降低瀝青混凝土路面的病害發(fā)生，提高其長期使用壽命，一直是路面工程研究探索的方向。探討了瀝青混凝土路面的長期性能設(shè)計(jì)，在解析長期性能瀝青路面設(shè)計(jì)理念的基礎(chǔ)上，總結(jié)了其設(shè)計(jì)原則；并給出基于損傷破壞模式的長期路面設(shè)計(jì)指標(biāo)，形成其設(shè)計(jì)的方法論。最后，從材料選擇層面，提出了開展長期性能瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)的建議措施。

關(guān)鍵詞：瀝青混凝土；路面；市政道路；長期性能；長壽命設(shè)計(jì)

引言

瀝青路面具有耐高溫、抗老化和平整度好等優(yōu)點(diǎn)，且其行車噪聲小、行車穩(wěn)定性強(qiáng)，因而在公路及市政道路工程中被廣泛應(yīng)用。然而，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸，特別是貨物運(yùn)輸需求越來越強(qiáng)，車輛超載重載問題已經(jīng)成為我國普遍性的社會(huì)難題，特別是城市經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)域的交通。而增長的交通運(yùn)輸和荷載等級(jí)，對(duì)道路結(jié)構(gòu)卻造成了無法恢復(fù)的損傷。我國早先建設(shè)的城市道路，瀝青路面層已經(jīng)出現(xiàn)了很多嚴(yán)重的病害：開裂、唧漿、坑蝕、沉陷等[1]，這些病害使得：一方面，破損的瀝青路面層造成行車不穩(wěn)定，對(duì)車輛安全和交通集散效率造成顯著影響；另一方面，每年都需要花費(fèi)較多的人力和物力進(jìn)行路面層的修復(fù)、替換和養(yǎng)護(hù)，以維持道路的使用性能，但這些養(yǎng)護(hù)管理工作又對(duì)城市交通、環(huán)境造成嚴(yán)重影響。因此，設(shè)計(jì)具有長期保障性能的瀝青混凝土路面，具有迫切的需求。長期性能路面(longtermperformancepavement,LTPP)在國外已經(jīng)進(jìn)行了較為廣泛的研究，近期也受到國內(nèi)學(xué)者的關(guān)注[2,3]，長期性能路面的本質(zhì)是通過科學(xué)掌握車輛和環(huán)境等荷載作用下，路面層結(jié)構(gòu)的變形和受力特性，從而設(shè)計(jì)出能夠抵抗荷載作用的具有長期使用效果的路面結(jié)構(gòu)，滿足全壽命的設(shè)計(jì)理念[4,5]。論文將分析滿足長期性能的瀝青混凝土路面，分析長期性路面的基本概念、設(shè)計(jì)原則；從而提出開展長期性能瀝青路面設(shè)計(jì)的方法和基本指標(biāo)，最后，提出要進(jìn)行瀝青路面的材料設(shè)計(jì)是保障長期性能瀝青路面的關(guān)鍵。

1長期性能瀝青路面

我國瀝青路面的設(shè)計(jì)使用年限與道路等級(jí)相關(guān)，其中最高等級(jí)的城市快速路是15a。而長期性能瀝青路面則可能是40a或50a，直接將路面的使用壽命拓展1倍。該長期性能路面的設(shè)計(jì)初衷是保證其在設(shè)計(jì)使用壽命周期內(nèi)不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性的損壞和破壞，因此不需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)性修復(fù)或重建，但任何路面都不能保證不出現(xiàn)病害，長期性能瀝青路面可以出現(xiàn)不影響結(jié)構(gòu)使用的表層病害，這些病害則可以通過簡單的手段進(jìn)行修復(fù)，就可以繼續(xù)保證其運(yùn)營使用。

1.1設(shè)計(jì)理念

傳統(tǒng)的路面設(shè)計(jì)認(rèn)為：在較大的車輛荷載反復(fù)作用下，無論路面層厚度多大，都不可避免路面層出現(xiàn)自下而上的疲勞開裂和嚴(yán)重車轍，因此只要使用一定年限就會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性失效而不能繼續(xù)承載工作。近年來，越來越多的研究表明，瀝青路面層存在一個(gè)極限的彎拉應(yīng)變，當(dāng)外界荷載作用在該彎拉應(yīng)變范圍內(nèi)時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生疲勞開裂和破壞；而瀝青路面厚度超過一定范圍時(shí)，其底部拉彎應(yīng)變就會(huì)小于上述疲勞極限，使得外界荷載作用下瀝青路面層結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生破壞，提高其使用壽命。但這并不代表瀝青路面的面層結(jié)構(gòu)在車輛和環(huán)境作用下不會(huì)發(fā)生開裂、剝蝕等病害，這些病害是由于外界環(huán)境侵蝕、車輪荷載作用和結(jié)構(gòu)材料退化三重作用效果，但是這些病害可以通過簡單的修復(fù)解決。從長期性能瀝青路面的設(shè)計(jì)理念可以看出，其設(shè)計(jì)理念與“綠色建筑”等類似，通過前期較大的投入以提高瀝青路面的整體結(jié)構(gòu)性能和使用年限，以優(yōu)化整個(gè)壽命周期內(nèi)的瀝青路面結(jié)構(gòu)性能和效益。

1.2設(shè)計(jì)原則

根據(jù)長期性能瀝青路面的理念，其基本力學(xué)原理可以如圖1所示更詳細(xì)闡述，瀝青路面自上而下總體分為面層、中間層、HMA基層和路基層四個(gè)部分。首先，在車輛作用下，車輪與路面接觸面以下10～15cm范圍內(nèi)是高受力區(qū)域，是各種面層病害發(fā)生的地方，因此設(shè)計(jì)中需要采用高質(zhì)量瀝青混凝土作為承載面層。其次，車輪荷載經(jīng)過面層向下部結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效擴(kuò)散，但同時(shí)要保持與上部面層的有效連接，以免發(fā)生車轍病害，設(shè)計(jì)可選用高模量抗車轍瀝青混凝土作為中間層。再則，往下達(dá)到瀝青混凝土路面的最大拉彎應(yīng)力區(qū)域，該區(qū)域要求混凝土具有較好的抗彎拉性能，保證不會(huì)因?yàn)榈挚剐圆蛔愣鴮?dǎo)致開裂和破壞，設(shè)計(jì)可采用高柔性抗疲勞瀝青混凝土，同時(shí)該層厚度須具有一定保證，以使得路面不產(chǎn)生自下而上的開裂和破壞。最后，路基結(jié)構(gòu)支撐路面層，保證路面均勻、平整和穩(wěn)定，這對(duì)于路面工程的變形、抗凍都是具有重要作用的。

2長期性能瀝青路面設(shè)計(jì)方法

開展長期性能瀝青路面設(shè)計(jì)，首先需要明確其可能的損傷破壞模式，其次，針對(duì)破壞情況給出設(shè)計(jì)指標(biāo)和方法，設(shè)計(jì)滿足長期性能要求的瀝青混凝土路面。

2.1損傷破壞模式

（1）結(jié)構(gòu)性損傷破壞疲勞開裂和永久變形是瀝青路面的兩種典型破壞模式，疲勞開裂是往復(fù)車輛荷載作用下瀝青路面下層產(chǎn)生拉彎受力導(dǎo)致超過疲勞極限而開裂；永久變形則是長期的車輛荷載作用下路基頂面壓應(yīng)變產(chǎn)生的不可恢復(fù)的變形所致。長期性能瀝青路面采用較大厚度的瀝青面層，使得路面結(jié)構(gòu)底部拉彎應(yīng)力水平在材料極限范圍內(nèi)，從而保證了路面結(jié)構(gòu)不再出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞。這需要控制好拉彎應(yīng)力的指標(biāo)。（2）局部性損傷破壞雖然設(shè)計(jì)合理的路面結(jié)構(gòu)層可以有效地降低或者防止路面結(jié)構(gòu)損傷的發(fā)生，但是卻無法避免高速度、高載重、高輪壓的車輪荷載作用對(duì)路面結(jié)構(gòu)層所形成的較大剪應(yīng)力。長此以往，隨著路面材料的退化，局部損傷則很難避免。研究表明，這種局部損傷一般僅僅在路面層表部形成，不形成完全的結(jié)構(gòu)性破壞，因此可以對(duì)損傷部位進(jìn)行銑刨，置換為新的混合料，以延長路面層的使用壽命。

2.2設(shè)計(jì)指標(biāo)

開展長期性能路面設(shè)計(jì)，建立設(shè)計(jì)的力學(xué)指標(biāo)尤為關(guān)鍵。設(shè)計(jì)指標(biāo)是作為路面設(shè)計(jì)的指導(dǎo)，而該指標(biāo)也反映了對(duì)長期性能路面受力機(jī)理的掌握和把控。首先，需要建立保障長期性能路面完整結(jié)構(gòu)特性的整體力學(xué)指標(biāo)。根據(jù)前面分析的結(jié)構(gòu)性破壞機(jī)理，一般需要采用瀝青混凝土面層底部彎拉應(yīng)變X作為控制結(jié)構(gòu)性損傷破壞的標(biāo)準(zhǔn)，采用頂部壓應(yīng)變Y作為控制局部損傷的標(biāo)準(zhǔn)。顯然指標(biāo)X是確保不產(chǎn)生疲勞破壞，目前的設(shè)計(jì)都是以該指標(biāo)不超過瀝青混凝土材料容許拉應(yīng)力作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，而實(shí)際上由于破壞階段強(qiáng)烈的材料非線性，拉應(yīng)變是控制破壞的根本因素而非拉應(yīng)力，因此，在長期性能瀝青路面的設(shè)計(jì)中，應(yīng)該采用拉彎應(yīng)變作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。同樣，頂部的壓應(yīng)變Y則是控制局部損傷和永久變形的基礎(chǔ)。上述兩個(gè)指標(biāo)在諸多文獻(xiàn)也有研究，Monismith和Long建議X不超過60微應(yīng)變，Y不超過200微應(yīng)變[6]。其次，建立面層抗剪指標(biāo)進(jìn)一步保證頂部面層的局部損傷。表面層瀝青混凝土直接與環(huán)境接觸并受車輛荷載作用，而其良好的抗剪性能可以抵抗因局部輪壓荷載作用導(dǎo)致瀝青與混合料的受力分離導(dǎo)致開裂和局部損傷行為，因此設(shè)計(jì)中需要考慮不均勻、超重輪載作用下，對(duì)瀝青面層形成的局部剪切應(yīng)變，而設(shè)計(jì)的面層抗剪指標(biāo)需要在保證結(jié)構(gòu)具有一定的安全儲(chǔ)備的情況下，面層的抗剪應(yīng)變。

3長期性能瀝青路面的材料設(shè)計(jì)

根據(jù)長期性能瀝青路面的設(shè)計(jì)指標(biāo)，可以很好地確定整體瀝青面層厚度及各分層厚度，而這其中難點(diǎn)是各層材料的選用，以相互匹配協(xié)同受力，達(dá)到長期性能的使用要求。（1）路基層穩(wěn)定、均勻、高強(qiáng)的路基層對(duì)于路面的均勻受力和長期變形穩(wěn)定具有非常重要的意義，因此對(duì)長期性能瀝青路面極為重要。路基層可選用化學(xué)穩(wěn)定、密實(shí)的路基和粒料，或者非穩(wěn)定高強(qiáng)度的碎石和砂礫組成，無論使用何種，經(jīng)過施工密實(shí)處理后要達(dá)到一定的剛度和強(qiáng)度要求。英國TRL規(guī)定路基頂面模量不小于40MPa，德國交通部則規(guī)定不小于48MPa，法國則通過規(guī)定軸載13t作用下不產(chǎn)生大于2mm的變形，或者承壓板試驗(yàn)結(jié)果彈性模量不低于50MPa。因此，保證40～50MPa的路基層彈性模量是基本要求。（2）瀝青HMA基層瀝青HMA基層是拉彎應(yīng)力承載主體，因此高瀝青含量的混合料有助于抵抗疲勞開裂，設(shè)計(jì)中需要選擇較高的瀝青含量同時(shí)保證一定的厚度。研究表明細(xì)級(jí)配瀝青混合料可以有效改善疲勞壽命。另外，瀝青基層較容易受水影響，因此需要考慮濕度因素對(duì)混合料力學(xué)性能的影響，選擇水穩(wěn)定性強(qiáng)的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。（3）HMA中間層中間層沒有特殊的使用要求，但是需要具有較好的耐久性和穩(wěn)定性，穩(wěn)定性的基礎(chǔ)是該中間層與頂部面層和底部基層具有很好的粘結(jié)效果，因此可以從粗骨料間的骨架結(jié)構(gòu)以及采用合適的高溫等級(jí)瀝青獲得，同時(shí)采用碎石和砂礫形成骨架。此外，中間層的高溫等級(jí)應(yīng)該與頂層保持一致，以使得具有良好的抗車轍效應(yīng)。（4）頂部面層頂部瀝青面層的要求極高，需要具備抗車轍、耐久性、抗?jié)B、抗磨損等系列性能，長期性能瀝青路面對(duì)于面層的使用壽命一般要求10a，但是對(duì)于抗車轍、抗?jié)B等要求等級(jí)較高的地區(qū)，仍然需要謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)，一般可以選擇SMA密級(jí)配混合料作為面層設(shè)計(jì)。

4結(jié)論

設(shè)計(jì)具有長期性能的瀝青混凝土路面是解決瀝青路面系列病害的重要途徑，論文分析了長期性能瀝青路面的基本理念和設(shè)計(jì)原則，目的是通過采用較大厚度的瀝青面層徹底根除瀝青路面的結(jié)構(gòu)性破壞，從而較大地提高其使用壽命。在解析瀝青路面損傷破壞模式的基礎(chǔ)上，提出了開展長期性能瀝青路面的設(shè)計(jì)指標(biāo)。最后，從材料方面給出了長期性能瀝青路面的設(shè)計(jì)建議。