关于半钢性路面

.,半刚性基层路面结构,早期损坏研究,姓名：凌泽民学号：3090398专业：道路与铁道工程,.,半刚性路面定义,用水泥、石灰等无机结合料处治的土或碎石及含有水硬性结合料的工业废渣修筑的基层，在前期具有柔性路面的力学性质，后期的强度和刚度均有较大幅度的增长，但是最终的强度和刚度仍远小于水泥混凝土。由于这种材料的刚性处于柔性路面与刚性路面之间，因此，把这种基层和铺筑在它上面的沥青面层统称为半刚性路面。这种基层称为半刚性基层。,.,半刚性路面在我国应用情况,自20世纪80年代，随着国民经济的迅速发展，我国高速公路进入了一个以高等级公路为代表的发展阶段。至2008年底，我国高速公路通车总里程突破6万公里，居世界第二位。,90以上是半刚性基层沥青路面,.,半刚性基层沥青路面,半刚性基层沥青路面成为我国沥青路面结构的主要型式。该结构是按照重型压实标准，用较厚的半刚性基层和相对较薄的沥青面层形成“强基、薄面、稳土基”的结构模式，使路面基层具有较大的刚度、抗压强度和荷载分布能力。半刚性基层沥青路面是由沥青混合料面层和半刚性基层构成的一种路面结构形式，沥青面层厚多介于9-23cm之间，半刚性基层、底基层总厚介于3580cm。,.,半刚性基层沥青路面优点,强度高:具有随龄期延长不断增长的特性整体性好:基层板体性好稳定性好:有较高的水稳性和冰冻稳定性，不影响半刚性基层的承载能力经济性好:可以使用原先不能使用的质量较次的石料灵活性和适应性好:无侧限抗压强度可以随着水泥剂量的变化从1MPa一6MPa范围内浮动，可以适应不同条件下的不同要求,.,半刚性基层沥青路面早期病害,据调查，我国高速公路沥青路面的主要破坏形式为车辙、水损坏和和半刚性基层引起的反射裂缝。主要表现：1、由于半刚性基层具有较高强度和刚度，存在发生较大干缩和温缩的可能性，半刚性基层容易开裂，并且半刚性基层与沥青层接触条件差，存在层间滑移的隐患。2、半刚性基层的开裂可能引起路面结构内出现应力集中，在水分的共同作用下，导致层间接触条恶化，经车辆荷载和温度循环的反复作用，路面结构出现反射裂缝，从而导致了严重的路面开裂、车辙和水损坏的发生。,.,半刚性基层沥青路面病害分析,半刚性基层是以水泥、石灰、粉煤灰等为结合料将松散砂石胶结为整体，铺筑而成的基层。近年来，随着我国高等级公路的迅猛发展，半刚性基层的强度、刚度愈来愈大，但路面损坏的速度也随之愈来愈快，其原因主要有以下几方面：1温度敏感性2干湿缩裂性3不透水性,.,病害分析温度敏感性,目前，我国现行的高等级公路路面基层基本上是水泥稳定碎(砾)石结构，而且一般都设上、下基层。由于水泥稳定碎(砾)石基层属半刚性体，它具有热胀冷缩的性质。通常冬季施工的半刚性基层，由于气温较低，材料的颗粒处于冷缩状态，它是稳定的，但到了夏季，由于气温的升高，这些颗粒受热膨胀，结构内产生膨胀应力，当膨胀应力超过临界值时，半刚性基层横断面便会发生拱起现象。反之，若是夏季或温度超过年平均气温施工的半刚性基层，由于结构内部受热充分膨胀，占有了充分的体积，但到了冬季，由于气温的降低，原来膨胀的颗粒开始收缩，结构内产生收缩力，当该力超过结构允许拉应力时，便产生横向收缩裂缝使路面破坏。因此，半刚性基层材料的稳度敏感性是导致高等级公路早期病害的重要原因。,.,病害分析干湿缩裂性,半刚性基层是用无机胶结材料将松散砂石胶结为整体的，其内部分布着无数的孔隙，包括毛细孔、凝胶孔等。液相的水以不同的结合方式存在各种孔隙之中，并按一定的顺序依次蒸发。其中自由水存于粗大孔隙中，毛细水存于毛细孔和凝胶孔中，表面结合水存于固体表面，层间水存于晶胞及凝胶物层间，结构水和结晶水存于矿物晶体结构内部。研究表明，自由水的蒸发通常对材料的影响不大，而毛细管张力作用，吸附水及分子间力作用，层间水作用和碳化收缩作用则是导致半刚性材料干燥收缩的主要原因。,.,病害分析干湿缩裂性,从半刚性基层材料干燥收缩过程来看，初始时，材料的含水率较大，随着水分的蒸发，干缩系数逐渐增大，当达到最高值后又会迅速减小。这一现象表明，材料中结合水的蒸发，特别是吸附水、层间水的蒸发，对其收缩有着重要的影响。除外，干缩系数还与半刚性基层材料的龄期有关，通过对不同龄期半刚性材料的干缩试验表明，随着龄期的增长，干缩系数会逐渐减小，初期下降较快，随后逐渐缓慢，这说明结构强度的形成对材料的干缩有一定的制约作用。,.,病害分析不透水性,在半刚性基层材料中胶结材料都是细粉状的，碾压成型后具有很好的整体性，其内部非常致密，基本上不透水或渗水性很差。当外界环境水通过各种途径进入路面并到达基层后，水不能从半刚性基层迅速排走，而只能沿着沥青层和基层的界面扩散、积聚，这种界面水分的存在不仅改变了原界面连续的边界条件，使路面的受力状态极为不利，而且水对半刚性基层的长期浸泡，会很快破坏半刚性基层的整体结构，使基层、底基层及路基的稳定性随之恶化，在干湿交替、水分冻融循环及重复荷载的作用下，半刚性基层材料的强度、模量和整体承载能力将会显著下降。,.,国外研究现状,国外在长期的道路使用过程中，形成了较为丰富的沥青路面结构形式。主要包括：柔性基层沥青路面、组合式沥青路面、全厚式沥青路面和半刚性基层沥青路面。在高等级公路中，大多采用前三种结构。而中、轻交通路段使用半刚性基层沥青路面。在高等级公路中，一些国家和地区仍然采用半刚性材料作为结构层，将柔性基层与半刚性底基层组合使用的路面，形成了组合式沥青路面。,.,国外研究现状,法国2001年的数据表明，国道网上使用最多的为组合式基层沥青路面结构，采用这种结构的目的是在充分利用当地材料的同时，把开裂的可能性降到最低。在南非，一般在半刚性底基层上设置15cm的级配碎石或粗粒径沥青稳定基层，以防止半刚性层的裂缝反射和雨水下渗产生半刚性唧浆。美国的加利福尼州采用厚的沥青层+较薄的半刚性底基层。由此可见，国外的沥青路面结构中大多采用了柔性基层结构，其使用结果也表明该结构具有较好的使用质量和较长的使用寿命。随着路面结构的不断发展，路面结构设计理念也有了新的发展。,.,国外研究现状,法国2001年的数据表明，国道网上使用最多的为组合式基层沥青路面结构，采用这种结构的目的是在充分利用当地材料的同时，把开裂的可能性降到最低。在南非，一般在半刚性底基层上设置15cm的级配碎石或粗粒径沥青稳定基层，以防止半刚性层的裂缝反射和雨水下渗产生半刚性唧浆。美国的加利福尼州采用厚的沥青层+较薄的半刚性底基层。由此可见，国外的沥青路面结构中大多采用了柔性基层结构，其使用结果也表明该结构具有较好的使用质量和较长的使用寿命。随着路面结构的不断发展，路面结构设计理念也有了新的发展。,.,国外研究现状,欧美国家对路面损坏仅存在于沥青层顶部一项深度范围，路面结构未发生破坏的路面形式称为“长寿命路面(longlifeasphaltpavement)”或者“永久性路面(perpetualpavement)”，它的设计理念是根据当地的自然环境和交通荷载，不同的结构层所应具有的使用功能和在结构中的受力情况，对各个层进行结构设计和材料设计，要求抗车辙、不透水、抗磨耗的表面层，抗车辙连接层和抗疲劳的基层，各结构层要求见图。,永久性路面不仅适用于大交通量道路，经适当的调整后也可用于中、低等级交通量道路。,美国加利福尼亚州在日交通量为15000-150000辆的道路上都采用过这种路面结构。,.,国内外对早期损坏的防治措施,对于反射裂缝问题，国内外从结构方面常用的方法有：增加沥青层的厚度和设置防裂夹层。防裂夹层包括SAMI应力吸收层、土工类材料夹层、级配碎石中间层和沥青稳定碎石中间层：(1)增加沥青层的厚度(2)采用防裂夹层,.,国内外对早期损坏的防治措施,(1)增加沥青层的厚度增加面层的厚度是各国在选择反射裂缝防治措施是首先考虑的因素。为了减少反射裂缝，许多在采用半刚性材料基层时，对沥青面层的最小厚度都做了规定。我国的京津塘高速公路、广深珠高速公路等采用较厚的沥青层，其横向裂缝明显较小。,.,国内外对早期损坏的防治措施,增加面层厚度的作用主要表现在：增强分散荷载能力，减小由于车辆作用引起的裂缝两侧基层的相对位移，改善面层受力；增长了裂缝在面层内的扩展路径，延迟了反射到表面的时间；较厚的面层起到一定得保温作用减少基层温度的变化以及由其产生的裂缝两侧的基层水平位移。,.,国内外对早期损坏的防治措施,顾强康等人在自行研制的试验台架上对水泥路面沥青加铺层进行了疲劳试验和东南大学在增加沥青层的厚度和基层的厚度可以增加具有底基层裂缝的路面的疲劳寿命，通过他们的研究可以知道：增加面层厚度在一定程度上可以延缓反射裂缝的产生，但要有效解决反射裂缝问题，可能需要比现在厚得多的沥青面层，这显然是不经济的。因此，不能单纯依靠增加沥青层厚度来防止反射裂缝，必须结合其他抗裂措施，在兼顾经济性的同时取得良好防裂效果。,.,国内外对早期损坏的防治措施,(2)采用防裂夹层SAMI应力吸收层土工类材料夹层铺设级配碎石中间层、沥青稳定碎石中间层,.,国内外对早期损坏的防治措施,SAMI应力吸收层SAMI(StressAbsorbingMembranceInterlayer)应力吸收层是由橡胶沥青或改性乳化沥青与细集料组成，设置与沥青层与半刚性基层之间，目的是把裂缝处基层位移引起的应力消变消散在夹层内，削弱基层裂缝处沥青面层的应力集中现象。同时能起到封层的作用，阻止路面水渗入基层。国外一般认为这种应力扩散层能够取得良好的效果，但其造价较高。我国在“七五”国家科技攻关的正定试验路对设置SAMI进行过试验，由于成本较高，且当时的沥青层太薄，效果也不明显，因此后来再也没有使用过,.,国内外对早期损坏的防治措施,土工类材料夹层金属网格、土工织物、土工格栅等都曾被作为夹层材料，目前应用较多的是土工织物和土工格栅。加拿大多伦多市LesterPegson国际机场道面加铺时，采用玻格栅防治反射裂缝，4年后调查发现：道面反射裂缝减小了50。1973年加拿大魁北克州试验路上的无纺聚丙烯土工织物层防裂效果却不明显。其加铺层厚度为5cm，使用四年后，出现了大量的反射裂缝。黄岩等人通过室内试验评价了玻璃格栅、土工布、土工格栅等的夹层的防裂效果，得到结论：土工夹层材料对于基层水平位移引起的张开型裂缝能起到较好的防裂作用，但对于有基层竖向错位引起的剪切型反射裂缝，织物夹层作用不明显。,.,国内外对早期损坏的防治措施,铺设级配碎石中间层、沥青稳定碎石中间层加拿大魁北克省和安大略省的试验路表明，级配碎石中间层防治反射裂缝非常有效；澳大利亚和南非同样得到了这一结论。“七五”国家科技攻关课题铺筑的倒装式结构试验路，是在沥青层和半刚性基层之间加入10cm-20cm级配碎石层，提出级配碎石过渡层有利于减轻裂缝，显示了级配碎石中间层对减少沥青面层开裂黼显效果。然而，国内外研究也表明，级配碎石结构受集料特性的很大影响，我国目前的集料破碎工艺生产的集料并不规格，而由此设计生产的级配碎石结构也必然难以达到设计预期的使用特性。,.,国内外对早期损坏的防治措施,2000年，吉林省长春市辽源市的一级公路上分别采用了沥青碎石联结层和级配碎石修筑试验路(沥青面层厚10cm)，裂缝观测显示沥青稳定碎石防裂效果优于级配碎石。我国津唐高速和广深珠高速中曾铺筑了沥青稳定碎石基层的试验段，以沥青稳定碎石混合料代替常用的沥青混凝土下面层，适当的将沥青层厚度增加到22-25cm以上，提高了沥青层总厚度，加入抗疲劳能力很高的柔性基层材料，使半刚性基层与沥青层的弯拉应变减小，受到温度和水分的影响也减小，有效的防止了反射裂缝的产生和扩剧。东南大学的白琦峰通过力学分析、室内低温小梁试验和反射裂缝室内模拟试验，对比分析了各种防治反射了裂缝的措施，防裂效果为：沥青碎石SAMI玻璃纤维格栅土工织物。,.,国内外研究现状,通过国内外采用几种不同的防裂措施，我们可以看出：虽然国外采用SAMI应力吸收层能够较好防裂作用，但在国内已经部对其进行研究和使用，并且只能封住水分不进入到基层，却不能兼顾排水；而对于在半刚性基层上铺筑土工格栅、玻璃格栅或者土工织物，一直没有人做过长期的观测研究，这些措施并不适合应用到我国的沥青路面结构上。级配碎石中间层具有较好的抗裂能力，但受到施工工艺的限制，因此还不具备在我国现阶段的推广的条件。沥青稳定碎石不仅能够有效地防治裂缝，还优化了与沥青层之间的接触，因此在我国具有很好的发展前景。,.,国内外研究现状,与我国半刚性基层相比，国外柔性基层车辙一般不会超过15mm-25mm，而我国的车辙深度远远大于此值，孙立军在对重型轮胎作用下的路面力学响应分析中表明，基层模量的提高，虽然对路面结构的整体强度(弯沉)是有利的，但是对沥青层的剪切影响却是不利的。由于半刚性基层模量一般