土木工程论文1.docx

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土木工程论文1

本科生毕业设计

毕业设计题目沥青路面结构耐久性分析

学生姓名何兴杰

专业及班级土木工程指导教师

完成日期2015年4月18日

内容摘要

沥青路面使用性能和耐久性受多方面因素的影响，故本文对影响沥青路面耐久性的相关因素进行了一般性的归类与分析，重点从沥青混合料类型、沥青混合料配合比设计、沥青路面的结构形式、沥青质量、施工工艺以及实际交通条件等内部因素和外部因素两方面分析了防治沥青路面早期病害的对策，以提高沥青路面耐久性。

同时针对影响沥青路面耐久性的相关因素列举了一些对提高沥青路面使用寿命较有效的改善措施，如：

对沥青混合料进行改性处理、优化沥青混合料的配合比设计等等。

关键词：

路面耐久性；疾劳破坏；沥青改性

目录

内容摘要...........................................................................................................................I

引言..................................................................................................................................1

1绪论...............................................................................................................................2

1.1问题的提出.....................................................................................................2

1.2国内外研究现状.............................................................................................2

1.2.1国外研究现状......................................................................................2

1.2.2国内研究现状......................................................................................3

1.3本课题技术路线与研究内容.........................................................................4

1.3.1主要研究内容......................................................................................4

1.3.2技术路线..............................................................................................4

2沥青路面耐久性影响因素........................................................................................5

2.1影响沥青路面耐久性的内部因素.................................................................5

2.1.1沥青质量..............................................................................................5

2.1.2矿料质量..............................................................................................5

2.1.3混合料配合比......................................................................................6

2.1.4施工质量..............................................................................................7

2.2影响沥青路面耐久性的外部因素.................................................................9

2.2.1温度变化..............................................................................................9

2.2.2疲劳破坏..............................................................................................9

2.2.3水损害..................................................................................................9

2.2.4沥青老化............................................................................................10

3沥青路面耐久性能改善措施...................................................................................11

3.1沥青混合料的改性........................................................................................11

3.1.1物理改性.............................................................................................11

3.1.2化学改性.............................................................................................11

3.2优化混合料的配合比设计...........................................................................12

3.3其它工艺.......................................................................................................12

3.3.1热沥青处理法....................................................................................12

3.3.2掺入水溶性微剂................................................................................13

3.3.3沥青道路基层封闭快速施工............................................................13

4致谢..............................................................................................................................................11参考文献........................................................................................错误！

未定义书签。

沥青路面以其连续性好、行车平稳舒适、开放交通早及维修方便等优点在我国得到广泛应用，但随着交通流量的增大、车辆的大型化及重载、超载等情况的出现，传统路面已难负重任，许多公路沥青路面建成不久，各种病害也随之而来。

同事道路建设投资规模巨大，占用材料和土地的数量多，废弃的道路短时间内很难恢复或改变。

我国尚不够发达，从节约成，本提高经济效益方面考虑，对于沥青路面的设计就尤为重要。

而沥青路面耐久性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，故对沥青耐久性的研究有着重要意义。

1.1问题的提出

在高速公路的路面结构中，沥青路面以其连续性好、行车平稳舒适、抗震性好、噪音小及维修方便等优点而得到广泛应用。

虽然我国沥青路面修筑水平取得了长足的提高，但是不少高速公路的沥青路面使用不久就出现了各种早期病害。

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

为了保持混合料的温度均匀性，减少离析，国外近几年应用了再拌转输车。

为了避免因碾压引起的裂缝，在CFF（即固结-液体流）模型下，研制了HPAC碾压设备。

在材料方面，高等级沥青路面大量使用了改性沥青，很多工程还在沥青混凝土中掺加了博尼维（Bonifibe）和德莱尼特（Delinite）等加强纤维。

交通的发展同样带来了新问题，尤其是在欧洲，欧洲共同体已考虑容许放宽轴重限制，提高轴载，路面的损坏问题将更加严重。

第一条用沥青铺装的路面约在公元前600年在巴比伦出现，但这种技艺不久失传了，一直到19世纪，人们采用沥青来修路。

1835年在巴黎首先用沥青铺筑人行道路面，约20年后，巴黎出现了碾压沥青路面，后来在全世界获得了广泛推广。

中国上海在20世纪20年代开始铺设沥青路面。

1949年以后随着中国自产路用沥青材料工业的发展，沥青路面已广泛应用于城市道路和公路干线，成为目前中国铺筑面积最多的一种高级路面

对沥青混合料沥青路面耐久性的研究始于上世纪，迄今已有半个多世纪，是沥青路面各种研究中最受关注、研究投入最多的课题之一。

迄今，对沥青路面耐久性已进行了大量的试验研究，取得了深入的认识。

1987～1992年期间曾美国开展了公路战略研究计划项目，意图对沥青和沥青混合料进行深入研究，以制定与使用性能相关联的沥青和沥青混合料技术规范。

1.2.2国内研究现状

到2001年底，我国高速公路通车里程超过了19000km，列世界第二。

与此同时，我国的沥青路面（以下称路面）技术有了很大发展，路面质量也有了极大的提高。

在设计方面，随着计算机技术的广泛应用，有限元理论也引入了路面结构计算，同时还引入了结构设计可靠度的分析，极大地提高了路面设计的效率和可靠性。

在施工方面，拌和设备趋于大型化的趋势，有些项目引进了320t/h的拌和楼；摊铺机发展成全液压电脑自动化控制（如ABG525）；碾压设备有重型化的趋势，轮胎压路机自重超过了26t，单钢轮振动压路机逐步被双钢轮双驱动压路机所取代，自重也趋于重型化[1]。

然而我国沥青混凝土路面的历史还很短，仅在10多年前，我国的沥青路面尚以表面处治、贯人式路面及沥青碎石路面为主要形式。

随着高等级公路建设的发展，沥青混凝土路面一跃而成为沥青路面的主要形式。

但是，新的问题接踵而来，国民经济高速发展而带来的交通量迅速增长、车辆大型化、超载严重，车辆渠道化等，使沥青混凝上路面面临严峻的考验。

许多高速公路沥青路面建成不久就不能适应交通的需要，早期破坏的情况时有发生。

与国外相比，国内对沥青混合料改性技术的研究起步较晚。

对半刚性沥青路面而言，基层刚度大，在车辆荷载作用下半刚性材料层是不可压缩的。

因此，通过厚的半刚性材料层作用在土基顶面的压应力很小，不会引起土基的压应变并反应到路表面上，当然其前提条件是基层质量要好，所以半刚性路面的抗破损能力主要取决于面层结构与材料的合理设计。

然而目前国内对沥青路面的抗破损研究的成效不是很大，这主要是因为大量研究主要集中在面层混合料这方面。

因为我国现行路面结构设计理论是建立在弹性层状体系理论基础上采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标，以设计年限内的换算当量轴载作为交通量指标，按照路面损伤等效的原理确定容许弯沉和破坏应力，利用疲劳破坏的模式设计结构层厚度，对沥青混凝土面层和整体性材料的基层、底基层应进行层底拉应力的验算。

尽管在混合料设计上做了很多尝试，因其设计理念不是从路面产生破损原因和如何抗破损出发，为此效果不明显。

混合料设计很重要，忽视了路面本身的力学特性而孤立地从材料入手，往往

会事倍功半，针对我国半刚性沥青路面出现的这些问题，并对比国外高速公路路面结构和实际使用情况，应从路面受力特点、路面结构等深层次思考如何从路面设计来认识和解决破损问题，在结构分析设计的基础上，配合合理的混合料配合比设计，才是合理解决路面破损的必经之路。

1.3本课题技术路线与研究内容

1.3.1主要研究内容

随着经济和交通运输的快速发展，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。

公路使用条件变得日益苛刻，许多公路沥青路面建成不久，各种病害也随之而来，传统路面已难负重任，开裂、车辙、坑槽及温缩等早期破坏情况也时有发生。

沥青路面耐久性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。

因而延长使用寿命即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。

本文主要从影响沥青路面结构耐久性的内部及外部两方面因素进行研究分析，从而总结出一套对提高沥青路用性能切实可行的方法。

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

2.1.1沥青质量

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。

沥青质量的优劣直接影响着沥青路面的使用性能。

随着国民经济和交通运输的快速发展，交通大流量、车辆大型化、重载超载及渠化交通等逐渐成为现代交通的鲜明特点和必然趋势。

全球气候的持续变暖，公路使用条件变得日益苛刻，一般沥青材料的品质已不能满足更重交通的沥青路面结构的需要，从大量路面结构损坏原因的调查分析来看，路用沥青品质不良是其主要原因之一。

路用沥青要求做到夏天不软化，冬天不发脆，能抵抗水、冰、盐类的侵蚀和行车的破坏作用。

大多沥青道路往往路面表层结构在远小于其使用寿命的年限内便出现损坏，其原由于国内石油品质及沥青炼制工艺流程的特点，含蜡量高、延度小，温度敏感性强。

沥青粘度低，劲度低，抗车辙能力弱；沥青含蜡量高，会出现横向裂缝；温度敏感性高的沥青路面易开裂。

2.1.2矿料质量

从高温抗永久形变能力来说，首先要使用质量好的矿料，其次要有能形成骨架-密实结构的矿料级配，在此前提下，再使用高温粘度大的沥青，才能使沥青混凝土具有较高的高温抗永久形变能力。

因此，矿料质量和矿料级配是最关键的因素。

从泛油来说，主要是沥青用量和沥青混凝土的现场空隙率问题。

也可以说主要是矿料级配和确定合适沥青用量问题而不是沥青质量问题，在合适沥青用量的前提下，密实式级配沥青混凝土在室内的空隙率小于4%，在现场空隙率达到要求（如小于6%）的情况下，往往透水性小，不易产生水破坏；半开级配和抗滑表层沥青混拧土在室内的空隙率为8%左右，现场空隙率为10%左右，水较易透入沥青混凝土层并导致水破坏。

其中最关键的因素，是矿料级配而不是沥青。

沥青混合料主要由矿料和沥青两大材料组成，密实沥青混凝土通常包括矿料、沥青和空气3部分，在用各自所占的体积百分比表示时，绝大部分是矿料体积率，约占83%～85%，沥青体积率占10%～13%左右，空气体积率（简称空气率）约占3%～4%。

沥青混凝土的各项物理力学性质既与上述两类材料有关，又与这3个体积率各自所占的比例有关。

室内外的试验和实际面层的使用经验都证明，沥青混凝土的实用性能和耐久性主要取决

于矿料类型和质量、矿料级配组成、沥青混合料试件的试验方法、试件的技术指标及其标准值等。

沥青是沥青混凝土中必不可少的重要组成部分，但沥青绝不是决定沥青混凝土物理-力学性质的最关键因素。

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，而对集料的影响都重视不够。

而矿料质量的好坏是沥青路面早期破损的重要影响因素。

要研究沥青混合料的性能，矿料质量差必然结果是混合料的质量也差，故必要条件是保证集料的质量，并结合考虑对矿料级配的控制。

集料质量差是目前公路建设中特别严重的问题，突出的表现是粉尘多、材料脏、级配不规格及针片状颗粒含量高等，经常不能达到规范要求，使用质量差的集料，导致实际级配与配合比设计有很大的差距，离析严重，路面容易出现早期病害。

故集料要符合下面要求：

一是尽量采用粒径较大、接近立方形、有尖锐棱角和粒糙表面的碎石且碎石含量较多的矿料，以加大沥青混合料的内摩阻力，增强矿料颗粒间的嵌锁作用，阻止颗粒间的相互移动，从而提高沥青混合料的抗变形能力；二是尽量使用人工砂，控制圆形颗粒的天然砂的使用量。

石屑的质量必须符合规范要求，减小含泥量。

人工砂具有尖锐棱角、粗糙表面和良好的级配，能增加内摩阻力，减少车辙，尽管人工砂有可能是酸性石料，但含粉量很少，与天然砂相比仍具有独特的优势；三是一定量的矿粉可减少起润滑作用的游离沥青、减小沥青膜的厚度、调整矿料的级配，尤其是满足0.075mm筛孔的良好级配，可改善沥青混凝土抗剥落能力，增加沥青胶砂的强度。

但矿粉也具有增加混合料的比表面积、增加沥青用量、减少表面构造深度、减少摩擦系数等缺点，沥青混合料的稳定度偏低，沥青路面早期的剥落这一现象与碎石的压碎值、磨耗值不符合规范要求有较大关联。

故实际生产中应控制好矿粉与沥青的用量。

2.1.3混合料配合比

影响稳定土强度和干缩量的主要因素是土类和稳定剂量。

不同的土类，如果施工配合比相同，其强度及强度增长的速度却相差很大。

一条路穿越不同的工程地质单元，土的区域变异性很大，对应不同类型的土，不能以1个稳定剂量控制整条路的施工配合比。

土的稳定剂量不只是塑性指数Ip的函数，而是与Ip、级配、pH值、粘粒含量有关。

在盐碱地区，还与含盐种类、含盐量有关。

黄泛平原区，Ip<10的土，水泥和石灰稳定，7天标养无侧限抗压强度为0.2～0.3MPa，碾压难成型，不适宜水泥、石灰稳定。

Ip=10～13的土，外掺水泥2.5%～3%较适宜，多了就裂缝。

河东修了一段水泥:

石灰土=6:

5的路段，该路段碾压搓皮，横裂严重，后改为10%～12%石灰土，外掺1.5%～2%的水泥，7天标养强度为0.5MPa，横裂就减少了。

在此地区，以石灰、粉煤灰含量>25%的掺量稳定粉砂土，是提高中、下基层板体性、强度、抗冻融的措施之一。

其它地区，对Ip>18的粘质土，

以活性指数A（A=Ip/P0.002，P0.002是指土中<0.002mm粘粒含量，当A>1.25时，含亲水矿物蒙脱石、伊利石高，土有膨胀性）判断其胀缩性；施工碾压时，严格控制含水量；当Ip=18～20时可掺少量水泥或粉煤灰来改善其干裂性。

石灰有效Ca、Mg含量是影响石灰稳定类强度的又一重要因素。

在室内新消解的石灰有效Ca、Mg含量为74%，室内放置7天，有效Ca、Mg含量降至48.3%，下降了35%。

因此，要特别重视石灰的干燥封闭储存和消解后使用时间。

使用水泥石灰土稳定碎石，当集料掺量在52%!

62%时，对黄河冲积粉砂土，减少集料细粒含量，采用粗骨料连续级配型有利于提高强度和抗裂性；对粘性土，采用充填连续级配型有利于提高强度和抗裂性。

如何提高这类结构的耐冲刷能力，防止唧泥产生是需要再研究的问题。

2.1.4施工质量

提高路面质量，攻克路面早期损坏顽症，是一个“链条”工程，需要项目决策、设计、施工、科研、养护管理等各环节、各部门的协作配合。

哪一个环节的工作跟不上或者说出了问题，都容易引发早期破损。

为此，要抓住以下几个重点环节。

（1）要切实处理好质量与速度的关系。

各级交通主管部门和建设单位要把保证合理建设工期作为一件大事，宁可速度慢一些，也要把各环节的工作做精、做细、做好。

设计单位要结合区域经济发展，路网情况和车辆超限超载等实际，深入分析变化规律，进行路面厚度计算和结构设计。

要正确理解规范中有关指标的使用前提和适用条件，灵活运用规范，避免照搬照抄项目设计。

同时，改进路面结构、材料、排水等细节设计。

在沥青及矿料质量一定时，级配是影响沥青混合料路用性能的主要因素，当沥青选定之后，应根据当地气候条件及交通状况，设计或选择能解决突出矛盾的矿料级配，确保混合料的路用性能。

不过分追求某些结构，例如透水面层，由于我国的高速公路沿线以及路面灰尘较多，更容易发生早期破坏。

（2）强化施工管理，提高工序控制的科学性。

保证现场试验数据的完整和准确，杜绝弄虚作假。

特别是沥青材料、砂石料的试验数据，必须做到抽样合理，数据真实，保证沥青路面材料的路用性能。

试验资料应正规而简单化，不应过于繁琐，否则，浪费资源，试验检测人员由于太忙，不能保证资料的正确性。

对高路堤、软基处理、填挖结合处、结构物两端填土等重点部位的施工须重点监控，防止不均匀沉降而影响沥青路面的使用性能。

重视并协调高速公路沥青路面的压实度、均匀度、平整度和构造深度等指标，特别处理好平整度与压实度的关系。

施工单位要不断提高施工人员的质量意识和整体素质，建立健全施工自检体系，对于混合料拌和、运输、摊铺、碾压等各道工序均明确质量目标