永久性路面设计理念

　

　　　　　　　　196四川建筑科学研究

Sichuan Building Science 第34卷　第4期

　

2008年8月

　　

永久性路面设计理念

张兴昌, 夏锦红

(新乡学院, 河南新乡　453003)

摘　要:介绍了国外永久性沥青路面的结构设计理念。借鉴国外提高沥青路面结构耐久性设计的成功经验, 对改变我国目前单一使用半刚性基层沥青路面的状况, 使不同的路面结构得到合理的应用, 防止沥青路面出现早期损坏, 延长使用寿命具有重要意义。

关键词:永久性路面; 疲劳极限; 表面开裂; 设计理念

中图分类号:T U528142　　　文献标识码:B 　　　文章编号:1008-1933(2008) 04-196-04

0　前　言

长期以来, 在“强基薄面”思想的指导下, 沥青层较薄的半刚性基层沥青路面成为我国沥青路面结构的主要形式, 并几乎成为包括高速公路在内的唯一结构形式

[1]

在2004年, 世界范围内不同的沥青路面组织都在组织永久性路面研讨会, 特别是2004年6月I S AP 组织的永久性沥青路面国际研讨会50多个国家的, 、欧洲、加拿大、施工进行了广泛。E LLPG (Eur opean Long 2L ife Pave ment Gr oup ) 及美国的AP A 都对永久性沥青路面研究、推

度高、刚度大、抵抗变形能力强、低廉等优点。[广进行了大量工作。研究成果已经在重交通量道路上使用, 且在延长沥青路面使用性能方面获得了极大成功。

借鉴国外沥青路面提高结构耐久性设计的成功经验, 探讨不同结构对于我国高速公路使用的可行性, 对改变目前我国单一使用半刚性基层沥青路面的状况, 使不同的路面结构得到合理的应用, 防止高速公路沥青路面出现早期损坏, 延长使用年限具有重要意义。

走、, 使得我国许多半刚性基层沥青路面结构在超载车作用及施工质量等各种因素的影响下, 出现了不同程度的早期损坏现象, 提前达到了使用寿命。现在许多高速公路已经开始进入大修养护和加宽改造的阶段, 而且由于是基层这个承重层发生了损坏, 使路面的损坏成为结构性破坏, 无法通过沥青面层的维修得到解决, 往往需要“开膛破肚”式的大修作业, 负面影响极大。

相比之下, 国外沥青路面的设计寿命越来越长, 并出现了永久性路面(Per petual Pave ments ) 或称之为长寿命沥青路面(Long 2L ife A s phalt Pave ments ) 的设计理念。20世纪末以来, 这种设计理念得到了欧美等国家的高度重视而成为热门的研究内容。在EAP A (欧洲沥青路面协会) 1996年国际会议, 1997

1　永久性路面的基本理念与主要结

构特点

　　永久性路面的理念是使设计的沥青路面能够使用40～50年以上、采用较厚的沥青层的柔性路面, 可降低传统的沥青层底开裂和避免结构性车辙。由于沥青层相对较厚, 传统的疲劳开裂可能性大大降低, 路面的损坏主要位于面层的顶部(25～100mm ) , 这样, 一旦路面表面损坏达到临界水平, 其经

年、2002年I S AP (世界沥青团体) 第8, 9届国际会议中, 永久性沥青路面一直是会议一个重要议题。

收稿日期:2007210215

作者简介:张兴昌(1966-) , 男, 河南新乡人, 硕士, 副教授, 主要从事钢筋混凝土结构方面的研究。

E -ma il:zxc6690@sina . com

济性处理方法就是将损坏的顶层或面层铣刨、罩面或者加铺面层, 沥青面层材料可以再生利用。使得沥青路面在使用年限内不需要大的结构性重修或重

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建, 并企图无限期地使用下去。

20世纪60年代, 美国就开始修建全厚式沥青

青混合料存在一个弯拉应变临界点, 当路面结构弯拉应变低于此值时, 层底不会产生疲劳损伤, 即应力值或应变值与可承受的荷载作用次数关系是一条水平渐近线。这个拉应变临界点对应的疲劳寿命就是疲劳极限(Fatigue L i m it ) , 或者说“耐久性极限”(Endurance L i m it ) 。疲劳极限的适用性成为确定沥

混凝土路面(Full 2Dep th A s phalt Pave ment ) 和高强度厚沥青路面(Deep Strength A s phalt Pave ment ) 。全厚式路面是一种直接修筑在土基上的沥青路面结构, 加厚式路面在土基与路面间加入一个相对较薄的粒料基层。这类路面的主要优点是它的总厚度比常规基层的沥青路面结构更薄, 同时可以减少疲劳裂缝的可能性, 并使路面可能发生的破坏限制在路面结构的上部。这样, 当路表面的破坏达到某一临界水平时, 只需更换表面层, 不需要改变路面标高. 这是一种最经济的路面维修方式。

近年来, 在材料选择、混合料设计、性能测试和路面结构设计等方面所做出的努力, 是为获得超过50年路面使用性能(面层需要定期维修) 的沥青路

青层厚度的一个关键问题, 这是永久性路面设计理念重要的理论依据。

设计永久性路面的一个重要方面就是沥青层底弯拉应变低于疲劳极限对应的应变临界点。力学方法的主要原理是确定荷载作用下路面结构层的应力、应变响应, 要求采用力学方法进行结构设计, 评价交通荷载重复作用和材料对路面的影响, 如图2所示。如果能够根据损坏模型确定路面结构临界值点, 。永, 设计标准为εθ于极限应变值, 路基土ε。所采用的荷载为在道z 小于200μ路上行使时所能预测的最大荷载的实际车辆荷载, 并考虑一定量的超载下的荷载。极限应变值现在还ε, 改性沥青没有统一, 一般非改性沥青为60～70με

可以提高到100μ。

面结构提供可靠的方法。其核心是按功能要求合理设置路面结构层, 要求路面结构的面层具有抗车辙、不透水和抗磨耗的能力, 性, 。, 、轻交通

。

图2　永久性路面力学设计标准

图1　最初的永久性路面设计概念

2. 2　性能目标与路面破坏形式

2　永久性路面的结构设计

2. 1　基于力学的设计理念

永久性路面为了达到长期的路面性能, 有必要对路面性能进行定期监测, 以确保路面各类损坏控制在路面表面层顶部很薄的范围内, 如表面开裂、车辙、表面磨耗必须限制在磨耗层内。一旦路面损坏达到不可预测的程度(即破坏的临界程度) , 则必须评价整个结构, 并对路面表层进行修复。如果是产生了一些结构性的损坏, 如由于含水量的增加, 路基土强度的降低, 则在原路面表面层厚度的基础上, 需要另外增加一部分路面厚度, 以确保今后的长期路用性能。

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的设计范例。英国研究者将这一定沥青层厚度对应的强度称为临界值(或者阈值) 。实际上, 对应这一强度阈值的是沥

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表面裂缝(Surface 2initiated Cracks ) , 又称自上而下裂缝(T op 2do wn Cracking 或者Surface Crack 2ing ) , 是永久性路面设计理念又一重要理论依据。

稳定性好的胶结料来获得。为了获得较大的内摩阻力, 形成坚实的骨架, 必须采用轧制的碎石或破碎砾石。关于集料的最大粒径, 一种观点认为, 应采用较大公称粒径的集料。另一种观点认为, 只要确保集料形成石—石嵌挤骨架, 较小的集料尺寸也能达到相同的效果。联结层沥青的高温性能应该与表面层相同, 即相同的PG 分级, 但低温等级可能要低一级。因为, 这一层的温度梯度较大, 低温也不如面层严酷。联结层混合料设计可按标准Super pave 方法

[3]

大量调查分析表明:表面裂缝是较厚沥青层、精心施工的沥青路面最主要的损坏类型; 而对于较薄沥青层也会产生表面裂缝, 但是, 更容易产生由底层向上发展的破坏整个结构的开裂。

3　永久性路面的材料设计特点

永久性路面各结构层是按不同的功能要求进行设置的, 例如面层抵抗车辙、下层抵抗疲劳, 这就使得每一层材料选择、混合料设计、性能评价试验应有针对性地进行。混合料的模量应视所处的层位和功

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指标。3. 1　热拌沥青混合料基层选择

确定最佳沥青用量, 并应进行车辙及水敏感性

等性能评价试验。

3. 3　热拌沥青混合料磨耗层选择

磨耗层根据交通条件、环境、当地的经验、经济性确定, 磨耗层应该具有抗车辙、表面抗开裂及良好的抗滑性能, 减少水溅、水漂, 降低路面噪声。面层

(St one A s ) 密级配混合

沥青混合料基层用来抵抗交通荷载作用下路面结构的弯曲疲劳。从提高混合料抗疲劳性能出发, 其抗疲劳开裂性能, 见图, , , , 见图3(b ) 。因此就没有必要改变混合料的类型, 仍然采用目前的设计方法。基层沥青的高温性能必须达到面层沥青材料相同的高温性能要求, 即相同的路用性能PG (Perf or mance Grade ) 分级, 但低温性能指标可以在面层的基础上降低一个等级。由于基层最可能与水接触的时间长, 因此需要考虑沥青混合料的抗水损害性能。如这一层在施工期间开放交通, 还应做材料的车辙性能评价

。

抗(Open Graded

OGFC ) 。各结构层沥青等级4

。

图4　各结构层沥青等级的确定

有些情况下, 特别是重交通道路, 为了提高抗车辙、耐久性、不透水性以及耐磨性, 采用S MA 做磨耗层可以获得较好的效果。美国马里兰州、乔治亚洲和威斯康兴州在重交通道路采用S MA 都取得了成功的经验。为了保证这种混合料的耐久性, 要尽量降低混合料的现场空隙率, 马里兰州的现场空隙率一般控制在6%以下。对于中低交通量的道路, 一般采用密级配Super pave 混合料比较合适。无论是

图3　提高基层抗疲劳性能的途径

对S MA 或者Super pave 混合料设计都要进行性能试验, 至少进行车辙试验。对采用的沥青胶结料, PG 等级的高温部分应比工程所在地区常用胶结料至少高一个等级。为了抵抗低温开裂, 必须保证有95%～99%的保证率。

3. 2　热拌沥青混合料联结层选择

联结层必须确保稳定性和耐久性。其稳定性可以通过粗集料间形成石—石嵌挤骨架以及采用高温

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3. 4　路面基础要求

路面基础对永久性路面的性能和施工非常重要。路面基础首先为施工设备提供一个施工平台。降低冰冻—冻融和含水量的季节变化对路基承载力的影响, 这对于永久性路面非常关键。路面基础可以是碾压的原土路基, 也可以是化学稳定路基土或粒料材料, 也可以是无机结合料的粒料材料, 如碎石、碎砾石。无论采用什么材料, 路面基础都必须在施工期间和使用期间满足一定的强度要求。根据现场情况和设计实际情况, 确定是否对路基土进行处治或采用粒料材料

[4]

图5　周期费用经济分析

。

对于永久性路面, 设计、施工一个具有一定强度、耐久、均匀的路面基础非常重要。在施工期间, 一方面能够承受施工货车的作用, 也为其上的结构层施工设备、碾压设备提供一个较好的施工平台。在开放交通后, 保证能够承受交通荷载的作用, 且尽量降低其强度随季节的变化幅度, 这对于保障路面结构的性能非常重要。

5　结　论

(1) 永久性路面的设计理念是使良好施工且达

到某一疲劳极限之上的沥青路面, 只产生某种或几种特定的非结构性的破坏形式, 经济的养护维修既能够重新恢复原有使用性能。

(2) 3) 选择适宜的材料和级配类型(骨架型) 来提高联结层的抗车辙能力和耐久性。

(4) 磨耗层要求具有抗车辙、不透水、抗温度裂缝和耐磨等方面的能力, 可以采用S MA 或Super 2pave 混合料来修筑。

(5) 永久性路面具有良好的社会经济效益。

4　, 其他的费。由于建设活动造成的道路堵塞和低速以及由道路使用者和在工作区的道路建设者引发的较高的交通事故率而引起的费用。经济效益分析中, 道路建设费用仅是其中的一个因素。永久性路面能够承受更大的交通量和更重的交通荷载, 虽然其初期建设费用较高, 但是如果评价整个使用周期的总费用, 其路面较传统的沥青路面更经济, 降低了使用周期内的维修费用,

同时极大降低了道路使用者的使用费用(交通延误及事故费用) 。永久性路面与一般路面的周期费用比较见图5。

参考文献:

[1]　沈金安. 国外沥青路面设计方法总汇[M].北京:人民交通出

版社, 2004. [2]　吕伟民, 等. 国外沥青稳定柔性基层的材料与结构[J ].中外公

路, 2004, (6) :83286. [3]　Nunn M E . Design of Long 2life Flexible Pave ments f or Heavy Traf 2fic, Report 250Trans portati on Research Laborat ory, U K, 1997. [4]　A Synthesis of Per petual Pavements, AP A 101. 2002.