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[摘 要] 路面选型在高等级公路设计中十分重要,有必要开展专题研究。本文分析了高等级公路路面选型中需考虑的因素,并针对两种最常用的路面类型进行了对比分析,可供参考。
[关键词] 公路 路面 结构 基层
1、引言
路面结构承受着过往交通的全部车辆荷载,并将荷载传递给路基或桥涵等构造物,是高等级公路的重要组成都分。因此,高等级公路路面结构必须具有一定的强度和抗变形能力。高速行驶的车辆引起的振动将诱发路面结构的动力响应,车辆的多次、反复加载,将使路面结构产生复杂的应力、应变状态,如疲劳应力破坏、粘弹塑性变形的积累等。高等级公路路面结构必须具有抵制这些效应的抗力。另外,若路表面纵向或横向不够平整,则车辆行驶时将产生颠簸或摇摆;如路表面滚动阻力过大,则车辆加速将受到限制而且能量消耗过大;路表面摩阻力过低,则车辆启动、制动、加速均会发生困难,特别是在高速行车情况下,会引起重大事故。因此,高等级公路路面表面的各种特性尚需满足高速行车的功能需求。由此可见,路面选型在高等级公路设计中十分重要,有必要开展专题研究。
2、路面选型的要求
2.1 高温稳定性
在高温时,高级公路路面须具有足够的强度和刚度。公路路面的强度是指路面结构对行车作用的抵抗能力,路面不会因车辆荷载的垂直压力、震动力、冲水力、刹车及启动时的纵向水平力以及车轮后方与路面间产生的真空吸力等而造成过大的变形、磨损和压碎等破坏现象。路面材料是构成路面强度的物质基础,材料质量的优劣及配制是否合理,选用是否恰巧,直接影响路面质量。路面的强度经常受风、霜、雨、雪和日照等自然因素的影响而发生变化。为保证正常通车,路面强度在—年中变化的幅度应尽量减小,这种强度变化的幅度叫稳定性。对于沥青混凝土路面,为了提高其高温稳定性,可采用在混合料中增加粗矿粒含量,或限制剩余空隙率,使粗矿料形成空间骨架结构,以提高沥青混合料的内摩阻力;适当地提高沥青材料的稠度,控制沥青与矿粉的比例,严格控制沥青用量,采用活性较高的矿粉,以改善沥青与矿料之间的相互作用,从而提高沥青混合料的粘聚力,改善沥青性能。
2.2 低温抗裂性
裂缝是沥青路面的一种主要破坏形式,而裂缝的出现往往是路面损坏急剧增加的开始。沥青路而的裂缝可归为两种类型:交通荷载的反复作用下的疲劳开裂和降温产生的温度收缩裂缝或由于半刚性基层而引起的反射裂缝。由于沥青路面在高温时变形能力较强,旧低温时较关,故不论哪种裂缝,以在低温时发生的居多。从低温抗裂性的要求出发,沥青路面在低温时应具有较低的劲度和较大的抗变形能力,且在行车荷载和其他因素的反复作用下不致产生疲劳开裂。使用稠度较低、温度第三性低的沥青,可提高沥青路面的低温抗裂性能。沥青材料的老化使其低温性能恶化,故为提高沥青路面的低温抗裂性能,应选用抗老化能力较强的沥青。往沥青中渗入聚合物,对提高路面的低温抗裂性能具有较为明显的效果。在沥青路面结构层中铺设沥青橡胶或土工布应力吸收薄膜,对防止沥青路面低温开裂具有显著作用。
2.3 高耐久性
路面要承受行车荷载和气候因素的重复作用,路面结构层会由此而逐渐出现疲劳损坏和塑性形变累积,在使用一定年限后不符合前述使用要求时,需要进行修复或改建。过短的使用年限,将增加养护工作量和费用,并严重干扰路上的正常交通。为此,所设计和修建的路面必须经久耐用,具有较高的抗疲劳和抗变形的能力。
2.4 强度和刚度要求
行驶在路面上的车辆,一方面通过车轮把竖向压力传给路面,另一方面又使路面受到水平力。在这些外力的作用下,路面结构内会产生不同量的拉应力、压应力和剪应力。如果路面结构整体或某一组成部分的强度不足,不能抵抗这些应力的作用,则路面便会出现断裂、碎裂或沉陷等损坏现象,使路况迅速恶化,而严重影响道路的服务质量。因此,路面结构整体及其各组分必须具备同行车荷载相适应的强度。所谓刚度,是指结构物抵抗变形的能力。强度和刚度是既有联系又有区别的结构物力学特性的两个方面。路面结构整体或某组分的刚度不足,则即使强度足够,在轮载作用下也会产生过量的变形,或者便路而出现波浪、车辙等不平整现象,影响车速和行驶的平稳性,或者促使结构物出现开裂等损坏现象,缩短路面的使用寿命。因此,除了研究路面结构的应力和强度之间的关系外,还要分析其荷载和变形的关系,使整个结构及各组分的变形量控制在容许的范围内。
2.5 抗滑要求
现代交通车速不断提高,对高等级公路路面的抗滑能力也提出了更高的要求。沥青路面应具有足够的抗滑能力,以保证在最不利的情况下(当路面潮湿时),车辆能够高速安全行驶,而且在外界因素的作用下,其抗滑能力不致很快降低。沥青混合料的粗糙度与矿质集料的微表面性质、混合料的级配组成以及沥青用量等因素行关。为保证路面的粗糙废不致很快降低,应选择有棱角的石料。研究表明,沥青用量对抗滑性的影响相当敏感,沥青用量超过最佳用量的0.5%时,就会导致抗滑系数明显降低。抗滑的路面,可以通过来用坚硬、耐磨、表面现糙的集料组成面层(主要是面层的上层)材料来达到,有时也可采用—些工艺性措施来实现,如水泥混凝土表面的刷毛或拉槽等。
3、沥青路面与水泥混凝土路面的比较
路面结构类型而言,常用的路面结构主要有刚性和柔性两种,即沥青路面和水泥混凝土路面。沥青路面称为柔性路面,其优点为:沥青路面由于车轮与路面2级减振,行车舒适性好、噪音小;柔性路面对路基、地基变形或不均匀沉降的适应性强;沥青路面修复速度快,碾压后即可通车。缺点是:压实的混合料空隙率大,耐水性差,宜产生水损坏,一个雨季就可能造成路面大量破损;沥青材料的温度稳定性差,脆点到软化点之间的温度区间偏小,难以涵盖天然气候的温差,冬季易脆裂,夏季易软化;沥青是有机高分子材料,耐老化性差,使用数年后,将产生老化龟裂破坏;平整度的保持性差,不仅沉降会带来平整度劣化,而且材料软化会形成车辙。
水泥混凝土路面又称刚性路面,其优点是:水稳定性较高,在暴雨及短期浸水条件下,路面可照常通行;温度稳定性高,无车辙现象;水泥混凝土是无机胶凝材料,既耐老化,又无污染。但在更长时期,会与所有岩石一样产生风化现象,水泥石风化与沥青老化相比,时间长10倍以上,不构成工程问题;平整度的保持期长;在相同技术和工艺水平下,水泥路面大修前的使用年限长。高速公路水泥路面的设计基准期30年,沥青路面的设计基准期15年。
我国目前的基本状况是超载和重交通路段高速公路沥青路面可使用5年,水泥路面可使用10年。水泥路面缺点是:在相同平整度条件下,行车舒适性不及沥青路面,噪音较大,我国对低噪音水泥路面尚未开展研究和应用;在路基、地基变形或不均匀沉降条件下,易形成脱空,附加应力很大,极易产生断裂破坏,对路基稳定性要求高,对不均匀沉降的适应性差;水泥路面强度高、硬度大,即使断板后也难于清除,修复难度大,新浇筑面板的养护期较长。
4、结束语
高等级公路的开发与运营对国民经济的发展和人类社会文明的进步发挥着重要的作用,但在一定程度上,它对于生态环境也会产生一定的破坏,尤其在人口密集地区,大气污染和噪声污染均有所加剧。因此,从人类可持续发展战略原则出发,所选择的路面结构除了要为车辆提供必需的行车条件,还要有利于降低污染,保护生态环境。
参 考 文 献
[1]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京:人民交通出版社,2001.
[2]姚祖康.公路设计手册(路面)[M].北京:人民交通出版社,1995.
[3]汤林新,等.高等级公路路面耐久性[M].北京:人民交通出版社,1997■
[关键词] 公路 路面 结构 基层
1、引言
路面结构承受着过往交通的全部车辆荷载,并将荷载传递给路基或桥涵等构造物,是高等级公路的重要组成都分。因此,高等级公路路面结构必须具有一定的强度和抗变形能力。高速行驶的车辆引起的振动将诱发路面结构的动力响应,车辆的多次、反复加载,将使路面结构产生复杂的应力、应变状态,如疲劳应力破坏、粘弹塑性变形的积累等。高等级公路路面结构必须具有抵制这些效应的抗力。另外,若路表面纵向或横向不够平整,则车辆行驶时将产生颠簸或摇摆;如路表面滚动阻力过大,则车辆加速将受到限制而且能量消耗过大;路表面摩阻力过低,则车辆启动、制动、加速均会发生困难,特别是在高速行车情况下,会引起重大事故。因此,高等级公路路面表面的各种特性尚需满足高速行车的功能需求。由此可见,路面选型在高等级公路设计中十分重要,有必要开展专题研究。
2、路面选型的要求
2.1 高温稳定性
在高温时,高级公路路面须具有足够的强度和刚度。公路路面的强度是指路面结构对行车作用的抵抗能力,路面不会因车辆荷载的垂直压力、震动力、冲水力、刹车及启动时的纵向水平力以及车轮后方与路面间产生的真空吸力等而造成过大的变形、磨损和压碎等破坏现象。路面材料是构成路面强度的物质基础,材料质量的优劣及配制是否合理,选用是否恰巧,直接影响路面质量。路面的强度经常受风、霜、雨、雪和日照等自然因素的影响而发生变化。为保证正常通车,路面强度在—年中变化的幅度应尽量减小,这种强度变化的幅度叫稳定性。对于沥青混凝土路面,为了提高其高温稳定性,可采用在混合料中增加粗矿粒含量,或限制剩余空隙率,使粗矿料形成空间骨架结构,以提高沥青混合料的内摩阻力;适当地提高沥青材料的稠度,控制沥青与矿粉的比例,严格控制沥青用量,采用活性较高的矿粉,以改善沥青与矿料之间的相互作用,从而提高沥青混合料的粘聚力,改善沥青性能。
2.2 低温抗裂性
裂缝是沥青路面的一种主要破坏形式,而裂缝的出现往往是路面损坏急剧增加的开始。沥青路而的裂缝可归为两种类型:交通荷载的反复作用下的疲劳开裂和降温产生的温度收缩裂缝或由于半刚性基层而引起的反射裂缝。由于沥青路面在高温时变形能力较强,旧低温时较关,故不论哪种裂缝,以在低温时发生的居多。从低温抗裂性的要求出发,沥青路面在低温时应具有较低的劲度和较大的抗变形能力,且在行车荷载和其他因素的反复作用下不致产生疲劳开裂。使用稠度较低、温度第三性低的沥青,可提高沥青路面的低温抗裂性能。沥青材料的老化使其低温性能恶化,故为提高沥青路面的低温抗裂性能,应选用抗老化能力较强的沥青。往沥青中渗入聚合物,对提高路面的低温抗裂性能具有较为明显的效果。在沥青路面结构层中铺设沥青橡胶或土工布应力吸收薄膜,对防止沥青路面低温开裂具有显著作用。
2.3 高耐久性
路面要承受行车荷载和气候因素的重复作用,路面结构层会由此而逐渐出现疲劳损坏和塑性形变累积,在使用一定年限后不符合前述使用要求时,需要进行修复或改建。过短的使用年限,将增加养护工作量和费用,并严重干扰路上的正常交通。为此,所设计和修建的路面必须经久耐用,具有较高的抗疲劳和抗变形的能力。
2.4 强度和刚度要求
行驶在路面上的车辆,一方面通过车轮把竖向压力传给路面,另一方面又使路面受到水平力。在这些外力的作用下,路面结构内会产生不同量的拉应力、压应力和剪应力。如果路面结构整体或某一组成部分的强度不足,不能抵抗这些应力的作用,则路面便会出现断裂、碎裂或沉陷等损坏现象,使路况迅速恶化,而严重影响道路的服务质量。因此,路面结构整体及其各组分必须具备同行车荷载相适应的强度。所谓刚度,是指结构物抵抗变形的能力。强度和刚度是既有联系又有区别的结构物力学特性的两个方面。路面结构整体或某组分的刚度不足,则即使强度足够,在轮载作用下也会产生过量的变形,或者便路而出现波浪、车辙等不平整现象,影响车速和行驶的平稳性,或者促使结构物出现开裂等损坏现象,缩短路面的使用寿命。因此,除了研究路面结构的应力和强度之间的关系外,还要分析其荷载和变形的关系,使整个结构及各组分的变形量控制在容许的范围内。
2.5 抗滑要求
现代交通车速不断提高,对高等级公路路面的抗滑能力也提出了更高的要求。沥青路面应具有足够的抗滑能力,以保证在最不利的情况下(当路面潮湿时),车辆能够高速安全行驶,而且在外界因素的作用下,其抗滑能力不致很快降低。沥青混合料的粗糙度与矿质集料的微表面性质、混合料的级配组成以及沥青用量等因素行关。为保证路面的粗糙废不致很快降低,应选择有棱角的石料。研究表明,沥青用量对抗滑性的影响相当敏感,沥青用量超过最佳用量的0.5%时,就会导致抗滑系数明显降低。抗滑的路面,可以通过来用坚硬、耐磨、表面现糙的集料组成面层(主要是面层的上层)材料来达到,有时也可采用—些工艺性措施来实现,如水泥混凝土表面的刷毛或拉槽等。
3、沥青路面与水泥混凝土路面的比较
路面结构类型而言,常用的路面结构主要有刚性和柔性两种,即沥青路面和水泥混凝土路面。沥青路面称为柔性路面,其优点为:沥青路面由于车轮与路面2级减振,行车舒适性好、噪音小;柔性路面对路基、地基变形或不均匀沉降的适应性强;沥青路面修复速度快,碾压后即可通车。缺点是:压实的混合料空隙率大,耐水性差,宜产生水损坏,一个雨季就可能造成路面大量破损;沥青材料的温度稳定性差,脆点到软化点之间的温度区间偏小,难以涵盖天然气候的温差,冬季易脆裂,夏季易软化;沥青是有机高分子材料,耐老化性差,使用数年后,将产生老化龟裂破坏;平整度的保持性差,不仅沉降会带来平整度劣化,而且材料软化会形成车辙。
水泥混凝土路面又称刚性路面,其优点是:水稳定性较高,在暴雨及短期浸水条件下,路面可照常通行;温度稳定性高,无车辙现象;水泥混凝土是无机胶凝材料,既耐老化,又无污染。但在更长时期,会与所有岩石一样产生风化现象,水泥石风化与沥青老化相比,时间长10倍以上,不构成工程问题;平整度的保持期长;在相同技术和工艺水平下,水泥路面大修前的使用年限长。高速公路水泥路面的设计基准期30年,沥青路面的设计基准期15年。
我国目前的基本状况是超载和重交通路段高速公路沥青路面可使用5年,水泥路面可使用10年。水泥路面缺点是:在相同平整度条件下,行车舒适性不及沥青路面,噪音较大,我国对低噪音水泥路面尚未开展研究和应用;在路基、地基变形或不均匀沉降条件下,易形成脱空,附加应力很大,极易产生断裂破坏,对路基稳定性要求高,对不均匀沉降的适应性差;水泥路面强度高、硬度大,即使断板后也难于清除,修复难度大,新浇筑面板的养护期较长。
4、结束语
高等级公路的开发与运营对国民经济的发展和人类社会文明的进步发挥着重要的作用,但在一定程度上,它对于生态环境也会产生一定的破坏,尤其在人口密集地区,大气污染和噪声污染均有所加剧。因此,从人类可持续发展战略原则出发,所选择的路面结构除了要为车辆提供必需的行车条件,还要有利于降低污染,保护生态环境。
参 考 文 献
[1]沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京:人民交通出版社,2001.
[2]姚祖康.公路设计手册(路面)[M].北京:人民交通出版社,1995.
[3]汤林新,等.高等级公路路面耐久性[M].北京:人民交通出版社,1997■