长寿命沥青路面研究

摘要：长寿命沥青路面设计理念的研究，及国际与国内研究现状。在中国发展的可行性和发展对策。

关键词：长寿命沥青路面；反射裂缝；磨耗层

Abstract: Design concept of long life asphalt pavement research, and international and domestic research status. In China the feasibility of development and development countermeasure.

Keywords: long life asphalt pavement; Reflection crack; Wearing layer

中图分类号：U416.217文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）

近几年，随着道路交通量的增加和工程质量的提高，长寿命沥青路面以成为当代追求的目标。长寿命路面指只需定期更换路面表层（把破坏限制在路面上层），而不需进行结构性修复或重建，且使用寿命大于50年的沥青路面。

一、设计理念

上面层：抗车辙能力和抗磨耗能力

中间层：抗车辙能力

基层：抗疲劳能力

路基：高强、稳定和坚固

长寿命沥青路面在使用过程中，为保持其良好的性能和使用寿命，必须定期检测，当自下而上的疲劳开裂、温度开裂、车辙等病害达到预定深度时（即达到磨耗层深度），就必须采取罩面等措施。对于长寿命沥青路面而言，这点非常关键，它保证了将病害限制在表层 ，且尽可能减小未来罩面的附加厚度（重铺厚度必须尽可能采用原厚度）。其优点为：①沥青路面寿命可达50年以上。②路面平整、噪音低、摩擦系数高。③成本效益高。④路面的养护维修仅限于面层。⑤沥青面层可再循环。⑥减少疲劳开裂和车辙破坏。⑦最大限度的减少自然资源的使用。⑧采用力学的方法进行路面设计，综合考虑疲劳开裂、车辙和温度开裂。

二、国际长寿命路面研究现状

传统的沥青路面设计寿命为20年。适度增加路面强度及沥青混合料基层厚度的长寿命路面，则甚至可以获得50年或50年以上使用寿命。

1977年德国A5高速公路 Frankfurter Kreuz采用的结构是37mm浇注沥青砼面层+200mm沥青砼基层+150mm稳定底基层。该高速公路双向日交通量152000辆/d，重载货车比例为10％～20％，使用17年后标准轴载次数为125百万次，到现在仍然使用良好。

再如德国汉堡高速公路都承受着非常重的交通量，结构为35mm浇注沥青砼面层+265mm沥青砼基层+150mm级配砂砾+防冻层。

法国巴黎Peripherique道路双向交通量200 000辆/d，重载货车占10％，年标准轴次1千万。1993年进行了大修，结构为40mm排水面层+220mm高模量沥青砼基层。

再如法国Stered高速，结构为70mm沥青砼+60mm沥青稳定砂砾+100～350mm水泥稳定砂砾+150mm砂层

意大利的Del Sole高速，结构为30mm中粒式沥青砼+70mm粗粒式沥青砼+150mm沥青碎石+360mm级配砂砾+300～400mm砂层

奥地利Brenner高速，结构为27mm细粒式沥青砼+30mm中粒式沥青砼+45mm粗粒式沥青砼+140mm沥青碎石（密级配）+160mm沥青碎石（开级配）+300mm防冻层

New Jersey运输部对I-287州际道路的路面损害情况进行调查。该道路1993年年平均日交通量为11.1019万次，货车占22％，重货车占9％。20年累计当量荷载5 000万次。由于是重载交通，因此经常出现停车、慢速行车。1963年修建，原结构为3inHMA面层+7in基层+8in密级配的级配碎石+10in级配砂砾底基层，路基为粉质砂土。使用多年来除了局部进行了小面积的补坑外，没有经过其他维修。调查发现路面维修很少，路表行车道处产生了纵向疲劳开裂，且车辙深度达到25mm以上。但是进一步研究表明这些病害深度都没有发展到路表75mm以下，因此决定冼刨调表明75mm沥青面层，重新加铺100mmHMA。该工程1994年完工，2001年调查时没有发现任何开裂、车辙，预计结构能够使用40年以上。

20世纪60年代修建的州际道路I-80上的两段道路，被APA授予2002年永久性路面奖，一条在Cedar，另一条在Johnson。该奖授予美国州际高速公路系统上的6个不同路段。Cedar路段修建于1962年，结构为4.5inHMA面层+16inATB，直接放到细粒土上。使用到现在为止分别在1967年、1990年进行了表面修补。与Cedar不同的是，Johnson路段路基土是罕有的潮湿，1964年采用了6in土石底基层，结构为3inHMA面层+14inATB，1964年面层进行2in罩面，1968年工程结束，到现在只进行过一些面层修复（与刚通车时相比，现在I-80道路上的交通量已经增长了5倍多）。实践表明，正确的路面结构设计、严格的施工质量控制和适当的维修，沥青路面一定能够使用很长时间。

1999年该州交通运输部（WSDOT）对480km全路段进行了详细调查。该路中有三种路面结构：柔性结构、CTB基层（水泥稳定基层）沥青路面和PCC路面，依次占里程百分比为47％、33％和20％。而且全段被Cascade山脉分成两个不同的气候区，西部为温和海洋性气候，交通量较高；而东部夏热冬寒，部分路段交通量较小（标准轴次37.5万次/年/车道），而有些路段交通量又很高（标准轴次2 500万次/年/车道）。

马里兰州的巴尔的摩环形公路也是一个很好的例子，日交通量（ADT）是175 000 辆/日，货车占19％。结构为2inSMA19+2.5inHMA基层（大粒径石料）。总厚度为16in（40.6cm），没有发现自下而上的疲劳开裂，4年的观测表明，路面车辙正常，为1/8in。

以上事例表明大部分AC罩面> 15 years(修复前)，许多AC罩面> 20 years(大破坏前)，厚面层意味着少：疲劳开裂、横向开裂、纵向开裂。

过去一般认为沥青路面的开裂是从下到上的开裂，但近几年欧洲和美国加利福尼亚、伊利诺伊德克萨斯、肯塔基、弗罗里达等州调查发现轮迹带出现自上而下纵向裂缝。弗罗里达大学等对此展开了大量理论和现场调查研究，并取得了一定成果。由于卡车轮胎引起的横向应力过大（导致轮迹带出现自上而下纵向裂缝）、温度应力（出现较高的温度应力临界状态时间较短，如冬天一般是晚上出现）、铺筑设备（伊利诺伊州运输部门研究人员发现）。

三、中国路面现状与问题

1.第一阶段：总体成功，主要问题是反射裂缝问题（96年前）。－交通量小、轴载轻

2.第二阶段：高速公路逐渐成网，运输量增加，平整度的不恰当追求造成了压实不足以及重交通，主要问题是“水损坏”（2001年前）。－交通量大、轴载增加、压实度小

3.目前，混合料普遍采用密实型、改性沥青和SMA使用，“水损坏”减少，车辙严重。－交通量大、超载严重、抗剪强度不足

中国典型半刚性沥青路面结构层参照下表：

4.传统沥青路面损坏类型：

松龟裂、纵向裂缝、横向裂缝、块状裂缝、车辙、波浪与拥抱沉陷、坑槽散、泛油。

5.目前沥青路面损坏新类型：新型纵向平行裂缝、鸡爪型不规则裂缝、自上向下开裂、早期车辙严重、新型翻浆、新型坑槽、新型泛油。

四．长寿命沥青路面在中国发展的可行性

1.以多层弹性层状体系理论为基础

2.以设计年限内的换算当量轴载为交通量指标

3.按照路面损伤等效原理确定容许弯沉和破坏应力

4.利用疲劳破坏的模式设计结构层厚度

5.结构层特点：

①假定一个沥青层厚度，以基层作为承重层设计其厚度

②长期奉行着“强基、薄面、稳土基”的方针，沥青面层厚度一般为15~16cm，最近有些公路采用18cm～20cm；

③基层强度从3Mpa提高到5Mpa以上，在施工中强度甚至更高。认为弯沉小路面强度就高

6.半刚性基层沥青路面成为我国沥青路面结构的主要型式，占我国高速公路路面结构的90%以上。半刚性基层最大的优点是承载能力强，有很高的抗压强度和抗压回弹模量。我们一直在充分利用它的优点，对它的缺点并不是很重视。自修筑高速公路以来，我们分别提高了抗反射裂缝、水损坏的能力，现却又出现严重车辙，我们正在顾此失彼，没有找到解决问题的根源。路面的设计使用寿命与路面的分析年限等同是高速公路设计观念方面的失误。这一失误导致高速公路设计与道路通车后的运营养护管理脱钩，造成路面的全寿命周期费用大幅度提升，效益降低。引进道路全寿命分析方法是解决问题的重要途径，将维修养护提升到设计的一部分是非常必要的，长寿命路面结构设计方法即为该方法的具体体现。

7.现行设计理念问题与对策

①路面的设计使用寿命与路面的分析年限等同是高速公路设计观念方面的失误。这一失误导致高速公路设计与道路通车后的运营养护管理脱钩，造成路面的全寿命周期费用大幅度提升，效益降低。

②引进道路全寿命分析方法是解决问题的重要途径，将维修养护提升到设计的一部分是非常必要的，长寿命路面结构设计方法即为该方法的具体体现。

③路面设计假定一个沥青层厚度，以基层作为承重层设计其厚度是有缺陷的。这意味着沥青面层仅仅起到表面功能作用，路面荷载大、交通量大就需要加强基层强度和厚度，路面破坏意味着基层破坏，与沥青面层的厚度没有实质关系。这与国内外研究已证实沥青路面“轮载下100mm～150mm区域是高受力区域，也是各种损坏主要的发生区域”结论相悖。

④目前的设计模型为单一的疲劳设计模型，未能考虑其它的损坏类型。现实发生的沥青路面损坏应包括面层与基层的疲劳损坏、平整度降低与面层车辙、半刚性基层开裂引起的反射裂缝及局部破坏、水损害引起的坑槽等。由于沥青路面弯沉设计指标的存在和指标标准不断提高，在国外大量成功应用的柔性基层沥青路面结构在我国无法得到应用，尽管规范列有柔性基层的结构型式，但现行指标本身就决定了柔性结构不可应用的命运。

⑤尽管现行沥青路面结构设计包含弯沉和弯拉应力验算指标。但在沥青路面实际设计模式和界面条件下，沥青层底部的弯拉应力通常不成为控制指标，弯沉事实上成为路面结构设计的唯一指标。认为弯沉小路面强度就高。现在普遍问题是尽管沥青路面的设计容许弯沉很小，竣工验收弯沉也均符合设计弯沉指标，却在不太长的时间里发生早期损坏。不少高速公路，即使路面已开始出现破坏，可是检测时发现弯沉往往并不大，基层也仍然保持完好。

⑥路用性能与路面力学分析结果缺少明确定量关系。路面设计采用先进的理论方法，材料设计参数仅选取规范推荐的经验值，未建立路面材料室内力学性能与现场路用性能的联系，设计过程流于形式。材料设计与结构设计相互独立，层位功能定位不是很明确，现有设计方法不能为路面组合设计提供明确的指导。

在以上这些情况下，我们应该考虑一系列问题：

究竟采用什么设计理念符合路面发展规律？

究竟采取何种路面结构更合理一些？

究竟路面各层功能是什么？

究竟路面设计指标该如何选取更加合理？

究竟路面材料性能与实际路用性能关系是什么？

产生这些问题的根源在于高等级公路不是一次性产品，其已演变为一种非常复杂的结构，在进行设计时需对路面有整体理解和把握。这就是长寿命路面设计方法探讨的核心问题，进行长寿命沥青路面结构研究能对这些问题和困惑提供新思路。国际成功的长寿命路面结构为我们指明了方向，但我们必须发展适合中国环境的长寿命路面结构。

五、长寿命沥青路面发展对策

1.设计方法：设计原理为力学方法，类似于其它结构设计方法，选择控制点，验算控制标准（由下至上设计）。具体设计过程见下表。

输入材料性能参数

材料性能（模量值）

路面模型 路面分析模型

路面应力和应变

路面反应（应变、应力等）

转换函数 路面变换方程

路面使用寿命

路面寿命是否满足？

设计完成

2.材料设计参数：①弹性材料理论的弹性模量E和泊松比μ②材料参数与路面响应关系：沥青层厚度与车辙率的关系、沥青层厚度与层底拉应变的关系、沥青层模量与层底拉应变的关系、沥青层厚度与路基顶压应变的关系、统计学设计方法。

3.沥青混合料磨耗层：厚度为40—75mm，高受力复合区域，是各种损坏最易发生的区域，要求抗车辙、表面开裂，良好的抗滑性能，减少水溅、水漂，降低路面噪音功能。混合料类型考虑选择SMA，Superpave密级配混合料或OGFC，对于城市重交通，可选择SMA；对于中轻交通，可选择Superpave，设计寿命在10年以上。

4.沥青混合料中间层：厚度为100—175mm，荷载稳定发展和扩散的区域，易发生车辙区域 ，要求提供传荷和承重性能，应防止车辙，具有良好的稳定、耐久性能，考虑选择骨架密实型级配混合料和高温稳定性好的沥青结合料，设计寿命在50年以上。

5.沥青混合料基层：厚度为75—100mm，主要抵抗由于行车荷载反复作用造成的弯拉应力引起的疲劳开裂，提供传荷和承重性能，应具有良好的稳定、疲劳性能，应采用富沥青、改性沥青、厚沥青层、耐疲劳材料等方式实现。设计寿命在50年以上。

6．路面基础强度要求：CBR＞6或者路基上铺石灰稳定层或碎石层底基层。

六、国内探索实例

1.2002年交通部公路工程检测中心和长沙理工大学公路工程试验检测中心对广深高速公路使用情况进行检测发现，通过8年大交通的使用，路面弯沉平均21（0.1mm），路面车辙平均7.77mm，全线基本无裂缝，以上均满足要求。结构层采用下表：

2.国内还有很多都在大力发展长寿命沥青路面，例如：山东高速公路路面结构、山东滨州长寿命路面实验路等。

七、结语

我们应从下面一些方面努力：

1.认真分析目前我国高速公路早期损坏机理，对路面结构进行全面深入的认识。

2.认真分析国内路面结构与国外优良路面结构的差异：使用性能、经济费用、使用环境。

3.对国外长寿命路面研究成果的引进、吸收，开发适合我国的长寿命路面结构。

4.理论上进行论证长寿命路面结构的可行性，实践上进行各地长寿命路面试验段的铺筑。

5.总结长寿命路面的经验教训，大面积推广铺筑。