季凍區薄瀝青面層結構適用性及經濟效益分析

朱天明，高立波，金塬上

(1.沈陽中澤環境工程有限公司 沈陽市 110085； 2.高速公路養護技術交通運輸行業重點實驗室 沈陽市 110015；3.遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015)

在路面結構設計中，往往過分重視結構承載能力，而對結構組合和各結構層功能的要求研究不夠全面，路面厚度設計存在隨意性。以美國和日本為例，這兩個國家都是采用厚瀝青面層的國家，一般厚度不小于20cm，但即便采用了較厚的瀝青面層，在使用6～8年后也會加鋪新面層，否則路面使用性能就無法滿足要求。法國則是采用分期實施方案，初期僅鋪筑6～10cm厚度的瀝青層，一定年限后需要時鋪筑預留厚度的瀝青混凝土[1]。對于我國廣泛采用的半剛性基層路面結構，多年的研究與實踐證明路面的承載能力完全可由半剛性基層滿足，瀝青面層薄厚對結構整體承載能力無重要影響[2]。遼寧省西開、桓永高速公路采用“三層設計，兩層施工”原則修建，即在建設期也采用兩層瀝青混凝土面層，瀝青層厚度為12cm，在通車8年后進行維修改造，增加了瀝青混凝土層厚度。因此，薄瀝青面層路面結構具有一定適用場景，但需要在設計時充分考慮薄瀝青面層結構對于本地區交通荷載、氣候條件的適用性，以便真正達到節省造價、經濟適用的目標。

1 薄瀝青面層結構交通荷載適用性分析

因不同地區的環境參數存在差異，對于同一路面結構，在不同地區能夠承擔的累計荷載次數也不同。為確定薄層路面結構在不同地區能夠承受的累計極限軸次，選擇遼寧省代表性地理區位，以半剛性基層疲勞破壞為準則，計算不同區位環境下薄層路面結構能夠承擔的累計軸載作用次數，結果見表1所示。

表1 不同地區半剛性基層疲勞開裂累計當量軸次計算

根據遼寧省高速公路軸載譜調查研究結果，不同交通等級下，車輛類型分布、軸載換算系數也不相同。因此，對于不同的交通荷載等級，經半剛性疲勞開裂等效軸載換算后可能會得到相同的累計當量軸次。依據遼寧省高速公路車型分布、軸載換算系數、方向系數、車道系數推薦值[3-4]，反算對應累計軸載作用下累計大型客車和貨車交通量，即得到適應的交通荷載等級，計算結果見表2。

由表2可以看出，對于遼寧地區高速公路交通軸載組成、環境氣候特點，采用薄層路面結構，按照重交通荷載換算系數和車型分布計算結果，不滿足重交通設計交通荷載等級范圍要求(8×106～19×106輛)，即薄層路面結構不適用于重交通設計等級。對于中交通等級，最多能夠承擔的累計大型客車和貨車交通量在5.47×106～6.24×106輛范圍內，對于輕交通等級，最多能夠承擔的累計大型客車和貨車交通量在3.40×106～3.87×106輛以內。

表2 不同地區半剛性基層疲勞開裂累計對應交通荷載等級計算

2 薄瀝青面層結構環境條件適應分析

在得到薄層路面結構半剛性基層疲勞開裂壽命對應的最大交通等級后，以此為交通參數，計算薄層路面結構在各代表地區的瀝青層永久變形、低溫開裂指標，驗算是否滿足規范要求，結果見表3。

由計算結果可以看出，以半剛性疲勞壽命對應交通荷載為標準，計算得到的各地區瀝青層永久變形較小，最大僅為4.2mm，遠低于設計標準15mm要求。實際上，以中等交通荷載等級范圍內最大交通量計算(8×106輛)，瀝青層永久變形同樣較小，均滿足設計要求。

統計遼寧省代表地區低溫設計溫度，參照SBS低溫改性瀝青蠕變勁度模量范圍，選擇三組不同瀝青勁度模量計算低溫開裂指數，結果見表4。

表4 不同地區低溫開裂指數計算結果

可以看出，對于西豐地區，即便瀝青勁度模量取值較低，低溫開裂指數仍大于3，不能滿足規范要求，對于桓仁地區，在瀝青勁度模量小于100MPa時，低溫開裂指數小于3，即可滿足設計要求。其他地區低溫開裂指數均在2以下，對瀝青層勁度模量要求較低，容易滿足規范要求。

3 薄瀝青面層結構經濟效益分析

相較于傳統的三層瀝青面層結構，薄瀝青面層會節省初期建設投資，緩解初期建設資金壓力。分析薄瀝青面層典型結構和傳統三層瀝青路面典型結構建設投資費用差異如下：

(1)結構一：4cmAC-13高粘高彈改性瀝青混合料上面層，8cmLAC-20高模量瀝青混凝土下面層，20cm水泥穩定碎石上基層，20cm水泥穩定碎石下基層，15cm級配碎石底基層。

(2)結構二：4cmAC-13SBS改性瀝青混合料上面層，5cmLAC-20 SBS瀝青混凝土中面層，7cmLAC-25基質瀝青混凝土下面層，20cm水泥穩定碎石上基層，20cm水泥穩定碎石下基層，15cm級配碎石底基層。

由于兩種結構基層和底基層均為同樣的材料和層厚，所以進行新建路面造價分析時，只計算面層結構的價格，材料單價如表5所示。以雙向四車道高速公路為例，計算兩種結構每公里投資費用差異，結果如表6所示。

表5 新建路面面層材料價格匯總表

表6 推薦結構新建路面價格匯總表

計算結果表明，對于初期建設投入，采用薄瀝青面層結構每公里可節約造價37.5萬元，比傳統三層路面結構面層造價節省15.4%。

考慮壽命期內不同路面結構的養護方案及時機，對薄瀝青面層結構和三層路面結構壽命周期效益費用進行對比分析，擬定不同結構組合壽命周期擬采用的養護方案及養護時機如下：

以PCI指標作為養護效益評定指標，依據《遼寧省高速公路瀝青路面低成本養護關鍵技術研究》(201712)項目建立的典型養護技術性能衰減曲線，分析兩種結構在中輕交通條件下PCI衰減規律，結果如圖1所示。

表7 兩種結構分析期內養護方案

圖1 路面PCI指標預估

以PCI衰減曲線下面積作為兩種結構分析期內效益指標，考慮兩種結構在分析期內路面建設及養護總體費用投入，計算兩種結構在分析期內的效益費用比。超薄磨耗層單價按30元/m2計算，含砂霧封層按19元/m2計算。其他材料單價與前文相同，計算采用不同結構組合和養護方案后，分析期內效益費用情況如表8所示。

表8 輕中交通等級結構設計及養護方案效益費用分析

由計算結果可知，結構一在分析期內效益費用比要略高于結構二，考慮資金的時間價值，薄瀝青面層結構的資金使用效率更高。因此，對于氣候條件適宜、交通量較輕區域的路面設計，可以在建設時選擇減薄瀝青層厚度，以節省初期建設資金投入，并在適宜時間內及時進行預防性養護，維持路面性能水平。

4 總結

(1)依據遼寧省高速公路車型分布、軸載換算系數推薦值、方向系數、車道系數，反算對應累計軸載作用次數下累計大型客車和貨車交通量，結果表明薄瀝青面層路面結構不適用于重交通設計等級。對于中交通等級，最多能夠承擔的累計大型客車和貨車交通量在5.47×106～6.24×106輛范圍內，對于輕交通等級，最多能夠承擔的累計大型客車和貨車交通量在3.40×106～3.87×106輛以內。在此交通荷載水平下，不同地區瀝青層永久變形計算結果均能滿足要求；不同地區低溫開裂指數計算結果表明，除桓仁地區外，其他地區低溫開裂指數均能滿足要求。

(2)對于新建路面費用，薄瀝青面層結構與典型三層瀝青面層路面結構相比，每公里可節約造價15.4%。考慮中長期養護費用，在中輕交通量下，分析期內薄瀝青面層結構資金投入的效益費用比略高于典型三層瀝青面層結構。因此，在薄瀝青面層結構能夠承擔的累計軸載作用次數內，對于氣候適宜、低溫抗裂指標要求不嚴格地區，可以在建設期選擇采用薄瀝青面層結構，并在壽命期內適宜時機開展養護維修，以節省初期建設投資，提高資金使用價值，實現路面結構的科學設計。