基于抗车辙功能的高模量沥青混凝土应用研究
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第37卷,第4期 2 0 1 2年8月 公 路 工 程 Highway Engineering Vo1.37,No.4 Aug.,2 0 1 2 基于抗车辙功能的高模量沥青混凝土应用研究 董 强。,米 峻。,景宏君 ,郑木莲 ,史小乾 (1.陕西省延安公路管理局,陕西延安局,陕西成阳712000) 716200; 2.陕西省交通建设集团公司,陕西西安710075; 3.陕西省 咸阳市交通运输局,陕西咸阳712000;4.长安大学公路学院,陕西西安710064; 5.陕西省彬县交通运输 [摘要]针对沥青路面的车辙损坏,通过掺加改性剂PR/RA以提高沥青混凝土模量,达到有效提高路面抗 车辙能力的目的。介绍了高模量沥青混凝土(HMAC)的研究成果,如提出基于抗车辙功能高模量沥青混凝土的合 理设置层位和模量值的合理取值范围、抗车辙能力强的高模量沥青路面结构组合,以及高模量沥青混凝土路面典 型结构等。并结合试验路实体工程,提出高模量沥青混凝土路面的施工工艺与质量控制技术。 [关键词]车辙;高模量;沥青混凝土;应用;研究 【中图分类号】U 414.1 【文献标识码】A [文章编号】1674—0610(2012)04—0031—06 Application Research on High Modulus Asphalt Concrete based on Anti-rutting Performance DONG Qiang ,MI Jun ,JING Hongjun ,ZHENG Mulian ,SHI Xiaoqian (1.Yan’an Highway Bureau of Shaanxi Province,Yan’an,Shanxi 7 1 6200,China; 2.Shanxi Province Communication Group,Xi’an,Shanxi 7 10075,China; 3.Xianyang Transportation Bureau of Shanxi Province,xianyang,Shanxi 7 1 2000,China;Shanxi 710064,China; 4.Chang’an university,College of Highway,Xi’an, 5.Binxian Transportation Bureau of Shanxi Province,xianyang,Shanxi 712000。China) [Abstract]In view of the asphalt pavement rutting damage,this paper adding the modifier PR/ RA to increase the modulus of asphalt concrete,the obj ective of improving pavement anti-utrting ability effectively can be achieved.This paper introduce high modulus asphalt concrete(HMAC)research re- suits briefly,which based on the function such as the reasonable position,the reasonable range of modu- lus values of rutting resistance and anti—rut ability of high modulus asphalt pavement structure combination of high modulus asphalt concrete,and the high modulus asphalt concrete pavement typical structure etc.. Combined the test road,high modulus asphalt concrete pavement construction technology and quality con・ trol technology can be put forward. [Key words]Rut;High Modulus;Asphalt Concrete;Application;Research 技术方案。近年来,随着道路交通量增大、轴重增 加、交通渠化,尤其是超限超载车辆增多以及自然气 候等综合作用,造成许多路面在通车后不久就出现 1项目研究概况 高模量沥青混凝土(High Modular Asphalt Con. crete,简称HMAC),在l5 o【=、l0 Hz试验条件下动 态模量达到14 000 MPa以上,最初由硬质沥青和一 较为严重的早期破坏,其中车辙是最为严重的破坏 形式之一。车辙的出现不仅影响行车舒适性,车辙 槽内积水或结冰时还严重威胁交通安全。此外,轮 迹处沥青层厚度减薄,会削弱面层及路面的整体强 度,诱发其他病害。 定级配的石料及添加剂拌和而成。HMAC具有模量 高、抗车辙性能好、低温开裂及温度疲劳开裂敏感性 不强等优点,为解决沥青路面车辙问题提供了新的 [收稿日期】2011—12~22 【基金项目】国家自然科学基金资助项目(51008030);陕西省交通运输科技项目(06—02K) [作者简介】董强(1967一),男,陕西延安人,硕士研究生,高级T程师,从事道路lT程管理与研究T作。 32 公路工程 37卷 HMAC最早于20世纪8O年代出现在法国,并 材料模型和数值计算模型,分别基于弹性和粘弹理 已形成相应的标准。此外英国、芬兰、意大利、葡萄 论,分析HMAC路面结构在荷载和温度等因素作用 牙、美国等对HMAC路面的研究也较深入,国外主 下的应力、变形等分布规律,研究模量提高和层位分 要通过采用硬质沥青提高混合料的模量。我国硬质 布对路面抗车辙性能的影响,得到基于抗车辙功能 沥青在道路工程中的应用刚起步,对很多问题的认 高模量层的合理设置层位和模量值的合理范围,并 识尚不清楚,受生产条件制约,仅处于初步试验阶 提出抗车辙能力强的高模量沥青路面结构组合。主 段,研究尚不够深入系统。此外,对采用外掺剂方法 要研究成果有: 的掺量选用和模量提高以及混合料物理力学性能的 1.1 HMAC的界定标准 系统研究均尚未开展。尤其是没有针对沥青路面的 鉴于HMAC的主要特点是模量高、高温性能 抗车辙要求,对HMAC进行明确的界定,提出其合 好,重点对其高温与变形性能进行研究。此外,对其 理的表征参数与指标,使得路面结构设计与材料组 低温性能与水稳定性亦展开研究。结合国内外研究 成设计脱节,进而影响HMAC的实际应用。 成果和本项目的有限元结构计算结果,选用不同高 基于此,本研究项目结合我国国情,引入两种新 温评价指标,并与不同温度下的模量进行相关性分 型沥青混合料改性剂PR PLASTS和RA(岩沥青复 析,最后提出HMAC的界定标准。 合改性剂),以达到沥青混凝土高模量化的目的。 本研究项目根据静态模量随改性剂的增幅大 针对改性剂PR/RA出现时间短、理论方面缺乏系统 小,确定改性剂PR/RA的经济合理掺量在0.4%~ 研究。HMAC模量界定标准不明确等问题,本项目对 0.8%之间。由本研究项目得出稳定度、马歇尔模数 其原材料性质、配合比设计方法及其路用性能等展 及蠕变率与静态模量的回归方程,仅从材料角度界 开系统研究,并通过结构力学数值模拟,建立合理的 定HMAC见表1。 表1 HMAC的界定标准 Table 1 Standard Definition of HMAC 1.2 HMAC层位设定 时,能够有效减小结构层剪切变形,降低车辙损坏。 为考查高模量层位于不同面层的影响程度,计 本研究项目高模量沥青混凝土回弹模量取值为 算时考虑了单层(上面层,中面层,下面层)、双层 2 000 MPa,其它面层模量取值为1 200 MPa,上、中、 (上中层,中下层)两种工况。根据试验数据,常温 下面层厚度分别取值4 cm、5 cm和6 cm,计算得出 下(20 oC)高模量取值范围2 000—2 400 MPa之间 其他结构层参数见表2。 表2 高模量层位设置不同时的各项指标 Table 2 Each Indicator of Different Layer Settings by HMAC 表2可以看出,高模量沥青混凝土层的位置对 1.3 HMAC典型结构形式 剪应力、剪应变和路表弯沉均有一定影响,尤其是剪 本项目研究表明,增大上面层厚度,路表压应力 应变、压应变;用于双层时其力学性能要优于单层应 减小,路面结构内其他层变化不大,但整个路面结构 用,其中应用于中下面层效果最好。双层应用于上 内的压应变逐渐减小,尤其是对于减小中面层的压 中面层和单层应用于中面层效果基本相当;综合比 应变效果显著。考虑到其会显著增大上面层剪应力 较分析,高模量设置在中下面层效果最好,其次是设 和剪应变,故上面层厚度应综合考虑适当取值,才能 置在中面层。 有利于路面抵抗永久变形的能力。 综合考虑路面结构力学性能和降低工程造价, 增大中面层厚度对压应力影响基本很小,能够 确定将高模量层位设置在中面层。 减小路面结构内剪应力。且随着中面层厚度增大, 第4期 董 强,等:基于抗车辙功能的高模量沥青混凝土应用研究 33 剪应力最大值所在位置由中面层上移至上中面层交 界处;增大中面层厚度对上面层剪应变和压应变几 高模量层厚度取5—8 cm较合理。高模量沥青混凝 土应用到路面结构中,与相同结构层厚度的普通沥 青混凝土相比显著改善路面结构的力学性能,因此 可以相应减小面层厚度和路面工程造价。表3对比 分析设置高模量沥青混凝土后与普通沥青混凝土总 厚度为15 era(4+5+6)的应力应变状态。 乎没有影响,但中、下面层剪应变和压应变有很大程 度减小。当中面层厚度大于8 cm,整个路面结构内 最大剪应变转至上面层;高模量层厚的增大有利于 提高路面抵抗永久变形能力,考虑工程经济性要求, 表3几种结构组合的比较 Table 3 Comparison Results by Several Structure Combinations 结果表明:HMAC用于路面结构中,在达到同样 效果的条件下,厚度可适当减薄;对比各种结构组 合,总厚度为14 cm组合4+5十5结构和总厚度为 13 cm组合3+5+5结构比较好。 1.4衡量高模量沥青混凝土路面车辙的关键指标 在路面设计时必须计算一定荷载作用下路面结 构中所产生的最大剪应力.r 是否小于或等于容许 剪应力7- ,即式(2): .rm≤下R=JrD/Ko (2) 对于掺加外加剂的高模量沥青混凝土,其抗剪 强度必然比普通沥青混凝土要高,所以在前述分析 中,尽管采用高模量沥青混凝土后路面结构内剪应 力略有增加,但其抗剪强度也增加,甚至比其剪应力 增加得更快。 b.车辙深度指标。 根据我国沥青路面使用特点和车辙形成规律, 本项目提出将剪应力指标作为沥青路面车辙的设计 指标,将车辙深度作为沥青路面车辙的验算指标。 a.剪应力指标。 车辙变形主要是路面剪切变形的结果。为控制 沥青路面永久变形,宜在现行路面设计方法中增加 新的设计指标——剪应力.r ,并初步建立抗剪强度 设计标准。在路面设计中增加剪应力指标可以起到 如下作用:剪应力设计指标是结构设计、路面材料设 ①容许车辙量的确定。 本项目在已有研究成果基础上提出的容许车辙 深度[RD] 建议值如表4所示,并将其作为车辙深 度的验算标准。 表4容许车辙建议值 Table 4 Allowable Rut Recommendations 计的纽带,从一定程度上说,剪应力指标能够实现结 构设计与材料设计目标的统一;采用剪应力设计指 标能够在路面设计阶段时即可考虑到车辙损坏,从 而防止或者预防车辙损坏出现。新的设计指标剪应 力, 可根据道路结构实际情况进行数值分析计算, 由于沥青各面层采用材料不同,其抗剪强度也不同, 各层产生的最大剪应力也不同。本研究已分别给出 各面层最大剪应力r 计算公式,在此可以应用。 ②车辙深度在高模量层设计中的应用。 确定好沥青路面容许车辙深度[RD] 后,可以 预估路面结构在设计使用寿命期内的永久变形量 路面中容许剪应力.r 是根据沥青混合料抗剪 强度r。来确定的,利用试验测定出沥青混合料抗剪 强度,然后除以路面结构安全系数K就得到容许剪 应力rR,即式(1): .rR= 。/K。 (1) RD。RD应小于或等于路面容许许车辙深度 [RD] ,即式(3): RD≤[RD]R。 (3) 如果车辙深度小于允许值,则结构合理;否则应 重新调整路面结构层厚度或变更路面结构组合。 公路工程 37卷 1.5基于抗车辙功能的HMAC设计指标及结构组 面设计方法及相关经验,考虑不同交通量分级等因 合设计研究 素,结合沥青路面车辙形成特点和工程实践,本项目 通过对路面车辙数值模拟分析,参考国内外路 在国内率先推荐HMAC沥青路面典型结构见表5。 表5 高模量沥青路面合理结构 Table 5 Reasonable Structure of HMAC 2 应用方案 上面层:4 cm细粒式沥青混凝土(AC一13); 下面层:5 cm中粒式高模量沥青混凝土 2.1试验路简况 (HMAC一16); G211陕西省咸阳市旬邑县过境公路是旬邑县 基层:20 cm石灰粉煤灰稳定碎石; 城通往G70福银高速公路和彬县县城的便捷通道, 底基层:30 cm石灰粉煤灰土。 近年来由于交通量增大,加之运煤及苹果运输等重 2.2生产配合比设计 载、超载车辆增多,使得路面车辙现象严重,公路服 按照冷料进料比例和确定的混合料生产速度确 务能力大大下降,迫切需要改造。课题组于2008年 定冷料上料转速和转速比,并严格按照实际生产的 10月在该路段铺筑了1 km高模量沥青混凝土 矿料加热温度上料,然后从热料仓逐仓取料并筛分, (HMAC)试验路,其下面层采用掺加0.4%剂量PR 最后确定生产配合比。热料仓筛分结果和确定的最 PLASTS的高模量沥青混凝土HMAC一16,其余结构 终生产配合比见表6所示。 层同生产路段。路面总厚度59 cm,结构为: 表6热料仓筛分结果和生产配合比调整 Table 6 Results of Hot Aggregate Container Screening and Proportion Adjustment 2.3试验路铺筑与HMAC施工工艺研究 成每袋5 kg,袋装添加剂搬运至拌和锅投放口旁备 a.施工设备要求。 用;投放须注意时间控制,热料仓开始进料后才可以 施工设备数量和功能要求如表7所示,以保证 投放改性剂,投放速度应快,不得漏投,亦不得过早 沥青混凝料成功顺利铺筑。 或过晚;干拌时间为10 s,湿拌50 s;改性剂投放人 b.施工过程。 员应注意防护,佩戴防尘口罩。 ①混合料的拌和。由试拌知,矿料与添加剂的 ②HMAC混合料的运输、摊铺和碾压工艺严格 干拌时间为10 s,湿拌时间为50 s,拌和时间共 按照相应规范执行。表8为施工过程中的温度控制 60 s。 要求,图1~图4为HMAC混合料碾压前后的效果 添加改性剂注意事项:干投前,先将改性剂分装 对比。 36 公路工程 37卷 的使用性能,有效提高行车舒适性,同时也可保障行 [4] 李晓明,刘元烈。石飞荣,等.高速公路半刚性基层沥青路面养 车安全性。 护检测与养护维修技术研究[J].公路交通科技,2003,10 ⑥经过两年多的行车考验和检测观测,路面使 (5):49—73. [5] 满新耀,李晓明.沥青路面预防性养护技术分析[J].公路与汽 用状况良好,尤其是随着近年来交通量及重载车辆 运,2008,7(4):112—114. 的增加,路面无明显车辙出现,达到了有效减少路面 [6] 郭红兵,陈拴发.沥青路面热一荷载耦合应力数值分析[J].长 结构车辙损害、大大延长路面使用寿命、保证路面服 安大学学报(自然科学版),2010,30(2):15—19. 务性能的目的。 [7] 沈金安.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治措施[M].北 京,人民交通出版社,2004.10. [8] 张登良.沥青路面工程手册[M].北京:人民交通出版,2003. [参考文献] [9] 沙爱民.高模量沥青混凝士路面应用研究[R].长安大学, 陕西省交通运输科技项目(06—02k).基于抗车辙功能的沥 2008. 青混凝土高模量化研究[D],2009.11. i[1O] 车法,陈拴发,马庆雷,等.重载路面车辙评价物元模型构 [2] 陈华鑫,陈拴发,王秉纲.细集料对沥青混合料体积和高温特 建及应用[J].广西大学学版(自然科学版),2010,35(4): 性的影响[J].武汉理工大学学报,2010,1(32):25—28. 633—643. [3] 祝飞,张萌.高模量沥青混合料在南非推广应用分析[J]. 公路工程,2009,34(6):94—98. (上接第9页) 本文运用ABAQUS有限元分析了MHB作用下 破坏条件和本文的研究成果,建议旧水泥路面使用 的基层拉应力、路基剪应力和盖板涵的安全深度,并 MHB进行碎石化应满足以下条件: 结合国内外已有研究成果,得出了多锤头破碎机在 ①路面破坏达到一定程度,如水泥混凝土路面 旧水泥路面改建中的适用条件,这对MHB在实际 断板率超过25%;水泥混凝土路面有大量接缝破 施工中的应用具有指导意义。 坏,如错台、翻浆和角隅破坏,以至于超过20%的接 缝需要修补。只有满足这些条件MHB才可使用。 [参考文献] ②使用MHB前应对原水泥混凝土路面状况进 王松根.旧水泥混凝土路面碎石化技术应用指南[M].北京: 行调查,当路面状况不宜使用MHB时 ,严禁使用 人民交通出版社。2007:12—13. MHB。 高昌,童申家.MHB碎石化施工技术研究[J].公路工程, 2010,35(3):110—111. ③使用MHB前需对基层抗拉强度进行测量, 胡昌斌,阙云.锤击碾压改建水泥混凝土路面时基层的受力 要保证其抗拉强度超过拉应力。当拉应力超过其抗 特性研究[J].福州大学学报:自然科学版,2009,37(5):743 拉强度时。多锤头破碎机不可直接使用。 —747. ④使用MHB前需对路基抗剪强度进行测量, 胡昌斌,林欣.不同T况下锤击破碎旧路面板的力学效果对 要保证抗剪强度超过剪应力。当剪应力超过抗剪强 比研究[J].福州大学学报:自然科学版,2008,36(3):444— 448. 度时,多锤头破碎机便不可直接使用。 张玉宏.水泥混凝土路面碎石化综合技术研究[D].南京:东 ⑤使用MHB前应对原路面下的盖板涵进行调 南大学.2006. 查,并对盖板涵的安全深度进行计算,保证MHB作 孔 军.土力学与地基基础[M].北京:中国电力m版社, 用下盖板涵不会发生破坏。 2005:88—93. 胡昌斌,孙晓亮.锤击压实破碎旧水泥混凝土路面施下对盖板 6 结语 涵影响的研究[J].公路下程,2007,6(2):J2一J6.
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