基于路用性能平衡的再生路面結構-材料一體化設計方法與流程

本發明屬于道路工程，具體涉及一種基于路用性能平衡的再生路面結構-材料一體化設計方法。

背景技術：

1、近年來，隨著全球交通基礎設施建設的不斷發展，路面結構的設計和施工方法也在不斷更新和優化。國外在再生面層材料的應用上已有較為成熟的技術，例如美國和歐洲一些國家廣泛采用回收瀝青面層材料(rap)和回收混凝土面層材料(rcp)進行再生利用。國內也在積極探索和推廣再生面層技術，特別是在大規模基礎設施建設和城市化進程中，通過大量的應用再生材料，不僅減少了資源浪費，還有效降低了環境污染。

2、目前，在道路設計中運用建筑垃圾進行再生利用的技術越來越被重視，一些研究機構和高等院校都開展了相關研究課題，致力于將建筑垃圾轉化為高質量的再生材料用于道路建設，例如一些研究探索了利用再生混凝土骨料(rca)和再生磚骨料(rba)作為路面的基層材料，通過優化混合料配比和改進施工工藝來提升再生材料的路用性能和耐久性。然而現有技術的研究大多集中在單一面層材料或單一基層材料的再生利用，缺乏對包含建筑垃圾的再生路面結構-材料一體化設計的系統性研究，該再生路面結構包括面層和基層。

3、此外，路面傳感器技術的發展為監測和評估路面性能提供了新手段，有利于及時了解路面的運行狀況，并做出相應的維護決策。國外一些先進國家已將傳感器廣泛應用于智能道路系統建設中，通過集成傳感器網絡實現對路面全壽命周期的監控和管理。國內也逐漸開始重視傳感器技術在路面工程中的應用，部分高速公路和城市道路試點安裝了各類傳感器，也取得了良好的監測效果。

4、盡管如此，目前尚未有針對含有建筑垃圾的再生路面進行結構-材料一體化設計的成熟方法，也缺乏對整個再生路面結構進行傳感器性能監測的系統性研究。現有技術在這一領域的研究主要集中在單一面層材料或單一基層材料的再生利用及其局部性能監測，無法全面覆蓋整體路面結構的性能評估，因此開發一種基于路用性能平衡的再生路面結構-材料一體化設計方法是這一技術領域的迫切需求。

5、申請公布號為cn112414460a的發明專利公開了一種智能采集瀝青面層動態力學響應的測量系統，包括傳感器組、電源和數據收集器，傳感器組設于瀝青面層層底，各傳感器以設定的間距布置，且均與電源以及數據收集器電連接；傳感器組包括瀝青應變計、土壓力計、豎向應變計和多點位移計，瀝青應變計、土壓力計和豎向應變計均設于行車道的車輛輪跡處，多點位移計設于硬路肩處；瀝青應變計配置八個，且任意兩個瀝青應變計相配合形成四個瀝青應變計測量單元，四個瀝青應變計測量單元合圍出一個四邊形區域；土壓力計配置一個且位于四邊形區域內側，豎向應變計配置八個且位于四邊形區域外側；各瀝青應變計測量單元中的兩個瀝青應變計均相互垂直布置，其中一個瀝青應變計測量行車方向的瀝青面層層底拉應變，另一個瀝青應變計測量行車道寬度方向的瀝青面層層底拉應變。該技術方案僅適用于普通道路，且只能采集普通道路瀝青面層的動態力學數據，不適用于再生道路，更是無法采集再生道路整體結構(包括面層和基層)的動態力學數據。

技術實現思路

1、為解決現有技術中存在的問題，本發明提供一種基于路用性能平衡的再生路面結構-材料一體化設計方法，所述設計方法按照先后順序包括以下步驟：

2、步驟一：將實際道路的面層材料瀝青混合料銑刨下來進行再加工獲得再生瀝青混合料，并將獲得的再生瀝青混合料作為再生路面的面層材料，再生路面的面層包括下面層、中面層和上面層；

3、步驟二：按照設計要求制備再生無機混合料，并將制備的再生無機混合料作為再生路面的基層材料，再生路面的基層包括底基層、下基層和上基層；

4、步驟三：準備若干種監測器件并進行檢查，確保各種監測器件能夠正常使用；

5、步驟四：在施工現場，按照設計要求鋪筑再生路面，即首先對土基進行平整；然后在土基的上方自下而上依次鋪筑底基層、下基層、上基層、下面層、中面層和上面層，在鋪筑過程中，每鋪筑完一層后采用壓路機進行壓實，同時在鋪筑過程中，分別在土基的上表面以及壓實后的底基層、下基層、上基層和下面層的上表面布置第一監測單元、第二監測單元、第三監測單元、第四監測單元和第五監測單元；最后在整體的再生路面上通行車輛，使車輛頭部從再生路面的一端駛入、車輛尾部從再生路面的另一端駛出，在車輛行駛過程中，第一監測單元、第二監測單元、第三監測單元、第四監測單元和第五監測單元分別監測底基層、下基層、上基層、下面層和中面層層底的各項路用性能，并將監測結果反饋至監測系統；

6、步驟五：在實驗室內，按照設計要求鋪設再生路面試驗件，即首先鋪設底基層試驗件，在試驗臺上自下而上依次鋪設土基、底基層監測單元和底基層，并采用靜壓法壓實，壓實后進行加速加載試驗，在加速加載試驗過程中，底基層監測單元監測底基層層底的各項路用性能；然后鋪設下基層試驗件，在試驗臺上自下而上依次鋪設底基層、下基層監測單元和下基層，并采用靜壓法壓實，壓實后進行加速加載試驗，在加速加載試驗過程中，下基層監測單元監測下基層層底的各項路用性能；然后鋪設上基層試驗件，在試驗臺上自下而上依次鋪設下基層、上基層監測單元和上基層，并采用靜壓法壓實，壓實后進行加速加載試驗，在加速加載試驗過程中，上基層監測單元監測上基層層底的各項路用性能；然后鋪設下面層試驗件，在試驗臺上自下而上依次鋪設上基層、下面層監測單元和下面層，并采用靜壓法壓實，壓實后進行加速加載試驗，在加速加載試驗過程中，下面層監測單元監測下面層層底的各項路用性能；最后鋪設中面層試驗件，在試驗臺上自下而上依次鋪設下面層、中面層監測單元和中面層，并采用靜壓法壓實，壓實后進行加速加載試驗，在加速加載試驗過程中，中面層監測單元監測中面層層底的各項路用性能；

7、步驟六：將施工現場監測得到的底基層、下基層、上基層、下面層和中面層層底的各項路用性能分別與實驗室內監測得到的底基層、下基層、上基層、下面層和中面層層底的各項路用性能一一進行對比，根據對比結果驗證基于路用性能平衡的再生路面結構-材料一體化設計的合理性。

8、優選的是，步驟一中，所述再生瀝青混合料的制備方法為，首先對實際道路的面層材料瀝青混合料進行銑刨并回收；然后將回收的瀝青混合料依次進行二級破碎和二級篩分，并獲得再生集料；最后將再生集料、新集料、礦粉和乳化瀝青放入攪拌機中攪拌，即獲得再生瀝青混合料。

9、所述再生瀝青混合料中各物質占所述再生瀝青混合料的質量百分比為，再生集料占50-60wt％、新集料占20-30wt％、礦粉占8-15wt％、乳化瀝青占10-15wt％；攪拌溫度為175℃，攪拌時間為90s。

10、在上述任一方案中優選的是，步驟二中，所述再生無機混合料中各物質占所述再生無機混合料的質量百分比為，水泥占6-7wt％、高磚混建筑垃圾再生骨料占87-89wt％、水占5-6wt％；將各物質放入攪拌機中攪拌，攪拌溫度為常溫，攪拌速度為45-50r/min，攪拌時間為1-3min。

11、所述水泥為p.o?32.5礦渣硅酸鹽水泥；所述高磚混建筑垃圾再生骨料為磚混類建筑物拆除產生的建筑垃圾，其磚混含量為60-80wt％，其中粒徑為20-31.5mm、10-20mm、5-10mm、0-5mm的骨料分別占所述高磚混建筑垃圾再生骨料的質量百分比為10-15％、20-25％、25-30％、30-35％。

12、在上述任一方案中優選的是，步驟二中，所述再生無機混合料中各物質占所述再生無機混合料的質量百分比為，石灰占4-5wt％、粉煤灰占9-10wt％、高磚混建筑垃圾再生骨料占81-82wt％、水占5-6wt％；將各物質放入攪拌機中攪拌，攪拌溫度為常溫，攪拌速度為45-50r/min，攪拌時間為1-3min。

13、所述石灰為鎂質生石灰，其中有效cao的含量為60-70％、有效mgo的含量為5-6％，其余為雜質；所述粉煤灰中al2o3的含量為30-40％、fe2o3的含量為4-5％、sio4的含量為50-60％，其余為雜質，所述粉煤灰的燒失量為7-8％、比表面積為450-500m2/kg；所述高磚混建筑垃圾再生骨料為磚混類建筑物拆除產生的建筑垃圾，其磚混含量為60-80wt％，其中粒徑為20-31.5mm、10-20mm、5-10mm、0-5mm的骨料分別占所述高磚混建筑垃圾再生骨料的質量百分比為10-15％、20-25％、25-30％、30-35％。本發明中，有效cao、有效mgo為能夠發揮作用的cao、mgo。

14、在上述任一方案中優選的是，步驟三中，所述監測器件包括瀝青應變計、混凝土應變計、豎向應變計、土壓力計、溫度傳感器、濕度傳感器。

15、在上述任一方案中優選的是，步驟四中，在土基的上表面布置第一監測單元，用于測試底基層層底的各項路用性能，其包括十四個混凝土應變計、兩個土壓力計、七個濕度傳感器和一個溫度傳感器；在行車道區域，將十四個混凝土應變計布置成一個矩形，矩形的四個頂角分別布置三個混凝土應變計，其中兩個混凝土應變計在水平面上相互垂直布置、一個混凝土應變計在水平面上傾斜布置，傾斜布置的混凝土應變計與水平布置的混凝土應變計之間的夾角為20-30°，傾斜布置的混凝土應變計與垂直布置的混凝土應變計之間的夾角區域布置一個濕度傳感器；矩形的兩個長邊中點分別傾斜布置一個混凝土應變計，傾斜布置的混凝土應變計與矩形長邊之間的夾角為20-30°，傾斜布置的混凝土應變計與矩形寬邊之間的夾角區域布置一個濕度傳感器；矩形的兩個長邊中點將矩形平均分成左右兩個區域，在左右兩個區域的中心位置分別布置一個土壓力計；矩形與行車道邊緣線的水平距離為60cm，矩形的長度為100cm，矩形的寬度為60cm；在硬路肩區域，自左向右依次布置一個濕度傳感器和一個溫度傳感器，濕度傳感器與溫度傳感器之間的水平距離為60cm，溫度傳感器與矩形之間的水平距離為10cm。

16、在壓實后的底基層的上表面布置第二監測單元，用于測試下基層層底的各項路用性能，第二監測單元與第一監測單元之間的水平距離為10cm，其包括十四個混凝土應變計、兩個土壓力計、七個濕度傳感器和一個溫度傳感器；在行車道區域，將十四個混凝土應變計布置成一個矩形，矩形的四個頂角分別布置三個混凝土應變計，其中兩個混凝土應變計在水平面上相互垂直布置、一個混凝土應變計在水平面上傾斜布置，傾斜布置的混凝土應變計與水平布置的混凝土應變計之間的夾角為30-60°，傾斜布置的混凝土應變計與垂直布置的混凝土應變計之間的夾角區域布置一個濕度傳感器；矩形的兩個長邊中點分別傾斜布置一個混凝土應變計，傾斜布置的混凝土應變計與矩形長邊之間的夾角為30-60°，傾斜布置的混凝土應變計與矩形寬邊之間的夾角區域布置一個濕度傳感器；矩形的兩個長邊中點將矩形平均分成左右兩個區域，在左右兩個區域的中心位置分別布置一個土壓力計；矩形與行車道邊緣線的水平距離為60cm，矩形的長度為100cm，矩形的寬度為60cm；在硬路肩區域，自左向右依次布置一個濕度傳感器和一個溫度傳感器，濕度傳感器與溫度傳感器之間的水平距離為60cm，溫度傳感器與矩形之間的水平距離為10cm。

17、在壓實后的下基層的上表面布置第三監測單元，用于測試上基層層底的各項路用性能，第三監測單元與第二監測單元之間的水平距離為10cm，其包括十四個混凝土應變計、兩個土壓力計、七個濕度傳感器和一個溫度傳感器；在行車道區域，將十四個混凝土應變計布置成一個矩形，矩形的四個頂角分別布置三個混凝土應變計，其中兩個混凝土應變計在水平面上相互垂直布置、一個混凝土應變計在水平面上傾斜布置，傾斜布置的混凝土應變計與水平布置的混凝土應變計之間的夾角為60-70°，傾斜布置的混凝土應變計與垂直布置的混凝土應變計之間的夾角區域布置一個濕度傳感器；矩形的兩個長邊中點分別傾斜布置一個混凝土應變計，傾斜布置的混凝土應變計與矩形長邊之間的夾角為60-70°，傾斜布置的混凝土應變計與矩形寬邊之間的夾角區域布置一個濕度傳感器；矩形的兩個長邊中點將矩形平均分成左右兩個區域，在左右兩個區域的中心位置分別布置一個土壓力計；矩形與行車道邊緣線的水平距離為60cm，矩形的長度為100cm，矩形的寬度為60cm；在硬路肩區域，自左向右依次布置一個濕度傳感器和一個溫度傳感器，濕度傳感器與溫度傳感器之間的水平距離為60cm，溫度傳感器與矩形之間的水平距離為10cm。

18、在上述任一方案中優選的是，步驟四中，在壓實后的上基層的上表面布置第四監測單元，用于測試下面層層底的各項路用性能，第四監測單元與第三監測單元之間的水平距離為10cm，其包括十四個瀝青應變計、兩個土壓力計、兩個豎向應變計、一個濕度傳感器和一個溫度傳感器；在行車道區域，將十四個瀝青應變計布置成一個矩形，矩形的四個頂角分別布置三個瀝青應變計，其中兩個瀝青應變計在水平面上相互垂直布置、一個瀝青應變計在水平面上傾斜布置，傾斜布置的瀝青應變計與水平布置的瀝青應變計之間的夾角為40-60°；矩形的兩個長邊中點分別傾斜布置一個瀝青應變計，傾斜布置的瀝青應變計與矩形長邊之間的夾角為40-60°；矩形的兩個長邊中點將矩形平均分成左右兩個區域，在左右兩個區域的中心位置分別布置一個土壓力計；在矩形左側20cm處垂直水平面布置兩個豎向應變計；矩形與行車道邊緣線的水平距離為60cm，矩形的長度為100cm，矩形的寬度為60cm；在硬路肩區域，自左向右依次布置一個濕度傳感器和一個溫度傳感器，濕度傳感器與溫度傳感器之間的水平距離為60cm，溫度傳感器與矩形之間的水平距離為10cm。

19、在壓實后的下面層的上表面布置第五監測單元，用于測試中面層層底的各項路用性能，第五監測單元與第四監測單元之間的水平距離為10cm，其包括十四個瀝青應變計、兩個土壓力計、兩個豎向應變計、一個濕度傳感器和一個溫度傳感器；在行車道區域，將十四個瀝青應變計布置成一個矩形，矩形的四個頂角分別布置三個瀝青應變計，其中兩個瀝青應變計在水平面上相互垂直布置、一個瀝青應變計在水平面上傾斜布置，傾斜布置的瀝青應變計與水平布置的瀝青應變計之間的夾角為60-80°；矩形的兩個長邊中點分別傾斜布置一個瀝青應變計，傾斜布置的瀝青應變計與矩形長邊之間的夾角為60-80°；矩形的兩個長邊中點將矩形平均分成左右兩個區域，在左右兩個區域的中心位置分別布置一個土壓力計；在矩形左側20cm處垂直水平面布置兩個豎向應變計；矩形與行車道邊緣線的水平距離為60cm，矩形的長度為100cm，矩形的寬度為60cm；在硬路肩區域，自左向右依次布置一個濕度傳感器和一個溫度傳感器，濕度傳感器與溫度傳感器之間的水平距離為60cm，溫度傳感器與矩形之間的水平距離為10cm。

20、在上述任一方案中優選的是，步驟五中，底基層監測單元、下基層監測單元、上基層監測單元、下面層監測單元和中面層監測單元的布置結構分別與第一監測單元、第二監測單元、第三監測單元、第四監測單元和第五監測單元的布置結構相同。

21、在上述任一方案中優選的是，步驟四中，每一層的壓實度均不低于94％；步驟五中，每一個試驗件的壓實度均不低于94％，加速加載試驗的輪載壓力均為0.7mpa、輪載速度均為4800次/小時。

22、在上述任一方案中優選的是，步驟六中，若施工現場監測得到的每一層各項路用性能的平均值不大于實驗室監測得到的每一層各項路用性能平均值的3％，則說明基于路用性能平衡的再生路面結構-材料一體化設計合理，若施工現場監測得到的某項路用性能的平均值大于實驗室監測得到的相應項路用性能平均值的3％，則說明基于路用性能平衡的再生路面結構-材料一體化設計不合理，針對設計不合理的鋪筑層，需要調整其厚度。本發明中，針對設計不合理的鋪筑層，以每次增加1cm的標準調整厚度。

23、本發明涉及六種監測器件，包括瀝青應變計、混凝土應變計、豎向應變計、土壓力計、溫度傳感器、濕度傳感器。其中，瀝青應變計用于監測由于車輛荷載引起的瀝青面層的橫向應變和縱向應變，有助于評估瀝青面層的疲勞開裂情況和預估瀝青路面的疲勞壽命；混凝土應變計用于監測道路基層在車輛荷載和環境因素共同作用下的橫向應變和縱向應變，有助于評估基層的疲勞開裂情況和預測道路的疲勞壽命；豎向應變計用于監測瀝青面層的垂直變形情況，幫助評估由過量變形引起的結構損壞，如車轍病害等；土壓力計用于監測在車輛移動荷載作用下道路各層底部的垂直壓力，有助于評估路面結構的承載能力和穩定性；溫度傳感器用于監測道路各層的溫度變化，獲取路面的短期、長期和日溫度變化及空間分布狀況，有助于研究路面結構性能和季節性溫度變化；濕度傳感器用于監測道路各層的濕度狀況，有助于評估各層材料的水分含量及其對路面結構的影響。

24、本發明所使用的壓路機、各種監測器件、監測系統、加速加載試驗設備等均為現有技術，對設備型號和具體結構沒有特殊要求。

25、本發明中，道路面層及基層均采用再生材料，其中再生瀝青混合料在性能方面的表現與新拌瀝青混合料接近，但在一些具體的性能上可能有所差異。水泥穩定及石灰粉煤灰穩定高磚混建筑垃圾再生骨料無機混合料具有良好的水穩性和耐久性，但在車輛荷載作用下，由于再生材料的初期強度較低，可能在早期使用階段產生較大的變形，且在長時間的車輛荷載作用下可能導致疲勞裂紋的產生，因此在這種路面結構中需要布設斜向應變計，斜向布設能夠更全面地監測路面結構中的應力分布情況，有助于分析不同層次材料之間的相互作用。同時斜向布設應變計可以更準確地監測道路各層在多軸向荷載作用下的變形情況，提供更全面的變形數據，并通過斜向布設的應變計可以監測疲勞裂紋的產生和擴展情況，有助于制定合理的維護和加固方案。

26、根據本發明基于路用性能平衡的再生路面結構-材料一體化設計方法能夠探索出適合不同道路的再生路面結構-材料一體化設計方案，其中主路路面的結構和材料如下：上面層的厚度為4cm，材料為本發明設計的再生瀝青混合料；中面層的厚度為6cm，材料為本發明設計的再生瀝青混合料；下面層的厚度為6-8cm，材料為本發明設計的再生瀝青混合料；上基層的厚度為16-18cm，材料為本發明設計的再生無機混合料；下基層的厚度為16-18cm，材料為本發明設計的再生無機混合料；底基層的厚度為16-18cm，材料為本發明設計的再生無機混合料；土基的厚度不小于40cm。

27、本發明基于路用性能平衡的再生路面結構-材料一體化設計方法，具有如下有益效果：

28、(1)能夠有效整合建筑垃圾等再生材料，優化再生路面結構設計。傳統的路面設計通常使用新材料，而建筑垃圾的再生利用不僅可以減少廢棄物對環境的污染，還能降低路面施工的成本。通過合理的材料配比和結構設計，可以使建筑垃圾在再生路面中得到更廣泛和高效的應用，從而減少對天然資源的依賴，實現資源的可持續利用。

29、(2)通過對路用性能的平衡設計，提升了再生路面的使用性能和耐久性。再生路面材料的性能可能因來源不同而存在差異，通過一體化設計方法，可以在路面結構和材料之間實現最佳匹配，確保路面的強度、耐磨性和抗裂性等綜合性能達到甚至超過傳統路面。這不僅延長了路面的使用壽命，減少了頻繁維修帶來的交通干擾和額外費用，還提高了路面的整體安全性和舒適性。

30、(3)引入了先進的傳感器技術，對再生路面結構的性能進行實時監測和評估。通過在路面內部集成傳感器網絡，可以實時采集路面溫度、濕度、應力、應變等數據，及時發現和預警潛在的結構問題。這種全結構監測不僅有助于路面養護決策的科學化和精細化，還能通過大數據分析，進一步優化再生路面設計和材料選擇，提高后續工程的設計質量和施工水平。

31、(4)在實際應用中，通過對建筑垃圾的高效利用和路用性能的優化設計，能夠顯著降低路面工程的環境影響和經濟成本。在資源緊缺和環保要求日益嚴格的背景下，該方法為城市基礎設施建設提供了一條綠色、經濟、高效的技術路線。與傳統方法相比，該專利在實現環保效益的同時，也為路面工程的長效性和耐久性提供了有力保障，具有廣泛的推廣價值和應用前景。

32、(5)本發明通過創新的設計理念和技術手段，實現了建筑垃圾的資源化利用和路面性能的全面提升，不僅改善了再生路面的結構性能，還為智能監測和維護提供了技術支持，為現代交通基礎設施的可持續發展做出了重要貢獻。