重载交通沥青混凝土路面材料与结构研究

重载交通沥青混凝土路面材料与结构研究摘要：随着公路交通事业的不断发展，汽车工业的技术进步，公路上行驶的大型、重载汽车越来越多，车辆超载现象十分普遍造成一些新建公路在投入使用不久即发生损坏，传统的沥青路面设计方法不再适用。在重载交通下，要修筑一条性能优良、使用耐久的沥青路面，首先要根据当地地理、地质水文气候条件等，选好沥青和集料，进行切实可行的结构设计和沥青混合料的配合比设计，从路面材料和路面结构方面采取相应措施来提高路面的承载能力，避免路面早期损坏现象的出现。关键词：重载交通沥青混凝土路面材料结构随着我国国民经济的快速发展，高速公路的建设进入高潮。由于沥青路面作为一种无接缝的连续式路面，具有足够的力学强度，能适应各种行车荷载，且行车平稳、舒适、噪音低以及工期短、维修方便等优点，已建和在建的高速公路绝大部分采用沥青路面，这也促使其质量及使用性能取得了长足的进步。但我国的高速公路沥青路面在投入运营后仍出现了不少早期破坏现象，主要体现在局部沉陷、开裂、水损害(坑洞、网裂、唧浆)、高温车辙、泛油及路面平整度迅速下降等诸多方面。上述破坏现象的产生有的与下卧层的施工质量密切相关，而大多数情况下则与沥青路面本身的材料、结构设计及施工质量有密切关系。本文主要探讨如何从沥青路面本身的材料选择和结构设计来进一步提高沥青路面的质量，增长高速公路的使用寿命。一、重载交通对沥青混凝土路面设计的影响重载交通是指道路通车后交通量与累计当量标准轴次之比超过一般水平，路面性能衰减超常规发展的现象，国际道路界称为重任务交通，在国内被称为重载交通，主要表现形式为车辆超限、超载。超载车辆对沥青混凝土路面设计中弯沉值和厚度选取有重大影响。《公路沥青路面设计规范（jtjo14—97）》是以设计弯沉值为路面整体刚度的控制指标，对高等级公路的沥青混凝土面层，半刚性基层和底基层进行弯拉应力验算，采用多层弹性层状理论公式进行验算，并以zz—100为设计标准轴。对于汽车的超载情况按超载50%时、100%进行当量轴次换算，我们发现当车辆超载50%时标准轴的数量增大约3倍；当车辆超载100%时，标准轴的数量增大约7倍。可见，车辆超载相当于增加了我们设计中的标准轴的数量。路面设计中，弯沉值是表征路面整体刚度大小的指标，当路面结构确定之后，其设计的弯沉的大小主要取决于累计轴次的大小。设计弯沉的大小又影响路面的设计厚度，因此，超载车辆对路面设计弯沉值和厚度选取有重大影响。车辆超载对结构层弯拉应力也有影响。根据设计弯沉值对路面厚度计算时，应对面层及半刚性基层、底基层的拉应力进行验算，以此确定路面设计厚度。在目前公路施工中，普遍采用的水泥稳定碎石基层，水泥稳定土底基层为半刚性基层，所以设计时我们应对这些基层进行层底拉应力验算。按照超载50%、100%对车辆进行当量轴次换算，以黄河jn150为例，折算为bzz—100标准轴次，其疲劳作用已远远超出设计规范允许的正常范围。由于半刚性基层及底基层产生拉应力的大小完全取决于标准轴的数量，所以按正常设计的公路基层或底基层抗拉强度不能满足超载车辆行驶，使基层或底基层提前开裂，从而造成路面提前破坏。通过对重载交通沥青路面的大量调查资料显示,重载交通可致使路面产生以下几种快速破坏：(1)一次性破坏。一辆运货的特重车，在正常道路上行驶一次，便可将路面彻底压坏，即一次性破坏作用。由于其重量大，加之车辆的振动冲击作用，一次作用就可能使基层底面产生微细裂缝造成一次性破坏。(2)车辙。沥青路面具有高温软化，粘滞流动、基层和土基的变形的特性,并包括一定程度的压实作用和材料磨耗。加之公路的渠化交通作用，在车辆的反复作用下将产生车辙；而半刚性基层沥青混凝土路面的车辙主要来源于沥青混合料的粘滞流动和一定程度的压实作用。重载车辆由于重量大、速度慢，将会大大加快车辙的形成。(3)剪切推动。车辆在刹车、上下坡即转弯过程中，将会产生较大的推动力，重载车辆的这种剪切推动将显著增强，加速沥青面层的剪切破坏，致使重车行驶的行车道上推移、拥包明显增多。所以，重载交通将加速沥青面层的剪切破坏。(4)结构性破坏。在重载交通的作用下,原设计的路面弯沉值、路面结构层厚度及沥青混凝土面层、半刚性材料基层、底基层弯拉强度可能无法满足实际要求，从而使路面结构提前破坏。（5）泛油。泛油是指沥青面层重的自由沥青受热膨胀,直至沥青混凝土空隙无法容纳,溢出到路表的现象。泛油现象的产生会导致路面抗滑性能迅速降低,影响行车安全,进一步发展将会导致车辙的产生。沥青用量过多和设计空隙率过小都会使沥青混合料的饱和度过高,另外,在大量重型荷载的反复作用下,混合料不断地被压密,矿料间隙率逐渐减小,也会导致混合料无法容纳原来的沥青量而导致泛油。（6）水破坏。轮迹带车辙裂缝类损害本身对路面承载能力影响并不大,对路面危害主要是由此带来的水损坏:当车辙达到一定的深度时,在辙槽内易积水,路表水会沿裂缝进入结构层内部。一方面,水分逐步侵入到沥青与集料的界面上,引起沥青与石料界面粘附性降低,从而导致沥青薄膜渐渐从集料表面剥离;另一方面,若进入路面的水透过面层,并滞留在半刚性基层顶面,在大量重型车辆的反复作用下,自由水产生很大的动水压力并冲刷基层混合料的细料,这样会导致路面大面积的破坏。以上的破坏现象反映了重载交通对沥青路面几个主要方面的破坏，因此，在重载交通下，我们要从沥青水泥混凝土路面的材料和结构着手，研究出一个合理的沥青水泥混凝土路面的方案，避免沥青水泥混凝土路面在投入使用不久就产生破坏。二、重载交通下沥青混凝土路面设计重载作用下沥青路面设计首先是合理的材料设计，其次是合理的结构设计。但当前，普遍存在将路面结构设计和材料设计割裂开来的现象，缺乏结构、材料一体化的设计思想。提高重载交通环境下沥青路面的行驶质量，关键还在于路面各个结构层的材料设计和组合设计，其中提高沥青路面结构的抗剪切能力是重载沥青路面结构设计的核心。具体包括：改善沥青混合料质量，合理选择沥青混凝土层厚度，加强结构层之间的粘结，同时，提高基层强度和路面结构的承载能力也是必不可少的措施。1.材料设计要求根据前面的分析，沥青路面在重载作用下，在车辆轮载附近产生较大的剪应力，这是造成沥青面层疲劳开裂和车辙损坏的主要原因。而沥青混合料在设计和性能分析时，并未考虑混合料的抗剪强度。因此，有必要对沥青混合料的设计方法进行分析，并提出相应的解决方法。现行的沥青混合料设计方法是马歇尔法，是一种基于经验的设计方法，根据稳定度、流值、密度及孔隙率等指标提出适当的配合比。它不能恰当得评估沥青混合料的抗剪强度，不能反映路面材料的实际受力状态，所以不适应重载交通路面的要求。因此有关专家建议采用三轴试验方法按抗剪强度进行沥青混合料设计。同时，以现行的沥青混凝土设计方法为基础，对其中的一些参数指标进行完善，进而达到改善沥青混凝土品质的目的，一条切实可行的途径并且，我们应该看到，改善沥青混凝土的质量不仅仅是采用优质的改性沥青，更主要是完善现行沥青混凝土的设计方法，选用优质的改性沥青作为混合料的结合料，有利于提高混合料的粘结力，但这仅仅是提高混合料抗剪强度的措施之一，石料的性质、颗粒形状、级配的类型等是提高混合料抗剪强度的另一方面；此外，混合料现场空隙率水平是影响其在高温条件下的抗剪切能力最主要的因素，所以说，为了改善沥青混凝土质量应该从合理选择原材料，调整混合料的级配，完善配合比设计等方面入手。2.结构设计探讨一定厚度的沥青混凝土面层对提高沥青路面整体承载能力是有一定作用的，但沥青面层过厚会导致较严重的车辙，增加沥青面层厚度对改善沥青混凝土面层内部的剪应力状态并不是很理想。因此，在重载条件下要选择合理的面层厚度范围，沥青面层厚度的选择应考虑两方面因素：一是理论上的厚度，二是考虑实际施工水平的安全厚度，一般来说安全厚度略大于理论厚度。我国的高等级公路大部分为半刚性基层沥青路面结构，而这种结构在重载车辆的作用下，早期损坏现象十分严重，全厚式路面对重载车辆的适应性较强，尤其适合于目前高速公路上超载较多的情况。全厚式路面在英国、美国等国家已经取得了成功，其使用寿命可达到50年之久。因此，针对我国重载车辆较严重的现状，引入这种路面结构有其合理性和必要性。全厚式路面的设计理念代表了国外高等级公路路面结构选择和设计的新趋势，具有一定的合理性。而且它的总厚度比常规基层的沥青路面结构更薄，同时可以减少疲劳裂缝的可能性，并使路面可能发生的破坏限制在路面结构的上部。这样，当路表面的破坏达到某一临界水平时，只需更换表面层，不需要改变路面标高。这是一种最经济的路面维修方式。全厚式路面结构设计的核心是按功能合理设置路面结构层，要求路面结构的面层具有抗车辙、不透水和抗磨耗的能力，中间层要具有良好的耐久性，基层要具有抗疲劳和耐久的能力。但国内尚未修筑此类路面，作为重载交通条件下的路面结构类型，尚需要进行进一步的研究。同时，加强沥青面层层间及与基层的粘结也至关重要。沥青面层与半刚性基层之间的粘接一直是路面设计和施工所关注的问题，特别对于薄沥青面层结构和刚性基层结构，这个问题尤为突出。理论上半刚性基层和沥青面层之间是按照完全连续状态计算的，在实际施工过程中基层顶面一般都喷洒透层油和粘层油，有的还做下封层，但有时这样处理却仍然无法保证层与层之间的完全连续。所以必须加强层间粘结的施工质量控制。结束语随着我国经济的不断发展，高等级公路的大量修建，交通运输的规模也将越来越大，重载交通现象日益严重，重载作用对沥青混凝土路面的影响也必须引起我们的重视，所以，对重载条件下沥青混凝土路面的材料和结构类型的研究具有重大的现实意义。本文主要阐述了重载交通对沥青混凝土路面的影响，具体的从重载交通对沥青混凝土路面的几种破坏形式和机理进行了必要的总结和分析，并针对在这种情况下的沥青混凝土路面的材料设计和结构设计提出了相应设想和建议，并介绍了这样做的优点及发展前景。我相信，将这些设想和建议运用到实际的高速公路建设中，一定能提高高速公路的路面质量，尽可能减少路面的各种早期破坏，延长高速公路的使用寿命，使高速公路更好地满足交通的需求，保证行车安全、舒适。