公路路面结构寿命研究

Frohmut Wellner，梁乃兴

(1.德累斯顿工业大学 城市与公路研究所，萨克森自由州，德国；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

0 引 言

德国现行路面结构设计是按照由经验形成的路面设计标准进行路面厚度设计的，而其它建筑物的结构设计则是基于结构分析计算的。路面材料的质量仅通过简单常用的试验进行粗略评价，如沥青通过针入度、软化点试验结果，粗骨料通过颗粒粒径组成，沥青混合料通过材料组成及沥青用量、空隙率等来表征。对应于路面材料性能与路面使用要求之间的试验几乎没有。

随着人们出行频率的稳定增长，工业化程度的增加(公路交通是工业发展的基础)，全球经济贸易的持续增长使得公路交通在过去的二三十年间迅猛增加，其增长速度出人意料。如德国公路交通货运量在1980—2010年间增长了5倍，从1 000亿吨增加到5 000亿吨。公路交通货运量预计在未来的50年内会持续增长，可能会有2～3倍的增加。

而全球气候的变化(气候变暖)对路面使用寿命有负面影响，资源紧缺导致建筑材料价格增加亦使得公路的建设投资增加。

因此，在未来公路设计及建设中，很有必要以路面结构受荷载力学响应分析为基础，并考虑交通荷载的增加及气候环境的变化，进行路面结构设计及材料组成设计，使得路面结构具有抵抗各种影响因素的能力。

1 现行路面结构设计方法分析

1.1 现行设计方法

图1为现行沥青路面结构设计标准图[1]。

图1 沥青路面标准结构Fig. 1 Standard chart of asphalt pavement structure

沥青面层的沥青混合料通常需满足材料组成、矿料级配、沥青层孔隙率、沥青层压实度等标准要求[2]。在满足沥青混合料材料通常要求的前提下，路面结构厚度设计有2种方法。

1.1.1 按沥青路面结构设计标准(RStO)[1]设计

按路面交通荷载、路面所处地区的气候状况、土基承载力进行路面厚度设计。这种设计方法并不以路面结构在重复荷载作用下的耐疲劳特性为主要依据。路面结构层总厚度以路面抗冰冻要求确定。路面结构层标准厚度及路面总厚度是根据经验总结而得出的标准。这种根据标准结构进行路面结构设计的方法是目前通用的方法。

1.1.2 按路面结构分析设计[3-5]

这种设计方法以路面各结构层满足疲劳及变形要求为基础，通过分析计算确定结构厚度，在分析计算中假定材料为线弹性，并考虑材料在不同温度及不同荷载作用频率下的性能变化。沥青混合料的性能以随温度变化的劲度模量表示，沥青混合料的疲劳性能由试验确定，试验方法按ALSp-沥青混合料试验方法[6]进行。为了得到一年内的温度及荷载谱，将路面作用荷载按0～2、2～4、、>22 t进行分级，共11级，并得出各级荷载的分布频率。沥青层的温度分为13个区间：-15～-10，-10～-5，-5～0，，>45 ℃，并得出各温度区间在一年内出现的频率分布。将荷载与温度组合共得到143种温度-荷载作用工况。在路面结构分析中所有的温度-荷载作用工况均需考虑。单个温度-荷载作用工况对路面结构耐久性的影响程度按MINER法则进行计算。理论计算结果与路面结构的实际误差由一个安全修正系数进行修正。安全修正系数由现有路面调查统计得到实际使用年限与计算年限的差别同积修正而得到。

1.2 结构设计需考虑的问题

1.2.1 温度与荷载

按现行路面结构设计方法设计的路面[2,7]，是否能够满足所期望的路面长期性能，即路面的疲劳耐久性及路面的永久变形性能，是需要进一步研究的课题。笔者所提出的按路面结构疲劳及变形进行路面结构设计的方法并没有被明确要求使用。

在沥青混合料中，沥青为结合料而矿料为骨料，因此沥青混合料受力作用时表现出弹黏塑性。由于沥青结合料的黏性随温度有很大变化，虽然假设沥青混合料为线弹性体并随温度及荷载频率而变化，沥青混合料结构层在相同荷载作用下、不同温度时也将产生不同的应力状态及变形，实际上表现出非线性性质。用各种工况下的疲劳试验结果按MINER法则进行多工况共同作用下的结构疲劳寿命分析仍有争议，但德累斯顿工业大学公路研究所的研究结果指出[8]，用这种方法进行路面结构分析应该是一种正确的方法。

为了提高分析精度改进了分析方法。路面荷载不按前述的11级进行分级，而按1、2、、22 t进行分级，并确定各级荷载的分布频率。考虑到沥青面层温度在一年内及在每一天内都在变化，将温度分为200个区间并确定每个区间的分布频率。荷载与温度组合共有22 × 200=4 400个温度荷载作用工况，但须满足实际使用过程中计算时间的要求。

图1的沥青面层结构一般是分层铺筑，下一层完成后再铺上一层，即“下冷上热”的结构铺筑方法，因此各施工层之间存在联结界面。即：沥青上面层与沥青联结层之间有界面；沥青联结层与沥青基层之间有界面；当沥青基层厚度大于18 cm时，由于压实工艺要求会分层铺筑，也会在基层中存在层间界面。

1.2.2 施 工

在沥青面层施工时，一般在上层摊铺前需在已铺筑完成的下一层上面洒布一层沥青乳液，以增加层间黏结力。所洒布的沥青乳液是流体状态并且其黏性随温度及荷载频率有明显变化。夏天高温时沥青路面表面的温度会达到50～60 ℃，沥青面层下4 cm处即沥青联结层表面的温度与沥青路面表面温度差别不大，这时，所洒布的沥青乳液在层间起黏结作用还是起润滑作用？可能更接近于润滑作用。这对沥青路面结构层的疲劳性能及永久变形性能有怎样的影响？德累斯顿工业大学城市与公路研究所对此进行了研究，笔者将介绍具体研究结果。

1.2.3 沥青老化

由于氧化作用引起的沥青老化对沥青混合料性能的影响也是广泛关注的研究热点。沥青老化使得沥青混合料变脆，这对沥青混合料的永久变形及应力松弛能力有显著影响，对寒冷地区沥青结构层中的荷载应力也会产生显著影响。

2 路面结构疲劳寿命分析

近10年来，国际上包括德国的研究人员都致力于开发路面结构设计的新方法，以期能够更精确地考虑交通荷载及气候环境，从而更准确地预估路面性能的变化。笔者的研究成果已经证明：材料性能及路面结构对路面结构层应力及使用寿命存在着显着的影响。

2.1 沥青对沥青路面疲劳寿命的影响

1)沥青。为了分析同标号不同来源沥青对路面疲劳寿命的影响，选择3种不同来源沥青(同标号)的沥青混合料路面按进行路面疲劳寿命分析。3种沥青均为50/70号沥青，但来自不同的供应商，分别记为A、B、C。

2)矿料。3种沥青混合料使用的矿料相同并且级配组成也相同。

3)在分析过程中，采用相同的交通荷载、结构层厚度、温度分布及沥青混合料组成。

对3种沥青混合料试样进行模量-温度关系试验及劈裂疲劳试验，分别得到其劲度模量随温度变化关系及疲劳寿命关系方程，按路面结构疲劳寿命分析方法计算3种沥青混合料路面的疲劳使用寿命，如图2，图中，疲劳寿命指数按MINER法则计算，100%表示正好达到预期的疲劳寿命，大于100%则小于预期的疲劳寿命。

图2 按路面结构疲劳寿命法计算得到的沥青路面使用寿命Fig. 2 Service life of asphalt pavement calculated by fatigue lifemethod of pavement structure

由图2可见，在所有条件均相同的情况下，仅沥青来源不同(尽管沥青标号相同)，沥青路面的使用寿命变化范围为10～30年，使用寿命差别巨大。这一结果表明，仅按沥青标号要求选择沥青而不对沥青混合料性能进行试验验证是不可能使沥青路面达到预期使用寿命的，而且，仅按经验法设计沥青路面也不可能达到预期的目的。

2.2 沥青混合料对沥青路面疲劳寿命的影响

为了分析沥青混合料材料组成对沥青路面长期性能即沥青路面疲劳耐久性的影响，德雷斯顿工业大学城市与公路研究所对此进行了研究[9]。通过对不同材料组成的沥青混合料进行模量-温度关系试验及劈裂疲劳试验，分别得到其劲度模量随温度变化关系及疲劳寿命关系方程，按路面结构疲劳寿命分析方法计算各种沥青混合料路面的疲劳使用寿命。

在本研究中，笔者共选择了18种组成不同的AC-22沥青混合料(满足规范要求的重交通基层沥青混合料组成)，采用了不同的矿料级配组成、不同的沥青用量、不同的沥青标号、不同的沥青来源。

1)矿料级配。为了分析矿料级配组成(粗、细)的影响，在级配组成中0.063、2.0、16.0 mm筛孔通过率均在级配范围的中值时，沥青混合料称为中级配沥青混合料(记为mKGV)，3个筛孔通过率在级配范围下限时，沥青混合料称为粗级配沥青混合料(记为gKGV)，3个筛孔通过率在级配范围上限时，沥青混合料称为细级配沥青混合料(记为fKGV)。

2)沥青。最低的沥青用量为3.5%，然后按0.5%或1.0%增加沥青用量，最大沥青用量6.5%。试验中使用2种标号的沥青，50/70号沥青及30/45号沥青。来源分别为A及B。

所有试验的沥青混合料参数见表1。某种沥青混合料，如mKGV3.5%50/70-A，表示中级配混合料，沥青用量3.5%，沥青标号50/70，供应商家A。其它依次类推。

表1 沥青混合料的参数Table 1 Parameters of asphalt mixture

各种组成的沥青混合料劲度模量与温度关系试验结果见图3[9]，疲劳寿命试验结果及疲劳寿命回归方程见图4[9]。

图3 沥青混合料劲度模量与温度关系试验结果Fig. 3 Test results of relationship between strength modulus and temperature of asphalt mixtures

由图3可见，沥青混合料劲度模量随温度变化明显，不同沥青混合料的劲度模量也有明显差别。如较软的沥青混合料在10 ℃时的劲度模量为7 500 MPa，而硬的沥青混合料在同样温度时的劲度模量有软沥青混合料的2倍，约为15 000 MPa。

图4 沥青混合料疲劳试验结果及疲劳曲线Fig. 4 Fatigue test results and fatigue curves of asphalt mixtures

由图4可见，不同沥青混合料的疲劳寿命有巨大的差距。疲劳寿命最短的沥青混合料在初始0.100‰拉应变下，疲劳荷载为2 000次时就发生疲劳破坏；而疲劳寿命最长的沥青混合料在同样试验条件下的疲劳寿命为12 000次，为前者的6倍。

图5为在图1的路面结构下，要满足路面结构设计疲劳寿命(为30年)时，根据沥青混合料疲劳方程计算得到的不同沥青混合料组成的基层厚度。图中同时给出了不同级配组成的沥青混合料满足设计疲劳寿命时基层厚度与沥青用量的回归关系曲线及回归关系方程。计算结果显示：对于fKGV30/45-A 沥青混合料，当沥青用量超过5%时已不需要基层，即基层厚度小于0。

图5 各种沥青混合料满足设计疲劳寿命时基层厚度与沥青用量的关系曲线Fig. 5 Relationship curves between base thickness and bitumendosage when various kinds of asphalt mixtures meet thedesigned fatigue life

由图5可得出以下2条重要结论：

1)沥青用量、混合料级配组成及沥青黏度发生很小的变化，都对沥青结构层的疲劳寿命产生显著的影响。按照本文方法，根据所用的沥青黏度及混合料组成可得到对应于疲劳性能最好的最佳沥青用量。

2)按疲劳寿命要求得到的基层厚度有显著差别。该结果表明：现行经验法的路面厚度设计中，以沥青混合料空隙率为主要控制指标来确定沥青混合料组成及结构层厚度的方法不能满足路面结构层的疲劳寿命要求。要评价沥青混合料性能是否满足结构要求须在更大荷载及更高荷载作用频率下来分析沥青混合料的路用性能。

2.3 层间联结强度对沥青路面疲劳寿命的影响

一般沥青结构层有上面层、联结层、承重层(基层)等3层结构。层间联结由层之间骨料颗粒的啮合作用及与基层建立起的黏结作用所构成，传递层间的剪切应力及压应力。

理想情况下，沥青结构层之间应能够完全承担层间的剪切应力，以保证在荷载作用下层间没有滑移发生。层间联结强度减小或缺失使得结构中应力发生变化而显著减小结构层的疲劳寿命，从而发生早期破坏。因此在现行路面结构分析中，每一层均作为一个结构单元，并且层间不允许有任何滑移产生。

德累斯顿工业大学城市与公路研究所的研究人员进行了层间联结方面的试验研究[10]，旨在通过分析层间剪切模量与温度、荷载作用频率及压应力之间的关系，而得到层间联结的实际作用。用有限元方法编程计算可得到层间联结程度对沥青路面结构疲劳寿命的影响。

通过对由两层联结而成的圆柱体沥青混合料试件进行循环加载试验，试验分析了温度、剪切应力、剪切荷载频率及压应力对剪切劲度模量的影响，同时也分析了联结层表面的污染程度、联结层之间所用沥青乳液的种类及用量对联结层剪切模量的影响。试验结果表明，对联结剪切模量有显著影响的因素包括：试验温度、剪切荷载频率及压应力；对剪切模量影响明显但不显著的因素包括：联结层层面表面状况及层间污染状况。

首先可以确定的是，作为层间黏结剂所使用的沥青乳液具有非常小的联结剪切模量，即使在冬天的温度下也绝不会大于100 MPa/mm，对层间剪切模量的贡献很小，不到温度及剪切荷载频率作用的1/10～1/100；而在夏天高温下或压应力很小接近0时，沥青乳液的联结剪切模量几乎为0。

根据试验结果导出的层间联结剪切劲度，将联结剪切劲度差的表示为层间联结程度差(bad case)，将联结剪切劲度好的表示为层间联结程度好(good case)。布伦瑞克工业大学公路研究所进行的剪切疲劳试验研究表明，层间由摩擦或啮合构成的黏结作用的联结破坏主要与层面所受正压力相关。根据试验结果得到层间联结与剪切劲度的关系，可按沥青路面结构计算分析的方法分析层间联结疲劳过程对图1所示的沥青路面结构疲劳寿命的影响。

为了分析层间联结程度对沥青路面疲劳寿命的影响，使用有限元程序按笔者在本文中介绍的沥青路面结构分析计算方法进行路面结果疲劳寿命分析，层间(上面层与联结层、联结层与基层)联结程度分为5级：

Ⅰ级——完全联结(上、下层之间理想化地完全联结，实际上达不到)(vollstaendiger verbund)；

Ⅱ级——联结良好(试验确定的联结程度良好)(good case)；

Ⅲ级——联结较差(试验确定的联结程度较差)(bad case)；

Ⅳ级——层间联结疲劳破坏(在室内疲劳试验中表现出层间剪切劲度与正压力、温度有关)(gestoerter verbund)；

Ⅴ级——层间完全光滑，没有联结(上、下层之间理想化地完全光滑)(kein verbund)。

根据层间联结程度按路面结构分析方法计算图1路面结构的路面疲劳寿命与层间联系程度关系，如图6。疲劳指数100%表示达到疲劳寿命终点时的结果。交通荷载如此选择，使得良好联结条件下的路面结构的疲劳寿命正好达到30年。

图6 不同层间联结状况下路面结构疲劳寿命Fig. 6 Fatigue life of pavement structure under differentinterlayer connections

图6的计算结果得出很有意思的结论：当层间联结状况是完全联结，在其它条件均相同时，路面结构疲劳寿命远远超过30年；而在其它3种层间联结状况下，路面结构疲劳寿命明显低于30年。

这一新的结论指出，路面结构层之间的联结程度对整个路面结构的疲劳寿命有非常显著的影响，而且可按本文方法根据结构层之间的联结状况预测路面的疲劳寿命。依据此结果可开发路面结构分析的新技术。

3 结 语

由分析可以看出，材料性能对路面使用寿命具有显著的影响，因此有必要开发新方法来分析沥青混合料性能，从而可较准确地预估沥青路面结构使用性能。此外，在新方法中也要考虑车辆轮胎及车辆荷载与路面表面的作用对路面结构的影响。