降低瀝青混凝土路面的病害發(fā)生，提高其長(zhǎng)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(zhǎng)期性能設(shè)計(jì)，在解析長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)期性能；長(zhǎng)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(guó)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(lái)越強(qiáng)，車輛超載重載問(wèn)題已經(jīng)成為我國(guó)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(zhǎng)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(wú)法恢復(fù)的損傷。我國(guó)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(zhǎng)期保障性能的瀝青混凝土路面，具有迫切的需求。長(zhǎng)期性能路面(longtermperformancepavement,LTPP)在國(guó)外已經(jīng)進(jìn)行了較為廣泛的研究，近期也受到國(guó)內(nèi)學(xué)者的關(guān)注[2,3]，長(zhǎng)期性能路面的本質(zhì)是通過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)期性能的瀝青混凝土路面，分析長(zhǎng)期性路面的基本概念、設(shè)計(jì)原則；從而提出開展長(zhǎng)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(zhǎng)期性能瀝青路面的關(guān)鍵。

1長(zhǎng)期性能瀝青路面

我國(guó)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)簡(jiǎn)單的手段進(jìn)行修復(fù)，就可以繼續(xù)保證其運(yùn)營(yíng)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(wú)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(lái)，越來(lái)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(guò)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(guò)簡(jiǎn)單的修復(fù)解決。從長(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)期性能瀝青路面設(shè)計(jì)方法

開展長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)疲勞極限而開裂；永久變形則是長(zhǎng)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(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)路面層的使用壽命。

2.2設(shè)計(jì)指標(biāo)

開展長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(guò)60微應(yīng)變，Y不超過(guò)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(zhǎng)期性能瀝青路面的材料設(shè)計(jì)

根據(jù)長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)期變形穩(wěn)定具有非常重要的意義，因此對(duì)長(zhǎng)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(wú)論使用何種，經(jīng)過(guò)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(guó)TRL規(guī)定路基頂面模量不小于40MPa，德國(guó)交通部則規(guī)定不小于48MPa，法國(guó)則通過(guò)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(méi)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)期性能瀝青路面的基本理念和設(shè)計(jì)原則，目的是通過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)期性能瀝青路面的設(shè)計(jì)建議。