CN115029985A - 一种长效道路结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种长效道路结构，包括面层、基层和底基层，所述面层为水泥沥青混凝土层，所述基层为改性土基层；所述改性土基层为水泥、石灰或沥青与现场原土的混合；所述稳定土为沥青稳定土、水泥稳定土、石灰稳定土、石灰工业废渣稳定土中的至少一种。通过本发明的长效性道路结构，能够有效改善道路底基层、基层及面层等的材料强度、强化弹性模数、减少铺面承载弯沈值及抑制铺面各层底部张力裂缝产生，并减少因塑性变形产生的永久变形量，使铺面损坏的因素减少，以达到延长道路使用年限的目的。
Description
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，具体涉及一种长效道路结构。
背景技术
道路的组成主要由路基、底基层、基层及面层所构成，各层材料的强度越佳，对上层材料提供的强度与刚性越佳，车轴载重传递到道路下层越平均，所传递的车轴应力越小，上层材料因下层沈陷而产生的弯沈值越小。当铺面层的底部产生的张力及张应变较小，可减少道路结构产生裂缝及向上方延伸至路表，面层产生张力裂缝的机率就会较小。沥青混凝土路面裂缝少，表面径流水渗入路基的量亦少，可避免路基土壤含水量增加，进而造成路基软化或产生弹性，加速道路结构裂缝扩大及发生永久变形，致道路铺面服务绩效(Serviceability performance)降低。因此本专利发明藉由改善道路铺面材料强度及性质，以增加沥青混凝土道路的使用期限及延后道路维修年限。
沥青混凝土道路铺面的破坏类型，按破坏模式主要可分为：
1、裂缝或断裂类：纵向裂缝、横向裂缝、龟裂、块裂、温度裂缝及反射裂缝等；2、永久变形类：车辙、波浪、沈陷及隆起等；3、表面损坏类：冒油、松散、坑槽、磨光及露骨等。
道路铺面破坏的原因与沥青混凝土材料强度有直接关系者，为第（2）项永久变形类。路面明显的沈陷与隆起主要由路基承载力不足所引起，而车辙与波浪则因沥青混凝土剪力强度不足所造成。
沥青混凝土的车辙量主要来自三方面，包括：(1)车辆轮压作用而使沥青混凝土造成空隙压缩；(2)沥青混凝土重复受轮压(轴向应力)作用，因波松比的侧向应变，而于轴向产生累积变形；及(3)沥青混凝土路面受挤压而向周围产生塑性流动，因路面底层材料损失而产生路面下陷。其中，第(1)项为车辆轮压对沥青混凝土造成空隙压缩，其压缩量与粒料的粒料间孔隙有关，沥青混凝土粒料间孔隙越小表示粒料间颗粒排列越紧密，受轴力后的压缩量越少。第(2)项为沥青混凝土重复受轮压作用，因波松比的侧向应变而产生轴向累积变形，此与沥青混凝土的抗压强度及抗剪强度有关。沥青混凝土因侧向塑性残留应变致轴向产生车辙量与沥青混凝土的抗压强度与抗剪强度成负相关。第(3)项为沥青混凝土因受垂直力挤压而向周围产生塑性流动，此与抗压强度及剪力强度有关。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种长效性道路结构，本发明的长效性道路结构，采取改性无机黏结料土基层与土质底基层，并搭配水泥沥青混凝土铺设高模量的沥青混凝土面层。
本发明的技术方案为：
一种长效道路结构，其特征在于，包括面层、基层与底基层，所述面层为水泥沥青混凝土层，所述基层为改性土基层，所述底基层为土质级配料层。
进一步的，所述改性土基层为水泥、石灰或沥青与现场原土的混合；所述稳定土为沥青稳定土、水泥稳定土、石灰稳定土、石灰工业废渣稳定土中的至少一种。
进一步的，所述稳定土按粒径分为细粒土、中粒土、粗粒土，并依现场土样试拌的结果决定稳定土水泥的含量。
进一步的，对于高速公路或一级公路，路基使用的土壤颗粒组成，细粒土的塑性指数（Ip）应小于12，以避免黏土含量高，造成夯实土具有弹性及能减少路基因自重固结产生长期的沈降量。
进一步的，所述面层为经前处理过的水泥沥青混凝土，包括以下组分：P.I型硅酸盐水泥、快裂型阳离子乳化沥青、液态减水剂、碎石集料。
进一步的，所述快裂型阳离子乳化沥青使用量为水泥重量的0.9至1.5倍，所述减水剂使用量为水泥重量的2.5%至4%。
现有技术中，路基由土壤构成，提高压实度可加强土壤无围压缩强度，但强度提升效能有限，若以胶结料与路基土壤混合，如石灰、沥青或水泥等，则可明显增强路基土壤强度，并增长道路的使用寿年。本专利发明所述及的一种长效道路结构，其特征在于，包括面层、基层和底基层，所述及的面层为水泥沥青混凝土层，所述基层为改性土基层；所述改性土基层包含稳定土与现场夯实原土；所述稳定土为沥青稳定土、水泥稳定土、石灰稳定土、石灰工业废渣稳定土中的至少一种。
进一步的，所述稳定土按粒径分为细粒土、中粒土、粗粒土；所述改性土基层中，用作基层的稳定土配比水泥含量比为：中粒土和粗粒土的混合占比为：2-8%；优选为3%、4%、5%、6%、7%；塑性指数小于12的土占比为：3-12%；优选为5%、7%、8%、9%、11%；其他细粒土占比为：6-20%；优选为8%、10%、12%、14%、16%。
本专利发明的长效性道路结构，为复合式道路铺面，以水泥沥青混凝土(CAC)作为面层，水泥或沥青处理级配料作为基层，土质级配料作为底基层。
进一步的，所述面层为经前处理过的水泥沥青混凝土，包括以下组分：P.I型硅酸盐水泥(C)、快裂型阳离子乳化沥青(PC-1)、液态减水剂(FSP)、碎石集料；所述快裂型阳离子乳化沥青使用量为水泥重量的0.9至1.5倍，所述液态减水剂使用量为水泥重量的2.5%至4%。特别的，所述面层的胶浆用量：采用马歇尔配比设计。
优选的，本发明的面层组分要求如下：快裂型阳离子乳化沥青(PC-1)：沥青（AH-70#）含量：50%；液态减水剂(FSP)：固含量≒40%（可依效能所需而改变）；液态减水剂(FSP)：萘磺酸钠甲醛缩合物，主成分是聚亚甲基萘磺酸钠；硅酸盐水泥：P.I型硅酸盐水泥(C)，强度32.5以上；4.碎石集料：符合JTG F40-2004「公路沥青路面施工技术规范」密级配沥青混凝土混合料矿料级配范围的AC-20、AC-16、AC-13、AC-10要求，如表1所示。
表1 密级配沥青混凝土混合料矿料级配范围
道路面层需提供完整及平顺的表面，因此面层产生坑洞及大变位的永久变形均会降低道面服务绩效，并减损道路使用年限。为防止坑洞产生，沥青混凝土耐候性要佳，除了要抗老化还要抗水侵蚀。使用高黏度沥青改善沥青与骨料界面黏着力及增加骨料外沥青膜厚均为良好方法；或使用本发明专利所述的水泥沥青混凝土，以水泥改善骨料间黏着力及抗水侵蚀，亦为提升耐候性的良好方案。要减少永久变形，使用水泥沥青胶泥(CAM)或本发明专利所述的水泥沥青胶浆，均能有效提升沥青混凝土的剪力强度，减少沥青混凝土的塑性变形。因此采用本发明专利所述的水泥沥青胶浆来提升道路面层沥青混凝土的力学性能，确实能显着延长道路使用的年限。本发明以添加水泥来作为改性剂，先行提高沥青混凝土黏结料的压力与剪力的力学性能，进而提升沥青混凝土的回弹模量，以加强整体道路结构的劲度，达到本发明以强化材料性能，延长道路使用年限的目的。
进一步的，所述面层的制备方法包括以下步骤：乳化沥青+液态减水剂→慢速拌和1min→产生絮凝→快速拌和1min→絮凝消失→停2min→加入水泥→慢速均匀拌和1min→快速拌和1min→形成水泥沥青胶浆(CAM)→CAM加进拌和均匀的碎石集料中→续拌，时间不少于2min→直至均匀及碎石集料表面均包裹了CAM→水泥沥青混凝土(CAC)摊布均匀→CAC夯压密实→养护。
进一步的，所述面层的制备方法为：水泥沥青混凝土的拌和，需先拌和好水泥沥青胶浆后，参考马歇尔稳定值配比设计法，确定适当的水泥沥青胶浆用量，将这含量的水泥沥青胶浆与于上所示表1其中之一的级配分布集料均匀拌和。在水泥沥青混凝土初凝之前以沥青混合料摊铺机撒布于已夯实完成的路基上，经三轮钢轮压路机初压、胶轮压路机续压及双轮钢轮压路机终压后，达预定的压实程度，经适当时间养护后，开放通车。
现有技术中，水泥沥青混凝土有二种常用的拌和方法。一为将水与集料先行湿润，接着加入〝慢裂型＂乳化沥青拌匀后，再加入水泥继续拌和的作法；第二为先预混集料与水泥，然后加入水拌和，接着再加入慢裂型乳化沥青拌和均匀。这二种拌和方法均加入了一定比例的拌和水，减缓混合物中乳化沥青破乳的趋势。水泥沥青混凝土混合料中的自由水量增加，混合料进行初压时需将这些多馀的水分挤压出来，水泥沥青混凝土才能达到较密实的压实度。这种拌和法的和易性是来自于乳化沥青和水泥拌和后破乳作用发生速率的延迟。乳化能力强的乳化剂，能使沥青乳液中沥青微胞完整性维持久一点，使用此种乳化剂的乳化沥青，被称为慢裂型的乳化沥青，适合拿来与水泥及骨料拌和。
本发明的水泥沥青混凝土是经前处理过的水泥沥青混凝土(CAC, CementAsphalt Concrete)，与上一段所叙述的使用现有技术的水泥沥青混凝土，制程与配比均不同。本发明的水泥沥青混凝土是取〝快裂型＂阳离子乳化沥青(PC-1)经与液态减水剂(FSP)事先拌和均匀后，再与水泥直接拌和而成水泥沥青胶浆(CAM，Cement Asphalt Mastic)，接着再与碎石集料拌合成的水泥沥青混凝土。本发明CAC的特点为取不稳定之快裂型阳离子乳化沥青(PC-1)以液态减水剂做为乳化沥青微胞的稳定剂，除了在乳化沥青微胞表面生成一双电层，抑制乳化沥青微胞破乳；亦可降低水泥沥青胶浆的黏度，使水泥沥青混凝土具有良好的和易性。快裂型阳离子乳化沥青(PC-1)加液态减水剂均匀混合可增加PC-1的稳定性，使可直接与水泥均匀拌和，不必额外加水，可免除滚压施工中为了去除泌水，需中断施工作业的困扰，可维持施工作业的连续性；因不用额外加水，故可获得强度较佳的水泥沥青混凝土。
强度的增益，以CAC相对HMA做比较，如本配比所示，（CAC，配比C/(PC-1)=1，FSP/(PC-1)=0.03，矿料级配采AC-20，CAM/CAM=25%），在马歇尔稳定值上CAC龄期12小时时即已高过热拌石油沥青混凝土(HMA，沥青含量3.38%，矿料级配AC-20)，最终于28天龄期时则可高于6倍以上，强度明显的增强，如图1所示。
路面厚度计算是根据多层弹性理论来进行，各层应力分析系随弹性模数及波松比二项材料特性来计算与评估。此处的弹性模数应遵循虎克定律，但应用于路面工程时，由于应力作用消失时应变可能无法返回起始点，产生不可回复的应变，且随应力重复作用，次数增至某一程度之后，应变曲线渐呈封闭，期间所产生之应变则为可回复应变，此时应力应变曲线之起始正切弹性模数即为回弹模数。
对沥青混凝土面层回弹模数而言，模数会随温度、集料孔隙填充沥青饱和度上升而下降，混凝土所使用之沥青越硬(沥青针入度低或黏度高)，回弹模数越高。经过试验，于25℃时回弹模数，CAC配比C/(PC-1)=1，FSP/(PC-1)=0.03，矿料级配采AC-20，于1天龄期时约3000MPa与热拌石油沥青混凝土(Hot Mixing Asphalt, HMA)仅约2000MPa相较约为1.5倍多，于28天龄期时相较则近约4.5倍。于40℃时的回弹模数，CAC配比C/(PC-1)=1，FSP/(PC-1)=0.03，矿料级配采AC-20，于1天龄期时约2800MPa，HMA仅约850MPa相较约3.3倍多，于28天龄期时则相较近约8.5倍，如图2及图3。由此可见CAC之强度及材料劲度均高出HMA甚多。本发明CAC的回弹模数高于石油沥青混凝土(HMA)而远低于水泥混凝土。CAC于28天龄期25℃之回弹模数约为水泥混凝土之0.25~0.5倍之间；为石油沥青混凝土回弹模数之1.37~3倍之间，如图2及图3。因此本发明的CAC可符合高模量沥青混凝土的定义，因此能符合长效能道路的高强度沥青面层力学上的要求。
通过本发明的长效性道路结构，能够有效改善道路基层、底基层及面层等的材料强度、强化弹性模数、减少铺面承载弯沈值及抑制铺面各层底部张力裂缝产生，并减少因塑性变形产生的永久变形量，使铺面损坏的因素减少，以达到延长道路使用年限的目的。
本发明长效性道路结构铺面适用于重车车道、码头卸货车道、机场跑道、铁路轨床、轻轨崁入式轨道及工厂耐磨地坪等。
附图说明
图1为本发明中 CAC马歇尔稳定值随龄期的增长趋势及相对于石油沥青混凝土的差异；
图2为本发明中 CAC回弹模数(25℃)随龄期的增长趋势及相对于石油沥青混凝土的差异；
图3为本发明中 CAC回弹模数(40℃)随龄期的增长趋势及相对于石油沥青混凝土的差异；
图4为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实例设计计算：
一.设计 E.A.L.计算。
二、Structure Number (SN)值计算。
以某高速公路的交通量预测资料、配合路堤填筑材料强度、车道数等资料，并依美国州公路及运输协会(AASHTO，1993) 之路面结构设计方法，拟定设计分析条件如下。
(1) AASHTO 设计公式：
(2) SN值计算：
式中
W18= ΣEAL20= 1.26E+07 (分析年限内之预估交通量)
P0= 4.0 (初期设计服务质量指数)
Pt= 2.5 (终期设计服务质量指数)
△PSI= P0-Pt= 1.5
MR= 6,000 psi (路基土壤回弹弹性模数)
ZR= -1.282 (可靠度,R=90%)
S0= 0.4 (标准偏差)
求得SN=5.6由公式所求算出在估计交通量下所需的铺筑结构强度值。
三.选用路面结构
1.层系数(Layer Coefficient)
SN=a1D1+a2D2+a3D3
(1)密级配水泥沥青混凝土面层:a1=0.50
(2)沥青处理碎石基层:a2=0.24
(3)水泥处理碎石基层:a2=0.25
(4)碎石级配料基层(A.B.):a2=0.14 CBR>85%
(5)土壤底基层:a3=0.12。
2.选用路面结构
求铺面材料强度与厚度所提供的结构强度值（SN）—实施例1
求铺面材料强度与厚度所提供的结构强度值（SN）—实施例2
求铺面材料强度与厚度所提供的结构强度值（SN）—实施例3
实施例1
一种长效道路结构，其特征在于，包括面层1、基层2与底基层3，其中，面层水泥沥青混凝土配比：CAM＝水泥+乳化沥青+液态减水剂，水泥/乳化沥青=1，液态减水剂/乳化沥青=0.03，CAM/CAC＝0.25，矿料级配采用AC-20。沥青稳定粒料基层：矿料级配采用AC-20，沥青用量=4.5%。土壤底基层:低液限粉土，Ip=11，颗粒组成：2mm~0.05mm=30%，.05mm~0.002mm=50%，小于0.002=20%，相对密度=2.7。
实施例2
一种长效道路结构，其特征在于，包括面层1、基层2与底基层3，面层水泥沥青混凝土配比：CAM＝水泥+乳化沥青+液态减水剂，水泥/乳化沥青=1。液态减水剂/乳化沥青=0.03；CAM/CAC＝0.25；矿料级配采用AC-20。水泥稳定粒料基层：通过质量百分率，4.75mm=58%，0.6mm=13%，0.075mm=21%，0.002mm=8%；水泥剂量10%；7天抗压强度＝1.8Mpa。土壤底基层:低液限粉土，Ip=11，颗粒组成：2mm~0.05mm=30%，0.05mm~0.002mm=50%，小于0.002=20%，相对密度=2.7。
实施例3
一种长效道路结构，其特征在于，包括面层1、基层2与底基层3，面层水泥沥青混凝土配比：CAM＝水泥+乳化沥青+液态减水剂，水泥/乳化沥青=1，液态减水剂/乳化沥青=0.03，CAM/CAC＝0.25，矿料级配采用AC-20。碎石级配料基层：通过质量百分率，4.75mm=58%，0.6mm=13%，0.075mm=21%，0.002mm=8%。土壤底基层:低液限粉土，Ip=11，颗粒组成：2mm~0.05mm=30%，0.05mm~0.002mm=50%，小于0.002=20%，相对密度=2.7。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。需注意的是，本发明中所未详细描述的技术特征，均可以通过任一现有技术实现。
Claims (8)
1.一种长效道路结构，其特征在于，包括面层、基层与底基层，所述面层为水泥沥青混凝土层，所述基层为改性土基层，所述底基层为土质级配料层。
2.根据权利要求1所述的长效道路结构，其特征在于，所述改性土基层为水泥、石灰或沥青与现场原土的混合；所述稳定土为沥青稳定土、水泥稳定土、石灰稳定土、石灰工业废渣稳定土中的至少一种。
3.根据权利要求2所述的长效道路结构，其特征在于，所述稳定土按粒径分为细粒土、中粒土、粗粒土，并依现场土样试拌的结果决定稳定土水泥的含量。
4.根据权利要求3所述的长效道路结构，其特征在于，对于高速公路或一级公路，路基使用的土壤颗粒组成，细粒土的塑性指数小于12。
5.根据权利要求1所述的长效道路结构，其特征在于，所述面层为经前处理过的水泥沥青混凝土，包括以下组分：P.I型硅酸盐水泥、快裂型阳离子乳化沥青、液态减水剂、碎石集料。
6.根据权利要求5所述的长效道路结构，其特征在于，所述快裂型阳离子乳化沥青使用量为水泥重量的0.9至1.5倍，所述减水剂使用量为水泥重量的2.5%至4%。
7.根据权利要求6所述的长效道路结构，其特征在于，所述面层的水泥沥青混凝土材料的制备方法包括以下步骤：乳化沥青+高效减水剂→慢速拌和1min→产生絮凝→快速拌和1min→絮凝消失→停2min→加入水泥→CAM慢速均匀拌和1min→快速拌和1min→形成水泥沥青胶浆→CAM加进拌和均匀的碎石集料中→续拌，时间不少于2min→直至均匀及碎石集料表面均包裹了CAM→水泥沥青混凝土摊布均匀→CAC夯压密实→养护。
8.根据权利要求7所述的长效道路结构，其特征在于，所述面层的制备方法为：包括水泥沥青混凝土，具体包括以下步骤：水泥沥青混凝土的拌和，先拌和好水泥沥青胶浆，再参考马歇尔稳定值配比设计法，用以确定适当的水泥沥青胶浆用量，将这用量的水泥沥青胶浆与规范的集料均匀拌和；在水泥沥青混凝土初凝之前，以沥青混合料摊铺机撒布于已夯实完成的道路基层上，经三轮钢轮压路机初压、胶轮压路机续压及双轮钢轮压路机终压后，达预定的压实程度。再经适当时间养护后，开放通车。
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- 2022-03-31 CN CN202210333506.9A patent/CN115029985A/zh active Pending
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