路基路面工程-第10讲-沥青路面(上).

路基路面工程浙工大建工学院路基路面工程教案路基路面工程路基工程路面工程第10讲沥青路面第一节概述第二节沥青路面材料的结构与力学特性第三节沥青路面的稳定性与耐久性第四节沥青混合料组成设计第五节沥青路面施工与质量控制学习要点掌握沥青路面的基本特性和分类；掌握沥青路面材料的结构力学特性与温度稳定性；熟悉沥青混合料组成结构和组成设计；了解路面施工与质量控制。第1节概述－基本特性定义：沥青路面是用沥青材料作结合料粘结矿料修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构。组成成分：沥青、矿料作用关系：矿料为骨架，沥青粘结矿料第1节概述－基本特性目前，沥青路面广泛用于我国公路与城市道路,成为主要路面形式。第1节概述－基本特性沥青路面主要优点1.平整性：表面平整（导致振动小、噪声低）；2.接缝：无接缝（导致行车舒适）；3.施工与维护：施工期短、养护维修简便（例如局部罩面、重铺）4.适宜于分期修建（可以根据交通量成长情况予以逐步拓宽）。第1节概述－基本特性1.强度：能承受车辆行驶而产生的各种作用力；2.变形能力：承受相当程度弹塑性变形而不发生破坏；3.减振性：减振性较高，保证行车平稳；4.粘附能力：与轮胎附着力高，保证行车安全；5.其它性能：不扬尘；（沥青路面）可再生利用等第1节概述－损坏类型及成因1.裂缝2.车辙3.松散剥落4.表面磨光裂缝－沥青路面最主要损害形式1.横向裂缝－荷载型a.成因：超载或重载交通导致的疲劳开裂；b.典型情况：基层反射裂缝。h1h2hihn面层基层底基层垫层xyo路基σm疲劳裂缝裂缝发展方向裂缝－沥青路面最主要损害形式1.横向裂缝－非荷载型a.成因：温度降低b.典型情况：沿道路纵向分布较规则温度坡差引起的开裂面层收缩基层约束非均匀降温温度坡差引起的断裂均匀降温面层收缩基层约束裂缝－沥青路面最主要损害形式a.成因：路基不均匀沉降；分路幅摊铺b.典型情况：裂缝长短不一。面层基层土基不均匀沉降ΔSz层底拉应力σR2.纵向裂缝裂缝－沥青路面最主要损害形式成因：（1）路面整体强度不足；（2）横或纵裂缝渗水后续发展；（3）沥青老化；3.网状裂缝车辙－沥青路面主要损害形式成因：渠化交通行车荷载反复作用；路基面层永久变形隆起横向粘性流动下陷隆起面层基层底基层A.柔性基层（如无粘结碎、砾石基层）永久变形B.荷载与高温共同作用下沥青面层横向塑性流动；松散剥落－沥青路面其它损害形式a.成因：沥青粘附性差，水入渗造成沥青与矿料剥离。b.典型情况：表面松散→行车经过带离松散颗粒→形成表面坑槽表面磨光－沥青路面其它破损形式成因：车轮反复滚动摩擦。危害：表面抗滑性能降低，雨季容易造成车祸第1节概述－沥青路面基本要求1.高温稳定性：高温期保持足够强度和刚度。2.低温抗裂性：低温期保持较低劲度和较大抗变形能力。3.耐久性：抵抗环境因素作用下材料劣化的性能。4.抗滑能力：最不利情况下提供足够摩阻力的性能。5.防渗能力：抵抗降雨等水流入渗的能力。第1节概述－沥青路面分类1、按强度的构成原理分类－密实类和嵌挤类嵌挤型：级配设计原则：均匀矿料原则强度主要来源：集料嵌挤摩擦密实型：级配设计原则：最大密实原则强度主要来源：沥青与集料粘结力ftfn第1节概述－沥青路面分类2、按施工工艺分类分为层铺法，路拌法和厂拌法三类。层铺法：分层洒布沥青、矿料和碾压。沥青深入矿料，成型时间长。沥青表处和沥青贯入路拌法：现场拌和沥青与矿料摊铺碾压成型。沥青均匀分布于矿料，缩短成型时间。厂拌法：工厂拌和沥青与矿料，运输现场摊铺碾压。沥青混合料质量高。第1节概述－沥青路面分类3、按沥青路面技术特性分类沥青贯入式路面：沥青贯入碎(砾)石经压实而成的沥青面层。贯入深度：4-8cm。二级及以下公路路面沥青表面处治：用沥青和集料铺筑成的厚度≤3cm的薄面层。施工方法：层铺法和拌和法。抗滑、磨耗或罩面磨耗层碎砾石面层砂石基层抗滑层沥青面层半刚性基层碎砾石层沥青面层半刚性基层沥青贯入沥青贯入沥青面层半刚性基层第1节概述－沥青路面分类3、按沥青路面技术特性分类沥青混凝土路面：不同颗粒尺寸的矿料（碎石、石屑、砂、矿粉）按最佳级配原则选配。特点：密实度大，强度高、整体性好。高等级公路面层沥青碎石路面：粗粒含量较多，不掺矿粉，沥青用量少，因此热稳定性好。面层、基层或联结层细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青碎石上基层10cm二灰稳定碎石下基层36cm半刚性基层沥青路面结构细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石24cm？？水泥稳定碎石63cm级配碎石15cm土基细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm粗粒式沥青混凝土8cm？？水泥稳定碎石34cm二灰土20cm土基细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石12cm级配碎石15cm？？水泥稳定碎石32cm水泥稳定碎石20cm细粒式沥青混凝土4cm中粒式沥青混凝土6cm沥青稳定碎石10cm？？水泥稳定碎石35cm级配碎石20cm土基土基柔性路面半刚性基层沥青路面夹层式组合基层沥青路面组合基层沥青路面表面层中、下面层半刚性基层土基底基层第2节沥青路面材料结构力学特性一、三相体系与压实性能——微细观内在尺度划分数量足够的微单元集合体颗粒及其周围接触颗粒集合体颗粒接触层次沥青混合料面层微观尺度(MicroscopicScale)细观尺度（MesoscopicScale）宏观尺度(macroscopicScale)数量足够的微单元集合体颗粒及其周围接触颗粒集合体颗粒接触层次沥青混合料面层微观尺度(MicroscopicScale)细观尺度（MesoscopicScale）宏观尺度(macroscopicScale)数量足够的微单元集合体颗粒及其周围接触颗粒集合体颗粒接触层次沥青混合料面层微观尺度(MicroscopicScale)细观尺度（MesoscopicScale）宏观尺度(macroscopicScale)数量足够的微单元集合体颗粒及其周围接触颗粒集合体颗粒接触层次沥青混合料面层微观尺度(MicroscopicScale)细观尺度（MesoscopicScale）宏观尺度(macroscopicScale)第2节沥青路面材料结构力学特性一、三相体系与压实性能——集料颗粒运动模式滚动=滑移+旋转破碎前原形加荷破碎破碎后体缩滑移旋转集料颗粒基本运动模式第2节沥青路面材料结构力学特性一、三相体系与压实性能——三相体系描述变量VaVcVvVeVgVve空气沥青Pe集料PggveVVe%100aveVVn%100avVVn%100veerVVS%100caK%100gePPa%100egePPPb第2节沥青路面材料结构力学特性一、三相体系与压实性能－组成成分及压实性能沥青混合料组成：影响压实的主要因素：集料（石质集料+矿粉）、沥青胶结料、残余空隙沥青用量、集料级配；压实温度、压实速度和压实应力第2节沥青路面材料结构力学特性二、沥青混合料结构力学特性根据嵌挤结构和密实结构所占比例不同，沥青混合料结构分为：密实悬浮结构、骨架空隙结构、骨架密实结构。细料多，粗料少，级配连续，粘结力高，稳定性差粗料多，细料少连续开级配，内摩擦力高，稳定性较好粗、细料搭配得当，间断级配，内摩擦力和粘结力较高第2节沥青路面材料结构力学特性三、沥青混合料粘弹性性质与力学模型1.粘弹性材料基本性质－主要性质（1）对加载速度（时间效应）和试验温度（温度效应）的依赖性，并服从时间温度换算法则OSⅠⅡⅢBCⅠ：弹性区Ⅱ：粘弹性区Ⅲ：粘塑性区（2）具有十分明显的蠕变与应力松驰特性第2节沥青路面材料结构力学特性三、沥青混合料粘弹性性质与力学模型2.蠕变与松弛蠕变：应力恒定时应变随时间增长的现象时间时间UTM三轴试验仪第2节沥青路面材料结构力学特性三、沥青混合料粘弹性性质与力学模型2.蠕变与松弛应力松弛：应变恒定时应力随时间衰减的现象。时间时间t`UTM三轴试验仪第2节沥青路面材料结构力学特性三、沥青混合料粘弹性性质与力学模型3.基本流变模型－元器件模型σ＝E·ε虎克弹簧弹性，可恢复性，瞬时性，速率无关特性牛顿粘壶粘性，可恢复性，时间延迟性，速率相关特性ff0圣维南刚塑性体刚塑性，不可恢复性，瞬时性，速率无关特性沥青混合料：低温（0°C左右）线弹性沥青混合料：常温（20～30°C左右）粘弹性沥青混合料：高温（40°C以上）粘塑性第2节沥青路面材料结构力学特性三、沥青混合料粘弹性性质与力学模型3.基本流变模型－元器件模型Maxwell模型σEη)/exp(00ttdtEdEEEσEηKelvin模型σE1η1E0Zener模型1111EE0000EEEE00110EEEE01100101011EEEEEEEEE第2节沥青路面材料结构力学特性三、沥青混合料粘弹性性质与力学模型3.基本流变模型－元器件模型沥青混合料的力学模型（1）Burgers模型－泽纳与牛顿粘壶串连（2）修正的Burgers模型－修正粘壶本构关系（3）Delft-Xahu模型：Delft技术大学研究提出σE1η2E0η1修正Burgers:η1＝AeBtBurgers:η1＝const第2节沥青路面材料结构力学特性四、沥青混合料强度特性－1.受力特性A点:剪应力反向VT=t1VT=t2A点:主应力旋转T=t1T=t2T=t3VT=t3A动三轴试验资料分析σ1σ3σ1t(1)三向（维）受力状态，承受剪切、拉伸和压缩作用(2)应力状态是时间和坐标的函数(3)应力类型与破坏/强度对应第2节沥青路面材料结构力学特性四、沥青混合料强度特性－2.破坏类型与强度类型三轴试验测定参数，服从Mohr-Coulomb准则*σ1f=σ3f(1+sinφ)/(1-sinφ)+2ccosφ/(1-sinφ)*1.无侧限抗压强度试验：σ3f＝0σ1f＝RR=σ1f=2ccosφ/(1-sinφ)*2.侧向拉伸试验：-σ3f＝rσ1f＝0r=-σ3f=2ccosφ/(1+sinφ)rRrRRrcsin21剪切强度：剪切变形病害（推移、拥包、车辙）。第2节沥青路面材料结构力学特性四、沥青混合料强度特性2.破坏类型与强度类型PP破裂面断裂强度（抗拉或抗弯拉强度）：拉应力开裂。*根据弹性力学理论得到极限抗拉强度:St=2Pmax/(πtd)直接或间接拉伸试验测定；间接拉伸试验更接近路面实际受力状况。