CN112376349A - 一种长寿命柔性基层沥青路面结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长寿命柔性基层沥青路面结构，属于路面结构技术领域。路面结构从上至下依次包括：沥青混凝土上面层，其厚度为3~6cm；高模量抗车辙型沥青混凝土中面层，其厚度为6~12cm；高模量沥青混凝土下面层，其厚度为8~16cm；抗疲劳沥青混凝土层，其厚度为4~6cm；级配碎石基层，其厚度为10~16cm；强化级配碎石底基层，其厚度为12~18cm；路基改良土层。本发明的长寿命柔性基层沥青路面结构，解决了其一直存在的固有反射裂缝弊端，从环境和资源角度减少非可再生资源碎石集料的消耗，并且克服了沥青路面服役寿命设计与服役状态评估不明确问题。

Description

一种长寿命柔性基层沥青路面结构

技术领域

本发明属于路面结构技术领域，更具体地说，涉及一种长寿命柔性基层沥青路面结构。

背景技术

沥青路面是指在矿质材料中掺入路用沥青材料铺筑的各种类型的路面，沥青结合料提高了铺路用粒料抵抗行车和自然因素对路面损害的能力，使路面平整少尘、不透水、经久耐用，因此，沥青路面是道路建设中一种被最广泛采用的高级路面。

半刚性基层沥青路面是目前我国高速公路的主要结构形式，虽有广泛的应用，但其具有难以克服的弊端：1、由于无机结合料稳定基层的干缩、温缩行为，在使用过程中将产生大量的裂缝，使得结构的模量与设计时的取值不符；2、基层的裂缝将向上反射至沥青面层，使其出现大量的横向裂缝；3、沥青层与无机结合料稳定基层的孔隙率差异易在沥青层底产生水损害等。虽然部分病害可以通过及时的养护手段使结构继续服役，然而当结构达到使用寿命时，面临的是全深度范围内的结构损坏，全寿命周期内的经济性效益较差。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，根据本发明的一方面，提供了一种长寿命柔性基层沥青路面结构，路面结构从上至下依次包括：

沥青混凝土上面层，其厚度为3～6cm；

高模量抗车辙型沥青混凝土中面层，其厚度为6～12cm；

高模量沥青混凝土下面层，其厚度为8～16cm；

抗疲劳沥青混凝土层，其厚度为4～6cm；

级配碎石基层，其厚度为10～16cm；

强化级配碎石底基层，其厚度为12～18cm；

路基改良土层。

柔性基层沥青路面可以从源头上克服反射裂缝等病害，当沥青层达到一定厚度后，沥青层底的拉应变将足够小，使其不发生疲劳破坏，成为一种永久结构，此外，该种结构的主要病害只发生在表面层，并且由于柔性基层的模量较低，面层中部的最大剪切应力水平小于半刚性基层沥青路面结构，更有利于结构的抗车辙性能；在全寿命周期中，只需对表面层进行翻修或加铺罩面等养护手段，修复表面层可能产生的病害即可，虽然在前期的造价高于半刚性基层沥青路面结构，但由于沥青层层底不发生疲劳裂缝，理论上这种结构将是永久性路面结构；并且，本方案的该种结构的主要材料只有沥青混合料、级配碎石两种，能够被最大程度的重复利用，全寿命周期内的经济效益良好。

进一步地，柔性基层沥青路面中，基层常使用的材料为级配碎石；级配碎石为一种散体粒料基层，具有一定的变形协调能力，能够减小路基的不均匀沉降对于表面平整度、面层应力状态的影响；然而级配碎石是一种典型的非线性本构材料，其模量值随着应力水平的提高而提高；因此，在深度范围内，级配碎石层的模量是逐层递减的，本方案针对这一特点，将级配碎石层分为级配碎石基层和强化级配碎石底基层，以提高级配碎石的质量。

当路基刚度不足时，产生的不均匀沉降将影响表面的平整性，影响行车的舒适性或安全，甚至造成表面的局部开裂；因此，本实施例采用路基改良土层，可以合理控制路基处的刚度及其均匀性，对于结构整体的承载力、耐久性等有着十分有益的影响。

根据本发明实施例的长寿命柔性基层沥青路面结构，可选地，所述沥青混凝土上面层为密级配沥青混合料或者沥青玛蹄脂碎石混合料。

根据本发明实施例的长寿命柔性基层沥青路面结构，可选地，所述高模量抗车辙型沥青混凝土中面层为硬质沥青混合料或者高模量改性沥青混合料。

密级配沥青混合料或者沥青玛蹄脂碎石混合料形成的沥青混凝土上面层，配合硬质沥青混合料或者高模量改性沥青混合料形成的高模量抗车辙型沥青混凝土中面层，能够有效降低上面层的应力水平，延缓至上而下的剪切疲劳裂缝发展，避免面层在高温下发生塑性流动。

根据本发明实施例的长寿命柔性基层沥青路面结构，可选地，所述高模量抗车辙型沥青混凝土中面层在60℃的动稳定度≥10000次/mm；在70℃的动稳定度≥5000次/mm；在20℃的动态模量≥12000MPa。

本方案对高模量抗车辙型沥青混凝土中面层在不同温度下的动稳定度及动态模量进行了下限值的限定，在本申请中，中面层结构为主要的抗车辙层，较高的动稳定度及动态模量对整体结构的高温稳定性提升影响显著。

根据本发明实施例的长寿命柔性基层沥青路面结构，可选地，所述高模量沥青混凝土下面层为高模量改性沥青混合料。

高模量改性沥青混合料形成的高模量沥青混凝土下面层，配合本申请的密级配沥青混合料或者沥青玛蹄脂碎石混合料形成的沥青混凝土上面层，以及硬质沥青混合料或者高模量改性沥青混合料形成的高模量抗车辙型沥青混凝土中面层，能够有效防止单单提高中面层模量或下面层模量过低带来的中面层层底疲劳问题，保证搭配后的中、下面层在结构中作用依次为抗车辙、应力消散。

根据本发明实施例的长寿命柔性基层沥青路面结构，可选地，所述高模量沥青混凝土下面层在20℃的动态模量≥12000MPa。

本申请的结构中下面层为最主要的应力扩散层，提高该层的动态模量，能够加快应力的消散，能有效解决级配碎石层的永久变形、路基的不均匀沉降等问题，因此，本方案，对其动态模量进行了下限值的限定。

根据本发明实施例的长寿命柔性基层沥青路面结构，可选地，所述抗疲劳沥青混凝土层为密级配沥青混合料或者沥青玛蹄脂碎石混合料。

本方案的密级配沥青混合料或者沥青玛蹄脂碎石混合料行程的抗疲劳沥青混凝土层，配合本申请的上、中、下面层的组成结构，能够有效避免由于结构模量提高带来的下面层层底疲劳性能不足的问题，使用本方案的单独抗疲劳层置于面层层底，能够有效保证结构不发生至下而上的疲劳裂缝，从而符合长寿命路面的要求。

根据本发明实施例的长寿命柔性基层沥青路面结构，可选地，所述强化级配碎石底基层由如下材料构成：粗集料、细集料、水泥、外加剂和纤维材料；所述外加剂为减水剂、阻裂剂或减缩剂中的一种；所述纤维材料为玻璃纤维、聚酯纤维或钢纤维中的一种。

本方案中，将传统的单独级配碎石基层结构改良为级配碎石基层和强化级配碎石底基层二者配合的结构，克服了传统级配碎石层由于应力依赖的本构关系，造成结构模量随深度递减的问题；将二者组合能够充分发挥柔性基层的优点，有效保障所述长寿命路面的稳定性与耐久性。

进一步地，本方案中强化级配碎石底基层由如下材料构成：粗集料730份，细集料260份，水泥8份，外加剂1份，纤维1份，其中，水泥的用量不超过构成强化级配碎石底基层总量的1％，且采用低标号、水化热小即干缩性小的水泥，最终形成的强化级配碎石底基层可使级配碎石层的强度将有所提高，并且不易发生干缩、温缩开裂，造成模量的迅速衰变，可以有效解决级配碎石层模量随深度递减的情况。

根据本发明实施例的长寿命柔性基层沥青路面结构，可选地，所述强化级配碎石底基层的动态模量为800～1200MPa。

根据本发明实施例的长寿命柔性基层沥青路面结构，可选地，所述路基改良土层由在路基土层中掺入水泥或石灰的改良土构成。

本方案对路基处的土层进行改良，在路基现有的土层中掺入水泥或者石灰进行改良，更具体的说，路基改良土层从上至下分为改良土路床、改良土上路堤和改良土下路堤，其中，改良土路床由该处的路基土层加入其质量分数8％的石灰或6％的水泥形成；改良土上路堤和改良土下路堤均由对应处的路基土层加入其质量份数6％的石灰或4％的水泥形成；通过本方案的路基改良土层，保证路基结构的稳定性，避免整体结构由于路基的不均匀变形发生破坏。

进一步地，本方案的路基改良土层，其顶面的当量回弹模量≥150MPa。

通过对路基改良土层顶面的当量回弹模量的下限值进行限定，可以改善整体结构的应力分布，从而提高该处结构的稳定性与耐久性。

与现有的半刚性沥青路面相比，本发明的长寿命柔性基层沥青路面结构，解决了其一直存在的固有反射裂缝弊端，从环境和资源角度减少非可再生资源碎石集料的消耗，并且克服了沥青路面服役寿命设计与服役状态评估不明确问题。

有益效果

相比于现有技术，本发明提供的技术方案具至少有如下有益效果：

(1)本发明的长寿命柔性基层沥青路面结构，引入了抗疲劳层，能够进一步降低沥青层层底发生疲劳开裂可能，进一步保证结构的使用寿命；

(2)本发明的长寿命柔性基层沥青路面结构，对中面层及下面层的模量提出了要求，能够提高该处结构的抗车辙性能，并且高模量的中、下面层将进一步降低抗疲劳层层底拉应变水平，再次提高结构的使用寿命；

(3)本发明的长寿命柔性基层沥青路面结构，将常规的级配碎石层分为两层，并对下层进行了一定的处理，一方面由于加入微量、低标号的水泥，并且添加了抗裂剂、纤维等外加材料，使级配碎石基层的强度将有所提高，并且不易发生干缩、温缩开裂，造成模量的迅速衰变，可以解决级配碎石层模量随深度递减的情况；另一方面，由于级配碎石基层模量的提高，级配碎石上基层的应力水平较典型结构有所增加，进一步提高了该层的刚度；此外，本发明的级配碎石基层配合强化级配碎石底基层的方案将进一步降低沥青层层底的拉应变；

(4)本发明的长寿命柔性基层沥青路面结构，对路基的处理提出了明确的要求，显著降低了结构型车辙发生的可能性，提高了行车的舒适性、安全性以及整体结构的耐久性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1示出了本发明的长寿命柔性基层沥青路面结构示意图；

图2示出了实施例1与对比例1的竖向应力对比图；

图3示出了实施例1与对比例1的剪切应力对比图；

图4示出了实施例3与对比例2的竖向应力对比图；

图5示出了实施例3与对比例2的剪切应力对比图；

附图标记：

1、沥青混凝土上面层；2、高模量抗车辙型沥青混凝土中面层；3、高模量沥青混凝土下面层；4、抗疲劳沥青混凝土层；5、级配碎石基层；6、强化级配碎石底基层；7、路基改良土层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。

对比例1

本对比例为传统沥青路面的一种结构形式，其组成结构从上而下由：上面层、中面层、下面层、级配碎石基层、级配碎石底基层和路基构成，各层的厚度、模量、泊松比等参数如下表所示：

材料	厚度/m	模量/MPa	泊松比
				SMA-13	0.04	11000	0.25
SUP-20	0.08	10000	0.25
				SUP-25	0.16	11000	0.25
级配碎石基层	0.12	400	0.35
				级配碎石底基层	0.12	300	0.35
路基		60	0.40

本对比例的中、下面层材料无特殊的高模量要求，不设置抗疲劳层，级配碎石底基层不作加强处理，路基土材料不做改良处理。

对比例2

本对比例为传统沥青路面的另一种结构形式，其组成结构从上而下由：上面层、中面层、下面层、级配碎石基层、级配碎石底基层和路基构成，各层的厚度、模量、泊松比等参数如下表所示：

材料	厚度/m	模量/MPa	泊松比
				SMA-13	0.06	11000	0.25
SUP-20	0.12	10000	0.25
				SUP-25	0.16	11000	0.25
级配碎石基层	0.16	400	0.35
				级配碎石底基层	0.18	300	0.35
路基		60	0.40

本对比例的中、下面层材料无特殊的高模量要求，不设置抗疲劳层，级配碎石底基层不作加强处理，路基土材料不做改良处理。

实施例1

本实施例的长寿命柔性基层沥青路面结构，如图1所示，组成如下：

沥青混凝土上面层1，其材料为SMA-13；

高模量抗车辙型沥青混凝土中面层2，其材料为SUP-20；

高模量沥青混凝土下面层3，其材料为SUP-25；

抗疲劳沥青混凝土层4，其材料为AC-10；

级配碎石基层5；

强化级配碎石底基层6；

路基改良土层7，其由6％水泥的改良土路床、4％水泥的改良土上路堤和4％水泥的改良土下路堤构成。

各层的厚度、模量、泊松比等参数如下表所示：

材料	厚度/m	模量/MPa	泊松比
				SMA-13	0.04	11000	0.25
SUP-20	0.08	12000	0.25
				SUP-25	0.16	12000	0.25
AC-10	0.04	10000	0.25
				级配碎石基层	0.12	400	0.35
强化级配碎石基层	0.12	1000	0.35
				6％水泥改良土路床	1.20	250	0.40
4％水泥改良土上路堤(压实度≥94％)	0.80	200	0.40
				4％水泥改良土下路堤(压实度≥93％)	1.20	180	0.40
地基		60	0.40

经弹性层状体系理论计算的竖向应力如图2所示。可以看出，实施例1在基层的竖向应力较对比例1略微增加，使得级配碎石基层5的全应力增大，进而提高其模量，对整体结构非常有利；此外，虽然实施例1路基顶面的压应力较对比例1大，但是由于路基强度提高，压应变水平很低，仅有56.34με，而对比例1路基顶面的压应变则有148με。

经弹性层状体系理论计算的剪切应力如图3所示。可以看出，实施例1由于基层模量较高，中面层附近的剪切应力水平较对比例1高，但是由于本实施例采用了高模量抗车辙的中下面层材料，结构的抗车辙性能将大幅提高，足以应对该种应力变化，此外，相较于对比例1，实施例1中沥青面层层底的剪切应力水平较低，能够有效防止面层层底发生剪切疲劳。

经弹性层状体系理论计算，100kN标准轴作用下的沥青层层底拉应力在实施例1及对比例1中的最大值分别为29.88με和47.35με。依据我国现行规范《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中的计算方法计算，可以得到沥青层层底允许作用的次数分别为4.882×10⁷次以及2.263×10⁷次，即实施例1在寿命上较对比例提高了至少2倍。

实施例2

本实施例的长寿命柔性基层沥青路面结构，如图1所示，组成如下：

沥青混凝土上面层1，其材料为SMA-13；

高模量抗车辙型沥青混凝土中面层2，其材料为SUP-20；

高模量沥青混凝土下面层3，其材料为SUP-25；

抗疲劳沥青混凝土层4，其材料为AC-10；

级配碎石基层5；

强化级配碎石底基层6；

路基改良土层7，其由6％水泥的改良土路床、4％水泥的改良土上路堤和4％水泥的改良土下路堤构成。

各层的厚度、模量、泊松比等参数如下表所示：

材料	厚度/m	模量/MPa	泊松比
				SMA-13	0.03	11000	0.25
SUP-20	0.06	12000	0.25
				SUP-25	0.08	12000	0.25
AC-10	0.04	10000	0.25
				级配碎石基层	0.10	400	0.35
强化级配碎石基层	0.12	800	0.35
				6％水泥改良土路床	1.20	250	0.40
4％水泥改良土上路堤(压实度≥94％)	0.80	200	0.40
				4％水泥改良土下路堤(压实度≥93％)	1.20	180	0.40
地基		60	0.40

经弹性层状体系理论计算，实施例2的疲劳控制层层底拉应变为55με，符合永久路面理念中拉应变<65με的条件，可以初步判定其符合长寿命路面的标准。

依据我国现行规范《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中的计算方法，以沥青层层底的疲劳应变为基础，可以得到其允许作用的疲劳次数为1.305×10⁷次，满足常规条件下轻交通的标准。

以规范计算沥青层永久变形的公式为基础，计算得到的沥青层永久变形为15.13mm，符合我国现行规范的标准。

实施例3

本实施例的长寿命柔性基层沥青路面结构，组成如下：

沥青混凝土上面层1，其材料为SMA-13；

高模量抗车辙型沥青混凝土中面层2，其材料为SUP-20；

高模量沥青混凝土下面层3，其材料为SUP-25；

抗疲劳沥青混凝土层4，其材料为AC-10；

级配碎石基层5；

强化级配碎石底基层6；

路基改良土层7，其由6％水泥的改良土路床、4％水泥的改良土上路堤和4％水泥的改良土下路堤构成。

各层的厚度、模量、泊松比等参数如下表所示：

材料	厚度/m	模量/MPa	泊松比
				SMA-13	0.06	11000	0.25
SUP-20	0.12	12000	0.25
				SUP-25	0.16	12000	0.25
AC-10	0.06	10000	0.25
				级配碎石基层	0.16	400	0.35
强化级配碎石基层	0.18	1200	0.35
				6％水泥改良土路床	1.20	250	0.40
4％水泥改良土上路堤(压实度≥94％)	0.80	200	0.40
				4％水泥改良土下路堤(压实度≥93％)	1.20	180	0.40
地基		60	0.40

经弹性层状体系理论计算，100kN标准轴作用下的沥青层层底拉应力在实施例3及对比例中2的最大值分别为20.63με和31.68με，依据我国现行规范《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中的计算方法计算，可以得到沥青层层底允许作用的次数分别为2.361×10⁸次以及4.270×10⁷次，可以看出二者均符合特重交通的需求，但实施例3在寿命上较对比例2提高了至少5倍；倘若经过特定的表面养护，对比例2可以满足设计寿命15年的要求，则实施例3的结构在理论上的寿命将超过100年，这是一种经济效益十分可观的结构。

依据我国现行规范《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中的计算方法计算沥青层的永久变形，得到实施例3的永久变形为10.89mm，而对比例的永久变形为13.77mm，均满足现行规范的标准。

经弹性层状体系理论计算的竖向应力如图4所示。可以看出，实施例3在基层的竖向应力较对比例2略微增加，使得级配碎石基层5的全应力增大，进而提高其模量，对整体结构非常有利；此外，虽然实施例3路基顶面的压应力较对比例大，但是由于路基强度提高，压应变水平很低，仅有37με，而对比例2路基顶面的压应变则有103με。因此在理论上，实施例3几乎不可能发生荷载作用导致的路基不均匀沉降问题。

经弹性层状体系理论计算的剪切应力如图5所示。可以看出，实施例3由于基层模量较高，中面层附近的剪切应力水平较对比例2高，但是由于本实施例3采用了高模量抗车辙的中下面层材料，结构的抗车辙性能将大幅提高，以应对该种应力变化。此外，相较于对比例2，实施例3中沥青面层层底的剪切应力水平降低量相当可观，能够有效防止面层层底发生剪切疲劳，进一步保证结构下部不产生疲劳裂缝。

本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种长寿命柔性基层沥青路面结构，其特征在于，路面结构从上至下依次包括：

沥青混凝土上面层，其厚度为3~6cm；

高模量抗车辙型沥青混凝土中面层，其厚度为6~12cm；

高模量沥青混凝土下面层，其厚度为8~16cm；

抗疲劳沥青混凝土层，其厚度为4~6cm；

级配碎石基层，其厚度为10~16cm；

强化级配碎石底基层，其厚度为12~18cm；

路基改良土层。

2.根据权利要求1所述的一种长寿命柔性基层沥青路面结构，其特征在于：所述沥青混凝土上面层为密级配沥青混合料或者沥青玛蹄脂碎石混合料。

3.根据权利要求1所述的一种长寿命柔性基层沥青路面结构，其特征在于：所述高模量抗车辙型沥青混凝土中面层为硬质沥青混合料或者高模量改性沥青混合料。

4.根据权利要求3所述的一种长寿命柔性基层沥青路面结构，其特征在于：所述高模量抗车辙型沥青混凝土中面层在60℃的动稳定度≥10000次/mm；在70℃的动稳定度≥5000次/mm；在20℃的动态模量≥12000MPa。

5.根据权利要求1所述的一种长寿命柔性基层沥青路面结构，其特征在于：所述高模量沥青混凝土下面层为高模量改性沥青混合料。

6.根据权利要求5所述的一种长寿命柔性基层沥青路面结构，其特征在于：所述高模量沥青混凝土下面层在20℃的动态模量≥12000MPa。

7.根据权利要求1所述的一种长寿命柔性基层沥青路面结构，其特征在于：所述抗疲劳沥青混凝土层为密级配沥青混合料或者沥青玛蹄脂碎石混合料。

8.根据权利要求1所述的一种长寿命柔性基层沥青路面结构，其特征在于，所述强化级配碎石底基层由如下材料构成：粗集料、细集料、水泥、外加剂和纤维材料；所述外加剂为减水剂、阻裂剂或减缩剂中的一种；所述纤维材料为玻璃纤维、聚酯纤维或钢纤维中的一种。

9.根据权利要求1所述的一种长寿命柔性基层沥青路面结构，其特征在于：所述强化级配碎石底基层的动态模量为800~1200MPa。

10.根据权利要求1所述的一种长寿命柔性基层沥青路面结构，其特征在于：所述路基改良土层由在路基土层中掺入水泥或石灰的改良土构成。

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