长寿命沥青路面关键技术研究

长寿命沥青路面长寿命沥青路面关键技术研究changshoumingliqinglumianguanjianjishuyanjiu报告人：申爱琴（教授博士生导师）长安大学公路学院长寿命沥青路面长寿命沥青路面关键技术研究主要内容1长寿命沥青路面发展及研究现状2长寿命沥青路面设计理论及设计指标3长寿命沥青路面结构设计4长寿命沥青路面结构层材料设计5长寿命沥青路面层间处治技术6长寿命沥青路面经济效益分析长寿命沥青路面1长寿命沥青路面发展及研究现状长寿命沥青路面1.1前言-近年来我国高速公路里程增长迅速。05000100001500020000250003000035000公里里程（Km）199019951999200020022004年份我国各年公路里程增长2000年底，高速公路通车总里程已达到1.6万公里，我国高速公路总里程跃居世界第三位；2002年底，我国高速公路通车总里程已达到2.52万公里,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。长寿命沥青路面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：长寿命沥青路面1.2长寿命路面的设计理念（1）传统路面存在的问题-采用半刚性基层结构(结构单一);-面层厚度比国外的薄(总厚度相当);-路面的破坏形式与设计指标不一致-易出现结构性破坏，修复困难.（2）长寿命路面的特点-沥青面层厚度大;-服务周期长(超过50年);-维修方便且费用低长寿命沥青路面（3）长寿命沥青路面设计理念按功能合理设计结构层基本前提:-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.长寿命沥青路面1.3国外长寿命路面的发展及现状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。长寿命沥青路面（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。长寿命沥青路面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。-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。长寿命沥青路面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；-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。长寿命沥青路面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（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。长寿命沥青路面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(7.62cm)之内,没有由下向上发展的疲劳裂缝。（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。长寿命沥青路面（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；-提供更精确的设计、提高路面寿命、提供费用-效益合理的设计，-具有特殊的分析能力，如不同的损坏、特殊荷载、路面损坏调查评价等。长寿命沥青路面1.3.3其它国家长寿命路面-除了美国和欧洲，加拿大、澳大利亚甚至南非等许多国家都在对长寿命路面进行广泛的研究，并取得了一定成果。-到目前为止,永久性路面设计方法在设计参数、设计标准上还没有一个统一的标准,仍处在发展完善阶段。长寿命沥青路面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。长寿命沥青路面图1-1河南尉许高速公路复合式长寿命路面结构简图路基18cm厚的二灰碎石基层2cm厚的应力吸收层4cm改性沥青混凝土28cm厚的水泥混凝土面板1.5cm厚的防水联接层长寿命沥青路面2.长寿命沥青路面设计理论及设计指标长寿命沥青路面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-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.长寿命沥青路面设计理论及设计指标长寿命沥青路面（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。长寿命沥青路面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：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。长寿命沥青路面Shell法采用的三层弹性体系路面模型在第四届(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。长寿命沥青路面力学～经验法设计方法示例结构路面模型损坏模型环境路面材料Shell多层弹性疲劳（沥青、水泥稳定层）车辙（路基应变、沥青层）温度沥青混凝土、水泥稳定基层、粒料美国AI多层弹性疲劳（沥青层）车辙（路基应变）温度冻融沥青混凝土、乳化沥青基层、粒料南非NITRR多层弹性或粘弹性疲劳（沥青、水泥稳定层）车辙（路基应变、粒料层剪切）温度断级配沥青混合料、沥青混凝土、水泥稳定粒料、粒料美国联邦公路局多层弹性疲劳（沥青、水泥稳定层）车辙（路表PSI）温度沥青混凝土、水泥稳定粒料、粒料、硫化处治材料英国诺丁汉大学多层弹性疲劳（沥青、水泥稳定层）车辙（路基应变）温度热碾沥青层、沥青混凝土、粒料法国LPC多层弹性疲劳（沥青、水泥稳定层）车辙温度沥青混凝土、沥青稳定基层、水泥稳定粒料、粒料比利时多层弹性疲劳（沥青、水泥稳定层）车辙温度沥青混凝土、沥青稳定基层、粒料长寿命沥青路面沥青路面结构设计框图长寿命沥青路面2.2目前的沥青路面的早期损坏类型及结构损坏模式2.2.1沥青路面的早期损坏类型（1）第一类早期损坏往往发生在通车后不久，有的是当年，有的在1～3年内发生。特点：a、局部性；b、通常行车道首先发生；c、强烈的时间特性；d、通过及时的局部性的维修和铣刨加铺可以得到缓解。长寿命沥青路面（2）第二类早期损坏由深层次原因导致的早期损坏，与我国采用较薄沥青层的半刚性基层沥青路面结构有关。-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。长寿命沥青路面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,传统沥青混凝土路面结构损坏模式长寿命沥青路面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。长寿命沥青路面车辙长寿命沥青路面（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。计算表明：-基层弹性劲度随沥青的老化增加，扩散荷载的能力也逐渐提高，从而减小了车辆荷载引起的、导致路面疲劳的基层拉应变。长寿命沥青路面沥青路面疲劳开裂长寿命沥青路面（3）永久变形定义：-在荷载重复作用下路基顶面压应变产生的不可恢复的变形量的积累。包括：-固结和剪切两部分,通常在路面设计中处理。永久变形与材料的属性有关：-沥青混凝土-累积永久变形与弹性变形的比率与重复荷载数N和温度T及应力值有关；-粒状材料－累积变形与弹性变形的比率是体积和八面体剪切应力的函数；长寿命沥青路面软土地基－累积永久变形与弹性变形的比率为：log(εp/εr)=a0+b0·logN其中,a0和b0为常数。永久变形与车辆荷载作用轴次关系最初是由Monismith等人于1975年提出的，如下式所示:εp=ANb,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。长寿命沥青路面永久变形长寿命沥青路面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学的长寿命路面结构设计方法长寿命沥青路面2.3.1基于力学的长寿命路面结构设计方法实质：-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。长寿命沥青路面基于力学的路面设计流程(Monismith,1992)长寿命沥青路面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基顶压应变200me基层路基长寿命沥青路面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。-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。长寿命沥青路面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。Nunn等人认为，-Nunn等