瀝青材料土工實驗總結

瀝青混合料是瀝青混凝土混合料和瀝青碎石混合料的總稱。一、瀝青混合料性能試驗[1].瀝青混合料概述

由礦質混合料（粗集料、細集料、填料）和粘結材料（瀝青）適當比例拌合組成。主要包括瀝青混凝土混合料（AC）、瀝青碎石混合料(AM)。

[2].瀝青混合料的技術性質

（1）高溫穩(wěn)定性（2）低溫抗裂性（3）耐久性（4）抗滑性（5）施工和易性[3].高溫穩(wěn)定性

①指瀝青混合料在夏季高溫（通常為60℃）條件下，經車輛荷載長期重復作用后，不產生車轍和波浪等病害的性能。

評價方法：馬歇爾試驗、車轍試驗②馬歇爾試驗

三項指標：馬歇爾穩(wěn)定度、流值和馬歇爾模數(shù)。

馬歇爾穩(wěn)定度（MS）：指標準試件在規(guī)定溫度和加荷速度下，在馬歇爾儀中最大的破壞荷載，單位：kN。越大越好。

流值（FL）：達到最大破壞荷載時試件的垂直變形，單位：mm。越小越好。

馬歇爾模數(shù)（T）：計算得到，穩(wěn)定度除以流值的商，單位：kN/mm；可以間接地反映瀝青混合料的抗車轍能力。越大越好。

③車轍試驗評價指標：動穩(wěn)定度

動穩(wěn)定度：將瀝青混合料制成30Omm×30Omm×50mm的標準試件，在60℃溫度條件下，以一定荷載的輪子(輪壓0.7MPa)，在同一軌跡上作一定時間的反復行走，形成一定的車轍深度，然后計算試件變形1mm所需試驗車輪行走的次數(shù)。越大越好。DS=[4].低溫抗裂性能

定義：瀝青混合料不出現(xiàn)脆裂、低溫縮裂、溫度疲勞等現(xiàn)象,以保證路面在冬季低溫時不產生裂縫的性質。[5].耐久性

①瀝青混合料在外界因素長期作用下不破壞的性質。與用量用材有關。②評價方法：馬歇爾試驗。

評價指標：空隙率、瀝青飽和度（或礦料間隙率）和殘留穩(wěn)定度等殘留穩(wěn)定度=浸水（48h）馬歇爾穩(wěn)定度/標準馬歇爾穩(wěn)定度。空隙率：空隙率指路面混凝土中集料之間的孔隙體積占混凝土總體積的百分率。

[6].制作瀝青混合料試件

儀器:瀝青混合料拌和機、試模、擊實儀（標準、自動）、標準擊實臺、脫模器、烘箱、電子稱。螺絲刀、溫度計、其它。

試驗方法：見土工試驗。

[7].壓實瀝青混合料毛體積密度和其他物理指標測定（見土工試驗）[8].擊實試驗表觀密度空隙率飽和度等的測定（土力學課本）[9].油石比：油石比是指瀝青混凝土中瀝青與礦料質量比的百分數(shù)，

t2-t1d2-d1c1c它是瀝青用量的指標之一。它的用量高低直接影響路面質量，油石比大（瀝青太多）則路面容易泛油，反之（瀝青太少）則影響強度和防水效果。

二、瀝青性能試驗

[10].石油瀝青三大性質及指標

三大技術性質：粘滯性、延性和溫度敏感性。三大指標為：針入度、延度、軟化點。[11].針入度

針入度在規(guī)定溫度條件下，以規(guī)定質量的標準針經過規(guī)定的時間貫入瀝青試樣的深度。

瀝青的針入度值愈大，表示瀝青的粘度愈小，瀝青就越軟。針入度指數(shù)越大，則粘度越好，高溫穩(wěn)定性能越好。越小越好。

方法概要：瀝青的針入度以標準針在一定的載荷、時間及溫度條件下垂直穿人瀝青試樣的深度表示，單位為1/10mm。[12].粘度

粘度，指在規(guī)定的溫度條件下，通過規(guī)定流孔直徑，流出50mL體積所需要的時間。時間越長，粘度越大。[13].延性

瀝青試件在一定溫度下以一定速度拉伸至斷裂時的長度。瀝青延度越大，其塑性變形越大，有利于低溫變形。采用延度大的瀝青筑路，使用壽命較長。越大越好。方法概要：將瀝青試樣制成8字形標準試件，采用延度儀，在規(guī)定拉伸速度和規(guī)定溫度下拉斷時的長度。[14].軟化點

試樣在測定條件下，鋼球因受熱而下墜達25mm時的溫度。越大高溫穩(wěn)定性越好。

隨著溫度升高，瀝青逐漸變軟，粘度降低。

方法概要：置于肩或錐狀黃銅環(huán)中兩塊水平瀝青圓片，在加熱介質中以一定速度加熱，每塊瀝青片上置有一只鋼球。所報告的軟化點為當試樣軟化到使兩個放在瀝青上的鋼球下落25mm距離時的溫度的平均值。

[15].脆點（低溫性能）

以一定速度降溫到開裂時的溫度。[16].耐久性-瀝青的老化

在各因素的綜合作用下瀝青會產生不可逆的化學變化，而導致工程性能逐漸劣化的過程稱為老化。

[17].閃點-瀝青加熱時很重要的指標要求（另外還有燃點）

瀝青在加熱過程中揮發(fā)出的油會與周圍的空氣組成混合氣體，當遇到火焰會發(fā)生閃火，此時的溫度稱為閃點。[18].其他性質

溶解度、含蠟量、粘附性三、礦料各類物理性質及試驗

四、模量、性能介紹（高模量瀝青混凝土研究）回彈模量：指路基，路面及筑路材料在荷載作用下產生的應力與其相應的回彈應變的比值，越大表示荷載一定時，垂直位移變形越小。

彈性模量：材料在彈性變形階段，其應力和應變成正比例關系。彎拉應變：構件在承受彎矩時的單位變形。

疲勞性能：在變動應力和應變長期作用下，由于累積損傷而引起的斷裂現(xiàn)象。

彈性：物體受外力作用變形，除去作用力能恢復原來形狀的性質。塑性：是材料在某種給定載荷下產生永久變形而不破壞的能力；一般材料發(fā)生彈性變形和塑性變形，超過彈性極限則會產銷塑性變形。

動態(tài)模量：材料在交變力場作用下任意時刻的應力與應變之比值。黏彈性材料的動態(tài)模量是復數(shù)，包括彈性貢獻的實部和黏性貢獻的虛部。由于相位角的存在，即存在滯后現(xiàn)象，使應變分成兩個部分，第一部分為彈性貢獻，與應變成線性關系，第二部分為粘性貢獻，與應變速率成線性關系；外摻劑能夠降低相位角，使瀝青混合料的行為接近彈性，提高動態(tài)模量，有利于路面變形的恢復。

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西部交通建設科技項目合同號：201*31800046

土工合成材料在低造價路面中

的應用研究

研究報告簡本

長沙理工大學201*年7月

研究報告簡本

本項目主要針對低造價瀝青路面結構類型、應用土工合成材料處治低造價瀝青路面的技術經濟性分析、應用于低造價瀝青路面的土工合成材料技術要求、土工合成材料處治低造價瀝青路面基層設計方法和土工合成材料處治低造價瀝青路面基層施工技術等五個主要方面展開研究。其中，緊緊圍繞應用土工合成材料處治低造價瀝青路面的技術經濟性分析這一核心問題，結合工程應用和室內外試驗，著重研究了應用土工合成材料改善瀝青路面結構剛度、強度和承載能力（包括抗疲勞等長期性能）的機理。通過系列的調研、試驗和理論分析，總結提出了土工合成材料處治、加固低造價瀝青路面底基層、基層及面層的設計方法和設計標準以及相應的施工技術。

研究報告包括七章和一個應用指南。

第一章低造價瀝青路面結構類型及其土工合成材料潛在作用

詳細地總結分析了國內外低造價瀝青路面的結構類型，認為土工合成材料設置在基層與土基之間影響路基土與粒料基層的水穩(wěn)定性、粒料基層的土污染、基層的整體性及其承載力；設置在基層與面層之間時影響瀝青面層的疲勞開裂、半剛性基層瀝青路面的反射裂縫、瀝青路面的車轍。土工合成材料在低造價瀝青路面中的潛在作用可以概括為三類主要作用：加筋，隔離與防滲。

第二章試驗路鋪設方案、施工與測試

介紹了試驗路基本情況、瀝青路面結構試驗方案、現(xiàn)場施工、原材料及各結構層性質試驗、現(xiàn)場試驗檢測。

試驗路選在張家界至羅依溪二級公路K45+500～K45+980段，其中填方200米，挖方280米。試驗路按照不同的基層材料（級配碎石、水泥穩(wěn)定碎石）、是否鋪設土工合成材料、不同類型土工合成材料（土工格網、防滲土工布、防裂土工布）、土工合成材料不同的鋪設位置（基層和底基層之間、基層與面層之間）的有限組合共分11個方案鋪設，面層統(tǒng)一采用2.5cm細粒式瀝青混凝土＋4cm熱拌瀝青碎石。

試驗路于201*年10月底通車運行，跟蹤觀測的結果表明，整個試驗路段使用狀況良好。

第三章粒料層回彈模量非線性模型及其參數(shù)反算

采用確定性優(yōu)化反算方法，針對承載板多級非線性荷載，模擬承載板測路面彎沉的過程，編制了非線性有限元計算程序，對柔性路面結構層材料特性反算進行了系統(tǒng)的研究，主要成果包括:

（1）在增量計算時引入迭代加速技術，改進高斯求解過程，有效地加快了計算速度；引入局部應力磨平技術，以及增量法的多階自校正技術，極大的提高了非線性計算的精度，取得良好效果。

（2）采用了改進的非線性最小二乘優(yōu)化方法－Marquardt法，并且針對本問題對該方法進行了相應改進，包括對病態(tài)矩陣判定條件以及靈敏度矩陣修正系數(shù)的轉換，在將該方法引入本問題以后，由于實現(xiàn)了二階近似，收斂穩(wěn)定性得到提高，收斂速度顯著加快。

（3）經過多種材料非線性本構模型的比選，最后選擇了適應性較強的三參數(shù)模型來模擬碎石土、碎石基層材料的非線性性質。實際計算證明，該模型對反算材料性質模擬效果較好，反算彎沉與實測彎沉吻合程度高，能夠滿足工程中的實際需求。

（4）在選定的試驗路段上，隨著施工的進展，在路基、底基層、基層上分別進行了承載板彎沉檢測，并且利用計算機模擬該過程進行了材料非線性特性參數(shù)反算。實際應用情況表明，靜力線彈性反分析方法得到的結果在某些情況下明顯不合理，而考慮應力非線性特性則可以給出合理的解答。

（5）結合反算所得數(shù)據(jù)進行了分析，校核了參數(shù)的準確性。同時，探討了承載板下的路面結構層模量非線性分布規(guī)律：

第四章土工合成材料加筋瀝青路面的作用機理分析

1、進行了土工合成材料加筋瀝青砼試件疲勞損傷試驗及分析

這一部分主要工作及結論包括：

①瀝青路面分析儀（APA）往返輪載疲勞試驗試驗結果表明，土工布、玻璃纖維格柵加筋措施能顯著地提高瀝青混凝土梁式試件的疲勞壽命。

②采用有限元方法確定了APA梁式試件跨中應力分布，并結合彎曲試件疲勞損傷損傷演化方程，計算得到瀝青材料疲勞損傷模型中的特征參數(shù)。

③提出APA梁式試件力學模型，根據(jù)所得到的疲勞損傷特征參數(shù),采用損傷力學有限元方法,模擬計算APA梁式試件的疲勞損傷斷裂過程,分析試件疲勞損傷過程中的彎拉應力、跨中位移、損傷變量、裂紋擴展速率等的變化規(guī)律，預測瀝青混合料試件失穩(wěn)斷裂時的裂紋長度，并比較加筋材料的加筋效果。疲勞壽命的數(shù)值模擬結果與試驗結果吻合較好。證明了在APA試件彎曲疲勞試驗情況下所提出的瀝青混合料疲勞損傷模型的有效性。

④關于疲勞裂紋形成階段和擴展階段的疲勞壽命分析指出，對于APA彎曲梁試件，其疲勞裂紋擴展階段的疲勞壽命約為裂紋形成階段的疲勞壽命的兩倍。2、進行了土工合成材料加筋瀝青路面疲勞損傷壽命分析

得到如下結論：

（1）對于級配碎石柔性基層瀝青路面，可在較薄的碎石基層底部或較厚的碎石基層內部鋪設土工加筋材料，以改善碎石基層的支承剛度；在碎石基層與瀝青面層之間鋪設土工加筋材料，以提高瀝青面層抗裂能力，從而延長級配碎石基層瀝青路面的疲勞斷裂壽命。在條件允許范圍內，應盡量選用抗拉能力強的土工加筋材料，以充分發(fā)揮其加筋延長瀝青路面使用壽命的作用。

（2）對于半剛性基層瀝青路面，可在瀝青面層與半剛性基層之間鋪設防裂土工材料，以延緩半剛性基層疲勞裂縫發(fā)展速率，延長瀝青路面使用壽命。第五章土工合成材料在低造價瀝青路面中的應用原理與設計方法

系統(tǒng)地總結了土工合成材料在低造價瀝青路面中所發(fā)揮的抗疲勞開裂、車轍和反射裂縫等各類作用，闡述了各類作用中土工合成材料的應用原理，并提出了有關的設計思路和方法以及對土工合成材料的技術要求。主要研究工作包括：

(1)土工合成材料改善低造價瀝青路面抗疲勞破壞性能

①將土工加筋材料布置在路基與基層之間、基層與面層之間，以發(fā)揮其加筋作用，加強粒料基層結構和疲勞損壞過程中路面結構的整體性，提高使用過程中路面結構層的支承剛度與強度。

對于半剛性基層瀝青路面，若將土工加筋材料布置在路基與半剛性基層之間，其作用是降低半剛性基層疲勞起裂以后的應力水平、從而延長半剛性基層疲勞開裂壽命，以及控制半剛性基層疲勞裂縫向上擴展的速率、從而延長瀝青路面整個結構開裂破壞的疲勞壽命。欲明顯改善半剛性基層瀝青路面疲勞壽命、減薄半剛性基層厚度，需要選用更為高強的土工加筋材料。此時，可以先按照《公路瀝青路面設計規(guī)范》設計未鋪設土工加筋材料的半剛性基層厚度，再除以對應的半剛性基層加筋厚度折減系數(shù)k1，作為鋪設土工加筋材料半剛性基層的設計厚度。

對于柔性路面，若將土工加筋材料布置在路基與粒料基層之間，除了增強粒料基層和路基土的側向約束作用之外，還可將荷載擴散到更大范圍，以及在抗車轍或軟基等情形時提供向上的張力、降低路基頂面荷載壓力，從而提高路基和粒料基層的承載能力。設計時，可將未鋪設土工加筋材料的粒料基層設計厚度除以柔性基層加筋厚度折減系數(shù)k2，作為應用土工加筋材料的粒料基層厚度。根據(jù)本項目研究和相關的試驗研究，將土工加筋材料鋪設在路基與粒料基層之間時，發(fā)揮其加筋作用的粒料基層的適宜厚度應在20-30cm以內，與加筋材料的特性有關。若加筋材料張拉模量高，可適用于較厚的粒料基層。

對于柔性路面，若將土工加筋材料布置在粒料基層與瀝青面層之間，根據(jù)疲勞損傷模擬分析，土工加筋作用表現(xiàn)為在瀝青面層底部開裂后抑制裂縫向上擴展速率。可暫時按常規(guī)的無筋的柔性路面進行設計，然后將粒料基層的設計厚度除以厚度折減系數(shù)（一般設計時已知瀝青厚度，將粒料基層作為設計層）。這一粒料基層厚度折減系數(shù)可取為1.1。

②通過土工合成材料的隔離與防滲作用，改善粒料基層與路基的水穩(wěn)定性，保證使用過程中它們的支承剛度和強度不受到水的不利影響。

當土工合成材料起隔離作用時，應選擇土工織物類材料。在路基路面排水條件良好的情況下，可考慮選擇土工格網。它可防止粒料基層或路基中的細集料進入路基或基層內造成土污染，避免所進入的結構層滲透性和水穩(wěn)定性下降。

將防滲土工布（防裂土工布）鋪設在瀝青面層與基層或基層與路基之間，可改善路基路面內部水環(huán)境，及時疏導排除路基內部水分，避免路基抗變形能力降低。對于有地下水冒出的挖方路段，在路基頂面鋪設防滲土工布，成效顯著。

(2)應用土工合成材料防治低造價瀝青路面車轍，可將之布置在兩種層位達到其目的。一是將土工合成材料設置在基層與路基之間，可以改善結構支承剛度、降低路基頂面壓應變，從而減少車轍的應用情形之外；一是將土工合成材料布置在瀝青面層與粒料基層之間，可進一步改善瀝青路面抗車轍能力。

借助Giroud等人對未加鋪整體性面層的粒料路面的車轍問題的解決方法，應用地基承載力理論和交通荷載動態(tài)效應經驗公式，對本項目研究對象，提出了應用土工合成材料防治低造價瀝青路面車轍的設計方法。

可根據(jù)所提供的方法進行兩類設計。一是先選定土工合成材料類型，根據(jù)其抗拉強度，設計基層厚度；一是先設定結構層厚度，計算土工合成材料需要提供的張力，據(jù)此選擇土工合成材料類型。并據(jù)此探討了試驗路應用土工合成材料防治瀝青路面車轍的合理性。

(3)土工合成材料（土工布、玻璃纖維格柵等）在防止反射裂縫時所發(fā)揮的力學效應主要包括：軟弱夾層作用（應力吸收薄膜），可增大基層內的垂直裂縫沿界面向水平方向發(fā)展的可能性，從而延緩裂縫反射到路表的時間；橋聯(lián)作用，裂縫進入瀝青混凝土面層后，土工合成材料將使開裂斷面具有一定的抗彎拉能力，減少裂縫張開變形，降低裂縫尖端的拉應力集中；嵌鎖咬合作用，將提高開裂斷面抗剪切傳荷能力，降低裂縫尖端的剪應力集中。

第六章土工合成材料應用于低造價瀝青路面的技術經濟分析

分析表明，如果在泥結碎石底基層與級配碎石基層之間鋪設土工格網，可以節(jié)約造價7.6萬元/公里；如果在級配碎石基層與面層之間鋪設防裂土工布，可以節(jié)約造價2.23萬元/公里；如果在挖方路段路基與水泥穩(wěn)定碎石基層之間設置防滲土工布，可以節(jié)約造價1.52萬元/公里。

試驗路段的使用情況和效益分析都表明，土工合成材料在低造價瀝青路面的應用就技術和經濟性而言是可行的，可以起到降低工程造價、延長使用壽命的作用，有推廣應用價值。

第七章結論與建議

對項目研究的主要成果進行了概括，主要研究成果包括：

(1)通過廣泛調研分析，總結提出了低造價瀝青路面結構形式以及適宜的結構層厚度。在此基礎上，結合土工合成材料的功能，首次系統(tǒng)地探討了土工合成材料在低造價瀝青路面結構中的潛在作用，提出了土工合成材料作用發(fā)揮中所涉及的低造價瀝青路面結構問題以及技術難點，為項目的開展提供了研究思路。

(2)根據(jù)湖南省公路建設實際情況，選擇張家界-羅依溪公路瀝青路面作為試驗工程，制定了瀝青路面結構方案、試驗路施工技術方案及試驗檢測方案，并結合試驗工程施工進度，進行了現(xiàn)場承載板試驗等試驗檢測。近兩年的跟蹤觀測表明，項目至今成功地應用土工合成材料解決了低造價瀝青路面存在的結構問題。

(3)首次針對承載板多級非線性荷載特點，采用確定性優(yōu)化反算方法，包括引入Aitken迭代加速技術、改進非線性最小二乘法優(yōu)化方法－Marquardt法，模擬承載板檢測路面彎沉的過程，開發(fā)了基于非線性有限元的粒料層回彈模量非線性模型參數(shù)反算程序，結合試驗工程的路基、底基層和基層頂面現(xiàn)場承載板彎沉檢測，對粒料層回彈模量非線性模型參數(shù)反算問題進行了系統(tǒng)的研究分析。同時，探討了承載板下的路面結構層模量非線性分布規(guī)律。

(4)利用美國SHRP開發(fā)的瀝青路面分析儀（APA）進行室內瀝青混凝土疲勞損傷試驗，并采用疲勞損傷力學理論與方法開展了土工合成材料加筋瀝青混凝土試件疲勞損傷室內試驗數(shù)值仿真模擬分析，為后續(xù)機理分析與設計方法的提出提供了試驗依據(jù)和疲勞損傷分析方法。

(5)首次建立了加筋和無筋狀態(tài)下無結合料粒料基層和半剛性基層瀝青路面結構疲勞損傷分析模型，針對試驗路不同結構方案開展了瀝青路面結構疲勞損傷演化過程模擬分析，探討了不同結構類型瀝青路面的破壞形式和土工合成材料處治機理，為后續(xù)長期效益分析提供了理論基礎和試驗依據(jù)。

(6)根據(jù)調研與項目研究，首次系統(tǒng)地總結了土工合成材料在低造價瀝青路面中所發(fā)揮的抗疲勞開裂、車轍和反射裂縫等各類作用，闡述了各類作用中合理應用土工合成材料的原理，并提出了有關的設計思路和方法以及對土工合成材料的技術要求。

(7)針對布置在低造價瀝青路面中不同層位的土工合成材料防治路面車轍的作用特點，借助Giroud等人對未加鋪整體性面層的粒料路面的車轍問題的解決方法，綜合應用地基承載力理論和交通荷載動態(tài)效應經驗公式，首次提出了應用土工合成材料防治低造價瀝青路面車轍的設計方法。并據(jù)此探討了試驗路應用土工合成材料防治瀝青路面車轍的合理性。

(8)根據(jù)瀝青路面結構的疲勞壽命預測和承載能力分析等，分析了應用土工合成材料的直接效益和長期效益。在此基礎上，開展了應用土工合成材料處治低造價瀝青路面的技術經濟性分析。最后，研究報告還根據(jù)理論分析和室內外試驗研究的結果，從材料選擇與設計參數(shù)、設計方法和步驟以及施工注意事項等多方面提出了土工合成材料在低造價瀝青路面中的應用指南。

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