多场耦合因素下多功能长寿命城市沥青路面结构功能匹配一体化研究中期报告本科毕业设计论文.docx
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多场耦合因素下多功能长寿命城市沥青路面结构功能匹配一体化研究中期报告本科毕业设计论文
建设部科技示范工程
项目编号:
多场耦合因素下多功能长寿命城市沥青路面结构功能匹配一体化研究
中期研究报告
宜昌市建委城市建设重点工程管理办公室
宜昌市虹源公路工程咨询监理有限责任公司
武汉理工大学
湖北益通建设工程有限责任公司
二〇一三年三月
报告之一项目简介
1、工程背景
2012年3月,宜昌市住建委城市建设重点工程管理办公室、宜昌市虹源公路工程咨询监理有限责任公司、武汉理工大学和湖北益通建设工程有限责任公司向住房与城乡建部提交了联合申请市政工程类科技示范工程的项目申报书,并于2012年3月22日顺利通过了住建部组织的专家评审答辩会,2012年6月获得正式立项批文,项目名称为“宜昌市多功能长寿命市政路面工程”。
2012年6月25日,由宜昌市住建委牵头组织项目联合申报单位协商,确定在宜昌市城区合益路K0+800~K1+200处进行现场铺筑试验,长度400m。
合益路是宜昌市中心城区重要的横向主干路,由既有道路和规划道路组成,起点东山大道,规划终点为东山四路,与城东大道平交,与汉宜高速公路立交,其中东山大道~城东大道为既有道路,城东大道~东山四路为规划道路。
道路等级:
城市主干路;道路红线宽36米,双向六车道,设计车速V=50km/h
路面设计标准轴载:
BZZ-100;结构设计荷载:
公路I级
科技示范段多功能长寿命路面主体结构设计年限为20年;推荐路面结构组合如下:
2、研究目的与意义
多功能长寿命路面是当前路面发展的新趋势,近年来已成为世界各国沥青路面最为热门的研究内容,其核心是要求路面结构的表面层具有排水、降噪、抗滑和耐磨的能力,联结层位于高压应力区,要求具有良好的承载力、抗车辙和耐久性,整个路面结构体系中最大的拉应变产生在基层底部,该区域最易发生疲劳破坏,因此基层应具备高柔性、抗疲劳、水稳定性好。
其结构破坏形式基本上消除了传统上普遍存在的基层疲劳损坏,路面的损坏往往只发生在路面的表层。
多功能长寿命路面初期修建费用较高,但设计年限长,日常养护费用较少,全寿命周期费用效益比最大。
另外,以新型多功能长寿命路面结构的全寿命周期成本为目标结合路面结构优化分析,对路面结构的材料性能参数和结构组合形式进行深入研究,探索该型路面疲劳破坏机理,结合试验路段对以上研究成果加以验证和反馈,并在此基础上提出适合中国国情的多功能长寿命复合式典型城市路面材料与结构组合型式。
本项目研究可为多功能长寿命路面在中国的发展和完善奠定一定的理论和技术基础,具有明晰的科研价值和工程应用前景。
3、研究内容与技术路线
本研究项目拟采用柔性抗疲劳材料HMA基层+冷拌式水泥乳化沥青混凝土高压应力联接层+SMA沥青混凝土多功能面层的长寿命路面结构,既可显著提高路面结构的承载力和耐久性,又可防止高温下沥青材料产生过大变形,较好地协调了耐久性、功能性和经济性对路面材料和结构相互矛盾的要求;同时通过对多功能长寿命路面的温度场和温度应力研究,结合交通荷载分析,系统地探索长寿命路面的破坏损伤模式,并由宏观力学尺度过渡到微观力学尺度研究长寿命路面材料的破坏机理。
报告之二研究报告
1、示范工程路面结构设计
1.1、示范工程路面结构组合主要设计参数
1.1.1计算依据
(1)路面工程施工图
(2)《城市道路工程设计规范》(CJJ37—2012)
(3)《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2006)
(4)《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)
1.1.2路面设计计算标准与参数
根据《公路自然区划标准》(JTJ003-86)中公路自然区划图,本项目自然划分为Ⅳ3区,属于华中地区亚热带气候,温暖潮湿,雨量充沛,一般年平均气温18℃,最冷月份为1月,平均气温为5℃左右,极端最低气温-18.1℃;最热月份为7月底,平均气温29度,极端最高气温41.3℃。
多年平均降雨量为1248.5mm,4~9月份为雨季,其雨量占全年的65%以上;根据温度和雨量情况,本气候区为1-3-1区(夏炎热冬潮湿);因此对路面高温抗车辙,低温抗开裂及水稳性有较高要求。
本示范路段主要技术指标和如下表1,示范路段典型路面组合见表2。
示范路段主要技术指标表1
序号
项目名称
单位
技术指标(规范值)
1
地形类别
平原微丘
2
公路等级
城市一级快速路
3
行车道宽度
m
2×2×3.75
4
路面等级
高等级沥青路面
5
轴载
标准轴载BZZ-100
6
设计年限
年
15
示范段路面组合及主要技术指标表2
结构组合
结构层
材料
厚度
cm
回弹模量
(MPa,20度)
回弹模量
(MPa,15度)
劈裂强度
(MPa)
示范段
结构组合
上面层
SMA
4
1400
1800
1.4
联接层
水泥乳化
沥青混凝土
8
2880
3500
1.2
柔性
上基层
大粒径
沥青碎石
8
1016
1200
0.7
下基层
水泥稳定
级配碎石
36
1410
1500
0.5
底基层
水泥稳定
级配碎石
18
1400
1500
0.5
1.1.3累计当量轴次和设计弯沉计算
1)以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时,各级轴载按下式换算成标准轴载P的当量轴次N。
式中:
N-以设计弯沉值和沥青层底拉应力为指标时的标准轴载当量轴次(次/d)
-被换算车型的各级轴载作用次数(次/d)
-标准轴载(kN);
-被换算车型的各级轴载(kN)
-被换算车型的轴数系数
-被换算车型的轮组系数,双轮组为1.0,单轮组为6.4,四轮组为0.38;
--被换算车型的轴载级别。
2)计算试验路段一个车道上的累计当量轴次
时按以下公式:
式中:
-设计年限内一个车道的累计当量轴次(次/车道)
-设计年限(年);
-营运第一年双向日平均当量轴次(次/d)
-设计年限内交通量的平均年增长量
-车道系数
3)设计弯沉值根据公路等级、设计年限内累计标准当量轴次、面层和基层类型按下式计算。
式中:
-设计弯沉值(0.01mm)
-设计年限内一个车道累计当量轴次(次/车道)
-公路等级系数,高速公路、一级公路为1.0,二级公路为1.1,三、四级公路为1.2
-面层类型系数,沥青混凝土面层为1.0
-路面结构类型系数。
半刚性基层沥青路面为1.0,柔性基层沥青路面为1.6,对于混合式基层采用线性内插确定基层类型系数:
(8.0.5-2)
式中:
为半刚性基层或底基层上柔性结构层总厚度(cm);
根据公式计算出特重交通流量下试验路段累计当量轴次、路表设计弯沉如表3。
示范路段累计当量轴次及路表设计弯沉表3
基年交通量(小客车pcu/日)
17785
累计当量轴次(BZZ-100)
路表设计弯沉(1/100mm)
20.6
1.2、示范工程路面结构组合设计结果
1.2.1层底容许拉应力、路表计算弯沉和层底拉应力计算
沥青混凝土层、半刚性基层和底基层以拉应力为设计或验算指标时,材料的容许拉应力
按下式计算:
式中:
-路面结构层材料的容许拉应力(MPa)
-沥青混凝土或半刚性基层材料的极限劈裂强度(MPa)
-抗拉强度结构系数
路表计算弯沉按下式计算:
层底拉应力计算按下式:
层底拉应力以单圆中心以及双圆轮隙中心为计算点,并取较大值作为层底拉应力。
1.2.2层底容许拉应力、层底拉应力、设计路表弯层、路表计算弯沉计算结果分析
示范路段结构组合设计计算分析表4
结构组合
结构层
材料
设计路表弯沉(1/100mm)
路表计算弯沉(1/100mm)
层底容许
拉应力
(MPa)
层底
拉应力
(MPa)
示范段
结构组合
上面层
SMA
20.6
14.0
0.38
-0.156
联接层
水泥乳化
沥青混凝土
20.6
0.31
0.163
柔性
上基层
大粒径
沥青碎石
20.6
0.3
-0.130
下基层
水泥稳定
级配碎石
20.6
0.22
0.042
底基层
水泥稳定
级配碎石
20.6
0.22
0.090
备注:
层底应力+为拉应力,-为压应力
1.2.3示范段结构组合初步设计计算结论
示范段结构组合初步设计表明:
路表计算弯沉为14.0(1/100mm),小于设计路表弯沉20.6;各层底拉应力指标均小于容许拉应力。
示范段结构组合初步设计满足现有规范要求。
2高抗车辙沥青混凝土面层材料研究
2.1原材料选择与准备
根据宜昌地理气候的特点,研究确定本项目所在地区路面最高与最低设计温度的计算参数,为选择沥青性能等级提供科学依据。
由于地域等原因,其温差大,降雨量大,因此对原材料要求更为苛刻。
集料、沥青材料的优选除了必须满足规范规定的要求以外,还应具有耐温度疲劳特性,同时由其所配成的沥青混合料必须具有良好的温度疲劳特性和水稳定性。
2.1.1胶结料
沥青路面采用的沥青标号宜按照公路等级、气候条件、交通条件、路面类型及在结构层中的层位中的受力特点、施工方法、当地的使用经验进行选择。
宜昌地处中国中西部,气候夏季炎热,冬季寒冷,多雨,因此需选择性能优良的沥青结合料,而用于SMA的沥青结合料必须具有较高的粘度,与集料有良好的粘附性,以保证有足够的高温稳定性和低温韧性。
沥青结合料采用SBSI-D改性沥青,其基本性能指标见表2-1。
表2-1SBSI-D沥青基本性能指标
技术指标
技术要求
试验结果
针入度(25℃、100g、5s)
(0.1mm)
40~60
53
延度(5℃、5cm/min)
(cm)
≥20
36.7
软化点(环球法)
(℃)
≥60
75.5
闪点(COC)
(℃)
≥230
301
溶解度(三氯乙烯)
(%)
≥99
99.4
离析,软化点差
(℃)
≤2.5
0.2
运动粘度(135℃)
(Pa·S)
<3
1.9
旋转薄膜加热试验(RTFQT)残留物(163℃,85min)
质量损失
(%)
≤1.0
0.3
延度(5℃)
(cm)
≥15
16.1
针入度比
(%)
≥65
75.8
2.1.2粗集料与细集料
粗集料与细集料的各项性能指标见表2-2。
表2-2集料性能指标
测试指标
技术要求
试验结果
压碎值(%)
≤26
13.1
洛杉矶磨耗损失(%)
15~5
≤28
10.2
13~5
≤28
10.0
表观相对密度
15~5
≥2.60
2.842
13~5
≥2.60
2.845
10~5
≥2.60
2.837
5~3
≥2.60
2.828
3~0
≥2.50
2.799
吸水率(%)
15~5
≤2
0.3
13~5
≤2
0.3
10~5
≤2
0.6
5~3
≤2
0.6
针片状颗粒含量(%)
大于9.5mm
≤12
6
小于9.5mm
≤18
8
水洗法<0.075mm颗粒含量(%)
15~5
≤1
0.4
10~5
≤1
1.0
5~3
≤1
0.9
3~0
≤3
2.6
软石含量(%)
15~5
≤3
2.7
10~5
≤3
1.8
坚固性(%)
15~5
≤12
6
10~5
≤12
5
5~3
≤12
5
3~0
≤12
6
磨光值/BPN
≥42
48
冲击值(%)
—
10.1
2.1.3填料
采用宜昌花艳水泥厂矿粉,其性能指标见表2-3。
表2-3矿粉基本性能
技术指标
表观密度
毛体积相对密度
亲水系数
含水量
单位
t/m3
t/m3
—
%
技术要求
≥2.50
—
≤1
≤1
测量值
2.874
2.874
0.7
0.2
2.1.4纤维稳定剂
采用海川聚酯纤维,其性能指标见表2-4。
表2-4纤维技术要求
纤维品种
单位
技术要求
测试结果
纤维长度
mm
≤6
5.9
吸油率
倍
≥5
7.68
纤维稳定剂在SMA-16和SMA-13配合比设计中的掺量为沥青混合料质量的0.3%。
2.2配合比设计
2.2.1设计矿料级配的确定
以4.75mm作为粗集料骨架的分界筛孔,在工程级配的范围内,调整矿料比例设计3组不同粗细的矿料级配,3组矿料级配的粗集料骨架分界筛孔的通过率处于级配范围的中值±3%附近,矿粉数量均为10%左右。
三组矿料级配分别为级配A、级配B和级配C。
其矿料级配配比和矿料级配曲线分别见表2-5、表2-6、表2-7、和图2-1、图2-2、图2-3。
表2-5SMA-13矿料级配A
筛孔
13~5
10~5
5~3
3~0
矿粉
合成
工程设计级配范围
(mm)
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
级配
中值
下限
上限
16
99.6
100.0
100.0
100.0
100.0
99.8
100.0
100
100
13.2
92.0
100.0
100.0
100.0
100.0
96.1
95.0
90
100
9.5
21.8
99.0
100.0
100.0
100.0
61.5
62.5
50
75
4.75
0.1
13.6
63.5
100.0
100.0
30.5
27.0
20
34
2.36
0.1
0.2
10.5
97.6
100.0
23.9
20.5
15
26
1.18
0.1
0.2
0.2
77.9
100.0
19.9
19.0
14
24
0.6
0.1
0.2
0.2
56.9
100.0
16.5
16.0
12
20
0.3
0.1
0.2
0.2
43.1
100.0
14.2
13.0
10
16
0.15
0.1
0.2
0.2
27.3
99.5
11.6
12.0
9
15
0.075
0.1
0.2
0.2
18.9
97.1
10.0
10.0
8
12
配比
49.0
21.0
6.5
16.5
7.0
100.0
图2-1SMA-13矿料级配A曲线图
表2-6SMA-13矿料级配B
筛孔
13~5
10~5
5~3
3~0
矿粉
合成
工程设计级配范围
(mm)
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
级配
中值
下限
上限
16
99.6
100.0
100.0
100.0
100.0
99.8
100.0
100
100
13.2
92.0
100.0
100.0
100.0
100.0
96.1
95.0
90
100
9.5
21.8
99.0
100.0
100.0
100.0
61.4
62.5
50
75
4.75
0.1
13.6
63.5
100.0
100.0
26.3
27.0
20
34
2.36
0.1
0.2
10.5
97.6
100.0
20.2
20.5
15
26
1.18
0.1
0.2
0.2
77.9
100.0
17.4
19.0
14
24
0.6
0.1
0.2
0.2
56.9
100.0
14.9
16.0
12
20
0.3
0.1
0.2
0.2
43.1
100.0
13.3
13.0
10
16
0.15
0.1
0.2
0.2
27.3
99.5
11.3
12.0
9
15
0.075
0.1
0.2
0.2
18.9
97.1
10.1
10.0
8
12
配比
49.0
27.0
4.0
12.0
8.0
100.0
图2-2SMA-13矿料级配B曲线图
表2-7SMA-13矿料级配C
筛孔
13~5
10~5
5~3
3~0
矿粉
合成
工程设计级配范围
(mm)
(%)
(%)
(%)
(%)
(%)
级配
中值
下限
上限
16
99.6
100.0
100.0
100.0
100.0
99.8
100.0
100
100
13.2
92.0
100.0
100.0
100.0
100.0
96.1
95.0
90
100
9.5
21.8
99.0
100.0
100.0
100.0
61.4
62.5
50
75
4.75
0.1
13.6
63.5
100.0
100.0
24.1
27.0
20
34
2.36
0.1
0.2
10.5
97.6
100.0
17.8
20.5
15
26
1.18
0.1
0.2
0.2
77.9
100.0
15.6
19.0
14
24
0.6
0.1
0.2
0.2
56.9
100.0
13.7
16.0
12
20
0.3
0.1
0.2
0.2
43.1
100.0
12.5
13.0
10
16
0.15
0.1
0.2
0.2
27.3
99.5
11.0
12.0
9
15
0.075
0.1
0.2
0.2
18.9
97.1
10.1
10.0
8
12
配比
49.0
29.5
4.0
9.0
8.5
100.0
图2-3SMA-13矿料级配C曲线图
按公路工程集料试验规程JTGE42-2005中试验T0309测得上述矿料级配A、矿料级配B和矿料级配C的粗集料松装间隙率VCADRC分别为31.6%、33.3%和34.0%。
比较已建类似工程沥青混合料的合成集料毛体积相对密度预估本次试验的最佳油石比为5.9%。
按照选择的初试油石比和矿料级配制作SMAS试件,马歇尔标准击实的次数为双面50次。
马歇尔试件的毛体积相对密度由表干法测定。
马歇尔试件的各项体积参数见表2-8。
表2-8各种矿料级配马歇尔试件的体积参数
级配类型
γt
γf
VV
VFA
VMA
CVAmix
—
—
%
%
%
%
级配A
2.567
2.505
2.4
84.5
15.6
33.5
级配B
2.569
2.472
3.8
77.5
17.2
32.5
级配C
2.570
2.438
5.1
71.5
18.0
32.4
由设计规范要求,CVAMIX
2.2.2确定设计沥青用量
根据所选择的设计级配和初试油石比试验的孔隙率的结果,应当分别以5.6%、5.9%和6.2%的油石比制作马歇尔试件。
由于初试油石比的混合料体积指标符合设计要求,因此省去上述步骤,只进行一次复核。
复核试验以级配B配比和油石比5.9%制作马歇尔试件,其各项体积参数见表2-9。
表2-9马歇尔试件的体积参数
油石比
γt
γf
VV
VFA
VMA
CVAmix
MS
%
—
—
%
%
%
%
kN
5.9
2.568
2.470
3.9
77.1
17.1
32.4
8.31
复核结果表明,最佳油石比为5.9%。
2.2.3配合设计检验
(1)析漏、飞散试验
以油石比5.9制作马歇尔试件和制备沥青混合料,分别进行肯特堡飞散试验和谢伦堡析漏试验,试验结果如表2-10。
表2-10析漏、飞散试验结果
矿料级配
油石比
谢伦堡析漏损失
肯特堡飞散损失
%
%
%
级配B
5.9
0.04
2.0
技术要求
-
≤0.1
≤15
由试验规范技术指标要求可知,上述结果均满足规范要求。
(2)高温稳定性检验
以油石比5.9%制作车辙试件2块,试件尺寸300×300×50mm,60±1℃条件下保温5h,进行车辙试验,得到的结果见表2-11。
表2-11车辙性能研究
试验次数
1
2
3
时间t1
(min)
45
车辙变形
(mm)
1.813
1.752
1.824
时间t2
(min)
60
车辙变形
(mm)
1.921
1.869
1.934
动稳定度DS
(次/mm)
5833
5385
5727
平均动稳定度
(次/mm)
5648
技术要求
(次/mm)
≥3000
动稳定度为5648次/mm,大于3000次/mm,对比设计规范,高温稳定性能满足设计要求。
(3)水稳定性检测
以油石比5.9%制作2组马歇尔试件,分别测试浸水30min与48h的马歇尔稳定度,其测试结果见表2-12。
表2-12浸水残留稳定度试验结果
浸水时间
理论相对密度
毛体积相对密度
空隙率
沥青饱和度
矿料间隙率
稳定度
MS0
h
—
—
%
%
%
kN
%
0.5h
2.568
2.477
3.6
78.8
16.7
8.31
95.1
48h
2.568
2.473
3.7
77.7
16.8
7.91
以油石比5.9%制作2组马歇尔试件,分别测试未冻融循环与冻融循环后试件的劈裂抗拉强度,其测试结果见表2-13。
表2-13冻融劈裂强度比
测试指标
试件高度
毛体积相对密度
空隙率
饱和度
矿料间隙率
试验荷载
劈裂抗拉强度
TSR
mm
—
%
%
%
kN
MPa
%
未冻融
63.9
2.473
3.7
77.7
16.8
5.21
0.513
90.6
冻融后
64.2
2.469
4.0
76.6
17.0
4.74
0.464
浸水残留稳定度高于公路沥青路面施工技术规范中的技术要求80%;冻融劈裂强度比亦高于公路沥青路面施工技术规范中的技术要求80%。
(4)渗水系数检验
以油石比5.9%成型三组车辙试件,分别测试渗水系数,测试结果见表2-14。
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