中南大学路基路面课件-10.沥青路面

路基路面工程2011.03主讲周建普10.沥青路面10.1沥青路面概述10.2沥青路面材料的结构与力学特性10.3沥青路面的稳定性和耐久性10.4沥青路面的原材料10.5沥青混合料组成设计10.1沥青路面概述10.1.1沥青路面的基本特性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。与水泥混凝土路面相比，沥青路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪音低、施工期短、养护维修简便、开放交通快、适宜于分期修建等优点。沥青路面面层属柔性结构层，沥青路面的强度与稳定性在很大程度上取决于土基和基层的特性。10.1.2对沥青路面的基本要求沥青路面面层直接承受车辆和环境因素的作用,而沥青材料物理力学性质受气候、时间、温度、湿度等因素影响很大，这是沥青路面使用中的一个重要特点。因此，沥青路面必须满足以下基本要求。（1）高温稳定性；（2）低温抗裂性；（3）耐久性；（4）抗滑能力；（5）防渗能力10.1.3沥青路面的分类（1）按强度构成原理嵌挤类：矿料的颗粒尺寸相对较为均一，路面的强度和稳定性主要依靠集料颗粒之间相互嵌挤所产生的内摩擦力。热稳定性好，但空隙率大，易渗水，因而耐久性较差。密实类:矿料级配按最大密实原则设计，路面的强度和稳定性主要取决于混合料的粘聚力和内摩擦力。开式：小于0.5mm的细粒较少，剩余空隙率大于6%，热稳定性较好。闭式：小于0.5mm的细粒较多，剩余空隙率小于6%，密实而耐久，但热稳定性较差。10.1沥青路面概述图10-1最大粒径16mm的两种不同的沥青混合料层铺法：分层洒布沥青，分层铺撒矿料和碾压的方法修筑。路拌法：在路上用将矿料和沥青材料就地拌和摊铺和碾压而成。厂拌法：一定级配的矿料和沥青材料在工厂用专用设备加热拌和，然后送到工地摊铺碾压而成。（2）按施工工艺10.1沥青路面概述图10-2层铺法施工洒布沥青土10-3厂拌法施工机械摊铺（3）按沥青路面的技术特性沥青表处路面：用沥青和集料按层铺法或拌和法铺筑而成的厚度不超过3cm的沥青面层。沥青贯入式（上拌下贯）路面：用沥青和集料按层铺法铺筑而成，厚度一般为4～8cm的沥青路面。沥青贯入式之上加铺拌和的沥青混合料，称上拌下贯。沥青碎石路面：以沥青和嵌挤结构集料冷拌或热拌铺筑面层的路面，有时用作联结层。沥青混凝土路面：以沥青和密实结构集料经热拌铺筑面层的路面，可由单层、双层、三层沥青混合料组成。沥青马蹄脂碎石（SMA）路面：以间断级配的集料为骨架，用改性沥青、矿粉及纤维素组成的沥青马蹄脂为结合料，经拌和、摊铺、压实而成的一种构造深度较大的面层。具有抗滑耐磨、孔隙率小、抗疲劳、高温抗软化、低温抗开裂等优点。沥青封层：液体沥青浇洒或沥青砂（石屑）铺筑而成的防水结构薄层。沥青透层：液体沥青浇洒而成的为稳定和粘结基层或旧路顶面松散颗粒的结构薄层。沥青粘层：为使面层与基层或上下面层粘结更好而浇洒的粘结薄层。10.1沥青路面概述10.2.1沥青混合料的结构力学特性（1）沥青混合料结构组成的胶浆理论沥青混合料（粗分散系）分散相—粗集料分散介质—砂浆（细分散系）分散介质—沥青胶结物（微分散系）分散相—细集料分散相—填料分散介质—沥青10.2沥青路面材料的结构与力学特性自由沥青结构沥青矿粒图10-4沥青混合料分散系示意图（2）沥青混合料的组成结构状态沥青混合料的力学强度主要取决于集料颗粒间的摩擦力和嵌挤力、沥青胶结料的粘结性以及沥青与集料之间的粘附性等。不同级配组成的沥青混合料，具有不同的空间结构类型，也就具有不同的内摩擦力和粘结力。沥青混合料的组成结构类型有：①密实悬浮结构；②骨架空隙结构；③密实骨架结构。悬浮密实结构骨架空隙结构密实骨架结构图10-5沥青混合料的典型组成结构10.2沥青路面材料的结构与力学特性10.2.2沥青混合料的粘弹性质与模量（1）沥青混合料粘弹性质沥青混合料是一种典型的粘、弹、塑性综合体，在低温小变形范围内接近线弹性体，在高温大变形范围内表现为粘塑性体，而在常温下为一般的粘弹性体。用粘弹性理论研究沥青混合料的模量须以下原则：①沥青混合料兼具虎克弹性与牛顿粘性的双重性质；②沥青混合料的力学性质应作为温度与时间的函数表示；③宜将沥青混合料的性质描述为仅在某一条件下才具有的性质。（2）沥青的劲度模量沥青的劲度模量：指在一定时间()和温度()条件下，应力与总应变的比值。StTtT,,Tt（10-2-1）沥青的劲度是温度和时间的函数。当温度较低、在短时间荷载作用下，其劲度模量趋近弹性模量；在高温和长期荷载作用时，其劲度模量随时间急剧下降，线性条件再次得到满足；而在中等温度和加荷时间会出现非线性。10.2沥青路面材料的结构与力学特性（3）沥青混合料的劲度模量沥青混合料的劲度模量是沥青劲度模量和混合料中集料数量的函数。nVVBMKCKCnSS)15.21(（9-2-2）式中：式中：—沥青混合料的劲度模量；—沥青劲度模量；—系数,(＞100MPa）—空隙率不等于3%时的系数，—沥青混合料的空隙率，%；—集料系数，—集料比容；—沥青比容。MSBSnBSn5104lg83.0K)03.0(11VVKBSVCVVbaaVVVVCaVbVnVVBMKCKCnSS)15.21(（10-2-2）10.2沥青路面材料的结构与力学特性10.2.3沥青混合料的强度（1）剪切强度沥青路面的推挤、拥包、车辙等，都是剪切变形的结果。摩尔-库仑公式反映了沥青混合料的强度与混合料内部的粘结力和摩阻力之间的直接关系。但由于沥青混合料在高温情况下力学性质的复杂，常使抗剪强度理论的应用处于半理论半经验状态。根据沥青结构层的三向应力状态，采用三轴试验方法，认为材料的剪切强度特性符合摩尔-库仑公式。tanc式中：—沥青合料的剪切强度；—沥青合料的粘结力、内摩擦角；—剪裂面上的正应力。（10-2-3）、c10.2沥青路面材料的结构与力学特性（2）断裂强度断裂强度主要用于分析随气温下降时沥青面层收缩受阻而转化为收缩应力，当收缩应力超过极限强度所造成的缩裂问题。沥青混合料的断裂强度也是温度和加荷速率的函数，随着温度的下降和加荷速率的加大而提高，当温度继续下降时，强度反而略有下降。对于密集配沥青混合料，断裂强度随集料级配细度的增加而增大，且在某一最佳矿粉/沥青比时断裂强度最高。10.2沥青路面材料的结构与力学特性10.3.1沥青路面的高温稳定性（1）沥青路面高温稳定性:是指沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力。推移、拥包、搓板、泛油、车辙等现象均属于沥青路面高温稳定性不足的表现。主要在高温、低加荷速率以及抗剪切能力不足，即沥青路面的劲度较低时出现。（2）车辙的类型：①失稳型车辙；②结构型车辙；③磨耗型车辙。（3）车辙形成过程：①初始阶段的压密过程；②沥青混合料的侧向流动；③矿质集料的重新排列及矿质骨架的破坏。温度C°平均抗压强度（MPa）501.0～2.0202.5～5.008.0～13.0－1010.0～17.0－3518.0～30.0沥青混凝土抗压强度随温度的变化表10-110.3沥青路面的稳定性与耐久性图10-6沥青路面车辙影响因素因素变化车辙深度集料表面纹理光滑→粗糙减小形状圆角→砾减小尺寸最大粒径增加减小结合料劲度增加减小用量增加增加粘度增加减小混合料类型空隙率增加增加VMA增加增加荷载大小增加增加作用次数增加增加环境条件温度增加增加湿度增加一般增加影响高温稳定性的因素表10-2图10-7沥青面层高温软化（4）影响高温稳定性的因素10.3沥青路面的稳定性与耐久性图10-8降温30℃时沥青面层的温度应力10.3.2沥青路面的低温抗裂性（1）沥青路面的温度应力由于温度下降引起沥青路面材料体积收缩，因材料受到约束而不能缩短，则立即产生温度应力，当该应力超过材料的抗拉强度时，就会产生裂缝。图10-8说明沥青路面低温缩裂从路表自上而下发展。图10-9沥青路面与缘石的裂缝实况10.3沥青路面的稳定性与耐久性（2）影响沥青路面低温开裂的因素①混合料中沥青的性质：沥青低温延度及针入度越大，其开裂温度就越低，其中低温延度比针入度对开裂温度的影响更为显著。②混合料的沥青含量：在马歇尔实验最佳用量-1%~+0.5%范围内，不明显影响路面的横缝产生频率。③混合料的剩余空隙率：剩余空隙率越大，沥青混合料劲度越小，低温收缩越小。④混合料的级配与矿料品种：连续、密实的级配低温开裂较小，矿料品种对低温开裂影响不明显。⑤沥青面层的厚度：较厚的沥青面层能限制和约束收缩裂纹的发展。⑥基层情况：收缩明显的半刚性基层常常使沥青面层产生较多的低温裂缝和反射裂缝。⑦路基情况：沥青面层相同情况下，沙土路基上的沥青路面的裂缝比粘土路基上的沥青路面的裂缝要密。10.3沥青路面的稳定性与耐久性10.3.3沥青路面的水稳定性（1）沥青路面的水损害沥青路面的耐久性主要依靠沥青与集料之间的粘附程度，水的作用破坏了沥青与集料之间的粘附性。是影响沥青路面耐久性的主要因素之一。水损害的发生使得沥青与集料脱离，从而路面出现松散、剥离、坑洞等病害，严重危害道路的使用性能。沥青剥落混合料松散坑洞图10-10沥青路面水损害实况10.3沥青路面的稳定性与耐久性（2）沥青路面水稳定性破坏作用机理首先，水进入沥青中使沥青粘附性减小，导致沥青混合料的强度和劲度降低。其次，水进入沥青薄膜与集料之间阻断沥青与集料的相互粘结，由于集料表面对水比对沥青有更强的吸附力，从而使沥青从集料表面剥落。10.3.4沥青路面的抗疲劳特性（1）沥青混合料疲劳力学模型沥青混合料的疲劳是材料在荷载重复作用下产生不可恢复的强度衰减积累所引起的一种现象。重复作用次数越多，强度的损伤越烈，它所能承受的应力应变值越小。材料出现疲劳破坏的重复应力值称为疲劳强度，相应的重复作用次数称为疲劳寿命。一般以沥青混合料劲度下降到初始劲度50%或更低作为疲劳破坏的标准。采用式（10-3-1）表示。图10-11沥青路面水损害作用mCN)1(（10-3-1）10.3沥青路面的稳定性与耐久性式中：—混合料劲度下降到50%或更低时的重复作用次数；—对式件每次施加的常量应变最大幅度；—取决于沥青混合料成分和特性的常数。材料在承受重复常量应力或应变条件下，施加的应力或应变与疲劳寿命之间的关系在双对数坐标上呈线性反比关系，如图10-12所示的疲劳试验曲线。NmC、（2）影响沥青路面疲劳的因素①材料的性质：沥青混合料的劲度是影响疲劳寿命的重要因素，一切与劲度模量相关的因素度直接影响到沥青混合料的疲劳寿命，如沥青种类、用量、稠度。混合料的空隙率、压实程度。集料的级配、形状、表面纹理。10.3沥青路面的稳定性与耐久性图10-12不同加载模式下的疲劳曲线②荷载条件：全过程保持加载条件不变，称简单荷载；按某种预定形式重复改变荷载条件，称复合荷载。在控制应力加载模式中，材料劲度随加载次数的增加而减小，为了保持各次加载时的应力不变，实际作用于试件的变形就要增加。在控制应变加载模式中，为了保持每次加载时的应变不变，实际作用于试件的应力就要减小。分析发现：控制应变加载模式适合于沥青混合料层厚较薄(＜5cm)和模量较低的路面；控制应力加载模式适合于沥青混合料层厚较大(＞5cm)和模量较高的路面。10.3沥青路面的稳定性与耐久性图10-13沥青混合料在不同加载模式下的疲劳反应图解③环境因素温度：温度在一定限度内下降时，沥青混合料劲度增加，在承受一定压力的条件下所产生的变形小，因而在控制应力加载模式试验中具有较长的疲劳寿命；而在控制应变加载模式试验中，温度增加引起混合料劲度降低，使裂缝扩展速度减慢而导致疲劳寿命延长。低温、常温时表现为疲劳断裂，高温时表现为塑性变形累积，无明显疲劳极限。湿度：湿度加大将导致沥青路面的水损害，缩短沥青路面的使用寿命。10.3沥青路面的稳定性与耐久性（3）沥青路面疲劳破坏机理在移动车轮荷载作用下，路面结构内各点所处的应力应变状态不同，如图10-14。