路面试验CalAPTFHWA,中国山东滨州永久性路面试验路,背景：滨州地处黄河尾闾、渤海之滨，是联接京津塘与山东半岛两大经济发达地区的交通枢纽和黄河三角洲开发的重要基地。试验路（离黄河只有几公里）2005年6月开始施工，9月通车。,试验路设计,与美国永久性路面一样应用PerRoad软件进行设计，但该路设计轴载是重载车（平均单轴重超过9吨）。设计控制指标：疲劳：将HMA层底水平拉应变70或125作为破坏临界值车辙：路基顶垂直应变为200,试验路设计,两套材料性能及破坏标准：土基模量48MPa，疲劳破坏临界值是70（较为保守的标准），HMA层设计厚度为508mm土基模量103MPa，疲劳破坏临界值是125，HMA层设计厚度为380mm,试验路路面结构,石灰稳定土,石灰稳定土,石灰稳定土,普通路基,HMA底层用改性沥青,这个路面结构反映了六十年代我国提出的“强基、薄面、稳土基”的设计理念。实际上这与1997年英国TRLMichaelNum提出的长寿命路面的概念是一致的。强基：试验路沥青面层的基础是二层水泥碎石基层CBG-25，二层石灰粉煤灰土底基层，每层各厚19cm，总厚度76cm。薄面：沥青层厚度平均13.7cm（双层），一次摊铺一次压实。稳土基：在土基顶面下0.7-1.5m修筑水平沥青膜隔断层，阻止气态水上升，保持土基强度稳定。同时在底基层底面两侧往下用防水土工膜做防水墙，下端与水平隔断沥青膜相接，防止二侧边坡的自由水进入。试验路2006年完工，基本情况良好。,长沙理工大学秦皇岛试验路,试验路路面结构,4cm，SBS改性沥青，SAC-16-1,SBS改姓沥青粘结防水层,70号沥青粘结层,水泥粉或净浆粘结,互相紧固嵌入,70号沥青隔断层,压实路基,0.8-1.5m深土基,19cm，CBG-25水