浅谈公路沥青路面的结构设计

　　摘要：通过对公路沥青路面设计指标的分析，提高路面路用性能可采取的措施进行了探讨。
　　关键词：沥青路面；结构设计；分析
　　
　　沥青路面早期损害，除个别是由于路基的原因引起的不均匀沉陷外，绝大部分是由于沥青面层本身引起的：坑槽、泛油、车辙、网裂、松散等。因此，沥青的层面的设计是至关重要的。
　　1我国沥青路面设计指标的分析
　　1.1高速公路沥青路面主要破坏型式
　　目前我国高速公路沥青路面普遍存在着初、早期破坏，且主要破坏型式同上个世纪90年代以前轻交通状况下相比已发生了一定的变化。高等级沥青路面的主要破坏形式可以归纳为以下几个方面：①由于路基不均匀沉降导致的路面下陷和开裂；②车辙破坏；③沥青面层的水损害；④半刚性基层沥青路面反射裂缝破坏；⑤沥青路面的结构性破坏。因此，有必要通过路面的合理化设计来控制路面的主要破坏型式，从而真正达到路面设计的目的。
　　1.2路表弯沉指标的适用性
　　路表弯沉指标主要具有以下优点：(1)弯沉指标的突出优点是其直观性和可操作性，它建立在大量实测数据统计回归的基础上，对于交通不太繁重，结构层较薄情况（控制沉陷为主）是较适用的，但对繁重交通，路面结构较厚情况(控制疲劳和开裂为主)下其适用性降低；(2)在路面结构单一的中、轻交通时代，该指标既可表征路面结构的整体变形，也可用于表征路面结构的整体刚度。然而，随着公路建设规模的扩大和道路等级的提高，路表弯沉也暴露出了以下主要缺点：(1)弯沉指标同路面结构主要破坏型式没有必然关系，该指标控制的目标不明确；(2)重载交通时代路面结构繁多，经验性的路表弯沉指标无法反映路面结构各层次的破坏特征；(3)路表弯沉主要来源于土基的变形，且受气候环境条件影响颇大，尤其是路面结构内部的干湿状况，若用该指标来对不同路面结构强度的评定显得缺乏说服力；(4)规范针对特定的破坏类型设置了相应的单项控制指标，形成了综合设计指标和单项设计指标并存的局面，当进行结构组合和材料选用的设计时,两者之间将出现兼容性和协调性的问题。
　　1.3沥青路面结构设计与材料设计指标的相容性
　　目前，我国沥青路面的结构设计与路面材料设计基本上是相脱离的。由于种种原因，路面材料的抗压模量设计取值往往带有很大的随意性，同样是水泥稳定粒料，设计值却差别很大，对于同种材料(6%水泥稳定碎石或石屑)在相同施工水平和要求条件下，设计取值的过大差异，对于保证路面施工质量是不易的，同时在设计上可能也是不经济的或是太冒险。此外，路面结构设计与材料组成设计相容性较差，还表现在以下几个方面：(1)路面材料强度测试中的受力模式与其在道路应用中的实际受力情形相差较远；(2)路面材料性能评价指标与其实际路用性能之间的对应关系不明确；(3)结构设计阶段采用的材料设计参数指标与实际施工时路面材料配合比设计、质量检测指标不一致。
　　2沥青路面合理结构型式的分析
　　2.1我国的沥青缺乏和路面承载能力低的问题逐渐突出。半刚性基层基于其较好的板体性能、较高的承载力及良好的经济性等优点成为我国沥青路面结构的主要型式，并几乎成为高速公路沥青路面的唯一结构型式。但是，近年来许多沥青路面发生的严重早期损害，使得人们不得不对此结构提出一些质疑，如半刚性基层的收缩开裂会引起沥青路面的反射裂缝，半刚性基层沥青路面对重载车来说具有更大的轴载敏感性，以及半刚性基层损坏后没有愈合的能力且无法进行修补等。基于此，现在许多单位和学者开始主张在中国也大量地发展柔性基层沥青路面的结构型式。但要想一下子得到改变是不现实的，也是不合理的。要有一个对半刚性基层沥青路面的再认识和对柔性基层沥青路面的研究和熟悉的过程。
　　2.2我国沥青路面结构设计，沥青面层主要是起一个功能层作用，而半刚性基层才是主要的承重层。基于该理念，沥青面层厚度的确定基本都是经验性的。设计的步骤是先经验地确定沥青层厚度，然后通过计算确定半刚性基层、底基层厚度，且对地基重视程度不足，导致土基强度普遍较低。
　　3提高路面路用性能可采取的措施
　　3.1合理地选择路面结构类型
　　3.1.1选择原则
　　路面面层根据当地的气侯、自然条件及当地习惯及经济水平等综合确定。表面层应综合考虑高温抗车辙、低温抗开裂、抗滑的需要；中面层应重点考虑抗车辙能力；底面层重点考虑抗疲劳开裂性能、密水性等。
　　对潮湿区、湿润区等雨水、冰雪融化对路面有严重威胁的地区，在考虑抗车辙能力的同时还应重视密水性的需要，防止水损害破坏，宜适当减小设计空隙率，但应保持良好的雨天抗滑性能。对于旱地区，受水的影响很小，对密水性及抗滑性能的要求可放宽。
　　3.1.2上面层选择
　　SMA由于其良好的高温抗车辙、低温抗开裂、抗滑及耐久性，应该为路面上面层的首选。然而由于造价相对较高，因此在应用上受到一定的限制。然而使用SMA路面可提高路面服务质量，节省油耗，减少轮胎磨损及机件损坏，提高车速及舒适性，减少交通事故，节省运营费用等等，在高温、重载、量大的环境下SMA的效益更加突出。所以，在我国重要的公路运输主干线（重载车辆多、交通量大）的建设上，SMA路面具有极大的选择优势。
　　3.1.3中、下面层选择
　　Superpave高性能沥青路面在高温抗车辙方面具有很大的优势，混合料低温、疲劳抗开裂性能良好，此外，由于其空隙率相对较小，其抗水损害能力也较强，适合作高速公路中、下面层，尤其是在重载多的高速公路。当然，有些地方仍然习惯于采用AC-Ⅰ型沥青混凝土作中、下面层，但对规范密级配进行了改进，一定程度上提高了动稳定度。
　　3.1.4选择合适的结构层厚度
　　沥青路面结构层厚度应等于或大于集料最大公称尺寸的3倍，对粗的混合料，结构层厚度应大于集料最大公称尺寸的3倍。按此原则，AK-13最大公称尺寸为13.2mm，则路面结构层厚度应大于等于4cm，AC-16Ⅰ最大公称尺寸为16.0mm，则路面结构层厚应大于等于5cm，AC-20Ⅰ最大公称尺寸为19mm，路面结构层厚度应大于等于6cm，AC-25Ⅰ最大公称尺寸为26.5mm，则路面结构层厚度应大于等于8cm。这个原则正逐渐被认可，按此原则确定的路面结构层厚度在施工中更便于压实，混合料离析程度减轻，使用效果也相对更好。
　　3.1.5合理进行沥青混合料级配
　　对夏季温度较高，且高温持续时间长，但冬季不太冷的地区或者重载路段应重点考虑抗车辙能力的需要，减少4.75mm及2.36mm的通过率。选用较大的设计空隙率，当采用密级配混合料时，宜选用粗型密级配沥青混合料；对冬季温度较低，且低温持续时间长的地区，或者非重载路段，应在保证抗车辙能力的前提下，充分考虑提高低温抗裂性能，适当增大4.75mm及2.36mm的通过率。选用较小的设计空隙率，当采用密级配混合料时，宜选用细型密级配沥青混合料；对夏季温度高，且持续时间长，冬季又十分寒冷，年温差特别大，又属于重载路段的工程，高温要求和低温要求发生矛盾时，应以提高其高温抗车辙能力为主，兼顾低温抗裂性能的需要，在减少4.75mm及2.36mm的通过率的同时，适当增加0.075mm的通过率，使其级配范围成S型，并取中等或偏高水平的设计空隙率。
　　3.1.6严格选用优质的原材料
　　沥青材料对于路面的低温抗裂性能及高温抗车辙性能及耐久性的关系非常直接，选用优质的沥青非常重要。此外，对于高速公路的上面层，应尽可能采用改性沥青，改性沥青对高温稳定性次数较之普通沥青能提高一倍以上，改性沥青对低温弯曲试验破坏应变较之普通沥青也有很大程度的提高。在重载较多或气候条件差并有条件时，高速公路中面层也应尽可能采用改性沥青。
　　路面面层石料应采用高强度、耐磨并且与沥青粘结性较好的中基性石料为宜。此外，应对集料的扁平细长含量等进行试验，Superpave还对坚固性、安定性进行试验，从源头上保证混合料的性能。
　　3.1.7注意下封层质量
　　设计中对下封层必须提出明确的施工要求，施工方法以及封层材料，并且为了保证施工质量，应强调机械化、专业化施工。江苏等省份对下封层提出明确的施工指导意见，对此类较为先进成熟的做法值得在设计中推广。
　　参考文献：
　　1.沈金安等.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策[M].北京：人民交通出版社，2004

《浅谈公路沥青路面的结构设计》

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