沥青路面材料及结构组合设计(台电仓)
沥青路面材料及结构组合设计
台电仓
（中交第一公路勘察设计研究院西安市710068）
［摘要］沥青混凝土路面是我国现阶段高速公路采用的主要路面形式。然而由于各地区气候环境、交通量及经济条件存在显著差异，因此对沥青路面性能要求不同。本文结合几个不同地区具有代表性的沥青路面设计实践，对评价沥青结台料的规范进行了探讨，阐明了沥青混合料材料设计，必须依据环境特点，结合沥青面层应力场和温度场的分布，进行切实的材料和结构设计；强调了施工工艺对保证沥青路面最终使用性能的重要作用。为了减轻沥青路面水损害，提高表层抗滑功能，多碎石嵌挤骨架密实沥青混合料是一种理想的路面材料，但应进一步研究面层整体密实结构的抗车辙问题。
关键词沥青路面结构设计文献标识码:B1引言
沥青路面因其具有优越的路用性能得以在全世界范围内广泛应用。它作为一种无接缝的连续式路面，因其具有足够的力学强度，能适应各种行车荷载，且行车平稳、舒适、噪音低以及便于维修的特点而在公路路面铺筑中占有很大比例。20世纪以90年代以前，我国沥青路面以表处、贯入式及沥青碎石为主。而在我国高等级公路的建设中．沥青混凝土路面成为主要的路面形式。沥青胶结料是极其复杂的高分子碳氢化合物，是一种典型的流变性材料。沥青混合料的力学性质受温度和荷载作用影响很大。现代交通特点是交通量大、轴载重、超载严重、车辆渠化行驶，且我国地域宽广，气温差别很大，降水分布不均。严酷的气候条件和荷载作用使沥青路面出现不同形式的病害。许多高速公路沥青路面修建不久就产主早期破坏。高温季节，大型车辆及超载路段，车辙已成为沥青路面最严重的破坏形式。我们曾在山西晋焦线及其相接的河南境内焦新线进行过轴载调查，这是一条运煤干线，经对车辆箱体和钢板改造，双轴和单轴最大荷载可分别达50t和25t，极大地加剧了沥青路面破坏和车辙的产生。
沥青路面水损害是伴随高等级公路发展，近几年才充分认识的又一严重病害。由于在公路投入营运后，这种病害来得快、发生早，因而在近几年沥青路面设计研究中给予了足够的重视。在季节性冰冻地区和多雨潮湿地区，沥青路面更易产生松散、坑精等水损害破坏形式。沥青路面低温裂缝普遍存在。目前我国高速公路几乎全部采用半刚性基层，半刚性材料收缩裂缝的反射使沥青路面裂缝加剧。
高速公路的使用者对道路安全和舒适性要求日趋强烈。这就要求高速公路路面应具有良好的表面抗滑功能。然而有些高速公路由于抗滑性能不足，交通事故时有发生。
为了减轻沥青路面这些病害，就必须改善提高沥青混合料的路用性能，本文将总结几年来不同地区高等级公路沥青路面设计实践，着重探讨沥青路面材料及结构组成设计。2沥青材料及改性2．1沥青胶结料
沥青路面重在沥青，因而国内外对沥青结合料的研究非常深入而广泛。然而如何评价沥青性能是首先面临的一个重要问题。
早期的沥青规范是以25℃的针人度来划分的，此为夏季的平均温度，当时认为它是反映沥青硬度的最好方法，但它仅能反映沥青的常温性能。后来在此种规范中还增加了薄膜烘箱试验，以模拟沥青在热拌过程中的老化。
随着沥青计入度规范的应用，用此指标控制修建的路面夏季常出现车辙问题，25℃针入度不能满足路面高温性能要求。不同原油或经不同提炼过程得到的相近针入度沥青却具有不同的感温性。因此，美国接着发展了以60t动力粘度为主的沥青规范，来正确地反映沥青的高温性能与流动性。沥青粘度规范反映了沥青的高温性能与常温性能．但不能反映沥青的低温性能。为了克服这一问题，又提出了针入度指数（PI），来反映沥青的感温性，PI值越高，温度敏感性越小。
沥青粘度规范提高了对沥青粘结料的质量要求，但是路面过早损坏的现象仍十分严重，需要反映沥青路面性能的沥青规范。因此，美国联邦公路管理局提出公路战略研究计划（SHRP），研究提出了高性能沥青结合料规范，采用流变测量法全面考察沥青的路用性能。通过对原样沥青、旋转薄膜老化残留沥青和压力烘箱加速老化后的沥青进行试验，评价沥青的高温、低温、抗疲劳和老化性能。
沥青结合料规范从针入度到粘度再到性能规范石SHRP计划提出的性能规范为最新的能反映沥青全面性能的规范。
为了适应我国公路交通的发展，更好地修筑沥青路面，我国“八五”期间进行了国家科技攻关专题“道路沥青及沥青混合料路用性能研究”。研究中借鉴了美国SHRP标准中有关气候分区的思路，提出了我国沥青路面使用性能的气候分区。通过大量研究提出了道路沥青的关键性技术指标，建立了以针入度、10C0延度为主要指标，以沥青感温性指标为核心的新指标和技术要求。鉴于国内沥青含蜡量高的特点，提出以当量软化点T800和当量脆点T1.2来评定沥青高低温性能。
SHRP计划提出的性能规范需要专门的配套设备，国内受设备的限制，目前不可能采用SHRP计划提出的指标评价沥青的性能，而“八五”攻关项目提出的关键性指标，比较适应我国测试设备的现状，因此对沥青性能除按现行规范指标进行评价外，可以参考“八五”攻关项目提出的关键性指标对沥青性能进行评价。
沥青混合料的高温性能虽然主要取决于矿料的骨架，但沥青则起到阻碍混合料发生剪切变形的约束作用，对于密级配沥青混凝土而言，沥青结合料的胶结作用更为重要。沥青混合料的低温抗裂性能主要取决于沥青结合料的低温拉伸能力。沥青与矿料的粘附性直接影响沥青路面的水损害。沥青混合料的疲劳性能与集料及其级配有关，然而沥青也是一重要因素。因此，在沥青混合料材料设计中，必须选择符合气候条件和交运环境的路用性能要求的沥青用量和指度。
由于受以前修筑沥青表处、贯入式及沥青碎石路面使目较稀沥青的经验限制，有些高速公以沥青路面采目较稀的沥青，然而，车辆渠化行驶加剧了车辙的形成，因此，在沥青标号的选用上，应兼沥青路面抗开裂的需要，采用合理的沥青调度。例如，在国道主干线连徐高速公路沥青路面设计中，初出期选用AH90号沥青，最终户整采用AH70号沥青。2．2抗剥剂
沥青路面的水损害与沥青混合料的级配密切相关，但其源于沥青膜从集料表面的剥离。沥青混合料的水稳性取决于沥青与集料的粘附性。
高速公路沥青路面需要高质量的集料，此其表面层集料还应具有耐磨和较高的磨光值，而一般石灰岩等碱性石料难以满足这些要求，因此表面层采用玄武岩、安山岩等石料。中、下面层受料源限制尚有采用花岗岩、砂岩等酸性石料，这些石料与沥青的粘附性差，必须提高沥青与集料之间的粘结。近几年多条高速公路沥青路面设计中采用了抗剥剂．以提高沥青与集料的抗剥落能力。
国内外许多试验结果表明，抗剥剂对提高沥青与集料的长期粘附性能并不理想。对掺入抗剥剂的沥青直接进行水煮法试验，可以将粘附性等级显著提高，达到4～5级。如果对掺入抗剥剂的沥青先进行薄膜加热试验（模拟拌和过程中的老化），再进行水煮法试验，其粘附性就不一定达到高速公路要求，这便说明了抗剥剂的长期效果值得怀疑。因此，国内外处理酸性石料又回到传统方法上来，采用掺加消石灰粉或水泥和在骨料表面喷消石灰浆等措施，这种碱性处理方法效果较好，为提高沥青与集料粘附性的首选途径。但在骨料表面喷消石灰浆需要设备，且要处理大量集料，尚应考虑经济因素多。23改性沥青
沥青路面诸多的使用性能要求结合料需有良好的性能，而一般普通未改性沥青难以胜任，国产沥青由于受油源和生产工艺的制约，优质沥青甚少。进口沥青不仅价格高，且也不一定能满足特定环境下的沥青路面要求，而改性沥青正是满足这些要求的途径。
近几年．我国对改性沥青及其工艺研究相当广泛，出现了多种工艺，不同改性剂的新型产品、设备和生产商。但受设备、经济和认识方面的影响，改性沥青并未在高速公路中广泛使用。目前改性沥青重在改善沥青的高温稳定性，受测试方法和评价指标的影响．改性沥青的低温性能尚需要更多地探讨，低温性能的改善也难于改善高温性能。尽管如此，改性沥青的广泛研究和SMA在北京地区的较成功使用，显示了改性沥青这一领域将有广泛的研究应用前景。
3沥青混合料材料组成设计3l沥青混合料的路用性能
为了满足高速行驶的舒适性、安全性和经济性，就必须提高历青路面的使用性能。这种使用性能包括沥青路面的高温性能、低温抗裂性能、水稳定性、抗疲劳望能、抗老化性能和表面服务功能。
沥青混合料的高温稳定性首先取决于矿料的骨架，尤其集料的相互嵌挤作用，沥青结合料的性质和含量则对则对混合料剪切变形起制约作用。矿料级配对沥青说混合料高温稳定性起决定性作用。而沥青路面的低温抗裂性能则主要取决于沥青结合料的低温拉伸变形能力。沥青路面的水损害是由于沥青与集料表面粘结力丧失而导致剥离．沥青混合料的水稳性取决于沥青与矿料界面的钻结力，尤其是矿料品种。
沥青混合料的疲劳开裂源于荷载的反复作用，集料性贡、矿料级配、沥青混合料的性质都影响疲劳耐久性．疲劳耐久性将影响沥青路面的使用寿命。
沥青路面的耐久性还与沥青的老化速率密切相关，为了减轻沥青的老化速率，混合料的孔隙率应小些。
沥青路面的抗滑、排水能力是高速交通提出的新要求，取决于表面粗集料的微观构造及客观构造深度。
上述沥青混合料的性能要求往往相互矛盾。首先，高温性能和低温性能就是一对矛盾。为了提高高温抗车辙能力，尽量多采用粗集料，减少用油量，采用较稠沥青，但这种混合料易产生低温开裂，而要提高低温抗裂性能，则要求增加用油量，采用较密级配、较稀的沥青，但其易出现车辙、泛油、拥包。疲劳耐久性和抗老化要求混合料的低空隙与抗滑低噪声要求的高空隙又是一对主要矛盾。另外，我国目前高等级公路沥青路面大多分上、中、下面层。应力计算和温度场研究表明，上面层多为抗剪压缩区，中面层为竖向压缩区，下面层多为拉伸疲劳破坏区。中、上面层受温度影响大，因此三层基本上各有侧重点要求。上面层首先要求抗滑，其次为低温抗裂、高温抗车辙，中面层以抗高温车辙和低温裂缝为主，下面层以抗疲劳为主。
沥青路面面层虽较薄，但有上述诸多性能要求，沥青混合料材料组成设计就必须根据公路所在的气候环境、交通量及荷载作用特点，分清主次，协调这些矛盾，依具体条件分析论证，以提高沥青混合料的使用性能。
沥青路面的性能都与沥青混合料的孔隙率有关。抗滑性能要求沥青混合料表面粗糙，构造深度大，然而这种混合料孔隙率比较大。而抗水害、耐疲劳、防老化及抗裂性均要求混合料孔隙率小些。抗车辙要求混合料孔隙率有一个适度．因此混合料孔隙率表征着沥青路面的性能，沥青路面的材料组成设计必须控制孔隙率。32典型项目沥青路面设计
下面通过最近几年我们完成的几个项目设计，谈谈沥青混合料结构及材料设计。具体情况见表1。
广州北二环高速公路为珠江三角州环线高速公路组成部分，交通量大，该地区年均降雨量为1800mm，年平均气温21.80C，极端最高气温38.70C，极端最低气温0.60C，气候特点为气温高、降水量大。沥青路面设计主要应考虑高温抗车辙、水损害问题和表层抗滑功能。因而表面层采用了抗滑性能良好的中粒式沥青混凝土AK16A，其粗集料多，可以提高抗车辙能力。对于水损害，采取防水与排水相结合的综合措施，中面层采用封水性好的密级配沥青混凝土AC25Ⅰ，下（底）面层采用了孔隙率较大的开级配沥青碎石，以排泄少量渗水。此项目路面设计采用了国内很少还用的结构层排水。
山西晋城～河南焦作～河南新庄高速公路，为晋煤外运干道之一。重车多、超载严重，双轴和单轴最大轴荷载可分别达50t和25t，轴重堪称国内之首。极端最高气温达38.60C，极端最低气温为-22.80C，年平均气温为7.90C～11.70C,年均降水量约为600mm。由于重车多、渠化行驶，沥青混合料设计首先应解决高温车辙，同时也要兼顾低温抗裂和表层抗滑，因而，表面层采用了AK16A，中面层采用AC25Ⅰ。由于降水量一般，下面层采用了节省矿粉和沥青、相对经济的粗粒式沥青混凝土AC25Ⅱ。由于该路段重车多且超常重，沥青混合料材料及结构组成设计，尚应依据这些特点进一步深入研究，调整中、上面层的集料级配，使之具有更好的抗车辙能力，下面层建议采用抗疲劳、抗水损害性能更好的AC25Ⅰ沥青混凝土。
新疆乌鲁木齐～奎屯高速公路及兰州忠和～柳沟河高速公路，地处西地区，交通量相对较小，年降水量为143～500mm，最高月平均气温为25.80C。沥青混合料低温抗裂和防冻水稳性是沥青路面设计应解决的主要问题。由于降水量少，交通量小，因而下面层采用粗粒式沥青混凝土AC30Ⅱ较为经济合理，技术可行。
江苏连云港～徐州高速公路为国道主干线连霍公路的一端。交通量大，该地区年降水量约900mm，极端最高气温为43.3℃，极端最低气温为-23℃，沥青路面设计应着重考虑高温抗车辙和水损害，兼顾沥青混合料的低温抗裂和表层抗滑，因此，上面层采用了中粒式沥青混凝土AK-16A，中、下面层采用粗粒式沥青混凝土AC25Ⅰ型。下面层采用AC25Ⅰ，主要是为了提高沥青路面整体抗水损害能力，同时AC25Ⅰ抗疲劳性能好，可以更好地满足下面层在大交通量条件下应具有的抗疲劳耐久性功能。由于该项目沥青路面要解决高低温性能问题，除采用多碎石、密级配集料外，还应采用高低温性能好的结合料或改性沥青。从上述几个项目沥青路面设计可以看出，由于气候和交通特征不同，沥青路面各有其主要性能要求，沥青混合料材料及结构设计就要满足这些具体要求，兼顾其它性能，不能盲目地采用其它地区的成功经验。4施工工艺
沥青混合料材料及结构设计是沥青路面获得使用性能的基础，施工工艺是沥青路面最终形成使用性能的保证。完善的设计，没有合理的施工工艺，不可能形成满足要求的沥青路面。目前，我国高速公路沥青路面的拌和、摊铺、压实等施工设备已具有相当高的水平，也注重了沥青了质量与检测，但尚存在对集料质量控制不严的状况。小规模生产加工集料不可能保证集料符合技人要求，必须规模化生产，并改变碎石轧制方式，以保证集料的立方体形状与棱角，才能使粗集料的嵌挤骨架作用形成。
我国目前高速公路沥青路面施工，还存在一种现象是注重路面平整度。由于平整度是竣工验收一项硬指标，因而施工单位非常重视，片面地强调了平整度，而最终成型的沥青混合料的压实度稍差，造成孔隙率偏大，影响沥青路面的水稳定性、疲劳耐久性和抗裂性能。尤其在重冰冻地区，孔隙率偏大，将造或沥青路面严重的冰冻水损害，因此建议施工过程中加强现场对沥青混合料孔隙率监测，确保混合料压实度。对于嵌挤骨架密实结构层，振碾工艺直接影响骨架作用的形成，关系到沥青路面的最终使用性能。因此，可以说施工工艺与材料设计是沥青路面不可分割的两大核心问题。
表1典型项目沥青路面设计项目名称上面层中面层下面层乌奎路3cm细粒式沥青混凝土AK-13A5cm细粒式沥青混凝土AC-25Ⅰ7cm细粒式沥青混凝土AC-30Ⅱ广州北二环4cm细粒式沥青混凝土AK-16A8cm细粒式沥青混凝土AC-25Ⅰ10cm沥青碎石河南焦新线4cm细粒式沥青混凝土AK-16A5cm细粒式沥青混凝土AC-25Ⅰ6cm细粒式沥青混凝土AC-25Ⅱ山西晋焦线4cm细粒式沥青混凝土AK-16A5cm细粒式沥青混凝土AC-25Ⅰ6cm细粒式沥青混凝土AC-25Ⅱ连徐线4cm细粒式沥青混凝土AK-16A5cm细粒式沥青混凝土AC-25Ⅰ7cm细粒式沥青混凝土AC-25Ⅱ兰州过境线4cm细粒式沥青混凝土AK-16A5cm细粒式沥青混凝土AC-25Ⅰ6cm细粒式沥青混凝土AC-25Ⅱ5结论与建议
我国地域广阔，气候环境、交通量及经济条件存在显著地差异，对沥青路面性能要求不同，沥青混合料材料设计必须依据环境特点，结合面层应力场和温度场的分布，进行切实的材料和结构设计，还应进行大量室内试验，选择优化材料组成，同时采取合理的施工工艺，加强现场监测，才能形成具有良好使用性能的沥青路面。
近几年高速公路沥青路面出现的早期病害中，水损害较为严重，因而沥青混合料设计也重视考虑水损害，除采用增加集料与沥青粘附性措施外，更多地是采用孔隙率小的密实级配沥青混合料，以减轻水进入并滞留在沥青混合料中，防止沥青膜与集料的剥离。
多碎石嵌挤骨架密实沥青混合料，是近几年表面层多采用的抗滑结构构层，它有较高的表面构造深度，可以满足抗滑和抗车辙功能要求．同时，因结构密实而孔隙率小，还具有良好的抗水损害、耐疲劳、防裂缝性能，此种结构是较为理想的表面层结构，因而被广泛研究和推广使用。
由此看来，沥青路面较为合理结构组合为上、中面层采用多碎石嵌挤骨架密实型沥青混合科，下面层采用密级配沥青混凝土（ACI型），三层结构孔隙率均较小，可以减轻水损害，但尚有一点令人担心，就是整体抗车撤性能，尚有待对其使用效果进行观测和研究。
扩展阅读：沥青路面结构组合设计
暗自伤心，不如立即行动。
沥青路面结构组合设计
沥青路面通常由沥青面层、基层、底基层、垫层等多种结构组成，如下图所示：
面层基层底基层垫层路面结构图
沥青面层
沥青面层可为单层、双层或三层。高速公路和一级公路采用三层式结构（表面层、中面层和下面层），二级及以下公路采用双层式结构（表面层、下面层）。表面层应具有平整密实、抗滑耐磨、抗裂耐久等功能。表面层是直接承受车辆荷载和自然因素影响的结构层，因此，它首先应具有良好的抗滑性能和平整度，保证行车安全舒适，其次要密实不透水，保证路面结构在各种气候下具有稳定的使用功能。同时，表面层直接接受太阳辐射，受大气环境的影响最显著，要求面层具有高温抗车辙和低温抗开裂的能力。表面层通常采用粗型细粒式或中粒式沥青混凝土：AC-10C、AC-13C和AC-16C，AC-13C和AC-16C这两种使用最多。
中、下面层应具有高温抗车辙、抗剪切、密实和不透水的性能。中面层通常选用粗型中粒式沥青混凝土AC-20C，下面层通常选用粗型中粒式或粗粒式沥青混凝土：AC-20C和AC-25C。
沥青面层在路面结构中的价格较高，一般情况下对沥青面层厚度应有所控制，但是也不能过薄。各沥青层的厚度应与混合料公称最大粒径相匹配，沥青混合料的一层压实最小厚度不宜小于混合料公称最大粒径的2.5-3倍。
暗自伤心，不如立即行动。
沥青混合料的压实最小厚度与适宜厚度
最大粒沥青混合料类型径/mm粒径/mm公称最大符号厚度/mm度/mmAC-5AC-10AC-13AC-16AC-20AC-25SMA-10SMA-13SMA-16SMA-20OGFC-10OGFC-1315203540507025304050203015-3025-4040-6050-8060-10080-12025-5035-6040-7050-8020-3030-40压实最小适宜厚砂粒式密级配沥青混凝土（AC）9.513.216194.759.513.2161926.59.513.216199.513.2细粒式中粒式粗粒式26.531.513.2161926.513.2沥青玛蹄脂混合料（SMA）细粒式中粒式细粒式开级配沥青磨耗层（OGFC）16此外，在各沥青层中必须至少有一层为密级配沥青混合料。
基层、底基层
沥青路面结构中沥青面层主要起功能性作用，而非承重层。承担承重层作用的主要是基层。基层应具有稳定、耐久、较高的承载能力。
由于底基层是次要承重层，因此对材料质量要求较低，可更广泛地选择当地材料，以节约造价。
沥青路面的基层按材料和力学特性的不同可以分为柔性基层（沥青稳定碎石或无
暗自伤心，不如立即行动。
结合料级配碎石）、半刚性基层（无机结合料稳定土）和刚性基层（低强度等级混凝土）3种。
半刚性基层、底基层主要包括水泥稳定类、石灰稳定类、石灰粉煤灰（二灰）稳定类。半刚性基层的板体性较好、整体强度高，可以大大提高沥青路面结构的整体刚度。半刚性基层的主要缺点是收缩开裂和不能很快排水。半刚性基层收缩开裂会引起反射裂缝；
半刚性基层强度很高，致使半刚性基层本身非常致密，几乎成为完全不透水的层次。从面层下渗的水只能积存在面层与基层之间，在车轮荷载的反复作用下，基层表面逐步破坏，成为灰浆，并通过面层的裂缝挤到路面上来，这就是通常所说的“唧浆”，成为沥青面层水损坏的重要原因。
垫层
垫层是设置在底基层和土基之间的结构层，它的功能是改善土基的湿度和温度状况，以保证面层和基层的强度、刚度和稳定性不受土基水温状况变化而造成的不良影响。另一方面的功能是将基层传下的车辆荷载加以扩散，以减小土基顶面的应力和变形。同时也能阻止路基土挤入基层中，影响基层结构的性能。故垫层常铺设在土基水温状况不良地段。在冻深较大的地区铺设的能起防冻作用的垫层称为防冻层；在地下水位较高的地区铺设能起隔水作用或防止地表积水下渗的垫层称为隔离层。
修筑垫层的材料强度要求不一定高，但水稳定性和隔温性能要好。常用的垫层材料分为两类，一类是由松散粒料，如砂、砾石、炉渣等组成的透水性垫层；另一类是用水泥或石灰稳定土等修筑的稳定类垫层。
各级公路的排水垫层应与边缘的排水系统相连接，垫层应铺筑到路基边缘或与边沟下的渗沟相连接。
暗自伤心，不如立即行动。
层间结合要求
设计时应采取技术措施，加强路面各结构层之间的结合，提高路面结构的整体性，避免产生层间滑移。
①沥青层之间应设黏层。黏层沥青可用乳化沥青、改性乳化沥青或热沥青，洒布数量宜为0.3-0.6kg/m2。
②各种基层上宜设置透层。透层沥青应具有良好的渗透性能，可用液体沥青、乳化沥青等。
③在半刚性基层上应设下封层。
④新旧沥青层之间，沥青层与旧水泥砼板之间应洒布黏层沥青，宜用热沥青或改性乳化沥青、乳化沥青。
⑤拓宽路面时，新、旧路面接茬处宜喷涂黏结沥青。
⑥双层式半刚性材料基层宜采取连续摊铺、碾压工艺，增强层间结合，已形成整体。
特别提示：如果沥青路面各层之间不能形成整体，那路面的承载力就会受到很大影响。因次，必须要强化黏层油，改进透层油，保证沥青层之间以及沥青层与非沥青层之间能够黏结成整体，这是防止沥青路面发生早期破坏、保证沥青路面使用寿命的前提。
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