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贵州建筑材料为大家介绍高性能抗疲劳材料对路面结构影响研究

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贵州建筑材料为大家介绍高性能抗疲劳材料对路面结构影响研究

发布日期:2017-05-29 00:00 来源:http://www。qysfgs。com 点击:

贵州建筑材料为大家介绍高性能抗疲劳材料对路面结构影响研究


随着国民经济的飞速发展,我国交通特点发生了重大变化,交通量不断增大,而多轴次、重轴载、高轮压在交通组成中的比重越来越大,且超载现象突出,对路面结构提出了更高要求。目前,我国新建道路中,常常发生裂缝、沉陷、变形等早期病害,已建道路在未达到设计年限时便出现结构性破坏,这增加了道路在使用年限内的维修次数与寿命周期成本。

 

20世纪末以来,美国、欧洲、澳大利亚、日本等国研究者都对长寿命路面开展了广泛研究与铺筑。长寿命路面结构具有高耐久性、低寿命周期费用且不会发生结构性破坏的特点。为了保证抗疲劳层在重复荷载作用下的沥青层底拉应变小于其疲劳极限,保证不发生自下而上的疲劳开裂,抗疲劳层材料的性能尤为重要。

 

我国的轴载水平远远大于欧美国家,高速公路设计轴载水平常为重或特重交通等级。当采用柔性长寿命路面结构形式时,为了满足设计指标要求,需要设置较厚的沥青层,这显著提高了道路的建设成本。

 

因此,本文对柔性长寿命路面结构较为重要的抗疲劳层进行研究,抗疲劳层采用不同的材料,分析抗疲劳层对路面结构力学特性、结构厚度、疲劳寿命的影响。本文同时提出了一种新型抗疲劳材料---低成本环氧沥青混合料,其具有较高的疲劳极限,较低的成本,具有提高沥青路面疲劳寿命,降低沥青层整体厚度从而降低寿命周期费用的优势。

 

贵州建筑材料为大家介绍长寿命路面结构拟定

 

美国典型长寿命路面结构设计理念指出,长寿命路面表面层为高性能沥青混凝土,需为车辆提供良好的行驶表面,同时满足足够的抗车辙性能、抗表面开裂性能、抗滑性能、缓解水雾的影响并能减小噪声;中间层为高模量沥青混凝土,轮载下100~150mm区域是高受力区域,也是各种损坏的易发区,此层应具有高模量、抗车辙的特点;沥青层底为抗疲劳沥青混凝土,沥青层最大拉应变产生在HMA层底部,此层层底最易发生疲劳破坏,易产生自下而上的疲劳开裂,应具备高柔性、抗疲劳、水稳定性好的特点;可设置石灰稳定土、级配碎石等底基层,或直接铺筑在路基上。

 

长寿命路面结构组合设计依据分层设计原则,充分考虑各结构层特性及功能。为便于直观对比分析抗疲劳层材料对路面结构的影响,本研究将抗疲劳层以上沥青层作为一层进行设计,模量在考虑各层功能所需材料的基础上对模量取加权均值。抗疲劳层及级配碎石层采用相同的厚度,模量采用设计规范推荐值、经验值选取,其中抗疲劳层考虑设置为5、6、7cm厚度时对结构的影响,普通沥青混合料、SBS改性沥青混合料、环氧沥青混合料模量分别选定为1400、1600、1800MPa。

 

贵州建筑材料为大家讲解疲劳寿命预估方程

 

采用AASHTO2002设计指南中的疲劳预估方程对拟定的长寿命路面结构进行对比分析。3种抗疲劳层材料参数分别为:普通沥青混合料油石比为4.8%,空隙率为4.2%;SBS改性沥青混合料油石比为5.1%,空隙率为3.9%;环氧沥青混合料油石比为6%,空隙率为3%。

 

安徽快3走势抗疲劳层对路面结构影响分析

 

不同材料抗疲劳层对路面结构疲劳寿命影响分析

 

为直观分析抗疲劳层采用不同材料时对长寿命路面结构疲劳寿命的影响,表1拟定的路面结构中的沥青层采用20cm厚度,并采用AASHTO2002设计指南中的疲劳寿命预估方程对三种类型结构的疲劳寿命进行预估。

 

可知,同一类型抗疲劳层结构疲劳寿命随着疲劳层厚度的增加而逐渐增大;抗疲劳层具有相同厚度时,各类型结构随着抗疲劳层材料疲劳特性的提升,疲劳寿命具有逐级增大的规律。采用普通沥青混合料作为抗疲劳层时路面结构具有最小的疲劳寿命,采用环氧沥青混合料作为抗疲劳层时对路面结构疲劳寿命有较大的提升,约为普通沥青混合料抗疲劳层结构的4倍、SBS改性沥青混合料抗疲劳层结构的2.5倍,提升效果显著。

 

贵州建筑材料为大家介绍基于设计当量轴次的路面结构分析

 

路面结构设计时,考虑到规划年的累计当量轴次,若沥青层材料的疲劳寿命大于单车道累计当量轴次,则在使用年限内可减缓甚至避免道路发生自下至上的疲劳损伤。因此,进行基于设计当量轴次的路面结构拟定,3种结构均将沥青层作为设计层位,分析单车道累计当量轴次为1亿次时,3种抗疲劳材料对路面结构厚度的影响。

 

可知,同一类型抗疲劳层结构疲劳寿命随着疲劳层厚度的增加,满足一次轴载水平的设计层厚逐渐减少;当抗疲劳层具有相同厚度时,各类型结构随着抗疲劳材料抗疲劳特性的提升,满足单车道累计当量轴次为1亿次的结构厚度具有逐级减薄的规律。当采用环氧沥青混合料作为抗疲劳层时,其结构厚度较普通沥青混合料抗疲劳层结构降低了近9cm,较SBS改性沥青混合料抗疲劳层结构降低了5cm的厚度。因此,当抗疲劳层采用高性能的材料时,具有减薄路面结构整体厚度,从而在满足设计轴载要求的条件下,达到降低道路建设费用的意义。

 

基于疲劳极限设计原则的路面结构分析

 

判定路面结构是否能够实现长寿命,关键是比较沥青面层层底弯拉应变与沥青层材料疲劳极限应变值。当沥青混合料材料所受的弯拉应变低于疲劳极限时时,沥青混合料不会产生疲劳损伤破坏,即理论上沥青混合料有无穷大的疲劳寿命。

 

各国研究者对于弯拉应变极限值、路基顶面压应变容许值不尽相同,美国设计轴载为80KN时,沥青层底弯拉应变应小于70με,路基土垂直压应变小于200με;对于沥青混合料疲劳极限,很多学者认为普通沥青混合料的疲劳极限为70~80με,采用改性沥青混合料的疲劳极限可达到100με。环氧沥青混合料具有较SBS改性沥青混合料更高的疲劳寿命。

 

基于疲劳极限的路面结构拟定,3种结构均将沥青层作为设计层位,分析满足疲劳极限要求下,三种抗疲劳材料对路面结构厚度的影响。采用BISAR对3种结构进行力学计算。

 

可知,抗疲劳层采用相同厚度时,随着抗疲劳层材料疲劳极限的增大,满足疲劳极限及土基顶面压应变要求的各结构厚度具有逐级减薄的规律。当采用环氧沥青材料作为抗疲劳层时,其结构厚度较普通沥青混合料抗疲劳层结构薄约9~10cm,而采用SBS改性沥青作为抗疲劳层,其结构厚度较普通沥青混合料抗疲劳层结构薄约6cm。因此,考虑沥青混合料疲劳极限进行路面结构设计时,若采用高性能的抗疲劳层材料,能起到降低路面结构厚度、提高路面结构耐久性的效益。

 

结语

 

通过分析3种材料抗疲劳层对路面结构力学特性、疲劳寿命、结构层厚度的影响,得出如下结论:

 

(1)抗疲劳层材料疲劳特性愈好,越能提高路面结构的疲劳寿命,从而提高路面的耐久性;

 

(2)基于设计当量轴次的路面结构拟定可知,随着抗疲劳材料抗疲劳特性的提升,路面结构厚度具有逐级减薄的规律,当采用环氧沥青混合料作为抗疲劳层时,其结构厚度较普通沥青混合料抗疲劳层结构降低了近9cm,而同一类型抗疲劳层结构疲劳寿命随着疲劳层厚度的增加,满足轴载水平的设计层厚逐渐减少;

 

(3)基于沥青混合料疲劳极限进行结构设计时,随着抗疲劳层材料疲劳极限的增大,满足疲劳极限及土基顶面压应变要求的各结构厚度具有逐级减薄的规律,当采用环氧沥青材料作为抗疲劳层时,其结构厚度较普通沥青混合料抗疲劳层结构薄约9cm;

 

(4)采用具有较好疲劳特性的沥青混合料作为抗疲劳层时,能够明显降低沥青层的设计厚度,提高路面结构的疲劳寿命,从而起到降低道路建设费用,提高道路耐久性的效益。


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