基于层位功能路面材料设计

基于层位功能的路面

材料设计内容提纲一、路面结构及其病害类型二、基于抗裂的水泥稳定碎石设计三、基于层位功能的面层材料设计表面功能衰减裂缝永久变形水损害1.纵裂2.横裂3.网裂4.龟裂1.松散2.剥落3.坑槽4.唧浆1.车辙2.拥包3.搓板1.泛油2.磨光沥青路面破坏高温稳定性低温稳定性水稳定性耐久性抗滑性能一、路面结构及其病害类型路面结构：半刚性基层沥青路面

路面结构分析路面结构层组合设计

结构层材料组成设计结构层厚度确定结构层层底拉应力验算仅考虑荷载的疲劳作用，末考虑半刚性基层温缩、干缩引起的开裂及进一步恶化一、路面结构及其病害类型存在问题水泥稳定碎石基层在沥青面层铺筑前大量出现裂缝现象已司空见惯；工程中为达到设计强度指标及保证路面芯样完整，提高水泥剂量几乎成为最有效的手段，水泥剂量通常达到5～6％；施工后的水泥稳定碎石基层表观密实、光滑（级配不良）,事实上已成为水泥稳定碎石基层质量控制的重要标准；二、基于抗裂的水泥稳定碎石设计

存在问题现场芯样无侧限抗压强度往往远大于室内静压法成型试件强度；现有压实设备下，无需对施工工艺严格控制也能达到较高的压实度，压实度超百现象普遍存在等等。二、基于抗裂的水泥稳定碎石设计二、基于抗裂的水泥稳定碎石设计

解决措施（1）现场基层压实度普遍存在超百现象，其实质是压实度标准偏低.这也表明了重型击实法已经不能适应、也不能模拟现场使用重型振动压路机。正是在压实度容易达到的情况下，基层的压实被忽视。为了更好模拟和控制现场压实，有必要采用振动试验法确定水泥稳定碎石最大干密度和最佳含水量。

解决措施（2）水泥稳定碎石基层裂缝的产生，与水泥剂量有关。水泥剂量是根据室内静压法成型试件的7d无侧限抗压强度确定的，而静压成型法不能很好模拟现场振动碾压工艺。这也是导致现场芯样强度远大于室内静压成型试件强度原因之一。为了确定合理水泥剂量，有必要采用振动法成型试件测定7d无侧限抗压强度。二、基于抗裂的水泥稳定碎石设计

解决措施（3）材料组成结构对收缩性能影响规律表明，骨架密实型水泥稳定碎石具有良好的抗裂性能。为了减少收缩裂缝，有必要采用骨架密实型水泥稳定碎石。（4）提高水泥稳定碎石基层施工质量，现场质量控制技术是关键。二、基于抗裂的水泥稳定碎石设计技术要求1.高温稳定性－抗车辙变形粗骨料嵌挤:沥青对变形牵制＝60:402.低温稳定性－抗低温缩裂沥青结合料低温拉伸变形性能贡献率占90%3.耐久性集料的性质与级配、沥青的性质及路面结构，其中沥青性质贡献率占60%三、基于层位功能的面层材料设计技术要求4.水稳定性－抗水损害沥青与矿料的粘附性、沥青混合料的空隙率及路面结构5.路面表面功能－抗滑路面表面矿料的微观与宏观构造、沥青用量三、基于层位功能的面层材料设计

存在的问题高温稳定性与低温稳定性及耐久性之间的矛盾路面表面特性与耐久性之间的矛盾

三、基于层位功能的面层材料设计解决矛盾的途径改进集料级配：骨架密实型改善沥青结合料：改性沥青掺外掺剂：抗剥落、高模量剂、抗车辙剂等

基于层位功能的沥青混合料设计三、基于层位功能的沥青面层材料设计

1.沥青路面主要破坏形式

•车辙

•缩裂

•疲劳开裂三、基于层位功能的面层材料设计2.沥青面层的力学分析面层h1＝15cmE1E2E3

面层h1＝22cm

E1E2E3

面层h1＝9cmE1E2基层h2＝32cm

E2＝1700MPa

基层h2＝32cm

E2＝1700MPa

基层h2＝20cmE2＝1400MPa底基层h3＝18cm

E3＝1300MPa

底基层h3＝18cmE3＝1300MPa

底基层h3＝30cm

E3＝400MPa土基

E0＝50MPa

土基

E0＝50MPa

土基E0＝50MPa

路面结构一路面结构二路面结构三

常温下沥青路面正应力分布规律研究

（b）基面层部分连续（c）基面层完全光滑图正应力沿深度分布规律

(路面结构一)（a）基面层完全连续基面层分别处于部分连续和完全光滑时，受拉区分别在靠近沥青面层底面90～150mm和80～150mm深度范围内，且各计算点的拉应力均沿路面深度Z方向从上至下逐渐增大，并在面层底面达到最大值。2.沥青面层的力学分析路面结构二与路面结构一正应力分布规律基本相同，只是基面层部分连续和完全光滑时受拉区有所不同，部分连续时的受拉区120～220mm，光滑时的受拉区100～220mm。路面结构三受拉区在基面层部分连续时大约为70～90mm、光滑时为50～90mm。从分析结果看，在沥青路面各结构层层间为完全接触条件下，沥青面层内部是不会出现拉应力，即沥青面层不会发生弯拉疲劳破坏。但是工程实践中，沥青路面仍存在不少疲劳开裂破坏。这是因为计算模型采用基面层间完全接触状态与实际不符造成的。当沥青面层与半刚性基层之间的接触条件由完全连续向部分连续转变，进而向完全光滑转变时，沥青面层内部拉应力逐渐增大。因此，在施工过程中，采取措施（如铺筑面层前，清扫基层表面浮浆、铣刨基层表面等）以增强沥青面层和半刚性基层层间结合，有利于提高沥青路面抗疲劳开裂能力。低温下沥青路面温缩应力分布规律研究

图沥青面层累计低温温缩应力分布规律

(路面结构一)

图中越靠近路表面累计低温温缩应力越大，也越容易产生低温收缩裂缝。2.沥青面层的力学分析高温下沥青路面剪应力分布规律研究

（a）面层与基层层间完全连续b）面层与基层层间部分连续c）面层与基层层间完全光滑图最大剪应力沿深度分布规律（路面结构一）2.沥青面层的力学分析由图可知，不同接触条件时，路面结构一各计算点的高温剪应力τmax沿深度Z分布规律,基本上呈现出越靠近面层中间位置数值越大的趋势。不同层间接触条件下，沥青面层内部高温剪应力τmax最大值均位于路面深度70mm处，且越靠近路面深度70mm处的计算点高温剪应力τmax越大。显然，当出现失稳型车辙时，沿路面深度方向70mm处位置必然首先发生剪切流动变形。路面结构二最大剪应力沿深度分布规律基本上与路面结构一一致。路面结构三最大剪应力沿深度分布规律也基本上与前两种路面结构一致，沥青面层内部高温剪应力τmax最大值除基面层连续接触时位于路面深度方向50mm之外，其它两种层间接触状态时也都基本上位于路面深度方向70mm处，且越靠近路面深度50～70mm处的计算点高温剪应力τmax越大。

基面层不同接触状况下的沥青路面面层内部高温剪应力τmax的峰值分布区域以路面深度50～70mm位置为中心的面层中部区域。不同接触条件下剪应力分布规律可知，基面层接触状况由完全连续向部分连续转直至完全光滑转变时，沥青面层内部的高温剪应力τmax逐渐增大。这说明在工程实践中增强沥青面层和半刚性基层层间结合，可以减小沥青面层内部的最大高温剪应力τmax，提高沥青路面高温抗车辙能力。按设计规范中的层间完全连续接触条件，所得到的半刚性基层路面面层内部高温剪应力计算值比实际的偏小，所设计的路面结构偏于不安全。

沥青层位的受力状态(h≥150mm)2.沥青面层的力学分析h1=5cm

材料:Kb、Mb、Cm

45.30c

h2=5cm

材料:Kb、MbCm42.20ch2=5cm

材料:Kb、MbCm40.30c

h4=15cm

半刚性基层E=2100MPa

土基E=60MPa车辙计算结构示意图•车辙计算图中:Kb—开级配细粒式沥青混凝土

Mb—密级配中粒式沥青混凝土

Cm—密级配粗粒式沥青混凝土车辙计算结果计算结果表明:

*在各层材料和厚度相同的情况下，中面层对车辙的影响最大，上面层次之，下面层最小*三种沥青混凝土对车辙的影响排序:细粒式沥青混凝土＞中粒式沥青混凝土>粗粒式沥青混凝土

•低温缩裂h1=5cm细粒式沥青砼

f1=0.9Q1=480

h2=5cm细粒式沥青砼f2=0.9Q2=480

h3=5cm细粒式沥青砼f3=0.9Q3=480

h4=20cm二灰基层f4=1.5Q4=400

土基f5=1.0Q5=400低温缩裂计算结构示意图

fi为各层的传热系数Qi为各层的热容量低温缩裂计算结果计算结果表明:上面层的温度应力和相对开裂率要比中、下面层大得多温度应力和相对开裂率与松弛模量成正比•疲劳计算疲劳计算结果层间接触条件:连续沥青体积有效含量:5%空隙率:3%计算结果表明:

在相同的情况下，沥青层位越靠下，疲劳寿命越小基层模量越大，厚度较厚的情况下，沥青面层三层的疲劳都得到缓解，寿命大幅度提高3.层位对沥青混合料的要求上面层:

抗滑、不溅水、抗渗、噪音小、抗低温缩裂和高温车辙

中面层:

抵抗车辙下面层:

抗疲劳及车辙*按地区特点设计沥青混合料

南方高温地区:车辙是重要控制因素疲劳是次要控制因素

北方寒冷地区:疲劳和低温缩裂是控制因素车辙是次要因素3.层位对沥青混合料的要求4.按层位分工要求沥青混合料的计算示例

细粒式沥青混凝土h1=4cm中粒式沥青混凝土h2=5cm粗粒式沥青混凝土h3=6cm半刚性基层h4=20cm

垫层h5=20cm常见路面结构示意图中粒式沥青混凝土h1=4cm粗粒式沥青混凝土h2=5cm细粒式沥青混凝土h3=6cm半刚性基层h4=20cm

垫层h5=20cm

土基调整后路面结构示意图常见路面结构计算结果调整后面层计算结果分析:

上面层采用细粒式沥青混凝土：抗疲劳性能较好，抗车辙能力差、松弛模量及收缩系数较大，导致降温时温度应力及开裂能较大下面层采用粗粒式沥青混凝土：抗疲劳性能差、抗车辙能力较强常用的沥青混合料按层位分工进行选型，疲劳寿命可提高8.7倍，低温开裂减少2.4倍，高温车辙减少15%5、按层位分工论进行沥青混合料设计目前沥青混合料基本上按全功能要求进行设计的，结果必然顾此失彼，很难与各沥青结构层力学和功能要求相适应，设计出沥青面层材料性能较差。这是沥青路面产生早期车辙和早期抗滑性能不足的主要原因。为了解决这类早期破坏现象，最大程度地缓解对路面多功能要求所引起的矛盾，且充分发挥材料的潜力，大大降低成本，有必要按功能要求设计沥青