高速公路高模量沥青路面设计研究*

胡全章 李 华 孟会林 杨景丽 王 康

(1.中电建冀交高速公路投资发展有限公司 石家庄 050090；2.河北省交通规划设计研究院有限公司 石家庄 050091；3.公路建设与养护技术、材料及装备行业研发中心 石家庄 050011；4.四川衡信公路工程试验检测有限公司 成都 611134)

长寿命沥青路面是我国沥青路面研究的热点，近年来，随着《交通强国建设纲要》的发布，提高基础设施耐久性的呼声更加高涨，因此，如何切实延长沥青路面使用寿命已成为当前国内路面工程研究的焦点。

尽管国内外普遍接受将柔性基层结构路面认定为长寿命沥青路面，但长寿命沥青路面的概念本质上并无固定的结构形式，国内外工程实践经验也证明，结构设计合理、材料使用得当、施工质量得以保证的情况下，任何结构形式都可以实现路面长寿命的目标，半刚性基层结构也是如此[1-2]。在路面材料方面，高模量沥青混合料的概念已被英国、美国纳入永久路面概念中，也是目前国内公认的先进路面材料[3]。高模量沥青混合料在15 ℃、10 Hz条件下的两点弯曲动态模量大于14 000 MPa，具有高温稳定性好、抗疲劳破坏、抗水损坏能力强、施工和易性好的特点。欧美国家柔性基层长寿命沥青路面典型结构中，将高模量沥青混凝土用于路面面层以下10～18 cm范围内，作为主要的抗永久变形材料，其下部单独设置抗疲劳层材料。研究表明，高模量沥青混合料比我国沥青路面下面层常用的普通沥青混合料具有更好的抗疲劳性能，将高模量沥青混凝土用于路面下面层同样可以改善路面的抗车辙和抗疲劳性能[4-5]。因此，将高模量沥青混凝土与半刚性基层结构组合起来也是一种潜在的长寿命耐久性沥青路面。

本研究依托津石高速永久路面试验路建设，对半刚性基层高模量沥青路面及采用高模量沥青混凝土的柔性基层沥青路面结构计算进行对比，并对高模量沥青混合料的路用及力学性能进行评价，为提高模量沥青路面的推广应用提供参考。

1 路面结构计算

1.1 交通量分析

根据津石高速公路津冀界至保石界段工可调查数据，该项目初始日均货车交通量为7 113辆，设计使用年限15年对应的年均交通量增长率为4.5%。永久路面试验路设计使用年限为40年，根据工可预测数据换算得到40年等效年均交通量增长率为3.33%。根据调查结果，交通组成TTC分类为TTC3。

按照JTG D50-2017 《公路沥青路面设计规范》[6]相关规定确定满载与非满载车比例，根据津石高速周边高速及干线公路交通量调查情况，交通量计算时对于满载车辆，按超载25%考虑，非满载车辆载重按满载计算，交通量计算见式(1)，总体偏保守。按照式(1)计算得到，设计使用年限15年和40年内设计车道累计大型客车和货车交通量N1分别为19 425 779辆和75 987 046辆，按照现行沥青路面设计规范，其交通等级分别为特重交通和极重交通。

N1=AADTT×DDF×LDF×

(1)

式中：AADTT为大型客车和货车双向年平均日交通量，辆/d；DDF为方向系数，本文计算取0.6；LDF为车道系数，本文计算取0.6；γ为设计使用年限内交通量年平均增长率；t为设计使用年限。

按照设计使用年限40年，计算得到不同结构层材料的控制当量轴载次数为：沥青层层底拉应变对应的交通量为Ne=310 031 631(3.1×108)次，半刚性基层层底拉应力对应的交通量为Ne=636 750 850(6.4×108)次；路基顶面压应变对应的交通量为Ne=424 465 241(4.2×108)次。

1.2 拟定路面结构

津石高速原路面结构方案为：4 cm SBS改性沥青玛蹄脂碎石SMA13+6 cm橡胶改性沥青混凝土ARHM20+12 cm沥青稳定碎石ATB25+40 cm水泥稳定碎石基层+20 cm水泥稳定碎石底基层，路面结构总厚度82 cm，原路面设计使用年限为15年，经验算该结构沥青层层底疲劳破坏的确不满足永久路面试验路设计使用年限40年时的累计等效轴载作用次数。

采用高模量沥青混凝土的永久路面试验路设计2种路面结构方案，方案一为4 cm橡胶改性沥青混凝土ARHM13+8 cm高模量沥青混凝土HMAC16+10 cm高模量沥青混凝土HMAC20+25 cm水泥稳定碎石+25 cm水泥稳定碎石，路面结构总厚度72 cm；方案二为4 cm橡胶改性沥青混凝土ARHM13+8 cm高模量沥青混凝土HMAC16+14 cm高模量沥青混凝土HMAC20+14 cm橡胶改性沥青混凝土ARHM25+4 cm改性沥青混凝土应力吸收层FAC10+20 cm级配碎石，路面结构总厚度64 cm。

2种试验路路面结构总厚度较原设计分别减薄10 cm和18 cm。方案一下面层采用HMAC-20，疲劳破坏应变较原设计采用的ATB25可提高60%以上，可显著提升半刚性基层结构沥青层疲劳寿命。方案二为典型柔性基层长寿命沥青路面结构形式，其中的高模量沥青层发挥承载及抗永久变形的作用。

1.3 路面结构验算

路面结构验算采用法国路面结构设计软件Alize，该软件基于路面结构力学响应与结构层材料容许值对比来确定或优化结构厚度。计算采用的材料参数见表1，其中，疲劳破坏应变及模量指标均基于法国标准要求采用梯形试件两点弯曲试验确定，各材料的模量值较我国单轴压缩试验得出的动态模量偏低。具体计算条件如下。

1) 设计轴载为轴重10 t的单轴-双轮组轴载。

2) 当量温度取20 ℃。

3) 路基顶面模量取200 MPa(设计路床顶面弯沉控制标准为80/0.01 mm)。

4) 计算时，层间黏结条件按如下状态考虑：沥青层层间及半刚性基层层间设置为完全黏结；沥青层与半刚性基层之间设置为半黏结状态；沥青层与级配碎石层之间、级配碎石与路床之间及半刚性基层与路床之间均设置为无黏结状态。

按照永久路面设计思想，本项目路面结构验算控制参数为沥青层层底拉应变、半刚性基层层底拉应力及路基顶面竖向压应变。根据不同材料类型对应的交通量及结构层材料强度参数计算得到结构验算控制参数的容许值，结果见表2。表中半刚性基层结构方案的沥青层层底与柔性基层层底均为HMAC20结构层层底，柔性基层结构方案中沥青层层底为应力吸收层FAC10层底，柔性基层层底为ARHM25结构层层底。从容许应变计算结果可见，由于结构形式及材料抗疲劳特性的不同，2种结构方案控制参数的容许值差异明显。

表2 不同结构材料控制参数容许值

表3为不同结构控制参数的计算值。

表3 不同结构材料控制参数计算值

由表3可见，2种结构形式的高模量沥青路面沥青层层底拉应变均远低于100×10-6的永久路面沥青层层底拉应变控制标准；半刚性基层材料90 d龄期的劈裂破坏强度σ为0.7 MPa左右，对应的疲劳阈值0.35σ[7]为0.25 MPa，高于计算得到的0.19 MPa，也就是说半刚性基层结构试验路的基层不会发生疲劳破坏；柔性基层结构试验路路基顶面的竖向压应变亦显著低于200×10-6的永久路面路基顶面压应变控制标准。

此外，根据结构计算得到的沥青层拉应变和半刚性基层层底拉应力反算得到结构可承受的轴载作用次数[8]。计算得到半刚性基层结构方案中沥青层和半刚性基层可承受的疲劳当量轴载作用次数分别为159.9×108次和804.8×108次，柔性基层结构方案中应力吸收层和柔性基层可承受的疲劳当量轴载作用次数分别为659.5×108次和154.3×108次，2种方案可承受的疲劳轴载作用次数均远大于设计使用40年的累积交通当量轴载作用次数，即试验路方案满足永久路面设计需求，相比之下，半刚性基层结构方案略有优势。

2 路面材料设计与评价

2.1 原材料

试验所用粗集料为石灰岩材质，细集料为石灰岩材质机制砂，填料为石灰岩材质的矿粉，各矿料的技术指标均满足规范要求。

HMAC16及HMAC20所用沥青胶结料为中石油20号低标号沥青。沥青胶结料主要检测技术指标结果见表4，均满足要求。同时，按照规范要求[9]，确定混合料的拌和温度为180 ℃，出料温度不低于170 ℃，成型温度不低于160 ℃。

表4 20号沥青技术指标

2.2 混合料设计

HMAC16及HMAC20均采用连续密级配，合成级配各筛孔质量通过率见表5。配合比设计采用PCG旋转压实方法，旋转压实仪竖向压强为0.6 MPa，机器角0.82°，旋转压实次数均为120 r。根据经验，对于连续密实级配，按照PCG空隙率不大于4.5%初步确定HMAC16与HMAC20的油石比分别为4.7%与4.5%，然后采用马歇尔方法进行混合料体积指标的验证，结果见表6，由表6可见，各项指标均满足设计要求，相比之下，HMAC20的油石比虽然略低，但混合料的空隙率更低，且沥青饱和度及马歇尔稳定度均高于HMAC16。

表5 混合料矿料级配

表6 马歇尔试验结果

2.3 性能评价

HMAC16与HMAC20分别采用4.7%与4.5%的油石比进行路用性能及力学性能的验证，路用性能验证指标包括60 ℃动稳定度、-10 ℃的弯曲破坏应变及冻融劈裂残留强度比，根据设计文件的要求，对HMAC16混合料还进行了-20 ℃的弯曲破坏应变验证。力学性能验证指标为单轴压缩动态模量(20 ℃、10 Hz)、两点弯曲动态模量(20 ℃、10 Hz)及130×10-6条件下的两点弯曲疲劳破坏次数。路用及力学性能试验结果分别见表7、表8。

表7 路用性能试验结果

表8 力学性能试验结果

由表7可见，高模量沥青混合料HMAC16及HMAC20的高温稳定性均非常突出，60 ℃动稳定度均达到5 000次/mm以上；-10 ℃弯曲破坏应变均在2 000×10-6以上，与70号沥青混合料在同一水平；由于沥青用量相对大，所以水稳定性表现良好，冻融劈裂残留强度比均在90%左右。相比之下，由于HMAC16的油石比略高，所以其低温抗裂性及水稳定性优于HMAC20，而高温稳定性略低。

由表8可见，2种高模量沥青混合料的动态模量均明显高于路面结构设计采用的数值，说明试验路实际荷载响应应低于设计计算值。此外，相同温度及加载频率下，单轴压缩动态模量显著高于两点弯曲动态模量，这与试验方法、试件形状及尺寸等因素有关；2种混合料在130×10-6条件下的疲劳破坏寿命均高于100万次，满足标准[4]对高模量沥青混合料疲劳性能的要求。同样，由于油石比的差异，相比之下，HMAC16具有更好的抗疲劳性能，而HMAC20则具有更高的强度。

4 结语

1) 结构计算及室内试验结果表明，津石高速高模量沥青路面试验路采用的结构及材料各项指标均满足永久路面设计要求。

2) 半刚性基层与柔性基层高模量沥青路面结构力学响应差异明显，两者均适用于重载交通耐久性路面建设，相比而言，半刚性基层结构承载能力更高，柔性基层结构对路基强度水平要求更高。

3) 采用低标号沥青的高模量沥青混合料路用性能优异，其60 ℃动稳定度不低于5 000次/mm，-10 ℃低温弯曲破坏应变不低于2 000×10-6，且冻融劈裂残留强度比不低于85%。

4) 高模量沥青混合料力学性能突出，单轴压缩动态模量较我国目前常用类型沥青混合料提高60%以上，且抗疲劳性能好，是一种适用于耐久性路面建设的高性能沥青混合料。