淺談長壽命瀝青路面的研究

吳瓊

摘要：隨著我國瀝青路面特別是高速公路及城市道路早起路面病害的不斷加劇，許多路面在開放交通后不久就產(chǎn)生了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞，因此道路工作者加大了對長壽命瀝青路面的研究。本文首先簡要介紹了長壽命瀝青路面的概念和設(shè)計理念，然后對長壽命瀝青路面的各結(jié)構(gòu)層進(jìn)行了分析，最后提出了具體的設(shè)計步驟。

關(guān)鍵詞：長壽命，瀝青路面，研究

中圖分類號：U416.217文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷進(jìn)步，國家建設(shè)部門加大了全國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)特別是高等級公路的投資力度。高速公路已在全國得到了迅猛發(fā)展，經(jīng)濟(jì)水平相對落后的西部地區(qū)也加快了高速公路的建設(shè)進(jìn)程，多條聯(lián)通各省份的高速公路相繼建成通車，為我國經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是我國道路交通量和車輛荷載的增加幅度也越來越大，許多新建通車的高速公路在通車后短短的3到5年內(nèi)就出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)破壞。路面結(jié)構(gòu)的耐久性問題已經(jīng)引起了全國道路工作者的充分重視，長壽命瀝青路面作為一種高性能的柔性路面成為高等級公路路面結(jié)構(gòu)選擇和設(shè)計的新趨勢。長壽命路面是國外瀝青路面研究人員提出的一項新技術(shù)，其主要優(yōu)勢為基本消除了普通瀝青路面經(jīng)常出現(xiàn)的疲勞損壞，路面的損壞只發(fā)生在路表層，對路面結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生破壞。

1 長壽命瀝青路面的概念及設(shè)計理念

長壽命瀝青路面又稱全厚式瀝青路面，是國際瀝青路面界提出的一項新的瀝青路面組合形式。早在20世紀(jì)60年代，國外道路研究人員就已經(jīng)鋪設(shè)了大量的全厚式瀝青路面來驗證其各項路用性能，其中設(shè)計合理、施工良好的路面均表現(xiàn)出了優(yōu)異的路用性能，提供了長期的道路服務(wù)。

長壽命瀝青路面就是將加厚的瀝青面層直接鋪筑在路基上，但是整個路面的總厚度小于普通瀝青路面的結(jié)構(gòu)層厚度，能夠從基本上減緩甚至消除傳統(tǒng)的路面疲勞損壞。此外，需要說明的是長壽命瀝青路面設(shè)計的根本理念是實現(xiàn)路面損壞模式的轉(zhuǎn)變，從“自下而上”的損壞模式轉(zhuǎn)換為“自上而下”的損壞模式，所以說長壽命瀝青路面并非不會產(chǎn)生損壞，而是路面的損壞只發(fā)生在瀝青面層，當(dāng)受損的瀝青面層影響整個路面的路用性能時，只需將表層的瀝青混合料進(jìn)行銑刨、挖空，再用等厚度的新瀝青混合料填上即可，維修過程十分簡單經(jīng)濟(jì)。

2 長壽命瀝青路面的各結(jié)構(gòu)層

經(jīng)過長期的試驗研究發(fā)現(xiàn)，長壽命瀝青路面在車輛荷載的作用下，其力學(xué)響應(yīng)具有普遍規(guī)律，我們按照其規(guī)律可以將瀝青面層大致分為表面層、中間層和基層三種，各層的力學(xué)要求、設(shè)計厚度以及實現(xiàn)措施各不相同。

2.1 表面層

表面層又稱為磨耗層，主要為車輛行駛提供一個良好的界面，國外長壽命路面表面層的壽命周期一般為10年，國內(nèi)因超載情況嚴(yán)重，壽命周期一般為5到8年。從結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)分析結(jié)果可以看出，表面層是路面中各種損壞最容易產(chǎn)生的區(qū)域，一般為路表以下4cm~7cm的地方，在路面設(shè)計中必須針對道路等級和當(dāng)?shù)貧夂蛩臈l件選取合適的高性能瀝青材料作為膠結(jié)料，以滿足表面層關(guān)于抗車轍性能、抗表面開裂性能、抗滑性能、水穩(wěn)定性的要求，同時優(yōu)先選擇骨架密實型結(jié)構(gòu)的瀝青混合料以提供較高的承載力和抗壓性能，對于降雨量較大的地區(qū)也可采用開級配抗滑磨耗層以利于降水能夠及時的從路表面排走。

2.2 中間層

中間層又稱聯(lián)結(jié)層，多為我們通常所說的中面層，主要起擴(kuò)散路表荷載的作用，因此必須同時具備良好的耐久性和穩(wěn)定性，中間層在整個路面結(jié)構(gòu)中承受較大的剪切應(yīng)力，是車輪荷載作用的高應(yīng)力區(qū)，通常會發(fā)生剪切破壞和剪切疲勞破壞，設(shè)計年限一般為40年。從長壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分析中也可以看出，距離路表3cm~7cm是車轍和剪切破壞最容易發(fā)生的地方，在設(shè)計時中間層厚度一般選為10cm~16cm，混合料類型多為粗骨料骨架結(jié)構(gòu)，同時選用流動性較小、針入度較低的硬瀝青作為膠結(jié)料，經(jīng)濟(jì)條件允許的地方應(yīng)考慮采用高模量瀝青混凝土。

2.3 基層

長壽命瀝青路面基層在路面結(jié)構(gòu)中主要起抵抗疲勞破壞的作用，其抗疲勞性能和水穩(wěn)定性應(yīng)較好，設(shè)計時可優(yōu)先考慮使用高柔性瀝青混凝土。瀝青基層在車輛荷載作用下會產(chǎn)生層底彎拉應(yīng)力，重復(fù)作用則會引起疲勞開裂。美國加利福尼亞州道路研究人員經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，增大瀝青含量并減小混合料孔隙率，能夠有效提高基層的耐久性和柔性，同時，細(xì)級配的瀝青混合料也可以延長瀝青路面的疲勞壽命。此外，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中選定一個適當(dāng)?shù)幕鶎雍穸纫彩菧p少層底拉應(yīng)變，保證瀝青路面疲勞壽命的重要方法。

3 長壽命瀝青路面的設(shè)計

3.1 長壽命路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

長壽命路面設(shè)計是基于瀝青路面力學(xué)研究的重要成就，設(shè)計工作中最重要的是保證瀝青層底不會發(fā)生嚴(yán)重的彎拉疲勞破壞，即瀝青層層底的彎拉應(yīng)變不得超過其疲勞極限對應(yīng)的臨界值，各設(shè)計指標(biāo)依據(jù)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)情況進(jìn)行初步設(shè)計。1992年，美國道路科研院在國際公路會議上較為系統(tǒng)地提出了長壽命瀝青路面的設(shè)計方法。路面結(jié)構(gòu)組合形式及各結(jié)構(gòu)層厚度受材料、交通、環(huán)境以及服務(wù)性能共同制約。

疲勞破壞是影響長壽命瀝青路面路用性能的一個重要因素，可通過擬合疲勞方程來研究瀝青路面的疲勞壽命，疲勞方程通常使用瀝青面層層底彎拉應(yīng)變Er以及基層層頂壓應(yīng)變Ez來預(yù)估瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的使用壽命。必須保證面層層底彎拉應(yīng)變Er不得大于規(guī)范要求，才能保證瀝青層本身不會產(chǎn)生疲勞破壞，確保瀝青層的疲勞壽命大于整個路面結(jié)構(gòu)的壽命，同樣，也要使用基層層頂壓應(yīng)變Ez來控制基層的疲勞壽命。此處使用彎拉應(yīng)變而不是采用彎拉應(yīng)力是因為瀝青層疲勞壽命主要受拉應(yīng)變而非拉應(yīng)力控制，這樣可以更真實地反映瀝青混凝土層的疲勞特性。在長壽命路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須同時使用瀝青層層底彎拉應(yīng)變Er和基層層頂壓應(yīng)變Ez這兩個指標(biāo)來控制瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。

按照經(jīng)過驗證和修正后的瀝青層疲勞壽命預(yù)估模型進(jìn)行預(yù)估：

其中：Nf：疲勞壽命（次）；

ε：重復(fù)應(yīng)變水平（10-6）；

E：動態(tài)模量（MPa）；

VFA：有效瀝青飽和度（%）。

3.2 長壽命瀝青路面材料設(shè)計

長壽命瀝青路面在使用期間不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性損壞，因此不需要對路面進(jìn)行大修，但是這就要求路面結(jié)構(gòu)必須具備足夠強(qiáng)的基墊層。因此，路面的基墊層最好能夠采用強(qiáng)度較高、整體性較好的路面材料，同時還必須充分考慮整體性材料的干縮、溫縮性質(zhì)以及反射裂縫等病害。雖然長壽命瀝青路面的病害只產(chǎn)生在瀝青面層，但是各瀝青層都有其獨特的病害類型，各面層、基層的材料選擇、配合比設(shè)計都具有自身的特點，要針對各層不同的特點進(jìn)行合理設(shè)計。

3.3 長壽命路面的結(jié)構(gòu)組合及厚度設(shè)計

長壽命瀝青路面的結(jié)構(gòu)組合形式及各結(jié)構(gòu)層厚度計算通常是通過計算出路面在荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變力學(xué)響應(yīng)，進(jìn)而根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變情況設(shè)計各層厚度。主要的計算思路和計算步驟如下:

根據(jù)工程經(jīng)驗及設(shè)計要求初步擬定路面結(jié)構(gòu)組合形式及各結(jié)構(gòu)層厚度，然后在室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的指導(dǎo)下進(jìn)一步確定材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)層的設(shè)計指標(biāo)等各項參數(shù)，主要包括瀝青面層層底水平應(yīng)變界限值以及基層層頂豎向壓應(yīng)變界限值，最后通過計算設(shè)計荷載作用下各結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力、應(yīng)變情況來驗證結(jié)構(gòu)組合和結(jié)構(gòu)層厚度是否合理，如果結(jié)構(gòu)層應(yīng)力或應(yīng)變不符合設(shè)計指標(biāo)要求則對結(jié)構(gòu)組合和結(jié)構(gòu)層厚度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，直至所有設(shè)計指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。

4.結(jié)語

目前許多國家都對長壽命瀝青路面進(jìn)行了廣泛深入的研究，取得了一定的技術(shù)成果并已逐步開始應(yīng)用到工程實踐當(dāng)中。但到長壽命路面設(shè)計方法在設(shè)計參數(shù)、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等方面還沒有一個系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，仍處在發(fā)展和完善階段，還需要道路工作者不斷研究、開拓創(chuàng)新。

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