长寿命沥青路面浅析

摘要：早在上世纪50年代，英、美等国家的道路专家就开始探索修建长寿命路面。它的结构特点是其厚度小于传统的沥青混凝土路面，基本上消除了传统上普遍存在的疲劳损坏，路面的损坏只发生在路面的表层。经国内外大量的实践证明，修建长寿命路面是可行的。本文仅就长寿命沥青路面的基本概念作简要概述，供同行参考。

关键词：长寿命沥青路面；结构特点；疲劳损坏

一、前言

近年来，随着交通量和车辆荷载的增加及行车速度的提高，沥青混凝土路面往往在建成通车后，1~2年甚至更短的时间内就产生严重的破坏，如泛油、内部松散、坑洞、唧浆等。有调查显示，通车仅2~3年的高速公路沥青混凝土路面都已经大面积破坏，有些高速公路通车仅6个月就开始出现破坏迹象，不到1年就由于大面积破坏严重而不得不将原沥青混凝土面层铣刨后重新铺筑。

二、长寿命路面的概念

长寿命路面是国际沥青混凝土路面界提出的新技术。在国外，20世纪60年代以来修建了大量全厚式沥青混凝土路面和深层高强沥青混凝土路面，其中设计、施工良好的路面表现了很好的性能，提供了良好的长期服务性能。全厚式沥青混凝土路面是指沥青混凝土路面层直接建筑在处治的或未处治的土基上，深层高强沥青混凝土路面则直接铺筑在粒料基层上。这类路面的特点是其厚度小于传统的沥青混凝土路面，基本上消除了传统上普遍存在的疲劳损坏，路面的损坏只发生在路面的表层。以此为基础，提出了长寿命的概念。

长寿命路面并不是一直不损坏，而是指路面的损坏仅发生在路面的表层，维修时不需要进行结构性的处理，只需将表层混合料铣刨并换成等厚度的新混合料便可，维修十分方便。国外的长寿命路面追求的寿命是40年，即40年不进行结构性维修。

典型的长寿命沥青混凝土路面各层受力特点为：

轮栽下100~150MM区域是高受力区域，也是各种损坏的发生区域。

面层为40~75MM厚的高质量沥青混凝土，需为车辆提供良好的行驶界面，应具有足够的表面构造深度、抗车辙、水稳定性好的特点；

中间层为100~175MM厚的高模量抗车辙沥青混凝土，起到连接和扩散荷载的作用，应具有高模量、抗车辙的特点；

HMA基层为75~100MM厚的高柔性抗疲劳沥青混凝土，起到消除疲劳破坏的作用，应具备高柔性、抗疲劳、水稳定性好的特点；

最大拉应变产生在HMA基层底部，该区域最易发生疲劳破坏，该区域的弯拉应变，对于控制沥青混凝土层自下而上的疲劳开裂，防止路面过早出现结构性损坏具有特殊重要的意义。

路面基础不仅为沥青混凝土层的铺筑提供了良好的界面，而且对于路面的变形、抗冻，都是至关重要的。

三、路用性能

从80 年代中期开始使用的现行路面设计方法的主旨在于控制道路基层底面的疲劳裂缝和土基的结构变形。其设计标准的标定使用了作用2 千万标准轴次的多条道路的性能观测数据。对于交通荷载累计作用次数等于或大于1 亿次的道路,设计时必须对现行设计方法的性能作很大的外延。道路采用分期修建,道路在20 年后达到一个临界状况;然后罩面以获得另外的20 年使用寿命。若道路状况已经超过了其临界状态,那么就必须重修而不能采用罩面。道路临界状况与标准轴载慢速行驶下引起的路面瞬时弯沉有关。随着荷载作用次数的增加,路面结构变弱,弯沉被认为逐渐增加。

本文综述了路面车辙、疲劳破坏和长期路面强度以及临界状况的标准和它们之间的相互关系,具体概述如下：

1．车辙

车辙来自于道路一层或多层的永久变形的总和。它的产生有两种情况，一种是车辙只发生在沥青面层，为表面车辙；另一种是车辙产生于土基，为结构性变形。调查表明，对厚沥青面层道路，车辙的大部分主要发生在沥青层表面，此时的车辙不表示道路的整体结构不足。进一步罩面设计能保证基层结构良好，即便下层较弱，若AC厚度足够大，一般不会发生结构性变形。

2．疲劳破坏

在轻重交通下的路基的残余寿命无一致性差异。调查显示，交通等级不是影响沥青基层剩余寿命的主要因素。数据的统计分析表明，90%多的残余寿命差别是由沥青用量和沥青硬度的不同而引起的，沥青的老化则是疲劳寿命差异的主要影响因素。沥青随时间的老化增加了其劲度，然而基层逐渐硬化不可能导致疲劳开裂。

3．沥青的养生

人们很早以前就知道面层沥青随时间而硬化。但主要结构层的逐渐硬化似乎对道路是有利的，更确切的说，沥青的老化是一种养生过程。但不希望磨耗层过度老化，因为这会导致路面从表面开裂。

4．长寿命路面强度

良好施工的厚沥青路面沥青基层弹性劲度和荷载扩散能力提高的事实表明:沥青基层不会出现因交通诱发的破坏。荷载扩散能力提高也能比较明显地由使用期间内道路的弯沉的减小来证实。通常认为随交通荷载作用次数的增加,道路的弯沉增加、结构变弱。10 段重交通道路的弯沉历史被用来确认道路承载力是否随时间和交通作用次数的增加而增加。除一段路外,所有路段弯沉是随时间而减小。弯沉的减小表明沥青的养生作用道路的劲度随时间增加,并抵消了任何荷载引起的破坏或弯沉减小意味着基础的进一步固结而增强。无论何种原因,交通荷载在基层和土基上引起的应力和应变是减小的。

四、长寿命路面设计

由以上沥青路面使用性能评述可得到以下结论:

在某一强度阈值之上的道路,只要在表面开裂和车辙对道路的整体性造成严重的影响之前进行处理,在相当长的时间内此路仍会保持结构完好的服务能力。

长寿命路面必须是施工良好、且修建在坚固基础上的,这样就不会因为施工和材料的质量问题引起道路结构的破坏。养生意味着道路铺筑初期,其结构特性本身还未形成,此时的道路最容易为交通荷载所损坏。只要道路有足够的初始强度,其主要结构层就不会被初始交通所破坏,养生便会逐渐提高道路扩散荷载的能力,并逐渐降低车辆所造成结构性破坏。在某一最小强度阈值之上的道路预期可获得40 年的使用寿命甚至更多。

由试验路的使用性能表征的强度阈值基于以下原因需要做保守的调整:易导致路面早期损坏的当前以及将来更大的交通流量、可能的表面开裂以及最大轴重的增加。这些因素在试验路中没有考虑。然而,即使考虑这些因素,包括通常密级配沥青碎石基层在内的390mm 厚的沥青层,对长寿命的道路来说也足够了。对于大于阈值交通量水平的道路,一种实际的方法是使用现有的设计曲线设计长寿命路面,并不增加额外厚度来满足额外的交通量。图1 表示使用三种标准材料和三种新型材料路面结构设计的推荐曲线分析,硬度最大的材料―――高模量基层(HMB) 是使用针入度小于50 的沥青拌制的密级配碎石基层。设计实例为针入度为15 、25 、35 的沥青,最近的试验路表明采用HMB是更经济的长寿命路面设计的策略。

这些设计在修建上将是比较保守的,但考虑到重交通路面经济的重要性,就较容易理解其中的原因。但即便是在轻交通路面上,长寿路面的沥青层厚度也不宜小于200mm。薄的沥青路面容易产生结构变形和完全贯穿沥青层的表面裂缝。磨耗层的作用是提供特定的表面特性,其下的沥青层主要功能是扩散荷载。最后,只要能够保证路面的耐久性,非常有效的路面结构是由很薄的磨耗层、HMB基层和底基层组成的。在有很强抗变形能力的HMB 层上加铺20～30 mm 的磨耗表层可以构成一种抗车辙性能良好的路面结构。这预示着,在将来可以每隔一段时间更新一次磨耗层而保持磨耗层之下各层的永久性。这样的大修不仅进行得更加快速,而且其费用也只限于磨耗层,同时又实现了用户的安全性和舒适性。

施工良好且在某一强度阈值之上的道路,即使在长时间内承受繁重的商业车辆作用,也不会出现结构性破坏。而且这些道路的整体结构强度随时间增长。

图1 沥青路面设计曲线

2．道路不会出现沥青基层的疲劳开裂或来自于路面结构深层的变形,这符合长寿路面的设计标准。

3．已观测到的路面破坏―――表层车辙和表层裂缝―――是非结构性破坏。对于这些破坏,应在其对道路结构整体性产生严重影响之前予以处理。

4．修建长寿命沥青路面的经济效益是非常好的。

五、长寿命路面结构组合

长寿命路面是目前国际上沥青混凝土路面的研究热点，它以较好的路用性能和较低的寿命周期费用受到各国道路研究者的青睐，国外已有不少案例可以说明修建长寿命路面的可行性。

长寿命路面实际上是针对重交通道路提出来的。频繁的维修罩面对重交通道路而言是难以忍受的，且不说在施工期间对道路用户带来的不便，单就在施工期间引发的安全事故发生率这一项就不可忽视。因此，美、英等发达国家早在20世纪60年代初就提出在重交通地段修建长寿命、少养护的公路路面。英国以及美国的很多州都已进行了长寿命路面的实践，取得了丰富的实践经验。在国外，被广为接受的长寿命路面结构组合分析见表1。

表1国外长寿命路面结构组合分析

结构层 厚度mm 材料选择 主要受力特点 主要作用和要求

表层

40~75 SMA，SUPERPAVE，密级配沥青混合料，OGFC 受压受剪 抗滑耐磨、抗车辙和开裂、降噪

沥青混凝土中间层 100~175 高模量抗车辙沥青混合料 竖向受压 1.具有高强度和良好的抗车辙性能；2.具有很强的高温抗变形能力；3.具有很强的抗水作用能力。

沥青混凝土基层 75~100 柔性抗疲劳沥青混合料 层底受拉 1.具有足够的抗疲劳性能；2.具有足够的耐久性；3.具有足够的水稳定性。

土层 密实路基、化学稳定路基或粒料，或者非稳定类粒料等 受压 必须具有最基本的强度、刚度和稳定性，以满足整个施工阶段和服务阶段的需要。

六、结束语

近年来，大量沥青混凝土路面的损坏给路面维修造成了很大压力，同时使路面维修的费用急剧增加，对交通的影响也日益突出。为了减少路面的维修，修建长寿命的路面是一个急待解决的课题。

参考文献：

[1]陈泽松，李海华. 广梧高速公路试验路段的路面结构组合设计.《公路》2005年8月第8期。

[2]陈小庭,孙立军,李峰.长寿命沥青混凝土路面结构特点与设计研究.《公路》2005年8月第8期。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。