第二章 沥青路面使用性能.pdf

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1、-第二章沥青路面使用性能、工作条件和损坏特征第二章沥青路面使用性能、工作条件和损坏特征主 要 内 容1 第 2.1 节 路面使用性能的设计考虑2 第 2.2 节 沥青路面的工作条件3 第 2.3 节 自然因素对沥青路面的影响4 第 2.4 节 沥青路面损坏第 2.1 节 路面使用性能的设计考虑 2.1.1 路面使用性能与构造行为路面性能是一个复盖面很宽的技术术语，泛指路面的各种技术行为。包含了路面行驶质量、损坏状况、构造的力学反映、行驶平安性及路面材料的疲劳、变形、开裂、老化特性等各方面的含义，成为一个泛指路面和材料各种技术行为的术语。从道路使用者角度说，希望路面拥有的性能如下：可承受的行车舒

2、适性；行车平安性最小的环境影响高质量的车辆运营条件，以最大限度降低车辆损坏的风险；路面使用性能变化的原因则在于路面的构造行为。同济大学的孙立军等将路面构造行为定义为“路面构造(和材料)的物理特征和力学特性在外界因素(荷载、环境)作用下的相互关系，包括如下几个方面：(1路面损坏(裂缝、松散、坑槽、构造深度变化等)；(2)路面变形(车辙、平整度等)；(3)材料特性(材料模量和劲度、材料强度等)；(4)力学特性(弯沉、应力、应变等)。上述的和属于路面的物理特征，将影响到路面的使用性能；和则属于力学特性，决定了路面物理特征的演变过程。2.1.2 路面构造行为在沥青路面设计中的应用从路面构造行为定义可知

3、：为保证路面使用性能，应当限制损坏与 变形。在过去的表述中，一般是对路面的最根本要求是耐久、平整和抗滑。耐久性是指路面具有足够长的使用寿命；这要求整个路面构造具有足够的强度和抗变形能力。事实上，迄今为止所有的设计方法都是围绕着耐久性这个核心而提出的。路面的过早损坏意味着路面的耐久性缺乏。路面的损坏具有各种类型和各种形态。一般而言，高等级公路道路的路面损坏包括变形(车辙)、开裂(疲劳开裂、低温开裂和反射裂缝)以及目前出现的一些新的损坏类型，过多的路面损坏意味着路面寿命的终结；平整性要求是为了保证路面的行驶舒适性；对高等级公路道路，由于行车速度快，平整度尤为必要。要做到路面长期平整，就必须有正确的

4、厚度设计、正确的材料设计和正确的施工方法。抗滑是对路面外表特性的要求，表征了路面的行驶平安性，传统上不属于路面构造设计的内容，主要通过表层材料的选择和材料的设计予以保证。不满足于根本要求的沥青路面意味路面使用性能不良，路面设计的主要任务就是要保证使用期内路面使用性能，限制、延迟影响路面使用性能的过早损坏的发生和开展。根据以上讨论，可以认为构造、材料、荷载、环境、经济五个因素应当是影响路面使用性能的关健，也是本课程将讨论的主要内容。.z.-路面设计的主要任务就是确保其寿命期间不发生不可承受的损坏，这是任一种路面设计方法的共同目标。要到达这一目标，就要考虑路面的“构造、材料、荷载、环境和经济这五个

5、方面的因素，而最终的判据则是路面的使用性能。根据使用性能设计路面是一种合理的选择，这不仅是开展的趋势，也是开展的必然。所以，正确判定路面工作条件，分析路面损杯类型与损坏机理，是路面设计的根底 2.2.1 车辆类型与轴型客车小客车：6 座以下中客车：620 座 大客车：20 座以上货车-整车：货厢与发动机一体牵引式挂车：货厢与牵引车别离牵引式半挂车：货厢与牵引车别离，但通过铰接相互连接，牵引后轴承担局部货车重量2.2.2 行车荷载1、垂直力作用 0.41.1Mp，路面设计标准轴载按.7 Mp 取值.轮胎接地面形状椭圆形，近似处理为圆形接触面积。2、轮胎接地压强与以下因素有关1轮胎的新旧程度2轮胎

6、的花纹3路面的刚度4轮胎的充气程度 1.单圆当量圆半径 2.双圆当量圆半径 公路路面设计标准 ZZ-100 单轴双轮组，轴载重 100KN，轮胎内充气压强 0.7Mpa.以=25KN,轮胎充气压强 700Kp 代入计算可知单圆图式半径 0.151cm,直径 0.302cm双圆图式半径 0.106cm,直径 0.213cm汽车行驶水平力对路面的要求保证路面具有足够的附着系数，以保证行车平安。保证面层层间结合良好。保证面层材料抗剪强度，以防止波浪形成。车速车速越高,摩阻系数越小，路面面层类型面层等级越高，摩阻系数越大，路面干湿状况路面越枯燥，摩阻系数越大3、动力作用 动载定义汽车在不平整路面上行驶

7、,车轮以一定频率和振幅在路面上跳动,从而使轮载对路面的压力呈现动态波动状态 动载的表示方法冲击系数，振动轮载的最大峰值与静载之比一般在.5 左右.冲击系数将用在水泥路面设计中。对沥青路面而言，本身属于柔性体系，吸收行车的冲击和震动性能较好，并注意到上述两种影响相互抵消，而不再考虑车轮荷载的动力作用。车轮高速行驶对路面的瞬时性影响1)高速行驶时，路面承受荷载的时间极短。荷载应力尚未能传到路面下层和土基，从而使路面变形减小，这意味着路面构造刚度和强度的相对提高。2 车速越大，路面变形越小，车速越小，路面变形越大，静载时，路面变形最大。高速行车中车头挤压前方空气，车尾形成真空吸力，在真空吸力作用下，

8、碎石路面将产生扬尘现象，沥青路面上产生路面松散。现行沥青路面设计标准中不考虑，但对沥青面层的材料整体性和粘结性有要求。冲击荷载和静载波动图 车速与路面变形关系图 第 2.2 节 沥青路面的工作条件 2.2.3 交通分析.z.-2.2.3.1 交通及交通组成1.交通组成道路上行驶的车辆种类轴型多,对路面的作用不同,路面设计中,要对交通组成进展分析.2.交通量观测方法轴载调查情况-见图轴载谱3.交通量单位时间通过道路上*一断面的往返车辆数.第 2.2 节 沥青路面的工作条件2.2.4 轴迹横向分布1.柔性路面车道分布系数按车道进展设计车道系数，按照表 316 选用。公路无分隔时，车道窄宜选高值，车

9、道宽宜选低值。当上下行交通荷载有明显差异时，可按上下行交通特点分别进展构造与厚度设计，设计时按公式(317)计算设计年限内一个车道上的累计当量轴次 N。3.轮迹横向分布概念在设计中的应用刚性路面设计当量轴载作用次数应按轮迹分布系数计算按每 20 厘米轮迹进展设计.轮迹分布系数车道分布系数第 2.3 节 自然因素对沥青路面的影响各种自然因素对沥青路面的物理、力学性质都有着直接 的影响，使沥青及沥青混合料老化。尤其是温度和水这 两个因素对沥青路面具有重要影响。2.3.1 温度对沥青路面的影响1.沥青路面温度的预估与研究 沥青路面构造内部的温度状况，可以通过在外部和内部 影响因素之间建立联系的方法预

10、估，这种方法有两类，即统计法和理论法。统计方法需要在路面构造层中不同深处埋设测温元件，连续观测年内不同时刻的温度变化，同时收集当地的气象资料，包括对应的气温和辐射热等。但由于影响沥青路面内部温度的因素很多，统计法不可能全面考虑，所以计算的准确度有地区局限性。理论法是应用热传导理论方程式推演出各项气象资料和路面材料热物理特性参数组成的温度预估方程式，通常，由天参数确定难度大，理论假设理想化，使得理论预估公式结果与实测结果有一定差距。应当明确的是沥青路面的路表温度和气温并不一样，沥青路面内部不同深度处的温度也不一致。它是随着观测季节、观测时间和路面厚度等因素变化的一个复杂变量。日本的秋山政敬在沥青

11、路面温度变化的调查研究后得出如下几点结论。1沥青路面的外表温度与气温之间，在雨天时大致呈直线关系，而在晴天及阴天时则呈曲线关系.3沥青路面内部温度与其外表温度之间的关素是，越接近沥青路面外表，外表温度对层内温度的影响越大，反之则越小。每天 11-12 时外表温度最高，13 时以后外表温度开场下降，此时层内温度反而较高4当气温在 10 左右，能及在雨天时，沥青路面的外表及层内温度最为稳定。一般3 月和 11 月，由于昼夜温差较小，沥青路面的温度变化幅度较小。5从整层着眼，认为采用沥青层的层内平均温度作为计算温度较为合理。通常把这个温度称为“平衡温度点。2.温度对沥青路面的影响沥青的劲度或粘度受温

12、度的影响极大，即随着温度的升高，其劲度下降，由低温时的硬脆固体到常温下的粘弹性体直至高温时软化呈流动状态。沥青混合料的强度受温度的影响也很大。当温度高于脆化点温度时，沥青混合料的强度随着温度的下降而急剧增大；当温度低于脆化点温度以后，沥青混合料的强度则随着温度的降.z.-低有所减小。应当注意的是，虽然低温时沥青混合料有很高的强度，但其抵抗变形的能力 则显著降低。因而，冬季低温期间，沥青路面常由于面层本身收缩量超过其极限拉应变而导致开裂。2.3.2 水对沥青路面的影响水对沥青路面的影响主要表现在如下两个方面。1、沥青路面在水的作用下会使沥青与矿料剥离，还会将沥青中*些可溶性物质溶解并冲走，尤其是

13、当水中含有易溶盐进会发生乳化作用，从而加剧了溶蚀作用。2、沥青路面长时间浸水后会因含水量增加而发生体积膨胀，强度降低。沥青路面受水影响的程度取决于矿料品种与性质、外表粗糙度，当地气候、水文情况，路表的排水能力，路面的渗水性，以及沥青路面本身的水稳定性。2.3.3 沥青路面的老化沥青路面老化内涵沥青路面在使用过程中，在阳光、温度、空气等大气因素的作用下，沥青路的轻质组分逐渐挥发，并不断发生 氧化聚合反响，使沥青中的油分，树脂逐渐减少，沥青质相对增 多，因为沥青质局部地转化为沥青碳，致使沥青混合产粘塑性降 低，路面干涩、裂缝、松散相继出现，即发生沥青路面的“老化。随着老化现象的开展，沥青路面的抗变

14、形能力降低，在行车荷载 和冰冻作用下，极易产生裂缝，最终形成龟裂而导致路面的破坏。沥青路面老化影响因素当地的气候、沥青路面的层位能、沥青和沥青混合料的性能。在气温、日照时间长的地区，受大气因素作用较强烈的表层，老化 速度较快；沥青中的不饱和烃及芳香烃较多时，也易发生老化；沥青混合料的空隙率大时会加速老化；矿料中含有铝、铁等盐类 时，会直催化作用，它们与沥青中的沥青酸作用生成有机酸铝盐 或铁盐，从而加速沥青的老化。沥青路面常见的损坏可分为裂缝、变形和外表损坏三类。2.4.1 裂缝类沥青路面损坏的特征裂缝类沥青路面损坏的特征裂缝是沥青路面早期损坏的一种常见病害。按照裂缝的方向和成因，可分为纵向、横

15、向和网状裂缝2.4.2 变形类沥青路面损坏的特征变形类沥青路面损坏的特征沥青路面的变形是一种早期损坏现象，主要有沉陷、车辙和推挤，路面的变形将极大降低路面的平整度和道路效劳水平，甚至影响行车平安。1、沉陷指的是路面的局部凹陷，这种病害主要由路基未充分固结引起的继续沉陷或或路基压实缺乏引起的不均匀沉降所造成。这种沉陷的发生都伴有贯穿于整个路面的构造性破坏，所以修补后还会继续开展，形成补丁破坏。图 2-4 沉陷2、车辙指的是在高温和渠化交通作用下，沥青路面轮迹带上出现的永久变形。车辙随着渠化交通程度的提高和车辆作用次数的增加而增大。车辙可分为磨耗型磨耗型，压密形压密形和失稳型失稳型三种类别。车辙发

16、生过程为沥青路面在行车荷载作用下轮迹带上由于沥青层的再压密或剪切变形而轮迹带逐渐下沉，两侧拱起，形成波峰波谷状，波峰波谷之差即为车辙深度。车辙变形的外因是渠化交通和荷载作用次数的增加，内因是沥青混凝土高温稳定性的抗塑性变形能力差，在车辆荷载的碾压作下产生横向剪切变形流动，因此辙槽的两侧由于这种剪切流动而局部隆起3、推挤指的是路面上产生的波浪状变形，一般在穿插路口、匝道进出口、上下坡路段或停车场附近，由于车速变化频繁，经常刹车和启动，致使路面承受很大的水平剪力，当沥青混合料高温稳定性较差时，就会在高温和水平剪力的作用下产生波浪状的推挤变形。2.4.32.4.3 外表损坏类沥青路面损坏的特征外表损

17、坏类沥青路面损坏的特征外表损坏是沥青路面早期损坏的病害之一，主要有泛油、磨光、散等现象.z.-1、泛油定义指沥青路面中的自由沥青受热膨胀，直至沥青混凝土空隙无法容纳，溢出到路表的现象。泛油危害造成路表构造深度逐渐减小，抗滑性能降低，泛油通常在整条路段出现，路表如镜面光滑，雨天车辆易打滑从而影响行车平安。泛油原因没计过程中，沥青用量过多和设计空隙率过小都使沥青混合料的饱和度过 高，也就是混凝土内没有足够的空间容纳自由沥青热胀时的体积变化，引 起泛油。施工过程中，混合料拌和、摊铺中，离析使细料过于集中;施工中混合料生产的沥青用量控制不严格外部因素，高温季节路面内部温度升高而使沥青软化。泛油的进一步

18、解读 单纯的增加混合料的空隙率或者降低饱和度虽然可以控制泛油，但不利于 混合料的耐久性和密水性。因此，空隙率和饱和度一直是设计中的十分矛 盾的问题。泛油是不可逆的过程，并不能随温度下降而得到恢复。当混合料内的沥青 受热膨胀充满所有的空隙后，集料根本上被连续的沥青相所包围，集料颗 粒就像悬浮于沥青中一样，集料骨架的嵌挤作用因此而相对减弱，容易发 生搓动，在行车荷载的反复作用下，混合料不断地被压密，也就是矿料之 间隙率逐渐减小，以至于无法容纳原来的沥青量。所以，即使是温度下降 沥青受冷也无法恢复到泛油之前的状态。2、磨光指路表外露的集料颗粒在行车轮胎的摩擦作用下 外表逐渐变光滑的理象。磨光将极大影

19、响行车的平安性。研究说明：车辆低速行驶时的摩阻力主要由路表构造纹 理提供，高速行车的摩阻力主要由集料外表的细纹理提 供。一旦路表集料颗粒被磨光，细纹理和构造纹理都大 大降低，路面的抗滑性能也将随之下降，成为交通平安 的一大隐患。降低磨的的主要措施是使用硬度和耐磨性 能较好集料，在养护上应及时铺筑磨耗层。3、松散指沥青路面外表形成麻面甚至于露骨现象。形成松 散的原因主要有混合料中沥青老化，集料之间丧失相互 之间粘结、或是集料与沥青的粘附性差导致混合料水稳 定性缺乏，松散后的沥青路面因为集料颗粒逐渐流失而 形成大小不一的坑洞。2.4.42.4.4 其它类沥青路面损坏的特征其它类沥青路面损坏的特征在

20、工程实践中，除了以上三类早期损坏外，还发现一些路面病害现象，如基层裂缝、路外表泛浆等。基层裂缝：在过去强基薄面稳定土的设计理念下，为提高路面整体强度，减薄沥青层厚度以降低工程造价，常采用水泥稳定碎砾 石的半刚性基层，由于水泥稳定类材料硬化过程中将产生干缩作用，在使用期间受温度影响将产生热胀冷缩作用，从而使基层产生收缩裂缝，有调查资料说明，基层裂缝宽度可达十几厘米，此裂缝将反射到沥青面层，造成路面的横向裂缝。泛浆：泛浆指路表大气自然 降水或积水在高速行车作用下形成的高压水通过面层空隙侵入路面构造内部，并长期滞留基层顶面，浸泡和冲刷基层材料中的结合料而形成灰浆，这些基层顶面的灰 浆又在行车作用下，

21、透过沥青面层的空隙被挤压到路表，形成大面积灰白色块。泛浆发生时外界水进出沥青 面层的通道是面层构造空 隙，泛浆的范围可能是所有 面沥青面层的透水处，提醒了沥青路面材料配合比设计的缺陷唧浆是外界水透过沥青路面已存在裂缝进入构造层并积存于基层顶面，在行车反复挤压形成有压水，浸泡冲刷基层结合料形成灰浆，并通过裂缝被挤出路面。外界水只通过裂缝进出沥青路面构造层，行车碾压下所形成的灰浆也只是限于出现在裂缝周围。唧浆提醒了沥青路面存在的细微裂缝，为早期养护提供决策依据。2.4.5 对沥青路面工程的要求理想的沥青路面工程设计就是确保其寿命期间不发生不可承受的损坏，要在沥青路面的构造设计理论、原材料选择、施工

22、工艺全过程考虑路面的“构造、材料、荷载、环境和经济这.z.-五个方面的因素，而最终的判据则是路面的使用性能。根据使用性能设计路面是一种合理的选择，这不仅是开展的趋势，也是开展的必然。所以，正确判定路面损杯类型，分析其损坏机理，是路面设计的根底。本章小结本章小结沥青路面设计应当从路面所处工作条件着手，沥青路面工作条件可分为：所受荷载条件：从单个集中力单园均布荷载双园均布荷载碗型均布荷载反映了路面力学计算的开展和趋势。对路面面层力学计算时应当采用双园荷载图式，对路基力学计算可以采用单圆荷载图式。自然因素条件：路面工作于自然环境下，对沥青路面影响较大的自然因素主要为温度变化和水对沥青路面的影响。高温

23、条件时沥青路面产生软化，低温条件时沥青路面的产生脆化，为此应从沥青路面组成材料设计上考虑。水对沥青路面的影响主要反响在对沥青混合料的剥落和老化作用，为此，应当对沥青路面从设计、施工和材料组成的总体分析采取综合措施。行车作用下的路面破坏：沥青路面的破坏分为裂缝、变形和外表损坏三类，各类破坏的产生条件和控制因素也各不一样，掌握破坏的特征，分析引起破坏的原因和控制破坏发生的机制，是下一步路面设计的依据。沥青路面工程设计就是确保其寿命期间不发生不可承受的损坏，要在沥青路面的结构设计理论、原材料选择、施工工艺全过程考虑路面的“构造、材料、荷载、环境和经济这五个方面的因素，而最终的判据则是路面的使用性能。.z.