【技术】“四个一体化”破解长寿命沥青路面技术瓶颈

日益严酷的重载交通和复杂自然环境、周期性重建巨大资源消耗以及建管养失衡三大矛盾制约着高速公路的可持续发展，长寿命路面是突破重围的关键支撑技术。

通过对大量长寿命沥青路面的研究与工程实践，提炼出了长寿命沥青路面亟待解决的四个关键技术问题，长寿命沥青路面结构与材料的损伤控制机理、设计理论与方法、服役性能监测技术和施工质量控制等。

为了解决四个关键问题，提出了构建长寿命沥青路面技术体系的总体方略和具体思路，即路基与路面一体化、结构与材料一体化、设计与施工一体化和建设与养护一体化。通过打造长寿命沥青路面“四个一体化”综合技术体系和标准，破解重载交通和复杂自然环境条件下我国高速公路沥青路面技术瓶颈，促进传统沥青路面向新一代绿色耐久路面转变。

我国高速公路长寿命沥青路面的若干重大需求问题

一、严酷重载交通和复杂自然环境的需求与沥青路面寿命不足的矛盾

交通荷载环境和自然环境是沥青路面结构的主要工作环境，也是导致沥青路面产生病害的主要因素。近几年来，随着国民经济提升和公路交通运输事业的发展，交通荷载环境表现出大交通量和重轴载的特征；根据近10年来我国轴载水平调查显示，单车道每日承受的标准交通荷载作用达7000～7×10 4  次，每年达2.7×10 6 ～2.7×10 7  次，而我国现行规范高速公路15年内设计的累计标准轴载一般为2.5×10 7  次（特重交通），这些高速公路7 ～ 8 年的交通荷载水平就达到设计15年的总体要求。在交通量大、轴载重的交通荷载环境下，许多地区的沥青路面在使用初期即出现车辙、开裂、沉陷等结构性破坏，路面结构的使用寿命大大折减。通常，自然环境的影响主要表现为大气温度和水分对沥青路面的损害，我国的气候环境分布区域差异大，近年来极端气候多发，如持续高温或冰冻、强降水天气。在特重及重载交通与恶劣自然环境的共同作用下，沥青路面结构承载力下降，路面使用性能急剧衰减，使用寿命大幅缩短，严重影响了道路结构的使用功能和服务质量。

二、节能环保需求与沥青路面周期性重建巨大资源消耗的矛盾

公路工程建设与维护既是关系国民经济和社会发展全局的民生工程，同时又是资源占用和能源消耗大户。据统计，我国每年新建超过105 km的公路，仅路面工程就消耗天然砂石料、水泥、沥青和各类石油衍生品高达约6×108 吨。我国高速公路沥青路面结构设计疲劳寿命为 15 年，周期性重建造成巨大的交通、环境与资金压力；此外，由于早期沥青路面“重建轻养”的观念，在外部环境及日益增长的交通荷载作用下，对沥青路面的耐久性和使用寿命造成了重大影响。我国高速公路通常5～10年就开始出现路面结构性损坏，全国平均每年有超过104 km高速公路进行大中维修，产生超过4×108 吨废旧材料和废渣土，沥青路面的周期性重建造成严重的资源与资金浪费。随着建造过程中优质集料的大量消耗，加之节能环保需求的倡导和目标的提出，各地区沥青路面材料中优质天然集料供不应求的现象日益突出；以山东为例，2017年山东省关停集料加工厂超过300 个，优质筑路材料价格攀升超过3倍依然缺乏充足料源，甚至需要从辽宁、安徽等省调运，严重影响了工程进度，并提高了工程建设成本。

如何以尽可能小的资源环境代价建设和维护好全球第二大规模的公路交通基础设施，在实现道路本身固有交通功能的同时，减少建设性破坏，避免浪费，实现生态平衡与和谐，是实现交通产业转型、建设资源节约和环境友好型交通行业亟待解决的重要问题。

三、全寿命周期理念需求与沥青路面建管养失衡的矛盾

沥青路面的全寿命周期结构设计是指在选择路面结构时不仅要考虑路面的初始性能、费用和能耗，而且应考虑路面在罩面或改建以后的性能和费用，即在路面的整个寿命周期分析期内寻求满足性能控制标准和经济优化目标的最优路面结构组合。

公路费用组成通常包括建设期投入资金和能耗、运营期养护费用和能耗及后期建设成本和能耗三部分。随着我国高速公路建设里程的不断增多，高速公路建设养护技术的不断发展，加之对高等级公路路面结构认识的逐步深入，在这种发展形势下，在建设投资决策阶段，对工程进行寿命周期内的成本和能耗分析已成为必然。而我国高速公路的建设“重建轻养”，大部分仅仅考虑初期投资建设，只注重建设期成本节约，而对后期道路管理、养护、大中修、用户及周期性重建等费用和能耗未进行统一分析及相互均衡。正是这种认识的不足，导致我国高速公路早期损坏严重，维修周期较短，造成大量资源与资金浪费，也给社会交通运输带来一定的压力，这与上述工程全寿命周期理念形成了矛盾。这些矛盾一方面制约了我国高速公路建设的可持续发展，另一方面也对运营管理造成了较大的影响。

长寿命沥青路面在我国的实践及发展现状

一、长寿命沥青路面试验路

我国沥青路面结构的变化发展经历了漫长而复杂的过程，以早期泥结碎（砾）石路面为起点，19世纪60年代初开始出现我国沥青路面结构的雏形，渣油表处和级配碎（砾）石结构；70年代沥青表处和级配碎（砾）石或石灰稳定结构变得普遍起来；发展至80年代，贯入式或沥青碎石和水泥稳定、二灰稳定或级配碎（砾）石结构成为主流，并逐渐发展成目前认知中的半刚性基层沥青路面结构；90年代中期，半刚性基层沥青路面结构进一步提升至厚度更大，且具有半刚性底基层的沥青路面结构；至今，我国沥青路面结构逐渐形成以半刚性基层沥青路面结构为典型的模式，同时不断变化着结构层的厚度与材料。

伴随着沥青路面结构的广泛应用，高速公路在建设、运营和养护中的投入逐年增长，而沥青路面结构的服役寿命却未得到有效增加。因此，为了提高高速公路的服役寿命，降低全寿命周期内的建设和养护成本，长寿命沥青路面的概念开始被广泛认可与研究，并由小范围试验路逐步发展为具有典型结构的推广性沥青路面结构。

长寿命沥青路面在我国发展的初期，多采用不同结构与材料组合的试验路方式进行探索。最早的长寿命沥青路面雏形是广深高速公路，建设时广深高速的沥青层厚度达到32 cm，通过后期运营多年的跟踪监测，其未出现较大的结构损坏。同济大学在广梧高速公路也开展了长寿命沥青路面的研究。交通运输部公路科学研究院在沿江高速公路修筑了4.8 km的长寿命沥青路面试验路，设计了五种不同路面结构，分别涉及了全柔性、组合式和刚性基层路面结构。许尉高速公路长寿命沥青路面采用水泥混凝土路面上加铺沥青层（白+黑）的设计模式。随着“强基薄面稳路基”概念的提出，以秦皇岛试验路为代表，长寿命沥青路面通过增加半刚性基层的厚度来提高承载力。

2005年，山东省交通科学研究院在长深高速公路滨州至大高段首次铺筑重载交通条件下，具备路面响应实时监测和长期性能观测条件的永久性沥青路面试验路。试验路主要分为全厚式、组合式基层和半刚性基层沥青路面三类结构组合，其中全厚式沥青路面厚度分别达到50 cm和38 cm；组合式基层沥青路面结构的特点是在半刚性基层上增加了排水抗裂沥青混合料。滨大试验路历经十多年的持续跟踪观测，全厚式和组合式路面结构在重载交通作用下目前路面状况依旧良好，且设计的组合式基层沥青路面后来发展成为山东省的主要沥青路面结构形式。2007年，山东省又通过济莱高速公路试验路进一步对级配碎石基层上的全柔性沥青路面结构进行了补充完善研究。2012年，青临高速公路试验路再次对永久性路面结构进行了优化，并首次在沥青路面结构中采用高模量耐疲劳沥青混合料。

三、长寿命路面结构设计方法及标准体系现状

长寿命沥青路面结构的设计主要以美国和欧洲作为典型代表。美国通过在17个州研究或实施长寿命沥青路面结构，逐渐积累形成了美国的设计体系。美国通过长寿命沥青路面结构设计体系，研发出以国际沥青路面联盟PerRoad和MEPDG路面设计软件为代表的设计系统，使美国长寿命沥青路面结构初步实现了建设和养护的整体设计。在欧洲，经过总结欧盟各国长寿命沥青路面结构的实践经验，分别形成了针对欧洲交通、气候特点的长寿命半刚性沥青路面指南和长寿命全柔性沥青路面指南。而在世界范围内，世界道路协会也出版了《长寿命路面及成功实践》等著作。

相较国外，我国的长寿命沥青路面结构设计方法及标准体系建设仍处于初步发展阶段。山东省通过滨大永久性路面试验路的实践，初步总结了永久性沥青路面结构设计方法。

随着更多长寿命沥青路面结构的应用，我国也在逐步建立相应的长寿命沥青路面结构与材料设计体系。交通运输部行业标准《公路长寿命沥青路面设计与施工技术规范》、中国公路学会团体标准《公路全厚式沥青路面技术指南》已经立项，《公路沥青路面设计规范》JTG D50-2017针对新技术的推广应用，特别在总则1.0.5条中强调“应结合当地条件和工程经验，积极稳妥地选用新技术、新结构、新材料和新工艺”，并规定高速公路路面设计使用年限不应小于15年，从行业标准层面为寿命35年以上的长寿命沥青路面结构设计开启了技术进步之门。

长寿命沥青路面的基础科学问题、关键技术问题

一、长寿命沥青路面结构与材料损伤机理

尽管基于周期性重建理念的（通常按15~20 年设计年限）传统沥青路面结构与材料损伤理论已经可以较好的解释荷载和环境作用下沥青路面的损伤演变过程，但是长寿命条件下沥青路面结构与材料损伤机理则是全新的，需要从结构与材料、路基与路面、交通与环境、设计与施工、建设与养护及多因素耦合等系统角度去研究和阐明长寿命沥青路面结构与材料损伤机理。就长寿命沥青路面疲劳损伤机理而言，目前至少在以下三个关键理论方面还需要深入研究：在结构疲劳损伤行为方面，尽管国内外已经针对普通沥青路面建立了基于力学-经验法的结构疲劳损伤模型，同时开展了足尺路面加速加载、现场环道加速加载、实体工程长期性能观测等研究，但满足长寿命路面大交通量荷载及长期作用条件的沥青路面疲劳损伤行为缺乏针对性研究；在结构疲劳损伤评价机理方面，尽管基于力学-经验法的沥青路面结构设计方法都将沥青层底应变作为疲劳设计指标，但在工程应用层面，路面结构中的应变难以直接检测，迄今尚未建立长寿命沥青路面工程可直接检测指标与疲劳损伤指标的关联和跨越制以及工程可直接检测指标对结构疲劳损伤的评价方法，导致长寿命沥青路面疲劳损伤状态缺乏工程检测理论依据和技术；在材料疲劳损伤状态细观特征研究方面，尽管针对沥青路面已经开展大量室内不同典型沥青混合料细观组成研究，但是针对沥青路面结构和材料疲劳损伤细观特征缺乏针对性研究，特别是低应变（极限应变）条件下和大交通量轴载作用下长寿命沥青路面结构和材料疲劳损伤细观演变规律及宏观性能影响尚未清楚阐明。

二、长寿命沥青路面设计理论与方法

需要建立基于我国高速公路交通、环境、材料和施工条件的长寿命沥青路面设计理论与方法，构建我国长寿命沥青路面完整的设计体系，包括路基设计、路面结构组合设计、路面结构设计指标与标准、设计参数、性能分析方法、材料性质及要求、施工与质量验收标准等。为了达到沥青路面结构长寿命的目标，与传统沥青路面设计比较，长寿命沥青路面应在以下5个方面加强并实现其设计理念。

（一）按“永久性路基“理念加强路基设计和指标控制，提高路基承载力，并确保路基长期稳定，为此，要求明确路基承载力设计控制指标，细化路基基础处理方法及指标要求，提出路基不同层位结构组合及不同层位填料及性能要求，同时加强路基施工质量控制，确保路基设计和验收指标满足长寿命沥青路面要求。

（二）按“结构层长久”理念加强路面结构功能层设计，在结构组合上为适应路面结构不同区域受力状态和耐久保持需要，将路面结构层划分成不同的功能层并进行针对性设计，沥青混合料表面层要求抗磨耗、抗剪切，中间层抗车辙、抗疲劳，底面层混合料密水和耐疲劳，加快研发高品质沥青混合料、无机结合料稳定材料及粒料材料技术，材料性能提升可以有效提升路面结构性能，并推动传统长寿命路面结构形式向更加绿色、节能结构形式方向转变。

（三）采用多指标控制路面结构层不同类型损伤，确保在设计年限内将累积损伤控制在设计标准范围内，沥青混合料结构层主要采用疲劳和永久变形指标，无机结合料层主要采用疲劳指标，粒料层主要采用永久变形指标，此外还应该考虑材料受到水、湿度、温度等环境影响的指标（如图1为长寿命沥青路面结构疲劳损伤控制流程示意图）。

（四）路面结构性能分析参数采用更接近实际状态的大数据（或大样本数据）统计或频谱分布表征方式，不再采用传统的当量、等效、平均值、代表值等可能导致与实际状态偏差的方式，如交通荷载用实测轴载谱表征，温度采用实测周期（年、多年或全寿命周期）温度场表征，厚度、模量等参数用概率分布模型表征，参数输入采用大样本或大数据模拟仿真技术，解决路面结构设计参数与实际偏差的问题。

 （五）通过室内试验、加速加载、实体工程长期性能观测完善路面结构性能分析模型，为了加快长寿命沥青路面结构性能模型的形成和应用，建议开展全寿命周期荷载作用下（亿级交通荷载）路面结构的加速加载研究。

        图1长寿命沥青路面结构疲劳损伤控制流程示意

三、 长寿命沥青路面服役性能监测和评估技术

长寿命沥青路面结构服役性能受结构层材料、路面结构组合、气候环境、交通荷载等多因素耦合作用的影响，其复杂性导致难以智能化、精准化和系统化的监测和评估路面结构服役真实状态，无法精确预测路面结构的服役性能演变规律，因此需要在路面结构服役性能智慧感知技术与检测装备、数据的科学分析（大数据分析）、长寿命沥青路面管养科学决策等方面取得突破，以实现长寿命沥青路面服役性能的智能检测和评估，为长寿命沥青路面性能验证研究、路面施工质量控制、路面长期服役性能评估以及科学养护决策提供依据。

国内外对沥青路面结构服役性能智能监测和评估属于相对前沿的技术。目前大多采用传统检测手段，以人工、点状、经验、表象、反演为主，缺乏对路面结构性能和表面功能运行状态的监测，缺乏快速、准确获取路面结构实际服役状态参数的手段，缺乏相应的服役状态智能感知分析决策系统。近年来已经开展并获得初步应用的智能感知技术有：交通轴载大数据智能监测、路面结构内部动力响应智能感知、三维路面雷达材料均匀性检测、路面结构内部温度场智能监测、多元异构数据融合与大数据挖掘等。长寿命路面结构服役性能的智能监测是涉及土木工程、材料科学、电子科学、信息科学、控制科学、软件科学等诸多学科的交叉应用。针对传感器与路面结构的协调性、有效数据的甄选提取、海量数据的深度挖掘、服役性能科学预测等难题，应在路面结构服役性能智能监测机理、数据解析、多源信息的关联机制、大数据集成分析、成套装备系统及大规模网络化应用等方面运用科学手段实现突破，结合可靠的路面无损检测先进技术手段（落锤式弯沉仪FWD、PSPA、无核密度仪、三维探地雷达、道面红外热诊断等）应用，推动路面结构服役性能智能监测技术水平快速提升，建立兼顾路面结构内部力学响应、外部气候环境、交通荷载、路面材料的路面服役状态分析评估体系，为长寿命路面全寿命周期性能评估提供重要科学依据和手段。

四、长寿命沥青路面施工质量控制技术

提出基于新一代施工技术和装备，融合信息化、智能化技术手段的长寿命沥青路面施工质量控制技术。建立针对长寿命沥青路面不同功能层材料的施工工艺及质量控制技术，开发针对长寿命路面永久路基的成套施工技术、无机结合料稳定材料大厚度连续摊铺碾压技术、沥青层宽幅双层连续摊铺技术、基于机械设备参数与材料相互作用特性的混合料离析控制方法等，提高施工效率，减少材料离析，增强了路面结构层间的联结，提高路面结构整体性能。为满足沥青路面质量管控准确、快速、高效、全面、全过程的要求，以路用性能提升为导向，以新一代检测技术装备为基础，建立多元化、全覆盖质量管控体系，以满足高速公路长寿命沥青路面施工管理、质量提升的实际需要，实现大样本、高频率和及时准确进行沥青路面全过程质量管控的目标，建立针对长寿命沥青路面的质量控制体系，实现了结构、材料设计与施工控制的统一。

“四个一体化“构建长寿命沥青路面技术体系展望

长寿命沥青路面受结构、材料、交通、环境及施工条件等多因素的影响，各因素间环环相扣、相互制衡，牵一发而动全身；传统沥青路面往往突出强调某一方面因素，并未较好综合考虑路基、路面、结构、材料、设计、施工、建设与养护等各因素的平衡点，始终存在着长板与短板，木桶效应明显。长寿命沥青路面的“四个一体化”设计体系将上述多种关键影响因素作为整体考虑，平衡各因素间的效果，找到不同参数最优结合区域，克服传统沥青路面的性能短板，整体提升路面结构性能和寿命。因此，“四个一体化”设计框架和体系将成为未来长寿命沥青路面技术发展的必然方向和途径。

（一）路基与路面一体化

道路结构是建立在道路路基整体上的，路基是长寿命沥青路面结构的基础，保证路基长期稳定才能保证路面结构的稳定。同时，还需要确定合理的路基承载力指标来保证长寿命沥青路面结构的性能。

我国现行沥青路面设计规范规定路基顶面回弹模量应符合表1中回弹模量的规定。不满足要求时，应采取改变填料、设置粒料类或无机结合料稳定类路基改善层，或采用石灰或水泥处理等措施提高路基顶面回弹模量。表2、表3是法国路面设计规范对交通量较大干线公路路基承载力的要求。从回弹模量指标与弯沉指标的比较不难发现，与国际上道路技术较为先进国家比较，我国现行路面设计规范对路基承载力指标要求明显较低，这与长寿命沥青路面对路基承载力要求不符，因此需要进一步提高我国路基承载力设计指标，以适应长寿命沥青路面设计对路基要求。

表1路基顶面回弹模量要求

表2未处治改善层要求

表3现场处治粘质土或淤泥土改善层要求

为了达到路基稳定和承载力要求，应当补充和细化路基结构组合设计方法和标准。对地基承载力标准、未处治填土承载力标准及路床改善土承载力标准等都研究相应控制标准和要求，而不是仅对路基顶面提出指标控制要求。

在满足路基承载力最小要求基础上，应当加强路基路面结构一体化设计分析，为长寿命路面结构优化设计提高合理的路基承载力数值。在满足一定交通荷载条件和最小路基承载力条件下，路基承载力越大（处治成本越高），整体路面结构厚度就越小（路面成本越低），反之路基承载力越小（处治成本越低），需要的路面结构厚度就越大（路面成本越高）。一体化分析原则是在满足同样交通荷载条件下，采用的路基承载力标准与路面结构厚度达到经济的最优化。

二、结构与材料一体化

长寿命沥青路面结构组合与高品质混合料结合可极大提升路面结构使用性能。按照长寿命沥青路面各结构层的功能要求选择或开发合适的混合料类型，根据对路面使用性能的分析及力学、环境适应、耐久等特性的要求，确定出各功能层材料的性能要求，从而把结构设计与材料设计结合起来，实现沥青路面结构设计与材料设计的一体化。

为满足我国高速公路重载交通与复杂气候条件对长寿命沥青路面各功能层沥青混合料的性能要求，需要开发高品质的沥青混合料。现有常用沥青胶结料与混合料已无法满足使用要求。国际上已经开始研发综合性能更优的沥青混合料，如法国的EME、美国的高模量沥青混合料HiMA等。目前通常采用的单一模量提高技术，虽然能在一定程度上提高沥青混合料的抗车辙能力，但导致了混合料抗疲劳、抗水损害及抗裂性能的下降，造成了使用寿命的缩短。高品质沥青混合料的设计理念是沥青混合料性能的全面提升。

为此，需要从以下三方面开展研究：（1）建立了以功能需求为基础的新一代高品质耐久性沥青混合料设计理论与方法，攻克了沥青混合料性能全面提升技术难题，为各类严酷荷载环境下的耐久性铺面设计奠定基础；（2）研究基于沥青胶体体系、沥青质团簇重构理论的胶结料性能综合提升方法，以及先模量梯级升级-后改性的新一代高劲度改性沥青制备技术，突破配伍性和存储稳定性差的技术瓶颈；（3）开发高劲度沥青规模化工业生产装置和工艺技术流程，攻克了高劲度沥青均匀性控制和施工温度确定技术难题，实现了新一代高品质沥青混合料在不同严酷条件下的规模化应用。

三、设计与施工一体化

设计与施工一体化指设计指标与施工控制指标一致，实现设计与施工一体化是确保长寿命沥青路面使用品质和使用寿命的关键。一方面，结构设计参数要尽可能符合施工实际，充分考虑施工的变异，另一方面，成品路面结构几何参数、层间结合状态、不同结构层混合料性能等必须满足设计指标要求。

开发和运用新一代施工技术是确保设计与施工一体化的重要手段。施工质量信息化、智能化压实技术、新一代施工装备（大吨位压路机、宽幅大厚度摊铺机等）、全覆盖大数据无损检测技术等开发和运用将为长寿命路面施工质量提供强有力保障。例如，大厚度连续摊铺碾压工艺解决了无机结合料稳定材料施工层间连接不良问题，极大提高路面结构整体性；路面三维雷达系统开发的路面结构层厚度和材料均匀性大数据检测（如图2），为成品路面质量评价提供强有力保证。

图2沥青路面厚度分布云图

四、建设与养护一体化

建养一体化要求长寿命沥青路面要按寿命周期费用分析（Life Cycle Cost Analysis，简称LCCA）、寿命周期评价（Life Cycle Assessment，简称LCA）理念和方法进行建设和后期运营养护评估，确保全寿命周期费用和能耗排放达到最优化。长寿命沥青路面的理念是减少结构损伤产生的可能性，并使可能发生的破坏限制在路面表层，当路表破坏达到某一临界水平时，只需更换或加铺一层表面层即可，不需要大的结构性重修或重建，且路面结构能长期持续使用50年以上。只有实现结构不发生破坏才能与现代基于功能恢复为主的养护技术和预防性养护技术，包括薄层罩面、微表处、就地再生等，真正发挥作用。因此，长寿命沥青路面结构应该是能够与现代养护技术衔接良好的路面结构。