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浅谈极限超薄沥青路面应用

发布日期:2019-06-26 15:37 信息来源:河北交通报 访问量:? 字体 :[ 大 ][ 中 ][ 小 ]

1、“极限超薄沥青路面”概念

超薄沥青混凝土面层的概念起源于20世纪70年代后期的法国,厚度为14mm—40mm,其用途是铺筑沥青面层的表面层,或用于旧沥青路面表面抗滑性能的恢复。

沙庆林院士提出的“超薄沥青路面”的概念是厚度小于70mm。这里所讲的“极限超薄沥青路面”是厚度完全由沥青面层的功能要求所决定,在沥青面层满足各项功能要求时,厚度减到极限薄,各等级公路(包括高速公路)沥青层厚度一般均不大于60mm。

2、各项功能对厚度的要求

沥青层的各项功能所需最小厚度

(1)改善行车条件,提供舒适的柔性路面,所需最小厚度为3mm;

(2)防水,所需最小厚度为3mm;

(3)保护基层,提供耐冲击(抗冲击韧性好)、耐磨层的表面,所需最小厚度为10mm;

(4)提高平整度,二级公路所需最小厚度10mm--30mm,一级公路、高速公路所需最小厚度40mm—60mm,城市道路、机场跑道和其他路面所需最小厚度3mm—60mm;农村公路所需最小厚度3mm。

(5)纹理深度或横向力系数或摩擦系数

二级公路所需最小厚度10mm—30mm,一级公路、高速公路所需最小厚度40mmSMA或40mm—60mm沥青混凝土,城市道路、机场跑道和其他路面所需最小厚度3mm—60mm;

3、推荐厚度

一级公路、高速公路:40mm—60mmSMA二、三级公路:30mm—40mmAC13-F沥青混凝土。

三级以下公路:10mm微表处、5mm稀浆封层或碎石封层。

4、“ 限流效应”

汽车轮胎对路面垂直向下的压力,在路面内部产生泊松效应,产生一个水平应力F,这个水平应力F使路面材料产生水平位移,有一部分位移卸载后不能恢复,我们把这种塑性变形叫做水平流变。

在沥青层的表面,路面在上述水平应力F的作用下产生水平位移的趋势时,汽车轮胎对路面就会产生摩擦力,这个摩擦力限制了水平流变。理论分析表明,沥青混凝土的泊松比为0.25—0.5,汽车轮胎与沥青路面的摩擦系数大于0.5,即泊松比小于静摩擦系数时,这个摩擦力完全可以抵消水平应力F因此表面不会产生水平流变。

在沥青层的底面,沥青面层与基层粘结时,粘结力同样可以抵消底面的水平应力F,底面也不会产生水平流变。

轮胎的摩擦力和基层的粘结力限制路面材料水平流变的作用就叫“限流效应”。

限流效应都是以剪力的形式提供的,剪应力进入到沥青路面内部随深度增加衰减较快,并且温度越高,弹性模量越低,衰减越快;而泊松效应产生的水平压应力是由竖向应力产生的,随竖向压应力的变化而变化,进入到沥青路面内部随深度增加衰减较慢,并且温度越高,弹性模量越低,衰减越慢。

因此,沥青面层的厚度越薄,越能发挥限流效应的作用。

5、经典理论的缺陷

目前,现有经典理论中有关沥青路面车辙或水平能力的分析都是使用有限元方法计算。在有限元计算中把汽车轮胎与路面的接触条件假定为固结,应变等于零,由此计算进入路面内部以后不同深度的位移,然后反算应力。这样计算与实际情况不符,没有按照剪应力分布规律进行计算,不能反映路面的实际受力状态。路表面水平应变为零,是因为汽车轮胎对路面产生了摩擦力,抵消了由泊松效应产生的水平力。这个摩擦力是水平剪力。尽管这个剪应力是反作用力,但它对沥青路面内部的水平应力也有影响,并且它的影响符合剪应力的分布规律。这个规律具有独特性,衰减很快,并且温度越高,弹性模量越低,衰减越快。

6、其他力学分析

沥青路面内部产生的应力,除了温度应力以外,其他都是由汽车轮胎作用产生的。

(1)温度应力

基层不会因为温度应力而破坏;沥青混凝土是不良导体,沥青面层越厚,温度梯度越大,温度应力也越大,所以增加沥青面层的厚度对其温度应力是不利的。

汽车轮胎的作用在沥青路面内部产生的内力除了前面所述的泊松效应和限流效应外还有:压应力、刹车时的剪应力、较大纵坡上重力在路面坡度方向的分力、汽车轮胎对路面弯沉盆前沿的推力、层底的弯拉应力、竖向剪应力等。

(2)压应力

沥青混凝土的抗压强度都在2MPa以上,超载超限车轮胎对路面的接触压力超不过1.1MPa,所以,压力不会造成路面破坏。而且,轮胎对路面的压力在路表面最大,增加沥青面层的厚度对抵抗压力没有帮助。

半刚性基层的抗压强度远大于沥青混凝土,所以半刚性基层不会因为沥青面层太薄而被压坏。

(3)摩擦力

沥青路面的摩擦力约为0.55MPa。有文献报道,采用能量法简化计算出,层间最大剪应力可达约0.80MPa。一般沥青混凝土的抗剪强度都在1.5MPa以上。此项剪力不会造成路面破坏。

7、沥青路面内力性质分析

(1)轮胎对弯沉盆前沿的推力。这一水平力的大小与路表弯沉值有关,具体数值不好估算,也没有见过有文献介绍,一般认为超不过0.15MPa。而且它是与前两项水平力(泊松效应水平力和摩擦力)共同作用的。在沥青面层与基层结合不好时,这三个水平力共同作用使得沥青面层产生推移病害。此项剪力的最大值在路面表面上,增加沥青路面厚度对降低此剪力没有帮助。

在路面表面上,摩擦力和轮胎推力相加超不过0.7MPa。剪应力沿路面深度衰减较快,如上所述,路面表面最大剪应力超不过0.7MPa时,厚度为3 cm的沥青面层层底最大剪应力0.6MPa,有资料介绍,紧急制动时,路表下2cm—3cm处的剪应力最大达到约0.4MPa。使用70#或90#沥青作为沥青面层与基层之间的粘结油,粘结强度可达1.0MPa;半刚性基层的抗剪强度大于沥青混凝土,所以上述剪力不会造成沥青路面推移,也不会造成基层剪切破坏。

(2)沥青面层与基层粘结时,整个沥青面层都处在抗弯断面的受压区,不存在弯拉应力。并且,沥青面层越薄,层底出现拉应力的机会越少。

(3)汽车轮胎作用在沥青路面上,轮胎对其下面接触的路表面产生竖直向下的压应力,这个压应力随深度增加向四周扩散,应力扩散靠的是剪应力实现的,在路面表面轮迹边沿竖向剪应力最大。因此,增加厚度对路面抵抗竖向剪应力没有帮助。半刚性基层也不会因为竖向剪力破坏。

由以上限流效应、其他力学分析,再结合沥青路面内力性质分析可以确定:“极限超薄沥青路面”在理论上是正确的。

8、适用条件

“极限超薄沥青路面”适用条件没有特殊的要求,只是厚度减薄的部分原来还有应力扩散的功能,因此将减薄的部分换成半刚性基层即可。

9、注意事项

(1) “极限超薄沥青路面”特别强调与基层的粘结。

研究表明,用90#或70#AH沥青碎石封层做为粘结层即可,用量一般为0.8-1.0Kgm2。严禁使用透层油,因为透层油能够大幅度降低碎石封层的粘结作用。并注意较低气温施工时,碎石封层热沥青中要加煤油增粘。

(2) 极限超薄沥青路面的减震作用远不如较厚的沥青面层,半刚性基层的脆裂病害更为突出,因此必须增加半刚性基层的厚度,增加半刚性基层自身的抗脆裂能力。

10、优越性

(1)能够彻底消除沥青路面的车辙。

(2)能够大幅度降低沥青路面修建成本。

(3)能够消除沥青层的弯拉疲劳裂缝。

(4)能够消除或减少沥青路面的温度裂缝。沥青混凝土是不良导体,厚度大于15cm时容易出现温度裂缝。

11、实验路使用情况

(1) 邢临公路威县大街段,长3Km,宽22m,改建时路面结构为30cm石灰土+18cm二灰碎石+8cm沥青面层。由于该路段6轴超限车特别多,通车后两年,车辙、拥抱特别严重。维修时将旧沥青面层清除后,在旧二灰碎石上直接铺了4cmAC16沥青混凝土,效果非常好。

(2) 邢台市南外环电厂路煤矿沉陷段改建,长800m,宽16m。路面结构为:30cm石灰土+18cm水泥稳定碎石+3cm沥青面层。目前没有病害。

目前,邢台市共修建了大约60万m2的极限超薄沥青路面,使用效果几乎与较厚的沥青面层相同,没有因为沥青层薄而过早破坏。(李军)

(审核专家 王一臣)



责任编辑:孙悦

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