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1、沥青路面与沥青路面设计,中南大学土木工程学院 道路工程系,沥青路面Asphalt pavement,主要内容,一、沥青路面的基本特性 二、沥青路面的损坏类型及成因 三、沥青路面的基本要求 四、沥青路面的分类 五、沥青路面类型选择,沥青路面,沥青路面结构,沥青路面 结构受力 示意图,一、沥青路面的基本特性,沥青路面的工程特点优良的力学性能变形性能与强度良好的抗滑性雨天的行驶安全性施工方便强度形成速度和维修经济耐久使用寿命有利于分期修建,（1）表面平整无接缝、行车较舒适； （2）结构较柔，振动小，行车稳定性好； （3）车辆与路面的视觉效果好； （4）施工期短、施工成型快，能够迅速交付使用 （在机场
2、跑道、高速公路上尤其需要） ； （5）易于维修，可再利用； （6）强度和稳定性受基层、土基影响较大； （7）沥青混合料力学性能受温度影响大； （8）沥青会老化，沥青结构层易出现老化破坏。,一、沥青路面的基本特性,沥青路面的优缺点（与普通水泥路面相比）,二、沥青路面的损坏类型及其成因,1）裂缝,表观形态分有：横裂、纵裂、网裂、块裂、不规则裂锋等 产生原因： 横向裂缝：分荷载型和非荷载型，非荷载型又分为沥青面层缩裂和基层反射裂缝。荷载型因拉应力超过材料疲劳极限引起，从下向上发展；非荷载型沥青面层缩裂因冬季沥青材料收缩产生的应力大于材料强度引起，反射裂缝因基层收缩开裂向面层延伸引起。 纵向裂缝：路面
3、分幅摊铺时，接缝未处理好；路基原因等引起失稳。 网裂：上述裂缝未及时处理，水渗入所致；结构强度不足；沥青老化等,1）裂缝 cracking,二、沥青路面的损坏类型及其成因,纵向裂缝 longitudinal cracking,1）裂缝,二、沥青路面的损坏类型及其成因,二、沥青路面的损坏类型及其成因,横向裂缝 Transverse cracking,1）裂缝,二、沥青路面的损坏类型及其成因,二、沥青路面的损坏类型及其成因,块裂及网裂 Net Cracking,1）裂缝,二、沥青路面的损坏类型及其成因,2）车辙 rut,定义： 路面结构及路基在行车荷载作用下的补充压实，或结构层及路基中材料的侧向位
4、移产生的累积永久变形。车辙还包括轮胎磨耗引起的材料缺省。 车辙是沥青路面的主要破坏型式 ，对于半刚性基层沥青路面，车辙主要发生在中面层或沥青表层。 原因： 1）沥青混合料高温稳定性不足，塑性变形累积； 2）路面结构及路基材料的变形累积； 3）车辆渠化交通的荷载磨耗 磨耗型车辙。,二、沥青路面的损坏类型及其成因,车辙图片,二、沥青路面的损坏类型及其成因,二、沥青路面的损坏类型及其成因,3）松散剥落 Ravelling and Stripping,定义： 沥青从矿料表面脱落，在荷载作用下面层呈现的松散现象。沥青层出现松散剥落将会继而出现坑槽破坏。 原因： 1）沥青与矿料黏附性差（沥青黏性差、集料黏
5、附等级低、集料潮湿、沥青老化后性能下降、冻融等）； 2）水的作用； 3）沥青在施工中的过度加热老化。,二、沥青路面的损坏类型及其成因,二、沥青路面的损坏类型及其成因,松散剥落图片,二、沥青路面的损坏类型及其成因,4）表面抗滑不足 surface skid resistance,定义： 沥青路面在使用过程中，表面集料被逐渐磨光，或者出现沥青层泛油，使得沥青表层出现抗滑能力不足。 原因： 1）集料软弱，宏观纹理和微观构造小； 2）粗集料抵抗磨光的能力差（由磨光值、棱角性、压碎值等表征）； 3）级配不当，粗料少、细料多； 4）用油量偏大，或出现水损害； 5）沥青稠度太低； 6）车轮磨耗太严重。,二、
6、沥青路面的损坏类型及其成因,二、沥青路面的损坏类型及其成因,5）其它病害,包括泛油、坑洞、波浪、拥包、啃边等。,二、沥青路面的损坏类型及其成因,表面泛油图片,二、沥青路面的损坏类型及其成因,二、沥青路面的损坏类型及其成因,高速公路路面坑洞现象,沥青路面的水稳定性,沥青路面,三、沥青路面的基本要求,高温稳定性-高温下抵抗永久变形的能力； 低温抗裂性-抵抗低温抗裂的能力； 水稳定性-抵抗水损害的能力，密级配路面抗渗和排水路面透水； 耐久性抵抗老化与荷载重复作用的能力； 抗滑能力保证不利情况下车辆安全形势的能力。, 三、沥青路面的基本要求,沥青路面,高温稳定性是高温下抵抗永久变形的能力。 高温稳定性
7、不足：有车辙、推移、拥包、搓板、泛油等病害,（1）车辙的类型,失稳性车辙 结构性车辙 磨耗性车辙,（2）车辙的形成过程,初始阶段的压密过程 沥青混合料的侧向流动 集料的重新分布及集料骨架的破坏,（3）影响车辙的主要因素,沥青路面结构层在车轮荷载作用下， 内部材料流动，产生横向位移，在轮迹处出现变形,路面结构在交通荷载作用下产生整体永久变形 主要是由于路基变形传递到面层引起,路面结构顶层材料在车轮磨耗和自然环境因素 作用下不断损失而形成的永久变形,1、沥青路面的高温稳定性,1、沥青路面的高温稳定性,i)从集料方面：集料破碎面多，石质坚硬，具有良好的表面纹理和粗糙度； 集料级配良好，有足够数量粗集
8、料形成空间骨架结构； 配合比设计合理，注重压实； ii)从沥青方面：使用黏度高的改性沥青或添加纤维； 提高沥青材料的黏稠度； 控制沥青与矿粉的比值，严格控制沥青用量。,（2）提高沥青路面高温稳定性措施,我国沥青路面一般采用半刚性基层沥青面层，基层强度高，因此一般不会出现结构性车辙；由于面层集料一般采用玄武岩，因此磨耗性车辙也少见；所以一般为失稳性车辙，因此必须提高沥青混合料的高温稳定性，即提高黏结力和内摩阻力。即：,1、沥青路面的高温稳定性,1、沥青路面的高温,低温抗裂性是抵抗低温开裂的能力 沥青路面低温时强度增大，但变形能力降低。急骤降温产生温度梯度，面层受到下部约束产生拉应力，降温也使得沥
9、青混合料劲度增加，导致混合料拉应力大于抗拉强度而开裂。沥青路面存在两类低温开裂形式： （1）低温缩裂： 降温时沥青混合料的体积收缩，温度应力超过混合料极限抗拉强度，裂缝由上而下发展； （2）温度疲劳裂缝： 路面在低于极限抗拉强度的温度应力反复作用下开裂，发生在温度频繁变化的地区；,2、沥青路面的低温抗裂性,把沥青混合料假设为一根弹性梁，由于降温而产生的累计应力为：,2、沥青路面的低温抗裂性,累计温度应力与极限抗拉强度相等时的温度，即为开裂温度。,低温开裂机理,影响因素：沥青性质、气温状况、沥青老化程度、路基的种类和路面层次的厚度、面层与基层的黏结状况、基层所用材料的特性、行车的状况等 可采取的
10、预防措施： 1）使用稠度较低、温度敏感性低的沥青； 2）使用含腊量低的沥青，使用应力松弛性能好的改性沥青，掺加纤维； 3）使用较细的混合料类型，设置应力吸收层。,3）沥青路面低温开裂的预防措施,2、沥青路面的低温抗裂性,水稳定性是沥青混合料在水或冻融循环的作用下保持其原有性质的能力。 水损害是沥青路面在水或冻融循环的作用下，由于汽车车轮动态荷载的作用，进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用，水份逐渐进入沥青与集料界面上，使沥青黏附性降低并逐渐丧失黏结力，沥青膜从集料表面剥离，沥青混合料松散导致路面松散、剥落、坑槽病害。水损害是水稳定性不足的主要表现。,水稳定性作用机理,
11、黏附理论：水降低了沥青的黏附性、对沥青形成冲刷，水进入沥青与集料间、隔离了沥青与集料的黏结；,3、沥青路面的水稳定性,3、沥青路面的水稳定性,沥青与集料剥离示意图,抗疲劳性能是沥青路面在循环加载下抵抗疲劳破坏的能力,1）沥青路面的受力特性,4、沥青路面的抗疲劳性能,2）沥青混合料疲劳力学模型,疲劳破坏是指在低于材料强度极限的循环加载作用下，材料发生破坏的现象。 疲劳寿命材料在疲劳破坏时所作用的应力（应变）循环次数。,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； 断裂力学模型：认为疲劳是材料初始裂缝在荷载作用下扩
12、展至破坏的过程； 研究了材料开裂机理及扩散规律； 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；,4、沥青路面的抗疲劳性能,4、沥青路面的抗疲劳性能,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； 3）环境温度：,4、沥青路面的抗疲劳性能,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
13、能下降的现象。分施工中的短期老化和使用中的长期老化。 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。,2）沥青的老化,1）主要影响因素 沥青性能、环境情况（光，氧，水，荷载）、混合料形态（空隙率等）,5、沥青路面的耐老化性能,抗老化特性是沥青路面在环境因素作用下保持其原有特性能力,5、沥青路面的耐老化性能,沥青路面,1）按材料强度构成原理： 密实类沥青路面 这类沥青路面的矿料按最大密实原则设计，路面的强度和稳定性取决于混合料的凝聚力和内摩阻力。其面层结构的特点是
14、空隙率小，细料含量多，高温时易产生推挤变形。 常用的类型有沥青混凝土、密级配沥青稳定碎石混合料等。,四、沥青路面的分类,沥青路面,嵌挤类沥青路面 这类沥青路面的强度和稳定性主要依靠骨料颗粒间相互嵌挤产生的内摩阻力，凝聚力仅起次要作用。其主要特点是热稳定性好。部分类型的空隙率大，易渗水，耐久性较差。 常用的主要结构有Porous Asphalt Pavement（PA）或Open Graded Asphalt Friction Course（OGFC）、 SMA、Superpave、沥青贯人、沥青表面处治等。,各自优缺点： 密实类：耐久性好，热稳定性差； 嵌挤类：热稳定性好。,沥青路面,层铺法沥
15、青表处和沥青贯入式 分层洒布沥青，分层铺撒矿料和碾压的方法修筑面层。 优点：工艺设备简便、功效较高、施工进度快、造价较低； 缺点：路面成型期较长，需要经过炎热季节行车碾压才能成型； 路拌法采用移动式拌和机械(或人工)在现场施工，将矿料和沥青材料就地拌和，摊铺并碾压密实成型。可采用热油冷料或冷油冷料拌和摊铺。 优点：沥青材料分布相对均匀，成型期短；缺点：冷料拌和强度低 厂拌法沥青碎石和沥青混凝土 一定级配的矿料和沥青材料在工厂用专用设备加热拌和，送到工地摊铺碾压成型。分热拌热铺、热拌冷铺，区别在于摊铺时混合料温度 优点：矿料精选、除水彻底、沥青稳定、热拌均匀、混合料质量高。,2）按施工工艺：,沥
16、青路面,沥青混凝土（Asphalt Concrete） 热拌沥青碎石（Asphalt Macadam） 乳化沥青碎石（Emulsion Asphalt Macadam) 沥青贯入式 沥青表面处治 沥青玛碲脂碎石SMA （Stone Mastic Asphalt） 排水性沥青混凝土（Porous Asphalt Concrete） 开级配抗滑磨耗层（ Open Graded Friction Course ）,3）按沥青路面材料的技术特点：,一方面要根据任务要求（道路的等级、交通量、使用年限、修建费用、环境状况等）和工程特点（施工季节、施工期限、路基及基层状况等）； 另一方面还应考虑材料供应情况、施工机具、劳力和施工技术条件等因素。,五、沥青路面类型选择,沥青路面,沥青路面设计 Asphalt Pavement Design,主要内容,第一节 概述 第二节 弹性层状体系理论 第三节 沥青路面结构组合设计 第四节 沥青路面的设计指标与标准,1、沥青路面设计的内容,结构组合设计 材料
