永久性沥青路面概念及结构组成解析

1、永久性沥青路面概念及结构组成解析组员：马辉 左娜 张利东 朱善平 柏正云永久路面定义美国沥青路面协会(APA)定义：永久路面是指设计使用年限达50年的沥青路面，在设计使用年限内无结构性的修复和重建，仅需根据表面层损坏进行周期性的修复。欧洲长寿命路面团体ELLPAG则采用了一个相似的功能性定义：经过合适的表面维护，路面基础和基层在使用中不会出现明显损坏的路面叫长寿命路面。长安大学的王选仓和侯荣国两位教授对长寿命沥青路面的定义为路面设计寿命超过40年的路面结构，并具有以下特点： 1.设计年限达到40年 2.路面不发生结构性破坏，损坏只发生在表面功能层， 不需要结构性大修，只对表面功能层进行养护维修

2、 3.路面厚度较大，初期费用可能偏高，但维修费用低， 在寿命周期内最经济永久路面结构组成按功能要求合理设置路面结构层：面层具有抗车辙、不透水和抗磨耗的能力联结层要具有良好的耐久性基层要具有抗疲劳和耐久的能力图1 永久路面的结构结构特点：轮载下100150mm区域是高受力区域，也是各种损坏(主要是轮载)的发生区域。面层40一75mm高质量沥青混凝土为车辆提供良好的行驶界面。中间层100175mm高模量抗车辙沥青混凝土起到连接和扩散荷载的作用。HMA基层75100mm高柔性抗疲劳沥青混凝土起到消除疲劳破坏的作用。结构层厚度/mm材料选择主要受力特点主要作用和要求表层（磨耗层）4075SMA，Sup

3、erpave，密级配沥青混合料，OGFC受压受剪抗滑耐磨，抗车辙和开裂，降噪等沥青砼（中间层）100175高模量抗车辙沥青混合料竖向受压应具有高强度和良好抗车辙性能；具有很强的高温抗变形能力；具有很强的抗水作用能力沥青砼（基层）75100柔性抗疲劳沥青混合料（沥青含量高，具有足够厚度）底层受拉具有足够的抗疲劳性能；具有足够的耐久性；具有足够的水稳定性土基密实路基，化学稳定路基或粒料，或非稳定类粒料等受压必须具有最基本的强度、刚度和稳定性表1 永久路面结构组合分析Japan日本长寿命路面简称LSP，它的设计目标是拥有2倍于现行路面的使用性能，因功能破坏而维修的周期在15年以上,结构性寿命在40-

4、60年。European欧洲各国长寿命沥青路面结构形式多种多样USA美国长寿命沥青路面结构种类很多China山东滨州长寿命路面结构China江苏省沿江高速公路长寿命路面试验路结构 图中：CS水泥稳定碎石，ATB沥青稳定碎石，GRH级配碎石， 红色采用改性沥青。C/FDAC粗/细型密级配沥青混凝土混合料China广梧(广州-梧州)高速长寿命试验路结构永久路面设计理念沥青路面能够使用4050年以上、采用较厚的沥青层的柔性路面,可降低传统的沥青层底开裂和避免结构性车辙。由于沥青层相对较厚,传统的疲劳开裂可能性大大降低,路面的损坏主要位于面层的顶部( 25 100mm) 。一旦路面表面损坏达到临界水平

5、,其经济性处理方法就是将损坏的顶层或面层铣刨、罩面或者加铺面层,沥青面层材料可以再生利用。设计指标：将面层底面在荷载重复作用下的拉应变以及路基顶面的压应力或压应变作为设计指标，结合考虑了交通参数、环境因素、土基状况、材料特性进行路面设计。以沥青面层的疲劳开裂以及永久性变形作为沥青路面的主要损坏模式。基于力学的永久性路面结构设计方法1.Monismth1992年在TRB会议上提出了这种设计方法, Monismth和Long建议控制沥青层底的弯拉应变60，基顶压应变200。 行车荷载沥青层底弯拉应变 60me 基顶压应变 200me基层路基设计流程(Monismith,1992) 2.伊利诺斯州的

6、基于力学的路面结构设计方法 以ILLI_PAVE程序的有限元分析结果为基础,采用一个控制应变的疲劳方程,这个疲劳方程可以用来控制HMA层的配合比、拉应力和路用性能。这种设计方法已经被伊利诺斯州交通运输部(IDOT)所采纳。3.以明尼苏达公路研究课题采集的数据为基础,明尼苏达州制定了一种力学设计方法。用层状弹性理论程序WESLEA计算路面结构在荷载下的响应。 4.英国的设计方法 以计算结构层中临界位置的响应为理论基础。Nunn 等人在1997年发现，沥青路面面层存在一个厚度极限，在施工良好的道路中，超过这个厚度限值，由下到上的疲劳开裂和结构性的车辙都可避免。 当累计标准轴载作用次数(ESAL)超

7、过8000万次时，沥青面层厚度不再需要增加。 在沥青面层层底存在一个极限弯拉应变水平，当层底应变处于这个水平以下时疲劳损坏就不会发生。5.国内永久性沥青混凝土路面设计原理 国内提出的抗剪概念的永久性沥青混凝土路面设计原理图剪应力控制剪切疲劳弯拉应变控制疲劳开裂压应变控制永久变形沥青混凝土层基层路基永久路面各结构层材料设计 永久性沥青路面各结构层材料设计是保证路面良好路用性能的关键，根据各结构层功能进行路面材料设计,提出材料指标要求：表面磨耗层：抵御车辙、老化、温度开裂和磨耗 中间层：抵御车辙，传递、分散荷载基层：承重层，抵抗层底弯拉应变 1.磨耗层材料设计1.1 影响因素和性能要求 影响因素：

8、磨耗层的具体要求依赖于交通条件、环境因素、当地的经验和经济条件。面层受到自然条件 (雨水、气温、日照) 和行车荷载的作用最频繁, 处于压应力、剪切应力集中的区域。 性能要求：包括抗车辙性能、抗表面开裂性能、良好的抗滑性能、缓解水雾的影响并能减小噪声等。 1.2 磨耗层材料选择磨耗层材料应选择SMA、密级配混合料或OGFC等。 在一些对抗车辙性能、耐久性、抗渗性、抗磨损性要求高的地区, 可以选择SMA, 这在交通量大且载重车多的城市区域尤为适用。 在交通量小且载重车比例较少的情况下, 使用密级配混合料更为适合。与SMA一样, 它也必须满足抗车辙、抗渗、抗磨耗及气候状况的要求。 OGFC具有优良的

9、抗滑性能、排水性能以及减少噪声等优点。可用于对排水有特殊要求的的情况。2.HMA中间层材料设计 中间层须同时具有耐久性、稳定性和抗车辙性能。 2.1 耐久性 提高中间层沥青混合料的耐久性能可以通过合理选择材料和增加骨料表层沥青膜的厚度来实现。2.2 稳定性 稳定性可以从粗骨料间的骨架结构及采用合适的高等级沥青来获得, 这对面层上部150mm区域是至关重要的。因为此区域是承受车轮荷载作用的高应力区,极易产生剪切损坏。长寿命路面沥青结构等级确定2.3 抗车辙性能永久性沥青路面应力分析可知，剪切应力峰值主要集中在中间层，中间层最有可能出现剪切破坏, 因此要求有较好的抗车辙性能。材料设计时可采用改性沥

10、青，混合料采用骨架嵌锁结构。沥青混合料嵌锁细部结构 2.4 结合料要求中间层沥青结合料所要求的高温等级与磨耗层一致, 以抵抗车辙。由于面层中温度的梯度相当陡,并且中间层温度不可能像表面层那样低, 所以中间层的低温等级便可放宽一个等级。例如表面层用的沥青等级为PG70-28, 则中间层可用PG70-22。 2.5 集料要求混合料的内部摩阻力通过集料间嵌锁获得, 可采用碎石和砂砾以确保形成集料骨架, 一般选择采用最大公称直径较大的集料。3.基层材料设计 3.1 性能要求 路面结构中, 基层层底出现的拉应力最大, 在弯拉应力的反复作用下出现层底疲劳开裂的可能性也最大, 要求基层具有很好的耐久性,优良

11、的抗疲劳性能。3.2 抗疲劳设计 HMA基层设计必须使底面的弯拉应变低于材料的疲劳极限。这样才可预防或减缓路面结构性破坏。 （1）增加混合料的柔性增加沥青含量有助于改善混合料柔性 这种高沥青含量的基层已经应用于美国的加利弗尼亚州和伊利诺斯州。采用改性沥青也可以提高混合料抵抗变形和抗疲劳能力。 沥青含量（种类）与路面疲劳寿命关系 疲劳寿命应变无限疲劳寿命低沥青含量高沥青含量（2）增加路面厚度 为路面结构设计一个适当的厚度,让底部的拉应变低于积累破坏可能发生的程度。压应变拉应变应变疲劳寿命无限疲劳寿命压应变拉应变应变疲劳寿命无限疲劳寿命永久路面与半刚性基层路面比较我国所建高速公路中90%以上为半刚

12、性沥青路面结构。 半刚性基层路面特点：采用半刚性基层结构(结构单一)；面层厚度比国外的薄(总厚度相当)；路面的破坏形式与设计指标不一致； 易出现结构性破坏，修复困难.1.控制指标半刚性基层路面结构设计时采用以路表弯沉、结构层底拉应力为控制指标。永久性路面将面层底面在荷载重复作用下的拉应变以及路基顶面的压应力或压应变作为设计指标2.典型结构半刚性基层路面结构永久性路面结构相同面层结构，永久路面沥青稳定基层层底拉应力在同样轴载的作用下小于半刚性基层，且其随轴载的变化率小于半刚性基层。永久性沥青路面的沥青稳定基层柔性高，耐疲劳能力强，即使对于同样的层底拉应力(变)，其抵抗能力都远远高于半刚性基层路面。因此对于重载较多和交通量较大的道路永久性路面是一个较好的选择。3.破坏模式我国半刚性基层沥青路面的主要破坏形式包括反射裂缝、水损害、车辙等.永久性沥青路面的主要破坏形式是车辙和top-down裂缝,路面破坏是从上到下、由外到内发展延伸的，是一个由功能性破坏逐步发展到结构性破坏的过程，这种破坏形式为道路维护维修提供了便利.4.综合分析半刚性基层路面优点：初期建设费