浅谈提高沥青路面使用性能的措施

童姝娟 吴国有

【摘要】通过分析沥青路面出现早期损坏的原因和使用性能降低的影响因素，从路面结构设计、材料选择和施工作业控制等方面探讨改善路面使用性能。还提出了使用高性能沥青混合料（如SMA、橡胶沥青）等改善沥青路面使用性能的技术措施及理论依据。

【关键词】沥青路面；使用性能；途径与方法

中图分类号：文献标识码： A

Discussion on Improving Asphalt Pavement Performance Measures

Tong ShujuanWu Guoyou

(Wen zhou Municipal Engineering Development and Construction Corporation325000)

Abstract: By analyzing reasons for initial failure as well as influential factors of degradation of performance of asphalt pavement, this artical explores methods to improve the performance of pavement in multiaspects as pavement structure design、material selection and construction control. Furthermore, technical measures with theoretical basis to enhance asphalt pavement performance like using high-performance asphalt mixture (such as SMA, rubber asphalt) are also proposed here.

Key words：Asphalt Pavement;The use of performance;Ways and means

沥青路面技术发展

到2012年底，中国机动车保有量已达2.4亿辆，其中汽车1.2亿辆，汽车驾驶人突破2亿人，公路通车里程423.8万公里，其中高速公路里程居世界第一。与此同时，我国沥青路面技术有了很大发展，沥青路面也有了极大地提高。

在设计方面，随着计算机技术的广泛应用，有限元理论也引入了路面结构计算，同时还引入了结构设计可靠度的分析，极大的提高了路面设计的效率和可靠性。

在施工方面，拌和设备有大型化的趋势。高等级沥青路面还大量使用了改性沥青。随着路面技术的发展，我国路面施工工艺水平普遍提高，有许多竣工路面工程的平整度能达到0.6以内。但是我们也注意到，有许多高速公路路面在通车1年后平整度衰减很快，有的通车时间不长就出现了桥头跳车和路面早期破坏，有的通车几年就不得不进行翻修罩面，使用性能也大大降低，达不到设计的要求，因此，结合路面技术的最新发展状况，研究如何提高路面使用性能是非常重要的。

1、沥青路面使用性能改善的途径与方法

沥青路面的使用性能是指路面所能提供的行车条件。路面使用性能可以由路面使用者的综合感受来进行评价。路面使用性能好，行驶舒适，路面使用者对路面的评价就高。

要提高路面的使用性能，主要应从改善平整度，减少路面裂缝和车辙等方面着手，而沥青混合料作为沥青工程最重要的一个环节，直接影响到所铺筑沥青路面的质量。而要达到这些目的，我们必须从路面设计(包括结构体系和面层设计)、材料设计和施工作业等方面去考虑，而这三个方面的因素又是相互影响和关联的（见图1）。

图1 影響路面使用性能的因素

因此，笔者认为，改善路面的使用性能，要从优化路面结构体系、提高表面层的品质、合理使用材料和提高施工作业水平等几个方面寻求解决办法。

2、 优化沥青路面结构体系

2.1 目前沥青路面设计中值得商讨的几个问题与改进措施

2.1.1 沥青路面设计不宜过于追求理论计算的精确性

沥青是一种典型弹—粘性材料。沥青在低温（高粘度）及瞬时荷载作用下，弹性形变占主要地位；而在高温（低粘度）及长时间荷载作用下，沥青的形变主要是粘性的；而在负温（-5℃以下）状态下，沥青又表现出一定的脆性，有试验证明，在这种情况下，用子弹射击沥青，沥青脆裂结果与玻璃破碎的情况很相似。因为沥青具有上述特性，所以沥青混合料的特性与温度有很大的关系，其强度和模量都随温度升高而急剧下降，它既不是弹性材料，也不是塑性材料。荷载作用时间和气候对其性质也有影响。在正温度状态下，沥青砼表现出一定的粘弹性；在负温状态下它具有一定的弹性。例如，在50℃时，沥青混凝土试件的强度为1MPa～3MPa；而在-35℃时，其抗压强度高达18MPa～23MPa，此时的强度接近水泥混凝土的强度。而且，温度变化对沥青砼的变形性能影响也很大。沥青砼是最复杂的建筑材料之一。因此，沥青砼路面设计时，都要进行条件假设，在这种情况下，运用任何理论计算的结果都只能做参考，过细的设计和过于重视设计是不必要的，重要的是通过实践检验。目前欧美等发达国家比较流行的也是通过试验路段进行半理论力学设计。我国的路面设计理念也应该朝这个方向发展。这样才能使路面技术的发展更切合我国的国情和交通运输发展的需要，避免重复不良路面结构体系，真正提高路面质量。

2.1.2 半刚性路面有不可忽视的蔽病

半刚性路面具有明显的优点。但是也有不可忽视的蔽病，就是半刚性材料易产生干缩裂缝。半刚性材料还容易产生温度裂缝。从已建成的高速公路来看，半刚性材料不产生裂缝是不太可能的，国内的研究资料证明了干缩裂缝对其承载能力不会产生什么影响，但是由于裂缝的存在，给水浸入路基提供了通道，对路面的外观和耐久性产生很大的影响，路面的使用性能也大大降低。

柔性路面与半刚性路面相比较，最大的优势在于柔性路面的基层和底基层没有裂缝产生，结构层整体水密性好。缺点是造价高。其典型结构为：面层为12～17cm的沥青砼；基层采用沥青稳定碎石，厚度15～20cm；底基层为30～40cm的级配碎石层，其强度的产生靠粒料之间的嵌锁原理和密实原理形成。这种结构我国高速公路还未采用，应该在一定范围内先进行试用，然后在总结试验路的基础上，提出符合我国实际的柔性路面典型结构体系，为进一步提高我国路面技术探出新的发展途径。

2.1.3 路面设计中几个重视不够的问题及其对路面使用性能的影响

(1)路面结构层防水与排水

通常，水是通过面层裂缝、结构层粒料间的孔隙进入结构层内部的。当面层孔隙率大于7%时，结构密水性差，水容易渗入。在施工过程中局部易产生离析，或压实度不足，现场实际空隙大于7%，或开级配设计，如传统的Ⅱ型级配，实际现场孔隙率在10%以上，雨水可以从上下贯通的孔隙渗入结构层内。此外，施工期间赶上雨季或冲刷路面时造成局部积水，无法排出路基外，结构层一直处于水的浸泡状态。

要避免水对路面的破坏，主要通过现场探讨，结合实验室研究，反复实践，按照“以满足密水性和均匀性要求为第一目标，尽量减少细集料、增加粗集料，力求形成骨架密实结构”的混合料设计原则，总结出适合我省气候、交通条件的混合料级配范围。

通常高速公路路面结构层设计，表面层设计为Ⅰ型（或SAC或SMA），中面层和底面层，采用Ⅱ型或有一层为Ⅰ型，只将双层体系或三层体系中的一层按不透水层来考虑。笔者认为，这种设计从排水防水角度来看是不合理的。实际情况是，不管哪一层空隙率大，水都有可能渗入，那一层就会产生破坏。因此，无论路面是一层、二层还是三层，各层都应该选用密实型沥青砼。为了保证中面层和底面层足够的抗车辙能力，可以选择粗骨架密级配型式，而不可拘泥于传统的Ⅰ型级和Ⅱ型级配。这样，结构层既可以有比较好的防水性能，又有很好的结构稳定性与耐久性。

(2)结构层合理厚度

①基层与底基层的合理厚度

结构层厚度的确定，设计时考虑最多的是层厚是否满足路面强度的要求。一般来说，基层与底基层每层厚度习惯上设计为15cm和20cm。 15cm一般施工时压实度容易保证。但是，当灰土厚度达到20cm时，采用BOMAG BW 203 AD-4压实非常困难。参见表1。

表1 厚度对压实度的影响

项目 试验结果 临界厚度

压实厚度（CM） 19.7 20.3 21.1 23.2 20CM

压实度（%） 96.2 94.9 91.1 92.9

路基顶面标高，施工时有时稍低于设计标高。为了防止夹层出现路拌机往往要超拌1～2cm，加上施工误差，设计层厚为20cm时，压实厚度可能达到21～23cm，个别情况下可能达到23～25cm，这时压实是非常困难的。从现场压实度检测试坑中，我们可以看到，当厚度为20cm时，从顶面以下15cm范围内压实效果很好，而底面的2～5cm这一部分压实效果不理想，呈略为松散状态。这种现象无论采用什么碾压措施都是不可能消除的。因此，设计最大厚度以18cm为宜。

②面层厚度与集料粒径的确定

一般来说，沥青混合料的最大粒径与层厚的比值愈大愈容易出现离析，而且愈不容易碾压密实。因此，我国《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2006）规定：各沥青层的厚度应与混合料的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，OGFC或SMA的一层压实最小厚度不宜小于混合料最大粒径的2~2.5倍。

我国沥青路面表面层一般为4 cm，混合料类型多采用AK-16和AC-16，最大粒径与层厚之比为16/40=2/5，比值大于1/3，但小于2/3。这是符合规范要求的。但是，研究表明，当最大粒径与层厚比值超过1/3，容易引起离析，而且不容易压实，容易出现路面早期破坏，这也是我国高速公路普遍出现早期损坏现象的原因之一。因此，面层厚应设计为集料最大尺寸的3倍以上，而不应是传统设计的2倍或1.5倍。也就是说表面层为4cm时，混合料的最大粒径应不大于13.2mm。

2.1.4 沥青路面结构体系优化

目前我国高速公路表面层厚度一般都在15cm以上，其出发点主要基于面层要求足够的强度与其它结构层一起承受车辆荷载的作用和防止路面裂缝方面考虑。随着研究的深入，人们发现，在半刚性路面结构中，半刚性基层和底基层有足够的强度承受车辆荷载的作用。沥青面层实际上只起功能性作用。因此，仅从承载力方面考虑沥青面层的厚度就没有必要保持在12～15cm。沙博士在京石试验路上采用了4cm厚的面层，其强度与9～15cm面层厚的路段没有明显差异，也证明了这一结论的可行性。

沙博士在多年观察西安试验路和长春试验路后发现，面层厚15cm的路段裂缝甚至还多于9cm路段。国外的资料表明，路面的抗车辙能力与面层厚成反比。特别在高温季节，沥青砼的抗压摸量急剧下降，可以下降到600MPa，甚至更低。面层太厚就容易产生严重的车辙和拥包，从而降低路面的使用性能。从以上分析和各种研究结果看，面层厚减至9cm或12cm是可行的，没有必要将面层厚度设计为15cm以上。

另一方面，几乎所有的高速公路路面都使用不到设计年限就需要进行中修，日本高等级公路也在使用6～8年后加铺一层。因此，高速公路路面面层厚设计为9cm或12cm ，在使用一段时间后再加铺一层是既经济又科学的。

3、 合理选择和改善路面建筑材料的性能

3.1 改善沥青结合料的性能

沥青面层的低温裂缝和温度疲劳裂缝，以及在高温条件下的车辙深度、推挤、拥包等永久变形都与沥青有很大的关系。不同的沥青，面层的裂缝率有很大的差别，其差别能达到10倍以上，最大可相差20倍。改善沥青的温度敏感性、低温稳定性和流变性对提高混合料的高温和低温力学性质效果非常显著，沥青性能改善对提高路面长期使用性能有着非常重要的作用。

改善沥青性能，首先要控制沥青的含蜡量。资料显示，含蜡量愈小，沥青的路用性质就愈好。选用普通沥青采用传统措施要同时提高混合料的高温稳定性和低温抗脆裂性能几乎是不可能的。这时，就必须开辟其他途径，如使用改性沥青来达到上述目的。

比较各种改性沥青的性能，SBS改性沥青无论从高温、低温性能，弹性恢复性能、感温性哪个方面，都有明显的优势，是其他改性沥青如PE和EVA无法相比的。SBS的优越性突出表现在使软化点大幅度提高的同时，又使低溫延度明显增加，感温性得到很大改善，不仅高温稳定性大幅度提高，而且低温性能也同时改善，并且弹性恢复率特别大，所有指标都有明显提高，这是非常难得的。SBS改性沥青具有其他改性剂或综合改性剂无法相比的优点，而且在价格上也可以与PE、EVA竞争，所以改性沥青以选用SBS为佳。目前，世界上使用最多的是SBS，约占改性沥青总量的40%～44%。

3.2 提高集料的质量

在考虑材料对沥青混合料的影响时，往往比较重视沥青的影响，而对集料的影响都重视不够。然而，集料质量差，必然结果是混合料的质量也差，要提高沥青混合料的性能，必要条件是保证集料的质量，然后再考虑矿料级配的控制。要提高路面抗车辙的能力，集料要符合下面两项要求：一是碎石表面微观粗糙度大，且形状接近立方体，质地坚硬；二是使用人工砂，限制使用圆形颗粒的天然砂。

3.3 改善沥青与集料的粘结性

前面提到过，路面早期破坏水损害是其中一个重要原因。水损害产生的原因除了施工和配合比设计方面的原因以外，沥青结合料与集料表面的粘结力丧失而导致集料松散剥离是其中的主要原因。沥青混合料的粘附性差（水稳性不好），容易导致面层严重辙槽，局部松散和坑洞等水损坏现象。

为解决沥青与矿料遇水剥落的问题，长期以来国内外都采用不同的添加剂来改善沥青混凝土的水稳性。国内外道路工程师们常采用两种方法。一是利用碱性矿料处理酸性矿料的表面，使后者活化，传统做法是使用石灰或水泥。由于用消石灰水处理矿料工程量较大，也可以直接往拌和室内加消石灰或生石灰粉。消石灰粉的用量一般为1%～2%，国内外也有用水泥做添加剂的，也取得了预期效果。掺消石灰粉、生石灰粉或水泥是首选推荐措施。理由是这种方法价格便宜，施工简单，只要用它代替一部分矿粉就可以了。实践证明，使用这几种抗剥落剂的效果是好的，而且长期使用性能或耐久性好。

另外一种方法是向沥青中加入少量液体抗剥落剂。这些液体抗剥离剂的初期效果不错，但其长期性能或耐久性尚待进一步研究，工程应用时要注意选择。

3.4 使用纤维沥青混凝土

我国农村很早以前在砌筑土坯墙时在土中加入草（麦或玉米）桔之类的加强筋，对减小墙体裂缝，增强墙体整体性起到了很好的效果。在沥青混凝土中掺加纤维，以改善沥青砼的性能，提高沥青砼的高温稳定性，低温抗裂性、抗疲劳性、柔韧性、抗剥落性、抗磨耗性和水稳性，以及抵抗反射裂缝等方面都有很好的功效。