降低瀝青混凝土路面的病害發(fā)生，提高其長期使用壽命，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期性能設計，在解析長期性能瀝青路面設計理念的基礎上，總結了其設計原則；并給出基于損傷破壞模式的長期路面設計指標，形成其設計的方法論。最后，從材料選擇層面，提出了開展長期性能瀝青混凝土路面設計的建議措施。

關鍵詞：瀝青混凝土；路面；市政道路；長期性能；長壽命設計

引言

瀝青路面具有耐高溫、抗老化和平整度好等優(yōu)點，且其行車噪聲小、行車穩(wěn)定性強，因而在公路及市政道路工程中被廣泛應用。然而，隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，交通運輸，特別是貨物運輸需求越來越強，車輛超載重載問題已經(jīng)成為我國普遍性的社會難題，特別是城市經(jīng)濟開發(fā)區(qū)域的交通。而增長的交通運輸和荷載等級，對道路結構卻造成了無法恢復的損傷。我國早先建設的城市道路，瀝青路面層已經(jīng)出現(xiàn)了很多嚴重的病害：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，每年都需要花費較多的人力和物力進行路面層的修復、替換和養(yǎng)護，以維持道路的使用性能，但這些養(yǎng)護管理工作又對城市交通、環(huán)境造成嚴重影響。因此，設計具有長期保障性能的瀝青混凝土路面，具有迫切的需求。長期性能路面(longtermperformancepavement,LTPP)在國外已經(jīng)進行了較為廣泛的研究，近期也受到國內(nèi)學者的關注[2,3]，長期性能路面的本質(zhì)是通過科學掌握車輛和環(huán)境等荷載作用下，路面層結構的變形和受力特性，從而設計出能夠抵抗荷載作用的具有長期使用效果的路面結構，滿足全壽命的設計理念[4,5]。論文將分析滿足長期性能的瀝青混凝土路面，分析長期性路面的基本概念、設計原則；從而提出開展長期性能瀝青路面設計的方法和基本指標，最后，提出要進行瀝青路面的材料設計是保障長期性能瀝青路面的關鍵。

1長期性能瀝青路面

我國瀝青路面的設計使用年限與道路等級相關，其中最高等級的城市快速路是15a。而長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。該長期性能路面的設計初衷是保證其在設計使用壽命周期內(nèi)不出現(xiàn)結構性的損壞和破壞，因此不需要進行結構性修復或重建，但任何路面都不能保證不出現(xiàn)病害，長期性能瀝青路面可以出現(xiàn)不影響結構使用的表層病害，這些病害則可以通過簡單的手段進行修復，就可以繼續(xù)保證其運營使用。

1.1設計理念

傳統(tǒng)的路面設計認為：在較大的車輛荷載反復作用下，無論路面層厚度多大，都不可避免路面層出現(xiàn)自下而上的疲勞開裂和嚴重車轍，因此只要使用一定年限就會出現(xiàn)結構性失效而不能繼續(xù)承載工作。近年來，越來越多的研究表明，瀝青路面層存在一個極限的彎拉應變，當外界荷載作用在該彎拉應變范圍內(nèi)時，就不會產(chǎn)生疲勞開裂和破壞；而瀝青路面厚度超過一定范圍時，其底部拉彎應變就會小于上述疲勞極限，使得外界荷載作用下瀝青路面層結構不會發(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構在車輛和環(huán)境作用下不會發(fā)生開裂、剝蝕等病害，這些病害是由于外界環(huán)境侵蝕、車輪荷載作用和結構材料退化三重作用效果，但是這些病害可以通過簡單的修復解決。從長期性能瀝青路面的設計理念可以看出，其設計理念與“綠色建筑”等類似，通過前期較大的投入以提高瀝青路面的整體結構性能和使用年限，以優(yōu)化整個壽命周期內(nèi)的瀝青路面結構性能和效益。

1.2設計原則

根據(jù)長期性能瀝青路面的理念，其基本力學原理可以如圖1所示更詳細闡述，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，因此設計中需要采用高質(zhì)量瀝青混凝土作為承載面層。其次，車輪荷載經(jīng)過面層向下部結構進行有效擴散，但同時要保持與上部面層的有效連接，以免發(fā)生車轍病害，設計可選用高模量抗車轍瀝青混凝土作為中間層。再則，往下達到瀝青混凝土路面的最大拉彎應力區(qū)域，該區(qū)域要求混凝土具有較好的抗彎拉性能，保證不會因為抵抗性不足而導致開裂和破壞，設計可采用高柔性抗疲勞瀝青混凝土，同時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，路基結構支撐路面層，保證路面均勻、平整和穩(wěn)定，這對于路面工程的變形、抗凍都是具有重要作用的。

2長期性能瀝青路面設計方法

開展長期性能瀝青路面設計，首先需要明確其可能的損傷破壞模式，其次，針對破壞情況給出設計指標和方法，設計滿足長期性能要求的瀝青混凝土路面。

2.1損傷破壞模式

（1）結構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，疲勞開裂是往復車輛荷載作用下瀝青路面下層產(chǎn)生拉彎受力導致超過疲勞極限而開裂；永久變形則是長期的車輛荷載作用下路基頂面壓應變產(chǎn)生的不可恢復的變形所致。長期性能瀝青路面采用較大厚度的瀝青面層，使得路面結構底部拉彎應力水平在材料極限范圍內(nèi)，從而保證了路面結構不再出現(xiàn)結構性損壞。這需要控制好拉彎應力的指標。（2）局部性損傷破壞雖然設計合理的路面結構層可以有效地降低或者防止路面結構損傷的發(fā)生，但是卻無法避免高速度、高載重、高輪壓的車輪荷載作用對路面結構層所形成的較大剪應力。長此以往，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，不形成完全的結構性破壞，因此可以對損傷部位進行銑刨，置換為新的混合料，以延長路面層的使用壽命。

2.2設計指標

開展長期性能路面設計，建立設計的力學指標尤為關鍵。設計指標是作為路面設計的指導，而該指標也反映了對長期性能路面受力機理的掌握和把控。首先，需要建立保障長期性能路面完整結構特性的整體力學指標。根據(jù)前面分析的結構性破壞機理，一般需要采用瀝青混凝土面層底部彎拉應變X作為控制結構性損傷破壞的標準，采用頂部壓應變Y作為控制局部損傷的標準。顯然指標X是確保不產(chǎn)生疲勞破壞，目前的設計都是以該指標不超過瀝青混凝土材料容許拉應力作為設計基礎，而實際上由于破壞階段強烈的材料非線性，拉應變是控制破壞的根本因素而非拉應力，因此，在長期性能瀝青路面的設計中，應該采用拉彎應變作為設計標準。同樣，頂部的壓應變Y則是控制局部損傷和永久變形的基礎。上述兩個指標在諸多文獻也有研究，Monismith和Long建議X不超過60微應變，Y不超過200微應變[6]。其次，建立面層抗剪指標進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致瀝青與混合料的受力分離導致開裂和局部損傷行為，因此設計中需要考慮不均勻、超重輪載作用下，對瀝青面層形成的局部剪切應變，而設計的面層抗剪指標需要在保證結構具有一定的安全儲備的情況下，面層的抗剪應變。

3長期性能瀝青路面的材料設計

根據(jù)長期性能瀝青路面的設計指標，可以很好地確定整體瀝青面層厚度及各分層厚度，而這其中難點是各層材料的選用，以相互匹配協(xié)同受力，達到長期性能的使用要求。（1）路基層穩(wěn)定、均勻、高強的路基層對于路面的均勻受力和長期變形穩(wěn)定具有非常重要的意義，因此對長期性能瀝青路面極為重要。路基層可選用化學穩(wěn)定、密實的路基和粒料，或者非穩(wěn)定高強度的碎石和砂礫組成，無論使用何種，經(jīng)過施工密實處理后要達到一定的剛度和強度要求。英國TRL規(guī)定路基頂面模量不小于40MPa，德國交通部則規(guī)定不小于48MPa，法國則通過規(guī)定軸載13t作用下不產(chǎn)生大于2mm的變形，或者承壓板試驗結果彈性模量不低于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，設計中需要選擇較高的瀝青含量同時保證一定的厚度。研究表明細級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混合料力學性能的影響，選擇水穩(wěn)定性強的材料進行設計。（3）HMA中間層中間層沒有特殊的使用要求，但是需要具有較好的耐久性和穩(wěn)定性，穩(wěn)定性的基礎是該中間層與頂部面層和底部基層具有很好的粘結效果，因此可以從粗骨料間的骨架結構以及采用合適的高溫等級瀝青獲得，同時采用碎石和砂礫形成骨架。此外，中間層的高溫等級應該與頂層保持一致，以使得具有良好的抗車轍效應。（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，長期性能瀝青路面對于面層的使用壽命一般要求10a，但是對于抗車轍、抗?jié)B等要求等級較高的地區(qū)，仍然需要謹慎設計，一般可以選擇SMA密級配混合料作為面層設計。

4結論

設計具有長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，論文分析了長期性能瀝青路面的基本理念和設計原則，目的是通過采用較大厚度的瀝青面層徹底根除瀝青路面的結構性破壞，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上，提出了開展長期性能瀝青路面的設計指標。最后，從材料方面給出了長期性能瀝青路面的設計建議。