复合路面结构（共12篇）
复合路面结构 篇1
据调查显示, 目前中国的高速路面设计寿命常规为30年左右, 可是实际的使用年限却不到10年, 更甚者只是具有4年左右的运营时间, 此后就开始频繁的修葺环节, 这不仅影响了车辆的正常通行造成人民出行的极为不便、浪费赶路时间、增加汽车用户的燃料费用, 而且给国家带来巨大的维修费用和资源的滥用, 严重违背可持续发展战略和绿色环保的时代理念, 为社会带来严重的经济影响, 宏观来讲, 对设计年限外的道路进行修葺是不经济的社会行为, 是应该尽量去避免的;如何延长设计打破设计年限的30年大关, 如何保证道路的实际使用寿命是国内外学者纷纷探讨的话题, 并已取得一定成就, 复合式长寿命路面就是解决道路寿命问题的最佳产物[1]。笔者针对设计年限和使用年限问题, 从路面的要求和建设标准、路面结构入手, 以注重延长使用寿命为主体, 对复合路面进行深度探究和分析。
1 长寿命路面的定义
长寿命路面在使用上的定义年限为40年, 长寿命路面即设计年限超过40年的路面结构。随着时代的不断进步, 人们也为长寿命道路提出了新的要求;第一, 设计使用寿命超过40年, 不包括40年;第二, 实际年限内, 只是进行必要的常规保养, 没有主要承重层和结构性的修改;第三, 具备足够的承重层厚度, 具备设计年限内的最经济道路选择, 即保证最低维修费用;第四, 在设计的使用年限内, 道路结构完整, 不发生道路结构的长大损坏和重修;因其具备社会最经济特征, 故而在使用期间, 如果出现道路问题也不会对交通产生重大干扰, 可以尽量避免道路的堵塞, 由此带来的道路使用群体不满、愤懑情绪以及道路有关部门、当地政府的压力将会得以减轻, 一定程度上确保社会的稳定和长治久安。
2 复合式长寿命路面的设计要求
1) 复合式长寿命路面应该具备较高的路基稳定性。路基是道路稳定的基础也是路面结构的基石, 是道路的最终承重者和路面工作的平台, 较高的路基稳定性, 不仅可以改善路面的水温情况, 还可以更好的保证路面的完整性[2]。对于复合式长寿命路面结构而言, 设计的过程中应该尽力的提升路基的稳定性和承重能力, 为路面的使用年限划下最大的边际范围。
2) 材料的性能要求。针对于路面的使用长寿命, 从路面结构上来说, 首先, 路面的表层材料应该具有耐高温、高强度、高硬度、强水温稳定性和避免水损坏性, 保证过往车辆的安全;其次, 要具备抵抗大型车辆或过重车辆荷载过行碾压留下的车辙痕迹功能, 保证路面的光滑和平整;笔者认为, 柔性基层、碾压混凝土、半刚性材料理论上均可用作沥青复合长寿命路面的基垫层材料。
3) 结构层厚度的要求。长寿命路面的结构层厚度是设计和建设长寿命路面重中之重的问题, 是各方学者争相研究的焦点, 同时也是现有路面出现短时间破损的根本所在, 至道路承建商频繁出现偷工减料的环节。长寿命则必须要求路面的结构层厚度足够厚, 才能在车辆荷载通行时不影响路面结构, 在使用年限内保证道路结构上的完好。据调查, 目前国内高速路面的路面设计板厚度一般为25 cm, 而想要使得使用寿命达到40年, 这一厚度显然是远远不够的。想要实现复合式路面的长久使用, 则要求道路的结构层达到一定的厚度, 在能实现使用年限内只进行表层的修复而不进行结构上的修葺。
4) 路面的结构组成要求。路面结构的组成科学合理才能有效的延缓和制止道路出现结构性损坏, 在路面表层满足长寿命道路标准以后, 还需要严格的进行铣刨表面层重新加铺[3]。表层以下的结构分布主要能力就是缓冲结构间的直接压迫和抗裂性能, 让道路具有强力的抗疲劳能力, 让路面的使用年限得以延长, 同时路面的整体性也要适可注意, 底基层、基层、垫层、路基也要和长寿命道路设计思想一致;结构层底的拉应力是保证道路结构完整性的重要指标, 只有牢牢把握好这一指标, 才能更好的对路面进行预计和检测, 延长路面的使用年限。
3 复合式长寿命路面的设计标准
1) PCC+AC路面结构模式。PCC+AC长寿命路面 (沥青混凝土+应力吸收层+水泥混凝土+沥青联结层) 结构形式。采用路面结构的三维参元法以及弹性层状体系理论, 对PCC+AC复合式路面进行荷载应力分析。结构模式如图1所示。
2) 结构参数。文中结构计算参数的来源采用设计实际长寿命路面工程的最佳实际道路结构参数, 如表1所示。
3) 温度翘曲应力。道路的使用年限一定程度上受影响于混凝土板内温度应力, 其温度应力主要分为翘曲应力和胀缩应力, 由于胀缩应力的影响小之又小, 故而笔者认为温度应力影响甚大的还是温度的翘曲应力, 温度应力的产生原因是同一深度上的不同层面存在着温度梯度, 一天内, 路面层次间的温度变化时刻因沥青层厚度的增加而显得逐渐延后。据科学预测, 水泥混凝土的最大温度梯度一般出现在中午时刻, 相对于复合式长寿命道路, 因为结构层的不断加厚, PCC+AC路面的最大温度梯度则会出现在午后3:00左右。通过反复计算发现, 温度翘曲应力会随着PCC板的长度增加而逐步减少, 因此, 为了延长道路的使用寿命, 减少温度应力的影响, 可以适当的对PCC板长进行调整[4]。
MPa
4) 边界条件。a.复合型长寿命道路设计时, 其层面的边界不是随意设定的, 而是具有科学的、无数次试验得出的参数指标。AC表面层、PCC结构板层为有限的参数尺寸;复合式长寿命路面的地基为弹性半空间地基, 根据计算精度要求, 科学取尺寸为8 m×10 m×7 m。b.道路的表面层和结构层、地基的周围科学上应该保持悬空空间, 而地基的地面为大地是固定面;AC层与PCC板之间不是间隔分离的, 而是应该保证完全连续接触。
5) 法律上的要求。复合长寿命道路的表层设计基准为8年, 主要承重层即PCC层的设计基准为40年, 以道路使用过程中产生的疲劳断裂为道路强度验算指标;其材料设计要符合《公路沥青路面设计规范》和《公路沥青路面施工技术规范》的要求。
6) 沥青层寿命。即使路面的使用年限可以达到40年之久, 但是表层沥青的使用年限肯定是达不到的。所以在进行复合式长寿命道路结构设计时, 不要刻意的去强化路面沥青的使用寿命, 应该去考虑主体结构的完整和优良性, 沥青层的年限更加注重的是材料选取, 力求尽可能的长久, 必要时进行路面的表层维护。
4 结语
文章采用路面结构的三维参元法以及弹性层状体系理论, 对PCC+AC复合式路面进行荷载应力分析, 通过验算和校正, 复合式长寿命路面结构承重能力得到很大的提高, 比常规路面设计的使用寿命大大提升, 其主要的合理性在于, 各层面之间的力学调整, 符合时代长寿命的要求。虽然道路的设计年限为40年, 这一要求是针对于路面的承重层即PCC层, AC层则需要一段时间内进行翻新和养护。
摘要：采用路面结构的三维参元法以及弹性层状体系理论, 对PCC+AC复合式路面进行了荷载应力分析, 并对复合长寿命路面结构进行了验算, 结果表明, 复合式长寿命路面改善了层弹性模量对PCC板底温度应力的影响, 提升了路面的实际使用寿命。
关键词：复合式长寿命路面,温度应力,使用寿命
参考文献
[1]李淑明, 许志鸿, 蔡喜棉.土工织物对复合式路面结构内力影响分析[J].中国公路学报, 2006, 19 (1) :28-31.
[2]刘晓曦, 王硕太.机场混凝土道面封缝材料疲劳特性[J].交通运输工程学报, 2006, 6 (1) :44-47.
[3]Lee Hyun Jong, Lee Jung Hun, Park Hee Mun.Performance evaluation of high modulu asphalt mixtures for long life asphalt pavements[J].Construction and Building Materials, 2007, 21 (5) :1079-1081.
[4]JTG F40-2004, 公路沥青路面施工技术规范[S].
复合路面结构 篇2
刚柔复合式路面界面层强度特性试验研究
通过复合板的室内剪切试验和拉拔试验,对不同水泥混凝土板界面处理方式、不同防水粘结材料以及界面层沥青用量等对界面层强度的影响进行了研究,通过室内试验研究得到了精铣刨界面最佳铣刨深度、不同界面处理方式下界面层的最佳沥青用量和界面层抗剪强度与粘结强度之间的相关性.
作 者：李小青 王火明 陈李峰 Li Xiaoqing Wang Huoming Chen Lifeng 作者单位：江苏省交通科学研究院,江苏,南京,210017刊 名：现代交通技术英文刊名：MODERN TRANSPORTATION TECHNOLOGY年，卷(期)：6(2)分类号：U416.224关键词：刚柔复合路面 界面层强度 抗剪强度 拉拔试验 剪切试验
柔性路面结构设计探讨 篇3
摘要：为了杜绝沥青路面的各种病害，从柔性路面结构合理设计的角度入手，在柔性路面结构的设计目标及过程中，提出结构层的四种组合，得出设计中应考虑的几点因素。
关键词：柔性路面结构；设计目标；设计过程；结构设计；组合设计
0前言
柔性路面主要指各类沥青路面，俗称黑色路面。由于柔性路面强度高、刚度好、弹性好，路面无接缝，行车舒适性强的优点，在我国的公路和城市道路建设中得到了广泛的应用。
但是，柔性路面结构的强度是一个由上而下逐渐减弱的层次体系，在荷载作用下弯沉变形较大，土基和基层的强度对路面结构的整体强度影响较大。因此，路面结构的病害有拥包、滑移、龟裂、坑槽、泛油等多种表现形式。这些病害产生的原因十分复杂，涉及到设计、施工、交通量、气候等各种客观、主观因素，本文通过笔者多年的设计经验，试图从路面结构合理设计的角度入手，杜绝沥青路面的各种病害。
1设计目标与设计程序
1.1设计目标
沥青路面设计应根据道路的等级（承载能力）、耐久性、舒适性及安全性的使用要求及当地气候、水文、土质等自然条件，同时考虑到路基路面之间的联系性与相关性，结合当地工程经验，设计出经济合理的路面结构，满足在设计使用年限内的功能性要求。也就是说，沥青路面设计应从适应行车荷载、自然因素及结构层本身的特点三方面来考虑。在进行路面设计时，要按照面层耐久、基层坚实、土基稳定的要求，贯彻因地则宜、合理选材、方便施工、利于养护的原则以及上述结构组合原则.结合当地经验拟定几种路面结构方案、进行分析比较，并优先选用便于机械化施工和质量管理的方案，做到技术先进，经济合理。
综合来说，就是说设计出路面应有良好的耐久性，路基应有较好的稳定性。
1.2设计程序
（1）依据设计任务书的规定，确定路面等级和路面类型，计算容许弯沉值；
（2）将全线按照路基土组及干湿类型，测点弯沉值接近划分段落，确定各路段计算弯沉值（由于市政道路路线较短，一般全线仅需要确定一个路基土组及干湿类型）；
（3）按照设计目标，拟定几个结构类型，并且确定各层的参数；
（4）计算路面厚度（可采用路面结构计算程序，如HPDS2011），按照需要（层底弯拉应力和防冻层厚度）进行验算；
（5）进行技术经济比较，最终确定采用的路面结构。
2结构组合设计
路面结构一般是由面层、基层、土基等层次所组成，路面的结构设计包括各组成层的结构设计与各层的组合设计。
路面结构各组成层的结构设计，是按照层位的作用，选择合适的结的类型、材料组成、施工要求等。各层的组合设计是按照行车和自然因素对不同层位的要求，结合各类结构层本身的性能进行合理的安排。在进行结构设计时，除了按照设计目标与设计程序进行设计外，还需要注意以下四点：
（1）强度组合
路面表面由于直接承受车辆荷载的水平力和垂直力，同时还要承受车轮的磨耗作用，因此，要求路面面层具有足够的强度和抗变形能力，在其下各层的强度和抗变形能力可自上而F逐渐减小：这样，在进行路面结构组合时，各结构层应按强度和刚度自上而下递减的规律安排，以使各结构层材料的效能得到充分发挥。
因此，在结构设计时，应该注意各结构层的強度对比，不能相差太大，又利于满足相应结构层采用较低造价的要求。各层的强度比即是模量比，沥青路面相邻结构层材料的模量比对路面结构的应力分布有显著影响，是合理确定结构层层数，选定适宜结构层材料的重要考虑因素。根据分析和经验，基层与面层的模量比应不小于0.3，土基与基层或底基层的模量比宜为0.08-0.40。如全国普遍采用的半刚性基层沥青路面，就是强度组合（各层模量比）较好的结果。若土基处理与未处理以及采用何种方式处理，土基的模量值均不尽相同，就可能产生不同的路面结构组合。如连云港地区大部分位于滨海软土地区，地下水位低，地基处理的最简便经济的方法就是采用山场碎石土换填。换填厚度根据软土的含水量及经验确定。
（2）层间组合
依据路面在车轮荷载作用下的应力分布逐层递减的规律，结构居的层数愈多愈能体现强度和刚度沿深度递减的规律。但就施工工艺、材料规格和强度形成原理而言，层数又不宜过多，这样才能保证结构的整体性和应力传布的连续性，在组合时，要考虑相邻层的相互影响，相互制约，并采取适当措施，消除或者限制不利影响。如二灰碎石基层、水泥稳定碎石基层顶面设置下封层，沥青表面层、沥青中面层、沥青下面层之间铺撒粘层油，可以极大的增强层间粘结力，减少拥包、滑移的产生。
（3）厚度组合
在厚度组合设计时，应充分考虑材料的性能、采用的实机械等选定各结构厚度。如，水泥稳定土结构层要求最小采用12t以上的压路机碾压，石灰土每层最小压实厚度为10厘米，若采用20t以上的大型震动压路机碾压水泥稳定中粒土或者粗粒土时，每层压实厚度甚至可达到25厘米。同时，在季节性冰冻地区，总体厚度还应满足抗冻性要求。
（4）整体组合
结构组合设计时，还应该考虑各地区的气候、温度特点及道路使用功能的特性。如连云港地区处于中温带，普通柔性路面采用90号沥青，若考虑道路处于经济开发区的工业园，重载车辆较多，宜采用较干硬的70号沥青。若道路设计速度较高，则对面层抗滑性应进行特殊设计。如采用抗滑表层，表面层碎石采用硬质耐磨石料，适当采用改性沥青或者进口优质石油沥青等。
3结语
依据以上论述，柔性路面结构设计时应考虑以下几点：
（1）依据道路所处地区的气候温度等自然条件的状况，确定路基干湿类型，决定路基的模量取值，是否需要处理，如何处理，处理后的模量等。
（2）依据道路所处位置及道路等级、道路使用功能等要求确定路面等级类型。
（3）依据就地取材、因地制宜的原则，考虑施工单位资质、技术、机械等因素，选则各结构层类型及材料组成。
（4）按照应力分布规律及结构性能的要求，确定各结构层的组合。
但是，必须注意到，现行《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）采用弯沉这个几乎一统天下的设计指标（弯拉应力指标在实际中应用很少），甚至成为施工质量检验的指标，并不能有效地反映不同路面结构的承载能力，而国际上都采用沥青层的弯拉应变和土基模量作为设计指标，有关这方面的理论与实践如何结合的问题尚待进一步研究。
参考文献：
[1]《城市道路设计规范》（CJJ37-2012，中国建筑工业出版社，2012））
[2]《城镇道路路面设计规范》（CJJ 169-2012 中国建筑工业出版社，2012）
[3]《城市道路路基设计规范》（CJJ 194-2013 中国建筑工业出版社，2013）
[4]《公路沥青混凝土路面设计规范》（JTG D50-2006 人民交通出版社，2006）
[5]《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004人民交通出版社，2004）
[6]《路基路面工程》（第二版）（邓学钧 人民交通出版社，2005）
复合路面结构 篇4
水泥混凝土路面加铺沥青面层形成了一种刚柔性的复合式路面结构,它不仅具有沥青路面行车舒适和噪音小的特点,还具有水泥路面强度高、承载能力大和稳定性好的特点。但是,对刚柔性路面结构形式尚缺乏深入细致的研究,就工程实际应用来看,主要问题集中在两个方面:一是刚柔性界面的处理技术。如何做好刚柔界面的粘结与防水处理对加铺后的路面的强度、稳定性、耐久性具有十分重要的作用。二是反射裂缝的防治问题。旧水泥路面原有的接缝及在使用过程中产生的裂缝很容易反射到沥青面层,如何防治反射裂缝一直都是国内外道路研究者所关注的热点问题。
2 刚柔复合式路面的特点
刚柔复合式路面的特点从大的方面来说,主要包括结构组成特点和力学行为特点。结构组成特点主要讨论的是材料性质及其组合后的特性,力学行为特点主要是讨论刚柔复合路面在使用过程中对荷载应力以及温度应力的响应。
2.1 结构组成特点
刚柔复合式路面绝大部分都是在水泥混凝土路面上加铺沥青面层之后形成的,其特点是路面整体刚度大,稳定性好,行驶舒适性好。路面结构组成为:基层+水泥混凝土板+界面层+沥青面层。沥青加铺层厚度较大时,通常分两层摊铺,层间洒乳化沥青粘层油以加强粘结,两层混合料的级配可以相同也可以不同。界面层的材料通常采用的是改性沥青,厚度只有几个毫米,主要起到粘结和防水作用。界面层材料模量小,具有高粘度,弹性恢复性能好,能够很好的吸收水泥混凝土板由于形变而产生的应力,能够有效的抑制反射裂缝的传播。
刚柔性路面最大的特点是组成面层结构的材料的模量不一样,刚度相差很大。水泥混凝土板具有强度高、刚度大、温度敏感性小,材料模量相对比较稳定,属脆性材料。沥青面层材料模量小,温度敏感性大,材料模量随温度变化,呈现明显的黏-弹-塑性。正是由于材料模量的差异较大,从而导致刚柔性路面在车辆荷载及温度应力作用下,呈现明显的变形不协调性。因此,较一般沥青路面而言,刚柔性沥青路面更容易出现车辙和开裂。
2.2 力学行为特点
路面结构的组成和各组成材料的力学性质决定了路面的力学行为特点。刚柔性路面的面层材料由刚性的水泥混凝土板和柔性的沥青混合料组成,其受力呈现以下几个方面的特点:(1)当面层沥青混合料厚度较小时,路面呈现出刚性路面特点,水泥混凝土板承受较大的竖向应力和水平应力。此时的沥青面层对路面结构的受力没有起到大的改变作用,主要是起到改善路面行驶的舒适性,减小行驶噪音,主要起到功能性作用。(2)当沥青面层较厚时,此时沥青面层具有明显的抗剪效应,也就是说,沥青面层承受了主要的水平应力。同时,对竖向应力也起到了很好的扩散作用。(3)在刚柔性路面结构中,无论面层沥青混合料厚度如何,刚柔性界面层所受到的剪应力都是不能忽视的。刚柔界面是刚柔性路面结构中的薄弱层,由于材料及厚度等原因,其抗剪强度往往不足以抵抗其所受到的剪应力,容易发生剪切破坏。(4)除面层沥青混合料厚度外,其模量对结构的受力也有大影响。沥青混合料的级配、沥青的劲度等直接影响其扩散荷载的能力。
3 刚柔复合式路面损坏模式及机理分析
同其他结构形式的路面有所不同,刚柔复合式路面的损坏主要集中在沥青加铺层的损坏,也就是说刚柔性路面的损坏主要集中在路面表层。
3.1 损坏模式
大量的工程实践表明,刚柔性路面的损坏形式主要有以下三种:(1)开裂;(2)车辙;(3)水损坏。刚柔性路面的开裂主要是反射裂缝,通常出现在旧水泥混凝土路面的接缝处。通过对裂缝处钻芯取样,可明显看到反射裂缝由下向上发展的痕迹。刚柔性路面的车辙同一般的柔性基层或半刚性基层沥青路面有所不同,刚柔性路面的车辙仅发生在沥青面层,由于是刚柔性路面材料的结合,沥青面层又较薄,容易出现推移,沥青面层和水泥混凝土板的剥离等现象。水损坏问题一直是令道路工作者头疼的问题,无论是沥青路面还是水泥路面,都不同程度的存在水损坏现象。刚柔性路面的水损坏主要表现为表面沥青面层的松散、坑槽,严重时可产生唧泥。
3.2 损坏机理
首先,从设计方面来看,由于缺乏相关的设计理论与规范的指导,目前我国的刚柔复合式路面的设计都是参考国外的一些经验,或者简单的将复合路面结构按照水泥路面或者是沥青路面来考虑进行设计。此外,对加铺层沥青混合料的组成设计方面也缺乏研究,常采用与普通沥青路面相同的矿料级配和相同品质的沥青,没有从刚柔性路面的实际使用状况出发考虑沥青面层材料的设计问题。其次,在材料方面,目前还有待开发高性能的改性沥青和其它品种的材料,使其能够更好的适应刚柔界面极其苛刻的受力环境。
3.3 反射裂缝的形成机理及防治措施
反射裂缝是由于旧面层接缝或裂缝附近的位移引起接缝或裂缝上方沥青加铺层内出现应力集中造成的[2]。可以这么说,反射裂缝是一种“继生裂缝”,它是在原有裂缝的作用及影响下形成和发展的。旧水泥混凝土板在接缝处的位移包括由温度变化引起的水平方向的伸缩位移和由荷载作用下产生的竖向剪切位移。由于沥青层与板之间的粘结作用,导致沥青层内出现竖向剪切应力和水平向的拉应力。当此应力超过沥青混合料的抗拉强度,沥青层就会开裂。对于反射裂缝的防治,主要有以下几种:(1)锯切横缝,在加铺的沥青层上锯切新的横缝,从而释放沥青层内过大的拉应力。(2)加铺厚的沥青层,虽然厚的沥青层对于延缓反射裂缝的发展能起到一定的作用,但是从经济上考虑是不可取的,且过厚的沥青层会带来其他的问题,如车辙可能会因此变得严重。(3)将水泥混凝土板碎石化。将板彻底破碎到规定尺寸范围,形成柔性基层,然后再加铺沥青面层,事实证明这样做能很好的控制反射裂缝问题,因为它避免了沥青层中可能出现的应力集中现象。(4)加铺夹层。通过对刚柔性界面的处理,设计厚度几毫米的夹层,能够有效的控制反射裂缝的传播。目前,这种办法被认为是最有效也是最经济的解决刚柔性路面反射裂缝的办法。
3.4 车辙和推移的形成机理及防治措施
车辙和推移是发生在沥青面层的永久性变形[6]。车辙表现为在轮迹处沥青层的凹陷,产生这种变形主要有几种可能。一是由于面层沥青混合料压实度不够,导致后期在车辆荷载的作用下,混合料被进一步压密所致,由此产生的车辙也叫“再压密型”车辙。还有就是由于沥青混合料的高温稳定性不足,导致在高温季节,在车辆荷载的作用下,沥青混合料出现侧向的剪切流动,形成车辙。除此之外,还有可能是由于面层混合料被磨耗而形成的车辙。推移主要是由于沥青混合料的高温稳定性不足,在车辆荷载水平力的作用下,发生推移。对于刚柔性路面出现的车辙和推移病害,主要的处治措施是两个方面,一方面提高沥青面层混合料的高温稳定性和强度,采用高性能的改性沥青作为粘结料。另一方面,重点加强刚柔界面的粘结处理,提高其抗剪强度和粘结强度。使沥青层与水泥混凝土板更好的粘结在一起,提高整体受力性能。
3.5 水损坏的发生与防治
刚柔性路面的水损坏的发生主要是由于面层沥青混合料的设计空隙率不合理所致。由于刚柔性路面的沥青面层较普通沥青路面的面层厚度要小,通常只有4cm～8cm。因此,水更容易从混合料空隙渗入。因此,建议用于水泥路面加铺层的沥青混合料设计空隙率要么小,直接做成不透水性沥青混凝土,或者干脆做大,直接做成透水性沥青面层,但是,修筑透水性路面必须做好刚柔界面的防水及排水措施,对此可参照透水路面的设计方法。此外,加强刚柔界面的粘结与防水处理,对于提高刚柔性路面的抗水损坏能力也是大有帮助的。对于面层沥青混合料的设计,应该考虑集料沥青的黏附性,尽量减小发生水损坏的可能性。
4 结论
刚柔复合式路面由于结构组成和材料上的非线性特点,材料模量差异较大,其受力具有如下特点:沥青面层越厚,模量越大,面层承担的荷载效应越明显。反之,混凝土板将承担主要的荷载作用。刚柔性界面层是抗剪切破坏的薄弱环节,须加强处理。面层沥青混合料的耐久性与界面层性能有很大关系,界面层粘结能力越好,抗剪强度越高,则面层稳定性越好,使用寿命越长。刚柔性路面的整体强度及承载能力主要依靠的是下层水泥混凝土板。
摘要：刚柔复合式路面通常指的是水泥混凝土路面加铺沥青面层后形成的复合式路面,广义上讲,凡是面层结构材料的模量相差特别大,明显呈现“一刚一柔”相结合的特点的路面都可以称为刚柔性路面。由于材料差异较大,刚柔性路面有着许多不同于一般路面结构的行为特点,文中将对刚柔复合式路面结构的特点进行全面深入的探讨。
我国沥青路面结构设计分析 篇5
[b[size=5]]长沙理工大学张起森教授作客专家在线：我国沥青路面结构设计分析[/size][/b]
[size=4] 以“我国沥青路面结构设计分析”为主题，围绕“我国沥青路面破损原因，沥青结构以及沥青混合料设计和沥青技术研究”等问题，同大家进行深入交流与探讨
主持人：首先请张教授给大家介绍一下，近年来，随着我国国民经济的发展，干线公路特别是高速公路面临着巨大的交通压力，沥青路面出现了裂缝、水损害等破损现象，造成沥青路面破损的原因是多方面的，您能否从这路面设计这个方面向大家介绍一下路面破损的成因以及如何防治。
张教授：这个问题比较复杂，谈一下我自己的看法，供大家参考。目前我国有高速公路通车总里程3万多km，沥青路面占85％左右，水泥路面占15％左右，所以高速公路大部分都是沥青路面。我国在短短十几年的时间，高速公路沥青路面发展速度非常的快，但是现在路面确实还是存在一些问题，是什么原因引起的？在过去的一段时间，大家讨论很多。我想从以下方面来谈些自己的看法：
首先，我们国家刚开始建设高速公路的时候，基础比较差，当时没有规范，原规范对高速公路不适应。我们很多经验都是来自过去的低中级路面，修建高速公路的经验少，所以我们开始修建的路面，像90年代初，依据的是低中级路面的经验，当然我们也引进了一些国外的东西，像京津塘高速公路我们请的是澳大利亚专家来修的，上海沪嘉高速公路是我们自己国家修的，不过只有十八km的里程，其他如沈大高速公路、广佛高速公路，当时不叫高速公路而叫高等级公路，因为当时对高速公路有争议，所以在起步的时候，还是有些欠缺。规范、标准和试验检测设备等跟不上高速公路发展，给我们前期修建的路面带来了一些先天性的不足，比如路面厚度，一些较早修建的高速公路，对底基层的厚度重视不够，而且对它的认识也不够，有的水泥路面甚至取消了底基层。这些方面当时没有一个比较明确的规定，单纯从适应当时已有的设计指标看，可以满足要求，但是路面使用后出现了许多问题。之后，我国的高速公路吸取失败的教训，进行了总结，后期有些改进。1997年颁布的沥青路面规范，包括后来颁布的水泥路面规范，有些部分吸取了我们国家“七五”、“八五”公关项目的一些成果，为后面高速公路质量的提高打下了基础。总的来讲，我们国家高速公路发展很快，技术、设备储备不够，给我们前期修建的高速公路带来了不足。这是一个问题。
第二、设计标准与实际情况有差距。例如荷载标准，我国的设计荷载是BZZ－100，实际上，我们国家道路上行使的超载车辆很多，像京珠高速公路，有的车达到了270kN，在广韶高速公路，有的车辆也达到了170kN左右。显然，这完全超过了我们的设计标准，路面肯定无法承受。所以这个超载车辆，“超载”的问题，确实是我们国家路面面临的一个严重问题。这个问题我和美国一些专家讨论过，美国也有一些重载车，但超载车很少，美国重载车辆一般是在30％左右，但是我们国家的重载车却占到了60％、70％，甚至是70％或80％的比例，所以路面压力很大。看来这个问题要解决需根据实际的荷载来进行设计或验算。使设计的荷载标准和实际使用车辆的标准要相符。另外，在设计指标方面，也存在一些问题。比如说水泥路面是以混凝土板底弯拉应力进行控制，沥青路面主要以表面弯沉进行控制。弯沉可以反映路面整体的承载能力，但它对结构层性能的反映就比较查。水泥路面也存在指标的问题，水泥路面是一个脆性材料，它的变形是在一个很小的变形情况下开始出现断裂。是不是要像结构设计一样，以刚度来控制设计。沥青路面设计指标不完善大家讨论更多，我们现在用弯沉指标来设计，往往沥青层、基层、它的拉力问题不能控制。国外把表面的弯沉改为路基变形的控制有一定道理。我们国家过去测定的表面弯沉70％、80％都是发生在路基。但是有个问题，表面弯沉容易测定，路基弯沉很难做检测，所以怎样使用这个指标这也是一个问题？现在研究用多指标来控制路面结构，这应是今后路面设计的一个趋势，包括把剪切应力、温度收缩应力等都考虑进去。
第三、结构层材料组成的问题，包括石料的规格，石料的品质，石料的级配，这个方面现在控制得不严格。当然实验我们是做了，采用什么级配，有个要求，但实际上到现场以后，这个方面的控制就比较差，再加上我们碎石供应很乱，不像国外实现了碎石商品化，要什么样规格的碎石随时就去买，我们国家不是这样的情况，我国是一边施工，一边在沿途设置料场，给石料控制带来很大困难。希望能够早日的解决这个问题，从而提高石料的品质。再一个就是沥青，沥青供应是比较大的问题。因为我国沥青来源很多，有进口的，有国产的，进口又有很多国外的公司，国内也有很多公司生产沥青，所以往往一条路实际用的沥青品种很多。像广州的某路，它的沥青，能够达到我们规范软化点要求的，只有约50％、60％左右，有些路段甚至更低，40％、50％达不到我们国家最低的要求。因为材料结构组成不合理，造成强度相差比较大，同一个路面，可能这里强度好，那里强度差。路面湿度也有变化，这里不透水，那里透水，同一个路面的问题比较多。这些事情一方面是材料本身造成的，一方面是施工造成的。
第四、从路面结构设计来讲，防水排水系统设计得不完善。我们在表面排水方面做了一些工作，但是在路面结构的排水、路基的排水这个方面还是做得不够，所以往往在路面使用过程中，出现排水结构物堵塞等，导致路面出现沉降、开裂等问题。现在我们国家对排水的问题比较重视了，但是这方面还有继续做好的需要。
第五、施工的问题。往往我们设计一个方案，结构是什么，材料是什么等等，还有很多的指标和要求，但是路面的施工，往往跟我们的设计相差很远。比如动稳定度，我们国家高速公路目前要求，像南方地区3000到3500，但是实际上，有些只有1000多，有些方4000、5000，甚至超过10000，变化很大，这个问题除跟材料有关系外，还跟施工有关系，施工控制不严。路面施工温度可以相差三十几度，这里可能是140，那边可能是100左右，这样压实就比较困难，达不到要求。另外材料本身，施工过程中要是没控制好，容易引起离析。我们国家要求路面使用过程中孔隙率是3％－6％，有些实际做出来不到3％，甚至不到1％，大的可能超过10％，这样对我们路面的使用，带来了很多的问题。孔隙小的易泛油，产生车辙；孔隙大的易透水，产生脱粒、坑洞等。另外关于路面损坏，刚才提到开裂、水损害，应该提出在南方，中部河南、河北以及陕西，车辙破坏也是个问题，有些路使用一两年，车辙达到50、60mm，路面使用不久就要重新铣刨、罩面。
车辙在南方出现比较多，显然车辙问题跟重载、超载关系更大，另外同温度也有关系，像南方的气温，在广东，夏季路面最高的温度达到七十几度，而气温四十度左右，高了三十多度。高温把路面软化了，再加上很重的车上去，肯定要产生车辙。另外材料设计方面对这个问题考虑得还不够。如河北、山东沥青标号为70；广东、广西标号也是70。沥青标号这样全国一致是不合理的。在广东这样的高温地区，使用更硬的沥青，例如50号是完全必要的。这方面问题值得我们研究。
第六、对路面结构层构成的要求上还不是很明确，比如面层3层，现在大部分是4、6、8cm或4、5、6cm，面层十几cm，而面层、中层、下层究竟它的功能是什么呢？它们的合理厚度应为多少，对它们的要求又是什么？现在是不明确的。我国现在还没有公布的沥青路面修订规范稿，开始注意了这个问题。根据路面功能设计的概念，上面层主要是要稳定、要抗疲劳、要防水、要抗滑、要粗糙。中层主要是抗车辙，车辙是个主要的问题。到了下层，主要是疲劳的问题，当然这个概念跟我们的上层下层概念有点不同，但是在我国如果把下层理解成是基层的话，我们的基层现在是半刚性基层，恰恰抗疲劳能力是比较差的，很容易开裂。基层一开裂就形成反射裂纹，反射到路面上就容易使面层开裂，开裂以后造成了很多的问题，比如渗水等。过去我们对反射裂纹花了很多功夫取研究，但一直解决得不太好，对路面结构层的功能问题要进一步研究，弄清楚以后，对不同层次的要求指标要明确，这样才能把面层设计好。轮胎与路面的接触部分是很复杂的，接触应力对面层影响很大，过去我们对面层的材料比较重视，比如改性沥青、石料要求的规格也比较好，施工方面也比较重视，所以这一层相对来讲，承受车辆作用应力相对其他层次，显得要好一些。故目前路面主要问题并不是表现在上层，是在中下层。当然我们不是不重视面层，面层当然要抗滑，要不透水，要稳定，要抗疲劳，对采用的材料要求更高更加严格。但是我们对中、下层的要求也应明确，根据我们近来做的工作，我们建议：在南方要求上面层动稳定度要3500；中面层要3000；下层要800－1000，大长坡和弯道路段不小于1000。老的规范对上面层的要求是800。对下层的材料就没有明确要求。总之，要弄清各结构层的功能和作用，才能够对材料的要求进行控制。
第七、现在还有些新的问题要研究。沥青路面现在有一种叫top－down裂缝，即表面向下的开裂问题。现在研究的大部分是裂纹由上向下发展，反射裂纹是怎样发展等问题。但实际上，调查表明很多裂纹是从上面往下面扩展的。这种裂纹实际上对路面损害比较大，因为一开裂就在表面，表面开裂水就往下走，再加上温度应力，裂纹慢慢扩展，水就流下去，很快会污染到基层了。这个问题过去我们研究很少，在上个世纪八十年代，日本一些专家在论文里面提到过，世界上很多国家都做过调查，像英国的TRRL，他们在八十年代从现场勘测也发现这个问题。另外还有一个问题就是钢轮碾压产生的开裂。日本在八十年代做过研究，日本和加拿大有个叫做寒冷地区的路面修建技术合作项目，他们做过这个研究，钢轮碾压后，路面会产生很多的裂纹，用放大镜就可以看得见。在温度应力作用下这种应力易发展，所以对于这种裂纹我们今后要重视。现在对沥青路面存在的开裂、车辙、水损害等破损现象，经过最近几年的研究，已采取了一些措施，水损害相对要好了些。目前南方主要是车辙，北方开裂。南方有些地方因路基下沉，路基不稳定等等，也产生开裂的问题。但是这些基本不是疲劳引起的裂纹。再一个就是温度、温差的问题引起的开裂。我国路面真正目前达到疲劳设计要求的很少，路面早期损坏的主要的原因不是这个。我们讲超载，应力很大，其应力可能达到抗拉强度的0.7、0.8左右，很容易开裂。
要解决这个问题从路基来讲，要保证路基的稳定性，一些软土地区、盐渍地区的高速公路，往往达不到沉降的要求。一个月5mm，它往往达不到，为了施工的进度，就在沉降未完成的路基做路面，所以往往总承载能力没有达到要求，今后还要进行沉降。从进度跟施工质量要求方面来讲，今后应该怎样去协调，在保证质量的情况下再来谈进度，路面基本的情况才能保证。
从路面来讲，一个是结构，一是材料，要求要更严格。施工方面，如果我们路面施工比较精细，减少或尽量避免离析的发生，路面损害就会更少。有些省份引进了二次分料器，资金投入并不大，但效果很好。从车辙问题讲还是要解决沥青的问题，沥青对车辙的贡献大概有30％到40%，沥青要求粘结力和软化点达不到要求的话，它的情况会很严重，特别是高温情况下，这个问题就会更严重了。所以车辙问题要从结构，从材料组成设计方面等等方面考虑。在八十年代，我国城市道路规范中加入了抗剪指标，但是公路就一直没有加进去，主要是材料的抗剪强度问题，当时因为我们要知道抗剪强度，就要做三轴实验，三轴仪比较少，试验本身也比较复杂。另外一个方面，结构层的抗剪切能力要进行检测，比较难。所以对于抗剪指标问题就一直搁置下来了，我们对材料抗剪方面的要求，要重视起来，这样的话从各个方面来讲就比较完善了。还有一个问题就是超载，现在明明知道这条路不是我们设计的这个承载重量，实际上它跑的是一倍，甚至二倍的荷载，对这个情况怎么办？我们国家一下子要解决超载现象，可能还有困难。这个情况可以从设计方面来采取一些措施，如规定要验算荷载，以超载200甚至300的标准来验收，达不到，厚度满足不了要求，我们对路面进行加厚。当然这样投资会大一点，但从全寿命周期来综合考虑投资问题，这样做是合算的。
主持人：您刚刚提到半刚性基层路面结构，我国高速公路普通采用这种路面结构，您能否向大家介绍一下半刚性基层沥青路面结构的优缺点？半刚性基层在养护、修复中存在什么样的困难？
张教授：半刚性基层路面在我们国家无论是一般公路、还是高速公路，起到很大的作用，这个是应该进行肯定的。我国3万多km高速公路的沥青路面包括水泥路面，基层90％以上都是半刚性基层。半刚性基层在我国公路的建设发展中起了很大的作用。半刚性基层也存在一些问题，但我想要还是先讲优点：半刚性基层强度比较高，相对柔性基层来讲强度高、刚度高，作为承重结构，它是比较合适的。承载、扩散荷载，传到路基，在没开裂之前这方面性能比较好。但是半刚性基层有一个问题，就是抗拉能力相对比较小，另外它的变形能力不太好，它是比较脆的材料。它的刚度比较大，在湿度变化温度变化中所受温度应力比较大，所以在温度荷载，交通荷载，湿度变化的作用下，它容易产生裂缝，开裂以后半刚性基层性质开始变化。这些裂纹很容易形成反射，特别是后期裂纹比较多的情况下，裂纹很容易反射上去，比较短的时间就反射到上面，很多实际工程证明了这个问题。我们曾经做过光弹实验，“七五”攻关研究沥青面层最小厚度应该是多少，也就是要从反射裂纹的角度来考虑，反射裂纹反射上去要保证一定的使用时间，表面路面厚度应该是多少。我们通过光弹实验和一些力学分析确定了路面最薄厚度12cm。当然那是根据七五那个时候的交通荷载等实际情况，从技术方面我们做光弹实验，还是有点根据的。但是现在我们的交通量，在重载、超载的情况下，12cm应该会薄了一点，现在这种交通量、这种荷载下，可能不能保证我们的使用寿命。为了防止反射裂纹，实际上我们“七五”还做了一些研究，例如如采用级配碎石、土工布和应力吸收层作为中间过渡层等一些措施，到最近，差不多20年的时间，仍还在摸索。研究反射裂纹，如何来延缓它，完全防止是不可能的，怎样延长它的扩展时间，使它的裂纹反射到面上的时间比较长，保持表面比较长的时间不会开裂，在这方面做了很多的工作，也取得了一些成果，但是这个问题到现在还没有完全解决。
半刚性基层的路面，基层修建的时候会产生很多干缩、温缩裂纹，这些裂纹反射上去，造成了路面损害，这是目前对半刚性基层沥青路面大家认为它不足的地方。半刚性基层沥青路面还有一个问题，就是半刚性基层上的沥青路面厚度不能太薄。因为半刚性基层到了后期强度比较大，特别是到夏天的时候，产生上面软下面硬倒装结构，象擀面一样，很容易产生推移。所以我们过去修的像二、三级路面往往产生波浪变形。这个是半刚性基层沥青路面使用的过程中存在的一些问题。
半刚性基层沥青路面在使用的过程中，针对它的开裂，我们采取了一些措施，比如增加粗集料含量、切缝等。但是大家认为这个问题还没有完全解决。我国的半刚性路面，还有一个问题就是基层软化、甚至唧泥等问题比较明显。这是我们国家的一些经验，另外国际上，像英国，欧洲、美国，他们做了一些实验，也用过半刚性基层，也发现了它的一些问题。现在欧美一般基层不采用半刚性，它把半刚性作为底基层，放在下面，基层采用沥青稳定基层，这样比较合理一些。半刚性基层在施工过程中也发现了一些问题，比如透层油渗透比较困难，还有半刚性基层表面容易产生灰尘，产生灰尘以后如果施工的时候清理不干净，就影响了粘层与半刚性基层的粘接。另外路面开裂以后，水下去就容易损坏。半刚性基层产生问题以后，必须要把它全部挖掉才能修复，这样就有些困难。现在我们的讲半刚性基层，我的观点是我们国家要因地制宜来考虑这个问题。如果条件合适，有些地方还是可以用半刚性基层，不是一概否认这个观点。但是半刚性基层一统天下也是不对的，所以开展柔性基层的研究是完全必要的。
主持人：您在柔性基层沥青路面结构设计方面研究很深，请您给大家介绍一下与半刚性基层沥青路面相比，它有什么优缺点？
张教授：谈到柔性基层和半刚性基层相比，柔性基层包括的沥青稳定碎石、沥青混凝土还有级配碎石做的基层。但柔性基层跟半刚性基层来比，因为它是比较柔的，所以它的温度变化产生应力影响方面的情况要比半刚性基层相对要好一点。同时湿度变化影响也要小写，所以它一般不会出现反射裂缝问题。其次，从它的结构层受力来讲，柔性基层对面层的设计要好一点，半刚性基层的后期强度要好，沥青面层相对比较软，刚度小一点的，所以造成下面硬、上面软，容易产生车辙，对面层是不利。但是柔性基层模量是按照一定比例下来，模量变异性不大，一般不会有这个问题。这也是柔性基层的一个优点。再次，从层间结合情况来讲，柔性基层与沥青面层结合一般不存在问题，所以对沥青受力方面是比较有利的。另外，柔性基层抗疲劳能力要好一些。
柔性基层跟半刚性基层不一样，由于比较柔不会有反射裂缝问题，另外如把半刚性基层作底基层，中间做一个碎石基层，上面做面层，也可以缓冲反射裂纹的产生。碎石主要是抗压，它不不能受拉，他的强度与侧压力和下垫层强度有关。现在我们研究级配碎石怎么用？碎石直接放在路基上或者放在半刚性基层上，哪种结构比较合适？这个问题要研究，工程师要总结这个问题。我们国家沥青层如做得比较厚，沥青材料的价格可能是个问题。我认为级配碎石放在上面，下面半刚性底基层主要解决承重问题，承重问题解决了，沥青层厚度就减薄，不能靠整个沥青层来承载。柔性基层我们现在研究得比较少，做过一些实验，比如大粒径碎石做基层，在河南焦作了一段试验路上进行比较研究过。大粒径碎石做基层抗压、抗疲劳的能力还是可以的。大粒径基层在山东、江苏也做过很多的实验。我国目前3层的面层结构，如果下面层改做大粒径碎石基层，半刚性基层做底基层。整个沥青层的厚度也不会太厚。另外反射的问题可以通过大粒径碎石来缓冲。如果完全照现在功能设计的概念，完全以沥青层来承担应力，路面使用寿命可以达到40－50年，在这几十年里，不要动下面的层次，只要铣刨到表面层即可。韩国做了全厚式沥青路面研究，要42cm左右才能保证路面使用40－50年。42cm对于我们国家来讲造价上有一定困难。我们可能不能完全照这个来做，现在研究长寿命问题，怎样结合我们国家的实际情况，提出一个合适的结构组合？不一定要40年，我们若能保证20年、30年就很好了，经济上国家也承受得了，这里还是有很多工作要做。
我不是否定半刚性基层，有些场合、有些情况半刚性基层还是可以用的，应该用的，当然我们有些情况还是需要用柔性基层，使我国的路面结构不至于那么单一，如果半刚性基层包打天下，厚度也差不多，面层是4、6、8，基层是20、30、40，全国气侯变化那么大，交通情况、环境、地质条件变化那么大，路面到最后全部都差不多，这种情况肯定是有问题的。还有排水问题，现在我们基层可以做排水基层，解决排水的问题，采用柔性基层，可以做成排水的，上面的水下来了，从路肩可以排出去。这也是考虑柔性基层的一个优点。
主持人：您能否介绍一下我国沥青混合料组成设计的情况，目前Superpave技术在我国的应用和发展情况是怎样的？
张教授：沥青混合料组成是比较重要的问题，我们规范的混合料类型、从结构上可以看出其发展问题。我国先是采用AC，后两年采用AK，后面又采用SAC。AC用了以后，它的抗滑不够，比较光，高速公路抗滑达不到要求。AC从级配来讲，细料比较多，粗料比较少，所以最后造成混合料比较细，比较光容易冒油，也容易产生车辙。后面增加粗料，减少细料，所以就采用了AK抗滑面层。抗滑问题解决了，但是出现了孔隙率大，出现了早期的水损害，最早在河北一条高速公路上出现。当时在孔隙率这方面并没有太重视，当时只考虑粗、抗滑这方面去了，透水的问题也没有很注意。后来各个单位感觉到有问题了，又把粗料减少，细料增加，走中间路线。级配调整了，有的地方叫做AK1型或AK什么型等等，在前面加一些其他的符号，它不好把AK这个名字改掉，因为它改掉以后，审查有问题。所以在前面加一个符号，表示与AK的规范不同，级配不同。后来沙庆林沙院士就提出SAC，他还专门出了一本书。SAC针对AC、AK存在的问题：AC粗料少，AK粗料多，所以等于是粗料减少一点，细料增加一点，保证空隙率基本在我们要求的范围内，抗滑方面能够满足要求，构造深度也达到了要求，还有其它指标方面也合适，这样就提出了一个比较中性化的建议。从真正的混合料结构来讲，实际上AC是密实悬浮结构；到AK实际上我们是增加了骨架，但是孔隙多了，细料填得不够，没把孔隙填起来，AK是密实骨架孔隙结构，到SAC骨架密实结构，现在是骨架为主，细料的孔填起来，密实还有一个孔隙的要求，3－7％的要求。我们讲比较理想的是骨架间断密实结构。包括我们现在Superpave技术，实际上也是骨架密实结构。它主要靠纤维、沥青、矿粉即沥青马蹄脂，填充骨架嵌挤形成的孔隙。骨架嵌挤结构比较稳定，又不至于漏水，同时它比较粗糙，抗滑能力满足了。骨架嵌挤结构空隙多一点，光沥青还不行，还要靠纤维，把沥青矿粉稳定在那里，否则它要漏下来，不加纤维，性能就达不到要求，所以我们国家慢慢发展骨架嵌挤密实结构，当然这个是间断的不是连续的，使骨架组成的空隙大部分填充起来，又不至于透水，这是沥青混合料在我们国家发展的一个情况。当然这个结构要保证其结构稳定，除靠级配外，还要靠骨料的强度和沥青的粘度。骨料太软了，沥青太稀，结构就不稳定。
Superpave技术是美国SHARP研究的一个成果，它是1993年发布的，1993正式发布以后，应该讲在世界各国引起了比较大的反响。Superpave我感到它有些情况可能还要进一步研究。Superpave实际上有三个水平，即按LEVEL1、LEVEL2、LEVEL3，现在我们用的是LEVEL1，LEVEL2、LEVEL3包括美国都还没有实际应用，还处于研究阶段。LEVEL1实际上是一个体积设计法，各个组成部分，矿料多少、沥青多少、矿粉多少，跟我们现在的设计基本上是一样的概念，它是体积组成的参数设计。它要设一种比较合理的混合料。Superpave提出了两个东西比较引人注意，一个是级配线上设定了几个控制点，几个控制点必须要通过。另外有一个禁区，级配曲线不能进到禁区里头去，进到禁区里头的话，混合料性能比较差，且有“驼峰”的性质。控制点和禁区，各国有不同的看法，另外走禁区的下面还是上面，这也是一个问题，有的认为走下面好，有的认为走上面好，所以对禁区的问题，现在还有争论。至少他们提出了这个问题，后来他们在足尺试验中也发现了一些问题。另外一点，混合料试件成型采用“旋转压实”法，与轮胎软化作用接近。
Superpave混合料的检验指标与马歇尔也不一样，Superpave以路用性能指标确定沥青用料，即用疲劳开裂，车辙、低温抗裂来控制。另外还有一个叫做水敏感性实验，这个实验规定它的孔隙率为7％，因为他们作了很多的调查，压路机压过以后，大部分在7％左右。这与现有马歇尔试验法不一样的。
现在我们用的Superpave有一个限制，LEVEL1交通量限制在1800万次80kN标准轴载。我跟沙庆林院士讨论过这个问题。Superpave的设计要适应轻交通的情况，如果是重交通，要做LEVEL2、LEVEL3的检验。我们国家从交通情况来讲，一般要超过它的这个规定，这是存在的问题。用于LEVEL2、LEVEL3的设备，我们引进了些，江苏交科院等也买了一部分设备，但未开展广泛的工作。国内有些单位可能没有很好的注意这个问题，直接将Superpave设计用在高速公路，设计的路面出现了一些问题。现在还有一个问题，就是用马歇尔实验法进行Superpave的设计，山东做了比较系统的工作，他们认为可以。但是这个方面的问题，我们认为还要做一些更深入研究。主持人：改性沥青在中国公路建设市场的应用时间很短，但发展势头非常迅猛，您怎么看待这种发展？有人认为大量使用改性沥青可以提高路面使用质量，延长公路使用寿命，促进整个公路事业的发展，您是怎么看待这个问题？
张教授：我认为改性沥青要解决的问题，从粘结力方面，没有多少改变，这个做过很多的实验，主要解决软化点问题。普通沥青软化点大概是50左右，我们国家南方路面温度可达60、70度，就肯定要提高软化点。
另外还有一个好处就是对弹性恢复有改善，改性沥青做出来的混合料不但性能得到提高，弹性恢复比我们普通沥青混合料好。
在我国南方，气温比较高，降雨比较多、比较湿润的地方、比较热的地方，高速公路重载也比较多的，交通量比较大的路面，用改性沥青我认为还是有必要。现在有些路，使用改性沥青以后，跟不使用改性沥青做了一些比较，说明用改性沥青还是有好处的，比如京珠南高速公路，它最近要大修，它有几段，基本没有车辙，它用的就是改性沥青，同样的气侯条件、交通条件，有的路段有40、50mm车辙，甚至更深。这个说明改性沥青在这里还是起到了一定的作用。长沙到临湘的高速公路我们用的是双层改性沥青，上层下层全用，并修了12mSMA试验路，经过3年左右使用，特别是前2年的高温，路面基本上没有车辙。这条路2005年获得了詹天佑奖。当时讨论方案的时候，有些同志反对，认为没有必要，但是当时我们坚持，像京珠南高速公路重、超载比较严重的情况，用改性沥青还是比较好的。改性沥青多花一点钱，但是从全寿命费用来考虑，考虑养护费用、运输费用等其他的费用的话，还是合算的。
主持人：您在沥青减薄技术方面颇有研究，您能否给大家介绍一下我国沥青减薄技术的发展情况？以及与国外发达国家相比有什么优势和不足之处？
张教授：要看怎么看这个问题，我想不能笼统的说沥青减薄问题，现在看来，我们国家的沥青面层，它最早的4+5+6cm，后来是4+6+8cm，沥青面层从造价上讲要提高一些，建设费用要提高，但是从保证路面使用品质来讲，可能厚一点的面层，从今后的减少养护等费用来讲，可能还是划算的。不能笼统地讲沥青路面厚度的问题，广深高速公路路面32cm，用了十多年，前年我们学校参加做了一次维修，仅表面上冼刨了，车辙基本没有，冼刨以后重新铺40mm的SMA。与我们国家比较薄的路对比，修2、3年就大、中修，肯定值得借鉴。我们不一定搞30几cm，但是沥青的厚度，从经济技术几个方面综合来考虑，应该可以找到一个比较合适的厚度。现在我们采用4+5+6cm或4+6+8cm的面层厚度，应该说根据不足。
提到沥青减薄，有些叫超薄面层，最早在法国，做了1.5cm，一般2.5－5cm叫薄沥青面层，它不是整个路面结构，只是上面的一层，就是磨耗层，所以大部分是用来养护、维修的，当然现在存在一个问题，就是沥青路面结构，磨耗层要多少mm才合适？现在是4cm。当然这个磨耗层要维修，是不是可以罩面？现在养护用1、2cm的稀浆封层还有同步碎石。目前主要是水泥路面的维修问题，水泥路面上的沥青罩面层，我们国家现在做的大多是10－12cm，主要是保证沥青层的稳定问题，不至于发生推挤、剪切。印尼开发了一种超柔性沥青superflex，这是严重综合改性沥青。今年8月份我们到印尼去考察了一下，它做的路面是2－4cm，最长的用了8年9年。在雅加达市中心到港口的一条高速公路上，交通量在20万辆/天，也有超载车辆，但是没有我们国家这么严重，重载车辆为20%－30%，路面使用情况良好。最近我们买了150吨印尼这种超柔性沥青，将在广东的肇庆的旧水泥路面和半刚性基层上做试验路，我们做了3、4、5cm。目前准备工作都做好了，带天气好即可施工。如果水泥路面上沥青路面能做到3cm、4cm，用8、9年，就非常好了。现在很多的水泥路面，包括早期修的一般道路和高速公路、水泥路面上，跑了几年以后，磨的比较光，这些都存在需要罩面的问题。另外是隧道，隧道用水泥路面，修得比较光滑，容易发生交通事故，他们现在想这个问题怎么解决。沥青做厚了，净空有问题，能够做薄一点的话，既能够解决抗滑问题，又不影响车辆通行。再一个是桥面，我们很多的水泥桥面，桥的重量问题。
复合路面结构 篇6
关键词：路面；结构；材料；应用
随着科技的不断发展，路面结构及路面材料技术也有了较大的提高。路面结构能够针对不同的道路来设计针对性的结构，并且在很大程度上对日后的应用产生积极作用，路面材料技术在应用的时候，可以降低工程成本，提高工程质量，从根本上保证在日后的发展中，我国的道路能够持续性的使用，减少检修次数。本文主要对路面结构及路面材料技术在工程上的应用进行一定的分析。
一、路面早期损坏现象机理分析
对于公路来说，在长久的应用当中，除了自然当中的日晒雨淋，还有过多的车流量以及超重的影响，这些因素都会对路面造成一定的损伤，从而导致公路不得不检修。另一方面，即便检修合理，并且恢复到了以往的质量，在本质没有改变的情况下，一定会让公路再次受损。应用路面结构及路面材料技术能够帮助工程更好的修建，在源头将问题彻底解决。在此，本文首先对路面早期损坏现象机理进行一定的分析。
（一）半刚性基层引起收缩裂缝的反射缝问题
在目前的公路应用当中，半刚性基层引起的收缩裂缝的反射缝问题是非常严重的，不仅影响了公路交通的日常工作，同时对出行的人们和车辆造成了客观上的威胁。从目前的情况来看，这个问题在我国的发生概率较高，各省市地区的交通道路具有一定的类似问题发生。在日后的工作当中，必须彻底解决这个严重的安全隐患，否则很有可能造成较大的事故。经过一定的研究，产生半刚性基层引起收缩裂缝的反射缝问题的主要原因是：在路面交通荷载重复作用下，半刚性基层的干缩裂缝和收缩裂缝会扩展到沥青路面面层形成反射裂缝而具有弱点。由于半刚性基层中细颗粒部分较多，比例一般超过20%。半刚性基层中的粗集料已经不能或很难形成嵌挤，完全成为一种悬浮密实状态。从以上的表述来看，只有从源头来解决问题，才能避免反复的情况发生。
（二）唧浆问题
公路经过多年的发展，在很多方面都表现出了一定的积极效果。但是在经济迅速发展的情况下，人们的出行率有所增加，社会对公路的需求也有所上升，再加上旅游旺季等一系列因素的作用，我国很多地区的公路都因为压力过大，因此产生了唧浆问题。目前国、省道多数采用沥青碎石路面，沥青碎石路面由于空隙率大、抗渗性差，公路建成后，来自沥青层及基层的水将积存在基层表面，无法通过基层排走，受地表水侵蚀以及各种外因条件的影响，路面早期容易出现唧浆病害，进一步发展导致路面大面积破坏。唧浆问题的发生不是偶然现象，过去也有发生唧浆问题，但是并没有现阶段如此严重。从客观的角度来说，要想彻底解决唧浆问题，就需要应用路面结构及路面材料技术，在改变公路内部架构和本质的同时，对公路质量实施巩固性的措施，只有这样才能将唧浆问题完全解决，防止再次发生较大的危害事件。
（三）半刚性基层与沥青层之间的连结问题
除了上述的两个问题以外，我国公路的早期损坏还有半刚性基层与沥青层之间的连结问题。公路的设计并不是将所有的材料铺到路面上就可以的。虽然部分材料的性能比较优越，但是在实际的施工当中，材料和材料之间也会产生一定的矛盾和冲突，从而严重影响公路的使用寿命。从现有的情况来看，我国在沥青层施工过程中往往不恰当地要求先将沥青层下面层修通，这中间开挖中央分隔带，埋管道、绿化、安装护栏等施工使路面污染严重，致使多条高速公路均不同程度出现了较严重的车辙，这不仅使路面平整度变差，影响行车安全，而且很快出现推移、网裂、坑洞、坑槽等早期病害。由此可见，半刚性基层与沥青层之间的连结问题已经到了非常严重的地步，如果得不到妥善的解决，势必影响我国的道路安全和地区之间的经济发展。在以后的工作当中，半刚性基层与沥青层之间的连结问题必须作为首要解决的问题，只有这样才能在客观上和主观上满足公路的修建要求。
二、路面结构及路面材料技术在工程上的应用
（一）路面结构
为了更好的解决路面损坏当中的问题，同时进一步巩固公路的质量，本文主要以A至B段的高速公路为例。在路面结构方面，运用旋转振动（GMT）技术，设计沥青混凝土、水泥稳定碎石的骨架密实型的配合比，控制沥青、水泥用量，使得沥青混凝土SMA的密度达到2.48kg/cm。水泥稳定碎石的水泥用量控制在3% 以下，其密度达到2.44 kg/cm 左右，强度控制在4--5MPa。通过应用上述的路面结构及路面材料技术，路面损害的部分问题得到了很好的解决。另一方面，由于我国的公路数量较多，因此A至B段的高速公路仅仅能够代表一部分的公路，要想让每个地区的公路问题都得到解决，还需要根据自身的实际情况，适当的改良技术，在数值方面也要追求符合實际，否则很难将问题彻底解决。
（二）路面材料
对于公路来说，材料的应用具有决定性的影响。首先，材料分为原材料和加工材料，两种材料拥有各自的优势，有些时候要配合使用，有些时候要分开使用。为了避免上述半刚性基层与沥青层之间的连结问题的再次发生，必须有效利用材料，将不同材料的实际功能充分发挥出来。在A至B段的高速修建当中，沥青下面层采用70号沥青，稀浆封层、中上面层采用SBS改性沥青，沥青软化点在65℃以上。粗集料碎石首先选开采有一定时间、基本没有风化岩的石质为优质石灰岩的石料厂。再要求厂家对碎石设备、筛分设备进行改造。生产现场派驻监理，从石头爆破、到各级碎石都要派人捡除风化石。细集料采用优质机制砂和矿粉。通过以上路面结构及路面材料技术的应用，相关问题得到了很好的解决，并且基本上没有复发过。另外，我们在应用路面结构及路面材料技术的时候，必须完全清楚每一种材料的优势和劣势，力求在综合运用中，达到一个理想的效果。
（三）施工控制
应用路面结构及路面材料技术的一个容易被忽略的环节就是施工控制，以我国的发展来看，施工控制并没有达到一个理想的效果，导致路面结构及路面材料技术在工程上应用的时候，产生了较大的阻碍。本文认为，在施工控制方面，必须要从以下几个方面出发：第一，有关路面结构及路面材料技术的设备必须控制其有效应用，避免长时间作业引起的故障；第二，有关路面结构及路面材料技术的施工人员要合理安排施工时间，同时对天气情况要有一个综合的了解，避免客观上的因素对公路质量产生影响。只有在施工控制方面，做到一个较高的水准，才能让路面结构及路面材料技术发挥出真正的功效。
三、结束语
本文对路面结构及路面材料技术在工程上的应用进行了一定的分析，同时在公路现存的问题进行了一定的阐述。以我国目前的发展情况来看，路面结构及路面材料技术还是需要不断的优化，只有从根本上强化技术，正确应用，才能保证公路的质量。相信在日后的工作当中，我国公路的质量和使用寿命会进一步的提高。
参考文献：
[1]哈国文.高速公路车辙病害综合防治体会[J].甘肃科技纵横，2011（03）.
[2]吕志刚，王鹏，盛安连.基于ARM7车载式高速公路平整度测试仪研制[J].自动化与仪表，2010（10）.
复合路面结构 篇7
目前公路隧道多采用水泥混凝土(刚性路面),它在隧道潮湿的使用条件下不易发生结构性破坏,路面耐久性和反光度相对较好,但与沥青混凝土柔性路面相比具有行驶性能差异较大、抗滑性能衰减快、平整性差、灰尘大、行车噪声大等缺点,不利于隧道内车辆高速、安全、舒适地行驶。同时,由于公路隧道内路面处于一个相对封闭的环境中,因而外界大气环境的变化对其影响并不显著,但隧道内封闭潮湿的环境又对路面提出了其他特殊要求,因此,隧道路面要求具有优良的抗滑、降噪、防水和耐久性。
近年来国内外出现了在水泥混凝土路面上加铺沥青层,修筑水泥混凝土与沥青混凝土(CC-AC)复合式路面结构,即在刚性基层上铺设沥青面层,不仅可以减少沥青用量(与柔性面相比),又可弥补刚性路面的不足,这样刚柔相济,可大大改善路面的适用性能[1]。如将碾压混凝土或贫混凝土作为刚性基层,普通混凝土为下面层,加铺透水、抗滑、降噪的OGFC上面层,形成水泥混凝土刚性基层+沥青混凝土(AC+OGFC)面层的复合路面,以更好地满足公路隧道路面对多项性能的要求。
1 项目背景
某高速公路隧道路面,设计基准期为30 a,设计车道交通量折算成标准轴载 BZZ100为 3 800 pcu/d,设计基准期内标准轴载累计作用次数为2.027 315×107,路面承受的交通等级属于特重交通等级,行驶方向分配系数为1,车道分配系数为1,轮迹横向分布系数为0.22 。笔者提出了隧道路面结构方案1～3,并进行结构分析比选。相关计算参数为:变异水平的等级取低级可 靠 度 系 数1.33, 混凝土下面层板长度为4 m,地区公路自然区划为Ⅲ,面层最大温度梯度为90 ℃/m,接缝应力折减系数为0.87。
2 设计指标分析
根据方案1隧道路面均设计为复合式路面,混凝土面层和碾压混凝土基层设计指标为综合应力,即考虑了可靠度系数的行车荷载疲劳应力和温度梯度疲劳应力之和[2],沥青层考虑底面弯拉(压)应力和路表计算弯沉[3]。
对于初拟方案1,当普通混凝土面层H为210 mm时,混凝土面层γr(σpr+σtr)=5.0≤5.0 MPa ,满足设计验算要求;碾压混凝土基层γr(σpr)=3.25<4.0 MPa,满足设计验算要求;所以不考虑沥青上面层影响时混凝土下面层设计厚度为227 mm。考虑沥青上面层影响折减后的混凝土下面层设计厚度,并取整为210 mm。 沥青混凝土面层弯拉应力和弯沉AC13底面σmax=-0.344 MPa(压应力),路表弯沉ls为8.6(1/100 mm)。其中:γr为可靠度系数,σpr为行车荷载疲劳应力,σtr为温度梯度疲劳应力,σmax为沥青混凝土面层弯拉(压)应力,ls为路表计算弯沉。
同理,求得初拟方案2的设计验算指标:混凝土面层γr(σpr+σtr)=5.0≤5.0 MPa ,满足设计验算要求; 碾压混凝土基层γr(σpr)=3.25<4.0 MPa,满足设计验算要求;沥青混凝土面层弯拉应力和弯沉:OGFC底面σmax=-0.33 MPa(压应力),AC20底面σmax=-0.32 MPa(压应力),ls路表弯沉为9(1/100 mm)。
初拟方案3的设计验算指标:混凝土面层γr(σpr+σtr)=5.0≤5.0 MPa,满足设计验算要求; 碾压混凝土基层γr(σpr)=3.25<4.0 MPa,满足设计验算要求;沥青混凝土面层弯拉应力和弯沉:OGFC底面σmax=-0.35 MPa(压应力),AC20底面σmax=-0.34 MPa(压应力),路表弯沉ls为7(1/100 mm)。
对比上述3个方案,混凝土面层和混凝土基层综合应力:方案1、方案2和方案3均满足设计验算要求;沥青混凝土面层弯拉应力(压应力储备):方案1<方案2 <方案3;说明方案3强度储备相对较优。路表弯沉:方案2>方案1>方案3;说明方案3路面整体刚度相对较优。因此,方案3为路面结构性能相对优化方案。
3 结 论
1) 公路隧道路面如采用水泥混凝土刚性基层上铺设降噪、抗滑、透水OGFC面层的多功能复合式路面结构,可以满足路面耐久性和功能性的多方面要求。
2) 通过对几个方案的结构分析和必选,提出了一个满足设计要求且性能相对优化的公路隧道多功能复合路面的结构组合形式,供公路隧道路面结构设计参考。
摘要：公路隧道路面要求有优良的抗滑、降噪、防水和耐久性。以某高速公路隧道路面为研究对象,提出了水泥混凝土刚性基层+沥青混凝土(AC+OGFC)面层的多功能复合路面形式,并对初拟方案进行结构分析比选,结果表明路面新型组合形式满足设计要求。
关键词：公路隧道,多功能复合式路面,结构方案分析
参考文献
[1]孙家驷,高建平.道路设计资料集4:路面设计[C].北京:人民交通出版社,2003
[2]JTG D40-2002公路水泥混凝土设计规范[S].北京:人民交通出版社,2002
复合路面结构 篇8
1.1 基本假定
沥青路面和AC+RCC复合式路面均由面层、基层、底基层、垫层和土基组成。不同之处在于, 前者的面层只有AC层, 而后者的面层由有限尺寸RCC板和AC层组成。对这两种路面结构进行荷载应力分析之前, 作以下假定:
(1) 各层材料具有线弹性;
(2) 各结构层之间完全连续;
(3) RCC板的四周面为自由面;
(4) 地基为弹性半空间体。
1.2 有限元模型
用有限元计算路面结构时, 其收敛性不仅与单元的合理划分有关, 而且与所取的空间区域大小有关。当计算范围足够大、单元的疏密程度与场变梯度基本相适应时, 计算结果收敛于精确解。在实际的路面结构中, 地基为弹性半空间体, 为了使其无限大特性在计算中得以体现, 就需要考虑地基的空间尺寸范围。经过对地基不同尺寸进行误差分析, 地基尺寸拟定为:8m×8m×8m (沥青混凝土路面) , 10m×20m×6.5m (复合式路面, RCC板尺寸通常取5m×12m, RCC板下的结构采用扩大尺寸) 。模型的边界条件为:
①对于沥青路面结构, 地基底面固定, 顶面自由, 侧面约束其法向位移;
②对于复合式路面结构, 地基底面固定, 顶面自由, RCC板与沥青面层均假定为自由面。荷载作用区域网格划分较密, 单元尺寸约为2cm, 远处网格逐步扩大。
1.3 计算参数
车辆荷载采用标准轴载BZZ-100, 轮胎接地压强p为0.7 MPa;单轮传压面当量圆直径d=21.3cm, 两轮中心距1.5d。轮胎与路表的摩擦系数取0.2。
两种路面结构计算参数见表1和表2。
2 计算分析
本文采用三个指标来描述:弯沉、最大主应力、最大剪应力。在通常计算中, 最大主应力计算点位于经过双圆范围内某点且垂直于路表的直线上, 但是对于沥青层来说, 这个计算点上的应力一般均为压应力, 最大主应力值为负值。所以, 本文计算中将计算沥青层层面整个范围的应力值, 并取最大值作为最大主应力值。
考虑到两种路面结构的AC层厚度不一样, 为了使二者具有可比性, 本文取AC层同一深度处的数据进行分析, 见表3。其中, “路1”表示沥青路面, “路2”表示AC+RCC复合式路面。
总体上讲, 考虑水平荷载作用的各项应力指标都比只受垂直荷载作用时要大一些, 而弯沉值基本不变。在相同荷载作用下, 沥青路面的弯沉值远大于复合式路面, 前者是后者的两倍有余。路表最大主应力和中面层底面最大主应力均以复合式路面为大, 对于只受垂直荷载作用的情况, 两者的比率分别为63%和43%;考虑水平荷载作用时, 其比率分别为67%和34%。对于表面层底面最大主应力, 则沥青路面要远大于复合式路面, 其比率为360% (只受垂直荷载作用) 和256% (考虑水平荷载) 。沥青路面和复合式路面的路表最大剪应力、中-下面层间最大剪应力基本持平, 在考虑水平荷载时, 后者的路表最大剪应力略大于前者 (比率约为77%) 。两者的表-中面层间最大剪应力基本相等, 后者略大于前者, 其比率为89% (只受垂直荷载作用) 和92% (考虑水平荷载) 。
3 部分参数变化对荷载应力的影响
3.1 面层厚度变化对荷载应力的影响
参照《公路沥青路面设计规范 (JTG D50—2006) 》, 取表面层 (细粒式AC) 的厚度分别为2cm、3cm、4cm、5cm、6cm, 取中面层 (中粒式AC) 的厚度分别为4cm、5cm、6cm、7cm、8cm, 其它参数同表1和表2。相应的变化规律见表4、表5、图3、图4。其中, 弯沉差表示沥青路面的弯沉与复合式路面的弯沉之差, 因为个别指标的符号会发生变化, 所以不对其取绝对值, 但在分析的时候, 对其取绝对值。下文的应力差意义相类似。
由表4、表5可见, 随着表面层和中面层厚度的增加, 弯沉差均线性减小, 其减小速率分别为0.58×0.01mm/cm, 0.54×0.01mm/cm。
由图1可以看出, 随着表面层厚度的增大, 表面层底面最大主应力差的绝对值呈现出先增大后减小的趋势;表-中面层间最大剪应力差的绝对值则先减小后增大;路表最大剪应力差、中面层底面最大主应力差的绝对值线性减小, 但变化速率很小;路表最大主应力差和中-下面层间最大剪应力差的绝对值均逐渐增大, 其中, 路表最大主应力差对面层厚度变化比较敏感。
在图2中, 随着中面层厚度的增大, 表面层底面最大主应力差的绝对值呈线性增大之势;表-中面层间最大剪应力差的绝对值先增大后减小;路表最大剪应力差的绝对值逐渐增大;其它应力指标随中面层厚度变化的规律与随表面层厚度变化的规律相似。
3.2 面层弹性模量变化对荷载应力的影响
取表面层的弹性模量分别为1200MPa、1300MPa、1400MPa、1500MPa、1600MPa, 取中面层的弹性模量分别为1000MPa、1100MPa、1200MPa、1300MPa、1400MPa, 其它参数同表1和表2。相应的变化规律见表6、表7、图3、图4。
由表6、表7可见, 随着表面层和中面层弹性模量的增大, 弯沉差均线性减小, 其减小速率大致相等, 约为0.001×0.01mm/MPa。
由图3可知, 随着表面层弹性模量的增大, 表面层底面最大主应力差的绝对值呈现出先增大后减小的趋势;路表最大主应力差、表-中面层间最大剪应力差、中-下面层间最大剪应力差的绝对值近似为线性增大;路表最大剪应力差和中面层底面最大主应力差的绝对值近似为线性减小, 其中路表最大剪应力差从负数逐渐变为正数。
在图4中, 随着中面层弹性模量的增大, 表面层底面最大主应力差的绝对值递增, 但是增大的速率逐渐减小;中面层底面最大主应力差、路表最大剪应力差、中-下面层间最大剪应力差的绝对值近似为线性增大;路表最大主应力差、表-中面层间最大剪应力差的绝对值近似为线性减小。
3.3 超载率变化对荷载应力的影响
取作用于路表的垂直荷载的超载率分别为0%、20%、40%、60%、80%、100%, 其它参数同表1和表2。相应的变化规律见表8、图5。
由表8可知, 随着超载率的增加, 弯沉差线性增大, 其增长速率约为2×0.01mm/10%。
从图5可见, 随着超载率的增加, 各项应力差的绝对值均呈线性增大的趋势, 其中增长速率最大的是路表最大主应力差, 为0.0055MPa/10%;增长速率最小的是中面层底面最大主应力差, 为0.0011MPa/10%。
5 结语
(1) 考虑水平力的作用时, 除了弯沉不变外, 沥青路面和复合式路面之AC层的各项应力指标都比只受垂直荷载作用时要大。
(2) 两种路面结构的弯沉差随着面层厚度的增加、面层弹性模量的增大而线性减小, 随着超载率的增大而线性增大。
(3) 超载率的增大使得各项应力指标的差值都线性增大。
(4) 随着面层厚度的增加、面层弹性模量的增大, 两种路面结构的各项应力差均表现出明显的规律性, 在路面结构的AC层设计中, 可以根据需要对某一参数加以控制。
摘要：为研究沥青路面和AC+RCC复合式路面这两种路面结构的AC层之间的应力状态有何异同, 对其进行ANSYS数值模拟分析。通过仿真计算, 求出它们在相同荷载作用下的荷载应力, 进而给出规律性的结论, 为路面结构的AC层设计提供参考。
复合式沥青路面防治反射裂缝 篇9
1 增加沥青层的厚度
在德、法、英、比利时、西班牙、奥地利等国家是采用典型结构法, 并通过适当增加面层的厚度等措施来减少反射裂缝。沥青加铺层设计主要是加铺层厚度计算, 此厚度由行车荷载和减缓反射裂缝的要求确定。有关文献表明, 加40mm沥青加铺层可减小10mm水泥混凝土下面层厚度。因此, 沥青加铺层的主要作用是提高路面的表面使用功能, 而对承载作用贡献不大, 水泥混凝土板是主要的承载层。
增加沥青层的厚度, 能延缓反射裂缝的出现, 但过厚不仅不经济, 而且易出现车辙。根据《公路水泥混凝土路面设计规范》 (JT-GD40-2002) , 高速公路和一级公路的沥青层最小厚度宜为10cm, 其他等级公路的最小厚度宜为7cm, 且一般采用两层密实型沥青混凝土结构。
2 铺设应力吸收层
目前, 在国内常用的应力吸收层有沥青橡胶层和STRATA反射裂缝应力吸收系统。
2.1 沥青橡胶层。
沥青橡胶应力吸收层 (SAMl) 起着一种软介层的作用, 它能把接缝位移引起的应力完全消散在夹层中。其施工方法为:把一种橡胶沥青加热到180℃时, 以1.22~1.63kg/m2的用量洒铺, 再趁热撒布预先拌好的等粒径砂 (14kg/m2) , 厚度为9~13mm。
2.2 STRATA反射裂缝应力吸收系统。
STRATA反射裂缝应力吸收系统是一种专门用于水泥混凝土路面的沥青罩面方法, 包括应力吸收层和罩面层两部分。它不但可以延缓反射裂缝, 还可以消减行车载荷在水泥板接缝处产生的位移对表面层的疲劳破坏, 特别是对防止水对路面基层侵蚀的作用非常明显。
3 设置大粒径沥青碎石过渡层
在水泥混凝土与沥青罩面层间设置大粒径沥青碎石层, 这种混合料的集料最大粒径达4~5cm, 所含细集料极少, 集料颗料间嵌挤良好, 沥青含量在2.5%~3.5%之间。因此, 有良好的抗变形能力, 并能减少和延缓反射裂缝。该技术在国内外应用获得了成功。其应注意的问题包括:防止沥青混合料运输过程中沥青发生析漏;应确保压实充分, 形成稳定的沥青碎石层;应确保排水通道畅通, 防止积水。
4 土工织物法
土工织物 (如土工布或玻璃纤维格栅) 也常常用于水泥路面与沥青罩面中间层, 其目的是改善沥青罩面层的受力性能和抗变形能力。但在实际应用中, 只有少数工程达到了减少和延缓反射裂缝的作用, 不能防止反射裂缝的产生。有相当多的项目却没有作用, 在经历一个冬季后很快出现反射裂缝。主要原因是在施工中没有拉紧 (要求张拉伸长率达到1%~1.5%) 土工布或玻璃纤维格栅, 不能和沥青罩面协同受力、变形。
土工织物对沥青混凝土起着加强的作用, 而且也是一种有效的防水层。必须用沥青黏结层填充织物的孔隙。如果织物的接缝很宽, 又没有填充, 便没有足够的沥青渗入纤维织物, 织物也就起不到防水的作用。当然土工织物的物理及力学性质, 要满足路用性能的要求, 即抗腐蚀、耐热、抗拉强度、顶破与撕裂强度及变形特性等。施工时, 应先清扫水泥混凝土路面, 洒一定量阳离子乳化沥青, 铺土工织物, 并立即铺筑沥青混凝土。一般沥青混凝土的厚度在5cm以上。据有关资料介绍, 铺设一层土工织物, 其预防反射裂缝的效果相当于修3~4cm沥青混凝土。目前, 在我国聚酯玻纤布在复合式沥青路面中应用较广, 具体各工序施工要求如下:
4.1 清理旧有路面。
首先一定要用清洁工具将路面清扫干净;将路面上尖锐的部分予以铲除;对于路面严重裂缝、破碎处, 应铲除其破碎部分, 并且采用沥青混凝土或沥青砂修补原有缝裂、坑槽、找平;凹处较严重时, 应采用沥青混凝土填平。在安装前, 路面应当干燥, 没有污物、尘土和碎石。
4.2 接缝处理。用高压空气清除接缝内杂物 (水、脏物、土、杂草、油脂、废物等) ;接缝采用沥青混合料 (沥青及石粉混合料) 填充。
4.3 喷洒沥青黏层。
根据旧路面的粗糙度和聚酯玻纤布的饱和量及温度限制, 黏油的用量一般控制在0.8~1.2kg/m2之间;热溶沥青的喷洒温度应控制在160~180℃之间;喷洒机械最好用小型的手工控制洒布机械, 热沥青的喷洒宽度应该要比聚酯玻纤布宽5~10cm左右;喷洒要均匀, 切忌黏层油量不足或条纹状喷洒。施工的关键工序是喷洒沥青黏层。
4.4 铺设聚酯玻纤布。
技术要求:平整无折、皱, 并及时铺设 (在喷洒沥青高温状态下) , 铺设可采用人工及机械铺设, 接口处应相互搭接15cm。
4.5 铺设沥青混凝土面层。采用热拌、热铺沥青混凝土, 沥青混凝土罩面层厚度以不小于5cm为宜。
4.6 碾压。
碾压时压路机从路边起压向路中, 双轮式压路机每次重叠宜为30cm。不得在新铺沥青混凝土上转向掉头及左右移动或突然刹车。
5 采用加筋沥青混合料或改性沥青混合料
水泥板的接缝或裂缝是不可避免的, 也难以在层间阻止裂缝的反射, 因此采用抗裂性能好的罩面材料是必由之路。使用数量较大的软沥青虽改善了抗裂性能, 却易造成车辙和泛油。因此, 可在沥青混合料中掺加聚丙烯或聚脂合成纤维, 增加混合料的抗拉强度。这种混合料能通过特制的裂缝反射试验机测试其在轮载作用下的断裂特性, 却不能获得其对温度应力的影响。该技术在国外获得了良好的效果, 是当前防反射裂缝方面的前沿课题之一。
综上所述, 不难看出目前的各种技术均无法解决反射裂缝问题。因此, 应集中研究控制裂缝的严重程度。目前正在使用的一种方法, 就是在沥青层上锯缝并进行密封。这既可以防止水或异物进入, 且有利于释放沥青层内的应力。这种处理方法, 可以减少反射裂缝处的剥落, 尤其在设接缝的配筋长路面板上的沥青混凝土层更有效。
摘要：复合式沥青路面为了解决反射裂缝问题, 常用的措施有:提高基层强度与刚度, 或横缝设传力杆, 以减小相邻板弯沉差;提高沥青混合料的强度和抗拉伸性能;从结构设计上着手解决, 如在水泥混凝土板与沥青层之间设置沥青橡胶层、沥青砂层、沥青混合料连接层 (过渡层) 、土工织物、钢丝网、油毡、锯口封缝等。本文介绍几种复合式沥青路面防治反射裂缝的技术措施。
关键词：复合式沥青路面,反射裂缝,防治措施
参考文献
[1]于淑杰.沥青路面反射裂缝处治措施探讨[J].建筑科技, 2007.
刚柔复合式路面研究及应用现状 篇10
关键词：刚柔复合式路面,应用,现状
1 概述
水泥路面和沥青路面是高等级公路路面结构的两种主要形式,各有优缺点。在我国,作为刚性路面代表的水泥路面大多修建于上世纪90年代,且发展极为迅速,公路与城市道路水泥混凝土路面总里程已超过30万公里,目前仍以每年2万公里左右的速度增长,我国已成为世界上水泥路面拥有里程最多的国家。水泥路面的修建,不仅发展了道路交通事业,而且还带动了沿线经济和社会的发展。但是,就国内目前水泥混凝土路面的使用状况而言,存在着不少问题。集中体现在以下几个方面:(1)大部分早期修建的水泥路面,由于对交通量增长估计的不足,加之超载现象普遍,许多水泥路面承载力不足,出现严重的断板,路面整体性削弱,强度及稳定性大大衰减。(2)水损坏严重。许多水泥路面接缝密水措施处理不当,填缝料质量不可靠,使用不久便失效,根本无法阻止水的进入,导致基层长期遭受水的侵蚀,最终导致板底脱空,出现各种形式的断板。(3)水泥混凝土路面的维修问题。水泥路面的养护及维修问题一直以来都是道路工程界一个比较头疼的问题,这在一定程度上也制约了水泥路面的进一步发展和应用。因此,针对旧水泥混凝土路面的养护和维修问题开展研究具有重要的现实意义,对这一问题的研究应该包括三个方面:(1)养护维修的机械设备问题;(2)养护维修的材料问题;(3)养护维修的施工工艺问题。
2 刚柔复合式路面的产生
目前,针对旧水泥混凝土路面的维修改建措施主要是采取加铺新的面层。其中主要包括两种基本的加铺方式:一种是加铺沥青混合料面层,一种是加铺新的水泥混凝土面层。加铺沥青混凝土面层能有效的改善旧水泥混凝土路面的使用性能,提高路面行驶的舒适性。同时,加铺沥青面层能有效的利用旧水泥路面的强度,且施工便捷,对交通和环境影响小。因此,在国内外的旧水泥路面改建工程中,加铺沥青层十分普遍。水泥混凝土路面加铺沥青面层形成了一种刚柔性的复合式路面结构,它不仅具有沥青路面行车舒适和噪音小的优点,还具有水泥路面强度高、承载能力大和稳定性好的特点。但是,对刚柔性路面结构形式我们还缺乏深入细致的研究,目前的实际情况是工程实践走在理论研究的前面。
3 刚柔复合式路面存在的问题及解决途径
就工程实际应用来看,主要问题集中在两个方面:一是刚柔性界面的处理技术。如何做好刚柔界面的粘结与防水处理对加铺后路面的强度、稳定性、耐久性具有十分重要的作用。二是反射裂缝的防治问题。旧水泥路面原有的接缝及在使用过程中产生的裂缝很容易反射到沥青面层,而实际工程中,沥青加铺层厚度均不会太大,一般在4cm到6cm。因此,反射裂缝是旧水泥混凝土路面加铺沥青层面临的最主要的病害,如何防治反射裂缝一直都是国内外道路研究者所关注的热点问题。除此之外,在许多的桥面铺装结构中,也经常采用沥青混合料作为面层的铺装材料。从广义上讲,这也属于刚柔性复合路面结构。刚柔界面的处理对铺装层的使用性能也是至关重要的。从目前大多数桥面沥青铺装层结构的破坏来看,主要集中在沥青面层的开裂、沥青层与桥面板剥离、沥青面层的水损坏等。究其原因,主要还是由于刚柔界面的处理不当引起的。对于桥面铺装结构而言,界面的处理不仅要考虑足够的粘结强度,还要注意防水处理。作者认为,桥面铺装结构的防水要比路面加铺结构的防水更为重要。
因此,从综合分析刚柔复合式路面结构的损坏来看,加强对刚柔界面的处治都是十分重要的。总的来说,刚柔界面的处理主要包括以下几个方面:(1)界面处理材料的选择。作为界面处理材料,应该具有良好的粘结性能和不透水性能,并且应该具有良好的适应变形的能力。(2)水泥混凝土板的处理。实践表明,水泥混凝土板的处理对提高刚柔界面的强度(粘结强度、抗剪强度),尤其是抗剪强度有十分重要的作用。(3)界面处治的施工工艺问题。主要是施工过程中如何确保界面的处治质量。从目前的实际工程来看,许多界面处治过后并没有达到预期设计的要求,分析过后,发现还是由于施工不当的原因。从桥面铺装来看,许多防水层在施工过后,其防水性能都有不同程度的下降。原因在于界面层的材料很脆弱,而且厚度又很薄,通常只有几个毫米,稍不注意就会被破坏。因此,必须加强和重视在施工过程中对界面层的保护,避免施工机械和工作人员对界面层的破坏。
4 刚柔复合式路面研究及应用概况
在水泥混凝土上加铺沥青混凝土面层,即修筑刚柔性路面结构,不仅可以减少沥青用量(与柔性路面相比),又可以弥补刚性路面的不足,这样刚柔相济,大大改善了路面性能。这种路面结构在国内外的公路和水泥混凝土桥沥青面层铺装结构中都得到了广泛的应用。但是,目前国内外大多数的研究主要集中在桥面铺装结构的防水粘结层的研究,研究的重点也是集中在粘结层的材料及结构组合形式,而针对水泥路面加铺沥青面层的研究主要是研究沥青加铺层的受力特点,加铺层的厚度设计等,且没有形成统一的设计理论与方法,专门针对刚柔性路面之间的界面特性及处治措施的研究非常少。
4.1 国外研究及应用概况
对于水泥混凝土+沥青混凝土复合式路面,在国外研究和应用较早。20世纪30年代英国修建了连续配筋混凝土(CRC)层上加铺沥青层的路面结构。美国近年来在高速公路拓宽中,把新铺并表面拉纹的水泥混凝土路面作为承重层,其上铺筑沥青混凝土,收到良好效果。
碾压混凝土(RCC)加沥青混凝土(AC)复合式路面结构的修筑是近年发展起来的。1985年西班牙某高速公路拓宽车道的施工,在基层为15cm厚的水泥稳定层上铺筑了23cm厚的碾压混凝土层,碾压混凝土上加铺了5cm厚的热拌沥青混合料。1989年1月澳大利亚Penith市在水泥稳定基层上修筑了RCC+AC复合式路面。巴西一些城市在市区承受中等交通和重交通的道路上成功修筑了复合式路面。1988年日本在某停车场对RCC作为沥青混凝土下层的适应性进行了研究,并将这种结构形式写进了1990年6月出版的《碾压混凝土路面技术指南(草案)》中。在美国,CRC+AC复合式路面结构形式较多用于旧路维护,50年代就用沥青加铺层来修复PCC、CRC路面,用以改善荷载承受能力,提高路面的表面性能。
以上是国外刚柔复合式路面的实际应用情况,对于其设计理论与设计方法,国外一些道路工作者也进行了一些初步计算与分析。英国Gregory曾建议将CRC+AC复合式路面的CRC层厚与AC作相关计算,用弹性理论分析计算沥青表层复合结构的作用。日本将沥青层表面作用的荷载按45度角扩散到混凝土板上,按阿灵顿半经验公式计算板底应力。前苏联则按应力扩散角考虑沥青层的影响之后,用弹性地基上无限大板计算板的荷载应力。Luther等人运用线弹性断裂理论对这一问题进行计算和分析,并进行室内试验验证,提出反射裂缝增长速率的计算模型。Majidzadeh等人运用二维有限元法对沥青加铺层内的应力进行了分析,认为这种路面的裂缝主要是由于温度变化而引起混凝土板水平位移和翘曲产生的,并提出了计算面层拉应力的方法。1988年,Krauthammer等人用二维有限元计算了PCC-AC复合式路面结构接缝的传荷能力,分析了沥青层中垂直与水平的拉、压应力、最大弯沉和最大剪应力,接缝处引入杆单元和梁单元。1990年,Mahmoud等人对水泥混凝土基层上的沥青层利用八面体进行了分析研究,提出了沥青层的临界厚度。
4.2 国内研究概况
在国内,“七五”期间,开展了《我国水泥混凝土路面发展对策及修筑技术研究》(国家科技引导性项目N0.025),其中对水泥混凝土(双层板)复合式路面设计理论与方法进行了研究;“八五”期间交通部科技立项,长安大学、全国水泥混凝土路面技术委员会、河南省交通厅、安徽省高速公路管理局、江苏省公路管理局、西安公路科学研究所等单位承担了《碾压混凝土与沥青混凝土复合式路面修筑技术研究》,对RCC+AC复合式路面从设计理论、设计方法与参数选用到施工技术进行了深入的研究,取得了一定的成果;同时长安大学承担了《碾压混凝土加铺沥青混凝土复合式路面结构设计理论与方法研究》,1993年被列为国家自然科学基金资助项目。东南大学的俞建荣等对碾压水泥混凝土加沥青混凝土复合式路面的温度梯度进行了较详细的研究。国内近年来对RCC+AC复合式路面研究较多,并在全国修筑了较多的工程实体,但这些实体工程的使用情况并不理想,应用的工程较少。
对于复合式路面的理论计算,我国也分为弹性层状体系法和有限元法。长安大学的王秉纲、胡长顺等对碾压水泥混凝土与沥青混凝土复合式路面结构设计理论与方法进行了系统研究,采用八节点等参元对复合式路面的荷载应力与温度应力进行了计算与分析,研制了临界荷位时板底最大应力计算诺谟图,结合室内试验、试验路及实体工程的研究,提出了复合式路面结构设计方法。长沙理工大学的李宇峙、张起森等用线弹性断裂力学理论进行沥青加铺层厚度设计。同济大学、空军工程学院等应用空间等参元、层状体系理论、断裂力学等对PCC+AC复合式路面结构进行了初步分析。
5 结语
总的来说,国内外对水泥混凝土路面加铺沥青层结构的研究还处于初级阶段。研究的重点大多集中在面层沥青混合料的厚度计算以及水泥混凝土板加铺后的受力变化,对反射裂缝的研究主要集中在技术措施层面,没有对各种处治措施做深入的理论分析。对刚柔性路面的研究主要存在以下几方面的问题:(1)刚柔复合路面结构模型的建立;(2)对旧水泥混凝土路面的评价;(3)刚柔界面的处理。此三个方面将是今后刚柔复合路面研究的重点。
碾压混凝土基层沥青路面结构分析 篇11
关键词：路面工程；沥青路面；碾压混凝土；结构分析
中图分类号： TU37 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）07（c）-0000-00
碾压混凝土（Roller Compacted Concrete 简称 RCC）是一种单位用水量较少、坍落度为零的超干硬性混凝土[1]。使用硅酸盐水泥、火山灰质掺和料、水、砂、外加剂和分级控制的粗骨料拌制成无坍落度的干硬性混凝土，采用与水泥稳定碎石基层施工相同的运输及铺筑设备，用振动分层压实，适用于大体积混凝土工程[2]。碾压混凝土基层的优点是：工期短、经济、高弯拉强度、高弹性模量、耐久性路面、优良的抗水损害性能、优良的抗温度疲劳性能、降低了建设期的调价分析[3]。这些优点使得碾压混凝土基层特别适用于高速、重载下的高等级公路路面结构。本文采用有限元方法，对比分析碾压混凝土基层与半刚性基层沥青路面弯拉和剪切力学响应。
1计算方法
车辆荷载通过轴载作用在路面上，由于轴的对称性，路面结构在车辆荷载作用下的力学响应分析仅需考虑半边轮载的作用。表征车辆轮载作用下路面结构力学响应特性的最简单方法是将路面结构简化为多层体系。弹性多层体系在圆形均布荷载作用下的计算图示如图1。其中，轮载为标准轴载0.7MPa， 其转化为平面问题后，施加的荷载大小为117371Pa，双圆荷载半径=10.65cm，轮距3=31.95cm，初步拟定的路面结构如图2、图3所示。
根据国内《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006），以及参考国内外经试验实践证明的常用的参数，在本项目中路面结构计算分析中所采用的材料力学参数如表1所示。
模型深度取3m，宽度取6m，模拟路面结构采用CPE8R（8节点二次平面应变缩减积分单元）单元，分析类型为平面应变。路面结构有限元分析如图4。
图4 路面结构有限元分析模型
2计算结果与分析
2.1基层开裂后沥青层底弯拉应力分析
根据南非路面研究结果，水稳基层一般在第3年后出现收缩裂缝，5年后出现荷载裂缝，8年后水稳基层碎裂成粒料。结合我国实际情况，建议模量逐年衰减取值如表2所示。
RCC路面结构与CTB路面结构在衰减年限内沥青层层底拉应力对比，如图5所示。
图5 不同路面结构沥青层底弯拉应力随模量衰减曲线
当RCC模量衰减到很低时（20年左右），即当RCC衰减成碎石时，模量取值为200MPa，瀝青层底由压应力转变为拉应力，拉应力为213723Pa。
当RCC为40cm，模量衰减为200MPa时，轮中心处沥青层层底拉应力为188157Pa。
2.2沥青面层与基层之间剪应力分析
碾压混凝土RCC基层沥青路面结构沥青面层与基层之间剪应力云图如图6所示。
图6 碾压混凝土RCC基层沥青路面结构沥青面层与基层之间剪应力云图
由应力云图可知，荷载外缘附近剪应力值大于内缘处，应力等值线以轮缘为中心向四周扩散，层间剪应力最大值出现于轮缘外侧，沥青面层与RCC基层层间剪应力为353603Pa。
含水泥稳定碎石基层（CTB）沥青路面结构沥青面层与基层之间剪应力云图如图7所示。
图7 水泥稳定级配碎石CTB基层沥青路面结构沥青面层与基层之间剪应力云图
由应力云图可知，荷载外缘附近剪应力值大于内缘处，应力等值线以轮缘为中心向四周扩散，沥青面层与CTB基层层间剪应力为271559Pa。相比两种路面结构，与半刚性基层比，RCC模量大，从而导致沥青层与基层之间剪应力较大。与水泥稳定基层相比，面层与基层之间的剪应力增大了30.1%左右。
3结语
采用有限元方法，对比分析碾压混凝土基层与半刚性基层沥青路面弯拉和剪切力学响应。结果表明：
（1）两种结构的路面随着年限的增长，基层逐渐开裂，面层与基层模量衰减，相比之下基层的模量衰减更为迅速，导致第9年开始，含水泥稳定级配碎石基层（CTB）沥青层底由受压状态转为受拉状态。相比较而言，RCC基层初期模量值比水泥稳定碎石基层大得多，15年衰减后其模量值仍达到2000MPa，因此沥青层底一直处于受压状态。当RCC模量衰减到很低时（20年左右），即当RCC衰减成碎石时，模量取值为200MPa，沥青层底由压应力转变为拉应力；
（2）与半刚性基层比，RCC模量大，从而导致沥青层与基层之间剪应力较大。与水泥稳定基层相比，面层与基层之间的剪应力增大了30.1%左右。
参考文献
[1] 刘数华，曾力，吴定燕.碾压混凝土抗裂性能研究[J]重庆建筑大学学报，2002，24（5）：71-75.
[2] 凌建明， 西绍波.碾压混凝土在机场场道工程中的应用[J].同济大学学报， 1997（5）： 598-603.
复合式路面层间剪应力分析 篇12
近几年来,我国在道路工程方面取得快速的发展,许多新兴的技术手段被运用到施工当中。在水泥混凝土路面上铺设沥青,成为现在比较常见的一种方式,这就形成了一种混凝土和沥青混凝土组成复合式路面结构。这样做的好处,不但可以节省沥青的使用量,而且还可以弥补纯沥青路面刚性要求不足的缺点。虽然如此,复合式路面本身也存在着隐患,比如上层的沥青和下层的混凝土分层铺设,模量方面相差比较悬殊、变形协调性差。特别是在外部环境气温比较高,或者承载车辆质量比较大的时候,这种复合式路面很容易发生剪切侧滑的破坏,所以粘结层材料的选取和厚度布置就成为改善符合路面抗剪性能的钥匙,对于提高道路工程的寿命有着深远的影响。国内外很多道路方面的专家都致力于复合式里面的层间最大剪力,尤其是剪切角度的研究,但是始终没有取得定论。笔者在弹性层间状体系理论的基础上,运用BISAR3.0程序分析了对混凝土沥青复合式路面的层间最大剪力、剪切角以及其变化规律,为提高层间抗剪能力提供了理论基础。
1 确定结构的基本计算参数
首先采用混凝土沥青复合式路面建立三维模型,然后运用BISAR3.0程序分析在荷载作用下层间的剪应力和剪切角。在路面层间结构是完全连续不间断的,沥青层和水泥混凝土层是均匀的,路面结构层间四周水平位移均为零,不计算本身材料的自重等理想状态下,荷载取单轴双轮组100 k N垂直均匀分布的标准轴载,轴压的半径为10.65 cm。水平方向的荷载按紧急刹车状态计算,那么路面结构的参数选取如下:
沥青混凝土层:回弹衡量为1 200 MPa,泊松比为0.3,厚度取10 cm。水泥混凝土层:回弹衡量为30 000 MPa,泊松比为0.15,厚度取20 cm。水泥稳定碎石基层:回弹衡量为1 500 MPa,泊松比为0.25,厚度取30 cm。土基础:回弹衡量为40 MPa,泊松比为0.4。在得到数据的基础上建立坐标系,坐标的原点设在双圆荷载的中间,x轴与汽车的行驶方向保持一致,y轴为路面的横向,z轴竖直向下。经过周密的计算,在完全结合状态下,当x取9.585 cm,y取15.975 cm时,层间的剪力最大。
2 层间应力的分析
为了模拟实际情况下路面层间在行车荷载下的受力情况,进行室内斜剪试验。粘结层与水平之间的夹角,我们称之为剪切角,它的取值应该是层间最大剪应力和轴压半径的比值的反正切值。
1)沥青混凝土层模量的影响。影响沥青模量的因素有很多,最为明显的是外界环境温度和外部荷载。随着时间的变化,温度越高,沥青的刚性越小,沥青混凝土的模量越低。根据之前得出的数据,把控制点定在坐标(9.585,15.975),沥青的层厚取10 cm,沥青混凝土的模量为500 MPa,1 500 MPa,2 500 MPa,3 500 MPa,4 500 MPa时,计算沥青混凝土的层间剪力分别为0.262 3 MPa,0.256 2 MPa,0.251 7 MPa,0.248 4 MPa,0.245 8 MPa。剪切角分别为:31.35°,31.29°,31.33°,31.44°,31.58°。从计算结构不难看出,随着沥青混凝土层间模量的不断增大,层间的最大剪力和剪切角都是减小的趋势。模量从500 MPa上升到4 500 MPa的过程中,层间最大剪力减小了6.2%左右,剪切角虽然也变小,但是幅度很小,所以得出,沥青混凝土模量对计算结果的影响并不是很大。
2)沥青混凝土厚度的影响。控制点依旧取在(9.585,15.975),沥青的模量控制在1 500 MPa不变,改变沥青混凝土层厚度,根据计算结构得出的沥青混凝土层间剪力和剪切角变化数据如下:
沥青层间厚度取6 cm,8 cm,10 cm,12 cm,14 cm,16 cm时,层间最大剪力分别为0.326 3 MPa,0.291 3 MPa,0.256 2 MPa,0.223 0 MPa,0.193 0 MPa,0.166 9 MPa。剪切角分别为32.14°,31.98°,31.29°,30.39°,29.43°,28.51°。由计算得到的结果可以看出,随着沥青混凝土厚度的增加,沥青层间的最大剪力和剪切角呈减小趋势。在整个厚度从6 cm上升到16 cm的过程中,层间剪力降幅达到48.8%,剪切角的幅度也达到了11.3%。由此可见,和沥青模量相比,沥青混凝土层的厚度对于层间最大剪力和剪切角的影响是相当显著的,所以,提高沥青层的厚度可以更为有效的减少层间剪力,降低层间剪切破坏的可能性。
3)粘结层模量的影响。约束条件改为沥青混凝土的模量不变,保持在1 500 MPa、厚度保持10 cm不变,粘结层厚度取5 mm不变,首先对沥青层和粘结层的层间最大剪力作用位置是否随粘结层模量变化而变化进行分析研究。计算结果表明,在这一部分,层间的最大剪力依旧发生在x取9.585,y取15.975处。同样的,在混凝土层和粘结层的层间最大剪力作用位置一样是此点。此时,沥青层和粘结层的总厚度为10.5 cm。
控制点依旧设在(9.585,15.975),研究各接触面最大剪力、剪切角随着粘结层的变化规律。当粘结层模量在150 MPa,300 MPa,500 MPa时,沥青和粘结层的层间最大剪力相对50 MPa分别增大32.90%,51.97%,63.16%,剪切角相对50 MPa分别增大19.08%,31.15%,38.36%;混凝土和粘结层的层间最大剪力相对50 MPa分别增大33.24%,52.08%,63.04%,剪切角相对50 MPa分别增大19.62%,31.69%,38.90%。实验结果表明采用低模量的粘结层可以有效降低层间剪应力、剪切角。
4)粘结层模量取50 MPa恒定不变,分析粘结层厚度对于混凝土粘结层层间以及沥青粘结层层间最大剪力的影响。经过计算得出以下结论:a.粘结层厚度为0 mm～6 mm时,沥青粘结层层间最大剪应力依然发生在x方向9.585 cm,y方向15.975 cm处。b.粘结层厚度为6 mm～12 mm的阶段,层间最大剪应力发生在x方向6.39 cm,y方向15.975 cm处。c.粘结层厚度在12 mm～15 mm阶段内时,层间最大剪应力发生在x方向3.20 cm,y方向15.975 cm处。粘结层厚度不同,最大剪力均随着粘结层厚度的增大而变小,且下降最为显著的阶段就是从0 mm～3 mm的阶段。说明在沥青层和混凝土层中间铺设一定厚度的粘结层意义是十分重大的,但是若粘结层厚度不断的增大,收益并不明显,所以需要找到一个合理的平衡点,使收益达到最大。除此之外,确定厚度的时候,还需要考虑粘结层厚度和复合式路面粘结性能是否吻合。目前采用比较广泛的是纤维沥青应力吸收粘结层,采用环氧树脂粘结胶进行连接。经过多方的试验和专家的计算得出结论,当粘结层厚度为3 mm时,层间的抗剪能力最强大。
5)行车荷载与温度综合影响。水平荷载应该考虑在紧急刹车状态下,仍是垂直荷载的1/2。根据大量实验证明,层间最大剪力与行车荷载呈线性增长的关系,而剪切角几乎不随行车荷载的变化而变化,维持在19.7°左右。主要原因是由于质量很大的车体作用在路面上时,层间剪力增加的同时,竖向应力也在按相同比例增加,这就导致剪切角度几乎为一个不变的常数。同时外界温度对于沥青混凝土的模量影响很大,尽管从之前的结论中可知,沥青混凝土模量对复合式路面层间剪力影响不大,但是在南方一些高温地区,夏天的高温仍然会导致层间抗剪强度的下降,加上超载车辆的作用,还是会有发生剪切破坏的可能。
3 结语
经过一系列试验可以看出,沥青混凝土复合式路面层间的最大剪力、剪切角对温度、结构层厚度、材料模量、行车负荷等参数的敏感性。其中不难看出,沥青层的厚度、粘结层的模量、行车荷载这三个方面对于层间剪力和剪切角的影响最为显著。
参考文献
[1]胡长顺,王秉纲.复合式路面设计原理与施工技术[M].北京:人民交通出版社,1999.
[2]王火明,凌天清,肖友高,等.刚柔复合式路面界面层强度特性试验研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2009,28(6):1033-1036.