山西重载交通沥青路面结构与材料研究
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摘要
我国高等级公路普遍采用沥青路面作为主要结构形式，但随着国民经济高速发展和客货运量的快速增长，重载、超载车辆迅速增加，致使原设计无法满足重载交通需求，从而加剧了沥青路面的早期破坏，缩短了路面的使用寿命和服务性能。如何设计满足重载交通需求的沥青沥青路面结构成为迫切需要解决的问题，因此，深入研究满足重载交通需求的沥青路面结构与材料具有深远意义。
本文针对山西省内七条高速公路和十条国省运煤重载干线公路使用状况进行了调查，系统分析了病害成因，总结了山西省重载交通沥青路面结构的主要损坏类型及其成因，为重载交通沥青路面典型结构的提出、优化及重载交通沥青混合料材料级配选用提供了数据支持。并针对半刚性基层沥青路面、混合式基层沥青路面、柔性基层和复合式沥青路面结构应用了有限元分析软件。在重载、超载交通条件下，对四种沥青路面进行了受力特性分析，总结了水泥稳定碎石基层模量、水泥稳定碎石基层厚度、沥青碎石基层模量、沥青层厚度、土基模量对混合式基层沥青路面结构的受力影响，以及温度对沥青路面力学参数的影响。结果表明混合式基层和柔性基层沥青路面结构在受力特性上较适合作为山西重载交通沥青路面的推荐结构型式，在高温地区，需对沥青层材料进行改性处理，采用高模量改性沥青以增强沥青混合料的高温稳定性。
本文提出重载交通沥青路面结构设计分为重载交通沥青路面结构组合设计阶段、重载交通沥青路面结构层厚度组合设计阶段、重载交通沥青路面材料设计阶段及设计输出阶段的四阶段设计方法及相应的设计指标与标准。在此基础上，推荐了满足山西省重载交通的混合式基层及柔性基层沥青路面结构的典型厚度组合方案。
针对重载交通路面结构，本文确定了满足高粘度改性沥青技术指标要求的组分配方及掺量，开发了满足重载交通性能的高粘度改性沥青。通过对5％SBS改性沥青、HVMA高粘度改性沥青和RST高粘度改性沥青混合料的试验对比研究，得出在相同温度条件下，HVMA高粘度改性沥青混合料的动稳定度最大，抗车辙能力最好。
在研究成果的基础上，通过晋济高速公路试验路的修筑、后期跟踪观测及评价，表明增加面层、基层、底基层厚度可有效减小路面弯沉及路面裂缝，混合基层沥青路面的抗裂性能优于半刚性基层沥青路面。通过对浑源～大同方向长大纵坡路段应用研发的高粘度改性沥青试验路铺筑，表明所研发的高粘度改性沥青应用于重载交通沥青路面性能良好，现场加工工艺及高粘度改性沥青混合料的施工工艺合理，且具有明显的性价比优势。
Having excellent performance characteristics, the asphalt mixture is commonly used byour high-grade road as the main structure. At the same time, with the rapid growth ofhigh-speed development of the national economy and passenger and cargo traffic, heavyloaded and overloaded vehicles of road transport increase rapidly. That exacerbates the earlydestruction of the asphalt pavement and seriously shortens the pavement life and serviceperformance..
This article carries out site investigations and damage cause analysis on sevenexpressways and10national and provincial coal-transporting heavy-load trunk highways inShanxi Province. Through analyzing the reasons of the damage, it concludes the main damagestyles together with their reasons of coal-transporting heavy-load highway’s asphalt pavementin Shanxi Province. The supports of data were provided to put forward and optimize thetypical structure of heavy traffic asphalt pavement, and to select the material grade ofheavy-duty asphalt mixtures. Finite element analysis software has been applied to semi-rigidasphalt pavement structure, hybrid base pavement structure, flexible base pavement structureand composite pavement structure in Shanxi Province. The mechanical characteristics areanalyzed on the four typical structures under heavy-load and overload traffic conditions. Theforce infections of the mixed base asphalt pavement structure are analyzed by cementstabilized macadam base modulus, cement stabilized macadam base thickness, asphalt treatedbase modulus, asphalt treated base thickness and subgrade modulus. And the impacts arestudied on the temperature to the mechanical parameters of asphalt pavement. The resultsshow that the mixed base asphalt pavement structure and the flexible base asphalt pavement ismore suitable for Shanxi Province’s heavy traffic highways for its better stress status. Andasphalt material should be modified in high temperature area. Using a high modulus is aneffective method to enhance the modified asphalt mixture of high temperature stability.
This paper divides the asphalt pavement structure design of the heavy-load traffic intothe structure combination design stage of heavy-load traffic asphalt pavement, the layerthickness combination design stage of heavy-load traffic asphalt pavement, the materialdesign stage of heavy-load traffic asphalt pavement and the output the design result stage. Thearticle proposes the corresponding method for the design index and standards andrecommends a combined program of the typical thickness of hybrid base pavement whichmeets the heavy traffic.
According to the structure of heavy-load highway’s asphalt pavement, the components and mixing amount of high viscosity modified asphalt which meets the heavy-load trafficperformance are determined through the experimental research, and meet the demand of itstechnical requirements. The study shows that the dynamic stability of HVMA high viscositymodified asphalt mixture is largest and the rutting resistance is best by comparative analysesto5%SBS modified asphalt, HVMA high viscosity modified asphalt and RST high viscositymodified asphalt mixture in the same temperature conditions.
On the basis of the research results, Jin-Ji Expressway test road was built, and the latefollow-up observations and evaluation show that the increase of the surface layer, thegrassroots and sub-base thickness can effectively reduce the pavement surface deflection andpavement cracks. The crack resistance of hybrid base pavement structure is better than thesemi-rigid asphalt pavement structure. high viscosity modified asphalt which is developed isapplied to the longitudinal sections of Hunyuan-Datong. The study indicates thathigh-viscosity modified asphalt has the excellent performance used in heavy traffic asphaltpavement, and on-site processing and the construction technology of high-viscosity modifiedasphalt mixture is reasonable, and the high-viscosity modified asphalt has significant costadvantages.
本文针对山西省内七条高速公路和十条国省运煤重载干线公路使用状况进行了调查，系统分析了病害成因，总结了山西省重载交通沥青路面结构的主要损坏类型及其成因，为重载交通沥青路面典型结构的提出、优化及重载交通沥青混合料材料级配选用提供了数据支持。并针对半刚性基层沥青路面、混合式基层沥青路面、柔性基层和复合式沥青路面结构应用了有限元分析软件。在重载、超载交通条件下，对四种沥青路面进行了受力特性分析，总结了水泥稳定碎石基层模量、水泥稳定碎石基层厚度、沥青碎石基层模量、沥青层厚度、土基模量对混合式基层沥青路面结构的受力影响，以及温度对沥青路面力学参数的影响。结果表明混合式基层和柔性基层沥青路面结构在受力特性上较适合作为山西重载交通沥青路面的推荐结构型式，在高温地区，需对沥青层材料进行改性处理，采用高模量改性沥青以增强沥青混合料的高温稳定性。
本文提出重载交通沥青路面结构设计分为重载交通沥青路面结构组合设计阶段、重载交通沥青路面结构层厚度组合设计阶段、重载交通沥青路面材料设计阶段及设计输出阶段的四阶段设计方法及相应的设计指标与标准。在此基础上，推荐了满足山西省重载交通的混合式基层及柔性基层沥青路面结构的典型厚度组合方案。
针对重载交通路面结构，本文确定了满足高粘度改性沥青技术指标要求的组分配方及掺量，开发了满足重载交通性能的高粘度改性沥青。通过对5％SBS改性沥青、HVMA高粘度改性沥青和RST高粘度改性沥青混合料的试验对比研究，得出在相同温度条件下，HVMA高粘度改性沥青混合料的动稳定度最大，抗车辙能力最好。
在研究成果的基础上，通过晋济高速公路试验路的修筑、后期跟踪观测及评价，表明增加面层、基层、底基层厚度可有效减小路面弯沉及路面裂缝，混合基层沥青路面的抗裂性能优于半刚性基层沥青路面。通过对浑源～大同方向长大纵坡路段应用研发的高粘度改性沥青试验路铺筑，表明所研发的高粘度改性沥青应用于重载交通沥青路面性能良好，现场加工工艺及高粘度改性沥青混合料的施工工艺合理，且具有明显的性价比优势。
Having excellent performance characteristics, the asphalt mixture is commonly used byour high-grade road as the main structure. At the same time, with the rapid growth ofhigh-speed development of the national economy and passenger and cargo traffic, heavyloaded and overloaded vehicles of road transport increase rapidly. That exacerbates the earlydestruction of the asphalt pavement and seriously shortens the pavement life and serviceperformance..
This article carries out site investigations and damage cause analysis on sevenexpressways and10national and provincial coal-transporting heavy-load trunk highways inShanxi Province. Through analyzing the reasons of the damage, it concludes the main damagestyles together with their reasons of coal-transporting heavy-load highway’s asphalt pavementin Shanxi Province. The supports of data were provided to put forward and optimize thetypical structure of heavy traffic asphalt pavement, and to select the material grade ofheavy-duty asphalt mixtures. Finite element analysis software has been applied to semi-rigidasphalt pavement structure, hybrid base pavement structure, flexible base pavement structureand composite pavement structure in Shanxi Province. The mechanical characteristics areanalyzed on the four typical structures under heavy-load and overload traffic conditions. Theforce infections of the mixed base asphalt pavement structure are analyzed by cementstabilized macadam base modulus, cement stabilized macadam base thickness, asphalt treatedbase modulus, asphalt treated base thickness and subgrade modulus. And the impacts arestudied on the temperature to the mechanical parameters of asphalt pavement. The resultsshow that the mixed base asphalt pavement structure and the flexible base asphalt pavement ismore suitable for Shanxi Province’s heavy traffic highways for its better stress status. Andasphalt material should be modified in high temperature area. Using a high modulus is aneffective method to enhance the modified asphalt mixture of high temperature stability.
This paper divides the asphalt pavement structure design of the heavy-load traffic intothe structure combination design stage of heavy-load traffic asphalt pavement, the layerthickness combination design stage of heavy-load traffic asphalt pavement, the materialdesign stage of heavy-load traffic asphalt pavement and the output the design result stage. Thearticle proposes the corresponding method for the design index and standards andrecommends a combined program of the typical thickness of hybrid base pavement whichmeets the heavy traffic.
According to the structure of heavy-load highway’s asphalt pavement, the components and mixing amount of high viscosity modified asphalt which meets the heavy-load trafficperformance are determined through the experimental research, and meet the demand of itstechnical requirements. The study shows that the dynamic stability of HVMA high viscositymodified asphalt mixture is largest and the rutting resistance is best by comparative analysesto5%SBS modified asphalt, HVMA high viscosity modified asphalt and RST high viscositymodified asphalt mixture in the same temperature conditions.
On the basis of the research results, Jin-Ji Expressway test road was built, and the latefollow-up observations and evaluation show that the increase of the surface layer, thegrassroots and sub-base thickness can effectively reduce the pavement surface deflection andpavement cracks. The crack resistance of hybrid base pavement structure is better than thesemi-rigid asphalt pavement structure. high viscosity modified asphalt which is developed isapplied to the longitudinal sections of Hunyuan-Datong. The study indicates thathigh-viscosity modified asphalt has the excellent performance used in heavy traffic asphaltpavement, and on-site processing and the construction technology of high-viscosity modifiedasphalt mixture is reasonable, and the high-viscosity modified asphalt has significant costadvantages.
引文
[1]沈金安，李福晋，陈景.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策[M].北京：人民交通出版社，2004.12
[2] JTG E20-2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京:人民交通出版社，2011
[3]吕伟民.沥青混合料设计原理与方法[M].上海：同济大学出版社，2001
[4] Sameh Zaghloul,Thomas D.White.Load Factors for Asphalt Pavements [J]，ASPHALT PAVINGTECHNOLOGY:1994,Vol.63
[5]艾长发．重载沥青路面结构分析与性能评价[D].成都：西南交通大学，2002
[6] Ramorz Bonayuist.Effect of Load, Tire Pressure, and Tire Type on Flexible PavementResponse[J].PUBLIC ROADS:Vol.52No.1
[7]马庆雷.基于刚性基层的耐久性沥青路面结构研究[D].西安：长安大学,2006
[8]山西省交通科学研究所.重交通沥青路面结构研究报告.1999
[9]陈锋锋，黄晓明，单景松．重载下不同基层沥青路面的力学分析[J]．道路工程，2008（02）:11-15
[10]张宁，钱振东等.超载作用下高速公路沥青路面设计参数敏感性分析[J].交通运输工程与信息学报，2005（3）：111-115
[11]钱国平，朱云升，徐建明.重载交通状况及其沥青路面损害模式的调查研究[J].交通科技，2001（5）：7-9
[12]王选仓,谭权．重载沥青路面研究[J]．西安公路交通大学学报，1998(4)：97-111
[13]黄文元.高等级公路重载交通沥青路面设计的研究[D].北京:交通部公路科研所，硕士学位论文，2000
[14]黄文元.沥青路面超重车轴载换算初步研究[J].公路交通科技,2000(1):5-9
[15]倪富健，邓学钧.汽车轴重与路面破坏的关系[J].重庆交通学院学报,1997(4):41-50
[16]陈忠明，孙立军，席雅如等.对超重车辆等效轴载换算系数的研究[J].公路,1991(8):4-6
[17]彭波.公路超重车辆对路面的损坏影响及管理对策分析[D].同济大学,1999
[18]孙立军，姚祖康，李舜范等.柔性路面轴载换算式在北京地区的验证与补充[J].中国公路学报，1992(3):1-13
[19]董占文，张润，李羚.超载车对太旧高速公路路面结构使用寿命的影响分析[C].全国第九次高速公路管理工作研讨会高速公路论文集，2000
[20] JTG D05—2006,公路沥青路面设计规范[S].北京：人民交通出版社，2006年10月
[21]李巧茹，李国强，魏连雨.超载车辆弯沉等效换算方法研究[J].重庆交通学院学报，1998(1):62-68
[22]孙立军，张宏超，刘黎萍等.沥青路面初期损坏特点和机理分析(重交通沥青路面设计方法之一)[J].同济大学学报,2002(4):416-421
[23]童言白，李长来.浅析超载车辆对路面的影响[J].公路，1999（12）：77-79
[24]宋长柏，魏连雨.超重交通对道路破坏作用及对轴重限值的探讨[J].内蒙古公路与运输，2002（73）：24-26
[25]刘朝晖，秦仁杰.汽车超载对沥青路面结构的影响分析[J].长沙交通学院学报，1999（2）:22-26
[26]林伍湖.超载车辆对高速公路沥青路面破坏原因的分析及对策[J].华东公路，2002（2）.38-40
[27]高英,曹荣吉.超重交通荷载作用下沥青路面的应力分析[J].公路交通科技;2001(6):25-27
[28]冯凌兵,蒋育红等.重载交通下的不同沥青路面结构适应性分析[J].安徽冶金科技职业学院学报;2011(4):53-56
[29]谭炯.重载交通长寿命沥青路面结构与材料研究[D].长沙：长沙理工大学,2008
[30]房闯刚.重载交通普通公路长寿命路面典型结构研究[D].郑州：郑州大学,2010
[31]隋园园.重载交通沥青路面受力机理及结构组合设计[D].西安：长安大学,2007
[32]郑志龙.重载交通合理路面设计参数研究[D].西安：长安大学,2009
[33]林绣贤.沥青路面设计中轴载换算方法的研究[C].1996年道路工程“高等级公路与科技进步”学术会议论文集,1996.10
[34]邓学钧，黄晓明.路面设计原理与方法.北京:人民交通出版社，2001
[35] HRB. AASHTO Guide for Pavement Design.1986
[36] AASHTO Report,AASHTO Guide for Design of Pavement Structures [J]，1986, AASHTO，Washington，D. G,1986
[37]刘学亮.高粘度改性沥青的制备与性能研究[D].南京：东南大学，2005
[38] Xiaohu Lu, Ulf Isacsson. Artificial Aging of Polymer Modified Bitumens[J]. Journal of AppliedPolymer Science200076:1811-182
[39]段中夏.反应性SBS改性沥青的制备及性能研究[D].武汉:武汉理工大学，2006
[40]欧阳昇.高粘度基质沥青及混合料试验研究[D].长沙：长沙理工大学，2007
[41]夏选朋.高模量沥青混凝土的特征与新发展[J].中外公路.2005.4.
[42] J-P.Serfass,P.Bense,P.Pellevoisin.Properties and New Developments of High Modulus AsphaltConcret [J].Lecture Asphalt series of Eighth International Conference on Pavement,1997
[43]刘新权，丁庆军等.高粘度改性沥青配制钢箱梁桥面SMA铺装层的研究[J].公路，2004（9）：97-101
[44]徐世法，朱照宏.沥青路面高低温变形性能模型的初步研究[C].全国城市道路与交通工程学术会议论文集,1991
[45]曾凡奇.重载交通沥青关键指标研究[D].武汉：武汉理工大学，2008
[46]沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[Ml.北京:人民交通出版社,2001
[47] JTJ073.2-2001，公路沥青路面养护技术规范[S].北京:人民交通出版社，2002
[48]孙立军等.沥青路面结构行为理论[M].北京:人民交通出版社,2005
[49]黄仰贤．路面分析与设计[M].北京:人民交通出版社,1998
[50]陆辉．轮载作用下沥青路面结构三维非线性有限元分析方法的研究．同济大学博士学位论文，2001
[51]胡小弟．轮胎接地压力分布实测及沥青路面结构响应分析[D].上海：同济大学，2003
[52]孟岩，郭林泉，谈至明.路面载重车辆的荷载特征[J].公路交通科技，2007（4）：20-25
[53]孙红燕.长寿命沥青路面结构计算与分析[D].西安：长安大学，2007
[54]尚志远.超载车辆对沥青混凝土路面的破坏分析[J].公路,2004(5):19-22
[55]吕伟民.沥青稳定基层沥青混凝土路面抗剪性能的理论分析[J].公路.2006(4):220-224
[56]贾璐，孙立军，黄立葵等.沥青路面温度场数值预估模型[J].同济大学学报（自然科学版），2007（8）：1039－1044
[57]李朝阳.沥青路面应力位移简化计算[J].重庆交通学院学报，1999(3):42-48
[58]张登良.沥青路面[M].人民交通出版社，1998
[59]黄晓明.柔性路面层状体系的边界元分析法[J].重庆交通学院学报，1992(3):93-99
[60] JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].北京:人民交通出版社，2004
[61]赵延庆，吴剑，文健．沥青混合料动态模量及其主曲线的确定与分析[J]．公路，2006，第8期：163-167
[62]杨金伟，徐瑞清.SBS改性道路沥青[J].北京化工大学学报，1997，4(24):38-41
[63]沈金安.改性沥青与SMA混合料[M].北京:人民交通出版社，1999
[2] JTG E20-2011，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京:人民交通出版社，2011
[3]吕伟民.沥青混合料设计原理与方法[M].上海：同济大学出版社，2001
[4] Sameh Zaghloul,Thomas D.White.Load Factors for Asphalt Pavements [J]，ASPHALT PAVINGTECHNOLOGY:1994,Vol.63
[5]艾长发．重载沥青路面结构分析与性能评价[D].成都：西南交通大学，2002
[6] Ramorz Bonayuist.Effect of Load, Tire Pressure, and Tire Type on Flexible PavementResponse[J].PUBLIC ROADS:Vol.52No.1
[7]马庆雷.基于刚性基层的耐久性沥青路面结构研究[D].西安：长安大学,2006
[8]山西省交通科学研究所.重交通沥青路面结构研究报告.1999
[9]陈锋锋，黄晓明，单景松．重载下不同基层沥青路面的力学分析[J]．道路工程，2008（02）:11-15
[10]张宁，钱振东等.超载作用下高速公路沥青路面设计参数敏感性分析[J].交通运输工程与信息学报，2005（3）：111-115
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[12]王选仓,谭权．重载沥青路面研究[J]．西安公路交通大学学报，1998(4)：97-111
[13]黄文元.高等级公路重载交通沥青路面设计的研究[D].北京:交通部公路科研所，硕士学位论文，2000
[14]黄文元.沥青路面超重车轴载换算初步研究[J].公路交通科技,2000(1):5-9
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[20] JTG D05—2006,公路沥青路面设计规范[S].北京：人民交通出版社，2006年10月
[21]李巧茹，李国强，魏连雨.超载车辆弯沉等效换算方法研究[J].重庆交通学院学报，1998(1):62-68
[22]孙立军，张宏超，刘黎萍等.沥青路面初期损坏特点和机理分析(重交通沥青路面设计方法之一)[J].同济大学学报,2002(4):416-421
[23]童言白，李长来.浅析超载车辆对路面的影响[J].公路，1999（12）：77-79
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[26]林伍湖.超载车辆对高速公路沥青路面破坏原因的分析及对策[J].华东公路，2002（2）.38-40
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[29]谭炯.重载交通长寿命沥青路面结构与材料研究[D].长沙：长沙理工大学,2008
[30]房闯刚.重载交通普通公路长寿命路面典型结构研究[D].郑州：郑州大学,2010
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[32]郑志龙.重载交通合理路面设计参数研究[D].西安：长安大学,2009
[33]林绣贤.沥青路面设计中轴载换算方法的研究[C].1996年道路工程“高等级公路与科技进步”学术会议论文集,1996.10
[34]邓学钧，黄晓明.路面设计原理与方法.北京:人民交通出版社，2001
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[36] AASHTO Report,AASHTO Guide for Design of Pavement Structures [J]，1986, AASHTO，Washington，D. G,1986
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[50]陆辉．轮载作用下沥青路面结构三维非线性有限元分析方法的研究．同济大学博士学位论文，2001
[51]胡小弟．轮胎接地压力分布实测及沥青路面结构响应分析[D].上海：同济大学，2003
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[55]吕伟民.沥青稳定基层沥青混凝土路面抗剪性能的理论分析[J].公路.2006(4):220-224
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[58]张登良.沥青路面[M].人民交通出版社，1998
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[61]赵延庆，吴剑，文健．沥青混合料动态模量及其主曲线的确定与分析[J]．公路，2006，第8期：163-167
[62]杨金伟，徐瑞清.SBS改性道路沥青[J].北京化工大学学报，1997，4(24):38-41
[63]沈金安.改性沥青与SMA混合料[M].北京:人民交通出版社，1999