浅谈长寿命沥青路面的研究

吴琼

摘要：随着我国沥青路面特别是高速公路及城市道路早起路面病害的不断加剧，许多路面在开放交通后不久就产生了严重的结构性破坏，因此道路工作者加大了对长寿命沥青路面的研究。本文首先简要介绍了长寿命沥青路面的概念和设计理念，然后对长寿命沥青路面的各结构层进行了分析，最后提出了具体的设计步骤。

关键词：长寿命，沥青路面，研究

中图分类号：U416.217文献标识码：A 文章编号：

随着我国经济水平的不断进步，国家建设部门加大了全国交通基础设施建设特别是高等级公路的投资力度。高速公路已在全国得到了迅猛发展，经济水平相对落后的西部地区也加快了高速公路的建设进程，多条联通各省份的高速公路相继建成通车，为我国经济的进一步发展做出了巨大的贡献。但是我国道路交通量和车辆荷载的增加幅度也越来越大，许多新建通车的高速公路在通车后短短的3到5年内就出现了严重的结构破坏。路面结构的耐久性问题已经引起了全国道路工作者的充分重视，长寿命沥青路面作为一种高性能的柔性路面成为高等级公路路面结构选择和设计的新趋势。长寿命路面是国外沥青路面研究人员提出的一项新技术，其主要优势为基本消除了普通沥青路面经常出现的疲劳损坏，路面的损坏只发生在路表层，对路面结构不产生破坏。

1 长寿命沥青路面的概念及设计理念

长寿命沥青路面又称全厚式沥青路面，是国际沥青路面界提出的一项新的沥青路面组合形式。早在20世纪60年代，国外道路研究人员就已经铺设了大量的全厚式沥青路面来验证其各项路用性能，其中设计合理、施工良好的路面均表现出了优异的路用性能，提供了长期的道路服务。

长寿命沥青路面就是将加厚的沥青面层直接铺筑在路基上，但是整个路面的总厚度小于普通沥青路面的结构层厚度，能够从基本上减缓甚至消除传统的路面疲劳损坏。此外，需要说明的是长寿命沥青路面设计的根本理念是实现路面损坏模式的转变，从“自下而上”的损坏模式转换为“自上而下”的损坏模式，所以说长寿命沥青路面并非不会产生损坏，而是路面的损坏只发生在沥青面层，当受损的沥青面层影响整个路面的路用性能时，只需将表层的沥青混合料进行铣刨、挖空，再用等厚度的新沥青混合料填上即可，维修过程十分简单经济。

2 长寿命沥青路面的各结构层

经过长期的试验研究发现，长寿命沥青路面在车辆荷载的作用下，其力学响应具有普遍规律，我们按照其规律可以将沥青面层大致分为表面层、中间层和基层三种，各层的力学要求、设计厚度以及实现措施各不相同。

2.1 表面层

表面层又称为磨耗层，主要为车辆行驶提供一个良好的界面，国外长寿命路面表面层的寿命周期一般为10年，国内因超载情况严重，寿命周期一般为5到8年。从结构力学响应分析结果可以看出，表面层是路面中各种损坏最容易产生的区域，一般为路表以下4cm~7cm的地方，在路面设计中必须针对道路等级和当地气候水文条件选取合适的高性能沥青材料作为胶结料，以满足表面层关于抗车辙性能、抗表面开裂性能、抗滑性能、水稳定性的要求，同时优先选择骨架密实型结构的沥青混合料以提供较高的承载力和抗压性能，对于降雨量较大的地区也可采用开级配抗滑磨耗层以利于降水能够及时的从路表面排走。

2.2 中间层

中间层又称联结层，多为我们通常所说的中面层，主要起扩散路表荷载的作用，因此必须同时具备良好的耐久性和稳定性，中间层在整个路面结构中承受较大的剪切应力，是车轮荷载作用的高应力区，通常会发生剪切破坏和剪切疲劳破坏，设计年限一般为40年。从长寿命沥青路面结构的力学响应分析中也可以看出，距离路表3cm~7cm是车辙和剪切破坏最容易发生的地方，在设计时中间层厚度一般选为10cm~16cm，混合料类型多为粗骨料骨架结构，同时选用流动性较小、针入度较低的硬沥青作为胶结料，经济条件允许的地方应考虑采用高模量沥青混凝土。

2.3 基层

长寿命沥青路面基层在路面结构中主要起抵抗疲劳破坏的作用，其抗疲劳性能和水稳定性应较好，设计时可优先考虑使用高柔性沥青混凝土。沥青基层在车辆荷载作用下会产生层底弯拉应力，重复作用则会引起疲劳开裂。美国加利福尼亚州道路研究人员经研究发现，增大沥青含量并减小混合料孔隙率，能够有效提高基层的耐久性和柔性，同时，细级配的沥青混合料也可以延长沥青路面的疲劳寿命。此外，在路面结构设计中选定一个适当的基层厚度也是减少层底拉应变，保证沥青路面疲劳寿命的重要方法。

3 长寿命沥青路面的设计

3.1 长寿命路面结构设计

长寿命路面设计是基于沥青路面力学研究的重要成就，设计工作中最重要的是保证沥青层底不会发生严重的弯拉疲劳破坏，即沥青层层底的弯拉应变不得超过其疲劳极限对应的临界值，各设计指标依据荷载作用下路面结构层的应力、应变响应情况进行初步设计。1992年，美国道路科研院在国际公路会议上较为系统地提出了长寿命沥青路面的设计方法。路面结构组合形式及各结构层厚度受材料、交通、环境以及服务性能共同制约。

疲劳破坏是影响长寿命沥青路面路用性能的一个重要因素，可通过拟合疲劳方程来研究沥青路面的疲劳寿命，疲劳方程通常使用沥青面层层底弯拉应变Er以及基层层顶压应变Ez来预估沥青混凝土路面结构的使用寿命。必须保证面层层底弯拉应变Er不得大于规范要求，才能保证沥青层本身不会产生疲劳破坏，确保沥青层的疲劳寿命大于整个路面结构的寿命，同样，也要使用基层层顶压应变Ez来控制基层的疲劳寿命。此处使用弯拉应变而不是采用弯拉应力是因为沥青层疲劳寿命主要受拉应变而非拉应力控制，这样可以更真实地反映沥青混凝土层的疲劳特性。在长寿命路面结构设计中，必须同时使用沥青层层底弯拉应变Er和基层层顶压应变Ez这两个指标来控制沥青混凝土路面结构的疲劳寿命。

按照经过验证和修正后的沥青层疲劳寿命预估模型进行预估：

其中：Nf：疲劳寿命（次）；

ε：重复应变水平（10-6）；

E：动态模量（MPa）；

VFA：有效沥青饱和度（%）。

3.2 长寿命沥青路面材料设计

长寿命沥青路面在使用期间不会产生结构性损坏，因此不需要对路面进行大修，但是这就要求路面结构必须具备足够强的基垫层。因此，路面的基垫层最好能够采用强度较高、整体性较好的路面材料，同时还必须充分考虑整体性材料的干缩、温缩性质以及反射裂缝等病害。虽然长寿命沥青路面的病害只产生在沥青面层，但是各沥青层都有其独特的病害类型，各面层、基层的材料选择、配合比设计都具有自身的特点，要针对各层不同的特点进行合理设计。

3.3 长寿命路面的结构组合及厚度设计

长寿命沥青路面的结构组合形式及各结构层厚度计算通常是通过计算出路面在荷载作用下的应力应变力学响应，进而根据应力应变情况设计各层厚度。主要的计算思路和计算步骤如下:

根据工程经验及设计要求初步拟定路面结构组合形式及各结构层厚度，然后在室内试验数据的指导下进一步确定材料参数、结构层的设计指标等各项参数，主要包括沥青面层层底水平应变界限值以及基层层顶竖向压应变界限值，最后通过计算设计荷载作用下各结构层的应力、应变情况来验证结构组合和结构层厚度是否合理，如果结构层应力或应变不符合设计指标要求则对结构组合和结构层厚度进行适当调整，直至所有设计指标均满足设计要求。

4.结语

目前许多国家都对长寿命沥青路面进行了广泛深入的研究，取得了一定的技术成果并已逐步开始应用到工程实践当中。但到长寿命路面设计方法在设计参数、规范标准等方面还没有一个系统的标准，仍处在发展和完善阶段，还需要道路工作者不断研究、开拓创新。

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