半刚性基层沥青路面与长寿命沥青路面比较分析
ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳＳＴＡＮＤＡＲＤＩＺＡＴＩＯＮ．Ｎｏ．１０，２００５
《交通标准化》２００５年第１０期
求。这表明ＳＢＳ改性沥青抗滑表层具有良好的经济效益和社会效益，具有广阔的应用前景。６结语
由以上分析可以得出以下结论：
ａ）
加德士沥青经ＳＢＳ改性后，软化点提高了４０℃，５℃延度大于３０ｃｍ，表明ＳＢＳ改性沥青具有优良的抗低温开裂性能和高温稳定性；
ｂ）从室内试验和路面试验结果可以看出，ＳＢＳ改性沥青抗滑表层具有优良的高温稳定性、抗水害
性及抗车辙性能；
ｃ）
从综合性能上分析，高性能沥青混合料也具有较好的路用性能，适用于沥青面层；
ｄ）ＳＢＳ改性沥青抗滑表层修筑公路可延长路面使用寿命，大大节省路面维修费用，有较好的社会效益和经济效益，具有良好的推广应用价值。
参考文献
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［３］ＪＴＪ０３２－９４，公路沥青路面施工技术规范［Ｓ］．
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公路改性沥青路面施工技术规范［Ｓ］．［５］肖鹏，李雪峰．基于ＶＢ６．０的沥青混合料配合比优化设计［Ｊ］．交通标准化，２００５，（６）
：６８－７０．［６］沈金安．改性沥青与ＳＭＡ路面［Ｍ］．北京：人民交通出版社，１９９９．
基金项目：江苏省交通厅项目（项目编号０２ｙ０２９）
作者简介：肖鹏（１９６１－），男，江苏靖江人，扬州大学建筑科学与工程学院副教授，河海大学博士生。收稿日期：２００５－０３－０４
"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""半刚性基层沥青路面与长寿命沥青路面
比较分析
国莉１，苑红凯２，史超２
（１．河北省交通厅国际金融组织贷款项目办公室，河北石家庄０５００３１；２．东南大学交通学院ＩＴＳ研究中心，江苏南京２１００９６）
摘要：半刚性基层沥青路面和长寿命沥青路面均可作为高等级公路的路面结构型式，但有其各自的适用范围，施工管理部门应结合实际，从中找出最为有效的方法以确保路面的长期使用。
关键词：半刚性基层沥青路面；长寿命沥青路面；车辙；疲劳；综合效益中图分类号：Ｕ４１６．２２３
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００２－４７８６（２００５）１０－００３８－０４
ＳｔｕｄｙｏｎＣｏｍｐａｒｉｎｇｏｆＳｅｍｉｒｉｇｉｄＲｏｏｔＡｓｐｈａｌｔＰａｖｅｍｅｎｔ
ｗｉｔｈＬｏｎｇ－ｔｅｒｍＡｓｐｈａｌｔＰａｖｅｍｅｎｔ
ＧＵＯＬｉ１，ＹＵＡＮＨｏｎｇ－ｋａｉ２，ＳＨＩＣｈａｏ２
（１．ＬｏａｎＰｒｏｖｉｄｉｎｇＯｆｆｉｃｅｏｆＩＦＣ，ＨｅｂｅｉＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＯｆｆｉｃｅ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００３１，Ｃｈｉｎａ；２．ＩＴＳＲｅｓｅａｒｃｈ
ＣｅｎｔｅｒｏｆＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｅｉｔｈｅｒｓｅｍｉｒｉｇｉｄｒｏｏｔａｓｐｈａｌｔｐａｖｅｍｅｎｔｏｒｌｏｎｇ－ｔｅｒｍａｓｐｈａｌｔｐａｖｅｍｅｎｔｃａｎｂｅｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｏｆｈｉｇｈｗａｙｗｉｔｈｈｉｇｈｇｒａｄｅ，ｗｉｔｈａｐｐｌｙｉｎｇｓｃｏｐｅｓｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｍａｎａｇｉｎｇｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｓｆｏｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｆｉｎｄｔｈｅｍｏｓｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅｗａｙｓｏａｓｔｏｅｎｓｕｒｅｉｔｓｕｓｉｎｇｉｎｌｏｎｇｔｉｍｅ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉｒｉｇｉｄｒｏｏｔａｓｐｈａｌｔｐａｖｅｍｅｎｔ；ｌｏｎｇ－ｔｅｒｍａｓｐｈａｌｔｐａｖｅｍｅｎｔ；ｔｒａｃｋ；ｔｉｒｅｄｎｅｓｓ；ｃｏｍｐｒｅ－ｈｅｎｓｉｖｅｂｅｎｅｆｉｔ
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后轴重
（ｋＮ）轮压（ＭＰａ）荷载半径ｒ
（ｃｍ）轮心间距３ｒ（ｃｍ）６００．５９６８．９５２６．８５８００．６５６９．８５２９．５５１０００．７０７１０．６５３１．９５１２００．７５１１１．２８３３．８３１４００．７９１１１．８７３５．６１１６００．８２７１２．４１３７．２２１８０
０．８６０
１２．９１
３８．７３
表２
计算参数
结构类型厚度（ｃｍ）模量（ＭＰａ）泊松比沥青混凝土４１４０００．２５沥青混凝土５１４０００．２５沥青混凝土６１２００
０．２５半刚性材料沥青稳定材料２０１６００１２００
０．２５石灰土３０６０００．２５土基－４０
０．３５
１引言
当前，我国所修建的高速公路中９０％以上为半刚性基层沥青路面结构，这种结构承载能力强，车辙深度小，水稳定性好，且已成为我国高等级公路的主要结构型式。但实践证明，半刚性基层沥青路面有一些不可避免的技术问题，如由于半刚性基层材料的收缩特性而导致的沥青路面早期开裂，半刚性基层材料在行车荷载、水和温度梯度的综合作用下出现的基层唧泥现象，在重交通条件下出现的早期疲劳损坏现象等等。为此，从路面结构设计理念上寻找原因，探索新的路面结构型式是解决现有问题的途径之一。
长寿命路面的设计理念代表了国外高等级公路路面结构选择和设计的新趋势。有关人士普遍认为，这种路面结构能有效地减少水损害，使路面结构的受力相协调，在重交通条件下具有较长的使用寿命，并有利于采用统一的沥青材料保证路面质量。但长寿命沥青路面也有其适用的条件，如果不做全面的技术经济分析，就不能保证其良好的使用性能和投资效益。当前，国外此类路面已经取得了一定的理论基础和实践经验，因此，借鉴国外经验，对半刚性基层沥青路面和长寿命沥青路面进行比较分析，探讨这两种路面结构的设计特点和各自的适用性，对克服我国高速公路结构型式单一、早期损坏严重、总体成本较高的缺点是十分必要的。２半刚性基层沥青路面与长寿命沥青路面路用性能的比较
本文参考我国高速公路常用的路面结构型式和英国全厚式路面结构型式，拟定表１所示的路面结构和材料参数，并通过理论计算来比较这两种路面结构的路用性能的差异。
根据赫克洛姆（Ｈｅｕｋｅｌｏｍ）和克罗朴（Ｋｌｏｍｐ）
提出的轮载Ｐ与接地压力ｐ之间的关系，计算不同轴载时的轮压，即：
ｐｉｐ＝（ＰｉＰ
）１／３（１）
式中，Ｐｉ，Ｐ分别为换算轴载和标准轴载，ｐｉ，ｐ分别为相应轴载的轮压。标准轴载为单轴双轮
１００ｋＮ，轮压０．７０７ＭＰａ，按式（１）计算不同轴载有关的荷载参数见表２所示。
利用ＢＩＳＡＲ程序计算这两种路面结构在不同轴载时的基层层底拉应力及路表轮隙弯沉的大小，如图１、图２所示。
２．１承载能力的比较
由图１可以看出，对于路面总厚度均为６５ｃｍ的这两种不同的路面结构，沥青稳定基层路面路表轮隙弯沉大于半刚性基层沥青路面的路表轮隙弯沉，且弯沉随轴载的增加而线性增加。在相同轴载作用下，长寿命沥青路面与半刚性基层沥青路面的路表轮隙弯沉之比为１．０２，表明半刚性基层沥青路面的承载能力稍大于长寿命沥青路面。然而，随着时间的推移，沥青材料会逐渐老化，研究表明：从沥青混合料的拌和到摊铺阶段，沥青材料的针入度指标从１００降至７０。在随后的服务期内，针入度继续减少，２０年后，甚至减少到２０。沥青材料的老化会导致基层弹性模量增大，承载能力增强。现场实测也
表１
路面结构参数
半刚性基层
沥青稳定基层８０７０６０５０４０３０２０１００６０
８０
１００
１２０
１４０
１６０
轴重（ｋＮ）
弯沉（ｍｍ／１００）图１半刚性基层路面与全厚式路面路表轮隙弯沉比较
沥青稳定基层
半刚性基层
０．２０．１５０．１
０．０５０
基底拉应力（ＭＰａ）
６０
８０
１００１２０
１４０１６０
轴重（ｋＮ）
图２半刚性基层与沥青稳定基层基底拉应力比较
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表明，长寿命沥青路面路表弯沉随时间和作用的交通量的增大而逐渐减小，这说明由于基层模量增大所产生的强度大于由车辆荷载作用所消减的强度，路面的承载能力逐渐增强。半刚性基层沥青路面的承载能力与此相反，随着车辆荷载的增加，基层结构受到破坏，弯沉逐渐增加，承载能力消减很快。２．２疲劳性能的比较
由图２可以看出，半刚性基层层底拉应力在同样轴载的作用下大于沥青稳定基层，且其随轴载的变化率大于沥青稳定基层。两种基层层底拉应力的大小与轴重成线性关系。根据我国沥青路面设计规范，在计算沥青混合料与半刚性材料的结构强度系数Ｋ＝Ｂ０ＮＣ时采用的系数ｃ分别为０．２２和０．１１，因此，根据疲劳方程的指数形式，有对于沥青混合料疲劳方程为：
Ｎ０＝ｋ０σ－１／０．２２＝ｋ０σ
－４．５５
（２）
对于半刚性材料疲劳方程为：
Ｎ１＝ｋ１σ－１／０．１１＝ｋ１σ－９．１
（３）
假定标准轴载作用下疲劳寿命为１，计算不同轴载作用时的相对疲劳寿命见表３所示。其结果表明：沥青稳定材料对重轴载具有良好的适应性，当道路上行驶的超载车辆较多时，采用沥青稳定基层路面具有较高的疲劳寿命；当车辆以不超过１００ｋＮ的普通车为主时，采用半刚性基层路面能够获得更长的使用寿命。
对长寿命沥青路面，增大基层厚度或提高基层
的沥青含量可达到良好的抗疲劳性能。ＴＲＬ对长寿命沥青路面的试验路的检测发现，疲劳开裂或疲劳损坏非常微小，这是因为随着时间的推移，由沥青材料的老化所导致的基层劲度增大，由车辆荷载引起的导致路面疲劳的基层拉应力逐渐减小，路面的抗疲劳能力增强，甚至超出由于车辆荷载作用所引起的损耗。半刚性基层沥青路面则无此性能，其抗疲劳能力随车辆荷载的作用逐渐消减。２．３车辙性能的比较
车辙是由道路各结构层的永久变形所引起的。车辙的产生分两种情况：一种是车辙只产生于沥青面层，为表面性车辙；另一种车辙产生于土基，为
结构性车辙。表面性车辙对道路结构的整体性不产生严重影响，然而，过大的结构性车辙往往表明路面各结构层扩散荷载能力不足，不能保持土基的稳定，甚至会导致道路结构整体的破坏。针对本文所拟定的两种路面结构，计算得出在标准轴载的作用下，半刚性基层沥青路面土基顶面的最大竖向压应变为－０．２６３７Ｅ－０３，长寿命沥青路面土基顶面的最大竖向压应变为－０．２７２７Ｅ－０３，路基顶面的竖向压应变均很小，不足以产生很大的结构性车辙。国外的研究也指出，对长寿命沥青路面，当沥青层厚度大于１８ｃｍ时，车辆荷载在土基表面所产生的压应变很小，车辙将主要由沥青面层产生，此时的车辙深度不能表征道路整体强度的不足，且可通过定期的维护来恢复路面的使用功能。半刚性基层沥青路面由于基层刚度较大，车辙深度一般很小，也主要为表面性车辙，但由于沥青面层较薄，故破坏后难以通过维护恢复路表功能。
实践中可通过限制土基顶面最大竖向压应变的办法来避免土基的结构性破坏。对表面性车辙，由于长寿命沥青路面沥青层厚度远大于半刚性基层沥青路面，沥青层更易产生明显的表面性车辙，为此，长寿命沥青路面面层必须采用抗车辙能力强的结构型式，如ＳＭＡ、ＯＧＦＣ等。３破坏模式及设计思想的比较
半刚性基层沥青路面是一种以无机结合料稳定粒料（土）类为基层，沥青混凝土为面层的半刚性路面结构。这种路面结构承载能力大、刚度大、模量高、板体性强、弯沉小，但缺点在于半刚性基层材料变形小，特别是温缩、干缩变形大，易开裂，属于脆性材料。半刚性基层沥青路面的破坏型式一般可分为以下三种：一是由于半刚性基层的裂缝不可避免，在车辆荷载以及环境的综合影响下，易发展为反射裂缝，导致面层破坏；二是水沿裂缝渗入路面结构内部，在行车荷载作用下，对基层、底基层、路基形成水力冲刷，将材料中的细料唧出，材料松散并形成坑槽；三是界面上水的存在改变了界面接触条件，于是结构不再连续，界面成为半连续甚至光滑的接触模式，这种情况使得路面的受力状态变得十分不利，沥青层底有可能出现超过极限拉应力，导致沥青面层开裂、承载力降低、产生车辙等病害。因此，半刚性基层沥青路面的破坏一般从半刚性基层的缩裂开始，然后由基层向面层和路基
表３
不同轴载作用下的相对疲劳寿命
轴重（ｋＮ）
６０
８０
１００１２０
１４０
１６０
１８０
疲劳寿命半刚性基层４８．６５３７５．４９５４１０．２７８８０．０９３１０．０３６５０．０１６１沥青稳定基层
７．００９３２．３４９０
１
０．５２７００．３０４２０．１９０１０．１２６４
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延伸，最终发展成为整个路面结构的破坏。这种路面破坏模式属于路面的结构性破坏，且一旦损坏，维修养护也不足以恢复路面的使用功能。基于半刚性材料强度高、模量大、板体性强的优点，半刚性基层将设计作为主要的承重层，对此我国提出了“强基薄面，稳定土基”的设计思想。虽然近几年面层设计也有增厚的趋势（一些高速公路的沥青面层加厚至１８ｃｍ，但是半刚性基层的强度仍然控制在３ＭＰａ～５ＭＰａ，在施工中强度甚至更高），但半刚性基层材料变形小、易断裂的缺点依然没有改变，反射裂缝仍然为半刚性基层路面的主要破坏模式。
长寿命沥青路面是直接在土基上或者在改良后的土基上铺设单层或多层沥青混凝土的路面结构。其破坏一般始于面层，主要的破坏型式是车辙和自上而下的裂缝。车辙主要是由于路面结构处于反复剪切应力的状况下而产生的塑性蠕变累积。自上而下的裂缝的产生机理非常复杂，主要是由于路面的水平荷载和由温度梯度引起的路表面负弯矩的反复作用所形成的。这些破坏按从上到下的顺序发展、延伸，其破坏属于功能性破坏。而且由于沥青材料的粘弹性，路面内部所出现的微小裂缝往往能够自愈，而不致于像半刚性基层材料那样，在出现裂缝后，将迅速进入裂缝扩展阶段。这种功能性破坏，可以通过沥青罩面或铣刨加铺的方法，来保证路面的行车舒适性和良好的服务性能。
长寿命路面的破坏模式为自上而下由功能性破坏逐渐发展为结构性破坏。为达到长寿命的目的，应将路面的破坏控制在路面表层较薄的范围内，以确保路面基层、路基结构层不受到破坏。为此，长寿命路面设计要求按功能合理设置路面结构层，要求路面结构的面层具有抗车辙、不透水和耐磨耗的能力，中间层应具有良好的耐久性，基层要具有抗疲劳和耐久的能力。４综合效益的比较分析
综合效益的比较应包括寿命周期费用和其他一些费用的比较。寿命周期费用是指路面寿命期内全部的施工和养护费用以及和养护活动相关的施工场内的交通费用。其他费用包括改建现场由于乘客和货物运输所产生的费用，这些费用主要是由于施工活动、车道堵塞和车速降低所导致的延误费用，以及与在施工现场道路使用者和施工人员较高的事故
发生率有关的费用。针对不同的交通情况选择恰当的路面结构型式，可以达到最大的投资效益。
一般来讲，长寿命沥青路面的初期建设费用远高于半刚性基层沥青路面，但可以在以下几个方面得到补偿：ａ）可减少由于道路养护所引起的行车延误时间；ｂ）可减少交通阻塞，使驾车者获得较持续的速度；ｃ）可降低养护改建费和道路使用者的费用；ｄ）可维持较高的服务水平等。目前普遍认为，在特定的情况下，长寿命沥青路面比半刚性基层沥青路面具有较低的寿命周期费用，如重载交通量很大的情况。国外研究指出，如果一个重交通道路的路面能够运营５０年且不需要任何改建措施，那么它就会使公路建设总体投资减少而又有较高的投资效益。美国使用的长寿命路面，其使用年限一般为２０年～４０年，若按照总的全寿命成本效益计算，则长寿命沥青路面更加经济。
决策者必须权衡修建这种路面较高的初始修建费用的确定性和未来效益（养护费和用户费用的下降）的不确定性，必须开发和利用寿命周期费用的统计方法，以准确计算寿命周期费用和其他费用，避免决策的盲目性。５结语
半刚性基层沥青路面和长寿命沥青路面均可作为高等级公路的路面结构型式，但有其各自的适用范围。前者承载能力、抗车辙能力强于后者，但存在较多的反射裂缝，适用于超载车辆不多的交通状况，其设计思想是采用强度较高的半刚性基层来提高承载能力和抗疲劳性能；后者抗疲劳能力强，而且承载能力、抗疲劳能力随沥青材料的老化而增长，路面的损坏为集中在路面表层的功能性损坏，通过定期的维护可保持较长的使用寿命，但也应做完整的技术经济分析，以保证良好的投资效益。普遍认为，长寿命沥青路面适用于重载车辆较多的情况。参考文献
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：１８－２１．收稿日期：２００５－０３－０７