專利名稱:改進(jìn)的瀝青路面的制作方法
本發(fā)明涉及承載路面及其施工，進(jìn)一步講與改進(jìn)的優(yōu)質(zhì)瀝青路面有關(guān)。
優(yōu)質(zhì)瀝青路面具有多種重要用途，例如，它用于汽車和載重卡車流量大，交通繁忙的高速公路。飛機(jī)起落架次頻繁，負(fù)荷很大的飛機(jī)跑道及滑行道，以及集裝箱貨物貯運(yùn)裝卸的港口建筑。
這里所使用的優(yōu)質(zhì)瀝青路面是指主要用優(yōu)質(zhì)建筑材料鋪筑的瀝青路面。這種優(yōu)質(zhì)建筑材料通常只能由中心工廠加工制造并使用專用鋪筑設(shè)備施工。這就保證了不同的鋪地材料合理均勻地被壓實(shí)。鋪地材料呈合適的層、級(jí)配和厚度，確保了最上部面層均勻光滑，以保證高速運(yùn)輸車輛的安全行駛。
與剛性的或波特蘭水泥混凝土鋪地材料比較瀝青混凝土鋪路的材料可歸為柔性鋪筑材料類，兩種基本的柔性鋪地材料是分層的、單層瀝青鋪地材料，單層瀝青鋪地材料僅僅由直接鋪在地基上的密級(jí)配瀝青混凝土構(gòu)成，在分層瀝青路面中，最優(yōu)質(zhì)材料鋪筑在最接近表面的那一層，這些材料按其大概在結(jié)構(gòu)截面中位置順序，從路基開始。包括土壤，毛料石子，加工過的石子，管道和混凝土碎石塊和瀝青混凝土，穩(wěn)定儀測(cè)量值和石子等效因數(shù)仍是數(shù)值評(píng)價(jià)質(zhì)量參數(shù)，雖然近幾年已經(jīng)承認(rèn)，瀝青混凝土具有某些結(jié)構(gòu)混凝土路面的特性。
實(shí)驗(yàn)的方法和機(jī)械方法目前都應(yīng)用于柔性路面設(shè)計(jì)上。指數(shù)參數(shù)經(jīng)常用來說明鋪地材料，路基特性和交通運(yùn)輸。鋪地材料層系一般符合先有技術(shù)設(shè)計(jì)基本原理的配制，所包括的上述參考設(shè)計(jì)的變種在美國(guó)專利號(hào)Travilla a.936，493，Davis 984801。美國(guó)專利號(hào)Ebberts etal 2083900和Sommer3044373中已做說明。
實(shí)驗(yàn)上的設(shè)計(jì)方法利用鋪地材料截面厚度與所計(jì)劃的交通運(yùn)輸及再造路基土壤強(qiáng)度相聯(lián)系的設(shè)計(jì)方程和一系列圖表，把交通運(yùn)輸和鋪地材料的性能普遍結(jié)合起來，等效材料厚度因數(shù)可用以結(jié)構(gòu)截面材料的替換依據(jù)，所使用的等效因數(shù)因特殊的設(shè)計(jì)方法而異，但當(dāng)骨料基替換密級(jí)配瀝青混凝土?xí)r，厚度減少40%-60%。
早期的以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)的設(shè)計(jì)技術(shù)是由美國(guó)加利福尼亞開發(fā)的穩(wěn)定儀設(shè)計(jì)程序并在幾個(gè)西方國(guó)家得到使用，近來，更先進(jìn)的方法是美國(guó)各洲公路工作者協(xié)會(huì)(舊)(AASHO)的軟路面設(shè)計(jì)方法。
路面的機(jī)械設(shè)計(jì)方法部分地建立力學(xué)基礎(chǔ)上，并且以公認(rèn)的分析技術(shù)為依據(jù)。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，路面層系內(nèi)應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)得到鑒別，路面截面特性得到具體描述，合理的特性描述必須反映溫度和截荷速率對(duì)瀝青混凝土韌性和疲勞壽命的影響。應(yīng)力狀態(tài)對(duì)骨料基和松極配的瀝青混凝土韌性的影響，應(yīng)力狀態(tài)和含濕量對(duì)于路基土壤的韌性和永久形變的影響。
應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)的鑒定通常借助于彈性常數(shù)與載荷速率、溫度、應(yīng)力狀態(tài)和濕度相容的彈性成層計(jì)算機(jī)代碼來完成的，可以使用的近代技術(shù)反映應(yīng)力狀態(tài)對(duì)于彈性常數(shù)的影響，計(jì)算機(jī)分析的溫度和濕度場(chǎng)可以幫助選擇適合反映環(huán)境因素這種彈性常數(shù)。
機(jī)械設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)是通過對(duì)臨界區(qū)(即渾度)結(jié)構(gòu)截面設(shè)計(jì)的應(yīng)變與預(yù)定材料破壞判據(jù)做比較而完成的。當(dāng)對(duì)普通使用的鋪路建筑材料及其對(duì)于截荷響應(yīng)的一定意義的機(jī)械特征做出深入了解時(shí)，根據(jù)普通材料承受應(yīng)力的量，先有技術(shù)就不能利用知識(shí)得到最佳層系。(即路面結(jié)構(gòu))。因此，有效的力學(xué)法分析技術(shù)以前就不能從原理上產(chǎn)生新的最佳的路面設(shè)計(jì)。
本發(fā)明提出和克服了先有技術(shù)上述和其它缺點(diǎn)，一方面提供了覆蓋地面的瀝青鋪地結(jié)構(gòu)截面，結(jié)構(gòu)截面包括多層材料，這種層以所選擇的順序排列，從地面到最上表面，抗拉強(qiáng)度最高的層排列在臨近路基。
另一方面，本發(fā)明包含一種瀝青路面結(jié)構(gòu)截面的改進(jìn)方法，這種方法包括排列多層材料步驟，以便在只有壓縮應(yīng)力或拉力承截時(shí)，基本上使截荷遍布每一層。
本發(fā)明的上述和另外特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)將在后面最佳實(shí)施例中詳細(xì)的說明中進(jìn)一步闡明。該說明中有一系列圖表，其中數(shù)碼對(duì)應(yīng)于整個(gè)發(fā)明的細(xì)節(jié)。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)瀝青的路面剖面圖;
圖2是根據(jù)先有技術(shù)的單層瀝青鋪地材料結(jié)構(gòu)截面的剖面圖;
圖3是根據(jù)先有技術(shù)的多層結(jié)構(gòu)截面的剖面圖;
圖4是圖示在前面圖3的先有技術(shù)的路面結(jié)構(gòu)模型。
(圖5(a)和5(b)是分別在一個(gè)輪和二個(gè)輪載荷下的圖3先有技術(shù)路面的應(yīng)力圖。
圖6圖示了密級(jí)配混凝土典型的疲勞破裂關(guān)系。
圖7表示了密級(jí)配瀝青楊氏模量對(duì)承載時(shí)間和混合溫度的函數(shù)關(guān)系。
圖8表示了密級(jí)配骨料的泊松比對(duì)應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系。
圖9是半對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖表明了垂直應(yīng)力和截荷重現(xiàn)數(shù)之間的關(guān)系。
圖10(a)和10(b)分別是一個(gè)輪和二個(gè)輪承載時(shí)本發(fā)明路面的應(yīng)力圖;
圖11表示了拉應(yīng)變對(duì)本發(fā)明瀝青混凝土層厚度的函數(shù)關(guān)系。
圖12表示了臨界拉應(yīng)變時(shí)單位成本的函數(shù)關(guān)系;
圖13表示了臨界壓應(yīng)變對(duì)單位成本的函數(shù)關(guān)系。
翻到圖中，圖1是根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)瀝青路面結(jié)構(gòu)結(jié)面的橫剖面圖，結(jié)構(gòu)剖面圖包括對(duì)平整后的路基12覆蓋的預(yù)定排列層。
由本發(fā)明構(gòu)成的排列包括1/2～2英寸厚厚表面層14。表示層14靠緊級(jí)配骨料16支承，它又覆蓋在松級(jí)配骨料層18上，松級(jí)配骨料層18鋪筑在改進(jìn)的密級(jí)配混凝土底層20的頂部上。
平整耐磨損防滑表面層14可以是密級(jí)配瀝青混凝土，松級(jí)配瀝青混凝土或表面處理，在使用密級(jí)配或松級(jí)配瀝青混凝土中，根據(jù)鋪筑要求層14一般將是較厚的，這是由于單瀝青表面處理產(chǎn)生一3/8英寸薄層。在者情況下，層14的厚度取決于表面處理的次數(shù)和在處理過程中使用石塊的尺寸。使用1/2或3/8英寸最大石塊的單一表面處理，對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用是合適的。所選用松級(jí)配瀝青混凝土習(xí)慣上按上述所討論標(biāo)準(zhǔn)程序鋪復(fù)和壓實(shí)。接著再鋪筑，常用的密集配瀝青混凝土層，正如所示的密級(jí)配骨料層16并不是一種主要結(jié)構(gòu)材料，它主要起到使表面層14更容易鋪復(fù)其上的作用，不難理解層16具有無限定剛度，以便支持表面層14所承受的交通量。
松級(jí)配骨料層18基本上是最大直徑在1～2英寸之間均一尺寸的碎石塊，有不到2%～3%可通200號(hào)篩。層18的施工(即鋪展和壓實(shí))基本上與密級(jí)配骨料的施工相同，多數(shù)是利用壓路機(jī)對(duì)密級(jí)配骨料層16壓實(shí)的。
改進(jìn)密級(jí)配瀝青混凝土層20的施工基本上類似于常用的密級(jí)配瀝青混凝土的施工，改進(jìn)層卻不同，合理混料設(shè)計(jì)可以利用較高的粘度鋪地用瀝青水泥和利用在大于標(biāo)準(zhǔn)密級(jí)配瀝青混凝土的瀝青含量(約0.5%～1.5%)其瀝青含量大于先有技術(shù)密級(jí)配瀝青混凝土，考慮到石塊等級(jí)，確切含量根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工程施工而變化)。另外，層20可在高密實(shí)度下澆筑，它與百分比含量高的瀝青水泥一起，具有高韌性，高疲勞壽命和很低的導(dǎo)水性。
圖2和圖3是根據(jù)先有技術(shù)的常用瀝青混凝土路面的橫剖面圖。圖2中圖示了已公開的常用的單層瀝青混凝土路面，它是由單一混凝土或覆蓋在路基24的密級(jí)配瀝青層22構(gòu)成。先有技術(shù)的圖3包括一個(gè)密級(jí)配表面層26構(gòu)成。它復(fù)蓋密級(jí)配骨料基30之上的層28上。成層結(jié)構(gòu)截面覆蓋在路基30之上。
下面討論本發(fā)明和普通路面所使用的材料的特征及其基本特性。如上面所提到的，結(jié)構(gòu)材料包括密級(jí)配和開式級(jí)配瀝青混凝土及其密級(jí)配和開式級(jí)配骨料基。
材料級(jí)成瀝青混凝土基本上由好的(密級(jí))或差的(松級(jí)配)混合骨料及鋪地用瀝青水泥在高溫時(shí)組成。在一定條件下，松級(jí)配瀝青混凝土。可以用乳化瀝青制成-但經(jīng)常在部分高溫，即高于環(huán)境溫度但低于液體瀝青水泥使用所需要的正常溫度。松級(jí)配瀝青混凝土是一種新型的材料，問世不到20年，在過去10年里，人們已經(jīng)把松級(jí)配瀝青當(dāng)作高質(zhì)量鋪地材料，由于它具有高度耐滑性的特點(diǎn)，主要用于路面中。與松極配瀝青混合土不同，密集配瀝青混凝土須經(jīng)鋪地用瀝青水泥加工制成，以保證控制密度以及空隙含量，而這不能利用引起施工后液體流失的冷混工藝(如乳狀或液態(tài)瀝青)來達(dá)到。瀝青混凝土的特性受瀝青含量的影響。瀝青含量起到了控制密級(jí)配瀝青混凝土中空穴的作用，一般尋求4%～6%之間的值，但實(shí)際值一般在5%～10%之間，下面列出表格有代表性地說明鋪地用瀝青。
鋪地用瀝青概要鋪地用瀝青應(yīng)是蒸汽精制瀝青，是從粗瀝青石油產(chǎn)品或者精制液態(tài)瀝青和精制土瀝青的混合物中產(chǎn)生的，它應(yīng)是均勻的，不含水及煤，煤焦油，或石蠟蒸餾的殘存物。
試驗(yàn)要求由粘度級(jí)配規(guī)定瀝青并應(yīng)符合下表要求這張表以及下面所有其它表摘自美國(guó)公共工程學(xué)會(huì)南加利福尼亞章節(jié)距的聯(lián)合合作委員會(huì)及南加利福尼亞聯(lián)合承擔(dān)人“公共工程建筑標(biāo)準(zhǔn)說明”。
松級(jí)配和密級(jí)配混凝土的石塊部分的骨料與圓的顆粒不同，是由尖角的顆粒構(gòu)成，通常對(duì)于每單位石料中的斷裂面最小值做了規(guī)定。就密級(jí)配瀝青混凝土而論，可以含有礦物填充料。這種填充料比200號(hào)篩細(xì)，一般占總量的最大值為3%～5%。瀝青混凝土的骨料應(yīng)服從耐久性技術(shù)要求，至少應(yīng)服從顆粒硬度和礦物學(xué)技術(shù)規(guī)范。這些特征可以從設(shè)計(jì)粉碎骨料或產(chǎn)生水泥磚破裂的機(jī)械和化學(xué)試驗(yàn)中得到判斷。所用骨料的典型技術(shù)要求如下材料瀝青與骨料混合的瀝青是鋪地用瀝青骨料碎骨料是石塊且適合下述要求試驗(yàn) 試驗(yàn)方法編號(hào) 要求磨損百分率 ASTM C131100轉(zhuǎn) 15Max500轉(zhuǎn) 52Max瀝青混凝土的細(xì)骨料是沙子，石粉未，碎渣，礦物填充物或者這些材料的摻合物。
如果用過200號(hào)篩中的材料中瀝青混凝土的細(xì)骨料不充足，要添加礦物填充劑以適合合成級(jí)配。
礦物填充料礦物填充料由波特蘭水泥或通過機(jī)械作用由粉碎石塊而產(chǎn)生的細(xì)粉末材料組成，按ASTM D422試驗(yàn)，機(jī)械法產(chǎn)生的碎石要符合下表級(jí)配粒度 百分率過200號(hào)篩 75-100小于0.05mm 65-100
小于0.02mm 35-65小于0.01mm 26-35小于0.005mm 10-22合成骨料總則在除加入瀝青和礦物填充物以外的所有工序中，合成骨料樣品按試驗(yàn)方法加利福尼亞217號(hào)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)具有最小50等效砂。
組成和級(jí)配合成骨料的級(jí)配和瀝青百分率要符合下表中指出的要求，表中所示百分比均以干骨料的重量計(jì)。
通過百分比類別 A B C D E超細(xì)和篩 粗 中粗 中 細(xì) 限定尺寸(mm)最小 最大 最小 最大 最小 最大 最小 最大 最小 最大1-1/2(38.1) 1001 (25.4) 90 100 1003/4 (19.0) 78 90 95 1001/2 (12.7) 64 78 74 88 95 100 1003/8 (9.5) 54 68 62 76 72 88 95 100 100 1004號(hào) 34 48 38 62 46 60 58 72 65 858號(hào) 25 35 28 40 28 42 34 48 45 6530號(hào) 12 22 14 24 15 27 18 32 22 3850號(hào) 8 16 10 18 10 20 13 23 16 28200號(hào) 3 6 3 7 4 7 5 9 6 12瀝青粘合劑% 4.5 5.5 4.6 5.8 4.8 6.0 4.8 6.5 6.0 8.0
注釋使用礦渣骨料時(shí)，瀝青粘合劑的百分率可超過上述值2.0。
骨料精確比例和每種類型混合物的瀝青粘合劑量應(yīng)在工程師指導(dǎo)下調(diào)配。
密級(jí)配和松級(jí)配瀝青混凝土設(shè)計(jì)顆粒的技術(shù)要求(如磨損百分率和硬度)是相同的。含有3% AR 4000鋪地用瀝青的松級(jí)配瀝青混凝土混合物列表如下篩子尺寸 通過百分率(篩子)1.0英寸 100＃10 0-12＃200 0-2骨料也可以是密級(jí)配或松級(jí)配的，優(yōu)質(zhì)材料石塊部分具有梭角粒子特點(diǎn)，就斷裂面和耐久性而論與對(duì)瀝青混凝土中所使用的骨料的技術(shù)要求相同，盡管這不是唯一的，但典型的用在密級(jí)配骨料和松級(jí)配骨料中的骨料技術(shù)要求例表如下總則碎骨料要完全由碎石塊和石粉組成。
等級(jí)骨料應(yīng)均勻并符合下面級(jí)配篩子尺寸(mm) 過篩百分率1-1/2″(38.1) 1003/4″(19.0) 90-1003/8″(9.5) 50-80第4號(hào) 35-55第30號(hào) 10-30
第200號(hào) 2-9ASTMC131級(jí)配質(zhì)量要求材料要符合下述要求試驗(yàn) 試驗(yàn)方法編號(hào) 要求R-值1加利福尼亞301 最小80含沙當(dāng)量 加利福尼亞217 最小50磨損百分率 ASTMC131100轉(zhuǎn) 最大15500轉(zhuǎn) 最大52比重 ASTMC127 2.58英寸2(毛體飽和表面干燥)1、如果材料具有55SE或更多時(shí)，R-值的要求將不考慮。
2、按重量計(jì)不高于15%應(yīng)是毛體比重低于2.5的顆粒。
按試驗(yàn)方法加利福尼亞229，如果該材料具有小40的耐久性，工程師具可以不考慮磨損百分率和比重的要求。
碎石產(chǎn)品總則下面的說明提出了對(duì)碎石塊和砂礫的要求。
所有石塊產(chǎn)品質(zhì)量上應(yīng)是干凈，堅(jiān)硬堅(jiān)固，耐久均勻，沒有任何有害于質(zhì)量的，硬度低的，松散的，易碎，薄的，長(zhǎng)粒的或?qū)訝钇鬯椴牧?，有機(jī)物質(zhì)，含油，含堿或其它有害物質(zhì)。除非另外說明，所有百分率人們都按重量計(jì)算。
碎石塊和石粉碎石塊是粉碎了的石塊或砂礫產(chǎn)品。通過大于3/8英寸那一部分材料(9.5mm)篩，至少含有50%具有三個(gè)或更多的斷裂面的顆粒，在粉碎中沒有產(chǎn)生上述要求斷面粒料的不應(yīng)超過5%，在通過3/8英寸(9.5mm)篩但不通過4號(hào)篩的部分，10%以下是砂礫顆粒。碎石塊按公稱尺寸設(shè)計(jì)且應(yīng)符合下面的級(jí)配過篩百分率篩子尺寸 1″ 3/4″ 1/2″1-1/2″ 100 - -1″ 90-100 100 -3/4″ 30-60 90-100 1001/2″ 0-20 30-60 90-1003/8″ - 0-20 20-604號(hào) 0-5 0-5 0-158號(hào) - - 0-5試驗(yàn)級(jí)配 A B B砂礫應(yīng)完全由具有不超過一個(gè)斷裂面的顆粒組成。
施工工藝標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施經(jīng)常是以合適的公共代辦規(guī)則確定，就結(jié)構(gòu)截面分布面存在。通常，路基平整到要求的準(zhǔn)直(水平和垂直)和深度，然后在施工前把低密度路基部分壓實(shí)。市政局壓實(shí)技術(shù)要求(列在公眾工程施工表中)規(guī)定支持基或底基的最上部六英寸，根據(jù)ASTM試驗(yàn)規(guī)定D1557-70，分別壓實(shí)到最大密度為90%和95%。
先有技術(shù)結(jié)構(gòu)截面的施工是把骨料基或?yàn)r青混凝土直接填筑在平整后的路基上。一種天然存在的比稱作底基的地表土壤優(yōu)質(zhì)的材料，在填筑底基或?yàn)r青混凝土以前，填放在路基。在這種情況下，壓實(shí)這種層的技術(shù)要求與那些對(duì)路基的要求相同。
密級(jí)配骨料一般被壓實(shí)為實(shí)驗(yàn)最大密度的95%。但是，松級(jí)配骨料壓實(shí)技術(shù)要求一般不作規(guī)定，因?yàn)槌酥饕鳛橄屡潘鈱訔l件下，這種層很少做為結(jié)構(gòu)材料中使用。當(dāng)使用時(shí)，要特別小心，以保證從相鄰來連接材料中的物理分層，在使用原土壤而不是使用好的配級(jí)砂礫時(shí)，偶爾也使用鋪路材料分離器。
密集配瀝青混凝土的壓實(shí)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)或理論的最大密度規(guī)定的。按前者規(guī)定時(shí)，如上所述，一般壓實(shí)要求是95%;使用后者時(shí)，常用的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)是92%。
在現(xiàn)行工序中，瀝青混凝土層的壓實(shí)工具的擱置溫度和類型以及數(shù)量同樣是標(biāo)準(zhǔn)化的。松級(jí)配瀝青混凝土技術(shù)要求一般是與密級(jí)配瀝青混凝土相同。但是松級(jí)配瀝青混凝土最小壓實(shí)密度通常并不規(guī)定。然而在壓實(shí)時(shí)，在很熱情況下，最上層瀝青混凝土可以被填充(即每平方米碼沙子覆蓋5-10磅之間)以及用乳化或熱鋪路級(jí)配瀝青(常用含量在每平方碼0.15～0.25加侖)噴射以提供致密的表面。
當(dāng)松級(jí)配瀝青混凝土表面是為了提供摩擦和耐滑的基本作用時(shí)，在后面的工藝一般有省略。
機(jī)械特性圖4是如圖3所示的常用層壓路面的結(jié)構(gòu)模型。圖4中示出的參數(shù)定義如下e1＝密級(jí)配瀝青混凝土臨界拉應(yīng)度e0＝路基臨界壓應(yīng)變h1＝層1的厚度E1＝層1的楊氏模量U1＝層1的泊松比對(duì)使用著路面測(cè)量表明了圖4的結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算機(jī)分析的有效性，提供了近似反映材料特征參數(shù)的載荷，保壓時(shí)間和環(huán)境條件。圖示在與5(a)和5(b)中這種層系的應(yīng)力分布很典型的，該圖是計(jì)算機(jī)制出的先有技術(shù)成層施工截面(圖3示出)應(yīng)力對(duì)典型的公路截荷特性曲線。如圖所示，在一個(gè)輪(圖5〔a〕和兩個(gè)輪載荷下的垂直應(yīng)力在密級(jí)配瀝青混凝土層26中迅速衰減(隨深度增加)，但在層26之下的密級(jí)配骨料基層28中其衰變速度明顯地降低另外一個(gè)高徑向應(yīng)力層存在于層26的上部表面，在中軸附近轉(zhuǎn)向，在瀝青混凝土層底部成為高拉應(yīng)變。在層26下，骨料基28承受只很低的壓應(yīng)力，這種應(yīng)力隨深度而減少。
當(dāng)表面層26變得破碎和變型時(shí)，路面就被破壞了。當(dāng)足夠的重復(fù)載荷，使松級(jí)配瀝青混凝土隨著在路基的底部產(chǎn)生裂縫并向上通過該層傳展疲勞破壞就產(chǎn)生了。當(dāng)足夠的重復(fù)載荷使路基土壤產(chǎn)生了累積塑性變型，產(chǎn)生車轍龜裂。
在試驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)研究已經(jīng)表明，重復(fù)的短持續(xù)拉應(yīng)力載荷下，密級(jí)配瀝青混凝土產(chǎn)生疲勞斷裂。載荷重復(fù)數(shù)和拉應(yīng)變?cè)谒杉?jí)配瀝青混凝土層之間的一般關(guān)系在圖6中表明。破壞一般表示成重復(fù)最大應(yīng)變和材料破裂的重復(fù)數(shù)量之間的對(duì)數(shù)關(guān)系。
在連續(xù)溫度引起的形變下，瀝青的粘度允許瀝青混凝土在載荷下松弛，以防止中等溫度下和/或溫度變化迅速情況下所引起的溫度破裂。填充劑的特點(diǎn)和數(shù)量，堆放密度以及空穴含量等混合變量都影響疲勞強(qiáng)度和剛度。圖6中，曲線“A”根據(jù)溫度(較高)載荷速度(較低)，瀝青粘度(較小)，級(jí)配(松級(jí))、空氣穴含量(增加)和瀝青含量(減小)的特性不同于曲線“B”。象溫度和保壓時(shí)間一類的變量，當(dāng)破壞是以疲勞應(yīng)力而不是疲勞應(yīng)力變表示時(shí)，可能對(duì)疲勞強(qiáng)度有著明顯的相反作用。例如增加溫度或減少保壓時(shí)間?？赡苁共牧显谄屏亚爱a(chǎn)生較大的應(yīng)變水平，但增加了脆性，產(chǎn)生了低破裂應(yīng)變。其它變化影響不太明顯。如增加瀝青含量一般增加了疲勞壽命而使材料變軟。另一方面增加瀝青含量一般增加了壓實(shí)密度，產(chǎn)生了稠的混合物，低的空氣穴含量以及必然延長(zhǎng)疲勞壽命。
如圖1所示的密級(jí)配瀝青混凝土的楊氏模量是承載時(shí)間的增函數(shù)，是溫度的減函數(shù)。常用的密級(jí)配瀝青混凝土泊松比在0.4～0.5之間。
密級(jí)配瀝青混凝土的導(dǎo)水性對(duì)瀝青含量極為敏感。一般空氣穴含量大于5～6%的混合物常用值為在0.1～1.0英寸/每天之間。當(dāng)空氣穴含量小于2～3%時(shí)，0.0001英寸/每天的低值可以達(dá)到密級(jí)配瀝青混凝土的熱特性包括近似于每華氏度每小時(shí)每英尺深度0.8BTU傳導(dǎo)性和近似于每華氏度每磅0.15BTU的比熱。
松級(jí)配瀝青混凝土當(dāng)它有比較小的抗拉強(qiáng)度，通常并不以抗拉疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)為特征的，松級(jí)配瀝青混凝土一般破壞應(yīng)力數(shù)量級(jí)低于同溫同載荷條件下的密級(jí)配瀝青混凝土。
申請(qǐng)人:發(fā)現(xiàn)松級(jí)配瀝青混凝土在張力下具有低的剛度并且在低載荷下使用(每平方英寸應(yīng)力低于10磅)時(shí)松散開。盡管如此，在承受壓力時(shí)，它的楊氏模量相同甚至超過密級(jí)配瀝青混凝土，這樣生成理想的路面。因此，松級(jí)配瀝青混凝土的剛度隨著界限顯著增加，觀察到下述關(guān)系E＝KQn其中E是楊氏模，Q是初始應(yīng)力不變量，K和n是載荷時(shí)間和溫度影響系數(shù)。一般交通運(yùn)輸載荷和溫度條件的K值和n值，當(dāng)楊氏模量初始應(yīng)力不變量是每平方英尺磅單位時(shí)，其值是100000和0.3～0.5。一般超過20%的高空氣穴含量使水自由的通過松級(jí)配瀝青混凝土。典型的導(dǎo)水性超過1000英尺/天。其熱性質(zhì)與密級(jí)配瀝青混凝土相同。
骨料的剛度對(duì)其應(yīng)力環(huán)境同樣是敏感的。描述松級(jí)配瀝青混凝土的指數(shù)函數(shù)關(guān)系也可用以表示典型的骨料剛度。當(dāng)楊氏模量和初始應(yīng)力不變量以磅/平方英寸表示時(shí)，一般情況下，密級(jí)配骨料的骨料基的K值和n值在2000～3000之間和0.4～0.7之間。松級(jí)配骨料模量在同樣應(yīng)力環(huán)境下稍高于密級(jí)配。
密級(jí)配骨料的泊松比如在圖8所示，也是應(yīng)力的函數(shù)。泊松比對(duì)應(yīng)力的依賴性同在松級(jí)配骨料中相同，但大概對(duì)濕度條件并不敏感。密級(jí)配骨料導(dǎo)水性一般在每天0.1～10英尺之間。松級(jí)配骨料導(dǎo)水性一般超過每天1000英尺。骨料導(dǎo)熱性變化很大，反映了水含量和單位重量的變化。對(duì)于飽合密級(jí)配骨料，超過每華氏度每小時(shí)每英尺深25BTU值是比較好的。個(gè)別情況下近似于玻璃與水的導(dǎo)熱性接近每華氏度每小時(shí)每英尺深度的0.5～300BTU。在松級(jí)配骨料中，導(dǎo)熱性接近瀝青混凝土，不到1.0BTU每華氏度每小時(shí)每英尺深。當(dāng)水和礦物質(zhì)的個(gè)別單位值是1.0和0.17BTU每華氏度每小時(shí)每英尺深時(shí)，骨料的比熱還反映了濕含量。
天然土壤的剛度對(duì)濕含量和應(yīng)力狀態(tài)的敏感性依賴于地基土壤的特性，一般來說，楊氏模量隨應(yīng)力差數(shù)的反函數(shù)減小。
塑性較強(qiáng)的粘土壤對(duì)濕含量最敏感，一般楊氏模量在每平方英寸2000～10000磅之間，高濕含量的塑性粘土取下限而沙子取上限。一般地基的破壞以如圖9示出的垂直應(yīng)變和重復(fù)數(shù)量以半對(duì)數(shù)關(guān)系表示。破壞標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從對(duì)正在使用的路面車轍深度和交通載荷測(cè)量中制定出來，一般把路面破壞車轍深度0.5英寸或高大些的地方進(jìn)行分類類。
路面特征申請(qǐng)人已經(jīng)申申上述機(jī)械特性和在圖1中表明的其它已經(jīng)得到的改進(jìn)成層瀝青路面，在設(shè)計(jì)本發(fā)明路面中，申請(qǐng)人設(shè)法得到一種結(jié)構(gòu)材料排列，綜合起來有在最小的耗費(fèi)下獲得最高的路面強(qiáng)度以及耐疲勞破壞;最小的對(duì)底基導(dǎo)水性;提供有效的來自路面的表面滲透水的側(cè)面的排水;提供豈今為止抗拉結(jié)構(gòu)要素的熱絕緣性，而不利用先有技術(shù)路面;改善路基的熱絕緣性因而減少了潛在的抗拉力結(jié)構(gòu)元素的有害熱破裂及路基的凍裂;提供平滑耐磨路面以及其它有利優(yōu)點(diǎn)。
總之，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)本發(fā)明的成層路面具有以下機(jī)理為特征的密級(jí)配瀝青混凝土層20疲勞破裂應(yīng)變(或應(yīng)力)和楊氏模量(剛度量度)是瀝青混合物，承載溫度和持續(xù)承載時(shí)的函數(shù);松級(jí)配瀝青混凝土層14的楊氏模量在承載和持續(xù)承載時(shí)取決于應(yīng)力和環(huán)境溫度;骨料層16的楊氏模量和泊松比是應(yīng)力的函數(shù);路基土壤12是應(yīng)力狀態(tài)和濕含量的函數(shù)。另外，密級(jí)配骨料基層16的楊氏模量是濕含量的函數(shù)。這樣，飽和時(shí)如不允許承載時(shí)排水，楊氏模量也許受到很大的影響。此外，由截面10構(gòu)成層的溫度，導(dǎo)濕性和擴(kuò)散性影響了路面對(duì)自然環(huán)境的響應(yīng)。本發(fā)明路面的這些特點(diǎn)反映了豈今尚未實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)截面和路基的結(jié)構(gòu)層機(jī)械特性的結(jié)合。
與先有技術(shù)路面作比較，本發(fā)明的經(jīng)濟(jì)性是顯而易見的，密級(jí)配瀝青混凝土層的相對(duì)費(fèi)用與松級(jí)配瀝青混凝土，密級(jí)配骨料基和松級(jí)配骨料基存在著近似比率20∶15∶5∶4。低價(jià)格材料的使用比僅使用最貴的材料的先有技術(shù)全深度路面提供了明顯的效益。如后面所示，按照本發(fā)明分布的層，由于力的輻射傳播作用，在路面上部產(chǎn)生了壓應(yīng)力，在其低部產(chǎn)生拉應(yīng)力，這就使密級(jí)配瀝青混凝土層主要受到拉應(yīng)力。將會(huì)看到覆蓋層把瀝青混凝土層與壓力隔絕。這種隔絕層使用價(jià)格較高的材料薄層而不在先有技術(shù)全深度或成層路面中使用，而這些材料把裂縫進(jìn)展的彎曲施加在瀝青混凝土上。由此覆蓋層在壓力下發(fā)揮了充分的剛度，使層體的結(jié)合起了單獨(dú)整體力的輻射傳播的結(jié)構(gòu)。
下面的附圖提供了本發(fā)明路面的機(jī)理與先有技術(shù)成層瀝青路面的力學(xué)方面的圖示比較。圖10(a)和10(b)是根據(jù)本發(fā)明(即如圖所示)在一輪或兩輪載荷下計(jì)算機(jī)制的應(yīng)力圖。這些圖反映了載荷與先有技術(shù)成層路面同與先有技術(shù)成層路面對(duì)照本發(fā)明整個(gè)結(jié)構(gòu)剖面起了單一結(jié)構(gòu)力的輻射傳播的作用，這在圖10(a)和10(b)中通過徑向應(yīng)力分量從壓應(yīng)力到拉應(yīng)力在整個(gè)剖面的多數(shù)層中的逐漸反向而可看出。在先有技術(shù)全深度和成層路面中，唯一承受拉應(yīng)力層位于剖面頂部。其結(jié)果，僅這一層顯示出力的輻射傳播作用(頂部受壓和底部受拉)。其余的層質(zhì)量差，附著力小，抗拉強(qiáng)度小，不參與力的輻射傳播的響應(yīng)。然而只有底層和/或路基承受垂直的徑向壓力。
在本發(fā)明中，如圖10(a)和10(b)示出的力的輻射傳播作用層和對(duì)于承壓層14、16、18結(jié)合，在優(yōu)質(zhì)密級(jí)配瀝青混凝土層20中基本上產(chǎn)生純拉力。因此層14，16和18機(jī)械的起了把層20與壓應(yīng)力隔絕的作用。通過保持在純拉力下的拉應(yīng)力承受層20。在重復(fù)載荷下幾乎避免了發(fā)生在先有技術(shù)拉力承受層中的彎曲現(xiàn)象。這種彎曲的減少是本發(fā)明設(shè)計(jì)的重要特征。路面的破裂是拉應(yīng)力造成的。破裂或裂縫的擴(kuò)展以及由此產(chǎn)生的整個(gè)路面的破壞由于這種彎曲變得非常容易。盡管裂縫發(fā)生在層20的底部表面，但它其后向上通過整個(gè)結(jié)構(gòu)剖面的擴(kuò)展，由于比先有技術(shù)路面破壞慢的多而得到防止。
再則，破裂過程本身由于提高瀝青含量而推遲，部分通過提高上述提到的輔助瀝青混凝土混合物的層20的密度，基本上改善了瀝青混凝土的耐疲勞性。提高瀝青含量與減少拉應(yīng)力承載層的彎曲的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的結(jié)合便于了具有薄薄的瀝青混凝土層的路面施工，因此降低了整個(gè)路面的造價(jià)。最后，通過把提高了瀝青含量的密級(jí)配瀝青混凝土層20放在結(jié)構(gòu)截面的底部，產(chǎn)生的象薄膜樣隔水層限制了對(duì)路基的滲流，另一方面在瀝青混凝土上部較少的密級(jí)配層使具有優(yōu)點(diǎn)的從結(jié)構(gòu)截面?zhèn)认蚺潘蔀榭赡?，維持了剛度和整個(gè)設(shè)計(jì)的壓應(yīng)力承載能力。泄水的骨料大大地改善了耐熱性。
圖11，12和13是一套計(jì)算機(jī)制的圖，比較了根據(jù)本發(fā)明和常用的如圖3所示的成層先有技術(shù)路面的某些力學(xué)基礎(chǔ)和耗費(fèi)。根據(jù)假設(shè)分析密級(jí)配路面和改進(jìn)密級(jí)配瀝青混凝土的模量是300000磅/吋2，路基模量是5000磅/吋2。
圖11的曲線表示了當(dāng)公路載荷和環(huán)境條件作為層厚的函數(shù)下瀝青混凝土層底部的最大或者對(duì)比拉應(yīng)變。曲線A為本發(fā)明的改進(jìn)密級(jí)配瀝青混凝土層20的關(guān)系特性。曲線，而曲線B為圖3密級(jí)配瀝青混凝土層26的特性曲線。明顯看出，本發(fā)明瀝青混凝土層拉應(yīng)變大大小于先有技術(shù)中給定厚度層拉應(yīng)變。相反，在本發(fā)明瀝青路面中已知拉應(yīng)變數(shù)量級(jí)的瀝青混凝土層比在先有技術(shù)成層路面薄，它指出應(yīng)變是層厚的減函數(shù)。
從圖12和13可以明顯看出，包括薄瀝青混凝土層的路面設(shè)計(jì)有著明顯的成本優(yōu)點(diǎn)。曲線代表了路面瀝青混凝土層中的臨界拉應(yīng)力與壓應(yīng)變之間的關(guān)系以及整個(gè)路面每平方英尺美元的單價(jià)。
曲線A指的是本發(fā)明路面，曲線B指的是先有技術(shù)成層路面。顯然，本發(fā)明薄瀝青混凝土層路面產(chǎn)生了比先有技術(shù)具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。
因此，可以看出一種由新型的成層結(jié)構(gòu)截面構(gòu)成的改進(jìn)路面的結(jié)構(gòu)技術(shù)問世。通過利用此技術(shù)，人們可以輔筑一種路面，這種材料根據(jù)維護(hù)、耐久力、持續(xù)交通質(zhì)量，折余值以及施工費(fèi)用等方面，比先有技術(shù)優(yōu)質(zhì)瀝青路面優(yōu)越的多。
本發(fā)明已在現(xiàn)在最佳實(shí)施例中公布，但它決不意味著受此局限，而其范圍只由后面的權(quán)項(xiàng)中的定義所限制。
權(quán)利要求
1.一種輔在路基上的瀝青路面結(jié)構(gòu)截面，綜合起來其特征在于它是由a.多種材料層，所述層按所選擇順序分布，從所述路基到上表面；b.具有最大拉應(yīng)力強(qiáng)度的層分布在靠近所述的路基。
2.據(jù)權(quán)項(xiàng)1所述的瀝青路面，結(jié)構(gòu)截面其特征進(jìn)一步在于余留層具有預(yù)選壓應(yīng)力承受能力。
3.據(jù)權(quán)項(xiàng)2所述的瀝青路面結(jié)構(gòu)截面，其特征進(jìn)一步在于靠近所述的路基層在所述的所有層中具有最小的導(dǎo)水性。
4.據(jù)權(quán)項(xiàng)3所述的瀝青路面，結(jié)構(gòu)截面，其中靠近所述路基層是密級(jí)配瀝青混凝土。
5.據(jù)權(quán)項(xiàng)4所述瀝青路面結(jié)構(gòu)截面，其特征在于進(jìn)一步包含至少一層骨料基。
6.據(jù)權(quán)項(xiàng)5所述瀝青路面結(jié)構(gòu)截面，其特征在于進(jìn)一步包含松級(jí)配和密級(jí)配骨料基層。
7.據(jù)權(quán)項(xiàng)6所述的瀝青路面結(jié)構(gòu)截面，其特征進(jìn)一步在于所述松級(jí)配骨料基層靠近瀝青層混凝土層。
8.設(shè)計(jì)一種瀝青路面結(jié)構(gòu)截面的方法，其特征在于包括分布多種材料步驟，以便承載中在所述的每一層中基本上只承受壓應(yīng)力或拉應(yīng)力。
9.據(jù)權(quán)項(xiàng)8所述方法，其特征在于進(jìn)一步包括分布所述多種層的步驟，以便在整個(gè)底層基本上承受拉應(yīng)力。
10.據(jù)權(quán)項(xiàng)9所述方法，其中分布所述層，以便在所述底層專門承受拉應(yīng)力。
專利摘要
一種瀝青路面結(jié)構(gòu)截面是多種材料層的分布。其分布起到了整體力的輻射傳播的作用。這些層按預(yù)先選擇的順序分布，從路基到上表面?？拷坊鶎由希哂凶畲罄鞆?qiáng)度。
文檔編號(hào)E01C7/00GK85105302SQ85105302
公開日1987年1月14日 申請(qǐng)日期1985年7月10日
發(fā)明者伊·詹姆斯·米勒 申請(qǐng)人:伊·詹姆斯·米勒導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan