基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的耐久性瀝青路面設(shè)計(jì)方法研究

李 凡

(中電建冀交高速公路投資發(fā)展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平不斷提升，推動(dòng)了交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展，各類公路工程項(xiàng)目隨之增多。路面作為公路的重要組成部分之一，其設(shè)計(jì)的合理與否直接關(guān)系到整個(gè)公路的耐久性。目前，我國(guó)高等級(jí)公路中普遍采用的是瀝青路面，現(xiàn)行的設(shè)計(jì)規(guī)范中明確給出瀝青路面各個(gè)結(jié)構(gòu)層的使用壽命，即15年。如果各層均按15年的使用壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)，則當(dāng)表面層損壞時(shí)，基層仍然完好。鑒于此，可基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的方法，對(duì)瀝青路面進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此來(lái)達(dá)到耐久性的要求。

1 影響瀝青路面耐久性的主要因素

瀝青路面以其自身所具備的優(yōu)良性能，如高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性、耐疲勞性等，在公路工程建設(shè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。然而，通過(guò)對(duì)采用瀝青路面的公路進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，其中很大一部分都存在各種類型的病害問(wèn)題，比較典型的病害為車轍、裂縫、水損害等[1]。當(dāng)瀝青路面出現(xiàn)上述病害時(shí)，路面的使用性能將會(huì)受到一定程度的影響，耐久性也會(huì)隨之降低。由此可見(jiàn)，病害是瀝青路面耐久性的主要影響因素。下面簡(jiǎn)要分析各種病害產(chǎn)生的原因。

1.1 瀝青路面車轍的成因

車轍是瀝青路面中較為常見(jiàn)的病害之一，其成因主要與外部因素有關(guān)，具體包括氣候條件、交通流量、縱坡坡度等，瀝青路面的大部分車轍都是各種外因綜合作用所致。比如，炎熱夏季里的持續(xù)高溫，瀝青在高溫下會(huì)逐漸變軟，如果車輛從其上經(jīng)過(guò)，則會(huì)留下深淺不一的車轍；又如，當(dāng)瀝青路面的縱坡超過(guò)5%時(shí)，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的剪切力會(huì)隨之增大，這部分剪切力對(duì)路面的影響程度約等于車輛超載40%的荷載作用[2]，由此便會(huì)在瀝青路面上留下車轍；再如，公路中的交通流量突然增大后，在車輛荷載的頻繁作用下，瀝青本身的性能會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)很容易形成車轍。

1.2 瀝青路面裂縫的成因

瀝青路面的裂縫形式較多，如溫縮裂縫、反射裂縫、沉降裂縫等。不同形式的裂縫其成因有所區(qū)別。比如，沉降裂縫是軟土地基不均勻沉降所致；反射裂縫多出現(xiàn)在半剛性基層當(dāng)中，主要是因?yàn)榛鶎娱_(kāi)裂后反射到瀝青面層上所致，而水泥用量過(guò)大、細(xì)料含量多、配比不合理、養(yǎng)生不當(dāng)是引起反射裂縫的主要原因。當(dāng)瀝青路面出現(xiàn)裂縫后，水會(huì)從裂縫處滲入，由此會(huì)對(duì)基層造成侵蝕，路面的整體耐久性會(huì)大幅度降低。

1.3 瀝青路面水損害的成因

我國(guó)有很多高溫多雨的地區(qū)，在溫度和雨水的雙重作用下，瀝青路面常常會(huì)出現(xiàn)水損害的現(xiàn)象，由此不但會(huì)對(duì)路面的外觀造成影響，而且還會(huì)導(dǎo)致瀝青路面的耐久性大幅度降低。同時(shí)水損害會(huì)反復(fù)發(fā)生，由此產(chǎn)生的影響具有一定的持續(xù)性，進(jìn)一步增大了瀝青路面的養(yǎng)護(hù)維修難度[3]。瀝青路面水損害最為常見(jiàn)的形式為瀝青與集料剝離，導(dǎo)致此類病害的主要原因包括瀝青等級(jí)、集料類型、空隙率等幾個(gè)方面。

2 基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的瀝青路面耐久性設(shè)計(jì)方法

2.1 瀝青路面的使用壽命

在我國(guó)的高等級(jí)公路中，瀝青路面的應(yīng)用非常廣泛，根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D50-2017)的規(guī)定要求，瀝青路面結(jié)構(gòu)層中的各層壽命均應(yīng)當(dāng)按照15年進(jìn)行設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)，組成結(jié)構(gòu)層的各層壽命全部為15年。基于這一前提，當(dāng)瀝青路面的表面層服役15年后，結(jié)構(gòu)層中的其他層也將出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞。但是，通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)高等級(jí)公路使用年限超過(guò)15年的路段現(xiàn)已超過(guò)10 000 km，其中很大一部分都經(jīng)過(guò)表面層、中下面層的翻修，而在這些翻修的路段中，基層基本上都保持良好的狀況[4]。在整個(gè)結(jié)構(gòu)層中，表面層的破壞最為嚴(yán)重，車轍、裂縫等病害隨處可見(jiàn)。但必須指出的是，即使表面層和中面層全部損壞的路段，基層仍保持著良好的使用性能，結(jié)構(gòu)層整體性破壞的路段少之又少，極少數(shù)結(jié)構(gòu)層整體性破壞的路段，也是因?yàn)槭┕べ|(zhì)量問(wèn)題所致，與設(shè)計(jì)的使用壽命并無(wú)太大關(guān)聯(lián)。綜上，在高等級(jí)公路中，如果按照規(guī)范中給出的年限對(duì)結(jié)構(gòu)層的使用壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)，其合理性有待商榷。

2.2 瀝青路面設(shè)計(jì)中的耐久性

對(duì)于瀝青路面而言，耐久性就是使用壽命，路面的耐久性越好，使用壽命就越長(zhǎng)，相應(yīng)的養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用就越少。正因如此，使得耐久性成為瀝青路面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。基于耐久性這一前提，在對(duì)瀝青路面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，表面層的使用壽命一般在8年左右，而基層的使用壽命通常為表面層的5倍，即40年左右[5]。采用耐久性設(shè)計(jì)的瀝青路面只要基層不出現(xiàn)整體性破壞，即使表面層受到嚴(yán)重?fù)p壞，通過(guò)各種養(yǎng)護(hù)維修措施，也能使路面的使用壽命達(dá)到30年以上。在耐久性的設(shè)計(jì)要求下，瀝青路面中各個(gè)結(jié)構(gòu)層的使用壽命應(yīng)當(dāng)具有一定的協(xié)調(diào)性和匹配性，當(dāng)表面層出現(xiàn)車轍、裂縫等病害時(shí)，必須及時(shí)采取有效的措施進(jìn)行處理，從而消除病害，保證路面的正常使用，由此能夠進(jìn)一步延長(zhǎng)路面的使用壽命，從而達(dá)到耐久性的要求。

2.3 壽命遞增理念

瀝青路面結(jié)構(gòu)層自上而下為表面層、中面層、下面層、基層、底基層。結(jié)構(gòu)層壽命遞增是一種較為先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，具體是指組成結(jié)構(gòu)層中的每個(gè)部分的設(shè)計(jì)使用壽命自上而下依次遞增，這樣能夠使整個(gè)結(jié)構(gòu)層的耐久性獲得大幅度提升。基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的耐久性瀝青路面設(shè)計(jì)，要求結(jié)構(gòu)層中下一層的使用壽命為上一層使用壽命的兩倍，通過(guò)這種設(shè)計(jì)方法，能夠使瀝青路面結(jié)構(gòu)層中的上一層在達(dá)到壽命周期時(shí)，下一層仍可正常服役，這樣只需要對(duì)上一層進(jìn)行翻修，便可使路面的使用性能恢復(fù)如初。

2.4 設(shè)計(jì)方法

在瀝青路面中，最容易遭到破壞的是表面層，該層的養(yǎng)護(hù)和維修相對(duì)比較方便。而中面層以下的各層，雖然并不容易遭到破壞，但如果出現(xiàn)損壞，想要進(jìn)行維修比較困難，并且在維修的過(guò)程中，不可避免地會(huì)對(duì)表面層造成影響。因此，基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的設(shè)計(jì)理念，可在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)，將瀝青路面表面層的使用壽命設(shè)計(jì)得比較短，并在路面的全壽命周期內(nèi)，通過(guò)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的方法，提高路面的耐久性。中面層位于表面層以下，是與表面層最為接近的一層，如果表面層受損，則會(huì)直接波及中面層，所以按照壽命遞增的設(shè)計(jì)理念，瀝青路面的中面層壽命可設(shè)計(jì)為10～15年左右，下面層的壽命要長(zhǎng)于中面層，可設(shè)計(jì)為20～30年左右。相關(guān)研究結(jié)果表明，當(dāng)半剛性基層破壞時(shí)，瀝青路面所剩的壽命已經(jīng)非常有限，基于此，依據(jù)壽命遞增的理念，瀝青路面的基層應(yīng)當(dāng)是整個(gè)結(jié)構(gòu)層中壽命最長(zhǎng)的一層，可設(shè)計(jì)為40～60年左右。按照上述設(shè)計(jì)方法，能夠大幅度延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。

從瀝青路面的使用情況來(lái)看，結(jié)構(gòu)層壽命遞增的設(shè)計(jì)方法更加符合實(shí)際，這是因?yàn)闉r青路面的破壞多發(fā)生在表面層，而該層具有容易維修和便于養(yǎng)護(hù)的特點(diǎn)，通過(guò)有效的養(yǎng)護(hù)及維修措施，能夠在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)使表面層恢復(fù)使用性能，只要結(jié)構(gòu)層中的其他各層均保持良好的狀態(tài)，公路便可以正常使用。因此，這種設(shè)計(jì)方法變相延長(zhǎng)了瀝青路面的使用壽命，使路面達(dá)到耐久性的要求。通過(guò)對(duì)國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家的公路工程進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，他們?cè)跒r青路面的耐久性設(shè)計(jì)中，基本上采用的都是結(jié)構(gòu)層壽命遞增的方法，由此證明這種方法具有合理性與可行性，可在瀝青路面設(shè)計(jì)中推廣使用。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，瀝青路面的各個(gè)結(jié)構(gòu)層若是按照同等使用壽命進(jìn)行設(shè)計(jì)，則表面層在出現(xiàn)損壞時(shí)，基層卻仍然能夠保持良好的狀態(tài)。可見(jiàn)，這種設(shè)計(jì)方法的合理性有所不足。而基于結(jié)構(gòu)層壽命遞增的方法要求下一層的使用壽命為上一層的2倍，由此當(dāng)上一層達(dá)到使用壽命時(shí)，只需要對(duì)該層進(jìn)行翻修，便可使路面恢復(fù)使用性能。從各方面綜合來(lái)看，壽命遞增設(shè)計(jì)要比同等壽命設(shè)計(jì)更加合理。