大连理工大学网络教育学院
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目：沥青路面结构耐久性分析
层 次： 专科起点本科
专 业： 土木工程(道桥方向)
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2022年8月10日
在交通建设飞速发展的今天，沥青路面以其优质的性能被世界各地广泛应用，而同时沥青路面耐久性差的问题也暴露出来。沥青路面使用性能和耐久性受多方面因素的影响，故本文对影响沥青路面耐久性的相关,因素进行了一般性的归类与分析，重点从沥青混合料类型、沥青混合料配合比设计、沥青路面的结,,构形式、沥青质量、施工工艺以及实际交通条件等内部因素和外部因素两方面分析了防治沥青路面,早期病害的对策,以提高沥青路面耐久性。同时针对影响沥青路面耐久性的相关因素列举了一些对提高沥青路面使用寿命较有效的改善措施，如：对沥青混合料进行改性处理、优化沥青混合料的配合比设计等等。
关键词：路面耐久性；疾劳破坏；沥青改性；影响因素
目 录
近年来，国家把加大交通基础设施建设作为拉动内需，促进经济增长的大事来抓，各地方政府同样在岁末年初就制定了交通建设发展计划，其中公路的修筑成为此项工作的重要组成部分。然而，应该看到自上世纪90年代以后陆续建成的各级公路目前已进入大、中修期，公路病害大量的翻挖、铣刨，沥青混合料被废弃，一方面造成环境污染，另一方面也造成资源的浪费，而且大量的使用新石料，开采石料会导致森林植被减少，水土流失。所以对于沥青路面耐久性的分析显得尤为重要，不但每年可以节省数目非常可观的材料费还对保护生态环境以及对我们国家的公路建设，促进地方经济发展，提高人民生活水平都有极重大的意义。但是还是应该看到。沥青路面的耐久性不能仅仅停留在设计和分析阶段，应该落实到实践活动中来，特别注意在沥青路面施工中要严格控制温度，沥青面层厚度，沥青摊铺质量，并严格按照规范要求进行碾压，待沥青路面自然冷却，表面温度低于50℃后，方可开放交通。并注意对其保养，以提高沥青路面的耐久性。另外过量超载的车辆是造成沥青路面开裂、凹陷、车辙、使用寿命骤减的主要原因，所以应该加强路政管理，采取入口严格稽查和不定时抽查的办法，不允许载货量超过交通部相关规定的车辆进入沥青路面，加强对广大驾驶群体的教育。同时设计留有余地，分析交通量时，充分考虑转移交通量和超载的因素，应把超载车辆的荷载都换算成当量轴次，据此算出容许弯沉值，以从头开始控制沥青路面的整体质量。相信随着社会主义现代化建设的不断深入，沥青路面的耐久性将得到充分解决，我国的道路事业将继续蓬勃发展。
1 绪论
1.1 问题的提出
在高速公路的路面结构中，沥青路面以其连续性好、行车平稳舒适、抗震性好、噪音小及维修方便等优点而得到广泛应用。虽然我国沥青路面修筑水平取得了长足的提高，但是不少高速公路的沥青路面使用不久就出现了各种早期病害。例如：炎热夏季在重载作用下形成车辙、推挤、拥包、波浪等永久性变形；在雨季及春融季节形成坑槽、松散、剥落、麻面等水损坏;路表抗滑性能的迅速下降以及局部龟裂等路面病害都在一些高速公路中陆续出现。对此，路面使用寿命受到普遍关注。
随着公路建设的发展，交通量及交通荷载的增加，沥青路面在车辆荷载作用下的疲劳破坏也成为沥青路面的主要破坏形式之一。沥青混合料的疲劳寿命直接影响沥青路面的使用寿命及使用性能，是决定沥青路面工程寿命周期成本的关键因素。
沥青路面应具有抵抗温度，阳光、空气和水等各种因素综合作用的能力，即在这些因素作用下路面使用性能不至于很快恶化。当沥青路面抵抗温度、阳光、空气作用的能力较差时，沥青路面易失去粘性、变脆，在行车荷载和其它因素的作用下混合料内聚力消失，乃至于沥青与矿料脱离，使路面松散破坏。因此，沥青路面抵抗各种人为或天然因素作用的能力(即抗老化能力)，也是影响沥青路面使用寿命的重要方面。
沥青路面的使用寿命取决于沥青混合料的耐久性，沥青混合料的耐久性包括沥青在各种因素交互时作用的抗老化性质、混合料的抗水损害能力和汽车荷载及温度变化反复作用下的耐疲劳性能。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
第一条用沥青铺装的路面约在公元前600年在巴比伦出现，但这种技艺不久失传了，一直到19世纪，人们采用沥青来修路。1835年在巴黎首先用沥青铺筑人行道路面，约20年后，巴黎出现了碾压沥青路面，后来在全世界获得了广泛推广。中国上海在20世纪20年代开始铺设沥青路面。1949年以后随着中国自产路用沥青材料工业的发展，沥青路面已广泛应用于城市道路和公路干线，成为目前中国铺筑面积最多的一种高级路面对沥青混合料沥青路面耐久性的研究始于上世纪，迄今已有半个多世纪，是沥青路面各种研究中最受关注、研究投入最多的课题之一。迄今，对沥青路面耐久性已进行了大量的试验研究，取得了深入的认识。1987～1992年期间曾美国开展了公路战略研究计划项目，意图对沥青和沥青混合料进行深入研究，以制定与使用性能相关联的沥青和沥青混合料技术规范。
1.2.2 国内研究现状
国内对沥青混合料改性技术的研究起步较晚。对半刚性沥青路面而言，基层刚度大，在车辆荷载作用下半刚性材料层是不可压缩的。因此，通过厚的半刚性材料层作用在土基顶面的压应力很小，不会引起土基的压应变并反应到路表面上，当然其前提条件是基层质量要好，所以半刚性路面的抗破损能力主要取决于面层结构与材料的合理设计。然而目前国内对沥青路面的抗破损研究的成效不是很大，这主要是因为大量研究主要集中在面层混合料这方面。因为我国现行路面结构设计理论是建立在弹性层状体系理论基础上采用双圆垂直均布荷载作用下的多层弹性层状体系理论，以设计弯沉值为路面整体刚度的设计指标，以设计年限内的换算当量轴载作为交通量指标，按照路面损伤等效的原理确定容许弯沉和破坏应力，利用疲劳破坏的模式设计结构层厚度，对沥青混凝土面层和整体性材料的基层、底基层应进行层底.拉应力的验算。尽管在混合料设计上做了很多尝试，因其设计理念不是从路面产生破损原因和如何抗破损出发，为此效果不明显。混合料设计很重要，忽视了路面本身的力学.特性而孤立地从材料入手，往往会事倍功半，针对我国半刚性沥青路面出现的这些问题，并对比国外高速公路路面结构和实际使用情况，应从路面受力特点、路面结构等深层次思考如何从路面设计来认识和解决破损问题，在结构分析设计的基础上，配合合理的混合料配合比设计，才是合理解决路面破损的必经之路。
1.3 本课题技术路线与研究内容
1.3.1 主要研究内容
随着经济和交通运输的快速发展，车辆大型化、重载超载、交通大流量及渠化交通等逐渐成为现代交通的必然趋势和鲜明特点。公路使用条件变得日益苛刻，许多公路沥青路面建成不久，各种病害也随之而来，传统路面已难负重任，开裂、车辙、坑槽及温缩等早期破坏情况也时有发生。沥青路面耐久性直接影响沥青路面的使用寿命及使用性能，是决定沥青路面工程寿命周期成本的关键因素。因而延长使用寿命即提高沥青混合料的路用性能，提高沥青路面在其服役期内的使用品质，显得尤为重要。本文主要从影响沥青路面结构耐久性的内部及外部两方面因素进行研究分析，从而总结出一套对提高沥青路用性能切实可行的方法。
1.3.2 技术路线
对于这一课题的研究本文主要通过查阅文献资料、调研以及试验等手段对沥青路面结构的耐久性进行研究探索。分析了沥青路面结构设计。材料、混合料配合比以及施工过程对路面结构耐久性能的影响。
2.1 影响沥青路面耐久性的内部因素
2.1.1 沥青质量
材料是影响路面使用性能的重要因素。沥青路面是由沥青混合料铺筑而成的，而沥青混合料是由沥青、集料和矿粉以及其他外加剂按一定比例组成的。材料质量不理想，达不到要求，沥青混合料的质量也不可能达到要求。沥青混合料的性能、骨料的质量与结合料粘结效果都对混合料的性质产生极大的影响。沥青是由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物，呈液态、半固态或固态，是一种防水防潮和防腐的有机胶凝材料。沥青质量的优劣直接影响着沥青路面的使用性能。随着国民经济和交通运输的快速发展，交通大流量、车辆大型化、重载超载及渠化交通等逐渐成为现代交通的鲜明特点和必然趋势。全球气候的持续变暖，公路使用条件变得日益苛刻，一般沥青材料的品质已不能满足更重交通的沥青路面结构的需要，从大量路面结构损坏原因的调查分析来看，路用沥青品质不良是其主要原因之一。路用沥青要求做到夏天不软化，冬天不发脆，能抵抗水、冰、盐类的侵蚀和行车的破坏作用。大多沥青道路往往路面表层结构在远小于其使用寿命的年限内便出现损坏，其原由于国内石油品质及沥青制工艺流程的特点，含蜡量高、延度小，温度敏感性强。沥青粘度低，劲度低，抗车辙能力弱；沥青含蜡量高，会出现横向裂缝；温度敏感性高的沥青路面易开裂
2.1.2 矿料质量
在考虑材料对沥青混合料的影响时，往往比较重视对沥青的影响，而对集料的影响都重视不够。而矿料质量的好坏是沥青路面早期破损的重要影响因素。要研究沥青混合料的性能，矿料质量差必然结果是混合料的质量也差，故必要条件是保证集料的质量，并结合考虑对矿料级配的控制。集料质量差是目前公路建设中特别严重的问题，突出的表现是粉尘多、材料脏、级配不规格及针片状颗粒含量高等，经常不能达到规范要求，使用质量差的集料，导致实际级配与配合比设计有很大的差距，离析严重，路面容易出现早期病害。故集料要符合下面要求：一是尽量采用粒径较大、接近立方形、有尖锐棱角和粒糙表面的碎石且碎石含量较多的矿料，以加大沥青混合料的内摩阻力，增强矿料颗粒间的嵌锁作用，阻止颗粒间的相互移动，从而提高沥青混合料的抗变形能力；二是尽量使用人工砂，控制圆形颗粒的天然砂的使用量。石屑的质量必须符合规范要求，减小含泥量。人工砂具有尖锐棱角、粗糙表面和良好的级配，能增加内摩阻力，减少车辙，尽管人工砂有可能是酸性石料，但含粉量很少，与天然砂相比仍具有独特的优势；三是一定量的矿粉可减少起润滑作用的游离沥青、减小沥青膜的厚度、调整矿料的级配，尤其是满足.075 mm筛孔的良好级配，可改善沥青混凝土抗剥落能力，增加沥青胶砂的强度。但矿粉也具有增加混合料的比表面积、增加沥青用量、减少表面构造深度、减少摩擦系数等缺点，沥青混合料的稳定度偏低，沥青路面早期的剥落这一现象与碎石的压碎值、磨耗值不符合规范要求有较大关联。故实际生产中应控制好矿粉与沥青的用量。
2.1.3 混合料配合比
沥青混合料配合比设计结果对路面性能材料用量及工程造价有很大影响，是一项非常重要的技术工作。混合料配合比设计中主要是考虑两方面内容：一是稳定性（稳定性包括高温稳定性与低温抗裂性）；二是耐久性（耐久性包括抗水剥离性与老化性）。目前高等级公路的沥青混合料组成设计国内外通常以马歇尔试验作为主要测试手段，并通过车辙试验对抗车辙能力进行辅助性试验，由此来决定矿料级配和沥青用量以确保混合料有良好的性质。马歇尔试验的优点是试验方法简单，费用较低，且有一定的理论依据。在我国的现行规范中规定确定最佳的沥青用量是找出马歇尔指标均符合要求的共同范围但是大量的实践证明，以经验为基础并局限在一定温度范围的马歇尔设计方法不能准确反映和控制住沥青路面在较大温度范围内表现出的粘弹性力学性能。也就是说，传统马歇尔设计方法的整个指标体系，既不能较好的对应沥青沥青路面的技术性能，也不能确切反映沥青混合料的力学性能，因此在马歇尔试验确定沥青混合料配合比时还应参考以前的经验来确定最佳用油量，以便较好的排除人为及其它有关环境、操作等因素影响。我国技术规范规定高速公路、一级公路的热拌沥青混合料配合比设计，应分为目标配合比设计阶段、生产配合比设计阶段、生产配合比验证阶段（试拌试铺阶段），室内配合比必须依据材料变异情况、施工控制精度及拌和设备性能进行试拌后做进一步的调整，使得拌和设备生产出的混合料指标达到规范要求，这样才能作为最终配合比使用，这样设计出的生产配合比才更为合理且更有依据可言。优良的沥青混合料配合比设计必须严格控制各个环节，才能得出可靠的配合比。
2.1.4 施工质量
（1）严把原材料质量关
材料是工程结构的物质基础，原材料质量的严格控制，对保证沥青路面工程质量起着尤为重要的作用。应根据设计要求选定沥青的品种，并对沥青延度、针入度、软化点等三大指标进行检测。购进材料时要求厂家出示出厂报告单，并提交试验室进行抽样检查，符合要求方可进场，使用期间严格按照规范要求的频率，进行随机抽样检查。在加热过程中应当做好温度的控制，沥青加热温度根据沥青的标号不同而有所不同，当遇到沥青需保温时，要及时打开沥青循环泵,使加热温度保持一致，防止沥青老化。沥青路面结构层使用材料，为多种矿料掺配而成，在掺配之前，要根据结构层的类型，选择集料的规格。良好的集料要求具有耐磨耗性、足够的强度、无杂质、无风化、集料规格比较稳定、变异性小等性能。
①、采购之前对厂家出厂的材料进行强度、磨耗、压碎值、与沥青的黏附性及针片状颗粒含量等项目进行检测；②、为确定各种矿料的掺配比例、及进场数量，应对所选定不同规格的矿料反复进行筛分析试验。
③、对进场的原材料采用随机抽取试样的方式进行检测，对不符合要求的原材料，要及时清除，杜绝不合格的原材料进入施工现场。以上措施可保证原材料的合格性，在基础上把好关，从而提高沥青路面的路用性能。
（2）做好施工准备阶段的控制
在进行路面施工时，首先要审查施工组织计划，内容应包括组织管理机构、拌和厂布置、施工质量管理体系、施工机械组织材料供应、施工进度计划、施工顺序和作业程序、环保对策、安全措施、工程保险、质量检测机构组成、仪器设备及试验与评定方法等。同时要检查压路机、粒料拌和机、厂拌及路拌拌和机、自卸汽车、摊铺机、洒水车、沥青混合料拌和设备、装载机等施工机械是否按已要求进场。基层的好坏会直接影响到沥青路面的质量，因沥青路面的下面层为基层，所以要做好路面基层的质量控制。因此，要求基层应当具有足够的强度、表面平整、密实、良好的稳定性、拱度等与面层保持一致，高程符合要求。施工过程中把好各道工序质量关，严格按施工规范要求施工，应不得在雨天施工当施工中遇雨时应停止施工雨季施工时必须切实做好路面排水。高等级公路在施工前应铺筑试验段，铺筑试验段是不可缺少的步骤。试验段的长度宜100～200米，这主要是根据试验目的确定的。试验段宜在直线段上铺筑，若条件不允许也可在其它道路上进行试验段的铺筑，但路面结构等条件应相同，路面底基层、基层及面层的试验可安排在不同的试验段落上进行。根据沥青路面各种施工机械相匹配的原则,通过试验段的铺筑可确定以下各项：沥青路面的松铺系数及接缝方法等；摊铺机的摊铺速度、摊铺温度、摊铺宽度、自动找平方式等操作工艺；压路机的碾压温度、压实顺序、碾压遍数及碾压速度等压实工艺；同时注意控制沥青路面的横缝应与路中线垂直。铺筑接缝时，可在已压实的部分上面铺设一些热混合料使之预热软化，以加强新旧混合料的粘结。但在开始碾压前应将预热用的混合料铲除。斜接缝的搭接长度与厚度有关，宜为0.4～0.8m。搭接处应清扫干净并洒粘层沥青，斜接缝应充分压实并搭接平整。平接缝应做到紧密粘结，充分压实，连接平顺。接缝处应清扫干净，切齐，边缘涂粘层沥青，并在其压实后用热烙铁烫平，再在缝口涂粘层沥青，撒石粉封口，以防渗水。验证沥青混合料配合比设计结果，提出生产用的矿料配比和沥青用量。
2.2 影响沥青路面耐久性的外部因素
2.2.1 温度变化
（1）高温影响
高温对沥青耐久性的影响是由于热能加速沥青分子的运动，施工加热引起沥青中轻质油分挥发外，还能促进沥青化学反应的加速，导致沥青技术性能降低及沥青质量严重劣化。温度的升降与沥青混合料的抗变形能力和强度成反比。温度升高时沥青的粘滞度降低，矿料之间的粘结力削弱，导致强度降低。在车辆的重复荷载作用下在停车地点和行车变速的路段上路面发生累积变形，并且受到很大的水平作用力，大体上与垂直应力相当。若沥青混合料的高温稳定性不佳，路面则会产生较大的剪切变形，这就导致路面的破坏。严格控制沥青用量，适当提高沥青材料的粘稠度，控制沥青与具有活性的矿粉的比值，以改善沥青与矿粉的相互作用；在混合料中增加粗集料含量以降低空隙率，使粗集料形成空间骨架结构，这两种方法分别从提高粘结力和内摩阻力方面进行改进，从而提高沥青混合料的高温稳定性。此外，使用改性的沥青进行混合料的拌和，也可以提高沥青混合料的高温稳定性，取得较满意的效果。
（2）低温影响
沥青路面强度随温度而变化的幅度很大。气温急骤降温时，则会在路面结构上产生温度梯度，当遇降温则路面面层收缩，面层会产生拉应力。力学角度分析，面层开裂的原因为此时的沥青混凝土强度小于拉应力。往往沥青路面损坏的开始始于路面裂缝的出现，随着低温循环的影响，裂缝会进一步扩展，随后雨水由裂缝渗入路面结构，逐渐导致路面工作状况恶化，则最终导致路面的使用性能受到较大影响。
适当增加面层的厚度可以减少部分裂缝的出现，使用对温度敏感性低、稠度较低的沥青，也可以减少部分裂缝的出现，但是以上方法均不能根治路面裂缝这种病害。
2.2.2 疲劳破坏
疲劳性能是指沥青混合料在反复荷载作用下抵抗破坏的能力，目前沥青路面疲劳特性的研究研究方法基本上有两种，一类是现象学法，既传统的疲劳理论方法，采用疲劳曲线表征材料的疲劳性质。另一类是力学近似法，即应用断裂力学原理研究疲劳裂缝的发展规律以确定材料的疲劳寿命的方法。从疲劳的观点看，沥青混合料的劲度模量是一个重要的材料特性。则根据定义沥青混凝土路面在重复荷载作用下即产生了疲劳破坏其原因为一是施加的荷载超过了结构设计标准；二是实际交通量超过了设计交通量；三是各结构层承载能力的降低；四是环境因素引起的附加应力一般采用“劲度”作为沥青混合料的疲劳性能指标。
2.2.3 水损害
沥青材料由不同分子量的碳氢化合物及其非金属衍生物组成的黑褐色复杂混合物，呈液态、半固态或固态，是一种防水防潮和防腐的有机胶凝材料。由于其本身的技术特性很复杂，因此透水性与其许多技术特性有关。此外，沥青路面的透水性与沥青混合料的空隙率也有较密切的关联。从耐久性的角度出发，空隙率越大的混合料其耐久性能越差。
本文研究的常规水分来源分为两种：一种是雪水从已有路面裂缝渗入到基层内部，也可是基层内的水分上升进入到沥青混合料中；另一种是常见的大气降雨，从沥青路面逐渐向下渗入混合料内部，由于路面混合料的空隙率较大则路面材料中充满了水分，这就成为了沥青坑槽破坏、路面松散的主要原因。由于沥青面层的透水率小，待到春季，融化的大量水分一下子蒸发不出去，以水膜或水气的形式滞留在面层混合料中，使集料与沥青与的粘附性有所降低。在长期的交通荷载反复作用下，沥青膜与集料开始剥离，渐渐地集料开始松散、掉粒，行车时易发生颗粒推移，伴随着力学强度显著降低现象的出现，引起路面早期破坏。因此，为了减轻沥青地老化，提高沥青路面耐久性，增加沥青与集料地粘附性，这就要求提高基层和土层的水稳性，并要求尽量减小沥青混合料的空隙率。
交通量愈大，重车行驶率愈高，水损害愈快愈严重。选择一种切实有效的方法评价沥青混合料的水敏感性是预防水损害发生的第一步。我国评价沥青混合料水敏感性常用的方法是浸水马歇尔实验，评价指标是残留稳定度。
2.2.4 沥青老化
石油沥青是由油分，树脂，沥青质组成。在沥青路面施工及使用过程中，由于沥青轻组分的挥发，在空气中的氧、光和热的综合作用下，随着时间的推移，沥青组分发生变化其油分与树脂渐渐失去，其流动性减弱，粘度增强，硬度增大，具有一定的脆性，导致路面沥青性质发生变化，这种现象称为老化。在沥青的使用过程中，氧、热、时间是影响沥青质量的三大重要因素，其中影响沥青老化深度的关键因素是时间的长短，起沥青老化变质的主要原因是氧的存在，促进沥青老化的主要外界条件则是热。另外，水、紫外线也是引起沥青老化的重要因素。沥青的老化一般可分为长期老化与短期老化两种，在混合料铺筑成路面之后则主要发生长期老化，主要是由于氧化引起的老化，光则可能加速路面的老化；在施工过程中则发生了短期老化，当混合料处于热状态，挥发、空间硬化和氧化作用则是引起老化的因素主要。目前国内对沥青的老化性能研究仍主要集中在沥青拌和和铺筑这一短期老化过程，而沥青在路面使用过程中的老化实际上是一个漫长的过程。一般来说，老化后的沥青会使其低温性能降低及损失，铺筑路面后
可导致沥青路面出现严重龟裂。对石油沥青加入橡胶，树脂，矿物填充料，树脂与橡胶
合成体来改变其性能，使其抗老化能力增强。沥青老化的一般表现：软化点提高、针入度、延度降低和质量损失。试验室常用薄膜烘箱试验和旋转膜烘箱试验判定。
