永久性路面与结构材料性能
道阻且长 行则将至
道阻且长行则将至作者：暂无来源：《科学中国人》 2019年第24期杜月娇交通是兴国之要、强国之基。
截止到2018年年底，全国的公路里程达485万公里，其中高速公路总里程已达14.3万公里，位列世界第一。
在这些令世人瞩目的成就背后，离不开无数交通科研工作者的默默奉献和辛勤付出，而山东省交通科学研究院道路基础研究中心团队就是他们中的杰出代表。
依托“山东省道路结构与材料重点实验室”“高速公路养护技术交通行业重点实验室”“山东省混凝土材料与桥梁结构工程技术研究中心”等省部级平台，山东省交通科学研究院道路基础研究中心着力打造创新工作室、创新团队、学术带头人“三位一体”的创新组织架构，持续聚焦交通基础设施性能、安全、智慧提升等技术热点研究，组建了“‘道可道’耐久性道路创新工作室”“‘砾青途治’新材料创新工作室”“‘砼芯同创’混凝土及结构创新工作室”以及“耐久性道路”“高性能沥青材料”“高性能混凝土”“道路质量提升技术”“大宗固废资源化路用”“智能感知与交通大数据”“路域交通安全”等创新团队，先后被授予“山东省创新型班组”“山东省工人先锋号”“全国工人先锋号”等诸多荣誉称号。
“道路基础研究中心是我院开展交通科研创新工作的中坚力量。
多年来，我们始终不忘初心，牢记使命，坚持以交通科研创新为引领，以弘扬劳模精神、‘工匠’精神为己任，不断培育、壮大交通科研创新团队，从而凝聚团队智慧，发挥团队力量，持续增强交通科研创新能力和水平，为我国的公路建设做出了积极贡献。
”山东省交通科学研究院院长王林如是说。
十五年到五十年，打造新一代绿色耐久路面延长路面使用寿命，降低成本能耗，打造新一代路面，是山东省交通科学研究院道路基础研究中心团队追求的目标。
经过十多年的持续攻关，他们解决了表面材料早期水损坏，重载交通车辙、疲劳开裂等问题，向着新一代绿色、耐久、智慧道路不懈前进。
“传统的沥青路面寿命设计为15年，而永久性沥青路面能达到50年以上。
沥青路面设计控制指标
沥青路面设计控制指标
➢ 5.控制面层的剪切推移指标 在交叉路口、停车站等汽车经常起动、制动的地方，由于垂直荷载
和水平荷载共同作用，加上车轮的冲击、振动，而在沥青面层表面引起 推移、拥包现象。为防止沥青面层表面产生推移和拥起，可采用面层表 面轮载边缘处的剪应力为控制标准，以保证外力作用下产生的剪应力小 于面层材料的抗剪强度。也就是在车轮的垂直力和水平力的共同作用下， 面层破裂面可能产生的剪应力（由弹性层状体系理论计算的各应力分量 求得），应不超过材料的容许剪应力，即：
➢ 3.控制车辙指标 路面的车辙同荷载应力大小，重复作用次数以及结构层和土基的性
质有关。有代表性的控制车辙深度的指标有两种：一种是路面各结构层 包括土基的残余变形总和；另一种是路基表面的垂直变形。
沥青路面设计控制指标
对于通过残余变形总和控制可表示为：
路基表面的垂直应变标准，可表示为：
沥青路面设计控制指标
这项设计标准通常用于城市道路的停车站、交叉口等车辆频繁制动 地段及紧急制动路段的沥青路面设计，也可用于有特殊要求的公路沥青 路面设计。对于同沥青混合料的粘聚力和内摩阻角有关的容许剪应力 ， 其取值应考虑路面的温度状况。
沥青路面设计控制指标
车辙 车辙是高速公路、一级公路沥青路面最为严重、最为常见的病害之一， 车辙若不及时处理雨天对行车构成极大的威胁，造成车辆侧滑，甚至翻车。 ➢ 1.车辙产生的原因 a.荷载因素：重载超载情况，轮胎压力，车速快慢，交通渠化程度等等。 其中：车速与车辆类型、载荷情况、道路线形、坡路长短等有关 b.路表温度：路表温度与气温、日照、降雨、路面的热物理性能、路面 两侧植被等情况有关 c.结构与路面材料因素：沥青层厚度、基层的整体刚度、沥青路面级配 类型、沥青用量、沥青与矿料等原材料的路用性能等因素有关 d.施工因素：原材料的质量控制、拌和时的配比、温度等质量控制，运 输、摊铺时的离析控制，压实过程中的压实度控制等因素有关
国外沥青路面设计简介
√
英国
√(水稳碎石)
√
√
法国
薄沥青层 厚粒料基层
厚沥青层 下卧底基层
半刚性基层
混合式
全厚式
粒料基层
主要路面结构
国家
※
※
俄罗斯
※
※
※
法国
※
※
※
比利时
※
※
诺丁汉大学
※
※
※
※
南非
※
※
日本
※
※
※
澳大利亚
※
※
※
SHELL
补强※
※
※
AI
路表 弯沉
永久变形
粒料层剪 切应力
路基顶面 压应变
稳定粒料 层拉应力
路基膨胀或冻胀考虑——路基膨胀或冻胀造成PSI的损失。 每一个特定地区给出了膨胀或冻胀造成的PSI损失随时间的变化曲线（△PSISV~t △PSIFH ~t ） 设计方法： 估计路面使用年限（年） 查图得出相应△ PSI SV、FH 从设 计总服务能力损失(△PSI ）中扣除△ PSISV、FH，得到完全由 交通荷载引起的△PSITR △PSIIR查AASHTO路面设计图得到 累计交通量（ESAL） 根据交通量随时间变化图得到允许的使 用年限 ,与初始估计的使用年限相比，两者相差1年则可，否 则重新计算，直至收敛。
AASHTO（200x修订版）的修订要点
◎ 对沥青路面、水泥混凝土路面、复合路面提供一个通用的设计方法；反映了交通、气候环境、路基、可靠性的共同的设计要求。 ◎ 适用于新建和重建路面的结构设计，设计项目包括计算路面结构各层的厚度、重建的方法、地下排水设施、路基改善等等。 ◎ 将使用周期效益成本分析的方法作为该设计方法的一个子程序。
路面结构层次划分路面分类_OK
路面分类
2021/9/5
1
路面结构及层位功能
• 路面横断面：
图5中央分布带不设置排水设施
单向路拱
图6中央分布带设排水设施
两侧路面分别在中间设路拱双向排水
• 路拱横坡：
为排掉路面上的水，路肩横坡比路面大1%～2%
• 路面结构分层及层位功能：
路面的层层组合称为路面结构。在行车荷载和自
度、抗滑、耐磨，使用高质量的材料。 在沥青路面中，沥青层的厚度<18cm时，国际上普遍认为，沥青层越薄越易产生车辙，>
18cm与厚度没有关系了。
6
路面结构刨面图
抗滑磨耗层
面
沥青中面层
层
沥青底面层
基层
垫层
土基 7
图7 高速公路沥青路面结构 8
图8 高速公路和一级公路水泥混凝土路面
9
• 世界上，普遍采用三层式沥青面层。
Limit Compression 受压极限
18
Guangdong Pavement Trial 广东实验路
21 c m
45 c m
Hot Mix Asphalt L ayers
热拌沥青混合 C料em层ent Treated/Stabilized G
ranular Base
水泥稳定粒料基层
Lime Treated/Stabilized Subgr
70 um
15Fatigue LFra bibliotekfe疲劳寿命
Cracking is from the surface
从表面发生的裂缝
16
PERPETUAL PAVEMENT 永久性• 路Su面rface (5 to 8 cm)
路面结构层及道路建筑材料
温缩特性
无机结合料稳定土的外观胀缩性是三相 的不同的温度收缩性的综合效应的结果
水泥稳定类＞石灰粉煤灰稳定类＞石灰稳定类
水泥稳定类
在集料或粉碎的（或原来松散的）土(包括各种粗粒土、中粒
土和细粒土)中，掺入足够数量的水泥和水，经拌和得到的混 合料经摊铺压实及养生后，当其抗压强度符合规定要求时， 称为水泥稳定类材料。
沥 青 稳 定 碎 石
半开级配6~12%
AM
细料少，只有少量填料或不掺矿粉，沥青用量较小，空 隙率大，属嵌锁结构，故热稳定性好，在低温不宜开裂， 但透水性大，强度和耐久性不如沥青混凝土
开级配＞18%
ATPB
由粗集料嵌挤组成，细集料及填料较 少，属骨架空隙结构型沥青混合料。 排水式，只能用于路面排水性基层。
• 用水泥稳定级配碎石、未筛分碎石所得到的混合料称为水泥稳定碎石（水稳） • 用水泥稳定级配砂砾、天然砂砾得到的混合料称为水泥稳定砂砾（水泥砂砾）
• 用水泥稳定粗粒土所得到的混合料称为水泥碎石土
• 用水泥稳定中粒土所得到的混合料称为水泥砾石土 • 用水泥稳定细粒土所得到的混合料，简称水泥土； • 用水泥和石灰、水泥和粉煤灰稳定某种土得到的混合料，简称综合稳定土。
面
沥青混合料
层
粒料面层 材 料
块料面层
复合式路面
上面层
高 速 公 路 沥 青 面 层
抗
滑 层
中面层
至少有一层是I型密级配沥
青混凝土，以防止雨水下
下面层
渗，影响基层和路基。
用作防止雨水渗入的封层和厚度不超过3厘米的磨
耗层在路面力学计算中不作为一个独立的层次来看， 但作用不可忽视。
砂石路面
基 层
• 基层位于面层下面的一个层次。
22.沥青路面设计规范条文解读
沥青混合料动态压缩模量：按5.1.4条规定，依相应水平定。
泊松比
材料泊松比：按下表5.6.1取值。
4 路面结构验算
一般规定 设计指标 交通、材料和环境参数 路面结构验算流程
一般规定
弹性层状体系理论：
路面结构方案选定：
设计指标
路面结构方案验算设计指标选择：
不同设计指标的力学响应点位置：
面层材料类型选用：参照表4.5.2。
对抗滑、排水或降噪有特殊要求的表面层：可采用开级配的沥 青混合料。表面层下应设防水层。防水层：可采用改性乳化沥 青或改性沥青。
不同粒径沥青混合料层厚：符合表4.5.4规定。
密级配沥青混合料和SMA的结构层厚度不小于集料公称最大粒 径的2.5倍。开级配沥青混合料的结构层厚度不小于集料公称最 大粒径的2.0倍。
一般规定
路面材料：依据公路等级、交通荷载等级、气候条件、各结构 层功能要求和当地材料特性等，经技术经济论证后设计并确定 材料设计参数。 原材料性质要求和混合料组成及性质要求：符合《公路沥青路 面施工技术规范》（JTG F40），和《公路路面基层施工技术 细则》（JTG/T F20）的规定，结合工程特点和当地经验确定。
交通、材料和环境参数
累计当量设计轴载作用次数计算：
结构验算时结构层模量取值：
温度调整系数及等效温度：
路面结构验算流程
路面结构验算流程： 1.调查分析交通参数（附录A），确定交通荷载等级。 2.根据路基土类、地下水位高度确定路基干湿类型和湿度状况， 按规范要求，并结合现行《公路路基设计规范》（JTG D30） 的规定，确定路基顶面回弹模量及必要的路基改善措施。 3.根据设计要求，收集所在地区的常用路面结构组合和材料性 质要求，分析影响路面结构设计的其他因素，初拟路面结构组 合和厚度方案，选取设计指标。
路面结构层和常用材料
砂石路面
基层
• 基层位于面层下面的一个层次. • 主要承受来自于面层的垂直力,并将力传递到底基层、
垫层或土基上. • 基层是承重层. • 具有良好的扩散应力的能力.应具有足够的强度和一
定的刚度,具有一定的水稳定性. • 基层表面要有较好的平整度,这是保证面层平整性的
基本条件.
基层
❖ 修筑基层的材料主要有结合料稳定类<有机结合料和无机结 合料〕和无机结合料的粒料类及刚性类.
• 在高速和一级公路上水泥混凝土面板下,二灰土也 不应用作基层.
半刚性类基层总结
水泥稳定集料类、二灰稳定集料类适用于各级的基层、底基层
冰冻地区、多雨潮湿地区,二灰稳定集料类宜用于高速、一 级的底基层
石灰稳定类材料宜用于各级公路的底基层及三、四级公路的 基层,作为二级公路的基层要视路面的好坏,路面好,不行
的
力 学
干缩特性
水分挥发和混合料内部的水化作用,混 合料的水分会不断减少,引起收缩
特
性
温缩特性
无机结合料稳定土的外观胀缩性是三相 的不同的温度收缩性的综合效应的结果
水泥稳定类＞石灰粉煤灰稳定类＞石灰稳定类
水泥稳定类
在集料或粉碎的〔或原来松散的〕土<包括各种粗粒土、中粒 土和细粒土>中,掺入足够数量的水泥和水,经拌和得到的混合 料经摊铺压实及养生后,当其抗压强度符合规定要求时,称为 水泥稳定类材料.
水泥土和二灰土宜用于各级公路的底基层,不应作为高级沥 青路面和水泥混凝土面板的基层
水泥类 优于 二灰类 优于 石灰类 碎 石 优于 碎砾石 优于 砾 石 优于 土
无粘结粒料类〔碎石、砾石类〕
无粘结粒料类〔碎石、砾石类〕
无粘结粒料类〔碎石、砾石类〕
车辙试验永久变形量
车辙试验永久变形量一、引言车辙试验是一种常用于道路工程中的测试方法，通过模拟车辆在路面上行驶产生的变形，来评估路面的质量和承载能力。
其中，永久变形量是衡量路面变形程度的指标之一。
本文将对车辙试验的永久变形量进行全面、详细、完整和深入的探讨。
二、车辙试验概述车辙试验是通过在路面上安装一辆载重车辆进行模拟试验，以测试路面在不同荷载下的变形情况。
在试验过程中，车辆会多次行驶在同一轨道上，通过测量轮胎在路面上的碾压深度和宽度，可以获得路面的永久变形量。
三、永久变形量的含义和影响因素永久变形量是指路面在车辙试验过程中所产生的不可恢复的变形量。
它反映了路面在长期使用后的变形程度，直接影响着路面的平顺性、舒适度和安全性。
永久变形量的主要影响因素包括材料的力学性质、路面结构的设计和施工质量等。
3.1 材料的力学性质路面材料的力学性质包括弹性模量、粘弹性和塑性等。
弹性模量越大，材料的回弹能力越强，永久变形量越小；而粘弹性和塑性特性较强的材料，容易产生永久变形。
3.2 路面结构的设计路面结构的设计要合理，包括基层、底层和面层等的选材和厚度设计。
不同层次的结构和材料的组合对永久变形量有显著的影响。
3.3 施工质量施工质量直接影响着路面的变形情况。
施工过程中，包括材料的密实度、摊铺厚度、摊铺质量和压实度等因素都会影响永久变形量。
3.4 载荷特点车辙试验中的载荷特点，如轮胎的荷载大小、轴重、车速等，对永久变形量也有很大的影响。
不同荷载下，路面的变形程度可能会有所不同。
四、评估永久变形量的方法评估路面的永久变形量可以采用不同的方法，包括经验公式法、试验法和数值模拟方法等。
4.1 经验公式法经验公式法是根据过去的试验数据和经验总结得出的计算公式。
它简单易行，但只适用于特定条件下的路面和荷载情况，具有一定的局限性。
4.2 试验法试验法是通过进行车辙试验，直接测量车辙的深度和宽度等指标，从而计算得出永久变形量。
试验法是一种较为准确的评估方法，但成本较高、工作量大。
路面工程习题参考答案
路面工程(第五版)习题参考答案备注：综述题有些只给了大纲，需要加以展开论述。
第一章路面工程概述（课本第一章相关部分）1、路面的功能要求包括哪几个方面？A.强度和刚度（承载能力）B 稳定性（水温稳定性）C 耐久性D 表面平整E 抗滑F 环保性－少尘、低噪音G 辨识性－色彩、车道改变2、对路面有哪些基本要求？(1)具有足够的强度和刚度(2)具有足够的水温稳定性(3)具有足够的耐久性和平整度(4)具有足够的抗滑性(5)具有尽可能低的扬尘性(6)符合公路工程技术标准规定的几何形状和尺寸3、路面结构为什么要分层，水泥混凝土路面和沥青混凝土路面如何进行分层？行车荷载和自然因素对路面的影响，随路面结构深度的增加而逐渐减弱，对结构层材料的强度、抗变形能力和稳定性的要求也随深度的增加而逐渐减弱。
按照使用要求、受力状况、土基支撑条件和自然因素影响程度的不同划分。
通常分为面层、基层和功能层。
水泥混凝土路面：面层（水泥混凝土面板），基层(可分几个亚层),功能性垫层沥青混凝土路面：分层更细，面层、基层均可分几个亚层、在路基与基层间可设功能层。
4、路面结构层位与层位功能(沥青路面与水泥路面不同)面层：面层是直接同行车及大气接触的表面层次，它承受较大行车荷载的垂直力、水平力和冲击力的作用，同时还受到降雨的浸蚀和气温变化的影响，因此，同其它层次相比，它应具有较高的结构强度、抗变形能力和较好的水稳定性与温度稳定性，且应耐磨、不透水，表面还应有良好的抗滑性与平整度。
基层：主要承受由面层传来的车辆荷载垂直力并将其扩散到下面的路基（含垫层及土基），因此，它也应具有足够的强度与刚度，并应具有良好的扩散应力的能力；基层受大气影响较面层小，但仍可能受地下水及面层渗入雨水的浸湿，故也应具有足够的水稳定性；同时，为保证面层平整，它还应具有较好的平整度。
功能层：为保证面层与基层免受土基水温状况变化的不良影响或保护土基处于稳定状态必要时设置功能层。
usa力学—经验设计法（mepdg）综述
美国新力学—经验设计法（MEPDG）综述1、力学—经验设计法（MEPDG）产性背景美国各州公路和运输官员协会(AASHTO)的路面经验设计(MEPDG)方法数十年来一直是美国路面设计的主流方法，该方法采用20世纪50年代末由美国伊利诺伊州的试验路数据建立的路面结构—轴载—使用性能三者间经验关系进行路面结构设计。
由于路面设计经验法存在经验数据的地域局限性等问题，AASHTO 一直在促进研究新的路面设计方法。
随着计算机及其建模技术的提高以及战略公路研究计划(SHRP) 和长期路面性能观测项目(LTPP)不断积累大量重要的路面性能信息，开发一套更加严密的路面设计方法的条件已经成熟。
AASHTO 的新建和改建路面力学) 经验设计指南就是在这一背景下诞生的。
新的路面设计法采用力学加经验的设计方法，使设计人员能够提高路面设计可靠度、预测特定的破坏模式、更好地描述季节/排水对路面的影响以及降低整个路面寿命周期费用。
MEDPG 基于力学一经验原理，为柔性路面、刚性路面及复合路面的设计提供了统一的基础，并采用共同的交通、路基、环境及可靠度设计参数，不但能预测多种路面性能，还在材料、路面结构设计、施工、气候、交通及路面管理系统之间建立了联系。
2、MEPDG 主要设计步骤MEPDG 主要分三个设计步骤川：第一步是建立分析所需的输入值，建立基础分析、路面材料特性及交通数据；第二步是结构—性能分析，经过迭代分析，得出满足性能要求的路面结构；第三步是不同设计方案的工程分析及寿命周期分析。
3、MEPDG 主要设计输入参数MEPDG 的设计输入参数主要有交通资料、气候资料以及路面结构和材料参数。
考虑到设计信息收集的复杂性和成本问题，为所有路面设计都提供完全详尽的信息是不现实的，为此设计指南采用分级的方法，允许设计人员根据工程的重要性和可用的信息灵活地选择设计输入。
这些设计参数分三个等级的输入：①等级1：要求对工程中使用的具体材料的参数进行详细地试验。
《长寿命沥青路面》
试验路的代表弯沉(mm)
04.11 05.7 05.12
1) 长寿命
0.054 0.038 0.118
.
代表弯沉值普遍增大
该高速路的路基施工有特点，凡 土的含水量偏大达不到压实度时, 全用石灰处理，直到离土基顶面0.8m； 上部的0.8m全用8%石灰处理。
.
在此情况下，过一年路面的代表 弯沉值就增大两倍多，能否保持其长 寿命， 应是个问题。
.
(2) 高温抗永久形变能力强
至今矿料级配中，紧密骨架密实结 构SAC的高温抗形变能力最强。例如， AC-20I型，用AH-70时DS约800。 用AH-70的 SAC-20的DS平均2980。 用AH-30的SAC-20的DS平均7000。各 地所用的PmB SMA的DS在4000~7000 之间，用PmB的SAC-13的DS常>9000。
.
(五) 重载LL S-R.P的结构组合设计 3. 面层所用沥青和填料
沥青： 表面层PmB，中面层AH-30，底面 层AH-30 。
填料： 用4%水泥+大理石或石灰石矿粉， 或1.5%~2%消石灰粉+矿粉。
.
(五) 重载LL S-R.P的结构组合设计
4. 面层的层间粘结
为防止降水透过表面层进入面层结 构中导致水破坏，特别当前工地多、力 量分散、加上非技术原因，面层不均匀 性大更需防降水透过表面层。在中面层 上用PmB或CRB铺设粘结防水层，在基 层上用AH-70铺设良好粘结层，能显著 减少水破坏和表面裂缝。
(2) 1992年长-农试验路二灰碎石厚55cm， AC厚9、12和15cm。过一冬每段都有横缝， 12cm段裂缝率最小，15cm厚段裂缝率最大， 9cm段居中；两冬、三冬后仍是这样。西安冬 约 -5OC，长春冬 -26OC，两地得出相同结果。
路面结构路缘石质量控制标准
葫芦岛金湖银河片区综合开发项目路缘石、路面结构质量控制要点批准审核复核编制中国水利水电第999999工程局有限公司东营项目部2020年6月11号目录路面结构、路缘石质量控制标准 (1).1..1 路面设计原则 (1).2..1 设计标准 (1).3..1 交通量预测 (2).4..1 路面结构类型 (2).4.1.1 北二路新建路面结构 (2).4.2.1 省道S228路面结构设计方案 (4).4.3.1 省道S228项目加铺补强及置换基层段旧路病害处治 (6).5..1 沥青路面结构层技术要求及原材料技术要求 (6).5.1.1 沥青混合料矿料级配及配合比设计 (8).6..1 水泥稳定碎石及低剂量水泥稳定碎石施工 (15).7..1 沥青下封层施工 (19).8..1 密级配沥青砼面层的施工（AC-C） (20).9..1 路缘石的施工 (23).10..1 沥青路面路标使用性能要求 (24).10.1.1 路面交工验收弯沉 (24).11..1 路基防护设计方案 (25).11.1.1 路基排水设计 (25)路面结构、路缘石质量控制标准.1..1路面设计原则(1)路面在设计满足项目区域交通和使用功能的前提下，根据当地的气候、水文、地质等自然条件和交通情况,在设计年限内具有足够的承载力、耐久性、安全性的要求。
(2)根据东营市以往城市道路设计经验及施工要求,遵循道路工程新技术的发展方向，开展路面综合设计。
(3)依据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)及《城镇道路路面设计规范》(CJJ 169-2012)，本着因地制宜、合理选材、方便施工、节约投资的原则，进行路面设计方案的技术经济比较，选择经济合理、技术先进并适合该地区情况的路面结构。
.2..1设计标准设计标准：沥青砼路面以双轮组单轴100KN为标准轴载，设计年限15年。
设计理论:沥青路面结构设计采用双圆均布垂直荷载作用下弹性层状连续体系理论计算。
基于结构层寿命递增的耐久性沥青路面设计新思想
Planning and design规划设计89 基于结构层寿命递增的耐久性沥青路面设计新思想李娟（天津城建设计院有限公司武侯区分公司610000）中图分类号：TU7 文献标识码：B 文章编号1007-6344（2019）05-0089-01摘要：在建设现代公路时比较常用的一种材料就是沥青，其应用于公路路面也能取得良好的效果。
近年来我国交通的发展十分迅速，这也对沥青路面的质量提出了更高的要求。
为了能实现延长我国沥青路面使用的寿命这一目标，相关工作人员要深入分析耐久性沥青路面的设计思想，为人们提供更加优良的交通环境。
为此，本文就结构层寿命递增的耐久性沥青路面设计新思想进行深入分析。
关键词：结构层；寿命递增；耐久性；沥青路面设计我国交通行业快速发展的同时，且现代公路主要是以沥青路面为主。
当前很多国家对公路使用寿命的规定都比较短，因此在规定的使用年限之后需要全面进行路面改造工作，同时也需要投入大量的人力与物力，甚至也会严重影响交通环境[1]。
由此可见，当前人们应深入分析沥青路面的使用周期问题。
1 路面结构层寿命设计问题分析我国公路沥青路面设计主要是以各个结构层的寿命设计理念为基础。
由于在较长的路段内汽车荷载与环境等方面的影响较大，因此也就很难保证各个结构层达到预期的使用寿命。
实际的情况是当前我国高速公路路面使用情况能全面实现设计目标，但前期建设量较大，在近段时间内我国每年要进行沥青路面、基层的大修与改造的路段大约有10000km[2]。
这不仅造成了巨大的道路建设养护资金的浪费，同时也造成了交通拥堵以及额外的交通绕行的问题。
设计沥青路面的目的是保证设计的沥青路面在一定的年限内不发生结构性的破坏。
但是就目前我国沥青路面来分析，通常都是没有达到预期的设计寿命，使用10年左右就会出现不同层次的结构破坏问题，因此就需要加铺或者是进行铣刨罩面。
根据我国沥青路面设计的规范来看，在设计沥青路面时要遵循相关的寿命原则来确定出各个结构层的使用年限，忽略了路面的维修养护措施对结构功能与使用功能的恢复，同时也没有考虑到维修与养护方法成本差异问题。
长寿命路面简介-1
长寿命路面（ Long life asphalt pavement，简称LLAP ），是指路面设计寿命超过40年，相对于现有的路面其日常养护要求总费用更低的路面结构。
传统的沥青路面设计寿命为15年，适度增加路面强度及沥青混合料基层厚度的长寿命路面，可以获得50年或50年以上使用寿命。
现在欧洲正在使用的长寿命路面，已经充分证明了是具有良好的经济效益、使用寿命50年以上的良好性能路面。
2.特点长寿命路面具有如下特点：⑴ 在总费用上：初期修建费用很高，日常养护费用较少，总费用效益比最大；⑵ 在设计年限上：至少40年；⑶ 在损坏模式上：路面的损坏只发生在表面层，如表面开裂，不存在结构性破坏；⑷ 在养护维修上：只需要日常养护，不需要进行结构性大修；在道路使用上：能够承受更大的交通量和更重的交通荷载。
3.设计理念欧洲长寿命路面首先在重载交通道路上提出，以期能获得40年以上的使用年限。
其设计基本理念是：获得40年使用年限；结构设计要求考虑设计标准轴次、荷载及轮胎压力及容易维修、施工适应性及施工速度、安全、耐久及可再生性能。
道路部门将这些因素都考虑进去，并最大限度降低对环境的影响。
长寿命路面不仅适用于大交通量道路，经适当的调整后也可用于中、低等级交通量道路。
长寿命路面的提出为交通量急剧增长的道路，特别是重载货物交通道路，提供了较好的设计方法，其路面技术还可以用于对旧路的维修、重建或扩建。
欧洲在19世纪90年代提出了长寿命路面，最早被英国确认，根据Powell等人的理论提出了早期的沥青路面设计方法。
Powell理论主张道路使用20年后，通过对原路面的补强来实现40年的设计寿命。
RL对51条厚沥青路面长期性能调查，并通过对柔性道路40年周期费用经济分析，包括道路路面性能的变异性、交通延误费用、维修相关费用，表明对于重载交通费用，较经济的道路设计就是增加设计年限最少为40年，这样无需结构性维修，以降低道路维修费用，减少道路交通延误，长寿命路面是首选设计方案。
沥青路面新技术、新材料研究及应用进展精选全文
天然沥青
湖沥青、岩沥青
水稳干缩和温缩裂缝 低温开裂 沥青混合料抗裂性能不足
反射裂缝的预防与处治
预防
抗裂水稳 防反射裂缝夹层 应力吸收层 抗疲劳沥青混合料
处治
高性能裂缝修补材料 耐久性沥青混合料罩面
汇报内容
1 我国道路应用现状 2 道路建设新要求 3 沥青路面建设与养护主要对策 4 新技术、新材料创新及应用 5 结语
路面使用现状
交通量增大，重载超载多， 面临严重考验
——早期损坏较多
沥青路面主要病害
表面脱落
坑槽修补不良
桥面白斑
唧浆
推移、拥包网裂来自车辙坑槽钢桥面铺装主要病害
推移、拥包
网裂
坑槽、裂缝 轮迹带纵裂
钢桥面铺装病害成因
破坏类型 开裂
推移、拥包 车辙 坑槽
钢板损坏
7
原因分析 铺装表面承受反复的、较大的拉应力/拉应变 钢板与铺装之间的粘结不足，抗剪切能力不足
主要病害小结
早期损害
病害发生时间：0~2年 原材料质量
往往是多因素 不合理造成的！
粉尘含量高、指标不合理、质量不稳定
混合料设计
级配、空隙率等不合理
粒径与层厚
粒径大、层厚小
施工
离析、压实度不足
早期损害的预防与处治
预防
合理的路面结构 合理的混合料设计 级配稳定 摊铺均匀 压实充分
处治
研究方向及思路——耐久、舒适、安全
结构 研究
建设 管理
沥青路面 研究
材料 技术
施工 技术
新型养护、再生技术 新型改性沥青、添加剂及评价 功能性沥青路面 耐久性沥青混合料 特种铺装材料 …..
新技术、新材料创新发展历程
长寿命(永久性)沥青路面(银川)
长寿命沥青路面结构
三层式沥青路面结构：
抗车辙、耐磨耗的表面层； 抗车辙的中间层； 抗疲劳的基层。
8
结构与受力情况
}4” 高
to 压
6”
力 区
1.5 - 3” SMA, OGFC or Superpave
高模量抗车辙材料 (根据需要变化)
最大拉伸应变
柔性的抗疲劳材料 3 - 4”
路面基础
9
压应变 拉伸应变
应变
无限的 疲劳寿命
疲劳寿命
18
抗疲劳的沥青基层
› 随路面厚度增加，拉伸应变减小； › 较厚的沥青路面 = 低应变； › 应变低于疲劳极限 = 无限的疲劳寿命。
压应变
应变
拉伸应变
无限的 疲劳寿命
疲劳寿命
19
影响抗疲劳性能的因素
• 高有效沥青用量的混合料 =较大的抗变形能力 • 改性沥青胶结料 = 较大的抗变形能力 • HMA的空隙率高于最佳沥青用量时的空隙率，疲劳寿命降低； • 细级配HMA的疲劳寿命较长；
51
加州HVS研究结果
试验了4种不同的表面混合料； 一种3/4”密级配混合料选择了聚合物改
性结合料 (PBA-6A)； PBA-6A 混合料的车辙低于常规材料一半。
52
修复
可能发生的破坏
› 从顶向下的疲劳 › 温度开裂 › 松散
解决办法
› 碾磨与充填 › 薄层罩面
高质量的 SMA, OGFC or Superpave
美国空军的阿拉斯加埃里克森航空站的一个飞机跑 道
爱荷华州东80号州际公路两个路段
马里兰州巴尔的摩华盛顿国际机场的两个飞机跑道
明尼苏达州35号州际公路一个路段
密苏里州44号州际公路一个路段
路面工程习题参考答案2018
路面工程(第五版)习题参考答案备注：综述题有些只给了大纲，需要加以展开论述。
第一章路面工程概述（课本第一章相关部分）1、路面的功能要求包括哪几个方面？A.强度和刚度（承载能力）B 稳定性（水温稳定性）C 耐久性D 表面平整E 抗滑F 环保性－少尘、低噪音G 辨识性－色彩、车道改变2、对路面有哪些基本要求？(1)具有足够的强度和刚度(2)具有足够的水温稳定性(3)具有足够的耐久性和平整度(4)具有足够的抗滑性(5)具有尽可能低的扬尘性(6)符合公路工程技术标准规定的几何形状和尺寸3、路面结构为什么要分层，水泥混凝土路面和沥青混凝土路面如何进行分层？行车荷载和自然因素对路面的影响，随路面结构深度的增加而逐渐减弱，对结构层材料的强度、抗变形能力和稳定性的要求也随深度的增加而逐渐减弱。
按照使用要求、受力状况、土基支撑条件和自然因素影响程度的不同划分。
通常分为面层、基层和功能层。
水泥混凝土路面：面层（水泥混凝土面板），基层(可分几个亚层),功能性垫层沥青混凝土路面：分层更细，面层、基层均可分几个亚层、在路基与基层间可设功能层。
4、路面结构层位与层位功能(沥青路面与水泥路面不同)面层：面层是直接同行车及大气接触的表面层次，它承受较大行车荷载的垂直力、水平力和冲击力的作用，同时还受到降雨的浸蚀和气温变化的影响，因此，同其它层次相比，它应具有较高的结构强度、抗变形能力和较好的水稳定性与温度稳定性，且应耐磨、不透水，表面还应有良好的抗滑性与平整度。
基层：主要承受由面层传来的车辆荷载垂直力并将其扩散到下面的路基（含垫层及土基），因此，它也应具有足够的强度与刚度，并应具有良好的扩散应力的能力；基层受大气影响较面层小，但仍可能受地下水及面层渗入雨水的浸湿，故也应具有足够的水稳定性；同时，为保证面层平整，它还应具有较好的平整度。
功能层：为保证面层与基层免受土基水温状况变化的不良影响或保护土基处于稳定状态必要时设置功能层。
张起森-永久性路面结构与材料性能-070206
最大限度地减少自然资源的使用
采用力学方法进行路面设计，综合考虑疲劳开 裂、车辙和温度开裂
长 沙 理 工 大 学 张总费用 起 森 教 授 博 导
经济性能
传统路面 经济差
永久性路面
使用时间
长 沙 理 工 大 学 张 起 森 教 授 博 导
二、永久性路面设计方法
长 沙 理 工 大 学 张 起 森 教 授 博 导
长 沙 理 工 大 学 张 起 森 教 授 博 导
要应避免以下现象发生
HMA
重复弯曲
导致疲劳开裂
基层
路基 导致 车辙
重复 变形
长 沙 理 工 大 学 张 起 森 教 授 博 导
永久性路面优点
沥青路面寿命可达50年
路面平整，噪音低，摩擦系数高
成本效益高 路面的养护维修仅限于面层 沥青面层可再循环 减少疲劳开裂和车辙损坏
建立新文件 键入文件名
长 沙 理 工 大 学 张 起 森
设计软件应用
•
输入设计参数 路面结构材料和季节参数 交通参数
结构和季节参数
交通参数
教 授 博 导
选择设计参数输入窗口
长 沙 理 工 大 学 张 起 森 教 授 博 导
设计软件应用
•
路面结构材料和季节参数 材料性能和变异性 模量温度调整 性能标准和转换公式：
教 欧洲使用情况简介 授
博 导 中国山东滨州永久性路面试验路
长 沙 理 工• 大 学 张 起 森 教 授
欧洲使用情况简介
1977年德国A5高速公路Frankfurter Kreuz采用的 结构是37mm浇注沥青砼面层+200mm沥青砼基层 +150mm稳定底基层。该高速公路双向日交通量 152000辆/d，重载货车比例为10％～20％，使用17 年后标准轴载次数为125百万次，到现在仍然使用 良好。
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14
总费用
经济性能
传统路面
经济差
永久性路面
使用时间
15
二、永久性路面设计方法
16
永久性路面设计过程
• 设计原理 力学方法
• 设计过程
类似于其它结构设计方法
选择控制点 验算控制标准
拉应变标准 压应变标准
(由下至上设计)
输入材料性能参数 路面分析模型 路面应力和应变 路面变换方程
路面使用寿命
17
力学设计法
材料性能 (模量值)
尽量不让沥青层底拉 应变>65με或路基顶 压应变> 200με
路面模型 路面反应 (应变, 应力等)
转移函数
设计 完成
路面寿命 是否满足?
18
1992年 Monismith 提出力学 设计法的
流程图
19
力学性能标准
ESAL作用下
弯曲拉应变极值 < 65me
➢ 7、SHRP-2。 人、车、路综合研究，提供安全、 可靠、有 效、快速运输服务体系。
4
永久性路面与结构材料性能
5
主要内容
一、永久性路面设计理念 二、永久性路面设计方法 三、表面开裂 四、永久性路面的材料要求 五、目前各地永久性路面状况 六、总结
6
一、永久性路面设计理念
7
定义
perpetual pavement ：指只需定期更换路面 表层（把破坏限制在路面上层），而不需进行 结构性修复或重建，且使用寿命大于50年的沥 青路面。
• full-depth asphalt pavement （全厚式路面） • deep strength asphalt pavement （高强度路面） • long-life asphalt pavement（长寿命路面）
8
设计理念
上面层：抗车辙能力和抗磨耗能力 中间层：抗车辙能力 基层：抗疲劳能力 路基：高强、稳定和坚固
2
➢ 3、2002年AASHTO修改了美国的路面结构设计指 南，2004年正式出版，核心是按“力学—经验法” （MEPDG）进行路面结构设计，提出更加完善的 设计指标和参数。
➢ 4、温拌沥青混合料技术。温拌技术是欧洲Shell等 公司1995年研究开发的，2003年被美国引入并得到 了进一步的发展。2006年、2008年、2011年相继召 开了三次国际会议。2011年由NCHRP（美国国家 合作公路研究计划）编写了“温拌沥青混合料设 计指南”（NCHRP Report 691）。从目前的发展 情况来看，温拌技术完全有可能取代现行的热拌 沥青混合料技术。
最小 ➢ 下面层加强抗疲劳性能 ➢ 上面层加强抗车辙性能
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永久性沥青路面在使用过程中，为保持 其良好的性能和使用寿命，必须定期检 测，当自下而上的疲劳开裂、温度开裂、 车辙等病害达到预定深度时(即达到磨耗 层深度)，就必须采取罩面等措施。对于 永久性沥青路面而言，这点非常关键， 它保证了将病害限制在表层 ，且尽可能 减小未来罩面的附加厚度 （重铺厚度必 须尽可能采用原厚度 ）
12
要应避免以下现象发生
HMA 基层 路基
重复弯曲
重复 变形
导致疲劳开裂
导致 车辙
13
永久性路面优点
沥青路面寿命可达50年 路面平整，噪音低，摩擦系数高 成本效益高 路面的养护维修仅限于面层 沥青面层可再循环 减少疲劳开裂和车辙损坏 最大限度地减少自然资源的使用 采用力学方法进行路面设计，综合考虑疲劳开
9
设计理念
} 40~75mm 高质量SMA、 OGFC 或 Superpave
100 ~
高压力区
150
mm
100~180mm高模量 抗车辙材料
(根据需要定)
最大拉应变
柔性抗疲劳材料 75~100mm
路面基础
10
设计理念
➢ 自下而上进行设计和施工 ➢ 基础（高强、稳定和坚固 ）
➢稳定 ➢将使用期间的季节性变化和体积变化降低到
3
➢ 5、各种改性沥青、高粘沥青的研究与应用，如 SBS，SBR，PE，抗车辙剂，阻燃剂，温拌剂等。 同时出现了许多新的路面结构，如SMA，OGFC， 高模量沥青混合料等。
➢ 6、施工机械和工艺的改进，如现场的再生设备 （热再生，冷再生），双层摊铺一次压实设备 （中联重科研发，湖南最近试用了这种设备，据 说效果不错。）
面层
厚度要求：>200mm
基层
• 永久性变形 控制点位置： 路基顶面 控制标准：压应变 <200µe
路基
永久性路面设计控制点
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设计软件PerRoad 3.0
• 设计软件 软件名称：PerRoad 3.0 软件开发： David Timm, NCAT ，Auburn大学
• 设计软件下载 URL地址： 点击Perpetual Pavement
• 设计软件安装 连击 PerRoad
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三、表面开裂
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表面开裂
过去一般认为沥青路面的开裂是从下到上 的开裂，但近几年欧洲和美国加利福尼亚、 伊利诺伊德克萨斯、肯塔基、弗罗里达等州 调查发现轮迹带出现自上而下纵向裂缝。弗 罗里达大学等对此展开了大量理论和现场调 查研究，并取得了一定成果
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Top down cracking （自上而下的开裂）
长寿命路面和温拌沥青 混合料技术
张起森 长沙理工大学
1
近二十年来路面工程发生了很大变化，出现了许 多新的技术，新的材料和新的工艺。其中主要有： ➢ 1、美国上世纪八十年代末，九十年代初完成的 SHRP计划（公路战署研究计划），依据其主要研究 成果提出了Superpave（超级路面）混合料设计方法。 ➢ 2、1997年英国运输研究所（TRL）Michael Nunn 提出了沥青路面长寿命的概念。二十一世纪初长寿 命的概念引进到了美国，而且有关这方面的研究得 到了长足的发展。2003年在美国Ohio州立大学召开 了第一届国际沥青路面长寿命会议。2005年在美国 芝加哥召开了第一届国际水泥路面长寿命会议。对 长寿命路面进行了定义。
(Monismith, Von Quintus, Nunn, Thompson等人研究发现)
厚 HMA (> 200mm）
基层(as required) 路基
垂直压应变极值 < 200me (Monismith, Nunn等人研究发现)
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力学指标
• 疲劳开裂