永久性路面与结构材料性能[张起森]
公路维修工程“白加黑”技术与工程应用
公路维修工程“白加黑”技术与工程应用摘要我国早期修建的公路以水泥混凝土路面为主，随着时代发展，大部分路面已经达到设计年限，无法满足人民群众日益增长的出行需求。
旧水泥路面加铺沥青面层（即“白加黑”）是现阶段水泥路面维修改造的主流工艺。
本文以省道十永线蔡甸城关至永安段大修改造工程为依托，对公路维修工程“白加黑”技术进行研究和应用分析。
主要研究内容如下：设计十永西公路维修工程“白加黑”方案，最终确定以碎石化为主，部分原路况较好且不适合碎石化的路段采用设置应力吸收夹层的加铺方案。
同时，研究了反射裂缝的防治问题，论证了依托工程采用的防治反射裂缝措施的合理性。
关键词：公路维修；沥青罩面；反射裂缝一、工程基本情况省道十永线蔡甸城关至永安段（桩号：K19+590～K35+830，简称十永西）起于蔡甸区蔡甸大街，止于汉宜高速下穿通道，全长约16.24km。
原为二级公路，设计时速60km/h，路幅宽度18m，双向四车道水泥混凝土路面。
项目路段是1995年由老汉沙公路改扩建成的，已达到设计年限。
本文依托该工程，研究探讨了沥青罩面设计以及实际效果检测问题。
二、加铺方案设计（一）设计原则根据十永西原水泥路面路况的检测评价结果和《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTG D40-2011），结合十永西交通量、自然条件，以及当地施工技术、养护水平，提出合理的维修方案，设计原则如下：1、必须考虑反射裂缝对加铺罩面的影响；2、加铺方案应该根分地段、分片区合理制定，同时参考武汉市近年来成功经验，确保方案安全可靠、经济合理；3、设计时合理考虑推广新技术、新工艺。
（二）罩面层方案比选本项目设计方案主要根据原路面的破损状况合理选用。
方案一：设应力吸收夹层。
即水泥路面病害处治后加铺沥青层，这种方法适用于原路面破损不严重路段。
设应力吸收夹层主要是防止反射裂缝的产生。
方案二：碎石化方案。
即旧水泥面板全部打碎后作为路面底基层，再加铺基层和面层。
根据武汉市类似地区使用经验，两种加铺方案设计对比情况见表 2.1。
长寿命路面介绍解析
车道划分
许尉高速路路基宽28米，采用封闭 中央分隔带、通讯管道外移、设增强式 防撞护拦、放缓通道处矮路堤坡率、设 停车港湾等措施，实现 “四车道改六车 道”方案。
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☻ ☻ ☻ ☻
增加了道路通行能力 延长了结构使用寿命 减少了养护费用 为实现小板块划分提供了条件
28
一般情况
高速公路行车道宽度3.5m～3.75m 水泥混凝土路面板板宽大于3m 平面尺寸多为4.5m×6m，4m×5m
表面功能层寿命8年以上 主要承重层寿命40年以上 各层强度控制指标由相应规范验算
10
长寿命路面结构模型
路面结构：柔+刚+柔
沥青混凝土＋水泥混凝土面层＋沥青
联结层，简称A· P· A
11
路面结构
应力吸收层2cm 改性沥青砼面层 4cm 厚 度 53.5cm
防水联接层1.5cm
水泥砼面层
28cm
二灰碎石基层18cm 石灰土或固化剂处理路床 20cm
冲击压实处理路床（影响深度80cm ）
12
路基设计
冲击压实技术处理路基
采用冲压处理路基，对路基重复冲碾 13遍，提前完成约4cm的路基沉降，形成稳 定、均匀连续的高速公路上路床。
13
固化剂处理路床 用冲击压实技术对路基进行冲压后，路基 表面容易形成薄层覆土，而成软弱层。 路基顶面20cm土层，采用土壤固化剂稳 定路基土。
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小结
许尉高速公路长寿命路面对整个路基 路面系统（路基、基层、面层）采用了 延长使用寿命措施。
24
满足以下设计要求：
40年以上的使用寿命； 不会出现混凝土板疲劳开裂或来自于 路面结构深层的变形
沥青路面设计的新方法——长寿命沥青路面 精品
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ路面
文/佐久利
长寿命沥青路面的概念及 特性
长寿命沥青路面(perpetual asphalt pavement)是国际沥青路面界提出的新 技术。国外20世纪60年代以来修建了 大量全厚式路面和深层高强沥青路面； 其中设计、施工良好的路面表现了很好 的性能，提供了良好的长期服务性能。 全厚式路面是指沥青路面层直接建筑在 处治的或未处治的土基上， 深层高强 沥青路面则直接铺筑在粒料基层上。这 类路面的特点是路面的总厚度小于传统 上采用的沥青面层较薄的路面结构的厚 度，基本上消除了传统上普遍存在的疲 劳损坏， 路面的损坏只发生在路面的 上部。以此为基础， 提出了长寿命的 概念。长寿命路面并不是一直不损坏， 而是指路面的损坏仅发生在路面的上
长寿命路面试验路结构设计
路面典型结构组合
为了对长寿命路面进行研究，2003 年，同济大学在广东云浮修建了试验路 段，其中典型结构组合情况见表 1。
各层材料
磨耗层采用改性沥青、SMA—13 级配，掺加3‰的木质素纤维。中间层 厚度设计成抗车辙的高模量沥青混合 料，采用 SAC20－I级配，级配曲线取 偏粗的下限，沥青用量取偏少的下限， 掺加 1%橡胶粉改性。下层的厚度为15 cm，设计成抗疲劳的沥青混合料，采 用AC25－I型级配 ，级配曲线取偏细的 上限，沥青用量取偏多的上限。
长寿命路面的设计特点有以下几 点: ①沥青面层厚度大；②服务周期长 (超过50 年)；③维修方便且费用低。
在设计思路上，必须按功能合理 设计结构层，其基本前提为：HMA 路 面足够厚，以消除自下而上的路面结构 破坏；路面必须有合适的厚度和刚度以 抵抗变形功能；具有足够厚度和良好性 能以抵抗自基层底的疲劳开裂; 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。
JTG D50-2017(公路沥青路面设计规范 )PPT幻灯片课件
某层类型
无机结合料稳定类基层、水 泥混合凝上基层和底基层为 无机结合料稳定类的沥青混
合料基层
沥青混合料层容许永久变形量
高速、一级公路
二级、三级公路
15
20
其他基层
10
15
14
3.路基顶面竖向压应变应小于附录B4的容许值； 4.按照附录B5计算的沥青面层低温开裂指数不大于表3.0.6-2；
表3.0.6-2 低温开裂指数要求
沥青表面处治
中等、轻交通荷载等级的表面层 17
4.5.4 不同粒径的沥青厚度符合表4.5.4的规定
连续级配沥青混合料和沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)的结 构层小厚度不宜小于集料公称最大粒径的2.5倍； 开级配沥青混合料厚度不宜小于集料公称最大粒径的2.0倍。
表4.5.4 不同粒径沥青混合料的最小层厚（mm）
三级公路 80 0.84
四级公路 70 0.52
表3.0.2 路面结构设计使用年限（年）
公路等级
设计使用年限
公路等级
设计使用年限
高速公路
15
三级公路
10
二级公路
12
四级公路
8
3.0.3 设计轴重100kN，单轴，双轮组（与老规范同），技术参数 表3.0.3设计轴承的参数
设计轴载(kN) 轮胎接地压强（MPa） 单轮接地当量圆直径（mm） 两轮中心距（mm）
2.1.16 路基平衡湿度 公路通车后，路基湿度在地下水、大气降雨与蒸发 等因素作用下达到平衡状态，湿度相对稳定，此时 的路基湿度定义为路基平衡湿度。
2.1.17 裂缝指数 表征横向裂缝密集程度的指标，反映沥青层低温开 裂程度。（DTT直接拉伸试验）
5
二、符号说明（15个符号）
高等路面结构设计原理
高等路面结构设计原理课程名称:《高等路面结构设计原理》课程名称:(英文)Principle for Design of Pavement Structures 课程编号:B08230101课程组长:凌天清教授课程性质:专业课学分:3总学时数:54适用专业:道路与铁道工程课程教材:凌天清《高等路面结构设计原理》重庆交通大学(自编)2008年参考书目:1(AASHTO,AASHTO Guide for design of Pavement structures, AASHTO 20022(Asphalt Institute, Asphalt •Thickness •Design Manual(Ms-1), 9th Edition. Maryland,•Asphalt Institute 19813(Shell International petroleum Company •Limited, Shell Pavement Design Manual, London19784(J.C Nicholls, Asphalt Surfacings (A Guide to Surfacings and Treatments Used for the SurfaceCourse of Road Pavements), Transport Research Laboratory 1998 5,内田一郎(日)《新编道路铺装の设计法》森北出版株式会社19786(邓学钧、黄晓明《路面设计原理与方法》人民交通出版社2001.107(黄卫《高等沥青路面设计理论与方法》科学出版社20058(黄卫《高等水泥混凝土路面设计理论与方法》科学出版社20059(张起森《高等路面结构设计理论与方法》人民交通出版社2005.1110(姚祖康《公路设计手册《路面》(第2版)》人民交通出版社200211(朱照宏、许志鸿《柔性路面设计理论与方法》•同济大学出版社198512(林锈贤《柔性路面结构设计方法》人民交通出版社198813(邓学均、陈荣生《刚性路面设计》人民交通出版社199214(《公路沥青路面设计规范》人民交通出版社199715(《公路水泥混凝土路面设计规范》人民交通出版社2004教学方式:本课程以课堂讲授为主，辅以课堂讨论等方式教学。
长寿命路面详细介绍
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长寿命路面结构模型
路面结构：柔+刚+柔
沥青混凝土＋水泥混凝土面层＋沥青 联结层，简称A· P· A
11
路面结构
应力吸收层2cm 改性沥青砼面层 4cm 厚 度
53.5cm
防水联接层1.5cm 水泥砼面层 28cm
二灰碎石基层18cm 石灰土或固化剂处理路床 20cm
冲击压实处理路床（影响深度80cm ）
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满足以下设计要求：
40年以上的使用寿命； 不会出现混凝土板疲劳开裂或来自于 路面结构深层的变形 使用期内路面只是表层功能恢复，不 出现结构性破坏
显著的经济性能
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§2
板块划分与车道布置
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车道划分
许尉高速路路基宽28米，采用封闭 中央分隔带、通讯管道外移、设增强式
防撞护拦、放缓通道处矮路堤坡率、设
大货
路缘带
7.5
0.5
3.0
0.75
10.8
0.7
停 车 岛
双向四车道布置图
双向六车道布置图
64
四车道AC和PCC路面费用对比分析
（分析期30年）
65
三种路面结构费用
700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 646.2
40
606.5
初期投资（万元）
路面的损坏只发生在表面功能层
只进行日常养护，不需进行结构性大修
初期费用可能偏高，但维修费用低
在寿命周期内最经济
8
长寿命路面寿命示意图
初 期 服 务 水 平 主要承重层 设 计 寿 命
使用期末 服务水平 表面功能层 表面功能层维修 路面结构损坏
长寿命路面介绍
收缩应力（ ）
① ②
③
④
①
⑤
② ③ ④ ⑤
面层板长度（ ）
40
板越长，最大干燥收缩应力越大。 基层对面层板的约束作用越大，板长 对最大收缩应力的影响越明显 。
41
许尉高速公路在基层上设置了1.5cm的 防水联接层，能大幅度减小基层对混凝土板 的约束，很大程度上降低了混凝土板的干燥 收缩应力。
42
路
28cm
水泥混凝土面板
面
总
厚
度
35cm
二灰碎石
20cm
二 灰土
土
基
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许尉A·P·A长寿命路面
改性沥青砼面层 4cm
厚 度
水泥砼面层 28cm
应力吸收层2cm 防水联接层1.5cm
53.5cm
二灰碎石基 层18cm 灰土或固化剂处理路床 20cm
冲击压实处理路床（影响深度80cm）
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许尉高速公路路基宽度为28m，为四 车道高速公路标准宽度，经课题研究实施 了“四改六”方案。由此分别将许尉高速 公路与其它结构四、六车道高速公路进行 经济对比分析。
13
固化剂处理路床 用冲击压实技术对路基进行冲压后，路基 表面容易形成薄层覆土，而成软弱层。 路基顶面20cm土层，采用土壤固化剂稳 定路基土。
14
基层设计
基层掺加硫酸钠 在二灰稳定碎石基层中掺加硫酸钠早 强剂，提高二灰碎石的早期强度，减少裂缝， 降低施工难度，保证基层质量。
15
基层顶部设置防水联结层 水泥混凝土板底部设置1.5cm防水连接层。 该防水连接层具有良好的隔水作用, 可起到 保护基层的作用，有效地防止了水泥混凝土 路面常见的各种病害。
2.014
公路沥青路面设计规范JTG D60-2017宣贯材料
张起森 教授 长沙理工大学
目录
一、术语 二、符号 三、设计标准 四、结构组合设计 五、材料性质要求和设计参数 六、路面结构验算 七、改建设计 八、桥面铺装设计
一、术语解释（2.1.11~2.1.17）
2.1.11 结构的设计期（设计基准期） 在预计的累计当量轴次和环境条件作用下，路面 不发生结构性破坏的时间长度。与工程结构可靠 度设计中的“设计基准期”同
<-37.0 1.冬严寒区
-37.0~-21.5 2.冬寒区
-21.5~-9.0 3.冬冷区
>-9.0
验
方
4.冬温区 法
1-1 2-1 1-2 2-2 3-2 1-3 2-3 1-4 2-4
普通沥青混合料，
不小于
2600
2300
改性沥青混合料，
不小于
结构验算时，无机结合料的弹性模量应乘以结构层 模量调整系数0.5。
5.5 沥青混合料类材料
5.5.1~5.5.4 为一般规定
5.5.5 季节性冰冻地区高速公路和一级公路表面层沥青低温性能 应满足下列指标要求： 1.连续10年最低气温平均值作为路面低温设计温度，低温 设计温度提高10℃的试验条件下，弯曲梁流变（BBR） 试验蠕变劲度St≤300MPa，蠕变曲线斜率m ≤0.3
5.3 粒料类材料
粒料类在最佳含水率与压实要求的干密度条件下， 试验水平1按附录D采用重复加载三轴压缩试验测定， 取其均值。在进行结构验算时，比值还应乘以湿度调 整系数1.6~2.0。
在水平三，可取表5.3.8的值 表5.3.8 粒料回弹模量取值范围（MPa）
材料类型和层次
级配碎石基层 级配碎石底基层 级配砾石基层 级配砾石底基层 未筛分碎石层
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设计理念
} 40~75mm 高质量SMA、 OGFC 或 Superpave
100 ~
高压力区
150
mm
100~180mm高模量 抗车辙材料
(根据需要定)
最大拉应变
柔性抗疲劳材料 75~100mm
路面基础
设计理念
➢ 自下而上进行设计和施工 ➢ 基础（高强、稳定和坚固 ）
➢稳定 ➢将使用期间的季节性变化和体积变化降低到
• 交通参数(轴载谱) 车轴类型 轴载分布 轴载数 增长率
车轴类型
轴载数
增长率
轴载分布
轴载谱输入窗口
三、表面开裂
表面开裂
过去一般认为沥青路面的开裂是从下到上 的开裂，但近几年欧洲和美国加利福尼亚、 伊利诺伊德克萨斯、肯塔基、弗罗里达等州 调查发现轮迹带出现自上而下纵向裂缝。弗 罗里达大学等对此展开了大量理论和现场调 查研究，并取得了一定成果
要应避免以下现象发生
HMA 基层 路基
重复弯曲
重复 变形
导致疲劳开裂
导致 车辙
永久性路面优点
沥青路面寿命可达50年 路面平整，噪音低，摩擦系数高 成本效益高 路面的养护维修仅限于面层 沥青面层可再循环 减少疲劳开裂和车辙损坏 最大限度地减少自然资源的使用 采用力学方法进行路面设计，综合考虑疲劳开
3、产生原因： 高轮胎压力和超载，→较高的水平张拉应力和剪应力；
温差应力 (出现较高的温度应力临界状态时间较短， 如冬天一般是晚上出现) ； 车轮运动引起表面反复拉压而疲劳； 刚性轮碾压导致的表面施工裂缝； 老化（沥青层变硬变脆）； 离析（骨料离析，温度离析）；
4、Top down的微结构与微观力学机理
路基
永久性路面设计控制点
设计软件PerRoad 3.0
• 设计软件 软件名称：PerRoad 3.0 软件开发： David Timm, NCAT ，Auburn大学
• 设计软件下载 URL地址： 点击Perpetual Pavement
• 设计软件安装 连击 PerRoad
设计软件应用
• 建立新文件 点击File中Save SAVE AS 窗口出现，键入文件名
7、工程应对方法：
增加沥青膜厚度； 采用温度敏感性低的沥青； 采用纤维； 采用智能型材料； 采用薄水泥混凝土面层（复合式路面）
表面开裂 轴载
TRL
开裂 (从表面开始)
新泽西 I-287 表面开裂
裂、车辙和温度开裂
总费用
经济性能
传统路面
经济差
永久性路面
使用时间
二、永久性路面设计方法
永久性路面设计过程
• 设计原理 力学方法
• 设计过程
类似于其它结构设计方法
选择控点 验算控制标准
拉应变标准 压应变标准
(由下至上设计)
输入材料性能参数 路面分析模型 路面应力和应变 路面变换方程
路面使用寿命
力学设计法
材料性能 (模量值)
尽量不让沥青层底拉 应变>65με或路基顶 压应变> 200με
路面模型 路面反应 (应变, 应力等)
转移函数
设计 完成
路面寿命 是否满足?
1992年 Monismith 提出力学 设计法的
流程图
力学性能标准
ESAL作用下
弯曲拉应变极值 < 65me
(Monismith, Von Quintus, Nunn, Thompson等人研究发现)
厚 HMA (> 200mm）
基层(as required) 路基
垂直压应变极值 < 200me (Monismith, Nunn等人研究发现)
力学指标
• 疲劳开裂
控制点位置：面层底面
控制标准：拉应变<65µ e
面层
厚度要求：>200mm
基层
• 永久性变形 控制点位置： 路基顶面 控制标准：压应变 <200µ e
最小 ➢ 下面层加强抗疲劳性能 ➢ 上面层加强抗车辙性能
永久性沥青路面在使用过程中，为保持 其良好的性能和使用寿命，必须定期检 测，当自下而上的疲劳开裂、温度开裂、 车辙等病害达到预定深度时(即达到磨耗 层深度)，就必须采取罩面等措施。对于 永久性沥青路面而言，这点非常关键， 它保证了将病害限制在表层 ，且尽可能 减小未来罩面的附加厚度 （重铺厚度必 须尽可能采用原厚度 ）
建立新文件
键入文件名
设计软件应用
• 输入设计参数 路面结构材料和季节参数 交通参数
结构和季节参数
交通参数
选择设计参数输入窗口
设计软件应用
• 路面结构材料和季节参数 材料性能和变异性 模量温度调整 性能标准和转换公式：
Nf
k1
1
e
k2
变异性输入窗口
使用性能选择窗口
模量温度调整窗口
设计软件应用
Top down cracking （自上而下的开裂）
1、特征：纵向，横向都有；在轮迹上和轮迹外面 发生；沥青层较厚时（6in~8in或更厚）；易与 传统的疲劳裂缝混淆
2、观测到的开裂出现时间： 法国：路面摊铺后3~5年内； 英国：沥青层厚＞180mm，10年内； 荷兰：沥青层厚＞160mm，常有发生； 日本：不同路面厚度，1~5年内； 美国：华盛顿州，层厚＞160mm，3~8年内； 佛罗里达州，5~10年内。
主要内容
一、永久性路面设计理念 二、永久性路面设计方法 三、表面开裂 四、永久性路面的材料要求 五、目前各地永久性路面状况 六、总结
一、永久性路面设计理念
定义
perpetual pavement ：指只需定期更换路面 表层（把破坏限制在路面上层），而不需进行 结构性修复或重建，且使用寿命大于50年的沥 青路面。
压缩和剪切加载后表面强拉应力是导致Top down开 裂的机理。见图
力学机理示意图
最大张力位置示意图
计算结果示图如下：
5、试验观测（图像分析技术）
试验观测-APA与图像分析示意图 观测到的表面裂缝示意图
6、试验观测与分析绪论： ①不一定从表面开始，也可能从表面下一定距 离的位置起裂； ②拉伸型和剪切型裂缝导致； ③可能发生在具有较软的沥青或路面温度较高 的位置； ④裂缝开始和扩展与材料结构有关； ⑤还可能与车辙和疲劳有关。
• full-depth asphalt pavement （全厚式路面） • deep strength asphalt pavement （高强度路面） • long-life asphalt pavement（长寿命路面）
设计理念
上面层：抗车辙能力和抗磨耗能力 中间层：抗车辙能力 基层：抗疲劳能力 路基：高强、稳定和坚固