利用既有道路进行长寿命路面改造，看欧美国家是怎么做的！

摘要

随着检测分析手段的不断进步和路面改造技术的发展，充分利用既有道路结构能力，显著延长道路使用寿命问题成为欧美国家研究的热点。 

通过分析欧美各国利用既有沥青路面进行长寿命路面研究的成果，从长寿命路面理念、路面破损机理、既有道路检测与评价、长寿命路面处治设计等方面进行了探讨，揭示了基于既有沥青路面结构性能的检测和分析，利用既有半刚性基层沥青路面，实现长寿命路面目标的理论基础和设计理念。

 建议在总结我国半刚性基层沥青路面建设和养护维修成功经验的基础上，提炼出长寿命半刚性基层沥青路面的评价指标和设计标准，从而延长沥青路面使用寿命，有效提升既有路面的养护周期。 

近十几年来，长寿命路面成为各国沥青路面研究、材料生产机构最为热门的研究课题，欧洲、美国、加拿大、日本等都在进行广泛研究。EAPA（欧洲沥青路面协会）1996 年国际会议、ISAP（世界沥青团体）1997 年和 2002 年国际会议中，长寿命路面一直是重要议题。2004 年 ISAP 组织了有 50 多个国家参加的长寿命路面国际研讨会，介绍了美国、欧洲、加拿大长寿命路面研究的经验和技术。

长寿命沥青路面（Long-life Asphalt Pavements）的概念出现在 20 世纪 60 年代，当时一些国家开始修建全厚式沥青混凝土路面和较大厚度高强度沥青路面，其目的是有效延长路面的使用寿命。英国在 20 世纪 60 年代初期修筑了多条设计寿命为 20 年的试验路，在分析这些试验路的路面性能基础上，Powell 等于1984 年提出的设计理论是道路使用 20 年后通过对原路面的补强来实现 40 年的设计寿命。随后英国长寿命路面设计理念迅速传遍欧洲，1999 年欧洲成立了长寿命路面研究组（ELLPAG），确定了研究方向，报道欧洲长寿命路面的研究现状。美国沥青路面协会（2002 年）第 1 次系统介绍了永久性路面的设计概念、力学经验设计法、路基要求和各层热拌沥青混合料的要求，并讨论了长寿命沥青路面的性能目标以及一些地区的长寿命沥青路面实践经验。随着检测分析手段的不断进步和路面改造技术的发展，充分利用既有道路结构能力，通过合理的维修改造措施大大延长道路使用寿命成为欧美国家研究的热点。ELLPAG（2009 年）发布了欧洲长寿命半刚性路面应用指南，美国通过 SHRP2 R23项目的长期研究和 LTPP 分析，发布了就地利用既有路面实现长寿命的技术报告。报告总结了利用既有道路进行长寿命路面研究的实践经验，更新了长寿命路面理念，提出了既有道路的检测和评估方法，优化了路面维修改造设计方法，以便在合理利用既有道路结构性能的基础上延长道路寿命，尽量减少维修施工对交通和环境的影响。 

1 长寿命路面概念 

根据美国沥青路面协会（APA）定义，长寿命路面是指设计使用年限达 50 年的沥青路面，在设计使用年限内无结构性的修复和重建，仅需根据表面层损坏状况进行周期性的修复。美国各州的标准则从 30 年（如堪萨斯、科罗拉多）到 50 年（如加利福尼亚）不等。APA从 2001 年起开始在全美国评选长寿命路面奖，其标准是沥青路面至少 35 年没有发生结构性损坏、平均罩面时间间隔不少于 12（或 13）年，至今共有 80 个路段获奖，其中 2001 年 3 项、2011 年 5 项。第 1 个获奖的新泽西收费公路（New Jersey Turnpike）长 238.2 km，始建于1950 年1 月。SHRP2 R23 报告中对长寿命柔性路面使用了功能性的定义指标，即：长寿命路面原则上应消除自下而上的疲劳开裂和结构性车辙，寒冷气候的低温开裂和冻胀必须消除或显著减少，然而表面（自上而下）开裂仍有可能发生，老化主要影响沥青路面上面层，随着时间推移，其刚度增加，柔韧性降低。

欧洲长寿命路面研究组在长寿命半 刚性路面应用指南中，对长寿命路面定义进行了修订，以涵盖半刚性路面和刚性路面，即：经过精心设计和施工良好的路面，在保证最大荷载和环境条件不被超越的情况下，结构功能可以得到无限期满足，只需进行适当而及时的表面维护；并将长寿命路面管理策略总结为“预防裂缝”和“裂缝自适应”2 种。

总结国内外研究成果和工程实践可以得出，长寿命路面尚没有统一的标准和定义，长寿命路面既非某种结构形式，也非简单地延长路面使用功能。长寿命路面是“优质的材料＋合理的结构＋严格的质量控制＋规范的预防性养护”的有机结合。材料是基础，结构是核心，质量是关键，养护是保障，并要注重平衡性和适用性。

2 路面破损机理

通过大量调查与计算分析发现，施工良好的沥青路面在使用中也会出现诸如纵向开裂、车辙等病害。虽然很多外界影响因素相同，所有面层都会遭受抗滑能力损失，也会发生纹理深度损失并出现车辙，但柔性与半刚性路面结构在路表面和结构损伤机制上还存在一些差异。

2. 1 柔性基层沥青路面

柔性基层沥青路面的破损通常与交 通荷载和环境因素有关。交通荷载在基层内产生重复周期性的拉伸应变引起疲劳裂纹，这些裂缝通常出现在沥青基层的底面，然后通过材料向上传递。车辙是多个路面结构层包括路基铺装结构永久变形的累积。沥青随时间推移变硬最终影响混合物抵抗疲劳的性能，热循环和车辆荷载引起路表应变最终导致路表出现裂纹。随着时间的推移，这些裂纹向下传播并最终到达基层。沥青的硬化也影响到混合料的黏聚力，并可能导致表层骨料的磨损。作为一种黏弹性材料，沥青混合料的性能还受到温度的影响。炎热天气下，随着路表（非结构性车辙）永久变形的积累，荷载的缓慢移动将进一步加剧变形。

2. 2 半刚性基层沥青路面

半刚性基层沥青路面的表面层可以 有效隔离半刚性基层和外界环境直接接触，并有助于荷载分配。但半刚性结构层的强度和厚度对病害的发展具有显著影响，这也与交通荷载和上述环境相关。这类路面的热效应通常导致施工过程中无机结合料层出现横向收缩裂缝。一定时间后这些裂纹将导致上层沥青开裂，但并不一定会渗透到沥青层的整个深度。如果不进行处治，反射和环境裂纹可能使水进入到路表以下材料，而这些材料对湿度很敏感。足够宽的基层横向裂纹，会显著降低粒料间的嵌锁作用，降低路面荷载传递的效果，引起路面破坏。同时，沥青表层还可能产生由环境引起的缺陷，如表面开裂和由于沥青硬化造成的骨料脱落。

3 既有道路的检测与评价

确定路面是否为长寿命路面，通常要求路面结构性能较好。虽然网级路面状况数据可以表明结构性破损是否显著，但除非开展详细的结构评估，否则无法实现长寿命路面的科学评价。因此，可根据检测和评价的指标和程度，将既有道路状况的评价分为网级评价和项目级评价。 

3. 1 网级检测与评价

欧洲的网级评价是基于路面管理系统建立的，例如英国的公路路网，其所有的调查数据都以电子资料形式存储到公路局路面管理系统（HAPMS）中。所有路面类型均须对功能性指标，如抗滑能力和路表质量状况进行检测和评价。在网级层面，半刚性路面结构的评价可用弯沉指标来测量。然而，长寿命路面的关键特征之一是其结构性能不随时间减弱，因此，重交通路段半刚性基层路面的弯沉应逐年连续观测，以记录路面的弯沉历史。长寿命半刚性沥青路面的一个重要指标是弯沉不随时间的增加而增加，路表状况的检测可用来支持这一趋势。英国根据每百米长度内轮迹带最大弯沉的第 85 分位值和面层厚度，建立了柔性基层沥青路面使用寿命标准（见图 1）：沥青层总厚度应大于 30 cm，且标准弯沉小于 0.1～0.2 mm，即可认为是可能的长寿命路面[14]。 

3. 2 项目级检测与评价

1）检测方法

项目级评价的目的是确定路面结构 破损的程度和来源，以利于设计适当的处治措施。各国的既有道路项目级检测指标和方法略有不同，总体来讲，路表外观检测、承载力检测、取芯和 DCP 动力触探检测是必检指标，然后再根据现场实际情况确定是否采用探地雷达、FWD 检测、探坑或大直径芯样、室内芯样材料试验、路基和排水状况、标志标线、车流限制措施、照明、地形测量等检测。其中，承载能力检测是项目级检测和评价的重点。承载力检测设备包括贝克曼梁、Deflectograph、Curviameter 和落锤式弯沉仪。开展非破坏性的弯沉测试可以评估路面的总刚度。沥青的劲度和无机结合料基层都能提供路面的整体刚度，所以通过对这些刚度数据的分析评价可以为破损检测提供某种形式的判据。除了检查基层和基础的材料特性，还应对基层的无机结合料强度进行试验。

在承载力检测和分析方面，西班牙、荷 兰和英国应用反算程序来获得路面层的刚度[8]。但采用这种方法时，应小心避免分析半刚性结构时经常发生的异常，由于无机结合料层刚度引起的系统灵敏度，可能会产生不切实际的刚度。荷兰提出了用落锤式弯沉仪比较轮迹处和轮迹之间承载力的方法：如果轮迹处的测量值明显低于轮迹之间，这将是基层材料层与交通荷载有关的结构退化的表征；在没有严重反射裂缝的路面无荷载区域发现了低承载力，可能是由于环境因素如霜冻或潮湿引起的结构损伤。美国则采用 FWD 的弯沉盆形状指标最大弯沉 D0、面积参数 AREA 和路基模量 MR 对既有道路结构状况进行评价[9]。法国主要针对网级评价的路面状况指标，通过高性能道路检测设备和路面历史、施工、路龄和交通等信息一起确定既有道路状况。沥青面层厚度对于衡量路面的承载能力具有重要作用，对于经历多次罩面或补强的路面，应通过雷达检测（钻芯校准）详细检测面层厚度。

路表状况通常用于评估路面的承载能力，并且可以作为诊断结构损伤的源头，以适当设计结构的维修措施。对于交通繁忙的路面，破损的一个关键指标是路表破损的类型和程度。半刚性路面结构破损的主要模式是源于基层的反射裂缝。由于这些反射裂缝被认为是从基层产生，它们也可以被用来解释基层状况。依据“裂缝自适应”的理念，反射裂缝可以是相对良性的。在这些情况下，在较强的无机结合料稳定基层、无机结合料稳定路基和底基层或无湿度敏感性的基础共同作用下，预计沥青层中的横向裂缝宽度是较窄的、稳定的，这些路面渗水不太可能导致路段的迅速恶化。英国采用落锤式弯沉仪来调查横向裂缝的荷载传递性能[14]。如果裂缝之间的路面结构良好，由“泵吸”作用引起严重横向裂缝的半刚性路面，可以通过深开挖和更换破损材料恢复到长寿命。分析这种处治方法的经济可行性将取决于裂缝之间的纵向间距。在全厚式路面轮迹带，纵向开裂是一个自上而下的过程，而类似机理也可能发生在半刚性路面。钻芯调查能够判断纵向裂缝是否使半刚性基层失效，还是沥青面层自上而下开裂。一般而言，那些已经发展到沥青层整个厚度、规则排列的横向反射裂缝，并不一定反映无机结合料基层的结构有问题；如果裂缝位置附近的路面承载能力并未明显降低，通常认为基础不容易受潮，可通过更换开裂的沥青面层来改善路面结构的完整性。路表面广泛发生的裂纹可能预示存在结构性问题。 

2）长寿命半刚性路面的评价

路面是否为长寿命路面，其评价取决于对半刚性路面采用的策略。ELLPAG 研究组确定了 2 种策略：“裂缝自适应”策略，即接受反射裂缝的发生，对这些裂缝进行维护管理，使它们不会受到不利路面结构的影响；“裂缝预防”策略，即修筑减少反射裂缝发生的路面。对于这 2 种策略，基层条件是很重要的，因为基层是路面的主要结构层。目前，还没有哪个国家建立了半刚性路面长寿命的评估程序[8]。然而，英国有一种评估半刚性路面的方法，以确定路面是否可以升级为长寿命全柔性路面。 

英国在 HD30（DMRB7.3.3）中描述了半刚性 路面的评估方法（英国称为柔性复合路面）。该方法采用一组测试进行结构状况的分类。其中，A 类既有道路是指路面不受结构损坏的影响，适合作为潜在的长寿命路面来考虑。A 类既有道路路面应具有以下特点：

①路表条件：可以存在微小宽度的裂 缝，但没有发现基础破损的任何表现。

②芯 样 强 度：半 刚 性 基 层 芯 样 的 抗 压 强 度 大 于10 MPa。

③路面结构：路面结构层要求具有良好的完整性；沥青层刚度模量大于 7 GPa，基层模量大于 15 GPa，路基模量大于 100 MPa；路面整体刚度模量应超过 10 GPa。

4 既有道路实现长寿命的处治设计

依据路面结构层状况和应用的长寿命策略类型，欧洲在考虑利用既有半刚性路面结构升级为潜在的长寿命路面方面，存在 3 种选择策略：

1）如果基层被评定为适合升级，设置沥青罩面可以预防出现结构性问题，沥青层可以抵抗反射裂缝。可根据“裂缝预防”策略，建设成潜在的长寿命半刚性路面。

2）如果基层不适合升级，其不能升级形成长寿命半刚性路面，但可升级形成长寿命全柔性路面，半刚性路面现有基层将形成潜在的长寿命全柔性路面路基的一部分。

3）依据“裂缝自适应”策略，半刚性基层被评定为无结构性破损，可不进行任何结构性维修，只需要合适的评估和养护措施即可。

4. 1 现有基层适合升级

如果基层被评定为适合升级为长寿命路面，则需确定一个合适的沥青层厚度，以防止基层未来的结构性破损和由于沥青层开裂引起的表面渗透。随着沥青层厚度的增加，交通荷载产生的基层应力减少，降低了基层应力过载的风险。较大厚度的沥青层减少了在沥青-基层界面的热变化和施加到基层上的静载荷；综合这些影响，将减少自然形成的裂缝附近的相对运动，从而降低了发生反射裂缝的风险。 

确定路面厚度主要考虑结构破损的风险，英国应用了类似于“裂缝预防”策略，并以反射裂缝风险最低制定了确定沥青层厚度限值的方法。假设半刚性基层满足于当前的标准设计（见图 2），可以增加沥青层罩面厚度到 200 mm[16]。法国认为不同类别的维修措施可采用不同厚度的沥青罩面，最高类别是增加 140 mm 以上厚度的沥青层。这些措施将路面的结构状况和表面特征翻新为一种新的路面。另外，美国在路面改造技术中采用了一些新兴的路面技术（见图 3），有可能逐渐演变为一种长寿命路面技术。

4. 2 现有基层不适合升级

如果半刚性路面的基层被评定为不 适合作为长寿命半刚性结构的一部分，其可以被用作全柔性路面的底基层。如果基层严重破损，底基层只能被视为无黏结的底基层。由于半刚性路面沥青层通常不足 20 cm，但如果沥青层状态良好而未受破损，理论上半刚性基层可以提供较大支撑，确保沥青面层作为升级结构的一部分。升级为长寿命全柔性路面的主要方法是确保路面变形较低，既有沥青层不受破损影响，并增加沥青层的厚度使其超过 300 mm。这种方法可应用于破损的半刚性基层结构，具体做法为：

1）移除现有的沥青层，应用半刚性基层来设计全新的路面结构，即：进行长寿命全柔性或半刚性路面设计；

2）移除现有的沥青层、打裂已破损的半刚性基层，然后计入沥青层中。使用该技术可形成长寿命全柔性路面，或者可归类为一种后裂的长寿命半刚性路面。

美国通过 LTPP 试验路的验证和 PerRoad 软件的分析计算，使用极限应变方法开发了柔性路面改造的厚度设计（见表 1～3），提供了一个 10 年到 50 年使用期内损坏率小于或等于 0.1 的标准。 

4. 3 裂缝自适应与半刚性路面的养护

半刚性沥青路面的养护要求类似于全柔性路面，但横向反射裂缝在半刚性路面性能下降中起主要作用。确定半刚性沥青路面养护措施的主要因素是半刚性基层的开裂类型、范围和严重程度。按照“裂缝自适应”策略，对于长寿命半刚性路面，只有基层自然形成的裂缝是允许的；其他类型的裂缝则表明了结构的某些损伤。周期性的横向裂缝发生并不一定是结构性损伤，5 m 以上间隔的横向反射裂缝，通常表示的是较强的半刚性基层因热应变造成的开裂。推荐钻取反射裂缝芯样来确定裂缝是否仅限于路面表层，还是已贯通现有沥青材料的整个厚度。如果裂缝仅限于表层，铣刨现有路面比加铺表面层可能更有效。

路面表层及时养护是确保长寿命路面路用性能的重要条件。通过对每个路表状况指标的连续监测和分析，可以改进养护的有效性。COST ACTIVE 343（FEHRL，2003）开发了一个流程图（见图 4），为特定的项目选择最合适的路面养护措施，并使选定的养护方案具有可行性和可操作性；同时最大限度地减少对交通的干扰。

5 结语

通过对欧美国家利用既有沥青路面进行长寿命路面的研究分析，揭示了基于既有沥青路面结构性能的检测和分析，采用适当的工程技术显著延长路面使用寿命的可行性。特别针对半刚性基层沥青路面的破损机理、检测评价以及处治设计等方面，阐述了既有半刚性基层沥青路面实现长寿命的理论基础和设计理念。 建议我国的研究机构在总结我国半刚性基层沥青路面建设、养护维修成功经验的基础上，提炼出长寿命半刚性基层路面的评价和设计指标与标准，以实现路面工程的可持续发展。

新闻来源：沥青网