永久性路面與結(jié)構(gòu)材料性能張起森

永久性路面與結(jié)構(gòu)材料性能張起森第1頁/共97頁一、永久性路面設計理念第2頁/共97頁定義perpetualpavement

：指只需定期更換路面表層（把破壞限制在路面上層），而不需進行結(jié)構(gòu)性修復或重建，且使用壽命大于50年的瀝青路面。full-depthasphaltpavement（全厚式路面）deepstrengthasphaltpavement（高強度路面）long-lifeasphaltpavement（長壽命路面）第3頁/共97頁設計理念上面層：抗車轍能力和抗磨耗能力中間層：抗車轍能力基層：抗疲勞能力

路基：高強、穩(wěn)定和堅固

第4頁/共97頁最大拉應變路面基礎100~180mm高模量抗車轍材料(根據(jù)需要定)柔性抗疲勞材料

75~100mm

40~75mm

高質(zhì)量SMA、OGFC或Superpave}100~150mm高壓力區(qū)設計理念第5頁/共97頁自下而上進行設計和施工基礎（高強、穩(wěn)定和堅固）穩(wěn)定將使用期間的季節(jié)性變化和體積變化降低到最小下面層加強抗疲勞性能上面層加強抗車轍性能設計理念第6頁/共97頁

永久性瀝青路面在使用過程中，為保持其良好的性能和使用壽命，必須定期檢測，當自下而上的疲勞開裂、溫度開裂、車轍等病害達到預定深度時(即達到磨耗層深度)，就必須采取罩面等措施。對于永久性瀝青路面而言，這點非常關(guān)鍵，它保證了將病害限制在表層，且盡可能減小未來罩面的附加厚度（重鋪厚度必須盡可能采用原厚度）第7頁/共97頁要應避免以下現(xiàn)象發(fā)生

重復彎曲導致疲勞開裂

重復變形導致車轍HMA基層路基第8頁/共97頁永久性路面優(yōu)點瀝青路面壽命可達50年路面平整，噪音低，摩擦系數(shù)高成本效益高路面的養(yǎng)護維修僅限于面層瀝青面層可再循環(huán)減少疲勞開裂和車轍損壞最大限度地減少自然資源的使用采用力學方法進行路面設計，綜合考慮疲勞開裂、車轍和溫度開裂第9頁/共97頁使用時間總費用傳統(tǒng)路面永久性路面經(jīng)濟性能經(jīng)濟差第10頁/共97頁二、永久性路面設計方法第11頁/共97頁設計原理 力學方法設計過程 類似于其它結(jié)構(gòu)設計方法 選擇控制點 驗算控制標準

(由下至上設計)

輸入材料性能參數(shù)路面分析模型路面應力和應變路面變換方程路面使用壽命拉應變標準壓應變標準永久性路面設計過程第12頁/共97頁力學設計法路面模型材料性能(模量值)路面反應

(應變,應力等)轉(zhuǎn)移函數(shù)路面壽命是否滿足?設計完成盡量不讓瀝青層底拉應變>65με或路基頂壓應變>200με第13頁/共97頁1992年Monismith提出力學設計法的流程圖第14頁/共97頁力學性能標準ESAL作用下彎曲拉應變極值

<65me(Monismith,VonQuintus,Nunn,Thompson等人研究發(fā)現(xiàn))垂直壓應變極值

<200me(Monismith,Nunn等人研究發(fā)現(xiàn))厚HMA(>200mm）基層(asrequired)路基第15頁/共97頁疲勞開裂 控制點位置：面層底面 控制標準：拉應變<65μ

厚度要求：>200mm

永久性變形 控制點位置：路基頂面 控制標準：壓應變<200μ

永久性路面設計控制點路基力學指標基層面層第16頁/共97頁設計軟件 軟件名稱：PerRoad3.0

軟件開發(fā)：DavidTimm,NCAT，Auburn大學設計軟件下載

URL地址：http://www.A

點擊PerpetualPavement設計軟件安裝 連擊PerRoad設計軟件PerRoad3.0第17頁/共97頁建立新文件

點擊File中Save SAVEAS窗口出現(xiàn)，鍵入文件名建立新文件鍵入文件名設計軟件應用第18頁/共97頁輸入設計參數(shù)

路面結(jié)構(gòu)材料和季節(jié)參數(shù) 交通參數(shù)交通參數(shù)選擇設計參數(shù)輸入窗口結(jié)構(gòu)和季節(jié)參數(shù)設計軟件應用第19頁/共97頁路面結(jié)構(gòu)材料和季節(jié)參數(shù) 材料性能和變異性 模量溫度調(diào)整 性能標準和轉(zhuǎn)換公式：變異性輸入窗口使用性能選擇窗口模量溫度調(diào)整窗口設計軟件應用第20頁/共97頁交通參數(shù)(軸載譜)

車軸類型 軸載分布 軸載數(shù) 增長率

軸載譜輸入窗口車軸類型軸載數(shù)軸載分布增長率設計軟件應用第21頁/共97頁三、表面開裂第22頁/共97頁表面開裂

過去一般認為瀝青路面的開裂是從下到上的開裂，但近幾年歐洲和美國加利福尼亞、伊利諾伊德克薩斯、肯塔基、弗羅里達等州調(diào)查發(fā)現(xiàn)輪跡帶出現(xiàn)自上而下縱向裂縫。弗羅里達大學等對此展開了大量理論和現(xiàn)場調(diào)查研究，并取得了一定成果第23頁/共97頁1、特征：縱向，橫向都有；在輪跡上和輪跡外面發(fā)生；瀝青層較厚時（6in~8in或更厚）；易與傳統(tǒng)的疲勞裂縫混淆2、觀測到的開裂出現(xiàn)時間：法國：路面攤鋪后3~5年內(nèi)；英國：瀝青層厚＞180mm，10年內(nèi)；荷蘭：瀝青層厚＞160mm，常有發(fā)生；日本：不同路面厚度，1~5年內(nèi)；美國：華盛頓州，層厚＞160mm，3~8年內(nèi)；佛羅里達州，5~10年內(nèi)。Topdowncracking（自上而下的開裂）第24頁/共97頁3、產(chǎn)生原因：高輪胎壓力和超載，→較高的水平張拉應力和剪應力；

溫差應力(出現(xiàn)較高的溫度應力臨界狀態(tài)時間較短，如冬天一般是晚上出現(xiàn))；車輪運動引起表面反復拉壓而疲勞；剛性輪碾壓導致的表面施工裂縫；老化（瀝青層變硬變脆）；離析（骨料離析，溫度離析）；

第25頁/共97頁4、Topdown的微結(jié)構(gòu)與微觀力學機理壓縮和剪切加載后表面強拉應力是導致Topdown開裂的機理。見圖力學機理示意圖最大張力位置示意圖

第26頁/共97頁計算結(jié)果示圖如下：第27頁/共97頁5、試驗觀測（圖像分析技術(shù)）試驗觀測-APA與圖像分析示意圖觀測到的表面裂縫示意圖第28頁/共97頁6、試驗觀測與分析緒論：

①不一定從表面開始，也可能從表面下一定距離的位置起裂；②拉伸型和剪切型裂縫導致；③可能發(fā)生在具有較軟的瀝青或路面溫度較高的位置；④裂縫開始和擴展與材料結(jié)構(gòu)有關(guān)；⑤還可能與車轍和疲勞有關(guān)。7、工程應對方法：增加瀝青膜厚度；采用溫度敏感性低的瀝青；采用纖維；采用智能型材料；采用薄水泥混凝土面層（復合式路面）第29頁/共97頁

開裂(從表面開始)軸載表面開裂TRL第30頁/共97頁新澤西

I-287

表面開裂第31頁/共97頁150mm50mm華盛頓瀝青路面Top-Down開裂>150mm第32頁/共97頁M3 2TRL第33頁/共97頁四、永久性路面對結(jié)構(gòu)層設計的要求第34頁/共97頁設計內(nèi)容路基基層中間層面層第35頁/共97頁材料設計參數(shù)采用理論彈性材料理論設計參數(shù)彈性模量E和泊松比μ第36頁/共97頁材料參數(shù)確定方法第37頁/共97頁123加載前加載中加載后-與加載前尺寸同彈性材料的力學行為第38頁/共97頁DDD/2slDlel=Dl/let=DD/DE=s/em=el/et確定E和μ第39頁/共97頁FWD測試方法第40頁/共97頁模量反算傳感器荷載變形路面結(jié)構(gòu)第41頁/共97頁材料參數(shù)與路面響應關(guān)系瀝青層厚度與車轍率關(guān)系瀝青層厚度與層底拉應變關(guān)系瀝青層模量與層底拉應變關(guān)系瀝青層厚度與路基頂壓應變關(guān)系統(tǒng)計學設計方法第42頁/共97頁瀝青層厚度(mm)車轍率(mm/msa)01002003004000.11101001000(資料來源：TRL

)瀝青層厚度與車轍率關(guān)系第43頁/共97頁瀝青含量與車轍關(guān)系瀝青含量％瀝青含量標準偏差％車轍量為10%（15mm或更大）時的累計軸載作用次數(shù)占目標累計軸載作用次數(shù)的百分比第44頁/共97頁瀝青層厚度瀝青層底拉應變?yōu)r青層模量E1h1

拉應變

(et)瀝青層厚度與層底拉應變關(guān)系(資料來源：TRL

)第45頁/共97頁瀝青層模量瀝青層底拉應變?yōu)r青層模量E1h1

拉應變

(et)瀝青層模量與層底拉應變關(guān)系(資料來源：TRL

)第46頁/共97頁瀝青層厚度

路基頂壓應變E1E2E3h1h2

壓應變(ev)瀝青層厚度與路基頂壓應變關(guān)系(資料來源：TRL

)第47頁/共97頁疲勞壽命與力學響應轉(zhuǎn)換關(guān)系etev(資料來源：APA)第48頁/共97頁統(tǒng)計學設計方法材料厚度f

材料性能f

軸重f蒙特卡洛隨機取樣力學模型

路面力學響應f%低于極限%高于極限或然設計方法(ProbabilisticDesign)–蒙特卡洛模擬法(MonteCarloSimulation)(資料來源：APA)第49頁/共97頁瀝青結(jié)合料等級選用(資料來源：APA)第50頁/共97頁

按SHRP提出的Superpave瀝青混合料設計方法，瀝青結(jié)合料技術(shù)規(guī)范（AASHTOMP1-93）按路面7天的平均最高路面溫度和最低路面溫度，把瀝青的性能按高溫分為七級；從PG46到PG82，每六度劃分一個等級。每個高溫等級中又有相應的低溫等級。例如PG64-28，其高溫等級為64℃，即可在路面溫度達到64℃的環(huán)境中使用，也可在最低溫度-28℃的環(huán)境中使用（見表）。而PG76、PG82適用于慢速、長期荷載或超重載的地段使用。瀝青結(jié)合料規(guī)范考慮了HMA的三個主要性能：車轍（G*/sinδ），疲勞開裂（G*sinδ）和低溫開裂（S,m），并有相應試驗指標進行控制。瀝青結(jié)合料等級選用

第51頁/共97頁Superpave結(jié)合料分為七級，每級溫差6℃，見表，高溫等級（℃）低溫等級（℃）PG46－34－40－4652－10－16－22－28－34－40－4658－16－22－28－34－4064－10－16－22－28－34－4070－10－16－22－28－34－4076－10－16－22－28－3482－10－16－22－28－34第52頁/共97頁瀝青混合料磨耗層厚度

40－75mm受力特點高受力復合區(qū)域，是各種損壞最易發(fā)生的區(qū)域要求抗車轍、表面開裂，良好的抗滑性能，減少水濺、水漂，降低路面噪音功能設計壽命

10年第53頁/共97頁瀝青混合料磨耗層混合料類型考慮選擇SMA，Superpave密級配混合料或者OGFC對城市重交通，可選擇SMA對中輕交通，可選擇Superpave性能檢測性能試驗（抗水損、抗磨耗、高溫車轍等）第54頁/共97頁

對于磨耗層應采用相應的PG等級的瀝青（高溫、低溫性能）。由于一般結(jié)合料不能滿足當?shù)貥O端氣候條件的要求，因此對結(jié)合料必須進行改性。下圖展示了常用結(jié)合料與改性的結(jié)合料的勁度（粘度）特性。第55頁/共97頁1）較高施工溫度，勁度較低，泵送、拌和及壓實；2）較高服務溫度，勁度較高，減少車轍和推擠；3）較低服務溫度，勁度較低，松弛更快，減少開裂；4）在通常溫度下增加瀝青與集料的粘性，減少剝落。但是選擇瀝青外加劑或改性劑必須認真研究，要考慮改性效果，相融合、兼容性（匹配，配伍）、耐久、費用、安全等問題。下表列出了目前常用的外加劑和改性劑。

第56頁/共97頁第57頁/共97頁瀝青混合料中間層厚度

100－175mm受力特點荷載穩(wěn)定發(fā)展和擴散的區(qū)域，易發(fā)生車轍區(qū)域要求提供傳荷和承重性能，應防止車轍，具有良好的穩(wěn)定、耐久性能。設計壽命

50年以上第58頁/共97頁瀝青混合料中間層混合料類型考慮選擇骨架密實型級配混合料和高溫穩(wěn)定性好的瀝青結(jié)合料性能檢測性能試驗（抗水損、高溫車轍、耐久性等）第59頁/共97頁PG高溫等級與表面層一致，低溫可提高一個等級。這一層建議用高模量瀝青混合料以提高其抗車轍能力。

高模量瀝青混合料——通過采用適當?shù)募夹g(shù)，使瀝青混合料的動穩(wěn)定度（60℃，0.7MPa）達到

5,000次/mm以上；且15℃，10HZ條件下動態(tài)模量達到14,000MPa以上；45℃，10HZ條件下動態(tài)模量2,000MPa以上；45℃，0.1HZ條件下達到500MPa以上，同時滿足這些條件的混合料稱為高模量瀝青混合料。山東地方標準DB21/T1754-2009提出了兩種生產(chǎn)高模量瀝青混合料的方法：

一個是高模量瀝青方案，與SBS改性瀝青混合料基本相同；

一個是高模量外摻劑方案，瀝青用量約0.3-0.5%，控制粉膠比0.8-1.1。

第60頁/共97頁山東省交通科研院提出的高模量瀝青技術(shù)要求相當(PG70-22)見下表

第61頁/共97頁高模量瀝青混合料配合比設計檢驗指標如下

第62頁/共97頁高模量外摻劑宜選用聚烯烴類物質(zhì)，其質(zhì)量要求見表項目單位技術(shù)要求試驗方法熔體流動速度（170℃）不小于g/10min1GB/T3682密度g/cm30.92-0.98GB/T1033軟化點不小于℃140GB/T1633顆粒直徑mm3-5——

法國推薦用硬質(zhì)瀝青5-10，10-15，15-25（針入度，25℃）來生產(chǎn)高模量瀝青混合料。對于瀝青針入度更高的采用摻入外加劑的方法進行改性。

第63頁/共97頁路面厚度減少層底拉應變厚瀝青層路面

=

低應變應變低于疲勞極限

=

壽命不確定壓應變拉應變應變疲勞壽命不確定壽命瀝青混合料基層(資料來源：APA)第64頁/共97頁瀝青混合料基層厚度

75－100mm受力特點主要抵抗由于行車荷載反復作用造成的彎拉應力引起的疲勞開裂要求提供傳荷和承重性能，應具有良好的穩(wěn)定、疲勞性能。設計壽命

50年以上第65頁/共97頁瀝青混合料基層混合料類型采用富瀝青、改性瀝青、厚瀝青層、耐疲勞材料等方式實現(xiàn)性能檢測性能試驗（抗水損、耐久性等）

為了提高其變形性（柔性），一般要求可以增加0.5%左右的瀝青用量，甚至可以摻加聚合物纖維等一類措施提高其抗裂能力。同時PG高溫等級可降一個等級。

第66頁/共97頁永久性路面推薦混合料類型匯總表第67頁/共97頁永久性路面推薦混合料類型匯總表(續(xù))第68頁/共97頁基層柔性、半剛性，剛性底基層半剛，柔性墊層(粒料)排水，均勻支撐路基改善層彈模E＞70MPa路基強度，穩(wěn)定，防排水（如地下水小于1.5m），建議使用一個排水系統(tǒng)。路面基礎第69頁/共97頁底基層厚度要求路基頂面底基層厚度要求(資料來源：APA)路基強度要求

Illinoi經(jīng)驗：CBR>6。

或者：路基上鋪石灰穩(wěn)定層或碎石層底基層05101520250123456789CBR加鋪層厚度要求/英寸路面基礎第70頁/共97頁基礎要求英國運輸研究工作室:第71頁/共97頁基礎要求LCPC(法國)14噸荷載下變形<2mm承載板試驗模量>7300psi（約50MPa）1psi＝6.89kPa德國路基頂模量

=6500psi（約45MPa）底基層模量

=17,500psi(約120MPa，輕交通)底基層模量

=26,000psi(約180MPa，重交通)第72頁/共97頁基礎-伊利諾斯州(美國州名)05101520250123456789CBR

路基上所需厚度（英寸）

需要補強區(qū)域補強選擇

不需要補強區(qū)域第73頁/共97頁基礎要求排水必要性考慮技術(shù)設備要求季節(jié)性變化特殊情況凍融區(qū)域地基膨脹土地基第74頁/共97頁五、各地永久性路面狀況第75頁/共97頁

傳統(tǒng)的瀝青路面設計壽命為20年。適度增加路面強度及瀝青混合料基層厚度的永久性路面，則甚至可以獲得50年或50年以上使用壽命。歐洲使用情況簡介美國使用情況簡介中國山東濱州永久性路面試驗路各地永久性路面狀況第76頁/共97頁歐洲使用情況簡介1977年德國A5高速公路FrankfurterKreuz采用的結(jié)構(gòu)是37mm澆注瀝青砼面層+200mm瀝青砼基層+150mm穩(wěn)定底基層。該高速公路雙向日交通量152000輛/d，重載貨車比例為10％～20％，使用17年后標準軸載次數(shù)為125百萬次，到現(xiàn)在仍然使用良好。再如德國漢堡高速公路都承受著非常重的交通量，結(jié)構(gòu)為35mm澆注瀝青砼面層+265mm瀝青砼基層+150mm級配砂礫+防凍層第77頁/共97頁歐洲使用情況簡介法國巴黎Peripherique道路雙向交通量200000輛/d，重載貨車占10％，年標準軸次1千萬。1993年進行了大修，結(jié)構(gòu)為40mm排水面層+220mm高模量瀝青砼基層。再如法國Stered高速，結(jié)構(gòu)為70mm瀝青砼+60mm瀝青穩(wěn)定砂礫+100～350mm水泥穩(wěn)定砂礫+150mm砂層第78頁/共97頁歐洲使用情況簡介意大利的DelSole高速，結(jié)構(gòu)為30mm中粒式瀝青砼+70mm粗粒式瀝青砼+150mm瀝青碎石+360mm級配砂礫+300～400mm砂層奧地利Brenner高速，結(jié)構(gòu)為27mm細粒式瀝青砼+30mm中粒式瀝青砼+45mm粗粒式瀝青砼+140mm瀝青碎石（密級配）+160mm瀝青碎石（開級配）+300mm防凍層第79頁/共97頁美國使用情況簡介NewJerseyNewJersey運輸部對I-287州際道路的路面損害情況進行調(diào)查。該道路1993年年平均日交通量為11.1019萬次，貨車占22％，重貨車占9％。20年累計當量荷載5000萬次。由于是重載交通，因此經(jīng)常出現(xiàn)停車、慢速行車。1963年修建，原結(jié)構(gòu)為3inHMA面層+7in基層+8in密級配的級配碎石+10in級配砂礫底基層，路基為粉質(zhì)砂土。第80頁/共97頁美國使用情況簡介NewJersey使用多年來除了局部進行了小面積的補坑外，沒有經(jīng)過其他維修。調(diào)查發(fā)現(xiàn)路面維修很少，路表行車道處產(chǎn)生了縱向疲勞開裂，且車轍深度達到25mm以上。但是進一步研究表明這些病害深度都沒有發(fā)展到路表75mm以下，因此決定冼刨調(diào)表明75mm瀝青面層，重新加鋪100mmHMA。該工程1994年完工，2001年調(diào)查時沒有發(fā)現(xiàn)任何開裂、車轍，預計結(jié)構(gòu)能夠使用40年以上。第81頁/共97頁美國使用情況簡介Iowa20世紀60年代修建的州際道路I-80上的兩段道路，被APA授予2002年永久性路面獎，一條在Cedar，另一條在Johnson。該獎授予美國州際高速公路系統(tǒng)上的6個不同路段。Cedar路段修建于1962年，結(jié)構(gòu)為4.5inHMA面層+16inATB，直接放到細粒土上。使用到現(xiàn)在為止分別在1967年、1990年進行了表面修補。第82頁/共97頁美國使用情況簡介Iowa與Cedar不同的是，Johnson路段路基土是罕有的潮濕，1964年采用了6in土石底基層，結(jié)構(gòu)為3inHMA面層+14inATB，1964年面層進行2in罩面，1968年工程結(jié)束，到現(xiàn)在只進行過一些面層修復（與剛通車時相比，現(xiàn)在I-80道路上的交通量已經(jīng)增長了5倍多）。實踐表明，正確的路面結(jié)構(gòu)設計、嚴格的施工質(zhì)量控制和適當?shù)木S修，瀝青路面一定能夠使用很長時間。第83頁/共97頁美國使用情況簡介Washington1999年該州交通運輸部（WSDOT）對480km全路段進行了詳細調(diào)查。該路中有三種路面結(jié)構(gòu)：柔性結(jié)構(gòu)、CTB基層（水泥穩(wěn)定基層）瀝青路面和PCC路面，依次占里程百分比為47％、33％和20％。而且全段被Cascade山脈分成兩個不同的氣候區(qū)，西部為溫和海洋性氣候，交通量較高；而東部夏熱冬寒，部分路段交通量較?。藴瘦S次37.5萬次/年/車道），而有些路段交通量又很高（標準軸次2500萬次/年/車道）。第84頁/共97頁馬里蘭州路面結(jié)構(gòu)使用狀況馬里蘭州的巴爾的摩環(huán)形公路也是一個很好的例子，日交通量（ADT）是175000輛/日，貨車占19％。結(jié)構(gòu)為2inSMA19+2.5inHMA基層（大粒徑石料）?？偤穸葹?6in（40.6cm），沒有發(fā)現(xiàn)自下而上的疲勞開裂，4年的觀測表明，路面車轍正常，為1/8in。第85頁/共97頁俄亥俄州柔性路面研究4條州際公路性能調(diào)查結(jié)果HMA路面－沒有修復或重建而使用超過34年“沒有大量結(jié)構(gòu)性或排水維修的柔性路面”僅略多于目前HMA路面花費第86頁/共97頁FHWA–

長期路面性能研究數(shù)據(jù)GPS-6(FHWA-RD-00-165)數(shù)據(jù)結(jié)論大部分AC罩面>15years(修復前)許多AC罩面>20years（大破壞前）厚面層意味著少:疲勞開裂橫向開裂縱向開裂第87頁/共97頁抗車轍面層車轍出現(xiàn)在瀝青上面層Full-ScaleTracksMn/ROADWesTrackNCAT加速加載路面試驗CalAPTFHWA第88頁/共97頁中國山東濱州永久性路面試驗路背景：濱州地處黃河尾閭、渤海之濱，是聯(lián)接京津塘與山東半島兩大經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)的交通樞紐和黃河三角洲開發(fā)的重要基地。試驗路（離黃河只有幾公里