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貴州建筑材料為大家介紹高性能抗疲勞材料對路面結構影響研究

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貴州建筑材料為大家介紹高性能抗疲勞材料對路面結構影響研究

發布日期:2017-05-29 00:00 來源:http://www.przzqb.live 點擊:

貴州建筑材料為大家介紹高性能抗疲勞材料對路面結構影響研究


隨著國民經濟的飛速發展,我國交通特點發生了重大變化,交通量不斷增大,而多軸次、重軸載、高輪壓在交通組成中的比重越來越大,且超載現象突出,對路面結構提出了更高要求。目前,我國新建道路中,常常發生裂縫、沉陷、變形等早期病害,已建道路在未達到設計年限時便出現結構性破壞,這增加了道路在使用年限內的維修次數與壽命周期成本。

 

20世紀末以來,美國、歐洲、澳大利亞、日本等國研究者都對長壽命路面開展了廣泛研究與鋪筑。長壽命路面結構具有高耐久性、低壽命周期費用且不會發生結構性破壞的特點。為了保證抗疲勞層在重復荷載作用下的瀝青層底拉應變小于其疲勞極限,保證不發生自下而上的疲勞開裂,抗疲勞層材料的性能尤為重要。

 

我國的軸載水平遠遠大于歐美國家,高速公路設計軸載水平常為重或特重交通等級。當采用柔性長壽命路面結構形式時,為了滿足設計指標要求,需要設置較厚的瀝青層,這顯著提高了道路的建設成本。

 

因此,本文對柔性長壽命路面結構較為重要的抗疲勞層進行研究,抗疲勞層采用不同的材料,分析抗疲勞層對路面結構力學特性、結構厚度、疲勞壽命的影響。本文同時提出了一種新型抗疲勞材料---低成本環氧瀝青混合料,其具有較高的疲勞極限,較低的成本,具有提高瀝青路面疲勞壽命,降低瀝青層整體厚度從而降低壽命周期費用的優勢。

 

貴州建筑材料為大家介紹長壽命路面結構擬定

 

美國典型長壽命路面結構設計理念指出,長壽命路面表面層為高性能瀝青混凝土,需為車輛提供良好的行駛表面,同時滿足足夠的抗車轍性能、抗表面開裂性能、抗滑性能、緩解水霧的影響并能減小噪聲;中間層為高模量瀝青混凝土,輪載下100~150mm區域是高受力區域,也是各種損壞的易發區,此層應具有高模量、抗車轍的特點;瀝青層底為抗疲勞瀝青混凝土,瀝青層最大拉應變產生在HMA層底部,此層層底最易發生疲勞破壞,易產生自下而上的疲勞開裂,應具備高柔性、抗疲勞、水穩定性好的特點;可設置石灰穩定土、級配碎石等底基層,或直接鋪筑在路基上。

 

長壽命路面結構組合設計依據分層設計原則,充分考慮各結構層特性及功能。為便于直觀對比分析抗疲勞層材料對路面結構的影響,本研究將抗疲勞層以上瀝青層作為一層進行設計,模量在考慮各層功能所需材料的基礎上對模量取加權均值。抗疲勞層及級配碎石層采用相同的厚度,模量采用設計規范推薦值、經驗值選取,其中抗疲勞層考慮設置為5、6、7cm厚度時對結構的影響,普通瀝青混合料、SBS改性瀝青混合料、環氧瀝青混合料模量分別選定為1400、1600、1800MPa。

 

貴州建筑材料為大家講解疲勞壽命預估方程

 

采用AASHTO2002設計指南中的疲勞預估方程對擬定的長壽命路面結構進行對比分析。3種抗疲勞層材料參數分別為:普通瀝青混合料油石比為4.8%,空隙率為4.2%;SBS改性瀝青混合料油石比為5.1%,空隙率為3.9%;環氧瀝青混合料油石比為6%,空隙率為3%。

 

抗疲勞層對路面結構影響分析

 

不同材料抗疲勞層對路面結構疲勞壽命影響分析

 

為直觀分析抗疲勞層采用不同材料時對長壽命路面結構疲勞壽命的影響,表1擬定的路面結構中的瀝青層采用20cm厚度,并采用AASHTO2002設計指南中的疲勞壽命預估方程對三種類型結構的疲勞壽命進行預估。

 

可知,同一類型抗疲勞層結構疲勞壽命隨著疲勞層厚度的增加而逐漸增大;抗疲勞層具有相同厚度時,各類型結構隨著抗疲勞層材料疲勞特性的提升,疲勞壽命具有逐級增大的規律。采用普通瀝青混合料作為抗疲勞層時路面結構具有最小的疲勞壽命,采用環氧瀝青混合料作為抗疲勞層時對路面結構疲勞壽命有較大的提升,約為普通瀝青混合料抗疲勞層結構的4倍、SBS改性瀝青混合料抗疲勞層結構的2.5倍,提升效果顯著。

 

貴州建筑材料為大家介紹基于設計當量軸次的路面結構分析

 

路面結構設計時,考慮到規劃年的累計當量軸次,若瀝青層材料的疲勞壽命大于單車道累計當量軸次,則在使用年限內可減緩甚至避免道路發生自下至上的疲勞損傷。因此,進行基于設計當量軸次的路面結構擬定,3種結構均將瀝青層作為設計層位,分析單車道累計當量軸次為1億次時,3種抗疲勞材料對路面結構厚度的影響。

 

可知,同一類型抗疲勞層結構疲勞壽命隨著疲勞層厚度的增加,滿足一次軸載水平的設計層厚逐漸減少;當抗疲勞層具有相同厚度時,各類型結構隨著抗疲勞材料抗疲勞特性的提升,滿足單車道累計當量軸次為1億次的結構厚度具有逐級減薄的規律。當采用環氧瀝青混合料作為抗疲勞層時,其結構厚度較普通瀝青混合料抗疲勞層結構降低了近9cm,較SBS改性瀝青混合料抗疲勞層結構降低了5cm的厚度。因此,當抗疲勞層采用高性能的材料時,具有減薄路面結構整體厚度,從而在滿足設計軸載要求的條件下,達到降低道路建設費用的意義。

 

基于疲勞極限設計原則的路面結構分析

 

判定路面結構是否能夠實現長壽命,關鍵是比較瀝青面層層底彎拉應變與瀝青層材料疲勞極限應變值。當瀝青混合料材料所受的彎拉應變低于疲勞極限時時,瀝青混合料不會產生疲勞損傷破壞,即理論上瀝青混合料有無窮大的疲勞壽命。

 

各國研究者對于彎拉應變極限值、路基頂面壓應變容許值不盡相同,美國設計軸載為80KN時,瀝青層底彎拉應變應小于70με,路基土垂直壓應變小于200με;對于瀝青混合料疲勞極限,很多學者認為普通瀝青混合料的疲勞極限為70~80με,采用改性瀝青混合料的疲勞極限可達到100με。環氧瀝青混合料具有較SBS改性瀝青混合料更高的疲勞壽命。

 

基于疲勞極限的路面結構擬定,3種結構均將瀝青層作為設計層位,分析滿足疲勞極限要求下,三種抗疲勞材料對路面結構厚度的影響。采用BISAR對3種結構進行力學計算。

 

可知,抗疲勞層采用相同厚度時,隨著抗疲勞層材料疲勞極限的增大,滿足疲勞極限及土基頂面壓應變要求的各結構厚度具有逐級減薄的規律。當采用環氧瀝青材料作為抗疲勞層時,其結構厚度較普通瀝青混合料抗疲勞層結構薄約9~10cm,而采用SBS改性瀝青作為抗疲勞層,其結構厚度較普通瀝青混合料抗疲勞層結構薄約6cm。因此,考慮瀝青混合料疲勞極限進行路面結構設計時,若采用高性能的抗疲勞層材料,能起到降低路面結構厚度、提高路面結構耐久性的效益。

 

結語

 

通過分析3種材料抗疲勞層對路面結構力學特性、疲勞壽命、結構層厚度的影響,得出如下結論:

 

(1)抗疲勞層材料疲勞特性愈好,越能提高路面結構的疲勞壽命,從而提高路面的耐久性;

 

(2)基于設計當量軸次的路面結構擬定可知,隨著抗疲勞材料抗疲勞特性的提升,路面結構厚度具有逐級減薄的規律,當采用環氧瀝青混合料作為抗疲勞層時,其結構厚度較普通瀝青混合料抗疲勞層結構降低了近9cm,而同一類型抗疲勞層結構疲勞壽命隨著疲勞層厚度的增加,滿足軸載水平的設計層厚逐漸減少;

 

(3)基于瀝青混合料疲勞極限進行結構設計時,隨著抗疲勞層材料疲勞極限的增大,滿足疲勞極限及土基頂面壓應變要求的各結構厚度具有逐級減薄的規律,當采用環氧瀝青材料作為抗疲勞層時,其結構厚度較普通瀝青混合料抗疲勞層結構薄約9cm;

 

(4)采用具有較好疲勞特性的瀝青混合料作為抗疲勞層時,能夠明顯降低瀝青層的設計厚度,提高路面結構的疲勞壽命,從而起到降低道路建設費用,提高道路耐久性的效益。


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