沥青路面复合基层结构与材料研究
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摘要
目前,我国高等级公路仍主要以半刚性基层沥青路面结构为主,但是半刚性基层沥青路面的早期破坏严重影响了其使用品质和寿命。特别是近年来早期修建的一些高速公路已相继进入大修或改建期,“开膛破肚”式的处理方式已经让我们付出了巨大的经济成本和社会代价。为此,研究具有优良使用性能和适合我国经济发展水平的新型路面结构迫在眉睫。国内外对此也进行了很多研究,铺筑了试验路,获得了一些较为可喜的成果,但在某些方面研究还不够深入,不够系统。本文在广泛收集并分析国内半刚性基层沥青路面使用现状和国内外路面结构组合有关资料的基础上,基于路面结构耐久性的设计理念,对沥青路面复合基层结构和材料作进一步的研究。
本文主要研究内容包括以下方面：(1)针对半刚性层材料易开裂、易冲刷的现状,从混和料的配合比设计、力学性能、抗裂性能、冲刷性能、疲劳特性等方面对其进行了系统研究。(2)采用灰色关联分析法,对常用的半刚性材料抗裂评价指标进行关联度分析,结果表明：评价半刚性材料抗裂性的最佳指标是综合抗裂指数,推荐采用综合抗裂指数作为半刚性混合料抗裂设计的控制指标。(3)推导了半刚性层收缩应力的计算公式,对影响最大收缩应力的各种因素进行了分析,验证了半刚性层的开裂规律；并对半刚性层的温度收缩裂缝进行了预估,得到了温缩裂缝间距与宽度的近似计算公式。(4)系统研究了复合基层ATB层的配合比设计及其高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、疲劳特性等路用性能。(5)采用车辙试验仪进行了复合基层疲劳模拟试验,系统地对不同荷载作用下、不同ATB厚度及不同半刚性层预锯缝深度的复合基层进行疲劳试验研究。(6)根据材料的强度和刚度特性,利用软件对复合基层路面结构荷载内力进行了敏感性分析；并利用有限元方法,对ATB层的抗裂效果进行了力学分析。(7)计算了不同情况下复合基层路面结构的疲劳寿命,提出了基于整体路面结构疲劳寿命的ATB最佳厚度确定方法。系统分析了面层模量、ATB层模量、半刚性层模量及路基当量回弹模量对复合基层路面结构疲劳寿命的影响,提出提高复合基层路面疲劳寿命的措施。(8)研究了不同情况下复合基层路面结构的温度应力分布规律。(9)在研究我国沥青路面设计存在问题与国外柔性基层沥青路面设计控制指标的基础上,结合复合基层沥青路面的主要损坏类型,提出复合基层沥青路面设计的控制指标与标准,并相应地提出复合基层沥青路面设计方法。
At present, semi-rigid asphalt pavement structure still plays important role in high-grade highway in our country. However, its early damage has seriously affected the using character and service life of the highway. Especially, many expressway built in early years need to have a maintenance on large scale or reconstruction one by one. We have paid out enormous economic cost and social cost for the thoroughly reconstruction of the highway. So it's necessary to find out the new pavement structure which has good pavement performance and fits to the economic development level of our country. The technology has been studied by the expert all over the world, and some encouraging results have been obtained. However, in some aspects the researches are not substantially and systematical. Based on pavement structure durable design idea, further studies are carried out on compound base structure and materials by widely collecting the using actuality of semi-rigid asphalt pavement in our country and researching pavement structure at home and abroad.
This dissertation has mainly researched nine aspects as follows:(1) As the characteristic of semi-rigid materials is easy to crack and be washed out. Systematic study are done from the aspects of mixture design, mechanical properties, crack resistance, anti-erosion property and fatigue characteristics, etc.. (2) Grey relational grade analysis for common evaluation indices of anti-cracking performance of semi-rigid materials is carried through by grey correlation analysis. The results indicate that the optimal evaluation index of anti-cracking performance for semi-rigid base course is anti-crack evaluation index. The anti-crack evaluation index is recommended as the control index during the mixture design. (3) Formula for shrinkage stress of semi-rigid base is derived. Influencing factors of the maximum shrinkage stress is analyzed, and the cracking law for semi-rigid base is proved. Temperature contraction cracks for semi-rigid base is predicted, and the approximate formula for the width and space between two Temperature contraction cracks is put forward. (4) Systematic study on asphalt treated base are carried out from mixture design and pavement performance, such as high temperature stability, low temperature crack resistance, water stability and fatigue characteristics etc.. (5) The simulated test of compound base fatigue life has been done applying ordinary rutting machine. Fatigue life of compound base is studied systematically by changing the loads, asphalt treated base thickness, crack depth in semi-rigid base. (6) According to the strength characteristics and stiffness characteristics of material, sensitivity analysis of the load inner force for compound base asphalt pavement is done by using calculation software. Mechanical analysis for the effect of anti-crack of asphalt treated base is done applying finite element software. (7) Fatigue life of compound base asphalt pavement, under different situations, is calculated. The determination method for asphalt treated base optimal thickness based on fatigue life of the whole pavement has been proposed. The effect of asphalt surface modulus, asphalt treated base modulus, semi-rigid base modulus and subgrade modulus on compound base asphalt pavement fatigue life is analyzed. Measures for improving fatigue life of compound base asphalt pavement are put forward. (8) The distribution rule of temperature stress for compound base asphalt pavement is studied under different situation. (9) Based on researching current asphalt pavement design problems and the design control indices of flexible asphalt pavement at home and abroad, the main and assistant control indices and standard for the design of compound base asphalt pavement are put forward combining with the mainly damage type of the structure. Then, the design method for compound base asphalt pavement is put forward.
本文主要研究内容包括以下方面：(1)针对半刚性层材料易开裂、易冲刷的现状,从混和料的配合比设计、力学性能、抗裂性能、冲刷性能、疲劳特性等方面对其进行了系统研究。(2)采用灰色关联分析法,对常用的半刚性材料抗裂评价指标进行关联度分析,结果表明：评价半刚性材料抗裂性的最佳指标是综合抗裂指数,推荐采用综合抗裂指数作为半刚性混合料抗裂设计的控制指标。(3)推导了半刚性层收缩应力的计算公式,对影响最大收缩应力的各种因素进行了分析,验证了半刚性层的开裂规律；并对半刚性层的温度收缩裂缝进行了预估,得到了温缩裂缝间距与宽度的近似计算公式。(4)系统研究了复合基层ATB层的配合比设计及其高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性、疲劳特性等路用性能。(5)采用车辙试验仪进行了复合基层疲劳模拟试验,系统地对不同荷载作用下、不同ATB厚度及不同半刚性层预锯缝深度的复合基层进行疲劳试验研究。(6)根据材料的强度和刚度特性,利用软件对复合基层路面结构荷载内力进行了敏感性分析；并利用有限元方法,对ATB层的抗裂效果进行了力学分析。(7)计算了不同情况下复合基层路面结构的疲劳寿命,提出了基于整体路面结构疲劳寿命的ATB最佳厚度确定方法。系统分析了面层模量、ATB层模量、半刚性层模量及路基当量回弹模量对复合基层路面结构疲劳寿命的影响,提出提高复合基层路面疲劳寿命的措施。(8)研究了不同情况下复合基层路面结构的温度应力分布规律。(9)在研究我国沥青路面设计存在问题与国外柔性基层沥青路面设计控制指标的基础上,结合复合基层沥青路面的主要损坏类型,提出复合基层沥青路面设计的控制指标与标准,并相应地提出复合基层沥青路面设计方法。
At present, semi-rigid asphalt pavement structure still plays important role in high-grade highway in our country. However, its early damage has seriously affected the using character and service life of the highway. Especially, many expressway built in early years need to have a maintenance on large scale or reconstruction one by one. We have paid out enormous economic cost and social cost for the thoroughly reconstruction of the highway. So it's necessary to find out the new pavement structure which has good pavement performance and fits to the economic development level of our country. The technology has been studied by the expert all over the world, and some encouraging results have been obtained. However, in some aspects the researches are not substantially and systematical. Based on pavement structure durable design idea, further studies are carried out on compound base structure and materials by widely collecting the using actuality of semi-rigid asphalt pavement in our country and researching pavement structure at home and abroad.
This dissertation has mainly researched nine aspects as follows:(1) As the characteristic of semi-rigid materials is easy to crack and be washed out. Systematic study are done from the aspects of mixture design, mechanical properties, crack resistance, anti-erosion property and fatigue characteristics, etc.. (2) Grey relational grade analysis for common evaluation indices of anti-cracking performance of semi-rigid materials is carried through by grey correlation analysis. The results indicate that the optimal evaluation index of anti-cracking performance for semi-rigid base course is anti-crack evaluation index. The anti-crack evaluation index is recommended as the control index during the mixture design. (3) Formula for shrinkage stress of semi-rigid base is derived. Influencing factors of the maximum shrinkage stress is analyzed, and the cracking law for semi-rigid base is proved. Temperature contraction cracks for semi-rigid base is predicted, and the approximate formula for the width and space between two Temperature contraction cracks is put forward. (4) Systematic study on asphalt treated base are carried out from mixture design and pavement performance, such as high temperature stability, low temperature crack resistance, water stability and fatigue characteristics etc.. (5) The simulated test of compound base fatigue life has been done applying ordinary rutting machine. Fatigue life of compound base is studied systematically by changing the loads, asphalt treated base thickness, crack depth in semi-rigid base. (6) According to the strength characteristics and stiffness characteristics of material, sensitivity analysis of the load inner force for compound base asphalt pavement is done by using calculation software. Mechanical analysis for the effect of anti-crack of asphalt treated base is done applying finite element software. (7) Fatigue life of compound base asphalt pavement, under different situations, is calculated. The determination method for asphalt treated base optimal thickness based on fatigue life of the whole pavement has been proposed. The effect of asphalt surface modulus, asphalt treated base modulus, semi-rigid base modulus and subgrade modulus on compound base asphalt pavement fatigue life is analyzed. Measures for improving fatigue life of compound base asphalt pavement are put forward. (8) The distribution rule of temperature stress for compound base asphalt pavement is studied under different situation. (9) Based on researching current asphalt pavement design problems and the design control indices of flexible asphalt pavement at home and abroad, the main and assistant control indices and standard for the design of compound base asphalt pavement are put forward combining with the mainly damage type of the structure. Then, the design method for compound base asphalt pavement is put forward.
引文
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