低噪音沥青路面设计（通用6篇）
低噪音沥青路面设计 篇1
我国改革开放三十年来, 公路交通事业得到了迅速发展, 也带来了交通噪声、环境污染的日趋严重, 己干扰到周边人民群众的正常工作和生活, 尤其在大力提倡环保建设的今天, 公路交通噪声污染逐渐成为沿线居民最关注的环境污染问题, 本文就低噪声沥青路面设计中的有关问题作了初步探讨。
一、环境噪声污染的现状分析
2003年国家环保总局对我国主要城市的交通噪声进行了监测, 监测结果显示, 所有监测道路的交通噪声均值在国家标准昼间7Od B (A) 上下, 其中大部分城市道路交通噪声超标路段达30%以上。这表明城市交通噪声已经十分严重, 到了非治理不可的地步。
交通噪声具有干扰持续、危害性大的特点, 伴随着公路通车里程、车流量、车量通行速度的增加, 公路交通噪声对沿线居民正常生活、工作、学习、休息环境的干扰程度和范围也在加剧和扩大, 在特定条件下甚至成为社会不稳定的因素之一。
二、低噪声沥青路面的特点
目前, 国际上普遍采用改善道路行车环境, 提高轮胎与路面的噪声控制能力的方法降噪。其主要途径有:种植降噪绿化带;采用隔音技术, 在路边建声屏障;改进路面结构形式、改善面层混合料的组成等方面入手, 谋求降低轮胎与路面的噪声技术措施, 即低噪声沥青路面。现在, 低噪声沥青路面在许多发达国家已经成为对噪声要求高的地段的公路, 为提高行车安全及舒适性的优先选择。
低噪声沥青路面在欧洲、美国、日本等发达国家己经发展多年, 我国仍处在研究与试验铺筑的起步阶段。低噪声路面为提升驾乘人员的舒适性和安全性所采用, 采用大量单一尺寸集料, 称作间断级配 (Gap-Graded) 或开级配 (Open-Graded) , 粗料含量达70%-85%, 使空隙率达20%左右, 达到降噪功能, 而沥青混合料的强度则依靠颗粒间的石对石 (Stone on Stone) 接触, 使粗集料产生互锁 (lnterlocking) , 又因颗粒间空隙甚大, 为使沥青有足够膜厚以包裹集料增加耐久性, 而沥青有足够劲度又不会产生流淌 (Draindown) 现象, 多采用粘度较高的沥青或改性沥青, 有时也添加纤维 (Fiber) 或石灰。
低噪声沥青路面的主要特点是空隙率比较高 (一般在20%左右) , 故又称多孔性路面 (Porous Asphalt) , 而这种路面能将路表的水通过空隙及时排除, 故也称排水性路面 (Drainage Asphalt) 或透水性路面。这些均指的是采用大量单一尺寸集料之间断级配, 所构成的高空隙含量沥青混凝土。
低噪声沥青路面的特点如下:
1、良好的降噪效果。
行车噪声由轮胎与路面间空气的抽空与压缩, 轮胎在地面上的振动产生的。低噪声沥青路面在很大程度上消除了空气的抽空与压缩, 因此, 起到了降低噪声的作用。
2、透水性好。
由于具有互通的空隙结构, 孔隙率达15%-25%铺筑厚度为4cm-5cm的低噪声沥青路面存在大量有效空隙, 所以雨天路面不积水。但是, 低噪音沥青路面的透水性是随时间的增加而减弱。这主要是由于空隙阻塞造成的, 而在高速、重载、大交通量的公路上阻塞现象不十分严重。
3、抗滑性好。由于道路表面粗糙度大, 其抗滑性比传统的密实沥青路面较高, 而且在潮湿路面条件下, 大大提高了路面的抗
4、安全性高。
由于路面无积水, 可提高路面与轮胎的附着力, 防止水漂事故的发生, 而且可减少溅水和喷雾, 提高雨天行车的能见度。另外, 由于表面粗糙, 易于形成漫反射, 在白天可以防止阳光耀眼, 在夜晚则能减缓对向车灯的炫目。
三、低噪声沥青路面在国内外的发展及应用
低噪声沥青路面起源于欧洲, 1960年, 前联邦德国首次兴建此种路面, 美国在20世纪50年代己经有许多州开始使用, 法国是推广使用低噪声路面最快的国家之一, 目前总计己铺设了2000万m2, 且正在以每年400万m2的速度递增。日本则在20世纪80年代开始发展。中国的台湾在建造中山高速公路时候已经开始使用。中国大陆于2002年在西安-咸阳机场高速公路上也开始了大面积使用。
四、低噪声沥青路面的材料组成及特性
1、低噪声沥青路面对沥青的要求
低噪声沥青混合料粗粒料多, 细粒料少, 颗粒之间不能形成强有力的嵌锁作用, 混合料的强度主要依靠结合料的粘结作用。作为具有承载能力的路面材料, 其强度是一个极为重要的技术性能指标。低噪声沥青混凝土是由特殊级配的集料、水泥、外加剂、增强剂和水, 按一定比例和特定工艺拌制而成, 其结构属于骨架孔隙结构的开级配, 具有吸声降噪、排水快等特点。但由于其空隙率比较大, 其强度低也是一个需要解决的问题。
2、低噪声沥青材料基层路面结构的初步研究
低噪声沥青路面粗集料颗粒间, 通过硬化的水泥浆薄层胶结, 堆聚结构内部形成孔隙, 因此具有良好的吸声性和透水性。当水泥混凝土受力时, 通过骨料之间的胶结点传递力的作用, 由于骨料本身的强度较高, 水泥凝胶层很薄, 水泥凝胶体与粗骨料之间的胶结面积很小, 因此, 其破坏特征是骨料颗粒之间的连接点处破坏。如能在保证一定空隙率的前提下, 增加胶结点的数量和面积, 提高胶结层的强度, 是提高低噪声沥青混凝土强度的关键。
五、结束语
总之, 由于低噪声沥青路面在发达国家己经有了较好的发展, 己有的工程表明, 其有很好的应用前景和很大的发展空间, 目前在我国还是新生事物, 所以行业有关部门和工程技术人员要关注, 并作进一步的探讨和研究。
摘要：针对目前公路噪声污染的现状, 本文分析了其产生的各种原因, 并着重探讨了新型的理念, 即低噪声沥青路面对改善环境噪声污染所起的作用。
关键词：低噪声,沥青路面,环境保护
低噪声多孔水泥路面结构设计探讨 篇2
1.1 低噪声水泥路面国内外研究现状
早在20世纪80年代, 我国就展开对道路噪声的研究, 当时主要是用来评价公路项目噪声对周边环境的影响。随后, 我国研究工作者提出多孔水泥混凝土路面结构、透水性水泥混凝土路面结构降噪课题, 并吸引了大量科研工作者进行讨论研究, 其中最大的焦点是多孔降噪与强度下降直接的矛盾, 路表功能与降噪之间的矛盾等问题。
在国外, 瑞典、德国等国在研究轮胎噪声技术方面起步较早, 有很多先进的理论成果, 结合路面与轮胎的相互作用进行受力分析, 建模计算, 并制定出相应的执行标准, 相比国内发展更为成熟。
1.2 行车噪声的形成机理
水泥路面行车噪声主要是车辆行驶中车轮和路面摩擦、冲击、振动等相互作用产生的, 相比较沥青路面产生的噪声大。实践证明, 行车噪声的产生主要表现在以下几个方面:1) 空气泵吸作用。在车辆行进过程中, 轮胎的花纹和路面之间会形成一个密闭的空腔。车辆行驶过程中由于轮胎变形, 使空腔前端受压, 压缩后的空气被喷射到大气中, 而后部空腔区由于腔内体积增大产生真空度吸入空气, 这个循环往复的过程即为空气泵吸作用。高压空气在被喷射出去的过程中不断与大气摩擦, 产生噪声, 在行进过程中不间断。水泥路面的表面构造是沿横断面方向布置的, 容易加大空气泵吸作用所产生的噪声。2) 轮胎振动作用。车辆行进过程中, 轮胎与路面摩擦、冲击、振动, 在复杂应力作用下使轮胎振动产生噪声。路面平整度越高, 所产生的振动噪声越低, 而水泥路面的表面构造形式与深度、接缝、平整度等都会使轮胎振动噪声增加。
2 低噪声多孔水泥混凝土路面结构设计
2.1 原材料
低噪声多孔水泥混凝土的主要原材料包括水泥、水、集料等基本原材料, 同时为了保证混凝土施工和易性与强度, 添加减水剂和增强剂等外加剂。
1) 水泥。多孔水泥混凝土是水泥石与粗集料相互胶结而成的骨架结构。而孔隙的增加对水泥混凝土路面结构的强度有很大影响, 因而应采用抗折强度高且耐磨性好的水泥, 即其中C4AF的含量应满足要求, 一般在16%以上。水泥标号宜选择425以上的水泥。
2) 集料。在多孔水泥混凝土路面结构中, 骨料充当骨架, 要求有足够的强度, 其级配、压碎值、最大公称直径、长条扁平比例、单位体积水泥混凝土用量等都应满足规范与施工要求。
3) 水。与普通混凝土要求相同, 在此不再赘述。
4) 减水剂。减水剂采用早强型高效减水剂, 其质量与材料组成应符合相关施工与规范要求。
5) 增强剂。a.硅灰。硅灰的有效成分是活性Si O2, 可以填充在水泥胶凝材料的空隙中, 有效改善与骨料间的界面强度, 进而提高水泥混凝土的强度。b.有机高分子聚合物。由于缺少了细集料的填充作用, 水泥混凝土表层强度降低, 容易产生剥落。有机高分子聚合物有利于提高水泥胶凝体与骨料的握裹力, 提高表层混凝土强度, 进而起到粘结、填充、阻裂和提高粘聚力的作用, 有效防止表层混凝土剥落。
2.2 多孔水泥混凝土配合比设计方法
由于多孔水泥在结构上与普通混凝土区别较大, 传统设计方法不能满足其大孔隙率的要求。在借鉴日美等发达国家先进技术的前提下, 结合我国实际, 提出了多孔水泥混凝土配合比设计方法。
2.2.1 配合比设计参数的确定
1) 目标孔隙率。目标孔隙率一般通过路面力学特性、吸声系数、耐久性等参数确定, 其对其他材料的路用性能有很大的影响。孔隙率一般应控制在15%~20%。
2) 集料级配的选择。集料级配直接影响孔隙率, 进而影响混凝土强度等方面。集料级配的选择应确保VMA、渗透系数、级配不离析、抗压强度高等要求。
3) 集灰 (胶) 比。在水泥混凝土结构中, 胶凝材料填充与混凝土的空隙中, 将各个集料连接在一起, 保证其强度构成, 因而集灰 (胶) 比是直接影响混凝土内部孔隙率的重要因素。设计中, 以集料比表面积为依据, 计算拌制后水泥浆的体积, 进而得到其质量, 最终确定水泥用量。
4) 水灰 (胶) 比。为了使水泥混凝土得到良好的施工和易性和良好的裹覆性, 应尽可能的确定最佳水灰比。同时, 在达到最佳水灰比的状态下, 也会使混凝土强度达到峰值。
2.2.2 搅拌工艺
正确的投料顺序和有效控制搅拌时间是混凝土搅拌的关键, 尤其是外加剂的投放对混凝土整体强度影响最大。其正确的投料顺序一般为:先投入水泥和矿物活性超细粉料搅拌30 s后加入水和减水剂, 搅拌1 min后加入集料, 搅拌30 s后徐徐加入高分子聚合物乳液, 最后搅拌2 min后即可出料。按以上顺序进行搅拌, 可有效控制混凝土孔隙率和强度。
2.2.3 成型方式
应首先考虑室内成型设备是否能够模拟现场压路机碾压效果, 其次考虑尽可能减小对集料级配的选择, 最后尽可能选择简单易操作的成型方式。
2.2.4 养生方式
由于多孔水泥混凝土内部孔隙大, 水分散失速度较普通水泥混凝土大。因此, 试件制作完成后应尽快放入潮湿环境下进行养生, 防止由于水分不足而影响水泥水化, 进而影响其强度。
2.3 确定室内配合比
根据上述试验要求, 制作混凝土试件进行强度试验, 测定其抗压强度、抗折强度和试验中的冲击及飞散情况, 进而选择集料级配、水泥用量、水灰比、外加剂用量, 最终确定室内配合比。现场施工中, 应根据原材料的情况, 进行施工配合比的设计, 以起到指导施工的作用。
3 多孔水泥混凝土路面结构力学性能影响因素
3.1 孔隙率
孔隙率和混凝土强度存在相互矛盾, 孔隙率过大, 强度降低不能满足承载要求。因此, 孔隙率应控制在一个合理的范围内。
3.2 水灰比
随着水灰比的增大, 混凝土的强度变化起初并不明显, 当达到最佳水灰比的情况下, 水泥混凝土的抗压强度和抗折强度都达到峰值, 超过最佳值时强度下降。
3.3 有机高分子聚合物
试验证明, 当聚合物的含量较低时, 对混凝土的抗压强度影响不大, 当聚合物的含量超过10%, 其抗压强度明显下降。而聚合物的掺量对混凝土抗折强度的影响较大, 在2%时抗折强度达到最大。
4 结语
低噪声多孔水泥混凝土路面, 目前已在部分地区推广和使用, 但其仍处于发展和不断完善阶段。通过对已建成低噪声多孔水泥混凝土路面进行调查分析, 对其降噪效果和路面强度进行综合评价, 确定其在降低水泥路面行车噪声方面取得了较好的效果, 能够有效降低对周边环境的行车噪声污染。因此, 采用多孔水泥混凝土路面结构, 是降低行车噪声, 改善行车环境的有效措施, 具有一定的实用意义。
摘要：介绍了低噪声水泥路面在国内外的研究现状, 通过分析行车噪声的形成机理, 阐述了低噪声多孔水泥混凝土路面的结构设计方法, 并探讨了影响该路面结构力学性能的因素, 指出采用多孔水泥混凝土路面结构, 是降低行车噪声的有效途径。
关键词：多孔水泥路面,噪声,力学性能,配合比
参考文献
[1]熊巍, 王泽民.低噪声水泥混凝土路面技术的发展[J].公路交通技术, 2005, 21 (1) :3-5.
[2]金少春, 高培伟, 李小燕, 等.新型低噪声水泥混凝土路面研究与探讨[J].华东公路, 2007, 30 (4) :36-38.
[3]张建兵.低噪声水泥混凝土路面降噪措施研究[J].河北交通科技, 2008, 5 (4) :22-24.
[4]王凯英, 陈辉, 廖明军.低噪声水泥混凝土路面初探[J].市政技术, 2006, 24 (2) :31-34.
低噪音沥青路面设计 篇3
沥青路面早期损坏与结构设计的关系
通过对沥青路面早期破坏现象与路面结构设计中存在的`问题分析,可以看出造成沥青路面结构发生早期损坏的原因是复杂的,下面从几个方面谈对沥青路面早期损坏与结构设计关系的几点认识.
作 者：毛昌伟 作者单位：黑龙江省公路工程监理咨询公司 刊 名：黑龙江交通科技 英文刊名：COMMUNICATIONS SCIENCE AND TECHNOLOGY HEILONGJIANG 年，卷(期)： 32(2) 分类号：U416.217 关键词：沥青混凝土路面 早期损坏 结构设计长寿命沥青路面设计探讨 篇4
近二十多年来我国高速公路迅猛发展, 但由于我国经济基础较差, 技术水平不高, 高速公路沥青路面开始出现各种各样的病害。特别是近些年, 局部地区局部路段的高速公路沥青路面的早期损坏比较严重, 一些高速公路建成通车后不久, 就发生了开裂、水损害、泛油、坑槽、车辙等早期损坏现象, 路面常常达不到设计年限就出现了损坏, 需要进行大修。为了提高沥青路面的性能和使用寿命, 减少沥青路面的病害, 降低沥青路面的维护费用, 我国引入长寿命沥青路面设计理念。
1 长寿命路面概述
长寿命沥青路面, 是指路面设计寿命超过40年, 全寿命期总体费用最经济的路面结构。相对于现有设计寿命为15年的沥青路面, 由于长寿命沥青路面通常采用较厚的沥青层, 其建设期投入成本高, 但其损坏仅限于沥青表面层, 减少沥青路面底面的开裂, 避免结构性车辙, 因此日常养护费用低, 维护方便。国外的长寿命路面追求的寿命是50年, 即50年不进行结构性维修。典型的长寿命沥青混凝土路面可用概念图1表示。
长寿命沥青路面结构分层以及各层功能特点为:
轮载下100~150mm区域是高受力区域, 也是各种损坏 (主要是车辙) 易发区域;
面层:40~75mm高质量沥青混凝土, 能为车辆提供良好的行驶界面, 应具有足够的表面构造深度, 抗车辙, 水稳定性好;
中间层:100~175mm高模量抗车辙沥青混凝土, 能起到连接和扩散荷载的作用, 应具有高模量 (刚度) 和抗车辙特性;
HMA基层:75~100mm高柔性抗疲劳沥青混凝土, 能起到消除疲劳破坏的作用, 由于最大拉应变产生在HMA基层底部, 该区域最易发生疲劳破坏, 所以该层应具备柔性高、抗疲劳能力强、水稳定性好等优点;
路面基础不仅为沥青面层的铺筑提供良好的界面, 而且对于路面的变形、抗冻都是至关重要的。
2 长寿命沥青路面设计理念
2.1 长寿命沥青路面设计指标
(1) 沥青层层底弯拉应变指标。目前路面的结构性破坏之一是路面疲劳开裂。路面疲劳开裂是指在荷载的重复作用下沥青面层弯拉应变引起的, 并由下而上发展贯穿整个沥青面层, 从而引起路面的破坏。长寿命路面设计必须使底面的弯拉应变低于材料的疲劳极限, 这样才能预防或减少路面结构性破坏。在路面设计时, 必须使材料的疲劳寿命大于累计标准荷载。
式中:Nf—实际路面结构中的疲劳寿命;
Nlab—沥青混合料室内试验的的疲劳寿命;
SF—修正系数;
TCF-温度修正系数。
研究表明随着沥青层厚度增加, 层底的弯拉应变逐降低, 因此提高沥青层设计厚度能预防或减少路面疲劳开裂。
(2) 路面面层抗剪指标。路面抗剪指标主要是控制面层局部损坏过早发生, 实际道路中最大剪应力应小于抗剪试验所提的混合料最大抗剪强度。抗剪强度公式:
沥青混合实际的容许剪应力公式:
式中:σα———结构层可能破坏面;
c———材料的粘聚力;
τR——容许剪应力。
研究表明沥青路面最大剪应变发生0~10cm, 特别是中面层剪应变较为突出。
(3) 路基顶面的压应变指标。路基顶面的压应变是各种力学-经验设计方法中普遍采用的另一个指标, 其主要目的是控制路面的总变形量。长期以来, 我国的沥青路面一直以来采用路表弯沉作为路面结构的主要设计和控制指标。认为弯沉指标是一个能够反映路面发生沉陷、网裂等综合强度的指标。但是随着我国近些年来对路面损坏的大量调查, 对弯沉指标指标有了更加深入的认识, 大量工程实践表明采用弯沉作为控制指标, 不能很好地表征路面的使用状况, 即较低的弯沉指标并不意味着较高的路用性能, 相反路面弯沉较小的路面可能会较路面弯沉大的路面破坏的情况严重得多。根据国外的经验和我国很多地方在进行长寿命路面的研究, 采用了路基顶面的压应变作为结构设计指标, 如江苏、山东等。
上海地区资料导出的路基顶面的压应变与路面寿命的关系, 可用下式表示:
式中:εz———表示路基顶面的压应变
2.2 长寿命沥青路面结构层材料设计理念
(1) 长寿命沥青路面结构层材料设计。长寿命沥青路面各结构层材料设计是保证路面良好路用性能的关键, 根据各结构层功能进行路面材料设计, 提出材料指标要求。
(1) 各结构层功能。磨耗层要求抵御车辙、老化、温度开裂和磨耗;中间层要求抵御车辙, 传递、分散荷载;基层要求作为承重层抵抗层底弯拉应变。
(2) 各结构层材料设计。磨耗层材料设计应选择SMA、密级配混合料或OGFC等类型混合料。
HMA中间层材料设计须同时具有耐久性、稳定性和抗车辙性能。耐久性是其抗疲劳性能、水稳定性、抗老化性能的综合反应, 其与混合料的空隙率有密切关系。提高中间层沥青混合料的耐久性能, 可以通过合理选择材料和增加骨料表层沥青膜的厚度来实现。稳定性可以从粗骨料间的骨架结构及采用合适的高等级沥青来获得, 这对面层上部150mm区域是至关重要的。抗车辙性能材料设计时可采用改性沥青、塑料隔栅, 混合料采用骨架嵌锁结构。值得注意的是, 必须考虑粗集料混合料的离析。
HMA基层材料设计要求有一定的抗车辙能力和具有很好的耐久性、优良的抗疲劳性能。HMA基层抗疲劳设计必须使底面的弯拉应变低于材料的疲劳极限, 这样才可预防或减缓路面结构性破坏。可以采用增加混合料的柔性、增加路面的厚度和采用基层材料抗疲劳设计的新方法。
长寿命沥青路面路基设计包括土基、垫层、地基层, 是路面“长寿命”的关键。路基功能要求设计和修筑高强、稳定和均匀的路基, 且设计路面时应将排水性能也作为重要指标, 使路基具有最基本的刚度要求, 以满足整个施工阶段和服务阶段的需要。
(2) 长寿命沥青路面结构和材料设计一体化研究。基本思路为:以材料路用性能为设计的根本, 保证设计的实用性及区域的适用性;将结构设计与材料设计有机结合;在室内进行模拟不同施工环境下混合料性能测试及分析, 以建立不同环境下施工参数与设计参数控制指标关系;结构设计和材料设计的实施效果直接受施工控制的影响, 因此施工控制的指标是结构设计和材料设计必须考虑的因素;设计中应针对具体技术水平提出相应的方案, 保证结构、材料设计指标的实现。
3 长寿命沥青路面设计实例
某高速公路全长78km, 是国内比较有代表性的长寿命路面。它采用了“柔+刚+柔” (沥青混凝土+水泥混凝土面层+沥青联结层, 简称A·P·A) 的路面结构设计新思路。具体结构形式为:石灰土或固化剂垫层+二灰碎石基层+防水连接层+水泥混凝土面层+应力吸收层+改性沥青混凝土面层。如图2所示。
(1) 路基设计:通过冲击压实以及固化剂处理土基两项技术对路基进行处理, 极大地提高了路基的压实度以及整体强度, 提前完成了4cm左右的沉降量, 为整个长寿命路面结构提供了均匀、连续的支撑条件, 保证了整体结构的稳定性。
(2) 基层设计:在二灰稳定碎石基层中掺加了硫酸钠早强剂, 提高了二灰碎石的早期强度, 而且增强了二灰稳定碎石的成型初期的抗干燥收缩的能力与中长期的抗温度收缩的能力。此外, 基层顶部设置了防水联结层, 这样不仅起到了防水功能, 而且实现了混凝土板的“软着陆”, 并能改善半刚性基层对混凝土面板约束状况。
(3) 面层设计:采用28cm厚水泥混凝土面板, 比常规26cm厚混凝土板的极限寿命提高40年左右, 大大提高了水泥混凝土路面的极限寿命。并且创造性地利用了板块划分技术, 采用3m×4m板块划分方式, 大大延长了水泥混凝土面板的使用寿命。另外, 混凝土面板全部缩缝设传力杆, 使行车荷载在板块之间平稳过渡, 防止重载车辆对路面的损坏, 保证了路面行驶的舒适性。
在沥青混凝土表面层下设置了2cm的SBS改性沥青玛蹄脂石屑作为应力吸收层, 起到了很好的防水、防反射裂缝的作用。它所采用的改性沥青稳定密级配混凝土, 可大大缓和行车荷载对水泥混凝土板的冲击振动, 并有利于扩散荷载以及便于养护维修, 对延长路面使用寿命, 增强路面耐久性起到关键作用。
该高速公路的建设实践在一定程度打破了我国高速公路半刚性基层沥青路面一统天下的格局, 促时了长寿命沥青路面在国内的发展。
4 长寿命沥青路面的经济效益
长寿命沥青路面的初期建设费用虽然很高, 但由于其路面性能很好, 能够承受更大的交通量, 按照全寿命成本效益计算更加经济, 主要表现在以下几个方面:
(1) 路面的沥青层厚, 沥青层底不容易开裂, 结构性车辙少。
(2) 路面的损坏仅限于路面顶部 (2.5~10cm) , 不存在结构性破坏, 只要定期进行表面铣刨、罩面修复, 不需大的结构性的重修。
(3) 日常维护比较方便, 维护费用低。
(4) 结构设计寿命达到30~50年;磨耗层寿命10~20年;
(5) 行车舒适, 可维持较高的服务水平等。
总之, 长寿命沥青路面比传统的沥青路面具有较低的寿命周期费用, 特别是重载货物交通道路。如德国修建的道路大部分费用用在初始道路修建, 道路标准较高, 因此服务期内所需维修费用较低, 初期建设费用和后期维修一般比例为95:5。因此在费用周期内可以基本不考虑维修费用。
5 结束语
随着路面设计施工技术的进步、交通量的增加、轴载的加重和频繁的维修带来的费用等一系列问题的产生, 使得人们越发认识到重交通地段修建长寿命路面的必要性, 进行长寿命路面的研究和应用, 具有重要的现实意义。长寿命沥青路面在美国、欧洲、加拿大、澳大利亚甚至于南非都已开展了广泛的研究, 但到目前为止, 其设计方法在设计参数等方面还没有一个统一的标准, 还处在发展与完善当中。我国在引入这种长寿命路面设计理论时, 要注意研究以下问题:
(1) 设计指标:沥青混合料层底部水平拉应变以及基层和路基顶面的竖向压应变是长寿命路面的设计指标。这些指标的设计标准取值影响因素很多, 需要结合我国的原材料性质、混合料类型、土质情况、气候条件和施工技术水平等因素进行研究, 提出适合我国实际的设计标准;
(2) 设计轴载及超载:结合我国交通情况, 确定合理的设计轴载及超载处理方案;
(3) 沥青混合料力学参数:使用长寿命沥青路面设计是采用沥青材料的“动态”回弹模量反映原材料性质、沥青用量、矿料级配、温度等对沥青混合料力学性能的影响, 我国有必要结合国情研究出科学、合理的沥青混合料力学参数确定方法;
(4) 路面设计修正系数:路面设计中的材料参数、力学模型等建立在试验或理论的基础上, 往往对实际情况进行了很多的简化, 如对路面材料、土基完全弹性的简化, 对结构层间连接状态的简化等, 必须在设计中引入相关的修正系数, 来消除这种简化带来的误差;
(5) 路况监测、评价车辙、表面裂缝以及路表功能的丧失都需要通过表层处理予以修复。确定表面修复时间要考虑两个方面:一方面防止表面损坏发展影响路面结构安全、降低路面运营成本;另一方面修复过早会增加路面运营成本, 修复延后会影响路面结构安全和降低服务水平。合理地确定路面修复时机需要借助于完善的路况监测、评价体系和科学的道路运营费用分析系统。
参考文献
[1]长寿命沥青路面设计方法研究[D].西安:长安大学硕士学位论文, 2008.
[2]长安大学长寿命路面结构研究课题组.高速公路长寿命路面典型结构成套技术研究[R].西安:长安大学, 2005.
[3]崔鹏, 孙立军, 胡晓.高等级公路长寿命路面研究综述[J].公路交通科技, 2007, (10) :10-14.
永久性沥青路面设计 篇5
由于当前我国所修建的高速公路中90%以上为半刚性基层沥青路面结构,这种结构承载能力强,板体性强,车辙深度小,水稳定性好,且已成为我国高等级公路主要结构形式。但实践证明,半刚性基层沥青路面有一些不可避免的技术问题,如由于半刚性基层材料的收缩特性而导致的沥青路面早期开裂,半刚性基层材料在行车荷载、水和温度梯度的综合作用下出现的基层唧泥现象,在重交通条件下出现的早期疲劳损坏现象等等。从而使得高速公路早期破坏较为严重,成本较高,为此,从路面结构设计理念上寻找原因,探索新的路面结构形式是必然趋势,从而使得永久性路面的研究工作日益重要。
1 永久性路面设计理念
永久性路面主要是通过改变传统的路面结构组合、应力应变响应指标以及提高材料的物理力学性能,以达到延长路面结构寿命的目的。20世纪以来,永久性路面成为各国沥青路面研究中最热门的课题,美国、欧洲、加拿大、澳大利亚及南非都开展了广泛的研究。欧洲的ELLPG及美国的APA对永久性路面的研究和推广做了大量工作。当前永久性路面设计理念主要分为三块。
1.1 欧洲永久性路面设计理念
欧洲永久性路面的设计基本理念:获得40年使用年限;结构设计要考虑设计标准轴载、荷载、轮胎压力、容易维修、施工适应性及施工速度、安全、耐久和可再生性能等。道路部门在设计施工中需综合考虑上述因素,并最大限度地降低对环境的影响。该路面具有以下特点:①初期修建费用很高,日常养护费较少,总费用效益比最大。②设计使用年限至少40年。③路面损坏只发生在表面层,不存在结构性破坏。④只需要日常养护,不需进行结构性大修。
1.2 美国永久性路面设计理念
美国永久性路面的设计理念:设计的沥青路面能够使用50年以上,采用较厚的沥青层柔性路面,降低了传统的沥青层层底开裂,并避免了结构性车辙。由于道路的损坏仅限于路面顶部(25~100 ram)。
1.3 基于力学的设计理念
对于厚沥青层沥青路面,当沥青层厚度超过一定值时,良好施工的路面结构不会产生源于层底的疲劳开裂和结构性车辙。当标准轴次超过80万次后,沥青层厚度无须增加。这就成为一个增加交通量无须机械地增加沥青层厚度的新设计范例,如图1所示。
首先我们知道要获得永久性路面的一个前提条件就是HMA路面足够厚,从而才能消除路面自上而下的破坏,所以,路面必须有足够的厚度及刚度用来抵抗变形。并要求有足够的厚度和良好性能以抵抗结构自上而下的疲劳破坏。因此可以使用力学设计法来考虑各层的功效。
力学设计法的核心是确定路面对荷载以及气候的反映情况,从而来确定影响路面质量的主要因素,已达到最大程度避免各类病害的效果。力学设计法是基于一个计算机程序的有限元分析结果,以来确定HMA的配合比以及抗拉强度。通过力学设计法得到的一个结论是厚沥青路面存在一个厚度上限,当超过这个厚度时,路面自上而下的疲劳开裂和结构性车辙都不会发生。根据这个结论,我们就能设定一个永久性路面的厚度。
2 永久性路面的材料设计
永久性路面结构是按功能来设置每一个结构层,例如面层抗车辙、基层抗疲劳,这就要求材料的选择,混合料设计以及性能评价试验要有针对性地进行。混合料的刚度需要根据混合料所处的层位和功能(要求车辙或疲劳)来优化选择。然而,对于所有的结构层,混合料的耐久性是一个基本要求。
2.1 沥青混合料基层
沥青混合料基层被指定用来抵抗交通荷载作用下路面结构的弯曲疲劳。高沥青含量和足够厚度的路面结构是保证沥青路面疲劳寿命的两个主要因素,如图2所示。
所以基层的沥青含量应考虑现场压实度为最大密度的96%~98%。
2.2 沥青混合料中间层
中间层或连结层必须兼顾稳定性和耐久性。这一层的稳定性可以通过粗集料间骨料的相互接触(骨架密实型级配)以及高温稳定性好的胶结料来获得。
3 永久性路面破坏模式
永久性沥青路面的损坏形式以开裂为主,既有横向裂缝又有纵向裂缝,其中表面开裂占主导地位。裂缝一般出现在磨耗层,很少波及到联结层、基层。研究表明,当沥青层厚度超过180 mm时,一般是路表先开裂,且裂缝不会贯穿整个沥青层,而较薄的沥青层的路面,会产生自上而下的贯穿裂缝,但不会产生自下而上的裂缝。观测到的这种表面裂缝有几种不同方式,有些是就一条开裂出现在一个轮迹带下,有的是两个轮迹带下都出现了裂缝,还有的是出现了多条开裂带。形成表面裂缝的原因主要有以下几点。
1)在轮胎边缘路表或靠近路表产生了较高的水平拉应力,使得路表首先产生开裂,并向下传播,特别对于宽轮胎。
2)路表存在较大的模量梯度,特别是高温时,在较高的轮胎压力及温度应力下,首先使路表开裂,并向下传播。
3)磨耗层沥青老化,降低了磨耗层抵抗温度、荷载应力能力,从而产生表面裂缝,横向开裂也与沥青老化有关。
4 永久性路面的综合效益
综合效益的比较应包括寿命周期费用和其他一些费用的比较。寿命周期费用是指路面寿命期内全部的施工和养护费用以及和养护活动相关的施工场内的交通费用。其他费用包括改建现场由于乘客和货物运输所产生的费用,这些费用主要是由于施工活动、车道堵塞和车速降低所导致的延误费用,以及与在施工现场道路使用者和施工人员较高的事故发生率有关的费用。针对不同的交通情况选择恰当的路面结构型式,可以达到最大的投资效益。一般来讲,长寿命沥青路面的初期建设费用远高于半刚性基层沥青路面,但可以在以下几个方面得到补偿:①可减少由于道路养护所引起的行车延误时间。②可减少交通阻塞,使驾车者获得较持续的速度。③可降低养护改建费和道路使用者的费用。④可维持较高的服务水平等。
5 结语
目前普遍认为,在特定的情况下,长寿命沥青路面比半刚性基层沥青路面具有较低的寿命周期费用,如重载交通量很大的情况。决策者必须权衡修建这种路面较高的初始修建费用的确定性和未来效益(养护费和用户费用的下降)的不确定性,必须开发和利用寿命周期费用的统计方法,以准确计算寿命周期费用和其他费用,避免决策的盲目性。这应该成为确定沥青层厚度的一个关键问题,这是永久性路面设计理念重要理论依据。
虽然到目前为止,许多国家对永久性路面进行了广泛的研究,也取得了一定的成果。但是现在永久性路面设计的方法在设计参数以及设计标准上还没有一个统一的标准,这就有待于我们去完善。
参考文献
低噪音沥青路面设计 篇6
1 力学模型的建立
本文采用GAMES程序进行力学计算，采用的是标准双圆垂直均布荷载，路面结构见表1，计算坐标系见图1。作用于路面表面的水平荷载计算公式为:q=f×P，其中，摩擦系数f=0.5(紧急制动时);P为车辆垂直荷载。
2 原路面当量模量对路面结构的影响
本文采用GAMES程序对原路面当量模量对路面各结构层层底拉应力和弯沉的影响进行了研究与分析，其中原路面当量模量取80 MPa～400 MPa。根据我国现行规范进行路面结构设计，结构层间粘结状态均假设为部分连续。
1)拉应力。原路面当量模量取值不同时，通过GAMES程序研究了沥青面层层底拉应力σ1、基层层底拉应力σ2和底基层层底拉应力σ3的变化趋势，见图2。由图2可知，沥青路面大修工程中，适当的增大原路面当量回弹模量，可以增大旧路基的承载能力，减小拉应力，降低路面开裂等病害。
2)弯沉。原路面当量模量取值不同时，路表弯沉l1和旧路路表弯沉l2的计算结果如图3所示。从图3可以看出，随着原路面当量模量取值的增加，路表弯沉和旧路路表弯沉都减小。增大原路面当量回弹模量对减小路表弯沉和旧路路表弯沉都有很大的作用。
3)层间剪应力。原路面当量模量取值不同时，对基面层层间剪应力τ1和底基层与原路面结合面层间剪应力τ2的计算结果如图4所示。由图4可以看出，随着原路面当量模量的增大，基面层层间剪应力τ1随之增大，但是底基层与原路面结合面层间剪应力τ2却随之减小。原路面当量模量从80 MPa增大到400 MPa，基面层层间剪应力τ1增大了7%，底基层与原路面结合面层间剪应力τ2减小了33.3%。原路面当量模量的增大，对减小底基层与原路面结合面层间剪应力有较大作用，减少底基层与原路面结合面的剪切破坏。
通过以上计算可以看出，沥青路面大修路面结构设计不仅要注意原路面当量模量对新加铺路面结构层之间的各项应力指标的影响，更要注重其对新加铺路面结构层与原路面结合面的影响。
大修工程结构设计前，适当的增大原路面当量回弹模量，对减小路面病害，降低路面结构层厚度有很大帮助。
3 建立原路面路表弯沉与铣刨后原路面当量模量关系
我国现行规范原路面当量模量计算公式为:
此公式计算所得为铣刨前原路面当量模量，在沥青路面大修结构设计中若要使采用的各参数更符合实际，原路面当量模量应该采用铣刨后原路面当量模量。根据原路面当量模量对路面结构的应力分析可以看出，原路面模量对层底拉应力、路表弯沉、旧路路表弯沉和层间剪应力都有较大影响。借鉴长安大学王朝辉的分析思路，在分析过程中可将铣刨层看作一层，铣刨层模量记为EA，铣刨后剩余原路面当量模量记为Et，其泊松比分别为0.25,0.30，为更接近路面结构的实际粘结状态，假设铣刨层与铣刨剩余路面之间的层间粘结状态为部分连续。假设铣刨层模量EA的取值在500 MPa～1 500 MPa之间，铣刨后原路面当量模量Et取值在50 MPa～850 MPa之间。铣刨层模量、铣刨后原路面当量模量在变化范围内取21个典型水平(见表2)，分别计算铣刨层厚度为2 cm～20 cm(取偶数)时原路面路表弯沉值(见图5)，并分析原路面路表弯沉值与铣刨后原路面当量模量的相关关系[4]。
MPa
利用ORIGIN统计软件，对计算所得原路面路表弯沉值数据进行分析，发现原路面路表弯沉与铣刨后原路面当量模量之间相关性最好的是乘幂拟合关系式，见表3。
按照该分析思路，当铣刨厚度为其他值时，采用同种方法确定原路面弯沉值与铣刨后原路面当量模量相关关系式。
4 结语
原路面当量模量对沥青路面大修路面结构的层底拉应力、路表弯沉、旧路弯沉和新加铺结构层与原路面结合面层间剪应力有较大影响，随着原路面当量模量的增加，这几项指标都会随之减小，因而，在实际工作中，可以适当增大原路面当量模量。原路面当量模量的取值对路面结构设计的合理性有较大影响，铣刨处理后所进行的大修路面结构设计取用的应是铣刨后的原路面当量模量。本文建立铣刨前路表弯沉与铣刨后原路面当量模量之间的相关关系式，以提高铣刨后原路面当量模量的取值合理性。
参考文献
[1]JTG D50-2006,公路沥青路面设计规范[S].
[2]JTG F40-2004,公路沥青路面施工技术规范[S].
[3]刘毅.湘西公路旧路面顶面回弹模量的确定[J].中外公路,2009(6):21-22.