长寿命沥青路面报告(工程硕士前沿讲座)

- 施工良好的厚沥青路面荷载扩散能力提高，沥青基层不会出现因交通
诱发的破坏。
（7）材料选择
- 英国硬质沥青的使用是与长寿命路面结构的使用相结合； - 采用刚度更大的基层材料，如HMB15、HMB25、HMB35三种高模量 沥青混合料。
1.3.2 美国永久性路面
（1）欧洲设计理念的延续和发展
（2）使用寿命>50年，罩面层15~20年以后进行修复
- HMA 路面足够厚,以消除自下而上的路面破坏。
结构
- 路面必须有合适的厚度和刚度以抵抗变形, - 具有足够厚度和良好性能以抵抗自基层底的疲劳开裂。
功能
- 上面层设计主要考虑抗车辙能力和抗磨耗能力; - 中间层设计主要考虑抗车辙能力; - 基层设计主要考虑抗疲劳能力.
1.3 国外长寿命路面的发展及现状
（5）提出疲劳极限的概念
- 沥青面层或沥青碎石基层在层底拉应变很小时,可以承受相当多数 量的荷载作用而不发生疲劳破坏, - 沥青混合料的疲劳应变小于“应变下限”时,材料内部将不发生疲 劳损坏的累积。
（6）路面设计方法
力学经验路面设计方法 特点： - 把路面结构设计同材料的选择和施工结合起来考虑；
- 考虑到路面损坏分析是材料性能、温度、水和荷载的相互作用结果；
- 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。
2.3.2 基于力学的长寿命路面结构设计方法
（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。
a 以弹性层状体系（三层）代表路面结构，计算分析圆形均布轮载 作用下结构内各特征点的应力、应变和位移值; b 以沥青面层的疲劳开裂以及路基土和粒料层的过量永久性变形作 为沥青路面的主要损坏模式， c 选用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。
Shell法采用的三层弹性体系路面模型
1.3.1 欧洲永久性路面
（1）使用寿命>40年 （2）裂缝
- 裂缝产生于沥青面层表面并由上向下发展；
- 绝大多数为纵向裂缝,位置在轮迹两侧,也有横向表 面裂缝,但很少见。
（3）车辙
1997 年Nunn等人发现,厚沥青路面存在一个厚度 上限,超过这个 限值自下而上的疲劳开裂和结构性 车辙都不会发生。
（3）结构形式
- 全厚式沥青混凝土路面和高强度厚沥青路面的发展。
1.3.2 美国永久性路面
（4） 疲劳裂缝
实例：新泽西州建于1968年的州际公路I-287,面层厚度是 10in.(25.4cm)。1993 年的路面调查发现,路表出现很多裂缝,但现 场取芯表明裂缝深度大都在3英寸(7. 62 cm)之内,没有由下向上发 展的疲劳裂缝。
在第四届(1977)和第五届(1982) 沥青路面结构设计国际会议上， 各国分别提出了十余种以力学～经验法为基础的设计方法。
力学～经验法设计方法示例
结构 Shell 美国 AI 南非 NITRR 美国联邦 公路局 路面模型 多层弹性 多层弹性 多层弹性 或粘弹性 多层弹性 多层弹性 多层弹性 多层弹性 损坏模型 疲劳（沥青、水泥稳定层） 车辙（路基应变、沥青层） 疲劳（沥青层） 车辙（路基应变） 疲劳（沥青、水泥稳定层） 车辙（路基应变、粒料层剪切） 疲劳（沥青、水泥稳定层） 车辙（路表PSI） 环境 温度 温度 冻融 温度 路面材料 沥青混凝土、 水泥稳定基层、粒料 沥青混凝土、 乳化沥青基层、粒料 断级配沥青混合料、沥青混凝 土、水泥稳定粒料、粒料 沥青混凝土、水泥稳定粒料、 粒料、硫化处治材料
Nunn 等人认为，
- 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。
1.4 国内长寿命沥青路面研究及发展现状
1.4.1 研究现状
- 处于长寿命沥青路面结构研究的初级探索阶段。 国内相关研究与实践
-- 西部交通科技建设项目——“重载交通长寿命沥青路面关键技术 研究项目”
-- 河南尉许高速公路是一种“ 刚柔并济、优势互补”的水泥混凝土 与沥青混凝土（PCC+AC）复合式路面结构，结构如图1-1。开封至 郑州高速公路、厦门环岛高速公路、合肥至全椒高速公路、天津市道 路、国道323宜州-都街段都修建有复合式路面结构。
1.3.1 欧洲永久性路面
（4）疲劳寿命
- 数据统计分析表明,90%多的残余寿命差别是由沥青用量和沥青硬度的不
同而引起的,沥青的老化则是疲劳寿命差异的主要影响因素。
（5）沥青的养生
- 主要结构层的逐渐硬化对道路有利, - 确切地说,沥青的老化是一种养生过程。 - 不希望磨耗层过度老化, 会导致路面从表层开裂。
温度 温度 温度 温度
英国诺丁 汉大学 法国 LPC
比利时
疲劳（沥青、水泥稳定层） 车辙（路基应变） 疲劳（沥青、水泥稳定层） 车辙
疲劳（沥青、水泥稳定层） 车辙
热碾沥青层、 沥青混凝土、粒料 沥青混凝土、沥青稳定基层、 水泥稳定粒料、粒料
沥青混凝土、 沥青稳定基层、粒料
沥青路面结构设计框图
2.2 目前的沥青路面的早期损坏类型及结构损坏模式
图1-1 河南尉许高速公路复合式长寿命路面结构简图
4cm 改性沥青混凝土 2cm厚的应力吸收层
28cm厚的水泥混凝土面板 1.5cm厚的防水联接层 18cm厚的二灰碎石基层
路 基
2. 长寿命沥青路面设计理论及设计指标
2. 长寿命沥青路面设计理论及设计指标
2.1 国内外的沥青路面设计体系
2.1.1 基于经验的设计方法 （1）CBR法
实质：
-运用力学方法来分析路面结构对气候和荷载的响应。 （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≤60με，基顶压应变 ≤200με。
基于力学的路面设计流程(Monismith,1992)
Monismith和Long建议 各层应变控制指标 行车荷载
沥青层底 弯拉应变< 60me 基层 路基
基顶压应变 < 200me
2.3.2 基于力学的长寿命路面结构设计方法
（2）伊利诺斯州的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,采用了一个控制应变 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。
- 基层使用的沥青针入度为100,20年后其针入度会降至20甚至更低。TRL
对AC养生研究表明:道路在使用期间沥青碎石基层劲度会逐渐增长至原来 的4倍或者更高,这种变化对长寿命路面的设计有重大意义。
1.3.1 欧洲永久性路面
（6）路面强度 - 沥青在养生作用下道路劲度随时间增加，路段弯沉随时间而减小；
者间的经验关系式。
特点：
- 采用现时服务能力指数（PSI）作为路面使用性能的度量指标。 - 路面使用性能指标PSI,主要受平整度的影响，与裂缝、车辙、修补
等损坏的关系很小。
2.1.2 基于力学的力学-经验设计方法
壳牌（Shell）公司的Peattie和Dormon提出力学-经验法
设计沥青路面的框架：
- 以CBR值作为路基土和路面材料（主要是粒料）的性质指标。
- 通过对已损坏或使用良好的路面的调查和CBR的测定，建立起路基 土CBR-轮载-路面结构层厚度（以粒料层总厚度表征）三者间的经验 关系。
（2）AASHTO法
在AASHTO试验路的基础上建立。
- 整理试验路的试验观测数据，得到路面结构-轴载-使用性能三
传统沥青混凝土路面结构损坏模式
2.2.2 路面结构损坏模式
（1）车辙
- 一种是车辙只发生在沥青面层,为表面车辙; - 另一种车辙产生于土基,为结构性变形。
对道路的车辙产生速率的调查结果：
- 沥青层厚小于180mm时，车辙率较大； - 沥青其厚度大于180mm时, 车辙速率会迅速降低。
对厚沥青面层道路,调查表明：
- 车辙的大部分主要发生在沥青层表面 。
车辙
（2）疲劳开裂
定义：
- 疲劳开裂是指在荷载重复作用下沥青混凝土面层底面弯拉应变引起的
开裂,并且由下而上发展直至贯穿整个沥青混凝土面层,造成路面损坏。 如图2-5。
数据统计分析表明：
- 90 %多的残余寿命差别是由沥青用量和沥青硬度的不同而引起的，沥 青的老化则是疲劳寿命差异的主要影响因素。
其中,εp为累积永久应变；εr 为弹性变形；N为作用轴次；A、b为
回归参数。
永久变形
2.3 各国提出的长寿命沥青路面设计理念、方法、指标
随着社会发展,交通量和轴载的增加,沥青路面的诸多设计方 法的局限性也愈加显化
针对与解决此类问题
诞生了基于力Biblioteka 的长寿命路面结构设计方法2.3.1 基于力学的长寿命路面结构设计方法
公里,跃居世界第二位； 截止到2004年底，我国高 速公路通车里程已超过3.4 万公里，保持世界第二。
1990 1995 1999 2000 2002 2004
年份
1.1 前言
- 我国所建高速公路中90%以上为半刚性沥青路面结构。 存在一系列问题：
1.2 长寿命路面的设计理念
（1）传统路面存在的问题
- 薄沥青层从长远来说，无法防止开裂，无法防止各种途径地水 地进入，又不能迅速地排除水，尤其是在严重的超限超载车辆通 行的路段，超载和水的共同作用使沥青路面在短时间内发生较严 重的损坏，且导致基层结构的损坏。
2.2.2 路面结构损坏模式
传统沥青混凝土路面结构损坏模式传统的沥青混凝土 路面损坏类型最主要的是疲劳开裂和永久变形这两类,