CN104499397B - 一种基于协调路基路面变形的沥青路面结构 - Google Patents

一种基于协调路基路面变形的沥青路面结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于协调路基路面变形的沥青路面结构，该路面结构从上到下依次包括沥青面层，抗疲劳半刚性基层和底基层；所述沥青面层包括表面层，中面层及下面层，所述表面层位于所述沥青路面层的上表面，所述中面层铺设于所述表面层下方，所述下面层铺设于所述中面层下方，所述表面层，中间层及下面层之间分别喷洒有黏层油；所述抗疲劳半刚性基层铺设于所述下面层下方，抗疲劳半刚性基层和下面层之间喷洒有透层油；底基层铺设于路基之上。本发明能有效的缓解路基不均匀变形对路面结构的影响。

Description

一种基于协调路基路面变形的沥青路面结构
技术领域
本发明涉及一种公路沥青路面结构，特别涉及一种适用于协调路基路面变形的抗疲劳沥青公路路面。
背景技术
路基不均匀变形，如软基的固结沉降、黄土的湿陷变形、冻土的冻融循环变形，以及膨胀土的吸湿膨胀、失水干缩变形等严重影响路基结构的稳定性，易使路基发生滑坡、坍塌、溜坍和开裂等病害。同时，路基的不均匀变形导致路面应力的不均匀分布，易使路面产生波浪、波浪、拥包和沉陷，甚至面层和半刚性基层的开裂，混凝土面板的断裂。
长期以来，级配碎石垫层或夹层结构被认为是协调路基路面变形的合适结构，并得到广泛应用，但是级配碎石整体性差，荷载传递能力和承载能力不足，关键是级配碎石置于面层下面易使沥青面层发生疲劳破坏。伴随着全厚式沥青路面的发展，将全厚式路面结构置于级配碎石上这种路面结构在发达国家得到广泛应用，具有良好的适应路基变形和抗疲劳性能，但是这种路面结构具有较厚的沥青面层，造价较高，在欠发达国家推广具有一定的难度。
土工格室为上世纪80年代在国际上出现的一种新型三维土工合成材料，它是一种高分子聚合物宽条带经强力焊接而形成的三维网状结构体，伸缩自如，运输时可缩叠起来，使用时可张开，并在格室中填砂、碎石或粘土材料，构成具有强大侧向和大刚度的柔性结构层。目前土工格室在浅层地基处理和坡面防护得到大量应用，当在路面结构中使用较少。基于土工格室级配碎石既能发挥级配碎石的柔性变形能力，相比级配碎石增加了刚度和整体性，可以用于协调路基路面变形的路面结构中。
伴随着我国公路事业的发展，尤其是高速公路的飞速发展，半刚性材料在路面结构中得到了广泛的应用。半刚性材料具有板体性好，强度和刚度大的优点，尤其适合用于重载交通的路面结构的基层或底基层。但是半刚性材料水稳定性差，并具有干缩开裂和温缩开裂的缺点，对沥青路面结构的疲劳寿命有一定的影响。橡胶沥青因其具有较好的抗车辙、抗疲劳性能在路面结构中得到一定的应用，但橡胶沥青用在半刚性材料中的研究还不多见。
发明内容
技术问题：本发明是针对上述现有技术领域存在的缺失，提供了一种基于协调路基路面变形的新型沥青路面结构，以解决抗疲劳沥青路面的路基出现不均匀沉降时路面结构破坏的问题，达到在设计使用寿命内不发生结构破坏的目的。
发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
一种基于协调路基路面变形的沥青路面结构，该路面结构从上到下依次包括沥青面层，抗疲劳半刚性基层；还包括铺设于路基之上的底基层；
所述沥青面层包括表面层，中面层及下面层，所述表面层位于所述沥青路面层的上表面，所述中面层铺设于所述表面层下方，所述下面层铺设于所述中面层下方，所述表面层，中间层及下面层之间分别喷洒有黏层油；
所述抗疲劳半刚性基层铺设于所述下面层下方，抗疲劳半刚性基层和下面层之间喷洒有透层油；
其中，所述表面层采用开级配排水式磨耗层混合料(OGFC-13)，所述中面层采用美国SHRP研究成果高性能沥青路面混合料(Superpave-20)，所述下面层采用美国SHRP研究成果高性能沥青路面混合料(Superpave-25)；
所述抗疲劳半刚性基层采用乳化橡胶沥青水泥稳定碎石；
底基层采用土工格室级配碎石，所述土工格室级配碎石的最大粒径小于或等于31.5mm，并采用连续级配。
优选的，所述沥青面层的表面层为40mm的开级配排水式磨耗层混合料(OGFC-13)，最大公称粒径为13mm，间断级配；
所述沥青面层的中面层采用60mm的美国SHRP研究成果高性能沥青路面混合料(Superpave-20)，最大公称粒径为20mm；
所述沥青面层的下面层为80mm的美国SHRP研究成果高性能沥青路面混合料(Superpave-25)，最大公称粒径为25mm。
优选的，下面层之下的半刚性抗疲劳层，采用200mm乳化橡胶沥青水泥稳定碎石，其最大公称粒径为31.5mm，材料质量比为水泥：水：沥青：橡胶：碎石＝1:0.85:0.55:0.04:20；
乳化橡胶沥青水泥稳定碎石层基层的碎石级配为：尺寸为31.5mm的方孔筛，碎石通过率为100％，19-31.5mm的碎石用量：9.5-19mm的碎石用量：4.75-9.5mm的碎石用量＝0.85:1.1:0.8，其中粒径小于4.5mm的碎石不超过32％，粒径小于0.075mm的细料不超过5％。
优选的，所述底基层采用300mm厚的土工格室级配碎石；
土工格室为强化的高密度聚乙烯(HDPE)片材料经过焊接而形成的三维网状结构；
碎石级配为：尺寸为31.5mm的方孔筛，碎石通过率为100％，尺寸为19mm的方孔筛，碎石通过率为91.5％，尺寸为9.5mm的方孔筛，碎石通过率为60.2％，尺寸为4.75mm的方孔筛，碎石通过率为34.8％，尺寸为2.36mm的方孔筛，碎石通过率为19.5％，尺寸为0.6mm的方孔筛，碎石通过率为12.9％，尺寸为0.075mm的方孔筛，碎石通过率为3.3％。
有益效果：本发明是一种适用于路基易发生不均匀变形地区(如软土地区、湿陷性黄土地区、冻土地区和膨胀土地区)的路面结构。土工格室级配碎石层具有较好的变形能力，能有效的缓解路基不均匀变形对路面结构的影响。土工格室具有三维增强作用，保证级配碎石具有一定的整体性和刚度，可以缓解普通级配碎石做基层或垫层而造成面层结构疲劳病害。抗疲劳半刚性基层置于面层结构和土工格室级配碎石层之间进一步保证结构的抗疲劳性能。硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥可以保证基层具有较高的刚度和承载能力，乳化橡胶沥青可以保证水泥稳定碎石基层具有一定的柔性，解决水泥稳定碎石基层易于干缩开裂和温缩开裂的问题。本发明的沥青面层设计，在保证路面平整、稳定、耐磨、抗滑的前提下，减少路基不均匀变形对路面基层和面层的影响。
附图说明
以下将结合附图对本发明所述的基于不均匀沉降的抗疲劳沥青路面进行详细说明。
图1为一种基于协调路基路面变形的新型沥青路面结构；
图2为本发明土工格室级配碎石示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
本发明提供的基于协调路基路面变形的沥青路面结构，该路面结构从上到下依次包括沥青面层，抗疲劳半刚性基层；还包括铺设于路基之上的底基层；
所述沥青面层包括表面层，中面层及下面层，所述表面层位于所述沥青路面层的上表面，所述中面层铺设于所述表面层下方，所述下面层铺设于所述中面层下方，所述表面层，中间层及下面层之间分别喷洒有黏层油；
所述抗疲劳半刚性基层铺设于所述下面层下方，抗疲劳半刚性基层和下面层之间喷洒有透层油；
其中，所述表面层采用开级配排水式磨耗层混合料(OGFC-13)，所述中面层采用美国SHRP研究成果高性能沥青路面混合料(Superpave-20)，所述下面层采用(美国SHRP研究成果)高性能沥青路面混合料(Superpave-25)；
所述抗疲劳半刚性基层采用乳化橡胶沥青水泥稳定碎石；
底基层采用土工格室级配碎石，所述土工格室级配碎石的最大粒径小于或等于31.5mm，并采用连续级配。
优选的，所述沥青面层的表面层为40mm的开级配排水式磨耗层混合料(OGFC-13)，最大公称粒径为13mm，间断级配；
所述沥青面层的中面层采用60mm的美国SHRP研究成果高性能沥青路面混合料(Superpave-20)，最大公称粒径为20mm；
所述沥青面层的下面层为80mm的美国SHRP研究成果高性能沥青路面混合料(Superpave-25)，最大公称粒径为25mm。
优选的，下面层之下的半刚性抗疲劳层，采用200mm乳化橡胶沥青水泥稳定碎石，其最大公称粒径为31.5mm，材料质量比为水泥：水：沥青：橡胶：碎石＝1:0.85:0.55:0.04:20；
乳化橡胶沥青水泥稳定碎石层基层的碎石级配为：尺寸为31.5mm的方孔筛，碎石通过率为100％，19-31.5mm的碎石用量：9.5-19mm的碎石用量：4.75-9.5mm的碎石用量＝0.85:1.1:0.8，其中粒径小于4.5mm的碎石不超过32％，粒径小于0.075mm的细料不超过5％。
优选的，所述底基层采用300mm厚的土工格室级配碎石；
土工格室为强化的高密度聚乙烯(HDPE)片材料经过焊接而形成的三维网状结构；
碎石级配为：尺寸为31.5mm的方孔筛，碎石通过率为100％，尺寸为19mm的方孔筛，碎石通过率为91.5％，尺寸为9.5mm的方孔筛，碎石通过率为60.2％，尺寸为4.75mm的方孔筛，碎石通过率为34.8％，尺寸为2.36mm的方孔筛，碎石通过率为19.5％，尺寸为0.6mm的方孔筛，碎石通过率为12.9％，尺寸为0.075mm的方孔筛，碎石通过率为3.3％。
本发明采用土工格室级配碎石底基层缓解路基的不均匀变形，抗疲劳半刚性增加路面结构层的抗疲劳性能。本发明中的路面结构，所述沥青面层的表面层为40mm的OGFC-13，其中OGFC-13为开级配排水式磨耗层混合料，最大公称粒径为13mm，间断级配，该层具有路表排水，防滑、降噪等优点，同时应保证该层耐久、稳定、密实、平整，并且可以满足繁重交通和高温稳定性的要求；所述沥青面层的中面层主要起联接作用，采用60mm的Superpave-20，Superpave-20是Superior Performing Asphalt Pavement的缩写，高性能沥青路面，最大公称粒径为20mm；所述沥青面层的下面层为80mm的Superpave-25，最大公称粒径为25mm。Superpave在设计沥青路面时，充分考虑服务期内温度对路面的影响，要求路面在最高设计温度时能满足高温性能要求，不产生过量车辙；在路面最低温度时，能满足低温性能要求，避免或减少低温开裂；在常温范围内控制疲劳开裂。
所述面层下方为抗疲劳半刚性层，采用200mm的乳化橡胶沥青水泥稳定碎石，最大公称粒径为31.5mm，该层采用乳化橡胶沥青，控制沥青含量为最佳含量+0.2％，使得该层具有较高的抗剪强度和优良的抗疲劳性，能够有效抑制和减少沥青路面反射裂缝的产生。
所述抗疲劳半刚性基层下方的底基层采用厚度300mm的土工格室级配碎石，土工格室级配碎石具较好的适应路基不均匀变形的能力，同时土工格室保证级配碎石具有一定的刚度。采用上述尺寸的土工格室级配碎石使得该结构可以发挥柔性级配碎石的协调变形、吸收应力的能力，级配碎石层有缓解路基不均匀变形的能力，起到均化地基差异变形的作用，在一定程度上减少不均匀沉降。
如本发明附图1所示，本发明的沥青路面一共铺设5层。分别是OGFC-13层、Superpave-20层、Superpave-25层、抗疲劳半刚性基层和土工格室级配碎石层。其中沥青面层包括OGFC-13层、Superpave-20层、Superpave-25层，层间喷洒黏层油，以加强层间连接。抗疲劳半刚性基层采用乳化橡胶沥青水泥稳定碎石，抗疲劳半刚性基层和下面层之间喷洒透层油，底基层采用土工格室级配碎石层。
在铺设本发明的沥青路面时，首先铺设土工格室级配碎石层，铺设前应保证下承层的密实、均匀和表面平整。现行《公路路面基层施工技术规范》中对于级配碎石应用于高等级路面只要求级配碎石所用石料的压碎值，而对级配碎石混合料无具体要求。在本发明中，通过级配碎石的级配、土工格室等因素的控制使得该层有较好刚度、强度和整体性，扩散荷载的能力得到提高，可以均化路基的不均匀变形。所述土工格栅级配碎石采用如下方法制备：
1土工格室
首先该层采用土工格室，土工格室一种高分子聚合物宽条带经强力焊接而形成的三维网状结构体，使用时可张开，并在格室中填碎石，构成具有强大侧向和大刚度的柔性结构层。格室片的拉伸屈服强度大于23.0MPa，焊接处抗拉强度大于100N/cm，格室组间连接处抗拉强度(格室片边缘)大于200N/cm，格室组间连接处抗拉强度(格室片中间)大于120N/cm，保证施工时格室不会破坏和焊接处断开。
2碎石级配
为防止大粒径的混合料发生离析现象，本发明保证碎石的最大粒径不大于31.5mm，并尽量减少针片状石屑的含量。既能发挥土工格室的三维增强作用，又要使碎石可以充分压实。比普通级配碎石具有更好的力学性能，更能协调路基的不均匀变形。
本发明中土工格栅级配碎石采用如附图2所示的土工格室三维增强级配性集料结构，随着混合料中粗集料含量的增加，粗集料在混合料结构中的骨架嵌挤结构增强，抗压强度和抗压回弹模量增加。另外，细集料含量对水泥稳定碎石材料也有很大的影响，如细集料含量越高，材料的抗离析性能、易压缩性能等越好。综合考虑，本发明中水泥稳定碎石层的碎石级配如下：
土工格栅级配碎石层采用上述的碎石级配，并使用土工格室三维增强结构，使得本发明的土工格栅级配碎石的抗压强度、抗离析性能以及易压缩性能实现彼此平衡，使路基的不均匀变形得到均化，大大提高路面的使用寿命。
3含水量
含水量不同影响级配碎石的压实效果，合适的含水量可使级配碎石获得最大干密度和最佳压实效果，从而保证级配碎石的结构强度和整体性。本发明中的水泥稳定碎石材料根据击实试验得到最佳含水量。
本发明的基层采用的级配碎石层是非线性的，其弹性模量随着应力水平而变化。由于土工格室三维增强作用级配碎石底基层的获得比普通级配碎石较大的刚度，达到应力吸收，减小路基不均匀变形的目的。
本发明半刚性疲劳层置于土工格室级配碎石层和面层之间，半刚性疲劳层为乳化橡胶沥青水泥稳定碎石。应通过试验确定其最佳乳化橡胶沥青和水泥剂量，并通过击实试验确定其最佳含水量。
表、中、下面层的沥青用量均须通过计算获得，保证其为最佳沥青用量。表面层保证抗滑、耐磨、降噪、透水、稳定性和耐久性良好。中面层保证基本不透水，高温稳定性好，密实。下面层保证高温稳定性好、密实、基本不透水，抗水损害能力强。层间喷洒黏层油，以加强层间连接。
由上述技术方案可见，本发明的路面结构，具有如下特征：一般认为，在地基、路基易发生不均匀变形的地区，随着基层模量的增大，路面各结构层应力都线性增大。所以在路面结构设计中应该减小基层模量，优先采用柔性基层。在本发明中，底基层使用了土工格室级配碎石层，以起到均化不均匀变形的目的，同时为了防止面层结构的疲劳开裂，在土工格室级配碎石层和面层间使用了抗疲劳半刚性材料，和以往常用的路面结构有所区别。

Claims (2)

1.一种基于协调路基路面变形的沥青路面结构，其特征在于，该路面结构从上到下依次包括沥青面层，抗疲劳半刚性基层和底基层；
所述沥青面层包括表面层，中面层及下面层，所述表面层位于所述沥青路面层的上表面，所述中面层铺设于所述表面层下方，所述下面层铺设于所述中面层下方，所述表面层，中间层及下面层之间分别喷洒有黏层油；
所述抗疲劳半刚性基层铺设于所述下面层下方，抗疲劳半刚性基层和下面层之间喷洒有透层油；
底基层铺设于路基之上；
其中，所述表面层采用开级配排水式磨耗层混合料，所述中面层采用高性能沥青路面混合料，所述下面层采用高性能沥青路面混合料；
所述抗疲劳半刚性基层采用乳化橡胶沥青水泥稳定碎石；
底基层采用土工格室级配碎石，所述土工格室级配碎石的最大粒径小于或等于31.5mm，并采用连续级配；
所述沥青面层的表面层为40mm的开级配排水式磨耗层混合料，最大公称粒径为13mm，间断级配；
所述沥青面层的中面层采用60mm的高性能沥青路面混合料，最大公称粒径为20mm；
所述沥青面层的下面层为80mm的高性能沥青路面混合料，最大公称粒径为25mm；
下面层之下的半刚性抗疲劳层，采用200mm乳化橡胶沥青水泥稳定碎石，其最大公称粒径为31.5mm，材料质量比为水泥：水：沥青：橡胶：碎石＝1:0.85:0.55:0.04:20；
乳化橡胶沥青水泥稳定碎石层基层的碎石级配为：尺寸为31.5mm的方孔筛，碎石通过率为100％，19-31.5mm的碎石用量：9.5-19mm的碎石用量：4.75-9.5mm的碎石用量＝0.85:1.1:0.8，其中粒径小于4.5mm的碎石不超过32％，粒径小于0.075mm的细料不超过5％。
2.根据权利要求1所述的基于协调路基路面变形的沥青路面结构，其特征在于，所述底基层采用300mm厚的土工格室级配碎石；
土工格室为强化的高密度聚乙烯片材料经过焊接而形成的三维网状结构；碎石级配为：尺寸为31.5mm的方孔筛，碎石通过率为100％，尺寸为19mm的方孔筛，碎石通过率为91.5％，尺寸为9.5mm的方孔筛，碎石通过率为60.2％，尺寸为4.75mm的方孔筛，碎石通过率为34.8％，尺寸为2.36mm的方孔筛，碎石通过率为19.5％，尺寸为0.6mm的方孔筛，碎石通过率为12.9％，尺寸为0.075mm的方孔筛，碎石通过率为3.3％。
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