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1、高等路面材料,Zheng Zhou University He Nan Research Center for Road NDT Technology,绪论,研究对象 研究内容 道路建筑材料的技术标准,全国公路年度统计数据,全国高速公路年度统计数据,我国路面发展的三个阶段 第一阶段: 恢复原有公路和加快建设一些干线公路,解决通车问题。 代表性的正规路面:泥结碎石和级配砾石路面。 第二阶段: 公路里程迅速增长的同时,改善路面的行车质量,增加车速,减轻养护。出现渣油表处路面(低级,能阻止路面材料和土基中水分的蒸发)。 援外工程中广泛采用: 水泥稳定沙砾(土)基层(赞比亚、苏丹),级配碎石基层(索马
2、里、马达加斯加) 填隙碎石基层(索马里、尼泊尔) 第三阶段: 提高路线和路面等级,改建和新建高速公路。 代表路面:半刚性基层路面。 最新由于交通量轴载的明显增大,沥青路面早损对沥青路面上行车的安全和降低噪音提出了更高要求。一些新的表面层结构和新的沥青混合料面层在欧洲出现并推广。如多空隙沥青混凝土,开级配磨耗层,碎石沥青砂胶混凝土(SMA)。 半刚性路面:将用水硬性结合料处治层的沥青路面正式命名为半刚性路面。,一、对路基路面的要求 一、对路基和路面的使用要求: 路基路面是道路的主要工程结构物。 路基在地表按照道路的线型(位置)和断面(几何尺寸)的要求开挖或者堆填而成的岩土结构物。 路面在路基顶面
3、的行车部分用各种混合料铺筑而成的层状结构物。 现代化的汽车运输,不仅要求道路能全天侯通行,而且要求车辆能以一定的速度安全舒适而经济地在道路上行驶,要求道路提供良好的行驶条件和服务水平。 (一)对路基的要求: 路基是路面的支撑结构物,对路面的使用性能有重要影响。,1 、整体稳定 填挖引起路基失稳 软土上高路基 岩质土质山坡上开挖。 严重性:交通阻断,易引起交通事故。 措施:正确设计,采取排水、防护和加固、支撑工程。 2 、变形小 自重、车辆荷载作用下变形。 地基软弱、填土疏松、过分潮湿时产生沉陷和变形。 危害:导致路面出现过量的变形和应力增大。 促使路面过早损坏并影响舒适性。 措施:争取合适填料
4、充分压实,改善水温状况,加固软弱地基。,二、路面的功能及对路面的要求 1、功能:提供汽车在道路上全天候地行驶安全、舒适、快速、经济。 路面的好坏直接影响车速、成本、行车安全和舒适性。 路面在通车造价中占很大比例。约为20%70%。 2、要求: 1)强度和刚度 路面受力:阻力、车轮水平力、垂直力、震动力、 冲击力、真空吸引力。 强度:抵抗行车作用下产生的各种应力,避免破坏。 刚度:防止产生过量的变形而形成车辙、沉陷、波浪等破坏。,2)稳定性 温度水分变化情况下相对稳定。 沥青路面:高温稳定性和低温抗裂性需要提高。 水泥混凝土:高温拱胀、低温缩裂需要避免。 3)耐久性 重复荷载作用下产生疲劳破坏和
5、变形累积。 需要足够的抗疲劳强度,抗老化,抗变形累积。 4)表面平整度 不平整路面会增大行车阻力、行车颠簸,影响速度和安全性。 5)表面抗滑性能 安全性能指标:制动雨天危险 沥青路面:耐磨石料 水泥混凝土路面:刷毛刻槽。,三、路面的构造 (一)路面结构层划分:,1、面层: 1) 特点:直接承受行车荷载作用大气降水和温度变化。 要求:足够的结构强度、温度稳定性、耐磨、抗滑、平整和不透水。 2)结构:面层由一层或数层组成,顶面可加铺磨耗层,底面可增设联结层。 3)材料:水泥混凝土、沥青混凝土、沥青碎石混合料。 2、基层 1)特点:主要起承重作用(承受由面层传递来的车辆荷载垂直力,并把它扩散到垫层和
6、土基中)。 2)要求:足够的强度、刚度 3)结构:有时需要设两层:上基层,底基层。 4)材料:各种结合料(石灰、水泥、沥青)。,3、垫层 1)路基土质较差,水温状况不良时候宜设置垫层。 2)作用:起排水(砂垫层)、隔水、防冻、防污或扩散荷载应力(软基)等作用。 3)材料:水稳性和隔热性要好。 松散材料:砂、砾石、炉渣、片石(透水性垫层)。 整体性材料:石灰土、炉渣石灰土。 (二)路拱和排水 路拱作用:迅速排除降落在路面上的水。 形式:直线型或抛物线形,其横坡随路面透水性增大而增大。 (三)路肩 排除表面水。 1、作用:1)承受车辆的偶然停留作用。 2)对路面基层和垫层起到支撑作用。 2、路肩的
7、横坡应略大于路面横坡,以利于迅速,研究对象,桥梁工程结构用材料 道路工程结构(面层、基层、垫层)用材料 构造物所用材料,砂石材料 人工开采的岩石或轧制的碎石 天然砂砾石 各种性能稳定的工业冶金矿渣(如煤渣、高炉渣和钢渣等) 胶结料类 水泥(石灰) 沥青 建筑钢材 钢材与钢筋 工程聚合物材料 塑料(合成树脂)、橡胶和纤维等,研究对象,水泥混凝土 水泥+砂石材料 沥青混合料 沥青+砂石材料 半刚性材料 以少量水泥、石灰(粉煤灰)稳定土 稳定碎(砾)石混合料,研究对象,我国路面材料发展历程,(1)20世纪60年代以前 砂石路面 砂石和粘土是最基本的材料,粘土作为结合料路面:晴天扬尘、雨天泥泞,不能全
8、天候行车。,(2)20世纪6070年代 渣油路面 随着大庆油田的开发,道路渣油这种不合格的沥青材料登上了历史舞台。在这个阶段,渣油表处加石灰土基层成了最主要的路面结构。,(3)20世纪70年代 普通(低等级)路面 随着胜利油田923原油和孤岛原油的开发,使胜利炼油厂开始生产符合一定规格的沥青。这种沥青蜡含量很高,质量很差。胜利沥青铺筑到天安门广场四周道路上,获得优质产品银奖。与此同时,沥青碎石结构、贯入式路面或上拌下贯式沥青路面得到了发展,基层的石灰土已经考虑掺加了碎石,成为这个时期公路干线的主要形式。 (4)20世纪80后期 高速公路沥青路面 以京津塘高速公路建设为契机,我国进入了高等级公路
9、建设的新时期。交通部制定了“重交通道路沥青标准”,开始大量进口国外高质量沥青。石化部门也开始研制生产重交通沥青。沥青混凝土路面成为高等级公路路面主要结构形式,基层也采用了水泥、石灰稳定碎石等形式。,研究内容,研究道路建筑材料的基本技术性质 基本物理性质 物理常数(密度、空隙率)、吸水率 级配组成、表面特征(纹理构造、棱角、形状等) 基本力学性质 强度、变形行为、抗磨性、本构关系 耐久性 抗渗性、抗冻性、抗腐蚀、抗老化 组成设计方法 选择材料、配合比设计,路面材料力学和变形特性 路面材料按形态和成型性质分为三类: 1、松散颗粒型材料及块料 密实型 2、 沥青结合料类 嵌挤型 3、无机结合料类 稳
10、定型 一、力学强度特性 1、抗剪强度: 剪切破坏 : 路面结构层厚度较薄总体刚度不足 无机结合料基层层位不合理内部剪力过大 面层结构的材料抗剪强度较低高温条件下沥青面层,沥青材料抗剪:沥青的粘度、用量多下降。 试验温度、加荷的速率有关。 2、抗拉强度: 气温变化收缩, 湿度变化干缩产生拉应力 抗拉强度主要由混合料中结合料的粘结力提供 试验 : 直接拉伸试验圆柱型试件、变形传感器、应力应变值。 劈裂试验(间接拉伸)圆柱型试件、压条、试件开裂破坏。 水泥混凝土劈裂抗拉强度采用边长150mm的立方体试件。,3 、抗弯拉强度 水泥混凝土、沥青混合料及半刚性路面材料修筑的结构层。 车辆的荷载作用下处于受
11、弯曲工作状态。,试验:简支小梁试验评定 三分点加载 混凝土抗折强度标准尺寸:150mm150mm550mm 集料粒径不大于40mm 4应力应变特性: 用于基层和底基层的碎砾石材料无法作成试件,但可由三轴试验可得到应力应变的非线性。,、水泥混凝土、无机结合料处治的混合料。 采用规则试件进行测定:三轴试验、单轴试验、小梁试验。 、沥青混合料 :低温(单轴或小梁试验) 高温(温度敏感性强用三轴压缩试验),应力应变特性:随温度和加载时间变化的粘弹性体,用劲度模量来表示。 沥青混合料劲度模量是在给定温度和加载条件下的应力应变的关系参数。 试验表明:加载时间短或温度较低时(材料处于弹性状态) 中间过程(弹
12、粘性状态) 加载时间很长或温度较高时(粘滞性状态) 二、路面材料的累积变形与疲劳特性 路面结构在荷载重复应力作用下,可能出现破坏极限状态有两类,第一类:弹塑性工作状态:塑性变形累积到一定限度累积变形。 第二类:弹性工作状态:内部微量损伤累积扩大,导致疲劳断裂破坏疲劳破坏。 共同点:破坏极限的发生不仅同荷载应力大小有关,而且同荷载应力作用次数有关。 水泥混凝土路面:弹性工作状态(疲劳破坏) 沥青路面:低温弹性状态(疲劳破坏) 高温弹塑性状态(累积变形形成车辙、沉陷等) 半刚性路面(无机结合料):早期弹塑性 后期弹性(疲劳破坏) 以黏土为结合料的碎砾石路面:弹塑性状态(累积变形),道路建筑材料性能
13、检测方法,实验室材料性能测定:原材料、混合料 实验室模拟结构物的性能测定:小尺寸模拟 现场足尺寸结构物的性能测定:加速加载试验 试验路 实体工程,研究内容,室内材料试验,室内材料试验,国际上加速加载试验主要方式 室内环道或直道 重庆公路所、 长沙理工大学 室外环道 法国LCPC(法国民用工程师试验室) 足尺试验场 美国WESTRACK、阿拉巴马、明尼苏达等 足尺移动设备 澳大利亚、我国的ALF(Accelerated Loading Facility ) 南非HVS, 美国TxMLS,南非MMLS,加速加载试验,AASHO道路试验(1958-1961) APT试验(ALF,HVS,LINTRA
14、CK,LCPC) LTPP研究计划 WesTrack试验,结构行为方程 概述,结构行为方程 ALF,HVS,结构行为方程 WesTrack,NCAT Pavement Test Track,Asphalt Plant,Laboratory,North,Lee County Road 151,1.7 Mile Oval Test Track on 309 acres 46 Cooperatively Sponsored 200 ft Test Sections 4700 sq ft Onsite Testing Laboratory 2600 sq ft Onsite Truck Mainten
15、ance Facility,结构行为方程 LTPP,了解路面长期使用性能,20年的计划 国际性的合作研究,约1000个观测段 已进行了15年,积累了大量数据 DATAPAVE 数据的可比性差,分析困难,丹麦室内小型直道试验系统,结构试槽,APTAsphalt pavement tester,美国 NCAT test track,美国TxMLS lifted for pavement surveillance,南非 Heavy Vehicle Simulator(HVS),加速加载试验系统,道路建筑材料的技术标准,内容:技术性质、质量规格、测试方法 依据:材料的性能研究、生产、设计和施工 标准: 国家标准:代号GB(如GB 5009296) 行业标准:如交通部颁标准,代号JTJ(JTJ 058-2000) 企业标准:代号QB 国际上较有影响的技术标准: 国际标准 ISO 美国材料试验学会标准 ASTM 日本工业标准JIS 英国标准BS,
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