浅议沥青路面的应用与发展

【摘要】本文介绍了沥青路面的应用与发展历程，阐述了沥青表处、沥青混凝土、沥青碎石、沥青玛蹄脂碎石路面和骨架--悬浮密实复合型沥青路面的优缺点及应用与发展的内在逻辑，得出的结论是传统的沥青混凝土、沥青碎石、沥青玛蹄脂碎石路面和新型的骨架--悬浮密实复合型沥青路面是不同结构形式的沥青路面，它们的抗剪强度形成机理不同，各种材料在沥青路面结构中的作用也不同，骨架--悬浮密实复合型沥青路面具有明显的优越性，是沥青路面应用与发展的方向。

【关键词】沥青路面；抗剪强度；应用；发展

【Abstract】This paper introduces the application and development of asphalt pavement， and expounds the advantages and disadvantages of asphalt surface， asphalt concrete， asphalt crushed stone， asphalt mastic gravel pavement and skeleton-suspension compact asphalt pavement and its application and development Logic， the conclusion is that the traditional asphalt concrete， asphalt crushed stone， asphalt mastic gravel pavement and new skeleton - suspended dense composite asphalt pavement is a different form of asphalt pavement， their shear strength formation mechanism Different materials， the role of various materials in the asphalt pavement structure is also different， skeleton - suspended dense composite asphalt pavement has obvious advantages， is the asphalt pavement application and development direction.

【Key words】Asphalt pavement；Shear strength；Application；Development

1. 前言

從世界范围来看，目前已建成的公路及城市道路绝大部分（80%以上）是沥青路面]。由于车辆严重超载超限、大交通量、渠化行车以及高温天气等因素的影响，导致沥青路面强度和劲度大幅度下降，很容易产生拥包、车辙等永久变形，路面的平整度降低，使用品质下降，严重影响着行车舒适和安全，且维修养护比较困难。尤其是车辙，已成为沥青路面早期最主要的病害，比如高速公路爬坡路段、BRT（公交快速运输）专用道和导向道等是车辙最易发生且最严重之处，资料显示80%的沥青路面出现不同程度的车辙，它是三大破损形式（疲劳、车辙和低温开裂）中的顽疾，是最为突出的问题。因此，对沥青路面的应用与发展进行深入的研究，确保其高温稳定性，达到沥青路面不产生车辙的效果，以满足现代交通的需求是当务之急。

2. 沥青路面的应用与发展

2.1 沥青路面国外的应用与发展。

2.1.1 公元前3800年～公元前2500年就开始使用沥青，先后在埃及的尼罗河、美索不达米亚的底格里斯河及幼发拉底河、巴基斯坦的鳊河等流域开发沥青矿藏并应用于日常生活中，闪族人开始所用沥青胶结贝壳或石料作为行车路面。

2.1.2 约公元前600年，古巴比伦王国铺筑了人类历史上第一条沥青路面，但这种技艺不久便失传了。印加帝国在15世纪已采用天然沥青修筑沥青碎石路面。沥青路面的起源，乃由于岩沥青的发现及其利用，以1712年在瑞士发现的岩沥青为契机，其后在德、法等国相继发现。但一直到19世纪人类才真正开始利用沥青筑路。1815年，Macadam利用沥青作胶结料修筑沥青碎石路面（非现代概念的沥青碎石路面）。1833年在英国开始采用煤沥青碎石路面铺装。1854年法国首先把岩沥青用于道路路面，马娄（L·Malo）在巴黎修筑了接近于现在的薄层沥青路面，可以称之为热铺岩沥青路面之当时被利用的岩沥青是渗透有6～10%沥青成分的石灰岩，把它碎成细粒，加热摊铺碾压，即成沥青路面。其最大粒径只有2.5mm，通过0.074mm的粉粒达到40%以上，由于当时的交通还处于铁路时代，道路上仍以马车为主，所以岩沥青路面能充分发挥其机能，成为当时先进的路面结构。显然，这种岩沥青路面就是现代意义上的沥青表处。因此，沥青路面之始就是沥青表处。美国到1850年以后才从法国、瑞士进口大量岩沥青，以东部为中心修筑岩沥青路面，至1900年仅修筑了25000m2而已。1871年德斯门特（E·J·Desdment）在纽约市把砂、石灰石粉和特尼里特湖沥青用以铺筑沥青路面获得成功并申请了专利施工法。这是近代热铺湖沥青路面之始。1872年华盛顿市应用石灰石粉、砂、掺以湖沥青及石油残渣油修筑路面，开始使用渣油。1900年汽车时代交通开始，为满足其需要，当年美国在石粉、砂、湖沥青混合料中加进碎石，发明了瓦雷奈特式（Warrenite-bitulithic）路面，即下层为粗级配沥青混凝土与上层为沥青砂两层摊铺一次碾压而成的双层式沥青混凝土路面，这是沥青混凝土路面的由来。至1905年美国托皮卡市产生了托皮卡（Topeka）路面作为沥青路面的耐磨层，使沥青路面结构更趋完善。1930年沥青路面摊铺机投入使用，1934年开始修筑高速公路，从此至今，沥青路面成为现代高等级路面的主要类型。

2.1.3 沥青用于修筑路面后，由于自原油蒸馏所得的渣油感温性差，迫切需要加以处理，于是各种沥青改性措施便应运而生。大约在1866年，曾有人采用硫化法，即用硫磺与沥青共热的方法，使所得产品（称为匹兹堡沥青，Pittsberg flux）软化点升高，针入度降低。1881年E.J.De Smedt使用化学氧化剂制取氧化沥青，成功的改善了沥青的性质。1894年美国的F.X.Byerleg在沥青温度为316℃时吹入空气，成功的制取了氧化沥青。

2.1.4 使用热沥青筑路既不方便又不安全，1910年在科诺大学广场上第一次使用稀释沥青做单层沥青表面处治路面。在此之前，沥青材料用于筑路仅仅处于启蒙期。

2.1.5 20世纪初，为了满足重载交通的需要，美国沃伦兄弟公司申请了大粒径沥青混合料（LSAM：Large-Stone Asphalt Mixes）级配专利，其矿料最大粒径达到75mm它具有良好的骨架稳定性，能够采用粘度较小的软沥青，十分有利于低温稳定性。

2.1.6 20世纪20年代末期，德国出现了稀浆封层，后来发展成为微表处（MS）。单层微表处（包括稀浆封层）结构中集料最大碎石粒径与成型厚度一致，骨架效应强大，不会产生车辙。同时在骨架之间填充的是由其它粒径的碎石和沥青胶泥（沥青和矿粉形成的胶结材料称为细胶泥；细胶泥和细集料形成的胶结材料称为粗胶泥。它们统称为胶泥。）形成的悬浮密实型沥青混合料，它是骨架型结构和悬浮密实型结构的统一体，本文称之为骨架——悬浮密实复合型结构，简称复合型结构，用FH（“复合”汉语拼音首个字母连写）表示。

2.1.7 20世纪20年代到50年代，沥青路面技术在欧美等许多国家得到迅速发展。1911年美国首先提出按针入度作为沥青的分级指标。1916年德国的马尔库孙（Malcuson）提出了最初的沥青组分分析方法，研究了沥青组分含量与路用性能的关系。其后经过雷西希娜（Jluu Xe Ha）、哈巴尔特（Habalt）、科贝特（Kobelt）、饭岛博等人的补充和修正，形成了目前的分组分析法。在这一时期中，各国对沥青的物理性能、化学结构以及试验方法等进行了大量的研究。但由于沥青组成和结构的复杂性，研究并未取得重大的突破。

2.1.8 20世纪60年代，德国开发了沥青玛蹄脂碎石（SMA：Stone Mastic Asphalt）路面，它是一种由改性沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量的细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料碎石骨架间隙而形成的骨架嵌挤型密实结构沥青路面。其突出的优点是抗车辙性能强。但粗骨架还要靠沥青粘结在一起，碎石和沥青共同承担和传递行车荷载，因此要求沥青具有高软化点。

2.1.9 20世纪60年代，德国还开发了浇筑式沥青混凝土路面，这种路面结构属于悬浮密实型，它采用的是硬沥青，致使路面具有较高的抗车辙性能。

2.1.10 近几十年来，随着公路等级的不断提高，对沥青及其混合料提出了更高要求，促使研究工作进一步深入。除针入度、延展度、软化点三大常用指标外，先后提出了脆点、含蜡量、族组分分析、黏附性以及旋转薄膜烘箱老化等一系列非常规指标。还应用流变学的理论和方法研究了沥青路面的粘弹性力学特性、蠕变、应力松弛、沥青性能对温度和时间的依赖关系，以及劲度和针入度指数等与流变学有关的指标。与此同时，出现了许多改性沥青，以提高沥青结合料的路用性能。

2.1.11 对于沥青混合料，有三个堪称为里程碑的大事件，它们有力地推动了沥青路面的发展。它们是：

（1）在路面结构类型方面，由于单层沥青表面处治已不能满足交通需求，出现了沥青混合料摊铺的沥青路面，并开始制定了沥青混合料的技术要求和质量评定标准。这些要求和方法至今仍在运用，只是根据交通发展的需求对标准进行了适当修正。

（2）20世纪60年代初，美国国有公路运输管理员协会（AASHTO）试验路的铺筑和大量的试验研究成果的发表，使沥青路面的设计、施工、结构以及材料发生了根本的变化。AASHTO试验中的成果是集当时研究成果之大成，许多成果后来成为美国AASHTO路面设计指南及一系列施工规范的依据。

（3）20世纪90年代初，美国战略公路研究计划（SHRP）、高性能沥青路面（Superpave）等一大批研究成果的发表，使沥青及沥青混合料的研究开创了一个新纪元。延续了半个世纪的沥青标准、沥青混合料的体积设计方法，受到了沥青结合料路用性能规范及沥青混合料性能设计的挑战和冲击。就世界范围而言，这方面的工作目前正在紧张的进行，尚未最终完成。Superpave设计方法最大的优点是，能够判断那一种级配抗车辙性能好，从而更好地事先选择级配类型。

（4）美国SHRP计划的沥青研究项目的主要任务是制定一个以路面性能为基础的沥青材料规范和沥青混合料规范，以及相配套的沥青混合料设计方法。其基本思路是将沥青的化学性质和物理性质分别同其路用性能的研究联系起来。

（5）20世纪末，美国德克萨斯州运输局开发了一种新粗骨架高结合料含量（CMHB）混合料，在这种路面结构中，粗碎石与粗碎石间互相接触时形成骨架，行车荷载主要由粗集料承担并传递，就预防车辙而言是有利的[1]，但粗骨架还要靠沥青粘结在一起，碎石和沥青共同承担和传递行车荷载，因此要求沥青具有高软化点。CMHB沥青路面与SMA沥青路面相类似。

2.2 沥青路面国内的应用与发展。

（1）我国解放前铺有高级、次高级路面不到350Km。中国上海在20世纪20年代开始铺设沥青路面；1935年在南京附近利用進口沥青铺筑了沥青路面试验段；1941年在滇缅公路修筑了双层沥青表面处治路面155Km；抗战胜利后在宁杭公路修筑了沥青贯入式及双层沥青表面处治等路面。

（2）1949年以后随着中国自产路用沥青材料工业的发展，沥青路面已广泛应用于筑路，成为目前中国铺筑面积最多的一种高级路面。

（3）建国到1980年代末，先是大规模建设了渣油表面处治路面，之后沥青贯入式沥青碎石结构路面得到广泛应用。

（4）1980年代末以后，高级、次高级沥青路面的应用得到大发展，高速公路、国省干线公路、城市道路和农村公路齐头并进。到2012年底，公路通车里程423.8万公里。其中：1985年，开始修建一级公路；1988年10月31日，第一条高速公路——沪嘉高速公路建成通车；1990年沈大高速公路建成通车。1998年末我国高速公路达到8 733Km；1999年10月高速公路通车里程突破了10 000Km；2005年高速公路通车里程达到4.1万公里；2013年高速公路通车里程达到10.5万公里，居世界第一。

（5）1980年代开始，我国研究应用丁苯橡胶（SBR）、苯丁苯弹性聚合物（SBS）等改性剂改性沥青，以提高沥青路面的抗车辙性能。

（6）1980年代开始，我国研究应用稀浆封层和微表处。后来微表处得到了大量应用。

（7）1988年，沙庆林提出了多碎石沥青混凝土（SAC）理论，4.75mm以上碎石用量多，形成骨架，同时适当提高了粉料成分以达到密实，形成表面构造深度大的沥青路面。但粗骨架还要靠沥青粘结在一起，碎石和沥青共同承担和传递行车荷载，因此要求沥青具有高软化点。SAC沥青路面与SMA沥青路面相类似。

（8）我国1992年引进了SMA路面，最早使用在首都机场东跑道，随后应用于机场高速公路。SMA路面要求粗骨料形成骨架的同时，又使用了SBS改性沥青，双重提高路面的抗车辙性能。

（9）1990年代，我国开始研究应用Superpave设计方法。

（10）2010年前后，王海有等研究开发了超粗型微表处，可以用10mm～20mm碎石和10mm～30mm碎石做微表处，使微表处单层成型厚度最厚达到30mm，以避免30mm厚的沥青路面产生车辙。

（11）综合国内外沥青路面的应用与发展状况可知，起初的沥青路面就是沥青表处。由于沥青表处路面不能满足现代交通的需要，出现了三种典型的沥青路面结构，先是悬浮密实型结构（如AC：沥青混凝土路面），这种路面的缺点是抗车辙性能较差，于是出现了骨架空隙型结构（如AM：沥青碎石路面），这种路面抗车辙性能较好但耐久性较差，经过改进出现了骨架密实型结构（如SMA：沥青玛蹄脂碎石路面），这种路面理论上讲抗车辙性能和耐久性都较好，但其施工难度大，往往达不到理想的效果。当前国际上的总体趋向是采用高含量大集料间断级配改性沥青混合料。

（12）在这些沥青路面中，路面厚度（h）要求是集料最大碎石粒径（D）的2～3倍，即h/D=2～3。其目的是便于压实。

（13）单层微表处（包括稀浆封层）结构中集料最大碎石粒径与成型厚度一致（即h/D≈1），骨架效应强大，不会产生车辙。问题是集料中最大碎石粒径大于30mm时施工难度很大，例如用最大粒径40mm的集料做微表处几乎是不可能的；然而用较细集料做微表处时，如果成型厚度大于集料最大粒径过多，那么微表处结构就演变成了悬浮密实型结构，它的抗车辙性能更差。

（14）由于单层微表处的厚度所限，近几年王海有等开发了等厚粒径碎石沥青路面，它是骨架——悬浮密实复合型结构，其施工方法是：它是先洒一层沥青，在沥青层上撒布碎石，碎石之间保存一定的距离，然后在碎石层上再洒一层沥青，之后在沥青碎石层上摊铺热拌沥青混合料或者乳化沥青稀浆混合料，经碾压、养护而成的沥青路面。等厚粒径碎石即撒布的碎石是单粒径碎石，最大碎石的粒径等于沥青路面厚度，它的强度是由最大粒径的碎石提供的，符合胡克定律，与传统沥青路面的强度符合摩尔--库仑不同。

（15）沥青路面发展的路线图如图1所示。

2.3 尽管国内外许多学者在沥青和沥青混合料方面做了大量的研究，但由于沥青是一种成分十分复杂的无定型高分子化合物的混合物，同时沥青路面又是工作在复杂多变的气候条件与交通荷载的情况下，并且这些因素是随机游走的，如何将各种情况下沥青路面的使用品质同沥青及沥青混合料的性能指标联系起来，尚需进行大量的工作。具体有以下几个方面：

（1）进一步验证与完善已提出的沥青及沥青混合料的性能指标，使其与路面的使用性能相适应；

（2）进一步深入研究改善沥青与沥青混合料性能的新型改性剂及改性工艺，以期提高在不同条件下沥青路面的使用品质；

（3）研究新型沥青路面结构与铺筑工艺，以提高沥青路面的使用品质，延长其使用寿命；

（4）改进与完善沥青混合料设计方法，以满足各种不同条件下沥青路面的使用要求；

（5）研究半刚性基层沥青路面结构中沥青面层的功能及其合理厚度；

3. 结束语

综上所述，对于沥青路面的研究主要着力于三个方面：

（1）一是，优化集料级配，控制较细集料和沥青用量，使粗集料在沥青路面结构中形成骨架；

（2）二是，增强沥青路面胶结材料的稳定性，包括高温稳定性、低温稳定性、水稳定性和耐久性等；

（3）三是，按要求保证沥青路面的密实程度。

骨架——悬浮密实复合型沥青路面是应用与发展的方向。

参考文献

[1] 交通部公路科学研究院.微表处和稀浆封层技术指南[S].北京：人民交通出版社，2006.

[2] 彭波，等.沥青混合料材料组成与特性[M].北京：人民交通出版社，2007.

[3] 张肖宁.沥青与沥青混合料的粘弹力学原理及应用[M].北京：人民交通出版社，2006.

[基金項目]河南省交通运输厅科技计划项目（2015J03）.

[文章编号]1619-2737（2017）07-11-966

[作者简介] 宋现法（1971.3-），男，籍贯：河南郏县人，学历：本科，职称：高级工程师，长期从事公路工程技术与管理工作。