福建省組合式瀝青路面結構性能分析

孫亦純（泉州市城市規劃設計研究院）

福建省組合式瀝青路面結構性能分析

孫亦純
（泉州市城市規劃設計研究院）

隨著我國交通狀況的變化，半剛性基層瀝青路面遭遇到重載交通和早期損壞兩大挑戰，因此，提出能適應重載交通的長壽命與性能瀝青混凝土路面設計方法，對目前重載交通高速公路的工程建設和養護將具有重大的經濟效益和社會意義。本文通過對福建省組合式瀝青路面結構的性能綜合分析，得出組合式瀝青路面結構比典型半剛性瀝青路面結構在車轍、水損壞、耐久性、開裂等各項性能上更具結構優越性，滿足長壽命路面的要求。

組合式結構；瀝青路面；級配碎石；瀝青穩定碎石

1　前言

我國高速公路建設發展迅速，至2013年底，高速公路通車總里程達到10.4萬km，已超過美國躍居世界第一位。但在高速公路快速發展的同時，由于我國的公路整體建設起步較晚，技術力量儲備較弱，前期經濟基礎較差，高速公路瀝青路面建設中的一些問題逐漸顯現出來。一些高速公路建成通車后不久，就發生了車轍、水損害、開裂、坑槽、泛油等早期損壞現象，不得不進行大面積維修，造成了巨大的經濟損失及不良的社會影響。

造成我國瀝青路面早期損壞的原因是多方面的，材料、施工質量等是一方面原因，半剛性基層瀝青路面結構暴露出的一些缺陷和不足也是另一個重要原因。長期以來半剛性基層瀝青路面的結構是我國主要的結構型式，為我國的公路建設，尤其是高速公路、一級公路的發展發揮了重要的作用。在我國嚴重缺乏瀝青，經濟能力有限的情況下，半剛性基層承擔了日益增長的荷載，為發展瀝青路面起到了無可替代的作用，并寫下了光輝的一頁。因此發展半剛性瀝青路面結構滿足了我國公路發展初期的國情需要。但是，隨著我國高速公路飛速發展和總里程的不斷增加，現有的半剛性瀝青路面早期損壞突出、耐久性差，達不到設計年限就開始大修的使用問題逐漸突顯，特別是近些年來隨著對公路工程的耐久性和長期性能的要求越來越高，我國廣大工程技術人員開始研究半剛性基層瀝青路面的優缺點和適用性。在這種背景下進行新型瀝青路面結構型式的應用研究已經成為我國提高瀝青路面的耐久性、延長使用壽命的重要課題。

2　福建省組合式瀝青路面結構的應用

2.1福建省自然條件

福建省處于北緯23°31′～28°18′之間，靠近北回歸線，境內溫暖濕潤，年平均氣溫17～21℃，平均降雨量1400～2000mm，省內以山地丘陵為主，占80%以上。

按照中華人民共和國《公路自然區劃標準》（JTJ003-86），福建省自然區劃為Ⅳ4浙閩沿海山地中濕區、Ⅳ6武夷南嶺山地過濕區和Ⅳ6a武夷副區。按《公路瀝青施工技術規范》（JTGF40-2004）氣候分區為1-4-1區。

福建地形以山地丘陵為主，由西、中兩列大山帶構成福建地形的骨架。兩列大山帶均呈東北-西南走向，與海岸平行。

福建省屬于暖熱濕潤的亞熱帶海洋性季風氣候，冬短夏長。高溫炎熱天氣天數和高溫持續時間長、日照時間長，以2009年為例，全省高溫時間從7月份持續到9月中旬，共出現5次高溫天氣過程，49個縣（市）日最高氣溫≥38℃；日最高氣溫≥35℃的最長連續日數達到16d。同時，福建降雨量充沛，且暴雨頻率高。

綜上所述，福建省氣候炎熱、多雨潮濕，夏季時間長，這些自然條件將增加高速公路的鋪筑難度。

2.2福建省高速公路交通荷載情況

福建省高速公路目前交通量不太大，但是隨著福建省高速公路與周邊省份的聯通以及經濟的發展，將使后期的交通量迅速增加。從福建省的貨車發展趨勢看，專用汽車呈現出向廂式化、重型化、智能化、高檔化、多極化發展的趨勢，其中表現比較明顯的是：普通貨物運輸箱式化；專用汽車運輸重型化；貨物運輸專業化；特種用途車輛發展迅速。同時調查中發現有許多運輸業主將新車買回后，通過更換彈簧鋼板、加固大梁、加高車廂、變換厚輪胎增加剎車水箱等途徑進行加固改裝，改裝后的貨車承載能力增強，帶來的超載情況也非常嚴重，統計表明大、中型貨車的超載重量是標準載重量的50～120%。通過調查南平地區交通特性發現，貨車在所有交通量占到了75.5%，貨車軸型較多，其中后單軸貨車最多，后雙軸及以上貨車也占了很大比例。而龍巖地區后雙軸、三軸比例更高；部分地區超載嚴重，平均超載率最大的為限值30t貨車，即后雙軸貨車，其中20t最大的超載率達38.2%，30t達77.8%，40t達50%，50t達27.9%。對福建省3條高速公路治超時動態稱重系統（WIM）測得的實際軸重數據，通過計算可以得到福建省不同軸載的軸重分布情況，按照《我國超限車輛行駛公路管理規定》（交通部2000年2號令），單軸、雙聯軸和三聯軸載重分別超出10t、18t和22t為超限，按照此標準三軸軸載類型超限比例分別達到6.6%、37.7%、59%，三軸軸載類型合計占總分析交通量的17.8%，占總貨車交通量的30.7%。

荷載的增加導致車輛輪胎印跡寬度變化較小，長度變長，輪胎接觸壓強變大，已經超出了規范的0.7MPa設計要求，如一般解放CA10B、東風EQ140主車額定載重50kN，而實際載重高達80～100kN，輪胎氣壓普遍為0.9～1.0MPa，紅巖、斯太爾主車額定載重150kN，實際載重可達380kN，輪胎氣壓一般為1.0～1.1MPa。根據相關數據，福建省多數貨車的輪胎充氣壓力從0.7MPa增加到0.9MPa，少數超過1.0MPa。

在高溫情況下，重載在瀝青路面中產生較大的剪應變，使瀝青路面抵抗剪切變形、側向流動的能力降低，導致瀝青路面過早地產生車轍。

2.3福建省高速公路組合式瀝青路面結構的應用

福建省早些年某些高速公路路段發生不同程度的早期損壞，其主要損壞表現型式有：

（1）瀝青面層早期損壞：水損害、唧漿、松散、坑槽、車轍、泛油等破壞；

（2）橋面鋪裝局部破損；

（3）結構物連接不順暢、橋頭及接縫跳車；

（4）路基沉降，如軟土路段、高填方路堤；

（5）高邊坡滑塌；

（6）半填半挖路段的沉降和開裂。

由此可見，水損害、松散、坑槽、車轍、泛油等病害是福建省高速公路瀝青面層早期損壞主要形式。福建省氣候炎熱、多雨潮濕，高溫持續時間長，山區丘陵比例多，高速公路縱坡較大，同時重車比例大，高速公路的外部條件比較復雜，高速公路的鋪筑技術難度大。

為此，福建省以提高高速公路瀝青路面長期性能和耐久性為目標，通過充分論證和鋪筑試驗路及實體工程驗證，開展南方濕熱地區高速公路瀝青路面新型結構的研究，最終推薦表1路面結構形式。

表1　

該路面結構形式做為福建省組合式瀝青路面結構的典型代表，廣泛應用于后期建設的高速公路當中，包括沈海高速擴建、浦南高速、龍長高速等。

3　組合式瀝青路面結構性能分析

現選取典型半剛性結構和組合式瀝青路面結構等兩種結構形式，對其各項路用性能進行綜合比較分析，結構形式見表2。

表2　路面結構形式對比表

3.1車轍分析

一年之中溫度、荷載等因素是不斷變化的，如交通量、荷載大小以及每一時刻的溫度均隨時間在不斷變化，同時路面材料的性質也隨時間會產生較大的變化，最終瀝青路面車轍量應該是每天每一時刻的變形不斷累積的結果。在白天或夏季，路面結構溫度較高，瀝青混合料的模量降低。在春季或雨季土基的含水量增加，也會造成路面結構的整體強度下降。如果在某個時間段內，路面結構的整體強度因環境因素的影響而下降，且這一時間段交通又較為集中，則路面結構在這一時間段內發生的破壞將遠遠大于其他的時間段。為此有必要對福建省典型溫度、交通荷載條件下的高速公路瀝青路面的車轍損壞進行進一步影響分析。

為了全面分析福建省的溫度條件和典型荷載條件對瀝青路面車轍的影響，借助AASHTO 2002年ME-PDG軟件程序進行天氣、交通荷載和不同車速耦合作用下車轍分析。

圖1　典型半剛性結構與組合式瀝青路面結構車轍分析對比圖

根據圖1分析結果，相同情況下，新型結構的車轍要明顯小于半剛性基層結構。與傳統的半剛性結構相比較，26cm瀝青面層的組合式結構的車轍量可以降低45～50%。

3.2水損壞分析

水損害是瀝青路面早期破壞的主要表現形式，福建地區夏季天氣炎熱，雨季持續時間長，雨量大，在大交通量的作用下，瀝青路面的水損害現象顯得較為突出。半剛性瀝青路面的水損壞主要有兩種形式：①從瀝青路面表面層開始的，即“自上而下”的水損壞，瀝青膜逐漸從骨料上脫落，進而出現瀝青混合料松散、掉粒，并逐漸發展成為路面坑槽；②從瀝青路面中下面層開始，即“自下而上”的水損壞，致使其承載力下降，表面層出現泛漿、網裂等病害，典型路段發生水損害破壞的地方一般是滲水較嚴重且排水不暢的部位，挖開路面可見其下有積水或浮漿，自下而上的水損壞發生的結構層位較深，對路面結構影響大，屬于結構性破壞，因此危害性更大。

與半剛性材料相比，級配碎石具有一定滲水性能，能夠實現結構內部的有效滲水，降低結構內材料的飽水時間，同時級配碎石基層能夠極大降低瀝青層的動孔隙水壓力，從而能夠極大降低結構性水損壞的產生。級配碎石的良好滲水性能是保持新型結構路面耐久性的一個前提條件。設置級配碎石基層，增加結構內部的滲水，降低動水壓力、特別是中下面層內部的動孔隙水壓力，提高結構抗水損壞性能，對于減少福建省多雨潮濕條件下的瀝青路面水損壞具有重大意義。

3.3結構耐久性影響分析

半剛性材料由于濕度和溫度的收縮作用會在使用初期即出現橫向收縮裂縫，使結構層斷裂成板塊狀。結合料的膠結作用較弱，粗集料同結合料和細集料基質之間的粘結在受到較小的拉應變或拉應力時便會喪失，從而在基層內產生微裂隙，受其影響，混合料的抗拉強度以及相應的抗拉回彈模量隨之降低。因此，半剛性基層在使用過程中，隨著荷載的反復作用，微裂隙由基層的底面逐漸向上發展，使具有抗拉能力的基層有效厚度逐漸減小，在裂隙發展到基層頂面時，整個基層碎裂成小塊，其有效模量便降低為接近于粒料的模量值。因此，半剛性材料有著模量隨時間不斷衰減特性。

而級配碎石對干濕、溫度的變化不太敏感，不會產生干縮、溫度裂縫而導致自下而上的結構性反射裂縫，同時其強度不會隨齡期逐漸衰減，因而具有較好的耐久性和穩定性，這對于長壽命結構的穩定性和耐久性非常重要。

考慮到半剛性材料的模量衰減特性，而級配碎石的承載能力又較低，可以通過增加瀝青層的厚度來實現瀝青路面長壽命和耐久性。在較薄瀝青層時，增加瀝青層厚度對于疲勞壽命影響不明顯，但是一旦瀝青層厚度增加到一定程度，結構疲勞壽命會隨著瀝青層厚度增加將非常顯著，每增加1cm將增加結構疲勞壽命近1000萬次。因此對于大交通量道路，采用較厚瀝青層路面對于提高路面耐久性具有非常重要的意義。

3.4縱向開裂分析

縱向裂縫是瀝青路面較為典型的開裂形式，主要原因在于：

（1）路表產生較大溫度梯度，從而使得瀝青混合料模量內也產生較大梯度，在荷載作用下路表產生較大應力；

（2）路表瀝青老化，瀝青層模量較高，在荷載作用下路表產生較高剪應力。同時路面基礎剛度增加會增加表面開裂，特別是對于半剛性基層或者硬路基；較硬的結構層離路表瀝青混合料越近，較軟的瀝青混合料更容易產生表面縱向開裂。

圖2分別為兩種結構的縱向開裂累計發展情況，可以看出18cm的典型半剛性結構的縱向開裂較26cm組合式結構的縱向開裂大得多，前后結構縱向開裂量相差11.5倍。同時模量較低的瀝青混合料較為柔軟，而模量很高半剛性材料具有較高的板體性，這樣結構層之間變形不協調會增加路表的拉應力，從而會加大表面裂縫的產生。此時如設置級配碎石層，會顯著改善基層與面層的變形隨從性，會顯著降低表面裂縫。

圖2　典型半剛性結構與組合式瀝青路面結構縱向開裂累計分析圖

4　結語

較典型半剛性瀝青路面結構而言，組合式瀝青路面結構具有一定的結構優越性，在車轍、水損壞、耐久性、開裂等各項性能上均具有較好的路用效果。組合式瀝青路面由于有較厚的瀝青層，極大降低了傳統的貫穿裂縫，主要表現為表面裂縫，只需對面層進行再生等表面修復就可以迅速恢復其路面的使用性能。

在福建省的自然、交通荷載條件下，組合式瀝青路面結構能夠有效減少目前典型半剛性結構的各種損壞，能夠達到30～50年分析期內新型結構無結構性損壞的長壽命要求。

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U416.217

A

1673-0038（2015）06-0153-03

2015-1-12

孫亦純（1983-），男，工程師，本科，主要從事路橋工程設計工作。