（道路与铁道工程专业论文）沥青路面结构与材料设计一体化研究.pdf

手两斐 我国目前存在半刚性基层沥青路面结构设计和材料设计脱节的问题。为 解决这一问题，防止路面由此出现早期破损，论文对半刚性基层沥青路面各 沥青结构层的层位分工特性、合理层厚和基于层位分工论的沥青混合料设计 方法进行了系统的研究。 首先，论文分析了半刚性基层沥青路面疲劳裂缝的形成机理。并采用粘 弹性层状体系理论和计算机程序进行力学研究，发现在常温条件下，由荷载 引起的半刚性基层沥青路面面层内部常温拉应力沿路面竖向的分布规律为： 当所有层间完全连续接触时，面层内部的不出现拉应力；当基层与面层之间 部分连续接触或完全光滑接触( 其余各层间完全连续接触) 时，面层内部的 常温拉应力数值从面层顶面向面层底面逐渐增大，并在面层底面取得最大值。 由此确定半刚性基层沥青路面的主抗疲劳区位于下面层。 其次，论文分析了半刚性基层沥青路面温缩裂缝的形成机理。并采用希 尔斯( h i l l s ) 和布来因( b r i e n ) 提出的低温温缩应力计算公式进行力学研究， 发现半刚性基层沥青路面的面层内部低温温缩应力数值，从面层底面向面层 顶面逐渐增大，并在面层顶面取得最大值。由此确定半刚性基层沥青路面主 抗低温缩裂区位于上面层。 再者，论文分析了半刚性基层沥青路面车辙的形成机理。并采用粘弹性 层状体系理论和计算机程序进行力学研究，发现在高温条件下，由荷载引起 的半刚性基层沥青路面面层内部高温剪应力t 。数值，从面层顶面和面层底 面同时向路面深度为7 c m 的面层中部位置逐渐增大，并在该面层中部位置取 得最大值。由此确定半刚性基层沥青路面的主抗车辙区位于中面层，而上面 层和下面层对抗车辙只起次要作用。论文通过以上粘弹性层状体系应力分析 结果，发现对于半刚性基层沥青路面，当面层与基层之间的接触条件由完全 连续向部分连续转变，并进而向完全光滑转变时( 其余各层之间保持完全连 续) ，沥青面层内部的高温剪应力和常温拉应力逐渐增大，证实了增强面层与 基层层间结合能力的重要性。 然后，论文研究了贝雷法级配参数对沥青混合料性能的影响，并根据层 位分工论和试验方法，研究了半刚性基层沥青路面各沥青结构层的层位分工 特性、合理层厚和合理的贝雷法级配参数。对于沥青上面层，c a 比的合理 取值为0 4 ，要求范围为o 4 0 4 5 ；f a c 比的合理取值为0 5 要求范围为 o + 4 5 o 5 ；以p t p # 表示粗集料设计密度与粗集料松装密度的比值，p t p # 的合理取值为1 0 0 ，要求范围为9 5 1 0 5 。对于沥青中面层，c a 比的 合理取值为0 4 ，要求范围为0 4 o 4 5 ；f a c 比的合理取值为0 4 ，要求范围 为o 3 5 o 4 5 ；p 口p # 的合理取值为1 0 0 ，要求范围为9 5 1 0 5 。对 于沥青下面层，c a 比的合理取值为0 4 ，要求范围为0 4 o 4 5 ；f a c 比的 合理取值为o 5 ，要求范围为o 4 5 o 5 ；p 设p 橙的合理取值为9 5 ，要求范 围为9 5 1 0 0 。论文还研究了根据半刚性基层沥青路面各沥青结构层的层 位分工特性确定沥青混合料配合比性能检验指标的方法，以确定合理的最佳 沥青用量。 最后，论文通过勉宁高速公路课题试验路面与原设计沥青混凝土路面的 对比研究，证实了结构与材料设计一体化方法对于半刚性基层沥青路面具有 较好的工程实用性。 关键词：常温拉应力：低温温缩应力；高温剪应力；主抗疲劳区； 主抗低温缩裂区；主抗车辙区；层位分工论； 贝雷法c a 比； 贝雷法f a c 比；粗集料设计密度 l i a b s t r a c t t h e r ei sa p r o b l e mt h a ts t r u c t u r ed e s i g na n dm a t e r i a l sd e s i g na r ed i s j o i n t e da b o u tt h e a s p h a l tp a v e m e n t 、v i t hs e m i r i g i db a s ei no l l rc o u n t r y i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e ma n d p r e v e n tp a v e m e n tf r o md a m a g i n ge a r l yd u et ot h ep r o m b l e m ，t h ep a p e rs t u d i e ds t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e a s o n a b l et h i c k n e s so f e v e r ya s p h a l tl a y e ri n t h ea s p h a l tp a v e m e n tw i t hs e m i r i g i db a s e ，a n dr e s e a c h e di n t ot h ea s p h a l tm i x t u r ed e s i g n m e t h o db a s e do nt h el a y e rc o n t r i b u t i o nt h e o r ys y s t e m i c a l l y f i r s t l y , t h ep a p e ra n a l y s e dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h ef a t i g u ec r a c ki na s p h a l t p a v e m e n tw i t l ls e m i r i g i db a s e h a v i n gc a r r i e d o u tt h em e c h a n i c sr e s e a r c hw i t ht h e v i s c o e l a s t i c l a y e r ss y s t e mt h e o r ya n dt h ec o m p u t e rp r o g r a m , t h ep a p e rf i n d st h a tt h e s t r e t c h i n gs t r e s sd u e t ot h el o a da c c o r d sw i t hac e r t a i nl a wa l o n gv e r t i c a li nt h ea s p h a l tc o a ta t u s u a lt e m p e r a t u r e w h i l et h ec o n t a c tc o n d i t i o n so fa l ll a y e r si np a v e m e n ta l ec o n t i n u o u s c o m p l e t e l y , t h e r ei sn os t r e t c h i n gs t r e s sd u et ot h el o a di nt h ea s p h a l tc o a ta tu s u a l t e m p e r a t u r e w h i l et h ec o n t a c tc o n d i t i o no ft h ea s p h a l tc o a tw i t ht h eb a s ei sc o n t i n u o u s p a r t i a l l yo rs l i p p e r yc o m p l e t e l y ( t h eo t h e rc o n t a c tc o n d i t i o n so f t h el a y e r si np a v e m e n ta r e c o n t i n u o u sc o m p l e t e l y ) ，t h es t r e t c h i n gs t r e s sd u et ot h el o a di n c r e a s e sg r a d u a l l yf r o mt h et o p p o s i t i o nt ot h eb o t t o mp o s i t i o ni nt h ea s p h a l tc o a ta tu s u a lt e m p e r a t u r e ，a n dt h ev a l u eo f t h e s a r e t c h i n gs t r e s sa tt h eb o t t o mp o s i t i o ni st h em a x i m u mv a l u ei nt h ea s p h a l tc o a t s ot h e p a p e rr e a c h e st h ec o n c l u s i o nt h a tt h el e a d i n ga r e at or e s i s tf a t i g u el i e sa tt h ea s p h a l tl o w e r c o a t s e c o n d l y , t h ep a p e ra n a l y s e dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo f t h et e m p e r a t u r ec o n t r a c t i o n c r a c ki na s p h a l tp a v e m e n tw i t hs e m i - r i g i db a s e h a v i n gc a r r i e do u tt h em e c h a n i c sr e s e a r c h w i t l lt h et e m p e r a t u r ec o n t r a c t i o ns t r e s sc a l c u l a t i o nf o r m u l ae d u c e db yh i l l sa n db r i e n , t h e p a p e rf i n d st h a tt h et e m p e r a t u r ec o n t r a c t i o ns t r e s si n c r e a s e sg r a d u a l l yf r o mt h eb o t t o m p o s i t i o nt ot h et o pp o s i t i o ni nt h ea s p h a l tc o a ta tl o wt e m p e r a t u r e , a n dt h ev a l u eo ft h e t e m p e r a t u r ec o n t r a c t i o ns t r e s sa tt h et o pp o f i t i o ni st h em a x i m u mv a l u ei nt h ea s p h a l tc o a t s ot h ep a p e rr e a c h e st h ec o n c l u s i o nt h a tt h el e a d i n ga r e at or e s i s tt h et e m p e r a t u r ec o n t i - a c t i o n c r a c kt i e sa tt h ea s p h a l tt o pc o a t t h i r d l y , t h ep a p e ra n a l y s e dt h ef o r m a t i o nm e c h a n i s mo ft h er u to na s p h a l tp a v e m e n t w i t hs e m i - r i g i db a s e h a v i n gc a r r i e do u tt h em e c h a n i c sr e s e a r c hw i t l lt h ev i s c o e l a s t i cl a y e r s s y s t e mt h e o r ya n dt h ec o m p u t e rp r o g r a m , t h ep a p e rf i n d st h a tt h es h e a rs l l e s sk d u et ot h e l o a di n c r e a s e sg r a d u a l l yf r o mt h et o pp o s i t i o na n dt h eb o t t o mp o s i t i o ns i m u l t a n e o u s l yt ot h e m i d d l ep o f i t i o nw h o s ed e p t hi s7c e n t i m e t e ri nt h ea s p h a l tc o a ta th i g ht e m p e r a t u r e ，a n dt h e v a l u eo ft h es h e a rs t r e s sk a tt h em i d d l ep o s i l i o nw h o s ed e p t hi s7c e n t i m e t e ri st h e m a x i m u mv a l u ei nt h ea s p h a l tc o a t s ot h ep a p e rr e a c h e st h ec o n c l u s i o nt h a tt h el e a d i n ga r e a t or e s i s tr u tl i e sa tt h ea s p h a l tm i d d l ec o a c ，a n dt h a tt h ea s p l l a l tu p p e rc o a ta n dt h ea s p h a l t t n l o w e rc o a tp l a yas e c o n d a r yr o l ei nr e s i s t i n gr u t t h r o u g ht h es t r e s sa n a l y s i sr e s u l to ft h e v i s c o e l a s t i cl a y e r ss y s t e mi nt h ef n - s tp a r ta n dt h es e c o n dp a r t , t h ep a p e rf i n d st h a tw h i l et h e c o n t a c tc o n d i t i o no ft h ea s p h a l tc o a tw i t ht h eb a s ec h a n g e sf r o mc o m p l e t ec o n t i n u i t yt o p a r t i a lc o n t i n u i t ya n d t oc o m p l e t es l i p p a g ef u r t h e r ( t h eo t h e rc o n t a c tc o n d i t i o n so f t h el a y e r s i np a v e m e n ta r ec o n t i n u o u sc o m p l e t e l y ) ，t h es h e a rs t r e s sa th i g ht e m p e r a t u r ea n dt h e s t r e t c h i n gs t r e s sa tu s u a lt e m p e r a t u r ei n c r e a s eg r a d u a l l yi nt h ea s p h a l tc o a to f p a v e m e n tw i t h s e m i r i g i db a s e t h er e s u l tc o n f i r m st h ei m p o r t a n c et oe n h a n c et h ec o h e r e n c ec a p a b i l i t yo f t h ea s p h a l tc o a tw i t ht h eb a s e f o u r t h l y , t h ep a p e rs t u d i e dt h ee f f e c to ft h eb a i l e ym e t h o dg r a d a t i o np a r a m e t e ro n a s p h a l t m i x t l l r e p r o p e r t y , a n d r e s e a c h e di n t os t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s 、r e a s o n a b l et h i c k n e s sa n db a i l e ym e t h o dg r a d a t i o np a r a m e t e ro f e v e r ya s p h a l t l a y e ri nt h ea s p h a l tp a v e m e n t 、i t hs e m i r i g i db a s e i na s p h a l tt o pc o a t , t h er e a s o n a b l ec a r a t i oi s0 4 ，a n di t sr e q u e s t e dr a n g ei so 4 o 4 5 ；t h er e a s o n a b l ef a cr a t i oi s0 5 ，a n di t s r e q u e s t e dr a n g ei s0 4 5 0 s ：p 诖伊拴d e n o t e st h er a t i oo ft h ec o a r s ea g g r e g a t ed e s i g n e d d e n s i t yt ot h ec o a r s ea g g r e g a t el o o s ed e n s i t y , t h er e a s o n a b l ev a l u eo fp 强| p 锰i s1 0 0 。 a n di t sr e q u e s t e dr a n g ei s9 5 1 0 5 i na s p h a l tm i d d l ec o a t , t h er e a s o n a b l ec ar a t i oi s o 4 ，a n di t sr e q u e s t e dr a n g ei s0 4 0 4 5 ；t h er e a s o n a b l ef a cr a t i oi s0 4 ，a n di t sr e q u e s t e d r a n g ei s0 3 5 0 4 5 ；t h er e a s o n a b l ev a l u eo f 风风i s1 0 0 ，a n di t sr e q u e s t e dr a n g ei s 9 5 1 0 5 i n a s p h a l t l o w e r c o a t , t h e r e a s o n a b l e c a r a f t o i s 0 4 。a n d i t sr e q u e s t e d l a n g e i s 0 4 0 4 5 ；t h er e a s o n a b l ef a cr a t i oi s0 5 ，a n di t sr e q u e s t e dr a n g e i s0 4 5 0 5 ；t h e r 黜a b l ev a l u eo fp 设p 镕i s9 5 ，a n di t sr e q u e s t e dr a n g ei s9 5 1 0 0 t h ep a p e r s t u d i e dt h em e t h o dt of i xt h ea s p h a l tm i x t u r ep e r f o r m a n c et e s ts t a n d a r db ys t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fe v e r ya s p h a l tl a y e ri nt h ea s p h a l tp a v e m e n t w i t hs e m i - r i g i db a s e ，s ot h a tt h er e a s o n a b l eo p t i m u ma s p h a l tc o n t e n tc a nb eg a i n e d l a s t l y , t h r o u g ht h ec o n t r a s tr e s e a r c ho nt h et e s tp a v e m e n to fm i a n - n i n gf l e e w a yw i t h t h eo r i g i n a la s p h a l tp a v e m e n t , t h ep a p e rc o n f i r m st h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c a l i t yo f t h em e t h o d u n i f y i n gs t r u c t u r ed e s i g na n dm a t e r i a l sd e s i g n t ot h ea s p h a l tp a v e m e n tw i t hs e m i - r i g i db a s e k e y w o r d s ：s t r e t c h i n g s t r e s s a t u s u a l t e m p e r a t u r e ；c o n t r a c t i o n s t r e s s a t l o w t e m p e r a t u r e ； s h e a rs t r e s sa th i g ht e m p e r a t u r e ；l e a d i n g a r e at or e s i s tf a t i g u e ； l e a d i n ga r e at or e s i s tt h et e m p e r a t u r ec o n t r a c t i o nc r a c k ； l e a d i n g a r e a t o r e s i s t r u t ；l a y e r c o n t r i b u t i o n t h e o r y ；, c a r a t i o o f b a i l e y m e t h o d ；f a c r a t i o o f b a i l e y m e t h o d ； c o a r s e a g g r e g a t ed e s i g n e dd e n s i t y i v 论文独创性声明 y 9 7 8 5 5 1 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文 中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：谬炙皿 形年f 月s n 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：谬疋坛 衫年月日 导师签名： 裁多多筘 p 石年占月居日 第一章绪论 1 1问题的提出 自1 9 8 8 年沈大高速公路、沪嘉高速建成通车以来，我国的公路事业进入 了以建设高速公路、一级公路等高等级公路为主的新时代。高速公路里程， 1 9 8 9 年全国仅为2 7 l k m ，到1 9 9 9 年突破1 万公里，到2 0 0 2 年突破2 万公里， 2 0 0 3 年已经超过3 万公里，到2 0 0 5 年底我国高速公路通车里程已达到4 _ 3 万公里。在这些已建成高速公路的沥青路面中，大部分路面的使用状况是 良好的，但也有一些高速公路的沥青路面出现了早期破损现象，例如早期车 辙、早期低温裂缝、早期水损害、早期反射裂缝和早期荷载作用下的开裂等。 为此，交通部公路司于2 0 0 5 年7 月1 日召开了全国公路沥青路面技术研讨会 探讨如何解决高速公路沥青路面早期破损问题。在研讨会上与会专家们一致 认为：当前我国一些高速公路沥青路面出现早期破损的一个重要原因是沥青 路面结构设计与材料设计脱节。 目前，根据公路沥青路面设计规范( j t j 0 1 4 9 7 ) ，我国新建沥青路面 的传统设计方法主要分四个步骤。 ( 1 ) 结构组合设计；( 2 ) 材料组成设计；( 3 ) 路面厚度计算；( 4 ) 技术 经济分析。 以高速公路沥青路面传统设计方法为例，在结构组合设计和材料组成设 计中，我们通常根据气象资料、公路等级、交通量和土基类型初步拟定几种 沥青路面结构组合方案。针对各种方案确定相应的沥青路面的上面层、中面 层、下面层、基层、底基层和垫层的材料类型，并选取当地合适的原材料做 试验确定各结构层组成材料的配合比，测定各结构层组成材料的设计参数。 而后根据设计弯沉值计算路面厚度，对沥青混凝土面层、半刚性基层和半刚 性底基层验算层底拉应力是否满足容许拉应力的要求，对季节性冰冻地区的 沥青混凝土路面尚应验算防冻厚度是否满足要求。最后对几种沥青路面结构 组合方案进行技术经济比较，确定最佳的沥青路面设计方案。 在上述沥青路面传统设计方法中，由于我们没有研究清楚沥青上面层、 中面层和下面层在结构性使用性能( 抗疲劳开裂性能、抗低温缩裂性能、抗 高温车辙性能、抗水损害性能、抗老化性能) 以及功能性使用性能( 平整舒 适性能、抗滑性能) 两个方面各自起什么作用，导致我们在确定沥青上面层、 中面层和下面层的材料组成时具有一定的盲目性。按照传统设计方法，我们 在确定沥青上面层、中面层和下面层组成材料的沥青技术指标、矿料技术指 标、矿料级配、沥青最佳用量、混合料的公称最大粒径以及空隙率等技术要 求时，没有考虑沥青上面层、中面层和下面层在结构性使用性能要求和功能 性使用性能要求方面的差别。而且，按照传统设计方法，我们在确定沥青上 面层、中面层和下面层组成材料的配合比设计性能检验指标( 如车辙动稳定 度、低温弯曲破坏应变、浸水马歇尔试验残留稳定度、冻融劈裂试验残留强 度比、渗水系数等) 要求时，会按照公路沥青路面施工技术规范( j t g f 4 0 2 0 0 4 ) 的要求，只考虑气候和沥青混合料类型( 如普通a c 、改性a c 、 s m a 、o g f c 等) 方面的差别，而不考虑沥青上面层、中面层和下面层在结 构性使用性能要求和功能性使用性能要求方面的差别。 由此可见，我国新建沥青路面的传统设计方法在结构设计与材料设计方 面确实存在着脱节的问题。 此外，总结我国高速公路建设的经验和教训，我们发现在进行沥青混合 料的材料设计时面临着一些性能要求上的矛盾，往往照顾了某一种性能，很 可能就会降低另一方面的性能。目前最突出的有以下三对矛盾。 ( 1 ) 抗高温车辙性能和抗低温缩裂性能的矛盾。例如为了提高沥青混合 料的抗高温车辙性能，我们希望采用针入度较低的沥青，但这样做会降低沥 青混合料的抗低温缩裂性能。 ( 2 ) 抗高温车辙性能和抗疲劳开裂性能的矛盾。例如为了提高沥青混合 料的抗高温车辙性能，我们希望采用较低的沥青用量，但这样做会降低沥青 混合料的抗疲劳开裂性能。 ( 3 ) 路面表面特性和耐久性的矛盾。高速公路表面层要求采用抗滑性能 好( 摩擦系数和构造深度较大) 、不溅水、噪音低的沥青混合料，但往往满足 这些要求的沥青混合料空隙率较大，导致耐久性较差。 基于此，本论文致力于解决以往沥青路面结构设计和材料设计脱节的问 题，以及沥青混合料材料设计面临的性能要求上的矛盾。实现沥青路面结构 设计和材料设计的一体化，使所设计出的沥青路面在结构性使用性能和功能 性使用性能两个方面同时达到最优。从而提高沥青路面使用寿命，降低全寿 命周期成本，防止出现沥青路面早期破损和功能障碍。 我国传统的沥青路面设计方法建立在双圆垂直均布荷载作用下的层间完 2 全连续多层弹性体系理论基础之上。但是沥青混合料是典型的粘弹性材料， 因此，本论文采用粘弹性层状体系理论，分析半刚性基层沥青路面的抗疲劳 开裂力学性能、抗低温缩裂力学性能和抗高温车辙力学性能，研究半刚性基 层沥青路面的主抗疲劳区、主抗低温缩裂区和主抗车辙区。进而研究半刚性 基层沥青路面上面层、中面层和下面层在结构性使用性能和功能性使用性能 方面的要求。最后，根据层位分工论研究确定半剐性基层沥青路面各结构层 沥青混合料的材料组成，使所设计出的沥青路面在结构性使用性能和功能性 使用性能两个方面达到最优。 1 2国内外研究概况 一、沥青路面结构材料设计一体化研究方面 1 9 9 3 年第七届国际沥青路面结构会议提出沥青路面的使用性能应当分 为两类1 2j ： ( 1 ) 结构性使用性能，包括抗疲劳开裂性能、抗低温缩裂性能、抗高温 车辙性能、抗水损害性能、抗老化性能； ( 2 ) 功能性使用性能，包括平整舒适性能、抗滑性能。 第七届国际沥青路面结构会议认为这两个性能体现了行驶车辆对沥青路 面使用寿命和使用品质的基本要求，应当研究使沥青路面在这两个性能方面 都达到最优的设计方法。显而易见，只有实现沥青路面结构与材料设计一体 化才能使沥青路面在这两个性能方面都达到最优。 2 0 0 2 年王哲人教授等人以吉林省长春至四平高速公路为依托工程，进行 了沥青路面结构设计和材料设计一体化课题研究工作。该课题以弹性层状体 系理论为基础研究了沥青上面层、中面层、下面层的车辙分布规律和疲劳寿 命，并参照粘弹性断裂力学的有关理论研究了沥青上面层、中面层、下面层 的的低温缩裂温度应力、开裂能和相对开裂率的分布规律。最终依据研究成 果对沥青路面进行了结构组合设计和材料组成设计，铺筑了沥青路面试验路。 该课题有效解决了长春至四平高速公路在寒冷地区沥青路面抗滑、抗裂和抗 疲劳的技术难题【3 】。 2 0 世纪末以来，永久性沥青路面成为世界各国沥青路面最为热门的研究 内容i l 】。永久性沥青路面的理念是能够使用4 0 年以上、采用较厚的沥青层的 柔性路面，其损坏主要发生在面层的项部，养护维修时通常只需将损坏的面层 顶部进行铣刨、罩面或加铺处理即可。目前，永久性沥青路面在美国、欧洲、 加拿大、澳大利亚甚至南非都在广泛研究。在e a p a ( 欧洲沥青路面协会) 1 9 9 6 年国际会议和1 9 9 7 年、2 0 0 2 年i s a p ( 世界沥青团体) 第8 、9 届国际会议中， 永久性沥青路面一直是会议的一个重要议题。2 0 0 4 年6 月i s a p ( 世界沥青团 体) 组织的永久性沥青路面国际研讨会介绍了美国、欧洲、加拿大永久性沥青 路面的使用经验。永久性沥青路面将成为西方发达国家未来高速公路最主要 的路面结构。美国永久性沥青路面的设计就体现了路面结构与材料设计一体 化思想，基于力学分析，该设计要求永久性沥青路面采用抗车辙、不透水、 抗磨耗的高质量沥青混合料表面层，抗车辙的沥青混合料联结层及抗疲劳的 热拌沥青混合料柔性基层。由于经济和技术水平的原因，目前我国不能照搬 西方发达国家的路面结构模式，应当进一步加强我国半刚性沥青路面的结构 与材料设计一体化研究，延长沥青路面的实际使用寿命，防止出现早期损坏， 最大限度地降低全寿命周期成本。 二、沥青路面结构设计方法和力学性能研究方面 1 、沥青路面结构设计方法 目前世界各国的沥青路面设计方法种类很多，各有各的特色。在这些设 计方法中，著名的美国a a s h t o2 0 0 2 路面设计方法一力学经验法在国际上 备受关注，该方法以弹性层状体系理论和有限元理论为路面力学计算的基 础，模拟各地不同的气候、材料和交通荷载条件作为设计条件，采用力学计 算加经验的路面结构设计方法得到初步设计结果，并通过损坏预估模型对初 步设计结果进行分析和调整，最后通过使用过程总成本效益分析确定设计方 案。该设计方法把将来的维修和全寿命周期成本综合起来考虑，因而具有很 大的优势。 另外，壳牌公司提出的壳牌沥青路面设计方法在国际上的影响也很大， 并受到我国路面科研工作者的青睐【l 】。该设计方法以弹性层状体系理论为基 础，将沥青路面结构分为三层，即沥青层、基层和路基，各层的特性用弹性 模量、泊松比及厚度来反映。交通荷载以标准双轮轴载次数为代表，设计年 限内的累计轴次即为设计寿命。临界荷位的应力和应变由计算机程序 b i s a r ( b i t u m e ns t r e s s a n a l y s i si n r o a d ) 计算，主要设计标准为沥青层的容许 4 拉应变和路基项面的容许压应变，前者控制开裂，后者控制路面的变形。该 设计方法开发的计算机软件能够进行沥青及沥青混合料力学性能预测、路面 结构应力应变分析、新建路面沥青层厚度的确定、路面车辙深度的预测以及 旧路罩面设计，因而得到广泛的应用。 以上两种沥青路面设计方法的思路都值得借鉴。但是，由于它们都采用 弹性层状体系理论进行力学分析，因而在研究沥青路面的结构性使用性能( 车 辙、疲劳、低温缩裂等) 方面具有一定的局限性。 2 、沥青路面力学性能研究 在沥青路面的抗高温车辙力学性能研究方面，美国联邦公路管理局在 v e s y s 中提出了以粘弹性体系理论为基础的车辙预估模型，该模型认为路面 材料的永久变形是应力、加载时间、温度、含水量的函数。但是a a s h t o 试 验路及加拿大b r a m p t o n 试验路验证表明，该方法的车辙预估值比实测值小得 多【4j 。另外，壳牌公司以弹性层状体系理论为基础，开发了专门的程序来预 测沥青层在使用年限内产生的车辙，以控制所设计的路面结构在使用过程中 不会出现过大车辙，即高速公路不超过1 0 m m ，普通道路不高于3 0 m m 1 1 。同 济大学许志鸿教授以弹性层状体系理论解为基础，采用l a p l a c e 变换将弹性 层状体系理论解中的弹性常数代之以弹粘性算子，荷载也用相应的l a p l a c e 变换代替，通过l a p l a c e 变换中的初值定理和终值定理求解的方法，对沥青 路面的车辙进行预估 5 1 。 在沥青路面抗疲劳开裂力学性能研究方面，长沙交通学院郑健龙教授采 用b u r g e r s 粘弹性模型对沥青混合料疲劳过程进行分析，其b u r g e r s 粘弹性模 型参数是通过动模量试验确定的。为了描述粒沥青混合料在疲劳过程中疲劳 损伤的累计效应，郑健龙教授在b u r g e r s 粘弹性本构关系中引入指数型疲劳 损伤函数，通过解析法计算任意重复加载次数后计算点的总耗散能密度，最 终导出了应力控制疲劳方程与应变控制疲劳方程之间的转换关系1 6 。同济大 学许志鸿教授对沥青混合料小梁弯拉疲劳试验与劈裂疲劳试验做了对比，说 明在中国现有条件下，室内疲劳试验采用劈裂疲劳试验方法的合理性。许志 鸿还通过疲劳试验结果提出几种高等级道路常用沥青混合料的疲劳方程及沥 青混合料抗拉强度结构系数k ，供设计参考【7 】。 在沥青路面抗低温缩裂力学性能研究方面，佛山大学吴赣昌教授从热弹 性层状弹性体系理论出发，利用广义解析函数边值理论及奇异积分方程理论， 提出了二维层状路面结构温度应力的计算方法。吴赣昌教授的研究结果表明， 在半刚性基层沥青混凝土路面结构中，低温收缩应力是导致路面结构开裂的 主要因素，路面低温收缩开裂的形式为从表面向下开裂，且裂缝呈上宽下窄 形式【8 1 。东南大学李国强教授、黄卫教授和邓学钧教授基于b u r g e r s 模型提出 了f e n r 四元件非线形流变模型，用以表征沥青混凝土蠕变直至破坏的全过 程。李国强教授等人通过该模型提供了沥青混凝土蠕变破坏判据o 。，并推 导了路面缩裂温度预估方程【9 】。长沙交通学院郑健龙教授将路面温度场的计 算简化为一维模型，通过拉普拉斯变换，用解析法分别求得了气候因素周期 性变化情况下和持续大幅降温情况下得路面温度场；并借助于自行研制的低 温低频疲劳试验机和约束试件温度应力试验仪( t s r s t ) ，通过直接拉伸试验 对若干不同温度下沥青混合料的极限抗拉强度开展试验研究，通过应力松弛 试验验证了沥青混合料的粘弹性流体特性和热流变简单特性。此外，郑健龙 教授应用变温条件下的热粘弹性本构关系，将温度场的分析和路面温度应力 的分析结合起来，导出了沥青路面温度应力场计算的数学模型及相应的时间增量 有限元格式；并推导出了路面温度应力计算一维应力状态下的简单模型，从而可 以直接根据沥青混合料的松弛模量和路面温度变化规律计算路面温度应力【1 “。 三、沥青路面材料设计研究方面 目前国内外沥青路面采用的沥青混合料种类很多，各种沥青混合料的技 术发展也很迅速。本文选择几种目前在国际上影响较大的沥青混合料类型， 对其的研究概况做一说明。 1 、s u p e r p a v e 沥青混合料 s u p e r p a v e 沥青混合料是1 9 8 7 年开始的美国公路战略研究计划( s h r p ) 历经5 年后推出的产品。s u p e r p a v e 沥青混合料的设计方法该由沥青结合料规 范、混合料设计与分析系统、计算机软件三部分组成，其目标是设计一种高 性能的骨架密实型沥青混合料。s u p e r p a v e 沥青混合料设计方法将沥青分为7 个p g 性能等级，提出s u p e r p a v e 级配设计方法，并采用旋转压实仪s g c 确 定混合料的最佳沥青用量。s u p e r p a v e 材料设计方法在在世界各国受到了关 注，并在中国江苏省等省份得到了大力推广应用。s u p e r p a v e 级配设计方法很 有特色，包括2 个关键的参数，控制点和禁区。控制点的功能为级配必须通 过其间的范围，控制点位于最大公称尺寸、中等尺寸( 2 3 6 m m ) 和最小尺寸 6 ( o 0 7 5 m m ) ；而禁区则位于中等尺寸和o3 m m 之间，级配不得通过。s h r p a 一4 1 0 中提出设立禁区主要有2 个目的，一是能够限制由于大量使用天然砂 而引起级配曲线在o 6 m m 处产生驼峰曲线，二是不鼓励级配落在最大密度线 上，从而导致v m a 不足。该报告同时鼓励混合料设计者将级配通过禁区下方 而不是上方，这样能形成更粗的级配和最大强度的集料结构。在二十世纪九十 年代，美国各洲公路管理部门通常都要求设计者在级配设计时避开禁区，有些 洲甚至规定绝对不能通过禁区1 1 1 1 。 国外对s u p e r p a v e 级配禁区做了大量的研究【n “6 1 ，对禁区的存在性和合 理性提出质疑，目前比较流行的说法是在当所有其他的s u p e r p a v e 体积指标 和细集料棱角性( f a a 值) 得到满足的情况下，禁区是多余的。与此同时， s u p e r p a v e 级配设计方法也在不断的研究发展之中，例如美国乔治亚洲运输部 2 0 0 2 年薪规范提出s u p e r p a v e 9 5 2 5 的各种规格混合料的级配范围，一方面 其范围比原来的控制点范围窄得多，另一方面不少级配范围通过了禁区。 但是国内有研究人员认为，由于我国集料的生产质量远远不如国外，集 料的材料特性往往难以满足要求，因此禁区的存在还是有必要的，在实际应 用中还是避开的好1 1 ”。 事实上，由于s u p e r p a v e 沥青混合料设计方法需要昂贵的设备和大量的 气候资料，该材料设计方法在美国还没有达到全面实用的阶段，仍处于研究 和发展完善阶段，目前我国也只在江苏等省份得到研究使用。因此，目前我 们不能原样照搬该材料设计方法，只能继续关注其最新的研究成果，借鉴其 混合料设计同工程实际相结合的思想进行我国的材料设计研究。 2 、s m a 沥青玛蹄脂碎石 s m a 沥青玛蹄脂碎石是一种间断密级配沥青混合料。s m a 路面技术起 源于德国，现己在欧洲许多国家和美国大量推广使用，并在这些国家建立了 s m a 路面的规范标准【1 引。s m a 路面具有优良的抗高温车辙性能、抗低温缩 裂性能、耐疲劳性能、水稳定性、抗滑性能和低噪声性能。我国已将s m a 路面技术列入沥青路面施工技术规范中，但该项技术在全国不同地区的研究 和应用程度差别很大。在北京、河北和广东，s m a 路面技术于2 0 世纪9 0 年 代就开始进行研究和应用。在江苏，s m a 路面技术于近些年得到了较为