10-沥青路面.ppt
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1、主要内容,第一节 概述 第二节 沥青路面材料的结构与力学特性 第三节 沥青路面的稳定性与耐久性 第四节 沥青路面施工与质量控制 第五节 沥青路面的材料要求 第六节 沥青混合料的组成设计,1)沥青路面 由沥青作为结合料,粘结矿料修筑面层,并和基层(底基层)、路基(垫层)共同组成的路面结构。 2)沥青路面结构组合 松散粒料做基层(面层薄时易疲劳破坏,可有效控制松散料下半刚性层裂缝反射) 无机结合料稳定材料做基层(易出现基层及面层的收缩裂缝,及基层裂缝的反射裂缝) 沥青类材料做基层(耐久性好,但对裂缝的防治效果很好) 水泥砼板做基层(新建水泥路面+沥青面层,易出现反射裂缝,旧路面则旧板的病害很容易反
2、映到面层),1、沥青路面及结构组合形式,第一节 概述,第一节 概述,根据不同基层材料结构可组合成三种典型路面结构类型。 1 半刚性基层沥青路面半刚性基层或底基层的沥青路面结构。 2 柔性路面各结构层由沥青混合料,或沥青贯入碎石、或冷拌沥青混合料、级配碎石、砂砾等柔性材料组成的结构。 3复合式路面采用贫混凝土、混凝土等刚性基层的沥青路面结构。,第一节 概述,路面各结构层的功能,第一节 概述,2、沥青路面的工程特点 优良的力学性能变形性能与强度 良好的抗滑性雨天的行驶安全性 施工方便强度形成速度和维修 经济耐久使用寿命 有利于分期修建,(1)表面平整无接缝、行车较舒适; (2)结构较柔,振动小,行
3、车稳定性好; (3)车辆与路面的视觉效果好; (4)施工期短、施工成型快,能够迅速交付使用(在机场跑道、高速公路上尤其需要) ; (5)易于维修,可再利用; (6)强度和稳定性受基层、土基影响较大; (7)沥青混合料力学性能受温度影响大; (8)沥青会老化,沥青结构层易出现老化破坏。,第一节 概述,3、沥青路面的优缺点(与普通水泥路面相比),1)裂缝,4、沥青路面的损坏类型及成因,第一节 概述,表观形态分有:横裂、纵裂、网裂、块裂、不规则裂锋等 产生原因: 横向裂缝:分荷载型和非荷载型,非荷载型又分为沥青面层缩裂和基层反射裂缝。荷载型因拉应力超过材料疲劳极限引起,从下向上发展;非荷载型沥青面层
4、缩裂因冬季沥青材料收缩产生的应力大于材料强度引起,反射裂缝因基层收缩开裂向面层延伸引起。 纵向裂缝:路面分幅摊铺时,接缝未处理好;路基原因等引起失稳。 网裂:上述裂缝未及时处理,水渗入所致;结构强度不足;沥青老化等,1)裂缝 crackings,4、沥青路面的损坏类型及成因,第一节 概述,纵向裂缝 longitudinal cracking,第一节 概述,1)裂缝,第一节 概述,横向裂缝 Transverse cracking,1)裂缝,块裂及网裂 Net Cracking,第一节 概述,1)裂缝,2)车辙 rut,定义: 路面结构及路基在行车荷载作用下的补充压实,或结构层及路基中材料的侧向位
5、移产生的累积永久变形。车辙还包括轮胎磨耗引起的材料缺省。 车辙是高级沥青路面的主要破坏型式 ,对于半刚性基层沥青路面,车辙主要发生在中上面层或沥青层表。 原因: 1)沥青混合料高温稳定性不足,塑性变形累积; 2)路面结构及路基材料的变形累积; 3)车辆渠化交通的荷载磨耗磨耗型车辙。,第一节 概述,车辙图片,第一节 概述,3)松散剥落 Ravelling and Stripping,定义: 沥青从矿料表面脱落,在荷载作用下面层呈现的松散现象。沥青层出现松散剥落将会继而出现坑槽破坏。 原因: 1)沥青与矿料黏附性差(沥青粘性差、集料粘附等级低、集料潮湿、沥青老化后性能下降、冻融等); 2)水的作用
6、; 3)沥青在施工中的过度加热老化,第一节 概述,第一节 概述,第一节 概述,松散剥落图片,4)表面抗滑不足 surface skid resistance,定义: 沥青路面在使用过程中,表面集料被逐渐磨光,或者出现沥青层泛油,使得沥青层表出现光滑。 原因: 1)集料软弱,宏观纹理和微观构造小; 2)粗集料抵抗磨光的能力差(由磨光值、棱角性、压碎值等表征); 3)级配不当,粗料少、细料多; 4)用油量偏大,或出现水损害; 5)沥青稠度太低; 6)车轮磨耗太严重,第一节 概述,表面抗滑不足及泛油图片,第一节 概述,5)其它病害,包括泛油、坑洞、波浪、拥包、啃边等。,第一节 概述,面 层,基 层,
7、土 基,上路床,下路床,上路堤,下路堤,上基层,下基层(底基层),30cm,50cm,70cm,2040cm,5080cm,路面结构示意图,2040cm,材料、结构、施工,我国沥青路面的早期破坏,裂 缝,水损坏,车 辙,100,98,96,94,92,90,88,86,84,82,80,0,2,4,6,8,10,12,14,16,起始空隙率5.8%,起始空隙率7.8%,起始空隙率9.8%,空隙率(%),压实度(%),沥青路面压实度与空隙率的关系,研究表明:随着行车速度的增加,路面表面的动水压力(图中用水头高度表示)就随之增加,如果沥青面层结构中没有透水透气层,则渗入基层顶部的水在动水压力作用下
8、,基层就会受到严重冲刷,从而发生水损坏。,行车速度与水头高度关系图,我国沥青路面的早期破坏,车辆在行进过程中会形成轮前高压和轮后真空区,我国沥青路面的早期破坏,5、沥青路面的基本要求 强度与刚度(开裂、变形) 稳定性(高、低温、水稳定性) 耐久性(疲劳、老化) 平整性(舒适、动荷) 抗滑性(安全) 少尘性(环保),Transportation College, Southeast University,第一节 概述,高温稳定性-高温下抵抗永久变形的能力; 低温抗裂性-抵抗低温抗裂的能力; 水稳定性-抵抗水损害的能力,密级配路面抗渗和排水路面透水; 耐久性抵抗老化与荷载重复作用的能力; 抗滑能力
9、保证不利情况下车辆安全形势的能力。, 5、沥青路面的基本要求,第一节 概述,分区目的: 全国各地区气候条件差异很大,对沥青提出的要求也不尽相同,为保证沥青路面对气候的适应性,提出了沥青及沥青路面的气候分区。 分区方法: 根据高温-低温-雨量三个主要因素的30年气象统计资料来划分。即: (1)沥青路面分区:高、低温指标及降雨指标 (2)沥青及沥青混合料分区:高、低温及降雨指标,第一节 概述, 6、沥青路面使用性能的气候分区,高温指标: 最近30年设计周期的最热月的平均日最高温度的平均值。,低温指标: 最近30年的极端最低气温的最小值,第一节 概述,分区指标:,降雨指标: 最近30年的年平均降雨量
10、的平均值,第一节 概述,沥青路面气候分区,第一节 概述,第一节 概述,第一节 概述,1)按强度构成原理: 密实类沥青路面 这类沥青路面的矿料按最大密实原则设计,路面的强度和稳定性取决于混合料的凝聚力和内摩阻力。其面层结构的特点是空隙率小,细料含量多,高温时易产生推挤变形。 常用的类型有沥青混凝土、密级配沥青稳定碎石混合料等。,7、沥青路面的分类,第一节 概述,嵌挤类沥青路面 这类沥青路面的强度和稳定性主要依靠骨料颗粒间相互嵌挤产生的内摩阻力,凝聚力仅起次要作用。其主要特点是热稳定性好。部分类型的空隙率大,易渗水,耐久性较差。 常用的主要结构有Porous Asphalt Pavement(PA
11、)或Open Graded Asphalt Friction Course(OGFC)、 SMA、Superpave、沥青贯人、沥青表面处治等。,第一节 概述,各自优缺点: 密实类:耐久性好,热稳定性差; 嵌挤类:热稳定性好。,层铺法沥青表处和沥青贯入式 分层洒布沥青,分层铺撒矿料和碾压的方法修筑面层。 优点:工艺设备简便、功效较高、施工进度快、造价较低; 缺点:路面成型期较长,需要经过炎热季节行车碾压才能成型; 路拌法采用移动式拌和机械(或人工)在现场施工,将矿料和沥青材料就地拌和,摊铺并碾压密实成型。可采用热油冷料或冷油冷料拌和摊铺。 优点:沥青材料分布相对均匀,成型期短;缺点:冷料拌和强
12、度低 厂拌法沥青碎石和沥青混凝土 一定级配的矿料和沥青材料在工厂用专用设备加热拌和,送到工地摊铺碾压成型。分热拌热铺、热拌冷铺,区别在于摊铺时混合料温度 优点:矿料精选、除水彻底、沥青稳定、热拌均匀、混合料质量高。,2)按施工工艺:,第一节 概述,沥青混凝土(Asphalt Concrete) 热拌沥青碎石(Asphalt Macadam) 乳化沥青碎石(Emulsion Asphalt Macadam) 沥青贯入式 沥青表面处治 沥青玛碲脂碎石SMA (Stone Mastic Asphalt) 排水性沥青混凝土(Porous Asphalt Concrete) 开级配抗滑磨耗层( Open
13、 Graded Friction Course ),3)按沥青路面材料的技术特点:,第一节 概述,第一节 概述,一方面要根据任务要求(道路的等级、交通量、使用年限、修建费用、环境状况等)和工程特点(施工季节、施工期限、路基及基层状况等); 另一方面还应考虑材料供应情况、施工机具、劳力和施工技术条件等因素。,第一节 概述,8、沥青路面类型选择,1、沥青混合料的体积参数关系,沥青混合料是一种由集料、沥青和空气组成的三相空间体系。,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,1、沥青混合料的体积参数关系,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,1、沥青混合料的体积参数关
14、系,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,1、沥青混合料的体积参数关系,1) 沥青混合料压实度及其控制: 沥青混合料的压实度直接决定着其成型后的强度,在一定范围之内(没有出现过压时),压实度越大越好。 压实度表征的三种方式与实际控制方法: (1)理论密度的压实度; (2)马歇尔密度的压实度; (3)试验段密度的压实度。 区别:分母不一样,分别是:真密度、马歇尔试件密度和试验段取芯试件密度。 控制标准:93%、97%、99%,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,2、沥青混合料的压实性能,2)沥青混合料压实影响因素: 压实温度、压实速度、压实应力(功)、沥青用量等。,第二节 沥青路面材料的结构与
15、力学特性,沥青混合料压实可行性区域,3、沥青混合料的结构力学特性,沥青混合料是一种由集料、沥青和空气组成的三相空间体系。 强度取决于集料颗粒间的摩擦力和嵌挤力、沥青胶结料的粘结性以及沥青与集料之间的粘附性。 影响:集料的类型、空间布型以及胶结料的类型、用量、与集料的粘附程度影响着沥青混合料的力学特性。 类型:按密实原则和嵌挤原则构成的沥青混合料的典型结构类型有三种:密实悬浮结构、骨架空隙结构、骨架密实结构,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,沥青混合料力学参数试验1)三轴试验(摩尔库仑理论),如何求沥青混合料的粘结力C和内摩擦角?,建立极限平衡条件,1)
16、三轴试验,采用圆柱形试件,试件直径应大于矿料最大粒径的4倍,试件高与直径比大于2;矿料最大粒径小于25mm时,试件直径10cm,高20cm;将一组试件分别在不同侧压力下以一定加载速度施加垂直压力到试件破坏,此时该垂直压力为最大主应力,侧压力为最小主应力。,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,三轴压缩试验原理,2)无侧限抗压试验及抗拉强度(间接抗拉)试验,采用圆柱形试件;无侧限抗压试验试件直径应大于矿料最大粒径的4倍,试件高径比大于2,矿料最大粒径小于25mm时试件直径10cm高20cm;劈裂试验试件直径101.60.25mm、高63.5 1.3mm(马歇尔试件),或轮碾机成型板块试件,或从道
17、路现场钻取直径1002或1502.5mm、高为405mm的圆柱体试件。,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,4)直剪试验确定: 通过不同压力的直接剪切试验确定,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,3)简单拉压试验确定: 通过简单抗拉强度试验和间接抗拉试验确定,1)粘弹性材料的基本性质 应力应变关系的曲线性及不可逆性; 对加载速度(时间效应)和试验温度(温度效应)的依赖性,服从时间温度换算法则; 具有十分明显的蠕变与应力松弛特性; 线粘弹性材料服从Boltzmann线性叠加原理和复数模量原理;,4、沥青混合料粘弹性性质与力学模型参考,沥青混合料是一种弹-粘-塑性材料,不同外部(温度与荷载)条
18、件下,表现出不同的性质: 低温小变形时:线弹性性质 高温大变形时:粘塑性性质 在过渡范围内:粘弹性性质,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,沥青混凝土常温下加载并反向加载的典型曲线,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,沥青混凝土温度恒定时间变化、时间恒定温度变化的典型曲线 试验温度的升高相当于慢速加载、加载时间的延长:时间温度转化法则,蠕变 蠕变是应力不变,变形随时间而增加的现象。这一过程在应力不变情况下,取决于其作用时间。沥青材料在不同应力及时间下表现: 应力小,时间短: 主要表现为弹性性质,在应力施加后变形瞬时出现,应力撤除后变形迅速恢复。这种变形
19、叫做纯弹性变形(瞬时弹性变形),在该范畴内,应力应变呈直线关系; 应力较大,时间较才: 主要表现为粘弹性性质,应力施加后瞬时出现变形,然后变形仍逐渐增加,当应力撤除后,一部分变形瞬时恢复(弹性变形部分),另一部分变形随时间缓慢恢复,这部分变形是粘弹性变形(滞后弹性变形)。 应力大,时间长: 主要表现为塑性性质,除包含粘弹性性质外,还有较大一部分变形无法恢复,称为塑性变形。 注意:沥青混合料的实际变形弹性、粘性、塑性三种都包含,不过根据应力大小和作用时间不同而表现出以上各种不同性质为主的特点。,2)蠕变与松弛特性 creep and relaxation,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,应
20、力松弛 应力松弛是恒定不变,应力随时间减小的现象。应力降低到初始数值(初始应力值的1/n)的时间,称为松弛时间。,沥青混合料主要呈现为弹性或粘塑性,与应力作用时间与松弛时间的比值有关:作用时间松弛时间,以粘塑性为主; 作用时间与松弛时间相近,为弹-粘-塑性。 冬季气温低,沥青混合料粘滞度高,松弛时间长,显示弹性性质;夏季粘滞度低,松弛时间大大降低,则为弹、粘、塑性,取决于作用时间;,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,综合,沥青路面蠕变规律,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,第一阶段:迁移期,蠕变(永久)变形在瞬间迅速增大,但应变速率随时间迅速减小; 第二阶段:稳定期,蠕变(永久)变形呈
21、直线形稳定增长,应变速率保持稳定,该过程占总过程的主要部分; 第三阶段:破坏期,蠕变(永久)变形和应变速率均急剧增大,直至破坏。,1)基本流变模型及其组合,5、沥青混合料的流变学模型参考,沥青混合料是一种弹-粘-塑性材料,弹、粘、塑性是其力学特性的基本单元,需要用一定的力学模型及本构关系来表达,并进一步实现串联或并联的组合形成复杂的组合模型来模拟材料真实的力学特性。,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,弹簧、粘壶及滑块及其组合,Van Der Pool模型及其蠕变曲线,2)基本力学元件的组合 通过对基本元件的串连或并联组合,可形成新的力学模型来表征不同的粘弹塑性材料。元件串连:总应力等于各分
22、应力,总应变等于各分应变之和;元件并联:总应力等于各分应力之和,总应变等于各分应变。常用的简单组合模型有下列几种,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,6、沥青混合料的模量,1)劲度(劲度模量)Stiffness modulus 反映沥青和沥青混合料在给定温度和加荷时间条件下的应力-应变关系的参数,称作劲度S。应力作用时间、温度、应力大小都会对沥青和沥青混合料的应力应变特性造成影响,因此,劲度(模量)表达式中必须考虑这些因素。 C.范德甫(Vander Poel)提出了表征弹-粘塑材料劲度(模量)的表达式:,施加的应力,MPa;总应变; t荷载作用时间,s;T材料的温度,。 问:与弹性模量的区
23、别?,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,2)沥青的劲度,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,由图中曲线可以看出: (1)加荷时间短时,曲线接近水平,表明材料处于弹性性状;加荷时间很长时,便表现为粘滞性性状;处于二者之间时则兼有弹-粘性性状。 (2)各种温度下的S-t关系曲线具有相似的形状,如果将曲线作水平向移动,则将可将它们近似重合在一起。这意味着温度对劲度的影响同一定量的加载时间对劲度的影响效果相当。 (3)温度和加载时间对劲度的影响具有互换性,是沥青材料的一个重要性质。利用这一性质,可以通过采用变换试验温度的方法,把在有限时间范围内得到的试验结果扩大到很长的时段。,第二节 沥青路面材
24、料的结构与力学特性,2)沥青的劲度,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,范得保沥青劲度确定诺模图,3)沥青混合料的劲度,C范德甫对一系列密级配沥青混合料进行试验后确认,沥青混合料的劲度模量是沥青的劲度模量和混合料中集料数量的函数。,适用于沥青混合料的空隙率,等于0.70.9的情况,若空隙率大于3,,修正为:,为3,,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,第二节 沥青路面材料的结构与力学特性,3)沥青混合料的劲度,7、沥青混合料的强度,强度是指材料达到极限状态或出现破坏时所能承受的最大荷载(或应力)。构成公路路面各结构层的材料,一般都具有较高的抗压强度,而抗拉或抗剪强度较弱(这在颗粒材料中或结
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