高速公路瀝青路面研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

鄭 偉 蔡青城

(北方工業(yè)大學建筑工程學院，北京 100144)

0 引言

長期以來，路面研究一直是道路研究的重點領(lǐng)域。隨著高速公路建設(shè)步伐的加快，高速公路瀝青路面早期破壞問題逐漸引起廣大道路科技工作者的重視，從環(huán)境、結(jié)構(gòu)和材料等方面綜合深入研究路面的力學行為逐漸成為大家的共識，越來越受到普遍關(guān)注，如何探索一種既經(jīng)濟又具有良好長期路用性能的路面結(jié)構(gòu)模式是關(guān)鍵問題。

1 我國高速公路存在的問題及成因

隨著我國國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會對交通運輸?shù)男枨蟠蠓仍黾樱愤\輸近些年得到了飛速發(fā)展。公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，尤其是高速公路建設(shè)得到了迅猛的發(fā)展。

截至2007年年底，我國公路通車總里程已達到357.3萬km，高速公路達到5.36萬km，居世界第二位;2008年新修通高速公路6 433 km，高速公路通車總里程達到6.03萬km，繼續(xù)居世界第二位。

1.1 我國高速公路存在的問題

雖然我國公路通車總里程已經(jīng)居世界前列，并且進入一個高速公路大發(fā)展時期，但困擾我國公路建設(shè)質(zhì)量的問題一直存在。瀝青路面是一種無接縫連續(xù)路面，整體強度高、行車平穩(wěn)性好、低噪聲、振動小、維修方便，被世界各國廣泛采用，但瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象越來越突出，甚至出現(xiàn)了大量的“初期破壞”現(xiàn)象，損失十分驚人，路面的實際使用壽命普遍低于設(shè)計壽命，路面破壞問題的嚴重性引起了政府、學術(shù)界、工程界、企業(yè)界及道路使用者等社會各界的廣泛關(guān)注。

1.2 我國高速公路問題的成因

分析路面破壞發(fā)生的原因可知，環(huán)境條件和重載車輛及其耦合作用是導致路面早期破壞的主要因素。針對高速公路瀝青路面的早期破壞問題，我國道路科技工作者進行了深入研究，大體可分為三個階段:

1996年之前為第一階段，主要研究防止半剛性基層引起的反射裂縫;

1997年～2001年為第二階段，由于片面追求路面平整度而造成的壓實度不足，孔隙率過大，“水損壞”問題成為研究的重點;

2002年后至今為第三階段，為了減少“水損壞”而采用了密實型混合料，同時大大提高了路面的整體強度，車轍成為路面的主要問題。

實際上，我們在并未很好解決第一階段的問題就面臨第二階段問題迅速出現(xiàn)，使得無暇顧及第一階段問題，而解決第二階段問題的措施又是第三階段問題出現(xiàn)的原因之一。造成這一被動局面的原因在于長久以來路面研究和實踐中“重經(jīng)驗、輕理論，重感覺、輕實證”，路面科學已經(jīng)成為實踐走在理論前面的科學，研究瀝青路面早期破壞背后的科學事實和內(nèi)在機理已經(jīng)成為當前亟待解決的問題。

我國高速公路在經(jīng)歷了反射裂縫和水損壞等破壞類型之后，路面車轍成為目前瀝青路面的主要損壞現(xiàn)象之一，直接影響路面的行車安全性和舒適性。分析路面車轍產(chǎn)生的原因，不外乎有如下四個方面:路面結(jié)構(gòu)的后續(xù)壓實、路表面的磨耗、基礎(chǔ)的變形和路面材料的塑性流動。

隨著路面結(jié)構(gòu)的加強、施工技術(shù)的提高，尤其是半剛性基層的采用，上述前三方面原因已經(jīng)非常微小，甚至忽略不計，路面材料的塑性流動成為了主要的車轍來源。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對比

2.1 國內(nèi)對高速公路的研究

近年來，我國高速公路普遍存在交通量大、重載車輛多、渠化嚴重的行車特點，重交通已經(jīng)成為高速公路的主要特征。通過對路面溫度場的研究發(fā)現(xiàn)，氣溫和太陽輻射是影響路面溫度場的主要因素，而太陽輻射對瀝青路面溫度升高的貢獻更大，我國夏季路面高溫現(xiàn)象并不局限于南方高溫地區(qū)，太陽輻射強烈的北方地區(qū)同樣存在。因此，高溫和重交通的共同作用是路面車轍產(chǎn)生早、發(fā)展快的主要原因，研究溫度和行車荷載共同作用下瀝青路面熱力耦合機理是解決路面車轍問題的關(guān)鍵技術(shù)，是今后瀝青路面研究的主要方向之一。

瀝青路面的溫度分布是環(huán)境因素最直觀的體現(xiàn)，也是目前各類設(shè)計方法中考慮最多的非荷載因素。在道路的溫度場研究中，目前采用的方法大致分為兩類，即理論法和數(shù)理統(tǒng)計法。近幾十年來，國內(nèi)外研究人員對路面溫度場的理論研究和試驗研究做了大量的工作。

2.2 國外對高速公路的研究

關(guān)于路面溫度場的理論研究最先是由Barber在1957年提出的，他將路面視為均質(zhì)半無限體，用正弦曲線模擬一天內(nèi)氣溫的變化，利用傳熱學的基本理論求解出路面結(jié)構(gòu)的溫度分布狀況;在運用數(shù)理統(tǒng)計方法對路面溫度場研究方面，2007年康海貴等根據(jù)大量的實測瀝青路面溫度數(shù)據(jù)研究了瀝青路面溫度場的分布規(guī)律，并利用回歸分析對瀝青路面溫度場與氣溫之間的相關(guān)關(guān)系進行了探討。

早在19世紀，可以適用于路面設(shè)計的某些力學理論就已經(jīng)得到了發(fā)展，其中突出的有赫茲在1884年提出的液體支撐板模型，布辛尼斯克在1885年提出的彈性半空間課題，它們在20世紀50年代的路面設(shè)計中得到了廣泛的應用。

在對瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計計算方法研究的同時，瀝青混合料的力學特性研究也一直得到國內(nèi)外學者的重視。瀝青混合料是一種熱流變材料，為了描述其熱流變性質(zhì)，早在20世紀60年代，Monismith C.L就已應用流變理論對瀝青混凝土的粘彈性特征進行了研究，并且證實了Burgers模型可以用于分析瀝青混合料的粘彈性特性。

2.3 國內(nèi)外對瀝青路面的研究相對比較薄弱的方面

由于粘彈性體溫度場和應力場耦合問題在理論計算上的復雜性，以往的研究中大多數(shù)都針對單一場對路面的作用進行研究，只有在研究溫度應力時考慮其相互作用，但沒有完整的溫度場和應力場耦合理論，而路面的溫度場和應力場的耦合效應是客觀存在的，缺少對二者相互耦合效應的深入分析。

瀝青混凝土材料是一種典型的熱粘彈性材料，其物理力學性能與溫度和荷載作用時間密切相關(guān)。盡管國內(nèi)外學者對其本構(gòu)模型提出了各種不同的方程，但可以用于粘彈性熱力耦合問題求解的成果較少，這嚴重制約了溫度和荷載共同作用下瀝青路面的力學行為的研究和預防早期破壞技術(shù)的發(fā)展。

在溫度對瀝青路面力學行為影響方面，盡管引起了廣大學者的重視，并且作為實驗室最容易控制的環(huán)境因素進行了大量的研究，但當我們通過材料的設(shè)計控制了高溫下不產(chǎn)生過量的車轍時，并沒有考慮高溫時路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)力狀況是否比標準狀態(tài)下更危險。因此，深入分析路面在不同溫度條件下和荷載條件下應力、應變分布規(guī)律，考慮溫度和荷載的耦合效應，對于弄清路面的臨界狀態(tài)、設(shè)計的安全合理是十分必要和重要的。

因此，基于試驗研究結(jié)果，深入分析溫度對瀝青混凝土力學特性的影響機理，提出適合描述瀝青路面熱力耦合問題的熱粘彈性本構(gòu)模型，無疑可為定量分析溫度和交通共同作用下瀝青路面的力學行為和車轍發(fā)展預估及防治提供理論依據(jù)。

3 結(jié)語

開展溫度和行車荷載共同作用下瀝青路面的力學行為研究，是解決目前我國高速公路瀝青路面普遍存在早期破壞問題的需要，是今后建設(shè)適合我國國情的高水平道路的理論基礎(chǔ)。今后可在以下方面做深入研究:

1)深入揭示瀝青路面的早期破壞內(nèi)在機理、完善瀝青路面道路設(shè)計基礎(chǔ)理論;2)開展溫度和行車荷載共同作用下瀝青路面的力學行為研究。

[1] 新華社.中國高速公路通車總里程2008年年底突破6萬公里[EB/OL].中央政府門戶網(wǎng)站，http://www.gov.cn/jrzg/2009-01/15/content_1206477.htm，2009.01.15.

[2] 沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預防[M].第2版.北京:人民交通出版社，2008.

[3] 孫立軍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論[M].北京:人民交通出版社，2005.

[4] 易 富.溫度和荷載耦合作用下瀝青混凝土路面響應規(guī)律研究[D].沈陽:遼寧工程技術(shù)大學博士學位論文，2008.

[5] Barber，E.S.Calculation of Maximum Pavement Temperature from Weather Reports[J].Highway Research Board Bulletin，1957(168):1-8.

[6] 康海貴.測瀝青路面溫度場分布規(guī)律的回歸分析[J].中國公路學報，2007(46):43-52.