浅析沥青路面的使用性能与耐久性.doc

2010届毕业设计（论文）

题目： 浅析沥青路面的使用性能与耐久性

专 业： 交通土建
助学站点：湖南高速铁路职院
考 籍 号：
姓 名：　
指导教师： 贺常元

2012 年 4 月

附件（封首）：

提高沥青路面使用性能和耐久性的主要因素

学 生 姓 名： 彭晔清
考 籍 号： 911010200350
站 点：湖南高速铁路职院
指 导 教 师： 贺常元
完 成 日 期： 2012年 4月

目 录

摘要…………………………………………………………………………………………4
关键词………………………………………………………………………………………4
引言………………………………………………………………………………………4
一、问题的提出……………………………………………………………………4
二、国内外研究现状 ………………………………………………………………………5
（一）国外研究现状 ………………………………………………………………………5
（二）国内研究现状 ………………………………………………………………………4
（三）主要研究内容 ………………………………………………………………………6
三、沥青路面耐久性影响的因素 …………………………………………………………6
（一）影响沥青路面耐久性的内部因素 …………………………………………………9
（二）影响沥青路面耐久性的外部因素 …………………………………………………9
四、沥青路面耐久性能改善措施 …………………………………………………………11
（一）沥青混合料的改性 …………………………………………………………………11
（二）优化混合料的配合比设计…………………………………………………………12
（三）其他工艺…………………………………………………………………………13
五、结束语………………………………………………………………………………… 14
参考文献…………………………………………………………………………………14
致谢………………………………………………………………………………………15

提高沥青路面使用性能和耐久性的主要因素
交通土建（专升本） 彭晔清

摘 要
沥青路面使用性能与耐久性受多方面因素的影响，本文对影响路面使用性能与耐久性的相关因素进行归类与分析。重点从沥青混合料类型、沥青混合料配比设计、沥青路面的结构形式、沥青质量、施工工艺以及实际交通条件等内部因素和外部因素两方面分析，防治沥青路面早期病害的对策，以提高沥青路面使用性能与耐久性，同时针对影响沥青路面耐久性的相关因素列举一些对提高沥青路面使用寿命较为有效的措施，如：对沥青混合料进行改性处理，优化沥青混合料的配合比设计等等。
关键词：路面使用性能 耐久性 疲劳破坏 沥青改性
引 言
沥青路面以其连续性好，行车平稳舒适，开放交通早及维修方便等优点在我国得到广泛应用，但随着交通流量的增大，车辆的大型以及重载、超载等情况的出现，传统的路面已难以重任，许多原路沥青路面建成不久，各种病害也随之而来，同时道路建设投资规模巨大，可用材料和土地数量多，废弃的道路短时间内很难恢复或改变，我国尚不够发达，从节约成本，提高经济效益方面考虑，对沥青路面的设计就尤为重要，而提高沥青路面使用性能与耐久性的研究有着重要意义。
一、问题的提出
在公路的路面结构中，沥青路面以其行车平稳舒适、连续性好、噪音小、抗震性好，开放交通早及维修方便等优点在我国得到广泛应用。虽然我国沥青路面修筑水平取得了长足的提高，但不少公路的沥青路面使用不久就出现了各种早期病害。如：炎热夏季在重载作用下形成推挤、车辙、波浪等永久性变形，在雨季及春融季节形成松散、坑槽麻面、剥落等水损坏，路表抗滑性能迅速下降及局部龟裂等路面病害在一些公路中陆续出现
随着公路建设的发展，交通量及交通荷载的增加，沥青路面在车辆荷载作用下的疲劳破坏也 成为沥青路面的主要破坏形式之一，沥青混合料的疲劳寿命直接影响沥青路面的使用寿命及使用性能，是决定沥青路面工程寿命周期成本的关键因素。
沥青路面应用有抵抗温度、阳光、空气和水等各种因素综合作用的能力，即在这些因素作用下路面使用性能不至于很快恶化，当沥青路面抵抗温度、阳光、空气作的的能力较差时，沥青路面易失去粘性、变脆，在车荷载和其他因素的作用下混合内聚力消失，乃至于沥青与矿料脱离，使路面松散破坏，因此沥青路面抵抗各种人为或天然因素作用的能力，也足影响沥青路面使用寿命的重要方面。
沥青路面的使用寿命取决于沥青混合料的耐久性，沥青混合料的耐久性包括在各种因素互时作用的抗老化性质，混合料的抗水损害能力和汽车荷载及温度变化反复作用下的耐疲劳性能。
二、国内外研究现状
（一）国外研究现状
第一条用沥青铺装的路面约在公元前600年在巴比伦出现，但这种技艺不久失传了，一直到19世纪，人们采用沥青修路，1835年在巴黎首先用沥青铺筑人行道路面，约20年后巴黎出现沥青碾压路，并在全世界获得广泛推广，上海在20世纪20年代开始铺设沥青路面，1949年以后随着中国自产路用沥青材料工业的发展，沥青路面已广泛应用于城市道路和公路干线，成为目前中国铺筑面积最多的一种高级路面。对沥青混合料沥青路面耐久性的研究始于上世纪半个世纪以来，对沥青路面耐久性研究中最要关注，研究投入最多的课题之一。
（二）国内研究现状
国内与国外相比，对沥青混合料改性技术的研究起步较晚。
对半刚性沥青路面而言，基层刚度大，在车辆荷载作用下半刚性材料层是不可压缩的，因此，通过厚的半刚性材料层作用在土基顶面的 压应力很小，不会引起土基的压应变并反应到路表面上，当然其前提条件是基层质量好，所以半刚性路面的抗破损能力主要取决面层结构与材料的合理设计，然而目前我国对沥青路面的抗破损研究的成效不是很大，这主要是因为大量研究主要集中在面层混合料这方面，因为我国现行路面结构设计理论是建立在弹性层状体系理论基础上，以设计弯沉值为路面整体刚性的设计指标，利用疲劳破坏的模式设计结构层厚度，对沥青混凝土面层和整体性材料的基层，底基层应进行底层拉应力验算，针对我国半刚性沥青路面出现的这些问题并对比国外高速公路路面结构和实际使用情况，应从路面受力特点、路面结构等深层次思考如何从路面设计来认识和解决破损问题，在结构分析和设计的基础上，配合合理的混合料配合比设计，才是合理解决路面破损的必经之路。
（三）主要研究内容
1、内容随着经济交通运输的的快速发展，车辆大型化、重载超载、交通流通量及渠化交通等逐渐成为现代交通的必然超势，许多公路沥青路面建成不久，各种病害随之面来传统路面已难堪重任，开裂、车辙、坑槽及温缩等早期破坏情况也时有发生，沥青路面的耐久性直接影响沥青路面的使用寿命及使用性能，是决定沥青路面工程寿命周期成本的关键因素，下面主要从影响沥青结构耐久性的内部及外部分两方面因素进行分析。
2、技术路线
对这一课题的研究主要通过查阅资料，调研以及试验等手段对沥青路面结构的耐久性进行研究，分析沥青路面结构设计、材料、混合料配合比以及施工过程对路面结构耐久性能的影响。
三、沥青路面耐久性影响的因素
（一）影响沥青路面耐久性的内部因素
材料是影响路面使用性能的重要因素，沥青路面是由沥青混合料铺筑而成的，而沥青混合料是由沥青、集料和矿粉以及其他外加剂按一定比例组成的，材料质量不理想达不到要求，沥青混合料的质量也不可能达到要求，沥青混合粉的性能、骨料的质量与结合料粘结效果都对混合料的性质产生极大的影响。
1、沥青质量
沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物，呈液态、半固态成固态，是一种防水防潮和防腐的有机胶凝材料，沥青质量的优劣直接影响着沥青的使用性能，随着国民经济和交通运输的快速发展、交通大流量、车辆大型化、重载超载及渠化交通与逐级成为现代交通的必然超势，全球气候持续变暖，公路使用条件变得日益苛刻，一般沥青材料的品质已不能满足更重交通的沥青路面结构的需要，从大量路面结构损坏原因的调查分析看，路面沥青品质不良是其主要原因之一，路用沥青要求做到夏天不软化，冬天不发脆，能抵抗水、冰、盐类的侵蚀和行车的破坏作用，大多数沥青道路往往路面表层结构远小于使用寿命的年限内便出现损坏，其原因由于国内石油品质及沥青炼制工艺流程的特点，含蜡量度、延度小，温度敏感性强，沥青粘度低，劲度低，抗车辙能力弱，沥青含蜡量高，会出现横向裂缝，温度敏感性高的沥青路面开裂。
2、矿料质量
在考虑材料对沥青混合料的影响时，往往比较重视对沥青的影响，而对集料的影响都重视的不够，而矿料质量的好坏是沥青路面早期破损的重要因素，要研究沥青混合料的性能，矿料质量差必然结果是混合料的质量也差，故必要条件是保证集料的质量，并结合考虑对矿料级配的控制。
集料质量差是目前公路建设中特别严重的问题，突出的表现是粉尘多、材料脏级配不规格及针片状颗粒含量高等，经常不能达到规范要求，使用质量差的集料，导致实际级配和级配比设计很大的差距离析严重，路面容易出现早期病害，故集料要符合下面要求：一是尽量采用粒径较大，接近立方形，有尖锐棱角和粒糙表面的碎石且碎石含量较多的矿料，以加大沥青合料的内摩阻力，增强矿料颗粒间的嵌锁作用，阻止颗粒间的相互移动，从而提高沥青混合料的抗变形能力。二是尽量使用人工砂，控制圆形颗粒天然砂的使用量，石屑的质量必须符合要求，减少含泥量，人工砂具有尖锐棱角，粗糙表面和良好的级配，能增加内摩阻力，减少车辙，尽管人工砂有可能是酸性石料，但含粉量少，与天然砂相比仍具有独特的优势。三是一定量的矿粉可减少起润滑作用的游离沥青，减少沥青膜的厚度，调整矿料的级配，尤其是满足0.075mm筛孔的良好级配可改善沥青混凝土剥落能力，增强沥青胶砂的强度，但矿料也具有增强混合粉的比表面积，增加沥青用量，减少表面构造深度，减少摩擦系数等缺点，沥青混合粉的稳定性偏低，沥青路面早期的剥落这一现象与碎石的压碎值、磨艳值不符合规范要求有较大联，故实际生产中应控制好矿粉与沥青的用量。
3、混合料的配合比
沥青混合料配合比设计结果对路面性能、材料用量及工程造价有很大影响，是一项非常重要的技术工作，混合料配合比设计主要是考虑两方面内容：一是稳定性，二是耐久性，目前高级公路的沥青混合料组成的设计通常以马歇尔试验作为主要测试手段并通过车辙试验对抗车辙能力进行辅助试验，由此来决定矿料级配和沥青用量，以确保混合料有良好的性质，我国技术规范规定高速公路，一级公路的热拌沥青混合料配合比设计，应为分目标配合比设计阶段、生产配合比设计阶段、生产配合比验证阶段（试拌试铺阶段），室内配合比必须根据材料变异情况，施工控制精度及拌和设备性能进行试拌后，做进一步的调整，使得拌和设备生产出的混合料指标达到规范要求，这样才能作为最终配合比使用。这样设计出的生产配合比才更为合理且更有依据可言，优良的沥青混合料配合比设计必须严格控制各个环节，才能得出可靠的配合比。
4、施工质量
（1）严把原材料质量关
材料是工程结构的物质基础，原材料质量的严格控制对保证沥青路面工程质量起着尤为重要的作用，应根据设计要选定沥青品种，并对沥青延度、针入度、软化度等三大指标进行检测，购进材料时要求厂家示厂报告单，并提交试验室进行抽样检查，符合要求方可进场，使用期间严格按照规范要求的频率，进行随机抽样检查，加热过程中应当做好温度的控制，沥青加热温度根据沥青标号不同而有所不同，当遇到沥青需保温时，要及时打开沥青循环泵，使加热温度保持一致，防止沥青老化。
沥青路面的结构使用材料，为多种矿料掺配而成，在掺配之前，要根据结构层的类型，选择集料的规格，良好的集料要求具有耐磨耗性、足够的强度、无杂质、无风化、集料规格比较稳定，变异性小等性能。保证原材料的合格性在基础上把好关，从而提度沥青路面的使用性能。
（2）做施工准备阶段的控制
在进行路面施工时，首先要审查施工组织计划，内容包括组织管理机构、拌和厂布置、施工质量管理体系、施工机械组织材料供应、施工进度计划、施工顺序和作业程序、环保对策、安全措施、工程保险、质量检测机构组成，仪器设备及试验评定办法等，同时要检查压路机、粒料拌和机、厂拌及路拌拌和机、自卸汽车、摊铺机、洒水车、沥青混合料拌和设备、装载机等施工机械是否已按要求进场。
基层的好坏会直接影响到沥青路面的质量，因沥青路面的下面层为基层，所以要做好路面基层的质量控制，因此要求基层应当具有足够的强度，表面平整、落实、良好的稳定性、拱度等与面层保持一致，高程符合要求。
施工过程中要把好各道序质量关，严格按施工规范要求施工，应不得在雨天施工，当施工中遇雨时，应停止施工，雨季施工时必须切实做好路面排水。
根据沥青路面各种施工机械相匹配的原则，通过试验段的铺筑可确定以下各项：沥青路面的松铺系数及按缝方法等，摊铺机的摊铺速度，摊铺温度、宽度、自动找平方式等操作工艺，压路机的碾压温度，压实顺序，碾压遍数及碾压速度等压实工艺，同时注意控制沥青路面的横缝应与路中线垂直，铺筑接缝时，可在已压实的部分上面铺设一些热混合料使之预热软化，以加强新旧混合料的粘结。但在开始碾压前应将预热用的混合料铲除，斜接缝的搭按长度与厚度有关，宜为0.4—0.8m搭接处应清扫干净并洒粘层沥青，斜接缝应充分压实并搭接平整，平接缝应做到紧密粘结，充分压实、连接平顺。接缝处应清扫干净，切齐，边缘涂粘层沥青，并在其压实后用热烙铁熨平，再在缝口涂粘层沥青，撒石粉封口，以防渗水。验证沥青混合料配合比设计结果，提出生产用矿料配合比和沥青用量。
5、设计质量
高等级路面设计应考虑周到，如设计深度不足，照搬标准、抄项目、理论与实际脱节严重，对于车流量的增加没有远见，还没有到达设计年限路面已经严重破坏等所以设计提前做好准备，考虑要全面，充分发挥沥青路面原有的备耐久性能。
（二）影响沥青路面耐久性的外部因素
1、温度变化
（1）高温影响
高温对沥青耐久性的影响是由于热能加速沥青分子的运动，施工加热引起沥青中轻质的油分挥发外，还能促进沥青化学反应的加速，导致沥青技术性能降低及沥青质量严重劣化，温度的升降与沥青混合料的抗变形能力和强度成反比，温度升高时沥青的粘滞度降低，矿料之间的粘洁力削弱，导致强度降低。在车辆的重复荷载作用下，在停车地点和行车高速的路段上路面发生累积变形，并且受到很大的水平作用力，大体上与垂直应力相当。若沥青混合料的高温稳定性不高，路面会产生较大的剪切变形，这就导致路面的破坏。
严格控制沥青用量，适当提高沥青材料的粘稠度，控制沥青与具有活性的矿粉的比值，以改善沥青与矿粉的相互作用，在混合料中增加粗集料含量以降低空隙率，使粗集料形成空间骨架结构，分别提高粘结方面内摩阻力方面进行改进，从而提高沥青混合料的高稳定性，使用改性沥青进行混合料的拌和，也可以提高沥青混合料的高温稳定性，取得满意的效果。
（2）低温影响
沥青路面程度随温度而变化的幅度很大，气温急骤降温时，则会在路面结构上产生温度梯度，当遇降温则路面面层收缩，面层会产生拉应力。面层开裂的原因为此时的沥青混凝土强度小于拉应力。沥青路面损坏开始始于路面裂缝的出现，随着低温循环的影响，裂缝会进一步扩展随后雨水由裂缝渗入路面结构，逐渐导致路面工作状况恶化，则最终导致路面的使用性能受较大的影响。
适当增加面层的厚度可以减少部分裂缝的出现，使用对温度敏感性低，稠度较低的沥青，也可以减少部分裂缝的出现，但均不能根治路面裂缝这种病害。
2、疲劳破坏
疲劳性能是指沥青混合料在反复荷载作用下抵抗破坏的能力，从疲劳的观点看，沥青混合料的劲度模量是一个重要的材料特性
根据沥青混凝土路面在重复荷载作用下产生疲劳破坏其原因为：一是施加的荷载超过了结构设计标准；二是实际交通量超过了设计通量；三是各结构层承载能力的降低；四是环境因素引起的附加应力；一般采用“劲度”作为沥青混合料的疲劳性指标。
3、水损害
沥青材料由不同分子量的碳氧化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物呈液态、半固态或因态，是一种防水防潮和防腐的有机胶凝材料，由于其本身的技术特性很复杂，因此是水性与其许多技术特性有关，此外沥青路面的透与性沥青混合料的空隙率也有较密切的关联，从耐久性的角度出发，空隙率越大的混合料其耐久性较差。
为减轻沥青老化，提高沥青路面耐久性，增加沥青与集料的粘附性，这就要求提高基层和土层的水稳性，并要求尽量减少沥青混合料的空隙率。
4、沥青老化
石油沥青是由油分、树脂、沥青质组成，在沥青路面施工及使用过程中，由于沥青轻组分的挥发，在空气中的氧、光和热的综合作用下，随着时间的推移，沥青组分发生变化其油分与树脂渐渐失去，其流动性减弱，粘度增强，硬度增大，具有一定的脆性，导致路面沥青性质发生变化，即老化在沥青使用过程，氧、热、时间是影响沥青质量的三大重要因素，其中影响沥青老化程度的关键是时间的长短，引起沥青老化变质的主要原因是氧的存在，促进沥青老化的主要外布条件则是热，另外水、紫外线也是引起沥青老化的重要因素，老化后的沥青会使其低温性能降低及损失，铺筑路面后可导致沥青路面出现严重龟裂。对石油沥青加入橡胶、树脂、矿物质填充料，树脂与橡像胶合成体来改善其性能，使其抗老化能力增强。
四、沥青路面耐久性能改善措施
（一）沥青混合料的改性
通过化学或物理方面可以对沥青混合料进行改性处理，使用外掺剂进行化学改性处理，使用塑料的格栅，土工布等加强路面结构力学性能的物理改性处理。
1、物理改性
土工合成材料是以人工合成的聚合物为原料制成各种类型产品，主要减少或延缓反射裂缝的数量，减少沥青路面的车辙，在半刚性基层沥青面中还可以提高基层的疲劳寿命。应用于加强沥青路面的土工合成材料主要是有平面网状材料，包括塑料格珊、玻璃纤维格栅和土工织物，利用玻璃纤网的抗拉强度和抚拉模量阻止裂缝向路面延伸，土工织物抗拉强度一般较小，是主要起隔离作用。
玻纤网和塑料格栅常用于减少沥青路面车辙，沥青混凝土集料能穿过格栅的网状结构形成一个复合的力字嵌锁体系，这种嵌锁限制阻碍了集料的运动、位移，沥青混合料可以得到更好的压实，并能提高承载能力，传荷能力，减少变形，将格栅应用在路面结构工程不仅可使疲劳裂缝发生时间推迟1—9倍，还可有效减少50% 的车辙，有效地防治反射裂缝。
2、化学改性
通过化学反应改变聚合物的物理、化学性质的方法称之为化学改性，在沥青材料中掺加分子聚合物、树脂、橡胶、磨细的橡胶粉或其他填料等外掺剂，或采取对沥青轻度氧化加工等措施，使沥青或沥青混合料的性能得到改善制成的沥青混合料
目前研究最多并应用最广的措施则是在沥青材料中添加聚合物改性外掺剂混合料的力学性能。沥青混合料中掺聚合物改性剂将使沥青稠度性大大提高，从而沥青混合物获得较高的抗流动变形能力，以温度稳定性的改善为主要目标。同时获得高粘结力和较长的耐久性，针对沥青的光氧化老化和热氧化老化机理，一般使用抗氧化剂、淬灭剂和光屏蔽剂对混合物进行改性。目前改善沥青与石料的吸咐效应，通过石料酸碱度确定使用的抗剥剂，添加沥青极性组分，从而提高它们之间的粘结力。
（二）优化混合料的配合比设计
通过研究集料骨架的形成规律，以及骨架形成条件下细的填充特性，探亲索级配骨架密实状态下的评价方法，根据《公路沥青路面技术规范》，提出合理的优化级配和油石比范围，进行配合比设计和检验工程验证，设计一个施工可行，成本可控，基本路用性能兼顾的沥青混合料配合比。
沥青玛蹄脂混合料是由高含量粗集料，高含量矿粉，较大沥青用量，低含量中间粒径往颗粒组成的骨架密实结构型沥青混合料，在混合料中添加纤维稳定剂，沥青混合料粘度也有所提高，摊铺和压实效果均较好，由于沥青玛蹄脂碎石混合料为间断级配，故沥青道路在路面表面形成大孔隙，构造深度大，抗滑性能好，混合料的耐久性及耐老化性能都很好，从而全面提高了沥青混合料的路面性能。
（三）其他工艺
1、热沥青处理法
掺有机容剂小修施工越来越多地采用热沥青处理法，在粘层沥青浇洒前，掺入适量较小的溶剂，能很好地润湿旧沥青路面，减少细微裂缝和表面不平整度。
2、掺入水溶性微剂
为处理潮湿维修面，采用水溶性微量剂作为粘结剂的方法，有：脉醛树脂、三聚氨甲胺甲醛树脂、三聚氨胺脉醛树脂和酚醛树脂等。
3、冷再生法
分为现场冷再生和厂拌冷再生
现场冷在生是用大动率路面铣刨拌和机将路面混合料在原路面上就地铣刨，翻控、破碎、再加入稳剂，水泥、水和骨料同时就地拌和，用路拌机原地拌和，最后碾压成型，这种方法充分利用旧料 ，提高路面耐久性、多用于乡村道路的翻修。
厂拌冷再生是在常温下在拌合场将回收的沥青路面材料和再生剂相混合进行，再生后作为基层或中下面层混合料的一种技术。
4、热再生法
分为现场热再生和厂拌热再生
现场热再生是一种就地修复破损路面的过程，通过加热软化路面，铲起路面废料再和沥青粘合剂混合，有时还可以添加一些新的骨料。
厂拌热再生能节约资源，降低费用，改善路面结构根据原路面再生料的沥青含量，沥青老化程序、集配、含水率等参数进行化验，从而选择合适的再生剂，或者设计合适的再生工艺保证再生沥青混合料的质量。
5、沥青道路基层封闭快速施工
用无机结合料稳定土铺筑的能结成板体并具有一定抗弯强度的基层为半性性基层，有水泥稳定粒料基层和二灰碎石基层。
随着我国公路建设速度的不断加快，沥青混凝土路面成为主流，而沥青混凝土面层的刚度小，荷载分布能力弱，需设基层作为半刚性沥青路的主要承重层，因此基层施工控制尤为重要。半刚性基层具有一定的强度、刚度和整体性，并且有较好的水稳定性和抗冻性。作为一种新兴的基层结构，其施工质量的控制应得到足够的重视。
结 束 语
近几年来，看到90年代以后陆续建成的各级公路目前已进入大、中修期，公路大量挖控，铣刨，沥青混合料被废弃，造成环境污染，也造成资源浪费，而且大量使用石料导致植被减少，水土流失，所以对于提高沥青路面的使用性能和耐久性分析尤为重要。
提高沥青路面使用性能和耐久性不能只停留在设计和分析阶段，应落实到实践活动，特别注意在沥青路面施工中严格控制温度、面层厚度、摊铺质量，并按规范要求进行碾压，待沥青路面自然冷却，表面温度低于50℃方可开放交通，并注意对其保养，提高沥青路面的使用性能和耐久性。
参考文献
1、马伟，《谈提高沥青路面耐久性的措施【J】》，中国科技博览 2011.4
2、张春光，《沥青路面耐久性影响因素及改善措施【J】》，石油沥青，2007.04
3、杨晓亮，《浅谈改善沥青路面使用性能技术措施【J】》，黑龙江科技信息 2009.03

致 谢
本论文是在贺常元教授的指导下完成的，在此予以衷心的感谢。从课题的选择到最终完成，贺常元教授都始终给予我细心的指导和不懈的支持。不仅在学业上给我以精心指导，在此我谨向贺常元教授致以诚挚的谢意和崇高的敬意。通过毕业论文的准备，使我对两年的自学考试有了一个全面的综合能力和水平得到明显的提高，感谢所有帮助过我的人。由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。