沥青路面结构耐久性分析Word格式.docx
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例如：
炎热夏季在重载作用下形成车辙、推挤、拥包、波浪等永久性变形；
在雨季及春融季节形成坑槽、松散、剥落、麻面等水损坏;
路表抗滑性能的迅速下降以及局部龟裂等路面病害都在一些高速公路中陆续出现。
对此，路面使用寿命受到普遍关注。
随着公路建设的发展，交通量及交通荷载的增加，沥青路面在车辆荷载作用下的疲劳破坏也成为沥青路面的主要破坏形式之一。
沥青混合料的疲劳寿命直接影响沥青路面的使用寿命及使用性能，是决定沥青路面工程寿命周期成本的关键因素。
沥青路面应具有抵抗温度，阳光、空气和水等各种因素综合作用的能力，即在这些因素作用下路面使用性能不至于很快恶化。
当沥青路面抵抗温度、阳光、空气作用的能力较差时，沥青路面易失去粘性、变脆，在行车荷载和其它因素的作用下混合料内聚力消失，乃至于沥青与矿料脱离，使路面松散破坏。
因此，沥青路面抵抗各种人为或天然因素作用的能力（即抗老化能力），也是影响沥青路面使用寿命的重要方面。
沥青路面的使用寿命取决于沥青混合料的耐久性，沥青混合料的耐久性包括沥青在各种因素交互时作用的抗老化性质、混合料的抗水损害能力和汽车荷载及温度变化反复作用下的耐疲劳性能。
1.2国内外研究现状
1.2.1国外研究现状
沥青路面热再生已经被广泛接受并投入使用，尤其是北美和欧洲国家。
目前已存在可满足不同修复要求的几种技术，根据当地的条件，路面类型和路面将来的用途，工厂热再生和冷再生已经投入日常的使用阶段，许多公路公司使用冷再生技术和全部重新铺筑的方法修复路面和加固路面。
热再生技术在过去的50年里只是被少量的利用，仅仅从80年代后期才有了一些进展和机械装置的制造。
现在已经出现一种新的加热系统，即把重新循环的热空气和低度的红外线结合起来使用的系统。
此外，搅拌机械装置也和这加热系统一起工作以保证更均匀地加热松散的沥青混合料并且可以有效地除去潮湿。
重新循环的空气再被加热，然后点燃，因此和以前的热再生装置比较起来可以使空气质量得到很大的提高。
现场热再生是一种修复破损路面的过程，它通过加热软化路面，铲起路面废料，再和沥青粘合剂混合，有时可能还需要添加一些新的骨料。
然后将再生料重新铺在原来的路面上。
现场热再生可以通过单次操作完成，把原材料和需修的路面重新结合。
或者是通过两阶段完成，即先将再生料重新压实，然后在上面再铺一层磨耗层。
1.2.2国内研究现状
与国外相比，我国的沥青路面的研究相对比较晚。
我国高速公路开始修建于1989年，在90年代以后陆续建成的高速公路已进入大、中修期。
按照沥青的设计寿命（15—20年），从现在超，第年有12%的沥青路面需要翻修，旧沥青废弃量将达到每年220万吨巨，如能加以利用，每年可节省材料费3.5亿人民币，而这个数字是以每年15%的速度增长的。
10年以后，沥青路面的大、中修产生的旧沥青混合料将达到1000万吨，届时再生利用每年可节约材料费15亿元。
“目前我国还没有完全掌握旧沥青混凝土的再生技术，这些为数巨大的沥青混凝土层翻挖后只能白白的废弃掉，这不仅浪费了资源，也对环境造成了严重的污染。
因此，旧沥青问题的及早解决，已经迫在眉睫。
”[1]沥青再生专用设备的开发，对保护环境、重复利用废弃沥青以及对我们国家的公路建设都有极大的意义。
而国外在这方面自40—50年代已经开始研究，近年来已有很大的发展，并且已经有成熟的技术的新型的机器面世。
可见沥青再生是完全可以实现的。
因此，对于我们国家公路建设日益快速发展的今天，沥青再生技术的研究和相关机械的研究显得更加重要。
1.3本课题技术路线与研究内容
1.3.1主要研究内容
随着我国经济和交通运输的不断发展，车辆大型化、重载超载、交通大流量及渠化交通等逐渐成为现代交通的必然趋势和鲜明特点。
许多公路沥青路面建成不久，各种疾病也发生了。
出现了开裂、车辙、坑槽及温宿等早起破坏情况也时有发生。
延长使用寿命提高沥青混合料的路用性能，提高沥青路面在其服役期内的使用品质显得尤为重要。
本文从影响沥青路面结构耐性的内部和外部等因素进行研究，从而得出一套提高沥青路用性能的切实可行的方法。
1.3.2技术路线
对于这一课题的研究本文主要通过查阅文献资料、调研以及试验等手段对沥青路面结构的耐久性进行研究探索。
分析了沥青路面结构设计。
材料、混合料配合比以及施工过程对路面结构耐久性能的影响。
2沥青路面耐久性影响因素
2.1影响沥青路面耐久性的内部因素
为了使沥青混凝土面层的优秀使用性能耐久，除路面有足够的承载能力、使路面不会产生结构性破坏外，还必须解决沥青混凝土面层本身可能产生的一些早期破坏，常见的早期破坏有沥青混凝土层产生严重辙槽、严重泛油；
沥青混凝土层，特别是表面层容易透水，并导致早期水破坏；
沥青混凝土表面层产生严重低温裂缝，沥青混凝土层产生疲劳开裂（主要针对柔性路面）。
因此，沥青混凝土的高温抗永久形变能力要强，使沥青混凝土层能承受重载车辆的反复作用，不易产生严重的辙槽；
沥青混凝土的油石比应该适宜，避免产生泛油；
沥青混凝土层要密实、透水性小和均匀性好，使水不易透入并滞留在某层内，以避免早期水破坏。
2.1.1沥青质量
随着我国高速公路的迅猛发展，公路质量是工程的生命已成为人们的普遍共识，而作为检验工程质量的唯一有效手段——试验检测，其重要性不容忽视，本文主要基于试验检测工作的重要性，去探讨如何提高公路工程试验检测工作的水平，保证公路施工质量的优质和安全。
“沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物，呈液态、半固态或固态，是一种防水防潮和防腐的有机胶凝材料。
”[2]用于涂料、塑料、橡胶等工业以及铺筑路面等。
加强试验检测是一项尤为重要的工作，它直接影响着工程质量的优劣，只有通过科学的检测与试验手段、严密的工程监理才能为公路工程质量评价提供准确的、科学的依据。
在公路施工过程中进行试验检测，所得到的数据显示，将可以对工程施工过程中的每道工序及原材料的性能、各种混合物的配合比、生产成品的强度等进行全面控制，以确保工程质量。
如果一项工程没有科学的试验资料就无法对其工程质量作出真实评价和验收。
在工程监理工作中，试验检测是一项重要的环节，也是对工程施工质量实施有效控制的重要手段之一。
在施工过程中，通过某个样品或工程项目的检测，根据其检测的数据结果，来判断工程质量或样品质量是否符合相关技术标准的规定，是保证公路施工质量的核心内容。
2.1.2矿料质量
在考虑材料对沥青混合料的影响时，往往比较重视对沥青的影响，而对集料的影响不够重视。
而矿料质量差必然结果是混合的质量也差，所以要保证集料的质量并结合考虑对矿料级配的控制。
同时也有材料上的差距，包括原材料和沥青混合料的差距。
其中，集料质量差是目前公路建设中特别严重的问题，突出的表现是材料脏，粉尘多，针片状颗粒含量高，级配不规格等。
“我国高速公路经过近十年的发展，施工水平已有极大提高，从设备上来说，拌和机、摊铺机、压路机大量采用世界上一流的先进设备，沥青材料都采用优质的进口沥青，并且近年来大量采用改性沥青。
”[3]但是，我们的路面仍然发生那么多的早期破坏，不同地区不同施工单位之间沥青路面质量水平仍有较大差异，这有管理方面的原因。
矿料质量在公路建设业主受投资和造价限制中很重要，公路建设原材料历来遵循因地制宜，就地取材的原则，最大限度利用当地的材料，极少有自己组织生产路面集料的习惯，料场大多利用社会原有料场，乡镇企业，个体生产都有，各料场质量规格参差不齐，使用时离析严重，导致实际级配与配合比设计有很大差距。
2.1.3混合料配合比
沥青混合料配合比设计结果与沥青路面的使用性能、材料用量及工程造价关系密切，而作为路面两个使用性能之一的路面平整度自然与混合料配合比有着直接的关联。
当混合料中的中间粒径的通过量出入较大，引起集料级配变化较大时，从而使沥青混合料的压实系数产生了很大的波动，影响沥青路面的平整度。
当油石比较大时，已铺筑的路面会产生拥包和泛油；
油石比较小时，路面会出现松散。
矿料的质量不好、集料的压碎值和石料的抗压强度太差和细长扁平颗粒含量过高，会使路面混合料的稳定度降低，容易出现路面的各种病害，最终影响路面平整度。
为了保证摊铺机连续、匀速、不间断地摊铺，每台拌和机的产量一定要和摊铺机相匹配，否则就得采用多台拌和机联合供料，但在联合供料过程中，每台拌和机的拌和温度不可能完全一致，再加上粒料规格的不一致，使得摊铺后局部的温度差异、碾压的温度和效果变化较大，影响到沥青路面平整度。
当拌和设备出现意外情况，刚开炉或料温低，含水量大时，会出现料温不均匀现象。
当筛分系统出现问题时，造成骨料级配发生较大变化。
有时也会出现花白料，使路面难以摊铺成型。
温度过高造成沥青老化，不能保证沥青混合料摊铺质量。
拌和能力过小，出现停工待料状况，使接头处温度降低，出现温度差，形成一个个坎。
2.1.4施工过程中的质量控制
（1）对现场施工过程中的质量控制和检测是最关键的一项工作，因为很多施工单位的老板多为个体户，他们很少会花费时间去建立一套完善的施工方案，也很少按照施工技术规范操作。
所以往往出现是施工质量问题就在施工过程中发现的，工程质量的控制主要包括施工单位自检、监理抽检，政府监督等环节。
施工单位要建立起一套较为完善的试验检测制度，建立工地实验室，并配备相关试验检测人员，要有专人专职负责质检。
监理单位要真正落实“事前———事中———事后,三层监理。
特别是“事前”监理，要防患于未然，发现问题及时解决。
对于高等级公路路面施工，可以充分的利用计算机实行动态质量控制，还有就是对于那些关键工序或重要部位的监控，可以利用拍摄照片或录像，作为实态记录保存资料的一部分。
（2）在监理过程中，要充分利用监理中心实验室的有关试验设备，以试验检测作为一种有效手段严把质量关，从而起到控制施工质量的目的。
施工中，检验的不合格的样品，应该由质检科填写返工、追修单。
经审批后，返工或追修。
返工或追修后应重新检验。
监督单位要真正发挥作为政府监督职能的作用，及时抽检，及时验收评定，发现问题及时化解，抓典型、树典范，维护政府对公路工程质量监督的准确公正性和科学权威性。
（3）交工验收阶段的检验：
在公路施工工程竣工以后，要按照施工手册和预定的技术方案进行定段、定点的检测，所检测到的数据结果要向公路主管部门总结报告检测情况和结果，不能隐瞒质量隐患和安全隐患。
在全线测定中，要对公路的整度、宽度、纵断高程、横坡度进行全方位的检测，绘制出竣工图。
对于公路施工成品的厚度、压实度、沥青用量和级配经主管部门同意，可利用施工过程中测定的数据。
足轻重的作用，是试验检测工作水平高低的关键点，可以说，绝大部分的公路施工质量问题都是由于人员监管不力而造成的，所以，针对这一情况，我们应对试验检测人员实行岗位责任制:
岗位责任制是试验室一项主要制度，应明确组织机构框图中列出的各部门的职责范围和权限。
各部门的职责范围应对“质量检测机构计量认证评审内容及考核方法”中规定的管理功能、技术功能全部覆盖，做到事事受控。
对试验人员根据考核情况确定其检测工作范围。
具体:
①试验检测工作室的主任岗位职责:
工作室的主任主要是对试验检测工作进行全面的负责，包括组织完成各项试验检测任务，确定检测的质量方针及质量目标，同时还要密切的掌握本专业国内外的发展趋势和现状，及时的根据施工需要提出新检测方案，对本室的各个检测人员要实现严格的纪律管理和业务素质管理。
②试验检测人员岗位职责:
对试验检测人员各自负责的试验检测工作要实现责任承包制，把各项任务落实到个人身上，建立谁检测谁负责的体制，促使检测人员严格按照检测规范、检测大纲、实施细则进行各项检测工作，确保检测数据的准确可靠。
2.2做好沥青混合料配比设计
“混合料设计的目的是充分利用现有材料达到一个满意的结果。
一个完善的设计，即要考虑各种因素，又要考虑到经济。
级配类型的选择很重要，如AC、AK结构都具有很强的优缺点：
AC结构具有良好的密实性，但表面较细，抗滑指标难以保证，而且矿料组成中往往是粗骨料悬浮于细集料之中，在行车荷载作用下，容易出现车辙现象；
AK结构具有很好的骨架，抗车辙能力强，粗糙的表面满足了抗滑要求，但空隙率偏大，透水严重，容易出现水损破坏。
实践证明当沥青混凝土空隙率在8%～13%时，沥青混合料容易产生水损坏。
”[3]
在进行级配设计时，应注意沥青路面的稳定性，坚固性，耐久性。
沥青路面的稳定性是指其抵抗受力变形的能力。
路面稳定性差的表现有车辙、搓板等。
沥青路面的稳定性取决于混合料的内摩阻力和粘结力。
内摩阻力取决于颗粒形状、表面构造、集料级配及混合料中的沥青含量；
粘结力是指混合料的内部固有结合力。
沥青粘结料主要用于保持集料颗粒间的接触压力。
为了提高沥青路面的高温稳定性，可适当提高沥青的某些技术指标，如含蜡量要求不大于3%，由于蜡的熔点低，如果蜡含量偏高，则其高温稳定性就会降低，结构层易出现车辙。
因此，建议含蜡量要求不大于2%。
为了提高沥青混合料的高温稳定性，可采用提高粘结力和内磨擦阻力的方法。
在混合料中增加粗矿料的含量，使沥青混合料中具有残留3%以上的空隙，就能提高混合料的内磨擦阻力。
“耐久性是指沥青路面在大气和交通荷载作用下抗离散的能力。
大气的作用会引起沥青的氧化和挥发，水的冻融作用会引起集料的变化。
一般说来，较高的沥青含量、集料密级配及密实不透水的混合料可以提高沥青路面的稳定性。
较厚的沥青膜抗老化能力相应增强。
”[4]通过提高混合料的密实度、减少空隙率来提高沥青路面的耐久性。
混合料中使用坚韧的集料可提高稳定性、加强路面在行车荷载作用下的抗磨耗性能。
坚固的集料能提高抗冻融能力和稳定性。
良好的压实不仅可以推迟裂缝的扩展，而且可以减轻沥青在路面使用期限内的硬化。
抗疲劳性，抗疲劳性是指在车轮荷载作用下承受重复弯曲变形的能力。
按一般规律，沥青膜越厚，抗疲劳能力越强。
实验表明，密级配混合料比开级配混合料抗疲劳性能好。
混合料中集料棱角越多、表面越粗糙，抗疲劳性能越好。
抗渗性，抗渗性是指抵抗水或空气进入或透过沥青路面的能力。
空隙率越低，路面抗渗性就越好，抗渗性越好，沥青路面的使用寿命就越长。
施工和易性，施工和易性是指混合料摊铺和压实等的难易程度。
集料棱角越多、表面越粗糙，其施工和易性就越差，但如果克服了这方面的困难，其路面质量就会很好。
集料级配。
一般来说，密级配的沥青混合料具有较好的稳定性，抗车辙、抗疲劳裂缝、抗渗透等性能均较好。
沥青膜厚度，沥青膜越厚，路面寿命越长。
沥青用量不是随意确定的，要经过试验才能决定。
最佳沥青用量是基于集料的比表面积、对沥青的吸附能力及空隙比等参数决定的。
一般情况下，较细的集料级配需要较多的沥青，而较粗的集料级配需要的沥青较少。
具有较高最佳沥青含量但其沥青膜厚度较薄的沥青路面混合料，其抗老化能力将不如较低沥青含量而沥青膜较厚的沥青混合料。
对任何一种密级配的沥青混合料来说，其颗粒周围的沥青膜厚度应控制在8.0-8.5。
抗压密性，一般，具有较高稳定性和刚性的密级配沥青混合料难以压实，越是难压实到最佳密实度的沥青混合料，越容易产生变形，如车辙等。
2.3影响沥青路面耐久性的外部因素
2.3.1温度变化
（1）高温影响：
高温对沥青耐久性的影响是由于热能加速沥青分子的运动，施工加热引起沥青中轻质油分挥发外，还能促进沥青化学反应的加速，导致|考试|大|沥青技术性能降低，甚至产生严重劣化。
沥青混合料的强度和抗变形能力与温度的升降成反比。
温度升高时沥青的粘滞度降低，矿料之间的粘结力削弱，导致强度降低。
在停车地点（平面交叉路口、停车站、停车场等）和行车变速的路段上，由于行车的启动和制动，加速与减速，路面可能受到很大的水平作用力（可达到0.6～0.8MPa），大体上与垂直应力相当，并且在车辆的重复荷载作用下会发生累积变形。
此时若沥青混合料的高温稳定性不足，路面就会产生较大的剪切变形，导致路面的破坏。
影响沥青混合料高温稳定性的因素主要是：
沥青和矿料的性质、其相互作用的特性、矿料的级配组成等。
为了提高沥青混合料的高温定性，可采用提高粘结力和内摩阻力的方法。
在混合料中增加粗矿料含量，或降低剩余空隙率，使粗矿料形成空间骨架结构，就能提高混合料的内摩阻力。
适当提高沥青材料的粘稠度，控制沥青与矿粉的比值，严格控制沥青用量，采用具有活性的矿粉，以改善沥青与矿粉的相互作用，就能提高混合料的粘结力。
此外，在沥青混合料中使用渗入聚合物（如天然橡胶、合成橡胶、聚乙丁烯、聚乙烯等）改性的沥青，也能取得比较满意的效果。
（2）低温影响：
当沥青路面温度降低时，沥青粘滞度增高，因而强度增大，强度随温度而变化的幅度很大，相差几倍甚至几十倍。
气温下降，特别是在急骤降温时，会在路面结构上产生温度梯度，路面面层遇降温而收缩的趋势会受到其下部层次的约束，在面层产生拉应力。
当拉应力超过沥青混凝土的强度时，就会造成面层开裂。
沥青路面的低温缩裂，大致可分为两类：
一类是温度下降造成路面开裂，它与沥青混合料的体积收缩有关。
这种裂缝是由表面开始发裂而逐渐发展成为裂缝；
另一类是属于路基或基层收缩与冰冻共同作用而产生的裂缝，这类裂缝是从基层开始逐渐到沥青面层开裂。
裂缝的出现，往往就是沥青路面损坏的开始，随着低温循环的影响，裂缝会进一步扩展，随后雨水由裂缝渗入路面结构，逐渐导致路面工作状况恶化。
另外，路面所在地区的气温愈低，开裂愈严重。
使用稠度较低、对温度敏感性低的沥青，可以减少或延缓路面的开裂，适当增加沥青面层的厚度可以减少或延缓路面的部分开裂，但是不能根除。
（3）温度升降的综合影响：
沥青材料在较高温度条件下，具有良好的应力松弛性能，温度升降产生的变形不致产生过高的温度应力。
但在冬季气温骤降时，沥青混合料的应力松弛赶不上温度应力的增长，同时劲度急剧增长，超过混合料的极限强度或极限拉伸应变，使会其产生开裂。
这种情况在沥青面层与基层的附着力不够好，可允许有一定的自由伸缩时，更易发生。
这是一次性降温造成的温度收缩裂缝。
另一种情况是温度反复升降导致温度应力疲劳，使混合料的极限拉伸应变（或劲度，模量）变小，又加上沥青的老化使沥青刚度增高，应力松弛性能降低，故可能在比一次性降温开裂温度更高的温度下开裂，同时裂缝是随着透水路龄的增加而不断增加。
2.3.2疲劳破坏
沥青路面的疲劳破坏：
沥青路面的变形和破坏，不仅与荷载应力的大小有关，而且同荷载作用次数有很大关系。
（1）沥青混合料疲劳力学模型
①现象学模型：
重复荷载作用下沥青混合料强度衰减累积引起的破坏（传统疲劳理论）；
可建立沥青路面层底拉应力与重复荷载作用次数的关系；
②断裂力学模型：
认为疲劳是材料初始裂缝在荷载作用下扩展至破坏的过程；
研究了材料开裂机理及扩散规律；
③能耗模型：
混合料在应力应变作用下吸收能量引起的疲劳损伤；
可建立能量与重复荷载作用次数的关系。
（2）沥青混合料疲劳试验方法
①现场疲劳破坏试验：
AASHTO、WESTTRACK试验路；
②足尺结构模拟破坏试验：
大型环道、直道试验；
③试板试验法
④室内小型试件试验：
三分点小梁试验、中点加载小梁试验、悬臂梯形梁试验等.
主要从两个方面来着手：
①应力控制：
每次对试件施加的荷载为常量，随着荷载作用次数增多，试件不断受到损伤，劲度随之而降低，实际的弯曲应变则不断增大；
②应变控制：
测试过程中保持每次荷载下应变值不变，则应力随施加荷载次数的增加而不断减小。
（3）沥青混合料疲劳方程
；
英国诺丁汉大学疲劳方程：
SHRP疲劳方程：
（4）沥青路面疲劳性能影响因素
①加载条件：
加载大小、加载方式、加载速度、加载间隔试件、加载波形；
②材料性质：
影响沥青混合料劲度的因素（沥青种类、用量，集料级配类型、性质），混合料的孔隙率、压实度等。
2.3.3水损害
沥青材料是由一些及其复杂的高分子的碳氢化合物的非金属（氧、硫、氮）的衍生物所组成的混合物。
由于其本|考试|大|身的技术特性很复杂，因此透水性与其许多技术特性有关。
此外，沥青路面的透水性与沥青混合料的空隙率密切相关，空隙率的大小与矿料级配，沥青用量以及压实度有关，从耐久性的角度出发，空隙率大的混合料不耐久。
水分的来源有两种情况：
一种是常见的雨季降雨，从路表面逐渐向下渗入混合料内部，路面空隙率大充满水分，这就成为松散、坑槽破坏的主要原因；
另一种是雪水从路面裂缝渗入到基层，也可从基层上升进入到沥青混合料中，或冬季基层下的水分通过毛细作用向上聚积形成聚冰。
沥青面层修筑后，由于它的透水率小，待到春融季节，融化的过分水量一下子蒸发不出去，滞留在面层混合料中，以水膜或水气的形式影响着沥青与集料的粘附性，使石料与沥青的粘附性降低。
在长期的交通荷载反复搓揉作用下，由下而上渗入混合料内部，使沥青膜与集料开始剥离，渐渐地集料开始松散、掉粒，行车时，易发生颗粒推移，产生体积膨胀以及出现力学强度显著降低等现象，引起路面早期破坏。
因此，为了提高耐久性，减轻沥青地老化，增加沥青与集料地粘附性，这就要求沥青混合料地空隙率尽量减小，并要求基层和土层有较好的水稳性。
2.3.4沥青老化
（1）影响沥青老化的主要因素有：
沥青性能、环境情况（光，氧，水，荷载）、混合料形态（空隙率等）。
（2）沥青的老化过程：
沥青老化是指沥青在储存、运输、加工、施工及使用过程中在空气、热、光照和碾压作用下产生性能下降的现象。
分施工中的短期老化和使用中的长期老化。
（3）老化原因：
胶质、芳香分和饱和分（挥发）含量减小，沥青质含量增加；
空气的氧化作用，使沥青组分发生变化；
沥青分子结构的硬化（聚合作用），导致沥青使用性能变坏，从而影响了路面的耐久性。
3沥青路面耐久性能改善措施
3.1沥青混合料的改性
通过化学或物理的方法可以对沥青混合料进行改性处理。
使用外掺剂被归纳为化学改性技术的范畴，使用塑料格栅、土工布等加强路面结构力学性能的技术措施则被归纳为物理改性的范畴。
3.1.1物理改性
土工合成材料是一种新型的岩土工程材料。
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