基于結構層壽命遞增的耐久性瀝青路面設計方法研究

李 凡

(中電建冀交高速公路投資發展有限公司，河北 石家莊 050000)

0 引言

近年來，隨著我國經濟水平不斷提升，推動了交通運輸業的發展，各類公路工程項目隨之增多。路面作為公路的重要組成部分之一，其設計的合理與否直接關系到整個公路的耐久性。目前，我國高等級公路中普遍采用的是瀝青路面，現行的設計規范中明確給出瀝青路面各個結構層的使用壽命，即15年。如果各層均按15年的使用壽命進行設計，則當表面層損壞時，基層仍然完好。鑒于此，可基于結構層壽命遞增的方法，對瀝青路面進行設計，以此來達到耐久性的要求。

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良性能，如高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性、耐疲勞性等，在公路工程建設中得到越來越廣泛的應用。然而，通過對采用瀝青路面的公路進行調查后發現，其中很大一部分都存在各種類型的病害問題，比較典型的病害為車轍、裂縫、水損害等[1]。當瀝青路面出現上述病害時，路面的使用性能將會受到一定程度的影響，耐久性也會隨之降低。由此可見，病害是瀝青路面耐久性的主要影響因素。下面簡要分析各種病害產生的原因。

1.1 瀝青路面車轍的成因

車轍是瀝青路面中較為常見的病害之一，其成因主要與外部因素有關，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，炎熱夏季里的持續高溫，瀝青在高溫下會逐漸變軟，如果車輛從其上經過，則會留下深淺不一的車轍；又如，當瀝青路面的縱坡超過5%時，路面結構內部的剪切力會隨之增大，這部分剪切力對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，瀝青本身的性能會發生改變，此時很容易形成車轍。

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；反射裂縫多出現在半剛性基層當中，主要是因為基層開裂后反射到瀝青面層上所致，而水泥用量過大、細料含量多、配比不合理、養生不當是引起反射裂縫的主要原因。當瀝青路面出現裂縫后，水會從裂縫處滲入，由此會對基層造成侵蝕，路面的整體耐久性會大幅度降低。

1.3 瀝青路面水損害的成因

我國有很多高溫多雨的地區，在溫度和雨水的雙重作用下，瀝青路面常常會出現水損害的現象，由此不但會對路面的外觀造成影響，而且還會導致瀝青路面的耐久性大幅度降低。同時水損害會反復發生，由此產生的影響具有一定的持續性，進一步增大了瀝青路面的養護維修難度[3]。瀝青路面水損害最為常見的形式為瀝青與集料剝離，導致此類病害的主要原因包括瀝青等級、集料類型、空隙率等幾個方面。

2 基于結構層壽命遞增的瀝青路面耐久性設計方法

2.1 瀝青路面的使用壽命

在我國的高等級公路中，瀝青路面的應用非常廣泛，根據《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)的規定要求，瀝青路面結構層中的各層壽命均應當按照15年進行設計，也就是說，組成結構層的各層壽命全部為15年。基于這一前提，當瀝青路面的表面層服役15年后，結構層中的其他層也將出現結構性破壞。但是，通過調查發現，國內高等級公路使用年限超過15年的路段現已超過10 000 km，其中很大一部分都經過表面層、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]。在整個結構層中，表面層的破壞最為嚴重，車轍、裂縫等病害隨處可見。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，結構層整體性破壞的路段少之又少，極少數結構層整體性破壞的路段，也是因為施工質量問題所致，與設計的使用壽命并無太大關聯。綜上，在高等級公路中，如果按照規范中給出的年限對結構層的使用壽命進行設計，其合理性有待商榷。

2.2 瀝青路面設計中的耐久性

對于瀝青路面而言，耐久性就是使用壽命，路面的耐久性越好，使用壽命就越長，相應的養護維修費用就越少。正因如此，使得耐久性成為瀝青路面設計的關鍵指標之一。基于耐久性這一前提，在對瀝青路面進行設計時，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]。采用耐久性設計的瀝青路面只要基層不出現整體性破壞，即使表面層受到嚴重損壞，通過各種養護維修措施，也能使路面的使用壽命達到30年以上。在耐久性的設計要求下，瀝青路面中各個結構層的使用壽命應當具有一定的協調性和匹配性，當表面層出現車轍、裂縫等病害時，必須及時采取有效的措施進行處理，從而消除病害，保證路面的正常使用，由此能夠進一步延長路面的使用壽命，從而達到耐久性的要求。

2.3 壽命遞增理念

瀝青路面結構層自上而下為表面層、中面層、下面層、基層、底基層。結構層壽命遞增是一種較為先進的設計理念，具體是指組成結構層中的每個部分的設計使用壽命自上而下依次遞增，這樣能夠使整個結構層的耐久性獲得大幅度提升。基于結構層壽命遞增的耐久性瀝青路面設計，要求結構層中下一層的使用壽命為上一層使用壽命的兩倍，通過這種設計方法，能夠使瀝青路面結構層中的上一層在達到壽命周期時，下一層仍可正常服役，這樣只需要對上一層進行翻修，便可使路面的使用性能恢復如初。

2.4 設計方法

在瀝青路面中，最容易遭到破壞的是表面層，該層的養護和維修相對比較方便。而中面層以下的各層，雖然并不容易遭到破壞，但如果出現損壞，想要進行維修比較困難，并且在維修的過程中，不可避免地會對表面層造成影響。因此，基于結構層壽命遞增的設計理念，可在規范標準允許的范圍內，將瀝青路面表面層的使用壽命設計得比較短，并在路面的全壽命周期內，通過預防性養護的方法，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，則會直接波及中面層，所以按照壽命遞增的設計理念，瀝青路面的中面層壽命可設計為10～15年左右，下面層的壽命要長于中面層，可設計為20～30年左右。相關研究結果表明，當半剛性基層破壞時，瀝青路面所剩的壽命已經非常有限，基于此，依據壽命遞增的理念，瀝青路面的基層應當是整個結構層中壽命最長的一層，可設計為40～60年左右。按照上述設計方法，能夠大幅度延長瀝青路面的使用壽命。

從瀝青路面的使用情況來看，結構層壽命遞增的設計方法更加符合實際，這是因為瀝青路面的破壞多發生在表面層，而該層具有容易維修和便于養護的特點，通過有效的養護及維修措施，能夠在相對較短的時間內使表面層恢復使用性能，只要結構層中的其他各層均保持良好的狀態，公路便可以正常使用。因此，這種設計方法變相延長了瀝青路面的使用壽命，使路面達到耐久性的要求。通過對國外一些發達國家的公路工程進行研究后發現，他們在瀝青路面的耐久性設計中，基本上采用的都是結構層壽命遞增的方法，由此證明這種方法具有合理性與可行性，可在瀝青路面設計中推廣使用。

3 結語

綜上所述，瀝青路面的各個結構層若是按照同等使用壽命進行設計，則表面層在出現損壞時，基層卻仍然能夠保持良好的狀態。可見，這種設計方法的合理性有所不足。而基于結構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，由此當上一層達到使用壽命時，只需要對該層進行翻修，便可使路面恢復使用性能。從各方面綜合來看，壽命遞增設計要比同等壽命設計更加合理。