摘要：降低沥青混凝土路面的病害发生，提高其长期使用寿命，一直是路面工程研究探索的方向。探讨了沥青混凝土路面的长期性能设计，在解析长期性能沥青路面设计理念的基础上，总结了其设计原则；并给出基于损伤破坏模式的长期路面设计指标，形成其设计的方法论。最后，从材料选择层面，提出了开展长期性能沥青混凝土路面设计的建议措施。
关键词：沥青混凝土；路面；市政道路；长期性能；长寿命设计
引言
沥青路面具有耐高温、抗老化和平整度好等优点，且其行车噪声小、行车稳定性强，因而在公路及市政道路工程中被广泛应用。然而，随着我国经济建设的快速发展，交通运输，特别是货物运输需求越来越强，车辆超载重载问题已经成为我国普遍性的社会难题，特别是城市经济开发区域的交通。而增长的交通运输和荷载等级，对道路结构却造成了无法恢复的损伤。我国早先建设的城市道路，沥青路面层已经出现了很多严重的病害：开裂、唧浆、坑蚀、沉陷等[1]，这些病害使得：一方面，破损的沥青路面层造成行车不稳定，对车辆安全和交通集散效率造成显著影响；另一方面，每年都需要花费较多的人力和物力进行路面层的修复、替换和养护，以维持道路的使用性能，但这些养护管理工作又对城市交通、环境造成严重影响。因此，设计具有长期保障性能的沥青混凝土路面，具有迫切的需求。长期性能路面(longtermperformancepavement,LTPP)在国外已经进行了较为广泛的研究，近期也受到国内学者的关注[2,3]，长期性能路面的本质是通过科学掌握车辆和环境等荷载作用下，路面层结构的变形和受力特性，从而设计出能够抵抗荷载作用的具有长期使用效果的路面结构，满足全寿命的设计理念[4,5]。论文将分析满足长期性能的沥青混凝土路面，分析长期性路面的基本概念、设计原则；从而提出开展长期性能沥青路面设计的方法和基本指标，最后，提出要进行沥青路面的材料设计是保障长期性能沥青路面的关键。
1长期性能沥青路面
我国沥青路面的设计使用年限与道路等级相关，其中最高等级的城市快速路是15a。而长期性能沥青路面则可能是40a或50a，直接将路面的使用寿命拓展1倍。该长期性能路面的设计初衷是保证其在设计使用寿命周期内不出现结构性的损坏和破坏，因此不需要进行结构性修复或重建，但任何路面都不能保证不出现病害，长期性能沥青路面可以出现不影响结构使用的表层病害，这些病害则可以通过简单的手段进行修复，就可以继续保证其运营使用。
1.1设计理念
传统的路面设计认为：在较大的车辆荷载反复作用下，无论路面层厚度多大，都不可避免路面层出现自下而上的疲劳开裂和严重车辙，因此只要使用一定年限就会出现结构性失效而不能继续承载工作。近年来，越来越多的研究表明，沥青路面层存在一个极限的弯拉应变，当外界荷载作用在该弯拉应变范围内时，就不会产生疲劳开裂和破坏；而沥青路面厚度超过一定范围时，其底部拉弯应变就会小于上述疲劳极限，使得外界荷载作用下沥青路面层结构不会发生破坏，提高其使用寿命。但这并不代表沥青路面的面层结构在车辆和环境作用下不会发生开裂、剥蚀等病害，这些病害是由于外界环境侵蚀、车轮荷载作用和结构材料退化三重作用效果，但是这些病害可以通过简单的修复解决。从长期性能沥青路面的设计理念可以看出，其设计理念与“绿色建筑”等类似，通过前期较大的投入以提高沥青路面的整体结构性能和使用年限，以优化整个寿命周期内的沥青路面结构性能和效益。
1.2设计原则
根据长期性能沥青路面的理念，其基本力学原理可以如图1所示更详细阐述，沥青路面自上而下总体分为面层、中间层、HMA基层和路基层四个部分。首先，在车辆作用下，车轮与路面接触面以下10～15cm范围内是高受力区域，是各种面层病害发生的地方，因此设计中需要采用高质量沥青混凝土作为承载面层。其次，车轮荷载经过面层向下部结构进行有效扩散，但同时要保持与上部面层的有效连接，以免发生车辙病害，设计可选用高模量抗车辙沥青混凝土作为中间层。再则，往下达到沥青混凝土路面的最大拉弯应力区域，该区域要求混凝土具有较好的抗弯拉性能，保证不会因为抵抗性不足而导致开裂和破坏，设计可采用高柔性抗疲劳沥青混凝土，同时该层厚度须具有一定保证，以使得路面不产生自下而上的开裂和破坏。最后，路基结构支撑路面层，保证路面均匀、平整和稳定，这对于路面工程的变形、抗冻都是具有重要作用的。
2长期性能沥青路面设计方法
开展长期性能沥青路面设计，首先需要明确其可能的损伤破坏模式，其次，针对破坏情况给出设计指标和方法，设计满足长期性能要求的沥青混凝土路面。
2.1损伤破坏模式
（1）结构性损伤破坏疲劳开裂和永久变形是沥青路面的两种典型破坏模式，疲劳开裂是往复车辆荷载作用下沥青路面下层产生拉弯受力导致超过疲劳极限而开裂；永久变形则是长期的车辆荷载作用下路基顶面压应变产生的不可恢复的变形所致。长期性能沥青路面采用较大厚度的沥青面层，使得路面结构底部拉弯应力水平在材料极限范围内，从而保证了路面结构不再出现结构性损坏。这需要控制好拉弯应力的指标。（2）局部性损伤破坏虽然设计合理的路面结构层可以有效地降低或者防止路面结构损伤的发生，但是却无法避免高速度、高载重、高轮压的车轮荷载作用对路面结构层所形成的较大剪应力。长此以往，随着路面材料的退化，局部损伤则很难避免。研究表明，这种局部损伤一般仅仅在路面层表部形成，不形成完全的结构性破坏，因此可以对损伤部位进行铣刨，置换为新的混合料，以延长路面层的使用寿命。
2.2设计指标
开展长期性能路面设计，建立设计的力学指标尤为关键。设计指标是作为路面设计的指导，而该指标也反映了对长期性能路面受力机理的掌握和把控。首先，需要建立保障长期性能路面完整结构特性的整体力学指标。根据前面分析的结构性破坏机理，一般需要采用沥青混凝土面层底部弯拉应变X作为控制结构性损伤破坏的标准，采用顶部压应变Y作为控制局部损伤的标准。显然指标X是确保不产生疲劳破坏，目前的设计都是以该指标不超过沥青混凝土材料容许拉应力作为设计基础，而实际上由于破坏阶段强烈的材料非线性，拉应变是控制破坏的根本因素而非拉应力，因此，在长期性能沥青路面的设计中，应该采用拉弯应变作为设计标准。同样，顶部的压应变Y则是控制局部损伤和永久变形的基础。上述两个指标在诸多文献也有研究，Monismith和Long建议X不超过60微应变，Y不超过200微应变[6]。其次，建立面层抗剪指标进一步保证顶部面层的局部损伤。表面层沥青混凝土直接与环境接触并受车辆荷载作用，而其良好的抗剪性能可以抵抗因局部轮压荷载作用导致沥青与混合料的受力分离导致开裂和局部损伤行为，因此设计中需要考虑不均匀、超重轮载作用下，对沥青面层形成的局部剪切应变，而设计的面层抗剪指标需要在保证结构具有一定的安全储备的情况下，面层的抗剪应变。
3长期性能沥青路面的材料设计
根据长期性能沥青路面的设计指标，可以很好地确定整体沥青面层厚度及各分层厚度，而这其中难点是各层材料的选用，以相互匹配协同受力，达到长期性能的使用要求。（1）路基层稳定、均匀、高强的路基层对于路面的均匀受力和长期变形稳定具有非常重要的意义，因此对长期性能沥青路面极为重要。路基层可选用化学稳定、密实的路基和粒料，或者非稳定高强度的碎石和砂砾组成，无论使用何种，经过施工密实处理后要达到一定的刚度和强度要求。英国TRL规定路基顶面模量不小于40MPa，德国交通部则规定不小于48MPa，法国则通过规定轴载13t作用下不产生大于2mm的变形，或者承压板试验结果弹性模量不低于50MPa。因此，保证40～50MPa的路基层弹性模量是基本要求。（2）沥青HMA基层沥青HMA基层是拉弯应力承载主体，因此高沥青含量的混合料有助于抵抗疲劳开裂，设计中需要选择较高的沥青含量同时保证一定的厚度。研究表明细级配沥青混合料可以有效改善疲劳寿命。另外，沥青基层较容易受水影响，因此需要考虑湿度因素对混合料力学性能的影响，选择水稳定性强的材料进行设计。（3）HMA中间层中间层没有特殊的使用要求，但是需要具有较好的耐久性和稳定性，稳定性的基础是该中间层与顶部面层和底部基层具有很好的粘结效果，因此可以从粗骨料间的骨架结构以及采用合适的高温等级沥青获得，同时采用碎石和砂砾形成骨架。此外，中间层的高温等级应该与顶层保持一致，以使得具有良好的抗车辙效应。（4）顶部面层顶部沥青面层的要求极高，需要具备抗车辙、耐久性、抗渗、抗磨损等系列性能，长期性能沥青路面对于面层的使用寿命一般要求10a，但是对于抗车辙、抗渗等要求等级较高的地区，仍然需要谨慎设计，一般可以选择SMA密级配混合料作为面层设计。
4结论
设计具有长期性能的沥青混凝土路面是解决沥青路面系列病害的重要途径，论文分析了长期性能沥青路面的基本理念和设计原则，目的是通过采用较大厚度的沥青面层彻底根除沥青路面的结构性破坏，从而较大地提高其使用寿命。在解析沥青路面损伤破坏模式的基础上，提出了开展长期性能沥青路面的设计指标。最后，从材料方面给出了长期性能沥青路面的设计建议。
作者：黄园富 单位：柳州市市政设计科学研究院
