Transcript 第十一章沥青路面
沥青路面 bituminous pavement 第十一章 沥青路面 bituminous pavement §11-1：概述 introduction 一、沥青路面的基本特性 basic features of the bituminous pavement 1、定义 definition 2、优、缺点 strong points and weak points 二、沥青路面的分类 types of bituminous pavement 1、按强度构成原理分类 classified by strength composition rationale 密实类和嵌挤类 compacted type and wedged type 2、按施工工艺分类 classified by techniques of construction 层铺法，路拌法，厂拌法 layer spread method, road-mixing method, plant-mixing method 3、按技术特性分类 classified by technology characteristic 沥青表处，沥青贯入式，沥青混凝土，沥青碎石，乳化沥青碎石 混合料 asphalt meter, asphalt penetrate, asphalt concrete, bituminous macadam , emulsified bitumen macadam 三、沥青路面类型的选择 choice of bituminous pavement types §11-2：沥青路面材料的力学特性与温度稳定性 mechanical properties of bituminous pavement material and its temperature stability 一、沥青混合料的强度特性 strength properties of asphalt mixture 1、抗剪强度 shear strength 强度来源strength source： 沥青与矿料之间的粘结力，矿料在混合料中形成的摩阻力。 cohesion of bitumen and aggregate, friction of aggregate in mixterure 影响因素Factors: 沥青粘度，沥青含量，沥青与矿料相互作用等等。 bitumen viscosity ,bitumen content , 2、抗拉强度 tensile strength 影响因素：Factors: 沥青的性质，矿料的级配等等 property of bitumen gradation of aggregate 3、抗弯拉强度 flexural-tensile strength 影响因素：Factors: 材料的性质，沥青用量，矿料级配等等 property of bitumen ,bitumen content, gradation of aggregate 二、沥青混合料的应力——应变特性 stress-strain properties of asphalt mixture 弹elastic—粘cohesive——塑性plastic 1、蠕变 creep 2、应力松弛 stress relaxation 荷载作用时间＜松弛时间：弹性体 If loading time less than relaxing time : elastic body 荷载作用时间＞松弛时间：粘塑性体 If loading time greater than relaxing time : cohesive and plastic body 荷载作用时间=松弛时间：弹-粘-塑体 If loading time equals relaxing time : elastic cohesive and plastic body 1、沥青的劲度 stiffness 2、沥青混合料的劲度模量 stiffness modulus 范德普诺模图 三、沥青混合料的疲劳特性 fatigue properties of asphalt mixture 1．疲劳破坏fatigue failure 路面材料在低于极限抗拉强度下经受重复拉应力或拉应变而最终 导致破坏。 2．疲劳寿命fatigue life 导致路面材料最终破坏的荷载作用次数。 The numbers of load induce destroy of pavement materials 3．影响因素contributory factors 材料的性质，环境因素，加荷方式等等 property of materials ,environment factors ,loading method 4．疲劳试验fatigue test： 控制应力法和控制应变法 Controlled strain method and controlled stress method 四.沥青路面的温度情况 temperature variation of bituminous pavement 五、沥青路面的高温稳定性 stability of bituminous pavement under high temperatures 六、沥青路面的低温抗裂性 crack resistance of bituminous pavement under low temperatures §11-3：对沥青路面材料的要求 requirements for bituminous pavement material 一、对原材料的要求 requirements for raw materials 1.沥青 asphalt 石油沥青 petroleum asphalt、煤沥青coal tar、 液体石油沥青liquefied petroleum asphalt、 沥青乳液 bitumen emulsion 选择原则：selection discipline 路面类型 type of pavement 、 施工条件 construction condition 、 地区气候条件climatic condition 矿料性质 property of materials 2.粗集料 coarse aggregate 碎石、筛选砾石screened gravel 破碎砾石crushed gravel 矿渣slag 3.细集料fine aggregate 天然砂natural sand 机制砂machine-made sand 石屑chips 4.填料filling material 石灰岩lime rock 岩浆岩矿粉igneous rock mineral powder 二、沥青混合料的组成设计 composition design of bituminous mixture 1．设计阶段 design stage ：三阶段 three stages 目标配合比设计objective design mixture、 生产配合比设计 design mixture in production 生产配合比验证阶段 mixing proportion validation stage in production 1）确定沥青混合料的材料； determining materials in mixture 2）矿料级配； aggregate gradation 3）沥青用量。asphalt content 马歇尔试验设计方法 Marshall Experimental Design 目标配合比设计 objective design mixture 定义 definition 1.1 矿质混合料的组成设计 composition design of mineral mixture 1）确定沥青混合料类型 determining type of mixture 根据公路等级、路面类型及所处的结构层次等，按规范选择合 适沥青混合料类型。 2）确定矿质混合料的级配范围 determining gradation scope of aggregate objective design mixture 根据已确定的沥青混合料类型，按规范，确定所需矿料的级配 范围。见P317 表13－11。 3）检测组成材料的原始数据 testing the primary data of component material 根据现场取样，对粗集料、细集料和矿粉进行筛分试验，分别绘 出各组成材料的筛分曲线，同时测出各组成材料的表观密度。 4）计算矿质混合料配合比 calculate design mixture of mineral mixture 根据各组成材料的试验结果，借用计算机或采用图解法，求出各 组成材料用量的比例关系，并使合成的配合比符合以下要求： （1）合成级配曲线宜尽量接近设计级配中限，尤其应使 0.075mm，2.36mm和4.75mm筛孔的通过量接近设计级配范围的 中限。 （2）对交通量大、轴载重的道路，宜偏向级配范围的下限。对中 小交通或人行道路等，宜偏向级配范围的上限。 （3）合成的级配曲线应接近连续级配或有合理的间断级配，不得 有过多的犬牙交错。当经过再三调整，仍有两个以上的筛孔超出 级配范围时，必须对原材料进行调整或更换原材料重新设计。 1.2 沥青最佳用量的确定 the optimum dosage of asphalt 一般采用马歇尔试验法来确定沥青最佳用量。 （1）按规范所列的沥青用量范围及实践经验（见P317 表13－11）， 估计适宜的沥青用量（或油石比）。 （2）以估计沥青用量为中值，按0.5％间隔上下变化，取5个不同 的沥青用量，拌和均匀，制成马歇尔试件。 （3）测定试件的密度，并计算空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率 等物理指标，进行体积组成分析。 （4）进行马歇尔试验，测定马歇尔稳定度和流值这两个力学指标。 （5）以沥青用量为横坐标，以实测密度、空隙率、饱和度、稳定 度、流值为纵坐标，分别将试验结果点入图中，连成圆滑的曲线。 沥青混合料拌和机 马歇尔击实仪 马歇尔稳定度仪 注意，选择的沥青用量范围应使密度及稳定度曲线出现峰值。 （6）从上图中求取相应于密度最大值的沥青用量为a1 ；相应于稳定度最大值的 沥青用量为a2 ；及相应于规定空隙率范围的中值的沥青用量a3 ，按下式计算三 者的平均值作为最佳沥青用量的初始值OAC1 ： OAC1＝（a1＋a2＋a3）/3 （7）根据沥青混合料马歇尔试验技术标准，确定各关系曲线上沥青用量范围， 取各沥青用量范围的共同区间，即为沥青最佳用量范围OACmin～OACmax ，求其 中值OAC2 。 OAC2＝（OACmin＋OACmax）/2 （8）按最佳沥青用量初始值OAC1 ，在上图中取相应的各项指标值，当各项指 标均符合规范中的各项马歇尔试验技术标准时，由OAC1和OAC2综合确定最佳沥 青用量（OAC）。当不能符合规范的规定时，应重新进行级配调整和计算，直至 各项指标均符合要求。 （9）由OAC1和OAC2综合确定最佳沥青用量（OAC）时，宜根据实践经验、 道路等级、气候条件等，按下列步骤进行： 1）一般情况下，取OAC1和OAC2的中值作为最佳沥青用量（OAC）。 2）对热区道路以及车辆渠化交通的高速公路、一级公路、城市快车道、主干 路，预计有可能造成较大车辙的情况下，可在OAC1与下限OACmin范围内确定， 但不宜小于OAC2的0.5％。 3）对寒区道路及其他等级公路与城市道路，可在OAC2与上限OACmax范围内 确定，但不宜大于OAC2的0.3％。 （10）路用性能检验road performance testing 1）水稳定性检验testing water stability 按最佳沥青用量（OAC）制作马歇尔试件，进行浸水马歇尔试验或真空饱水后 的浸水马歇尔试验。当残留稳定度不符合规范的规定时，应重新进行配合比试 验，直至符合要求为止。 当最佳沥青用量（OAC）值与两初始值OAC1和OAC2相差甚大时，宜按OAC与 OAC1或OAC2分别制作试件，进行残留稳定度试验，根据试验结果对OAC作适 当调整。 2）高温稳定性检验testing high-temperature stability 按最佳沥青用量OAC制作车辙试验试件，在温度60℃、轮压0.7MPa条件下， 检验其高温抗车辙能力。当动稳定度不符合下列要求时，即高速公路应不小于 800次/mm，一级公路应不小于600次/mm，应对矿料级配或沥青用量进行调 整，重新进行配合比设计。 当最佳沥青用量OAC值与两初始值OAC1和OAC2相差甚大时，宜按OAC与 OAC1或OAC2分别制作试件，进行车辙试验，根据结果，适当调整OAC值。 通过以上的计算和试验，最后确定最佳沥青用量。 生产配合比设计 design mixture in production 由于实际情况与实验室之间的差别，所以在目标配合比确定之后，应进行生产 配合比设计。取目标配合比设计的最佳沥青用量、最佳沥青用量加0.3％和最 佳沥青用量减0.3％等三个沥青用量进行马歇尔试验，确定生产配合比的最佳 沥青用量，供试拌试铺使用。 生产配合比验证 mixing proportion validation in production 生产配合比确定后，还需要铺试验路段，并用拌和的沥青混合料进行马歇尔试 验，同时钻取芯样，以检验生产配合比。 试设计上海某高速公路沥青混凝土路面用沥青混合料的配合比。 [原始资料] 1. 道路等级：高速公路。 2. 路面类型：沥青混凝土。 3. 结构层位：三层式沥青混凝土的上面层。 4. 气候条件：最低月平均气温为-8℃。 5. 沥青材料：可供应重交通AH-50、AH-70、和AH-90。经检验技术性能均 符合要求。 6. 碎石和石屑：石灰石轧制碎石，饱水抗压强度120MPa，洛杉矶磨耗率 12%，粘附性（水煮法）Ⅰ级，表观密度2700kg/m3 。 7. 砂：洁净海砂，属中砂，含泥量及泥块量均＜1%，表观密度2650kg/m3。 8. 矿粉：石灰石磨细石粉，粒度范围符合技术要求，无团粒结块，表观密度 2580kg/m3。 [设计要求] 1. 根据道路等级、路面类型和结构层位确定沥青混凝土的矿质混合料的级 配范围。根据现有各种矿质材料的筛分析结果，用图解法确定各种矿质材料的 配合比。 2. 根据选定的矿料类型在相应的沥青用量范围，通过马歇尔试验，确定最 佳沥青用量。 3. 根据高速公路用沥青混合料要求，对砂质混合料的级配进行调整，沥青用 量按水稳定性检验和抗车辙能力校核。 [解] 1. 矿料配合比设计。 （1）确定沥青混合料类型。由道路等级为高速公路，路面类型为沥青混凝土， 路面结构为三层式沥青混凝土上面层，为使上面层具有较好的抗滑性，按规范选用细 粒式I 型（AC-13I）沥青混凝土混合料。 （2）确定矿料级配范围。按规范确定细粒式I型沥青混凝土的砂料级配范围。 （3）矿料配合比计算。 ① 组成材料筛分析试验。根据现场取样，碎石、石屑、砂和矿粉等原材料筛分 析结果。 ② 组成材料配合比计算。用图解法计算组成材料配合比，如下图所示。由图解 法确定各种材料用量为碎石:石屑:砂:矿粉=36%:31%:25%:8%。将各种材料组 成配合比计算所得的合成级配绘于矿料级配图中，如下图所示。 ③ 调整配合比。由于高速公路交通量大、载重量大，为使沥青混合料具有较高 的高温稳定性，合成级配曲线应偏向级配曲线范围的下限，为此应调整配合比。 经过配合比的调整，各种材料用量为碎石:石屑:砂:矿粉 =41%:36%:15%:8%。将计算结果及合成级配绘于上图中，由图中可看出， 调整后的合成级配曲线为一光滑平顺接近级配曲线下限的曲线。确定矿料组成 为：碎石41%，石屑36%，砂15%，矿粉8%。 2. 沥青最佳用量确定。 （1）试件成型。根据当地气候条件最低月平均温度-8℃属于温区，采用AH70沥青。 按规范推荐的沥青用量范围，细粒式沥青混凝土（AC-13I）的沥青用量为 5.0%～7.0%。采用0.5%间隔变化，以前述计算的矿料配合比制备5组试件， 按规范规定每面各击实75次的方法成型。 （2）马歇尔试验。 ① 物理指标测定。按上述方法成型的试件，经24h后测定其表观密度、空 隙率、矿料间隙率、沥青饱和度等物理指标。 ② 力学指标测定。测定物理指标后的试件，在60℃温度下测定其马歇尔稳 定度和流值，并计算马歇尔模量。 （3）马歇尔试验结果分析。 ① 绘制沥青用量与物理—力学指标关系图。根据马歇尔试验结果汇总表， 绘制沥青用量与表观密度、空隙率、饱和度、矿料填隙率、稳定性、流值的关 系，如下图所示。 ② 确定沥青用量初始值（OAC1）。从上图得到相应于稳定度最大值的沥青用量 a1=6.20%，相应于密度最大值的沥青用量a2=6.20%，相应于规定空隙率范围 中值的沥青用量a3=5.60%。 OAC1=（6.20%+6.20%+5.60%）/3=6.0% ③ 确定沥青用量初始值（OAC2）。由上图得，各指标符合沥青混合料技术指标 的沥青用量范围： OACmin=5.30% OACmax=6.45% OAC2=（5.30%+6.45%）/2=5.9% ④ 综合确定最佳沥青用量（OAC）。按沥青最佳用量最初始值OAC1=6.0%， 检查各项指标均符合要求，由OAC1和OAC2综合确定沥青最佳用量，取 OAC=6.0%。 当地气候属于温区，并考虑高速公路渠化交通，预计有可能出现车辙，在中 限值OAC2与下限值OACmin之间选取一个沥青最佳用量OAC'=5.6%。 （4）水稳定性检验。采用沥青用量为6.0%和5.6%制备试件，在浸水 48h后测定马歇尔稳定度，试验结果列于表10-28。 （5）抗车辙能力校核。同样，以沥青用量6.0%和5.6%进行抗车辙试验， 试验结果列于表10-29。 从表10-29中试验结果可知，OAC=6.0%和OAC‘=5.6%两种沥青用量的 动稳定度均大于800次/mm，符合高速公路抗车辙的要求，但沥青用量为 5.6% 时动稳定度较高。 从以上试验结果认为采用沥青用量为6.0%时耐久性较好，采用沥青用 量5.6%时抗车辙能力较高。最终沥青用量，结合以往工程实践经验综合决 定为6.0% 。 §11-4：沥青路面的施工与质量控制 construction and quality control of bituminous pavement 一.洒铺法沥青路面面层的施工 surface course construction of bituminous pavement with sprinkling method 1.沥青表面处治bituminous surface treatment 层铺法layer spread method (双层式double-layered) · 备料;preparing materials ·清理基层及放样;cleaning base and setting out ·浇洒透层沥青;spraying asphalt in prime coat ·洒布第一次沥青;spraying the first asphalt ·铺撒第一层矿料; spraying the first aggregate ·碾压;rolling · 洒布第二次沥青; spraying the second asphalt ·铺撒第二层矿料; spraying the second aggregate ·碾压;rolling ·初期养护.early maintenance 贯入式penetration method(双层式double-layered) ·清理基层及放样; ·浇洒透层沥青; ·铺撒第一层矿料; ·第一次碾压; ·洒布第一次沥青; ·铺撒第一次嵌缝料; · 第二次碾压; ·洒布第二次沥青; ·铺撒第二层嵌缝料; ·第三次碾压; ·洒布第三次沥青 ·铺撒封面矿料; ·最后碾压 ·初期养护 二.路拌法沥青碎石路面的施工 construction of bituminous macadam pavement with roadmixing method 1)清扫基层;cleaning base 2)铺撒矿料;spraying aggregate 3)洒布沥青材料;spraying asphalt 4)拌和;mixing 5)整形;forming 6)碾压;rolling 7)初期养护; early maintenance 8)封层seal coat 三.热拌法沥青混合料路面的施工 construction of mixed bituminous road with hot-mixing method 1)沥青混合料的拌制与运输; mixing and carrying mixture 2)基层准备和放样; cleaning base and setting out 3)摊铺;paving 4)碾压;rolling 5)养护. maintenance 第十二章 沥青路面设计 bituminous pavement design 设计目的: design destination 1)满足各种外界条件的要求; satisfies the requirement of outside conditions 2)确定合理经济的路面结构; determining rational economical pavement structures 3)满足路面使用性能的要求. satisfies the requirement of pavement performances 设计内容:design volume 1)原材料的选择;selection of raw materials 2)混合料的配合比设计;design gradation of mixture 3)设计参数的测试和确定; testing and determining design parameter 4)路面结构组合与厚度的确定 determining depth and combination of pavement structures 5)路面方案的比选. comparison pavement alternative 设计方法:design method 1)经验法;experiment method 2)理论法.theory method §12-1：弹性层状体系理论概述 Introduction of elastic layer system theory 一、基本假设与解题方法 basic assumption and solution 基本假设： basic assumption 1）各层是连续的，完全弹性的，各向同性的，以及变形和位移是微小的； 2）最下一层在水平方向和垂直方向为无限大，其上各层厚度为有限，水平方向 为无限大； 3）各层在水平方向无限远处及最下一层无限深处，其应力，变形和位移为零； 4）层间接触情况：连续体系或滑动体系。 二、主应力计算calculation of main stress §12-2：沥青路面的破坏状态与设计标准 destruction status and design standard of bituminous pavement 一、沉陷 sinkage 定义 definition 二、车辙rutting 定义 definition 设计标准 design standard 三、疲劳开裂 fatigue cracking 定义 definition 设计标准 design standard 四、推移traction 定义 definition 设计标准 design standard 五、低温缩裂 contraction and cracking at low temperatures 定义 definition 设计标准 design standard 六、路面弯沉设计标准 design standard for pavement bending and sinkage §12-3：沥青路面结构组合设计 structural composition design of bituminous pavement 一、适应行车荷载作用的要求 satisfy the demands of traffic load 二、在各种自然因素作用下稳定性好 the good stability in all kinds of natural conditions 三、考虑结构层的特点 considerating characteristics of structural layers §12-4：新建沥青路面的结构厚度计算 structural thickness calculation of newly-built bituminous pavement 一、计算图式 calculation map form 二、路面容许弯沉和设计弯沉值 surface allowable bending and sinkage and designed value of bending and sinkage 路面容许弯沉值的定义 definition of allowable deflection value 设计弯沉值的定义 definition of design deflection value 三、标准轴载与轴载换算 standard axle load and axle load conversion BZZ-100 四、土基回弹模量值的确定 value of resilience modulus of earth base 1、现场实测法 2查表法 3室内实验法 4换算法 measuring on site checking graph testing in lab converting method 五、路面材料设计参数值 designed parameters of surface materials 六、结构层材料的容许拉应力 allowable tensile stress of substrate layers 七、新建路面结构的设计步骤 design steps of newly-built surface structure 路面结构设计程序框图 the programming graph of pavement structure §12-5：沥青路面改建设计 reconstructed design of bituminous pavement 改建设计目的：destination of reconstructed design 通过改建，延长路面的使用寿命，满足正常交通行车的要求。 改建设计内容：content of reconstructed design 1）路面结构状况调查； investigation of pavement structural conditions 2）弯沉评定； evaluation of deflection 3）补强厚度计算。 calculation depth of strengthening layer 一、路面结构状况调查与评定 investigation and evaluation of pavement structure 主要目的：了解现有路面状况和强度，据以判断是否需要 加强或预估剩余使用寿命，分析路面损坏的原因及提出处理 措施。 1、交通分析 traffic analysis 2、路基状况调查 survey of subgrade 3、路面状况调查 survey of pavement 4、路面修建和养护调查 building and maintenance maintenance survey 二、原路面当量回弹模量的计算 calculation of equivalent resilience modulus of the original pavement 三、补强厚度的计算 calculation of strength compensation thickness 利用弹性层状体系理论进行补强层厚度计算。 the calculation of strengthening layer by elastic layer system theory