1、1,基于層位功能的路面材料設(shè)計,2,內(nèi)容提綱,一、路面結(jié)構(gòu)及其病害類型 二、基于抗裂的水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計 三、基于層位功能的面層材料設(shè)計,3,表面功能 衰減,裂縫,永久變形,水損害,1.縱裂 2.橫裂 3.網(wǎng)裂 4.龜裂,1.松散 2.剝落 3.坑槽 4.唧漿,1.車轍 2.擁包 3.搓板,1.泛油 2.磨光,瀝青路面破壞,高溫穩(wěn)定性,低溫穩(wěn)定性,水穩(wěn)定性,耐久性,抗滑性能,一、路面結(jié)構(gòu)及其病害類型,路面結(jié)構(gòu)：半剛性基層瀝青路面,4,路面結(jié)構(gòu)分析 路面結(jié)構(gòu)層組合設(shè)計 結(jié)構(gòu)層材料組成設(shè)計 結(jié)構(gòu)層厚度確定 結(jié)構(gòu)層層底拉應(yīng)力驗算僅考慮荷載的疲勞作用，末考慮半剛性基層溫縮、干縮引起的開裂及進一步惡化,一

2、、路面結(jié)構(gòu)及其病害類型,5,存在問題 水泥穩(wěn)定碎石基層在瀝青面層鋪筑前大量出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象已司空見慣； 工程中為達到設(shè)計強度指標(biāo)及保證路面芯樣完整，提高水泥劑量幾乎成為最有效的手段，水泥劑量通常達到56； 施工后的水泥穩(wěn)定碎石基層表觀密實、光滑（級配不良）, 事實上已成為水泥穩(wěn)定碎石基層質(zhì)量控制的重要標(biāo)準；,二、基于抗裂的水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計,6,存在問題 現(xiàn)場芯樣無側(cè)限抗壓強度往往遠大于室內(nèi)靜壓法成型試件強度； 現(xiàn)有壓實設(shè)備下，無需對施工工藝嚴格控制也能達到較高的壓實度，壓實度超百現(xiàn)象普遍存在等等。,二、基于抗裂的水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計,7,二、基于抗裂的水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計,解決措施 （1）現(xiàn)場基層壓實度普

3、遍存在超百現(xiàn)象，其實質(zhì)是壓實度標(biāo)準偏低.這也表明了重型擊實法已經(jīng)不能適應(yīng)、也不能模擬現(xiàn)場使用重型振動壓路機。正是在壓實度容易達到的情況下，基層的壓實被忽視。為了更好模擬和控制現(xiàn)場壓實，有必要采用振動試驗法確定水泥穩(wěn)定碎石最大干密度和最佳含水量。,8,解決措施 （2）水泥穩(wěn)定碎石基層裂縫的產(chǎn)生，與水泥劑量有關(guān)。水泥劑量是根據(jù)室內(nèi)靜壓法成型試件的7d無側(cè)限抗壓強度確定的，而靜壓成型法不能很好模擬現(xiàn)場振動碾壓工藝。這也是導(dǎo)致現(xiàn)場芯樣強度遠大于室內(nèi)靜壓成型試件強度原因之一。為了確定合理水泥劑量，有必要采用振動法成型試件測定7d無側(cè)限抗壓強度。,二、基于抗裂的水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計,9,解決措施 （3）材料組

4、成結(jié)構(gòu)對收縮性能影響規(guī)律表明，骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石具有良好的抗裂性能。為了減少收縮裂縫，有必要采用骨架密實型水泥穩(wěn)定碎石。 （4）提高水泥穩(wěn)定碎石基層施工質(zhì)量，現(xiàn)場質(zhì)量控制技術(shù)是關(guān)鍵。,二、基于抗裂的水泥穩(wěn)定碎石設(shè)計,10,技術(shù)要求 1.高溫穩(wěn)定性抗車轍變形 粗骨料嵌擠 : 瀝青對變形牽制60:40 2.低溫穩(wěn)定性抗低溫縮裂 瀝青結(jié)合料低溫拉伸變形性能貢獻率占90% 3.耐久性 集料的性質(zhì)與級配、瀝青的性質(zhì)及路面結(jié)構(gòu)，其中瀝青性質(zhì)貢獻率占60%,三、基于層位功能的面層材料設(shè)計,11,技術(shù)要求 4.水穩(wěn)定性抗水損害 瀝青與礦料的粘附性、瀝青混合料的空隙率及路面結(jié)構(gòu) 5.路面表面功能抗滑 路面表

5、面礦料的微觀與宏觀構(gòu)造、瀝青用量,三、基于層位功能的面層材料設(shè)計,12,存在的問題 高溫穩(wěn)定性與低溫穩(wěn)定性及耐久性之間的矛盾 路面表面特性與耐久性之間的矛盾,三、基于層位功能的面層材料設(shè)計,13,解決矛盾的途徑 改進集料級配：骨架密實型 改善瀝青結(jié)合料：改性瀝青 摻外摻劑：抗剝落、高模量劑、抗車轍劑等 基于層位功能的瀝青混合料設(shè)計,三、基于層位功能的瀝青面層材料設(shè)計,14,1. 瀝青路面主要破壞形式 車轍 縮裂 疲勞開裂,三、基于層位功能的面層材料設(shè)計,15,2. 瀝青面層的力學(xué)分析,路面結(jié)構(gòu)一 路面結(jié)構(gòu)二 路面結(jié)構(gòu)三,16,常溫下瀝青路面正應(yīng)力分布規(guī)律研究,（b）基面層部分連續(xù) （c）基面層

6、完全光滑 圖 正應(yīng)力沿深度分布規(guī)律 (路面結(jié)構(gòu)一),（a）基面層完全連續(xù),基面層分別處于部分連續(xù)和完全光滑時，受拉區(qū)分別在靠近瀝青面層底面90150mm和80150mm深度范圍內(nèi)，且各計算點的拉應(yīng)力均沿路面深度Z方向從上至下逐漸增大，并在面層底面達到最大值。,2. 瀝青面層的力學(xué)分析,17,路面結(jié)構(gòu)二與路面結(jié)構(gòu)一正應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，只是基面層部分連續(xù)和完全光滑時受拉區(qū)有所不同，部分連續(xù)時的受拉區(qū)120220mm，光滑時的受拉區(qū)100220mm。 路面結(jié)構(gòu)三受拉區(qū)在基面層部分連續(xù)時大約為7090mm、光滑時為5090mm。 從分析結(jié)果看，在瀝青路面各結(jié)構(gòu)層層間為完全接觸條件下，瀝青面層內(nèi)部是

7、不會出現(xiàn)拉應(yīng)力，即瀝青面層不會發(fā)生彎拉疲勞破壞。但是工程實踐中，瀝青路面仍存在不少疲勞開裂破壞。這是因為計算模型采用基面層間完全接觸狀態(tài)與實際不符造成的。 當(dāng)瀝青面層與半剛性基層之間的接觸條件由完全連續(xù)向部分連續(xù)轉(zhuǎn)變，進而向完全光滑轉(zhuǎn)變時，瀝青面層內(nèi)部拉應(yīng)力逐漸增大。因此，在施工過程中，采取措施（如鋪筑面層前，清掃基層表面浮漿、銑刨基層表面等）以增強瀝青面層和半剛性基層層間結(jié)合，有利于提高瀝青路面抗疲勞開裂能力。,18,低溫下瀝青路面溫縮應(yīng)力分布規(guī)律研究,圖 瀝青面層累計低溫溫縮應(yīng)力分布規(guī)律 (路面結(jié)構(gòu)一),圖中越靠近路表面累計低溫溫縮應(yīng)力越大，也越容易產(chǎn)生低溫收縮裂縫。,2. 瀝青面層的力學(xué)

8、分析,19,高溫下瀝青路面剪應(yīng)力分布規(guī)律研究,（a）面層與基層層間完全連續(xù) b）面層與基層層間部分連續(xù) c）面層與基層層間完全光滑,圖 最大剪應(yīng)力沿深度分布規(guī)律（路面結(jié)構(gòu)一）,2. 瀝青面層的力學(xué)分析,20,由圖可知，不同接觸條件時，路面結(jié)構(gòu)一各計算點的高溫剪應(yīng)力max 沿深度Z分布規(guī)律,基本上呈現(xiàn)出越靠近面層中間位置數(shù)值越大的趨勢。不同層間接觸條件下，瀝青面層內(nèi)部高溫剪應(yīng)力max最大值均位于路面深度70mm處，且越靠近路面深度70mm處的計算點高溫剪應(yīng)力max越大。顯然，當(dāng)出現(xiàn)失穩(wěn)型車轍時，沿路面深度方向70mm處位置必然首先發(fā)生剪切流動變形。 路面結(jié)構(gòu)二最大剪應(yīng)力沿深度分布規(guī)律基本上與路面

9、結(jié)構(gòu)一一致。 路面結(jié)構(gòu)三最大剪應(yīng)力沿深度分布規(guī)律也基本上與前兩種路面結(jié)構(gòu)一致，瀝青面層內(nèi)部高溫剪應(yīng)力max最大值除基面層連續(xù)接觸時位于路面深度方向50mm之外，其它兩種層間接觸狀態(tài)時也都基本上位于路面深度方向70mm處，且越靠近路面深度5070mm處的計算點高溫剪應(yīng)力max越大。,21,基面層不同接觸狀況下的瀝青路面面層內(nèi)部高溫剪應(yīng)力max的峰值分布區(qū)域以路面深度5070mm位置為中心的面層中部區(qū)域。 不同接觸條件下剪應(yīng)力分布規(guī)律可知，基面層接觸狀況由完全連續(xù)向部分連續(xù)轉(zhuǎn)直至完全光滑轉(zhuǎn)變時，瀝青面層內(nèi)部的高溫剪應(yīng)力max逐漸增大。這說明在工程實踐中增強瀝青面層和半剛性基層層間結(jié)合，可以減小瀝青

10、面層內(nèi)部的最大高溫剪應(yīng)力max，提高瀝青路面高溫抗車轍能力。 按設(shè)計規(guī)范中的層間完全連續(xù)接觸條件，所得到的半剛性基層路面面層內(nèi)部高溫剪應(yīng)力計算值比實際的偏小，所設(shè)計的路面結(jié)構(gòu)偏于不安全。,22,瀝青層位的受力狀態(tài)(h150mm),2. 瀝青面層的力學(xué)分析,23,h1=5cm 材料: Kb、Mb、Cm 45.30c,h2=5cm 材料: Kb、 Mb Cm 42.20c,h2=5cm 材料: Kb、 Mb Cm 40.30c,h4=15cm 半剛性基層 E=2100MPa,土基 E=60MPa,車轍計算結(jié)構(gòu)示意圖,車轍計算,圖中: Kb開級配細粒式瀝青混凝土 Mb密級配中粒式瀝青混凝土 Cm密級

11、配粗粒式瀝青混凝土,24,車轍計算結(jié)果,25,計算結(jié)果表明: *在各層材料和厚度相同的情況下，中面層對車轍的影響最大，上面層次之，下面層最小 *三種瀝青混凝土對車轍的影響排序: 細粒式瀝青混凝土中粒式瀝青混凝土粗粒式瀝青混凝土,26,低溫縮裂,h1=5cm 細粒式瀝青砼 f1=0.9 Q1=480,h2=5cm 細粒式瀝青砼 f2=0.9 Q2=480,h3=5cm 細粒式瀝青砼 f3=0.9 Q3=480,h4=20cm 二灰基層 f4=1.5 Q4=400,土基 f5=1.0 Q5=400,低溫縮裂計算結(jié)構(gòu)示意圖 fi為各層的傳熱系數(shù) Qi為各層的熱容量,27,低溫縮裂計算結(jié)果,28,計算

12、結(jié)果表明:,上面層的溫度應(yīng)力和相對開裂率要比中、下面層大得多 溫度應(yīng)力和相對開裂率與松弛模量成正比,29,疲勞計算,疲勞計算結(jié)果,層間接觸條件:連續(xù) 瀝青體積有效含量: 5% 空隙率: 3%,30,計算結(jié)果表明:,在相同的情況下，瀝青層位越靠下，疲勞壽命越小 基層模量越大，厚度較厚的情況下，瀝青面層三層的疲勞都得到緩解，壽命大幅度提高,31,3.層位對瀝青混合料的要求,上面層: 抗滑、不濺水、抗?jié)B、噪音小、抗低溫縮裂和高溫車轍 中面層: 抵抗車轍 下面層: 抗疲勞及車轍,32,*按地區(qū)特點設(shè)計瀝青混合料 南方高溫地區(qū) : 車轍是重要控制因素 疲勞是次要控制因素 北方寒冷地區(qū) : 疲勞和低溫縮裂

13、是控制因素 車轍是次要因素,3.層位對瀝青混合料的要求,33,4.按層位分工要求瀝青混合料的計算示例,細粒式瀝青混凝土 h1=4cm,中粒式瀝青混凝土 h2=5cm,粗粒式瀝青混凝土 h3=6cm,半剛性基層 h4=20cm,墊 層 h5=20cm,常見路面結(jié)構(gòu)示意圖,中粒式瀝青混凝土 h1=4cm,粗粒式瀝青混凝土 h2=5cm,細粒式瀝青混凝土 h3=6cm,半剛性基層 h4=20cm,墊 層 h5=20cm,土 基,調(diào)整后路面結(jié)構(gòu)示意圖,34,常見路面結(jié)構(gòu)計算結(jié)果,調(diào)整后面層計算結(jié)果,35,分析:,上面層采用細粒式瀝青混凝土：抗疲勞性能較好，抗車轍能力差、松弛模量及收縮系數(shù)較大，導(dǎo)致降溫

14、時 溫度應(yīng)力及開裂能較大 下面層采用粗粒式瀝青混凝土：抗疲勞性能差、抗車轍能力較強 常用的瀝青混合料按層位分工進行選型，疲勞壽命可提高8.7倍，低溫開裂減少2.4倍，高溫車轍減少15%,36,5、按層位分工論進行瀝青混合料設(shè)計,目前瀝青混合料基本上按全功能要求進行設(shè)計的，結(jié)果必然顧此失彼，很難與各瀝青結(jié)構(gòu)層力學(xué)和功能要求相適應(yīng)，設(shè)計出瀝青面層材料性能較差。這是瀝青路面產(chǎn)生早期車轍和早期抗滑性能不足的主要原因。 為了解決這類早期破壞現(xiàn)象，最大程度地緩解對路面多功能要求所引起的矛盾，且充分發(fā)揮材料的潛力，大大降低成本，有必要按功能要求設(shè)計瀝青面層材料組成。這就要明確瀝青各結(jié)構(gòu)層主要功能或作用。,37,上面層瀝青混合料設(shè)計原則,1.層位分工論對瀝青混合料的要求 抗滑、不濺水、水霧小、噪音小和密水 抗低溫縮裂及高溫車轍 2.瀝青混合料的組成特點 嵌擠骨架密實型 3.嵌擠骨架密實型瀝青混合料的級配理論 干涉理論 貝雷法 SUPERPAVE級配 4.瀝青混合料的