建国路橡胶改性沥青混凝土路表结构优化构设

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1、 建国路橡胶改性沥青混凝土路表结构优化 构设 1. 绪论1.1 立题背景伴随着经济的飞速发展，国家投入基础建设的力度也在逐步加大。 在我国的公路建设中，公路建设里程逐年增加，高等级路面所占比 例也日渐提高。汽车工业的发展带动的不仅是交通量的逐年增长， 同样也带来了废旧轮胎如何处理的问题，现在常用的做法是将废旧 轮胎橡胶粉加工后应用到路面中，因为橡胶改性沥青路面不仅可以 减少废旧轮胎对环境造成的污染，同时也能够提高沥青混合料在实 际应用中的路用性能。国内外的学者在橡胶改性沥青应用于高等级 路面方面做了大量的研究，并且通过实践也证明了，用橡胶改性沥 青铺设的路面，不仅在高温稳定、低温抗裂两方面的性

2、能比传统的 沥青路面有所改善，而且橡胶粉颗粒还增加了沥青与集料的粘附性， 并具有良好的防滑性和耐磨性。同时，因为国内外大量的工程人员 不断提高在面层材料的路用性能方面的认识，也逐渐意识到集料配 合比设计在混合料性能方面有着越来越显著的影响，通过优化设计 后的配合比可有效地改善混合料的性能，也能够改善路面抗收缩开 裂的性能，所以，对于不同气候条件、交通条件的影响，选择最优 配合比设计方案已成为高等级公路建设的一个重要组成部分1。同 时，在土木工程应用方面，随着计算机、有限元数值模拟分析方法 的逐步发展，有大批的国内外学者逐步开始研究如何利用有限元方 法来分析沥青路面的响应问题，经过大量的计算及研

3、究表明这种方 法是可行的。路面设计本身应包括三大部分，分别为结构层材料配 合比设计、路面结构层组合设计和结构层厚度的确定，其中的每一 部分不仅仅与结构的稳定性以及使用性能有着紧密的联系，而且对 于工程造价也是极为重要的影响因素。目前，设计院很少对沥青混 合料的配合比、结构层进行系统的优化设计，大多数工程都是套用 现有的结构图纸和质量监督站在以往项目中所得数据直接应用到工 程上。1.2 国内外的研究及应用概况橡胶改性沥青在美国多个地区都应用较早，也有比较成熟的技术。 例如，在美国的亚利桑那州、德克萨斯州等地区都有较为广泛的应用2。主要通过两种配合比设计方法来确定最佳的油石比，第一种 是调整未经改

4、性的混合料中胶结料含量，或者选用具有较高空隙率 的橡胶改性沥青用量，该种方法也是常用在弗罗里达州及亚利桑那 州的马歇尔方法；第二种是根据空隙率，并结合当地的气候条件及 交通量来最终确定橡胶改性沥青占沥青混合料的总含量，此种方法 是加利福尼亚州采用的配合比方法，也叫赫维姆配合比设计方法。 此外，还有不少国外专家也做了橡胶改性沥青混合料在疲劳性能方 面的研究，美国的加利福尼亚州交通厅与南非公路局共同针对 4 种 厚度的混凝土及 2 种沥青混合料采用南非的加速加载设备 HVS）进 行加速加载试验，试验结果表明橡胶改性沥青混凝土当其厚度为普 通沥青混凝土厚度的 50%时，它们的疲劳寿命相当。美国 GD

5、 阿波特建立的优化模型，是基于 AASHTO 的路面设计方 法所建立的，其模型的主要指标为路面结构数3。美国的罗伯特 贝雷 Robert Bailey）发明了贝雷法，该种方法主要应用于矿料 级配的设计与优选。罗德岛大学对橡胶改性沥青混合料的设计如何 应用在高性能沥青路面技术中做了相应的研究，并通过结合实际判 断出其使用性进一步提出了改进建议4。还有相关研究表明，橡胶 改性沥青混凝土也能够有效的应用在旧路改扩建工程中，不仅有效 的改善了路面的反射裂缝，提高了路面的总体的承载能力，而且在 达到相同效果的前提下，适当地使用橡胶改性沥青混凝土，沥青混 凝土路面面层的厚度可以相应减薄沥青混凝土面层的厚度

6、。.2. 工程概况与基本数据2.1 工程概况建国南路建设工程是鞍山建国路南延至海城的公路工程，本工程 一经建成将推动鞍海经济带快速发展，不仅能够成为纵贯鞍山南北 的主动脉，并且对实现鞍山的两个融入的计划起到 不可忽略的作用，而且也承载着鞍山全面振兴的希望。鞍海经济带 由基本构架逐步拓展城市的发展空间，为推动新城区四城一 镇的建设打下夯实的基础，从而也带动了城市南部地区经济 和社会发展。为逐渐形成鞍海同城以及五年再造一个新鞍山的政策 设想奠定了坚固的根基。起点杨柳河南桥桥尾 K1406+911.083）， 终点海城大屯镇街里 K1414+413.773），全长 7.503 公里。本文研 究应用的

7、范围为第二标段 K1410+500K1414+413.773），长度为 3.914 公里。.2.2 原材料及基本数据深入了解橡胶改性沥青的基本性能是应用橡胶沥青的前提，由于 现在有关橡胶改性沥青的技术指标还没有形成一个固定的标准，各 国的橡胶改性沥青的应用技术也不相同，但仍然离不开普通沥青的 关键技术指标。选用不同品种、细度的橡胶粉，不同的拌合温度以 及不同类型的基质沥青等都会对橡胶改性沥青的高温性、低温性及 抗老化性产生影响11。有相关研究，通过对比同样掺加了 20%橡 胶粉的 90 号和 70 号基质沥青，研究其应用技术指标发现：建国 南路杨柳河至大屯路段采用 AC-13 型橡胶改性沥青混

8、合料，按照 洁净无杂质并且保证干燥无风化，根据有足够强度和耐磨性的要求 采用三种集料进行配合比设计，采用的粗细集料取自鞍山大孤山、 辽阳小屯石场，中粗砂、砂砾均取自海城苗官砂场，经检测后集料 的各项指标均满足规范要求。3. 橡胶改性沥青混凝土的目标配合比设计.103.1 设计流程.103.2 目标配合比设计113.3 矿料配合比设计的优选223.4 本章小结.234. 路面结构层计算及有限元数值模拟244.1 路面厚度、层底拉应力及路表弯沉值计算.244.2 有限元数值模拟分析304.3 本章小结.355. 路面结构层设计的优选.365.1 优选原理.365.2 优选结果.375.3 经济分析

9、.425.3.1 筑路材料价格分析.425.3.2 分析结果435.4 本章小结.455. 路面结构层设计的优选5.1 优选原理功效系数法，又可称作功效函数法，其根据多目标规划原理，对 每一项所需评价的指标确定出一个满意值和一个不容许值，将满意 值定为上限，不容许值定为下限，计算各指标能够实现满意值的程 度，进而确定各指标的分数，再通过加权平均的总功效系数评价研 究对象的综合状况18。功效系数法是以多目标规划为基础的，并 根据评价对象的复杂性，从不同的层面对评价对象进行计算评分， 满足评价体系多指标综合评价的要求19。1、采用功效系数法进行优化的具体过程可概括为：1）确定要考察的指标；2）确定

10、各项指标的满意值和不容许值；3）确定各项指标在考察体系中的权重；4）按照功效系数法计算各项配合比方案的总功效系数；5）对比各项方案的总功效系数，其最大值所对应的方案为最佳 优化设计的方案。结论本文是对鞍山市建国南路实际工程设计的深入研究，主要是在材 料配合比设计和结构厚度两方面，对橡胶改性沥青混凝土面层进行 了优化。其一，以橡胶改性沥青混凝土的基本性能为基础，结合实 际工程材料的情况，采用密级配及间断级配两种级配类型，通过比 选，确定最终的配合比优化方案；其二，在工程原有的路面结构的 基础上，通过改变下面层材料，对路面结构层的厚度用 HPDS2003A 路面设计计算软件进行计算，再利用 ANS

11、YS 进行有 限元数值模拟，并与电算结果相互验证，最后采用功效系数法，结 合材料价格确定路面结构层组合的最优方案。综合以上研究内容， 可以得出如下的结论：1、通过沥青混合料级配理论，结合试验，确定了密级配橡胶改 性沥青混凝土的最佳配合比为 0.27:0.2:0.53，最佳沥青用量为 5.5%，间断级配橡胶改性沥青混凝土的最佳配合比为 0.2:0.45:0.35，最佳沥青用量为 6.2%，为实际工程提供了方案和参 考。也进一步证明了，级配的选择并不是越接近规范的中值越好。2、通过浸水马歇尔试验可以看出，橡胶改性沥青混合料在抗水 损害的剥落能力方面间断级配要强于密级配，所以推荐工程上使用 间断级配

12、类型，配合比为 0.2:0.45:0.35，最佳沥青用量为 6.2%的方 案。3、通过 HPDS2003A 路面设计计算软件和 ANSYS 有限元数值 模拟对路面结构层的分析，在满足弯沉及层底拉应力的要求下，改 变下面层材料，可以适当减薄面层及基层的厚度。4、ANSYS 有限元数值模拟在分析的过程中与实际状况略有差 异，这与建模、选择约束条件及单元类型有关，其对弯沉值及层底 拉应力的计算分析变化趋势是正确的。5、通过功效系数法以路表弯沉值及层底拉应力为优化指标，再 结合材料价格，确定出最终结构层组合方案为 3cm 橡胶改性沥青 混凝土+5cm 橡胶改性沥青混凝土+20cm 水泥稳定砂砾 4.5%） +20cm 水泥稳定砂砾 5%）+30cm 填隙碎石。