淺議瀝青路面的應用與發展

【摘要】本文介紹了瀝青路面的應用與發展歷程，闡述了瀝青表處、瀝青混凝土、瀝青碎石、瀝青瑪蹄脂碎石路面和骨架--懸浮密實復合型瀝青路面的優缺點及應用與發展的內在邏輯，得出的結論是傳統的瀝青混凝土、瀝青碎石、瀝青瑪蹄脂碎石路面和新型的骨架--懸浮密實復合型瀝青路面是不同結構形式的瀝青路面，它們的抗剪強度形成機理不同，各種材料在瀝青路面結構中的作用也不同，骨架--懸浮密實復合型瀝青路面具有明顯的優越性，是瀝青路面應用與發展的方向。

【關鍵詞】瀝青路面；抗剪強度；應用；發展

【Abstract】This paper introduces the application and development of asphalt pavement， and expounds the advantages and disadvantages of asphalt surface， asphalt concrete， asphalt crushed stone， asphalt mastic gravel pavement and skeleton-suspension compact asphalt pavement and its application and development Logic， the conclusion is that the traditional asphalt concrete， asphalt crushed stone， asphalt mastic gravel pavement and new skeleton - suspended dense composite asphalt pavement is a different form of asphalt pavement， their shear strength formation mechanism Different materials， the role of various materials in the asphalt pavement structure is also different， skeleton - suspended dense composite asphalt pavement has obvious advantages， is the asphalt pavement application and development direction.

【Key words】Asphalt pavement；Shear strength；Application；Development

1. 前言

從世界范圍來看，目前已建成的公路及城市道路絕大部分（80%以上）是瀝青路面]。由于車輛嚴重超載超限、大交通量、渠化行車以及高溫天氣等因素的影響，導致瀝青路面強度和勁度大幅度下降，很容易產生擁包、車轍等永久變形，路面的平整度降低，使用品質下降，嚴重影響著行車舒適和安全，且維修養護比較困難。尤其是車轍，已成為瀝青路面早期最主要的病害，比如高速公路爬坡路段、BRT（公交快速運輸）專用道和導向道等是車轍最易發生且最嚴重之處，資料顯示80%的瀝青路面出現不同程度的車轍，它是三大破損形式（疲勞、車轍和低溫開裂）中的頑疾，是最為突出的問題。因此，對瀝青路面的應用與發展進行深入的研究，確保其高溫穩定性，達到瀝青路面不產生車轍的效果，以滿足現代交通的需求是當務之急。

2. 瀝青路面的應用與發展

2.1 瀝青路面國外的應用與發展。

2.1.1 公元前3800年～公元前2500年就開始使用瀝青，先后在埃及的尼羅河、美索不達米亞的底格里斯河及幼發拉底河、巴基斯坦的鳊河等流域開發瀝青礦藏并應用于日常生活中，閃族人開始所用瀝青膠結貝殼或石料作為行車路面。

2.1.2 約公元前600年，古巴比倫王國鋪筑了人類歷史上第一條瀝青路面，但這種技藝不久便失傳了。印加帝國在15世紀已采用天然瀝青修筑瀝青碎石路面。瀝青路面的起源，乃由于巖瀝青的發現及其利用，以1712年在瑞士發現的巖瀝青為契機，其后在德、法等國相繼發現。但一直到19世紀人類才真正開始利用瀝青筑路。1815年，Macadam利用瀝青作膠結料修筑瀝青碎石路面（非現代概念的瀝青碎石路面）。1833年在英國開始采用煤瀝青碎石路面鋪裝。1854年法國首先把巖瀝青用于道路路面，馬婁（L·Malo）在巴黎修筑了接近于現在的薄層瀝青路面，可以稱之為熱鋪巖瀝青路面之當時被利用的巖瀝青是滲透有6～10%瀝青成分的石灰巖，把它碎成細粒，加熱攤鋪碾壓，即成瀝青路面。其最大粒徑只有2.5mm，通過0.074mm的粉粒達到40%以上，由于當時的交通還處于鐵路時代，道路上仍以馬車為主，所以巖瀝青路面能充分發揮其機能，成為當時先進的路面結構。顯然，這種巖瀝青路面就是現代意義上的瀝青表處。因此，瀝青路面之始就是瀝青表處。美國到1850年以后才從法國、瑞士進口大量巖瀝青，以東部為中心修筑巖瀝青路面，至1900年僅修筑了25000m2而已。1871年德斯門特（E·J·Desdment）在紐約市把砂、石灰石粉和特尼里特湖瀝青用以鋪筑瀝青路面獲得成功并申請了專利施工法。這是近代熱鋪湖瀝青路面之始。1872年華盛頓市應用石灰石粉、砂、摻以湖瀝青及石油殘渣油修筑路面，開始使用渣油。1900年汽車時代交通開始，為滿足其需要，當年美國在石粉、砂、湖瀝青混合料中加進碎石，發明了瓦雷奈特式（Warrenite-bitulithic）路面，即下層為粗級配瀝青混凝土與上層為瀝青砂兩層攤鋪一次碾壓而成的雙層式瀝青混凝土路面，這是瀝青混凝土路面的由來。至1905年美國托皮卡市產生了托皮卡（Topeka）路面作為瀝青路面的耐磨層，使瀝青路面結構更趨完善。1930年瀝青路面攤鋪機投入使用，1934年開始修筑高速公路，從此至今，瀝青路面成為現代高等級路面的主要類型。

2.1.3 瀝青用于修筑路面后，由于自原油蒸餾所得的渣油感溫性差，迫切需要加以處理，于是各種瀝青改性措施便應運而生。大約在1866年，曾有人采用硫化法，即用硫磺與瀝青共熱的方法，使所得產品（稱為匹茲堡瀝青，Pittsberg flux）軟化點升高，針入度降低。1881年E.J.De Smedt使用化學氧化劑制取氧化瀝青，成功的改善了瀝青的性質。1894年美國的F.X.Byerleg在瀝青溫度為316℃時吹入空氣，成功的制取了氧化瀝青。

2.1.4 使用熱瀝青筑路既不方便又不安全，1910年在科諾大學廣場上第一次使用稀釋瀝青做單層瀝青表面處治路面。在此之前，瀝青材料用于筑路僅僅處于啟蒙期。

2.1.5 20世紀初，為了滿足重載交通的需要，美國沃倫兄弟公司申請了大粒徑瀝青混合料（LSAM：Large-Stone Asphalt Mixes）級配專利，其礦料最大粒徑達到75mm它具有良好的骨架穩定性，能夠采用粘度較小的軟瀝青，十分有利于低溫穩定性。

2.1.6 20世紀20年代末期，德國出現了稀漿封層，后來發展成為微表處（MS）。單層微表處（包括稀漿封層）結構中集料最大碎石粒徑與成型厚度一致，骨架效應強大，不會產生車轍。同時在骨架之間填充的是由其它粒徑的碎石和瀝青膠泥（瀝青和礦粉形成的膠結材料稱為細膠泥；細膠泥和細集料形成的膠結材料稱為粗膠泥。它們統稱為膠泥。）形成的懸浮密實型瀝青混合料，它是骨架型結構和懸浮密實型結構的統一體，本文稱之為骨架——懸浮密實復合型結構，簡稱復合型結構，用FH（“復合”漢語拼音首個字母連寫）表示。

2.1.7 20世紀20年代到50年代，瀝青路面技術在歐美等許多國家得到迅速發展。1911年美國首先提出按針入度作為瀝青的分級指標。1916年德國的馬爾庫孫（Malcuson）提出了最初的瀝青組分分析方法，研究了瀝青組分含量與路用性能的關系。其后經過雷西希娜（Jluu Xe Ha）、哈巴爾特（Habalt）、科貝特（Kobelt）、飯島博等人的補充和修正，形成了目前的分組分析法。在這一時期中，各國對瀝青的物理性能、化學結構以及試驗方法等進行了大量的研究。但由于瀝青組成和結構的復雜性，研究并未取得重大的突破。

2.1.8 20世紀60年代，德國開發了瀝青瑪蹄脂碎石（SMA：Stone Mastic Asphalt）路面，它是一種由改性瀝青、纖維穩定劑、礦粉及少量的細集料組成的瀝青瑪蹄脂填充間斷級配的粗集料碎石骨架間隙而形成的骨架嵌擠型密實結構瀝青路面。其突出的優點是抗車轍性能強。但粗骨架還要靠瀝青粘結在一起，碎石和瀝青共同承擔和傳遞行車荷載，因此要求瀝青具有高軟化點。

2.1.9 20世紀60年代，德國還開發了澆筑式瀝青混凝土路面，這種路面結構屬于懸浮密實型，它采用的是硬瀝青，致使路面具有較高的抗車轍性能。

2.1.10 近幾十年來，隨著公路等級的不斷提高，對瀝青及其混合料提出了更高要求，促使研究工作進一步深入。除針入度、延展度、軟化點三大常用指標外，先后提出了脆點、含蠟量、族組分分析、黏附性以及旋轉薄膜烘箱老化等一系列非常規指標。還應用流變學的理論和方法研究了瀝青路面的粘彈性力學特性、蠕變、應力松弛、瀝青性能對溫度和時間的依賴關系，以及勁度和針入度指數等與流變學有關的指標。與此同時，出現了許多改性瀝青，以提高瀝青結合料的路用性能。

2.1.11 對于瀝青混合料，有三個堪稱為里程碑的大事件，它們有力地推動了瀝青路面的發展。它們是：

（1）在路面結構類型方面，由于單層瀝青表面處治已不能滿足交通需求，出現了瀝青混合料攤鋪的瀝青路面，并開始制定了瀝青混合料的技術要求和質量評定標準。這些要求和方法至今仍在運用，只是根據交通發展的需求對標準進行了適當修正。

（2）20世紀60年代初，美國國有公路運輸管理員協會（AASHTO）試驗路的鋪筑和大量的試驗研究成果的發表，使瀝青路面的設計、施工、結構以及材料發生了根本的變化。AASHTO試驗中的成果是集當時研究成果之大成，許多成果后來成為美國AASHTO路面設計指南及一系列施工規范的依據。

（3）20世紀90年代初，美國戰略公路研究計劃（SHRP）、高性能瀝青路面（Superpave）等一大批研究成果的發表，使瀝青及瀝青混合料的研究開創了一個新紀元。延續了半個世紀的瀝青標準、瀝青混合料的體積設計方法，受到了瀝青結合料路用性能規范及瀝青混合料性能設計的挑戰和沖擊。就世界范圍而言，這方面的工作目前正在緊張的進行，尚未最終完成。Superpave設計方法最大的優點是，能夠判斷那一種級配抗車轍性能好，從而更好地事先選擇級配類型。

（4）美國SHRP計劃的瀝青研究項目的主要任務是制定一個以路面性能為基礎的瀝青材料規范和瀝青混合料規范，以及相配套的瀝青混合料設計方法。其基本思路是將瀝青的化學性質和物理性質分別同其路用性能的研究聯系起來。

（5）20世紀末，美國德克薩斯州運輸局開發了一種新粗骨架高結合料含量（CMHB）混合料，在這種路面結構中，粗碎石與粗碎石間互相接觸時形成骨架，行車荷載主要由粗集料承擔并傳遞，就預防車轍而言是有利的[1]，但粗骨架還要靠瀝青粘結在一起，碎石和瀝青共同承擔和傳遞行車荷載，因此要求瀝青具有高軟化點。CMHB瀝青路面與SMA瀝青路面相類似。

2.2 瀝青路面國內的應用與發展。

（1）我國解放前鋪有高級、次高級路面不到350Km。中國上海在20世紀20年代開始鋪設瀝青路面；1935年在南京附近利用進口瀝青鋪筑了瀝青路面試驗段；1941年在滇緬公路修筑了雙層瀝青表面處治路面155Km；抗戰勝利后在寧杭公路修筑了瀝青貫入式及雙層瀝青表面處治等路面。

（2）1949年以后隨著中國自產路用瀝青材料工業的發展，瀝青路面已廣泛應用于筑路，成為目前中國鋪筑面積最多的一種高級路面。

（3）建國到1980年代末，先是大規模建設了渣油表面處治路面，之后瀝青貫入式瀝青碎石結構路面得到廣泛應用。

（4）1980年代末以后，高級、次高級瀝青路面的應用得到大發展，高速公路、國省干線公路、城市道路和農村公路齊頭并進。到2012年底，公路通車里程423.8萬公里。其中：1985年，開始修建一級公路；1988年10月31日，第一條高速公路——滬嘉高速公路建成通車；1990年沈大高速公路建成通車。1998年末我國高速公路達到8 733Km；1999年10月高速公路通車里程突破了10 000Km；2005年高速公路通車里程達到4.1萬公里；2013年高速公路通車里程達到10.5萬公里，居世界第一。

（5）1980年代開始，我國研究應用丁苯橡膠（SBR）、苯丁苯彈性聚合物（SBS）等改性劑改性瀝青，以提高瀝青路面的抗車轍性能。

（6）1980年代開始，我國研究應用稀漿封層和微表處。后來微表處得到了大量應用。

（7）1988年，沙慶林提出了多碎石瀝青混凝土（SAC）理論，4.75mm以上碎石用量多，形成骨架，同時適當提高了粉料成分以達到密實，形成表面構造深度大的瀝青路面。但粗骨架還要靠瀝青粘結在一起，碎石和瀝青共同承擔和傳遞行車荷載，因此要求瀝青具有高軟化點。SAC瀝青路面與SMA瀝青路面相類似。

（8）我國1992年引進了SMA路面，最早使用在首都機場東跑道，隨后應用于機場高速公路。SMA路面要求粗骨料形成骨架的同時，又使用了SBS改性瀝青，雙重提高路面的抗車轍性能。

（9）1990年代，我國開始研究應用Superpave設計方法。

（10）2010年前后，王海有等研究開發了超粗型微表處，可以用10mm～20mm碎石和10mm～30mm碎石做微表處，使微表處單層成型厚度最厚達到30mm，以避免30mm厚的瀝青路面產生車轍。

（11）綜合國內外瀝青路面的應用與發展狀況可知，起初的瀝青路面就是瀝青表處。由于瀝青表處路面不能滿足現代交通的需要，出現了三種典型的瀝青路面結構，先是懸浮密實型結構（如AC：瀝青混凝土路面），這種路面的缺點是抗車轍性能較差，于是出現了骨架空隙型結構（如AM：瀝青碎石路面），這種路面抗車轍性能較好但耐久性較差，經過改進出現了骨架密實型結構（如SMA：瀝青瑪蹄脂碎石路面），這種路面理論上講抗車轍性能和耐久性都較好，但其施工難度大，往往達不到理想的效果。當前國際上的總體趨向是采用高含量大集料間斷級配改性瀝青混合料。

（12）在這些瀝青路面中，路面厚度（h）要求是集料最大碎石粒徑（D）的2～3倍，即h/D=2～3。其目的是便于壓實。

（13）單層微表處（包括稀漿封層）結構中集料最大碎石粒徑與成型厚度一致（即h/D≈1），骨架效應強大，不會產生車轍。問題是集料中最大碎石粒徑大于30mm時施工難度很大，例如用最大粒徑40mm的集料做微表處幾乎是不可能的；然而用較細集料做微表處時，如果成型厚度大于集料最大粒徑過多，那么微表處結構就演變成了懸浮密實型結構，它的抗車轍性能更差。

（14）由于單層微表處的厚度所限，近幾年王海有等開發了等厚粒徑碎石瀝青路面，它是骨架——懸浮密實復合型結構，其施工方法是：它是先灑一層瀝青，在瀝青層上撒布碎石，碎石之間保存一定的距離，然后在碎石層上再灑一層瀝青，之后在瀝青碎石層上攤鋪熱拌瀝青混合料或者乳化瀝青稀漿混合料，經碾壓、養護而成的瀝青路面。等厚粒徑碎石即撒布的碎石是單粒徑碎石，最大碎石的粒徑等于瀝青路面厚度，它的強度是由最大粒徑的碎石提供的，符合胡克定律，與傳統瀝青路面的強度符合摩爾--庫侖不同。

（15）瀝青路面發展的路線圖如圖1所示。

2.3 盡管國內外許多學者在瀝青和瀝青混合料方面做了大量的研究，但由于瀝青是一種成分十分復雜的無定型高分子化合物的混合物，同時瀝青路面又是工作在復雜多變的氣候條件與交通荷載的情況下，并且這些因素是隨機游走的，如何將各種情況下瀝青路面的使用品質同瀝青及瀝青混合料的性能指標聯系起來，尚需進行大量的工作。具體有以下幾個方面：

（1）進一步驗證與完善已提出的瀝青及瀝青混合料的性能指標，使其與路面的使用性能相適應；

（2）進一步深入研究改善瀝青與瀝青混合料性能的新型改性劑及改性工藝，以期提高在不同條件下瀝青路面的使用品質；

（3）研究新型瀝青路面結構與鋪筑工藝，以提高瀝青路面的使用品質，延長其使用壽命；

（4）改進與完善瀝青混合料設計方法，以滿足各種不同條件下瀝青路面的使用要求；

（5）研究半剛性基層瀝青路面結構中瀝青面層的功能及其合理厚度；

3. 結束語

綜上所述，對于瀝青路面的研究主要著力于三個方面：

（1）一是，優化集料級配，控制較細集料和瀝青用量，使粗集料在瀝青路面結構中形成骨架；

（2）二是，增強瀝青路面膠結材料的穩定性，包括高溫穩定性、低溫穩定性、水穩定性和耐久性等；

（3）三是，按要求保證瀝青路面的密實程度。

骨架——懸浮密實復合型瀝青路面是應用與發展的方向。

參考文獻

[1] 交通部公路科學研究院.微表處和稀漿封層技術指南[S].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 彭波，等.瀝青混合料材料組成與特性[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3] 張肖寧.瀝青與瀝青混合料的粘彈力學原理及應用[M].北京：人民交通出版社，2006.

[基金項目]河南省交通運輸廳科技計劃項目（2015J03）.

[文章編號]1619-2737（2017）07-11-966

[作者簡介] 宋現法（1971.3-），男，籍貫：河南郟縣人，學歷：本科，職稱：高級工程師，長期從事公路工程技術與管理工作。