13+路基路面工程第十三章+沥青路面.ppt
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1、2019/7/8,1,第十三章,沥青路面 Asphalt Pavement,2019/7/8,2,第1节 概述 一、沥青路面的基本特性,沥青路面用沥青材料作结合料粘结矿料修筑面层与各类基层和垫层所组成的路面结构。 属柔性路面,其强度和稳定性在很大程度上取决于土基和基层的特性。 沥青路面的工程特点 表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪声低、施工期短、养护维修简便、适宜分期修建,2019/7/8,3,一、沥青路面的基本特性,沥青路面的使用功能要求 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),2019/7/
2、8,4,二、沥青路面的分类,1、按强度构成原理分类 密实类 按剩余空隙率的大小细分为 闭式 36 开式6以上 嵌挤类,2019/7/8,5,二、沥青路面的分类,2、按施工工艺的不同,沥青路面可分为层铺法、路拌法、厂拌法三类 层铺法:沥青表面处治、沥青贯入式 路拌法:路拌沥青碎(砾)石 路拌沥青稳定土 厂拌法: 厂拌沥青碎石:开级配、剩余空隙率1015 沥青混凝土:密级配、剩余空隙率10以下,2019/7/8,6,二、沥青路面的分类,3、根据沥青路面的技术特性分类: 沥青表面处治路面(asphalt surface treatment) 沥青贯入式路面(asphalt penetration)
3、沥青碎石路面AM(asphalt macadam) 沥青混凝土路面AC(asphalt concrete) 乳化沥青碎石路面emulsified asphalt 沥青马蹄脂碎石路面SMA(stone mastic asphalt) 开级配沥青磨耗层OGFC (OpenGraded Friction Course )剩余空隙率20左右,2019/7/8,7,三、沥青路面类型的选择,选择原则 任务要求:道路等级、交通量、使用年 限、修建费用 工程特点:施工季节、施工期限、基层状况 施工技术:人、机、料,沥青类路面一般不宜铺筑在纵坡大于6的路段上(出于安全原因),纵坡大于3的路段,考虑抗滑的要求宜采
4、用粗粒式沥青碎石或粗粒式沥青表面处治。,2019/7/8,8,四、沥青混凝土路面的主要技术问题,高温稳定性 低温抗裂性 耐久性(水稳定性、疲劳与老化) 表面抗滑性,2019/7/8,9,五、沥青路面的气候分区,分区依据:最高气温、最低气温和降雨量 方法:先按30年最热月平均最高气温和30年一遇极端最低气温划分沥青路面气候分区(见P308表13-1),再按雨量资料细分出沥青及沥青混合料气候分区见P308表13-2),2019/7/8,10,六、沥青混凝土路面的主要矛盾,高温稳定性与低温抗裂性、抗疲劳性能 表面服务功能与耐久性,2019/7/8,11,第2节 沥青路面材料的力学特性,沥青混和料的结
5、构类型 沥青混和料的强度特性 沥青混和料的应力应变特性 沥青混和料的疲劳特性,2019/7/8,12,一、沥青混和料的结构类型,按结构特点分为三类: 悬浮密实结构:沥青混凝土 连续型密级配 骨架空隙结构:沥青碎石混合料、 OGFC 连续型开级配 骨架密实结构: SMA 间断型密级配,2019/7/8,14,2019/7/8,15,Fig.1 Dense Graded AC Lab Samples,2019/7/8,16,Fig.2 SMA Surface,2019/7/8,17,Fig.3: OGFC Lab Samples,2019/7/8,18,二、沥青混和料的强度特性,1 抗剪强度 强度
6、构成 c, 材料c,值的测定 (课本P316、317中的公式实为极限平衡关系式),2019/7/8,19,影响沥青混和料抗剪强度的因素 沥青与矿料间的粘结力 沥青的粘滞度 沥青含量 矿粉含量 沥青与矿料间的粘附性 矿料间的内摩擦力 矿料级配 矿料颗粒形状 矿料表面特性,碱性石料与沥青发生化学吸附 酸性石料与沥青不会发生化学吸附,2019/7/8,20,2 抗拉强度,急骤降温时,沥青混和料发生收缩,如果收缩受阻,会产生拉应力,当超过材料的抗拉强度时,路面产生开裂。 沥青混和料的抗拉强度可用直接拉伸试验或间接拉伸试验劈裂试验测定 影响因素 沥青性质、沥青含量 矿料级配 测试时的温度 加荷速率,20
7、19/7/8,24,3 抗弯拉强度,在行车荷载反复作用下,路面弯曲而产生开裂破坏。,2019/7/8,25,试验:测重复荷载作用下的弯拉强度和弯拉回弹模量。,2019/7/8,26,抗弯拉强度的影响因素: 沥青性质及用量,矿料性质及级配,加载速率及重复加载次数,试件温度。,2019/7/8,27,三、沥青混和料的应力应变特 性,沥青混合料以粘弹塑性为其基本力学特征,其应力应变特性与荷载大小和作用时间、材料温度有关。 沥青混和料的粘弹塑性特征 沥青混和料是一种典型的弹、粘、塑性综合体, 在低温小变形范围内接近弹性体, 在高温大变形范围内表现为粘塑性体, 而在通常温度的过渡范围内则为一般粘弹性体。
8、,2019/7/8,28,三、沥青混和料的应力应变特 性,沥青混和料的粘弹塑性特征主要表现在以下三个方面: 材料的力学特性与加载速度有关,随着加载速度的增加,材料的强度和刚度均会增大。 材料的力学特性对温度十分敏感,随着温度的升高,材料的物理特征表现为变软,强度与刚度变小。 材料具有十分明显的蠕变creep和应力松弛looseness现象。 具有对时间的敏感性,2019/7/8,29,三、沥青混和料的应力应变特 性,沥青混和料的蠕变与松弛特性 蠕变 :当应力为一恒定值时,应变随时间逐渐增加的现象。(下图中横坐标为加荷历时),应变蠕变阶段,2019/7/8,30,1 沥青混和料的蠕变Creep,
9、作用应力较小(低于屈服点),作用时间较短时,表现有: 瞬时弹性变形纯弹性(加荷瞬时产生,卸荷瞬时恢复) 滞后弹性变形粘弹性(荷载作用下缓慢增长,卸荷后又缓慢恢复) 作用应力较大(高于屈服点),作用时间较长时,表现有: 瞬时弹性变形纯弹性 滞后弹性变形粘弹性 塑性流动变形塑性(残余变形),2019/7/8,31,三、沥青混和料的应力应变特性,2 沥青混和料的应力松弛 应力松驰:应变为一恒定值时,应力随时间而衰减的过程。 松弛时间:为使物体保持既得变形所需的力越来越小,当应力下降到初始值的那段时间。(它与沥青粘滞度和弹性模量有关,见下式) 上式表示松驰时间t与粘滞度成正比,与弹性模量E成反比 因此
10、,沥青混合料力学特性与以下因素有关 荷载大小 荷载作用时间与应力松弛时间的比值 材料的温度,三、沥青混和料的应力应变特性,劲度模量Stiffness Modulus 荷载作用时间和材料温度对沥青混和料的影响用劲度模量Stiffness Modulus来表征。 沥青混合料的劲度模量由Van der Peol 提出: 定义:材料在给定的荷载作用时间和温度条件下应力与总应变的比值,即: 计算公式,式中,Sm,Sb分别为沥青混合料和沥青 的劲度模量,Mpa. CV混合料中集料的集中系数,即: CV=集料体积/(集料体积+沥青体积) 上式当沥青混合料的空隙率VV为3%时适用,若VV大于3%,则CV需修正
11、,即 沥青的劲度模量与沥青的软化点与沥青温度之差、针入度和荷载作用时间有关,可按Van der Poel 诺谟图查出(建材中已讲),2019/7/8,35,四、沥青混和料的疲劳特性,疲劳破坏、疲劳寿命 沥青混和料疲劳破坏的发展过程 疲劳裂缝:沥青混和料由于材料表面和内部存在异质和瑕疵等缺陷,如尘粒、水泡、孔隙以及表面形状不规则等使应力传递不均匀而引起应力集中,局部区域的应力经过一定的荷载重复作用次数后就开始形成疲劳裂缝。 疲劳断裂破坏:在重复荷载作用下,裂缝端面不断改变并逐渐扩展,当疲劳裂缝扩展到临界裂缝尺寸,裂缝就产生由稳定扩展到不稳定扩展的转化而导致沥青混和料的疲劳断裂破坏。,2019/7
12、/8,36,四、沥青混和料的疲劳特性,室内大型疲劳试验法:采用梁式试件,进行反复加载弯曲试验,也可采用反复加荷间接拉伸试验(劈裂试验)。 疲劳试验通常采用两种方式控制加荷: 控制应力 控制应变,沥青混和料的疲劳特性的影响因素,五、沥青路面的温度 状况,气温 太阳辐射 路面结构内的温度梯度 路面内部温度分布状况统计分析方法,六、沥青路面的高温稳定性,沥青路面高温稳定性不足的破坏形态剪切变形 车辙、推挤、波浪、拥包、泛油,沥青混凝土的蠕变模量(即蠕变试验中测得的劲度模量)和回弹模量与温度的关系:,沥青混凝土强度与温度的关系:,2019/7/8,40,六、沥青路面的高温稳定性,沥青路面在高温下产生的
13、剪切变形形态 面层沿基层滑动 面层内部上下各层相互滑动推挤,六、沥青路面的高温稳定性,影响沥青混合料高温稳定性的因素 沥青 为了使沥青混和料冬季不会发脆,沥青就不应太稠,同时为了沥青混和料具有必要的耐高温变形能力,需采用软化点较高的沥青 沥青含量的影响:,2019/7/8,42,影响沥青混合料高温稳定性的因素,沥青:适当提高其粘度,严格控制沥青用量。 矿料:碱性矿料与沥青粘附性好 矿料级配:粗料含量提高至形成骨架,如起骨架作用的碎石(Dmax0.5Dmax)颗粒必须有足够数量,不少于60时有较好的抗高温变形能力。,2019/7/8,43,六、沥青路面的高温稳定性,车辙 是路面结构及土基在行车荷
14、载作用下的补充压实,以及结构中材料的侧向位移产生的累积永久变形。 出现在行车轮带处,即形成路面的纵向带状凹陷。 车辙是高级沥青路面的主要破坏型式,2019/7/8,44,车辙,2019/7/8,45,六、沥青路面的高温稳定性,车辙永久变形由两部分组成 一部分由沥青面层在荷载反复作用下进一步压密产生压密形变 另一部分是因沥青混和料在高温时的强度不足以抵抗重轮荷载的反复作用,轮下的部分沥青混和料产生剪切变形逐渐被挤压到两侧,使两侧的沥青面层鼓起产生所谓的侧向流动。,影响车辙深度的主要因素,2019/7/8,47,六、沥青路面的高温稳定性,高温稳定性的评定方法 我国“八五”科技攻关专题提出: 车辙试
15、验 以辙槽深度RD和动稳定度DS(每产生1mm辙槽所需的碾压次数)来评价沥青混和料的抗车辙能力。 高速公路DS800次/mm,一级公路DS600次/mm 静载压缩蠕变试验 美国SHRP计划提出用旋转压实仪成型试件,用剪切试验仪测定沥青混和料的剪切和劲度特性评估高温稳定性。,2019/7/8,48,七、沥青路面的低温抗裂性,1 低温下缩裂的类型 (1)低温收缩裂缝:a 温度骤降引起的收缩裂缝; b 长期温度升降循环引起面层疲劳开裂, 称为温缩疲劳开裂。 (2)低温荷载裂缝 (3)反射裂缝 (4)冻胀裂缝 见下表,低温裂缝类型,要减少低温荷载裂缝,应提高沥青混合料的低温变形能力和低温抗拉强度。 防
16、止冻胀裂缝,要设置排除水性好的垫层并做好路基排水。 防止反射裂缝,主要改善基层性能及基层与面层的衔接,增加面层厚度,提高面层抗裂性能。 低温缩裂,主要与沥青面层低温抗裂性有关。,2019/7/8,51,2 低温裂缝的影响因素,(1)材料性质 沥青性质。粘度小,延度大的沥青好。 矿料。低吸水率的好。吸水性大的集料低温强度低,并且会吸收较多的沥青,使集料间起粘结作用的沥青减少,降低混合料的低温变形能力。 空隙率。越小越好。,(2)环境因素 气温。越低越易开裂。 降温速度。 路面老化程度。 (3)路面结构尺寸 面层厚度。某试验表明,其他条件不变,面层从10cm增至25cm厚,可少50%的裂缝。 面层
17、与基层的联结强度。基层上铺沥青罩面后,再铺沥青混凝土面层,可减少低温裂缝。 施工裂缝。高温时用钢轮碾压低劲度的沥青混合料可能会引起裂缝,低温时这些裂缝容易扩展。,2019/7/8,53,3评价试验方法(详见课本),间接拉伸试验(劈裂试验) 直接拉伸试验 蠕变试验 受限试件的温度应力试验 应力松驰试验,2019/7/8,54,温缩裂缝(横向裂缝),2019/7/8,55,八、沥青路面的水稳定性,水稳定性不足的破坏型式 剥离、松散、坑槽等 影响水稳定性的主要因素 沥青与矿料的粘附性:矿料的化学成分(氧化钙含量高的碱性石料比氧化硅含量高的好),沥青的化学成分(与油源有关)、沥青的粘度(越高越好) 混
18、和料的空隙率。越小越好。 施工条件与施工质量。低温、湿度大甚至降水时铺筑,因沥青与矿料不能形成完美的粘结,易造成水损剥离。压实度不够,或混合料离析造成局部空隙偏大,会加剧水损害。,2019/7/8,56,评价试验方法 浸水马歇尔试验 沥青与矿料粘附性试验 混和料冻融劈裂残余强度试验,2019/7/8,57,高速公路部分路段坑槽突现,2019/7/8,58,八、沥青路面的水稳定性,表面层,中下面层,基层 底基层,路基,排水式路面,透水式路面,密水式路面,2019/7/8,59,九、沥青路面的耐老化性能,施工过程中的短期老化:主要是在拌和及混合料的运输过程中,沥青裹覆在矿料表面呈薄膜状态,在高温作
19、用下老化明显。 使用过程中的长期老化:与大气接触的表面沥青老化快。空隙率是影响老化的重要因素。,2019/7/8,60,第4节 沥青路面的原材料,一、沥青材料 1 道路石油沥青 按针入度分7个标号。每一标号的沥青从优到劣分A、B、C 三个等级。A级可用于任何等级公路的任何路面层次;B级可用于高速、一级公路的下面层,二级及以下公路的任何层次;C级只能用于三级及以下公路的各个层次。,对道路石油沥青的技术要求 主要技术指标:针入度,软化点,延度(这是衡量沥青路用性能的三大指标),以及含蜡量,闪点,溶解度等(详见课本P345表13-1) 石油沥青标号与等级的选择 应考虑:气候区划、公路等级、路面类型、
20、结构层次等因素。 一般夏季气温高,高温持续时间长的地区应选用稠度大的沥青;寒冷地区则应选用稠度大的。 2、乳化沥青(自学) 3、改性沥青(自学),二、粗集料(4.75mm或2.36mm的颗粒) 碎石、破碎砾石等。 要求石质坚硬耐磨、无风化、碱性,洁净,不含泥土,表面粗糙,形状接近立方体。符合级配要求。 三、细集料( 4.75mm或2.36mm的颗粒) 天然砂、机制砂、石屑 要求坚硬,洁净,无风化,无泥土,有一定级配。 四、填料( 0.075mm) 矿粉。必须是碱性憎水石料(如石灰岩)磨细而成。其质量指标主要有:密度、磨细度、亲水性、塑性指数等。,2019/7/8,63,第5节 沥青混和料的组成
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- 13 路基 路面 工程 第十三 沥青路面
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