组合式基层与半刚性基层沥青路面技术经济指标对比分析

周西棚，程培峰*，尚云龙，韩存玉，黄云勇

(1.东北林业大学土木工程学院，哈尔滨150040;2.黑龙江省高等级公路建设管理局，哈尔滨150000)

随着经济发展，我国交通量迅猛增长，对于沥青路面的性能提出了更高的要求。由于长期奉行“强基、薄面、稳路基”的方针，半刚性基层沥青路面已经成为我国沥青路面结构的主要形式。但纵观近些年修建的高速公路，传统沥青路面往往在较短的时间内就产生了严重的破坏［1－3］，如反射裂缝、水损害等，远没有达到道路的设计年限。这些病害不仅降低了道路使用性能，给道路维修和养护造成了巨大的经济负担，增加了路面寿命周期成本，同时也对现行道路的设计和施工技术提出了挑战。为此，从路面结构设计理念上寻找原因，探索新的路面结构型式以解决现有问题显得极为迫切。欧美、日本、德国等国家普遍使用的柔性基层沥青路面结构在防止反射裂缝和减少水损害方面取得了较好的效果［4］。而对于我国，尤其是我国黑龙江省等寒冷地区，在基层中使用柔性材料尚处于起步阶段。因此，研究比较组合式基层沥青路面和半刚性基层沥青路面各自的优缺点将具有重要意义。

1 技术思路

国外使用较多的是柔性基层沥青路面结构，结构设计是采用沥青层底面的拉应变和土基顶面压应变作为设计指标，通过控制这两个指标来降低传统的沥青层底的疲劳开裂和避免结构性车辙，把路面结构的损害控制在表面层［4］。我国的《公路沥青路面设计规范》(JTG D50－2006)中将路表弯沉值作为设计指标，同时将沥青层、半刚性材料基层的抗弯拉应力也提高为设计指标。有研究证明，沥青层的疲劳寿命主要受拉应变控制［5］，采用拉应变代替拉应力能够更好地反映沥青层的疲劳特性。结合国内外设计规范和组合式基层沥青路面路面和半刚性基层沥青路面的特点，本文采用路表弯沉、沥青面层层底拉应变和半刚性底基层层底拉应力作为沥青路面结构的力学计算指标。

计算按照双圆均布垂直荷载作用下的弹性层状体系理论进行计算，轴载采用标准轴载BZZ－100，P=0.7 MPa，双轮中心间距D=32 cm。

2 力学指标对比

2.1 材料参数

我国《公路沥青路面设计规范》(JTG D50－2006)规定:以路表弯沉值为设计或验算指标时，设计参数采用20℃条件下沥青混合料抗压回弹模量;以沥青层或半刚性材料结构层层底拉应力为设计或验算指标时，应取15℃条件下测得的的抗压回弹模量。

论文中为了保证计算结果的客观性，对于沥青混凝土和半刚性基层材料等传统材料的设计参数均以《公路沥青路面设计规范》 (JTG D50－2006)附录E规定的材料参数范围的中值作为计算指标。而对于沥青稳定碎石基层材料，由于ATB－25在我国使用不多，为了取值客观，本文在实验室对ATB－25混合料进行了室内试验，并将测得的回弹模量就近取整作为计算参数。各层材料参数汇总见表1。

2.2 结构层厚度确定

目前，我国修建的高速公路基本上采用的是半刚性基层沥青路面的结构形式，各结构层的组合基本固定。本文通过调查分析，选择如图1所示的黑龙江省典型半刚性基层沥青路面结构作为研究对象。

表1 各结构层材料参数表Tab.1 Material parameter in each structure layer

图1 半刚性基层沥青路面结构图Fig.1 Semi-rigid base asphalt pavement structure

考虑半刚性基层沥青路面结构特点和存在的问题，参考国内外组合式 (柔性)基层沥青路面使用经验并结合黑龙江省实际情况，本文将图1所示水泥稳定碎石半刚性基层厚度减薄，将AC－25下面层换成14 cm(或者12 cm)厚的ATB－25材料作为沥青稳定碎石上基层形成组合式基层路面结构。为了确定减薄后的半刚性基层厚度，根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50－2006)规定的路面结构设计方法，采用控制弯沉的方式计算。

规范规定，设计弯沉应根据公路等级、设计年限内累计当量标准轴次、面层和基层类型按公式(1)计算。

式中:Ac为公路等级系数;As为面层类型系数;并且参数均相等;Ab为路面结构类型系数，规范规定半刚性基层沥青路面Ab=1.0;柔性基层沥青路面Ab=1.6。若基层有半刚性基层和柔性材料层组合而成，则Ab通过线性内插确定。对于本文拟定的组合式基层路面结构，当ATB－25层厚14 cm时经线性内插得到Ab=1.35;ATB－25基层厚12 cm时Ab=1.25。即组合式基层结构允许路表弯沉值可达半刚性基层路面结构的1.35倍 (14 cm)或1.25倍 (12 cm)。依照控制路表弯沉的设计方法并为了偏于安全，本文拟定组合式基层沥青路面结构如图2所示。

图2 组合式基层沥青路面结构图Fig.2 Combined base asphalt pavement structure

2.3 计算结果及分析

计算结果汇总见表2。

表2 计算结果汇总表Tab.2 Summary table of calculation results

从表2可以看出，当沥青稳定碎石上基层厚度为14 cm时，组合式基层结构产生的路表弯沉是半刚性基层沥青路面路表弯沉的1.19倍，小于1.35;当柔性材料基层厚度为12 cm时，组合式结构弯沉是半刚性基层结构弯沉的1.24倍，小于1.25。但是，由于两者较为接近，为了偏于安全应慎重选择使用12 cm厚度。

组合式基层沥青路面基层层底拉应力大于半刚性基层沥青路面，但远小于材料允许拉应力，且随着沥青稳定碎石层增厚，底基层层底拉应力减小。荷载相同情况下，两种结构类型沥青路面的面层层底拉应变相差较大，组合式基层沥青路面面层层底拉应变较半刚性基层减小了一半左右。说明组合式基层沥青路面结构能够获得较好的抗疲劳能力，延长路面使用寿命。

3 使用性能分析

半刚性材料具有整体强度高、刚度大、抵抗变形能力强、成本低廉、取材方便等优点。缺点在于这种材料变形小，特别是温缩、干缩变形大，易开裂，属于脆性材料［6］。柔性材料属于粘弹性材料，韧性好，有一定自愈能力，但也有变形大、强度低、成本高等不利条件。

由于半刚性基层材料的温缩和干缩特性，以及材料本身的脆性，难免会产生裂缝。有研究表明，半刚性基层路面的破坏一般从半刚性基层自身的缩裂开始，然后裂缝由基层向面层和路基延伸，最终发展为整个路面结构的破坏［8］，因此这种路面破坏模式属于路面的结构性破坏。一旦损坏，维修养护困难，成本较高。

组合式基层沥青路面面层破坏形式主要有车辙、top－down裂缝和 down－top裂缝［7］。由于沥青混合料属于粘弹性材料，对于柔性材料内部出现的微小裂缝具有一定的自愈能力，而不致于像半刚性基层材料一样在出现裂缝后，裂缝会迅速扩展，从而导致整个路面结构的破坏。而且，由于较厚的沥青稳定碎石混合料的过渡作用，半刚性基层裂缝也不至于过快的发展到面层。因此，组合式基层路面的这种破坏属于功能性破坏，通常可以通过面层的预防性养护进行补救。

因此，组合式基层沥青路面比半刚性基层沥青路面结构具有更好的适用性，尤其是对于北方寒冷地区，组合式基层结构能够有效地减少寒区沥青路面反射裂缝、水损坏等早期病害的产生，在沥青罩面、铣刨加铺等功能性养护措施合理的情况下将能够有效延长道路使用寿命，保证组合式基层沥青路面能够提供持久良好的使用性能。

4 经济性分析

组合式基层沥青路面是一种新型的路面结构，因此，存在着经济是否合理的问题，有必要分析其建设费用是否会大幅提高，经济上是否可行。本文将按照各种道路建设材料的市场价格［9］(见表3)，计算比较上述两种路面结构的初期建设费用。

表3 沥青路面各结构层材料单价Tab.3 Material unit price of the asphalt pavement structure

按照表3单价分别计算修建每平方米上述两种结构形式沥青路面的工程造价。

半刚性基层沥青路面:造价=850×0.11+840×0.07+250×0.56=292.3元。

组合式基层沥青路面 (14 cm):造价=850×0.11+750×0.14+250×0.40=298.5元。

组合式基层沥青路面 (12 cm):造价=850×0.11+750×0.12+250×0.40=283.5元。

因此，组合式基层沥青路面与半刚性基层沥青路面的工程造价相当，甚至在适当减薄沥青稳定碎石基层厚度的情况下，组合式结构造价能够略低于半刚性基层沥青路面结构。

5 结论

(1)随着沥青稳定碎石基层厚度的减薄，底基层层底拉应力有增大的趋势，因此在组合式结构设计时应考虑底基层层底拉应力指标。

(2)相同荷载条件下，组合式基层沥青路面面层层底拉应变较小，具有较好的疲劳性能。

(3)组合式基层沥青路面在养护措施合理的情况下能够提供较好的使用性能。

(4)组合式基层沥青路面与传统半刚性基层沥青路面结构相比工程造价相当，经济上可行。

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