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第 1 章 沥青路面
1.1 概述
一、沥青路面的基本特征
平整无接缝,行车舒适,震动小,噪声低,施工期段,开放交通早,养护维修简便,适宜于分期修筑。
但沥青路面也有可能发生以下病害:
疲劳裂缝(龟裂)块状裂缝
– 反射裂缝 低温开裂
纵向裂缝
路面材料离析
沉陷
车辙
波浪、拥包
坑 槽
泛油
松散
油斑泛油处发生的内部松散
沥青层的层间脱开
传统的泛浆现象(唧浆)
新型泛浆 泛浆原理
沥青层
基 层
离析 离析引起的日后修补
芯样截面显示的离析
路面上部分开口空隙久晒不干 取样孔内重新积聚大量的水
0
5
10
15
20h
/cm
底面层 中面层 表面层
芯样厚度统计
二、沥青路面的分类 1 . 按强度构成原理分类 a . 密实类:按最大密实原则设计,取决于混合料的粘聚 力和内摩阻力 按空隙率大小 剩 余 空 隙 率 b. 嵌挤类:采用颗粒尺寸均一的矿料,强度依靠骨料颗 粒之间的相互嵌挤而产生的内摩阻力,粘聚力 起次要作用。
: 6%: 6%
闭式空隙率小于开式空隙率大于
: 6%: 6%
闭式空隙率小于开式空隙率大于
2 按施工工艺的不同分类 a. 层铺法:沥青表面处治和沥青贯入式
b. 路拌法:路拌沥青碎石和路拌沥青稳定土
c. 厂拌法:厂拌沥青碎石(空隙率 10%~15% )和沥青混凝土
(空隙率 10% 以下)可分为热拌热铺和热拌冷铺
3 按沥青路面的技术特性 沥青砼,沥青玛蹄脂碎石:适用于高速公路,一级公路 和其他各级公路路面 乳化沥青碎石:适用于三、四级公路沥青面层,二级公路罩 面和其他各级公路调平层 泡沫沥青混合料:适用于低等级路面面层及高等级路面基层、
底基层或下面层。 热拌沥青碎石:适用于二级以下公路路面面层
沥青贯入式:适用于二级及二级以下的公路路面面层
沥青表面处治:适用于三、四级公路面层和抗滑,磨耗层
三、沥青路面类型的选择
道路等级,交通量,使用年限,施工地点,施工季节,
施工期限,材料供应,基层状况,施工机械,综合权衡,
设计
1.2 沥青路面材料的力学特性与温度稳定性
一、沥青混合料的强度特性 抗剪强度 根据摩尔—库伦原理: 在外力作用下不产生剪切破坏,则 : ① ② ③
tan tanc
c
max tan c
1 3
1( )cos
2
1 3 1 3
1 1( ) ( )sin
2 2
将②,③代入①式 沥青路面材料强度与稳定性的判别式 左端称为活动剪应力,其值等于 c , 材料处于极限平衡大于 c ,出现塑性 变形 c,Φ值通过三轴剪切试验取得。
( 1 3)/ 2
c
1 3 1 3
maxmax
1( )sin
2cos
( ) tancos
c
c
或
沥青混合料的抗剪强度主要取决于沥青与矿料相互作用而 产生的粘结力,以及矿料在沥青混合料中的相互嵌挤二产 生的内摩阻角 粘结力:取决于沥青粘滞度,沥青含量,矿料比面积 (颗粒大小),与沥青的结合特性(碱性矿料粘结力高。) 内摩阻角:取决于矿料级配,颗粒形状,表面特性及沥青含量
2 抗拉强度 直接拉伸试验 规范采用:间接拉伸 —劈裂试验 抗拉强度取决于 湿度 沥青含量 粘滞度 矿料级配 沥青特质
3 抗弯拉强度 小梁三分点加荷试验 规范规定试件尺寸,湿度 15±0.5oC , 长 250±2.0mm ,宽 30±2.0mm , 高 35±2.0mm 跨径 200±0.5mm 粗粒式沥青混合料 150mm×150mm×550mm 跨径 450mm 中,细粒式沥青混合料 100mm×100mm×400mm 跨径 300mm 砂质沥青混合料 50mm×50mm×240mm 跨径 150mm 美国 SHRP 采用 6.35cm×5.0cm×38.1cm
抗拉强度 其中: P—— 最大荷载MN h—— 高度 m b——宽度 m L——跨径m 抗弯拉强度取决于材料的性质及结构破坏过程中的加荷 状况,湿度状况
2t
PL
bh
二、沥青混合料的应力——应变特性
1 . 蠕变:材料在固定的应力作用下,变形随时间而发展的过程
高于屈服点
εε
εε
ε
ε
ε
低于屈服点
0
t
t '
瞬时弹性变形(纯弹性变形)
滞后弹性变形(粘弹性变形)粘滞性塑性变形
2. 应力松弛:变形物体在恒定的应变下应力随时间而自 动降低的过程 指标——应力松弛时间 t’ :应变恒定,应力由初始值 (最大值 σ0 )降低到 0.5σ0时所需的时间。 对于沥青混合料 : — 沥青粘滞度 E —弹性模量
' /t E
σ 0
σ 0
3.劲度模量: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 a 沥青的劲度 b 范德普:不同荷载作用时间和温度下沥青劲度模量的诺莫图
c 沥青混合料的劲度模量
,,
t Tt T
S
3S
t
弹性 S=E
弹-塑性
粘性
2.51
1
n
vm b
v
CS S
n C
44 100.83lgb
b
S nS
——沥青的劲度模量,Mpa
v vC C 集料体积
——混合料中集料的集中系数集料体积+沥青体积
三、沥青混合料的疲劳特性 疲劳破坏 疲劳寿命 简支小梁试验
疲劳试验方法 :
2
2 2
3
12
3 4
aP
bhh
l a
1
2
1 1max
2 2max
1
1
n
n
N K
N K
控制应力
控制应变
四、沥青路面的温度状况 温度降低,混合料强度提高,温度升高,强度降低
路面结构内温度状况预估
五、沥青路面的高温稳定性 温度升高,粘滞度降低,粘结力下降,强度降低,易发生剪切破坏 影响沥青混合料高温稳定性的因素:沥青和矿料的性质,相互作用特性,
矿料级配组成,沥青砼的热稳定性,表现在夏季路面在车辆作用 下是否出现车辙。 车辙是高级沥青路面的主要破坏形式 车辙试验:在规定尺寸( 300mm×300mm×50mm )的板块压实沥青混合
料试件上,在固定的荷载的橡胶轮反复行走后,测定其在变形稳定期,每增加变形 1mm 的碾压次数,即为稳定度,以次 /mm 表示,试验温度60oC ,轮压 0.7Mpa.
97规范:高速公路沥青混合料动稳定度应大于 800次 /mm ,一级公路大于 600次 /mm
六、沥青路面的低温抗裂性 温度降低,粘滞度升高,强度增大,则刚性增大,抗变形 能力降低 .
低温缩裂
影响因素:沥青性质,老化程度,当地气温状况, 路面结构层次
七、沥青路面的水稳性:浸水马歇尔试验和黏附性 (沥青与矿料)试验
面层开裂基层反射裂缝
1.3 对沥青路面材料的要求
一、沥青材料 1 、道路石油沥青质量要求: A—普通道路石油沥青 AH— 重交通道路石油沥青 2 、乳化石油沥青:适用于三级公路以下公路的常温沥青混 合料路面,沥青贯入式路面及沥青表面处 治,也可用于浇洒透层和粘层 PC-1~3 洒布型阳离子乳化石油沥青 PA-1~3 洒布型阴离子乳化石油沥青 BC-1~3 拌合型阳离子乳化石油沥青 BA-1~3 拌合型阴离子乳化石油沥青
3 、液体石油沥青:用轻质油将沥青稀释后得到,通常用 于浇洒透层和粘层
AL(R)—1.2快凝 AL(M)—1~6中凝 AL(S)—2~6慢凝
4 、煤沥青:煤经过干馏后得到的焦油再经过加工后得 到的产品,适宜于浇洒沥青路面的透层及 粘层,也可以用于三级及三级以下公路的 面层 T-1~9
二、矿料 1.粗集料:碎石,筛选砾石,破碎砾石,矿渣等 应洁净,干燥,无风化,无杂质,有强度, 耐磨耗,与沥青黏附性能好(碱性佳),颗粒 形状以近于立方体为佳 2.细集料:粒径小于 5mm 的天然砂,机制砂和石屑 应洁净,干燥,无风化,无杂质,并有适当的 颗粒组成,热拌沥青混合料的细集料,宜采用 优质的天然砂或机制砂 3.填料:石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经 磨细得到的矿粉
三、沥青混合料的组成设计 (一)试验室配合比设计(目标配合比) 1 、矿质混合料配合比组成设计:级配范围 ( 1 )确定沥青混合料类型: AC-13,20,30… AM-25… ( 2 )确定矿料的最大粒径:结构层厚度 h/d≥3 ( 3 )确定沥青混合料的级配范围:查阅规范推荐表 ( 4 )矿质混合料配合比计算 a 、组成材料的原始数据测定:筛分曲线,相对密度 b 、计算组成材料的配合比:计算 3种符合规定要求 级配范围的各组成材料用量比例 c 、调整配合比:合成级配根据下列要求调整, 3种级 配有一定层次
2 、确定沥青混合料的最佳沥青用量:马歇尔法和维姆法 ( 1 )、制备试样 a 、按确定的矿质混合料配合比,计算各种矿质材料的用量 b 、根据规范推荐的沥青用量范围,估计适宜的用量 ( 2 )、测定物理,力学指标 以估计沥青用量为中值,以 0.5% 间隔上下变化沥青用量制备马歇尔试件不少于五组,在规定的实验温度及试验时间内用马歇尔仪测定稳定度和流值,同时计算空隙率,饱和度,矿料间隙率
( 3 )马歇尔试验结果分析 a 、绘制沥青用量与物理,力学指标关系图 b 、从图中求取相应于稳定度最大值的沥青用量 a1 ,相应 于密度最大值的沥青用量 a2 ,相应于规定空隙率范围 中值的沥青用量 a3 ,求取三者平均值作为最佳沥青用 量的初始值 OAC1
OAC1=( a1+ a2+ a3)/3 c 、求出各项指标均符合沥青混合料技术标准(表 13-10 ) 的沥青范围 OACmin~OACmax 其中值为 OAC2即为 OAC2=( OACmin+ OACmax) /2
d 、根据 OAC1和 OAC2 综合确定沥青的最佳用量 OAC
e 、根据气候与交通特性调整最佳沥青用量 f 、 水稳定性检验:制作马歇尔试件进行浸水马歇尔试验, 检验其残留稳定度是否合格, I 型沥青砼不低于 75%, II
型 70%;否则重新进行配合比设计或加抗剥离剂 g 、抗车辙能力检验:在 60 oC条件下,用车辙试验机检验其 动稳定度。用于中,上层面沥青砼, 60oC时,高速公路, 城市快速路不小于 800次 /min ,一级公路及主干道不小于 600次 /mm ,否则调整级配和沥青用量 .
(二 ) 生产配合比设计:利用实际施工的拌和机进行试拌以确 定施工配合比。取实验室配合比设计的 最佳沥青用量前上下浮动 0.3% ,三个沥 青用量进行马歇尔实验确定生产配合比 沥青用量。 (三)生产配合比验证阶段:试拌试铺
铺筑实验段,钻芯取样进行马歇尔实验检验,由此确定 生产用的标准配合比。