路面设计原理课程课件――公路路基路面工程新技术

2010-9-41长安大学公路学院博士生导师王选仓教授2010年5月2010-9-42公路路基路面新技术•1公路工程管理新技术•2路基工程新技术•3路面工程新技术2010-9-431公路工程管理新技术•“公路设计因素对交通安全影响与对策研究”•“干线公路交通智能管理与控制技术研究”•“西部公路建设标准与规模研究”•“重大公路建设项目投资决策与交通量预估方法研究”•“沥青路面预防性养护时机与对策优化研究”•“高速公路建设费用分析与控制对策研究”•“陕西省公路工程养护定额研究”•“公路工程概算调整办法研究”•“重载不停车计重收费系统研究”•“公路建设与景观环境协调性研究”•“吉珲高速公路景观生态研究”•“张石高速公路景观生态研究”2010-9-442路基工程新技术•交通部项目：“公路路基回弹模量研究”、•“西部干旱半干旱地区路基CBR研究”；•“公路边坡防护设计技术规范”；•省厅项目：•“路基回弹模量与弯沉验收标准研究”；•“山区高速公路差异沉降控制技术研究”；•“新疆路基路面弯沉季节影响系数研究”；•“安新高速公路拓宽差异差异沉降研究”；•“岛状多年冻土地区路基差异沉降”等。2010-9-452010-9-46路面技术研究领域路面材料路面新工艺路面结构2010-9-471、路面结构1、路面结构路面—路面结构研究领域近年来重大研究课题近年来重大研究课题沥青路面设计指标和参数研究路面强度控制参数研究沥青路面动力响应分析方法研究重载交通长寿命沥青路面关键技术研究公路半刚性基层损坏机理分析与结构适应性研究超薄沥青混凝土面层技术研究隧道路面结构与材料研究西部地区合理路面厚度及路面结构型式研究2010-9-481、路面结构1、路面结构路面—路面结构研究领域1.1长寿命沥青路面结构研究设计思路：保证路面足够厚度，将病害限制在表层，通过定期表面修复防止病害影响路面结构稳定，保证长设计年限（40年以上）内无结构损坏。理论基础：采用“应变下限”的理论，随着路面结构深度的增加，结构弯拉应变逐渐减小，故只有路面表层出现破坏。2010-9-491、路面结构1、路面结构路面—路面结构研究领域1.1长寿命沥青路面结构研究特点：1.在大交通作用下，不出现结构性破坏2.道路不出现沥青基层的疲劳开裂和路面结构深层的变形。3.已观测到的路面破坏（车辙、表层裂缝等）属非结构性破坏。4.经济效益非常好。2010-9-4101、路面结构1、路面结构路面—路面结构研究领域1.2ATB+SMA复合路面层结构研究欧美各国以及日本等多数国家的高速公路沥青路面结构中绝大部分采用了沥青稳定基层。沥青稳定碎石基层在各国沥青路面典型结构中占了很大的比重，且沥青层总厚都比较大，大多达30cm以上，有的甚至超过50cm，我国尚属于发展中国家，难以照搬。部分国家所采用的沥青稳定碎石基层沥青路面结构见下表2010-9-411部分国家所采用的沥青稳定碎石基层沥青路面国家沥青稳定碎石路面结构形式OGFC(2.5)+HMA（7.5）+HMA（15）+HMA(7.5）Superpave（5）+HMA（11.5或9）+HMA（12.5或15）+级配碎石38Superpave（5）+HMA（14或11）+HMA（15.5或18）+级配碎石25SMA（6.5）+HMA（14或12.5）+HMA（16.5或18）+级配碎石33SMA（6.5）+HMA（15）+HMA（19）+级配碎石43沥青混凝土（4+9）+沥青贯入式（17.5）+水结碎石（16）+砂砾（25）沥青混凝土（5）+沥青稳定碎石（19）+砂砾（15）+加固底基层（15）沥青混合料+沥青稳定基层（＜15）+粒料底基层（20～50）+垫层沥青混合料+沥青稳定基层（15～40）+垫层沥青混合料+沥青稳定基层（10～20）+水硬性稳定处理底基层（20～40）+垫层沥青混合料+沥青稳定基层（10～20）+粒料（约12）+水硬性稳定处理底基层（15～20）+垫层沥青混凝土（4+3+5）+沥青稳定碎石（18）+级配砂砾（15）+防冻层德国浇筑式沥青混凝土（3.5）+沥青混凝土（3.5+5）+沥青稳定碎石（18）+级配砂砾（15）+防冻层密式沥青混凝土（4）+粗粒式沥青混凝土（6）+沥青稳定碎石（10～20）+级配碎石（15～30）密式沥青混凝土（5）+粗粒式沥青混凝土（6）+沥青稳定碎石（20）+未筛分碎石（50）中粒式沥青混凝土（5）+粗粒式沥青混凝土（6）+沥青稳定碎石（15）+天然级配砂砾（20～25）奥地利沥青混凝土（2.7+3+4.1）+沥青稳定碎石（14+16）+防冻层（30）比利时沥青混凝土（4+8）+沥青稳定碎石（16）+底基层意大利沥青混凝土（3+7）+沥青稳定碎石（15）+级配砂砾（35）+砂层（30～40）日本法国美国表中单位：cm。2010-9-412高等级公路存在问题半刚性基层沥青路面反射裂缝国内柔性基层应用仅依靠经验，缺乏可靠理论指导国外的沥青层厚度大，造价高，我国难以照搬高等级公路沥青路面结构型式单一2010-9-413ＡＴＢ设置作用分析一、设置原因A、吸收和削减半刚性基层尖端应力和应变，减少和延缓反射裂缝的发生。B、改善半刚性基层的温度、湿度状况，从根本上消除和减轻半刚性基层的温缩和干缩，减少反射裂缝。C、增加了沥青层的总厚度，抗裂总能力增加。D、提高了与半刚性基层的摩擦力，增强路面的抗裂性。2010-9-414二、沥青碎石联结层抗裂性分析沥青碎石混合料属于散体结构，不传递拉应力和拉应变。ATB联结层本身总处于三向受压的受力状态，该特点使其能够充分吸收下层裂纹释放的应变能，从而达到防裂效果。ATB联结层的隔离作用大大减小了半刚性基层的温度变化、温度梯度和湿度变化，从而减轻了半刚性基层的温缩和干缩现象。ＡＴＢ设置作用分析2010-9-415SMA沥青混合料的选择SMA具有“三多一少”的特点，即粗集料多、矿粉多、沥青多和细集料少。一般情况下，多用做重交通道路、机场等道面的磨耗层或上面层。欧洲沥青路面协会(EAPA)将其卓越的面层功能特性可归结为以下几点:抗滑性、平整度与车辙、减噪性、耐久性与能见度。2010-9-416SMA厚度的选择国内部分高等级公路SMA的使用情况调查表道路名称道路面层结构使用情况首都机场高速公路4cmSMA-16+6cmLH-30Ⅰ+8cmLH-35Ⅱ通车六年多，除了个别路段出现裂缝外，路表状况几乎没有变化，路面处于良好的状态。八达岭高速公路4cmSMA-16+6cmAC-25Ⅰ+8cmAC-25Ⅱ经过多年的运营，没有发现路面出现车辙、坑槽等损坏现象，路面状况良好。京沈高速公路(北京段)4cmSMA-16+5cmAC-25Ⅰ+6cmAC-30Ⅰ经过多年的运营，路面状况良好。河北保津高速公路4cmSMA-16+5cmAC+6cmAC通车一年后，SMA路面的颜色在气候昀热时有些变化。目前路面状况良好。河北省石黄高速公路4cmSMA-16+5cmSAC+6cmSAC通车后，总体质量很好。沈大高速改建工程4cmSMA-16+6cmAC-30+8cmAC-25通车后，总体质量很好。四川成(都)—南(充)高速公路4cmSMA-16+5cmAC+6cmAC通车后，总体质量很好。广东省花清高速公路4cmSMA-16+6cmAC-25Ⅰ+6cmAC-25Ⅱ经过多年的运营，路面状况良好。济源至焦作高速公路4cmSMA-13+6cmAC-20+13cmATB-25通车两年，目前路面状况良好。2010-9-417由上表得出：国内SMA的厚度都是4cm，整个沥青层的厚度范围为15～18cm，经过多年的运营，路面状况良好。考虑经济性原因，试验路SMA层厚度也取4cm。SMA面层厚度的选择2010-9-4182路面材料2路面材料路面—路面材料近年来重大研究课题近年来重大研究课题路用沥青改性技术研究沥青路面层间处治技术研究废旧橡胶粉用于筑路的技术研究橡胶颗粒路面应用技术的研究道路水泥混凝土组成设计研究水泥混凝土抗冻融耐久性研究柔性纤维混凝土、聚合物混凝土路面应用研究低噪音混凝土路面研究桥面铺装材料与施工技术研究2010-9-4192.1改性沥青•改性方法•①化学改性；•②物理改性；•③工艺改性；•④结构改性。2010-9-4202.1改性沥青•添加改性剂•①改善力学及综合性能–聚合物改性•②改善粘附性—抗剥落剂、金属皂、石灰粉•③改善耐久性—受阻胺、受阻酚、金属皂、抗老化剂2010-9-4212.1改性沥青•常用改性沥青的路用性能特点：•热塑性橡胶类，代表性产品是SBS、SIS、SE/BS。SBS由于其脆点温度很低，低温性能好；在常温下粘度很大，能抵抗车辙，而在高温时则粘度迅速降低，具有良好的和易性，这些性质都决定了掺加SBS改性剂对基质沥青进行改性可以大幅度提高沥青的路用性能，主要表现在沥青的软化点提高，低温延度增大，温度敏感性降低，弹性恢复增大；同时改性沥青混合料的高低温路用性能指标也比普通沥青混合料有很大程度的提高，主要表现在水稳定性增强，高温抗车辙能力和低温抗裂性提高。2010-9-422SBS改性沥青模型2010-9-4232.1改性沥青•橡胶类改性沥青，其中使用昀多的是SBR和CR。SBR对温度敏感性的改善效果不明显；SBR改性沥青在低温下不仅具有良好的延展度，而且具有良好的韧性，改善了低温抗裂性能；SBR对沥青混合料的高温稳定性无明显的改性效果；SBR对沥青水稳性较基质沥青稍有改善。•热塑性树脂类改性沥青，PE改性沥青能显著提高沥青的高温性能，PE改性沥青混合料的抗车辙能力和水稳定性有所提高。EVA改性沥青能有效地改善沥青的高温性能，其性能与PE相当；而在低温方面则明显优于PE；但掺加EVA的基质沥青，其延度反而降低。2010-9-424改性沥青路用性能对比改性剂温度开裂温度疲劳荷载疲劳磨耗老化车辙SBS++++++EVA--++0+PE----0+注：“+”抗力增加，“0”无影响，“-”抗力减弱2010-9-425SBS改性沥青与普通沥青性能对比性能指示Caribit(克裂平)Cariphalte(克裂王)Mexphalte(60/80)未针入度(dmm)586275经软化点(R&B)(℃)629147老延度@15℃(cm)100100100化回弹率@15℃(%)7585/粘度@60℃(Pa.s)23854330TFOT质量损失(%)0.080.06/后针入度比(%)828865延度@10℃(cm)7070/2010-9-426SBS改性沥青技术要求指标单SBS类(I类)位I-AI-BI-CI-D针入度(25℃,100g,5s)min0.1mm100806040针入度指数PImin-1.0-0.6-0.2+0.2延度(5℃,5cm/min)mincm50403020软化点TR&Bmin℃45505560运动粘度(135℃)maxPa.s3闪点min℃230溶解度min%99离析,软化点差max℃2.5弹性恢复(25℃)min%55606570RTFOT后残留物质量损失max%1.0针入度比(25℃)min%55556065延度(5℃)mincm302520152010-9-4272.1改性沥青•改性指标的局限性•针入度指数P.I•仅能反映相当窄温度范围内沥青的稠度变化(5-30ºC)•试验方法的精密度影响•不同测量温度范围得到的P.I有差别2010-9-4282.1改性沥青•改性指标的局限性•测量软化点•软化点会随混合时间而发生变化•软化点高不一定高温稳定性好•试验有可能会出现球传孔现象2010-9-4292.1改性沥青•改性指标的局限性•老化试验•对改性沥青来说，昀好采用旋转薄膜加热试验RTFOT，因为SBS改性沥青用RTFOT做质量损失有困难，且国外正在修订RTFOT试验方法，故F40－2004规范中老化试验改为以TFOT为准。•如果采用TFOT某些改性沥青得试样离析会在表面发生“结皮”，从而使老化条件降低，妨碍老化的进行。•采用RTFOT使其在试验过程中始终保持旋转和搅拌的状态，比较接近老化的实