Review on long-life-oriented life extension design of existing expressway asphalt pavement
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摘要: 面向中国长寿命公路建设工程的需求，介绍了中国、美国和欧洲各国长寿命沥青路面的基本概念和发展历程，总结了中国和欧美国家长寿命沥青路面设计理论与方法的研究和发展现状，梳理了欧美国家既有沥青路面检测与评价、延寿处治设计方法，论述了中国典型既有沥青路面延寿设计方法的研究与发展现状，对比分析了不同新建道路长寿命设计方法和既有沥青路面延寿设计方法的优缺点和适用性。研究结果表明：目前尚未形成统一的长寿命沥青路面设计标准，研究与应用仍处于发展完善阶段，长寿命沥青路面依旧是未来路面领域的研究热点；耦合交通与环境因素，建立多指标控制的长寿命沥青路面设计体系是今后应重点研究的方向；长寿命沥青路面结构设计在今后将向非线性、多维度、概率型和动态化转变；基于结构层寿命逐层递增的长寿命沥青路面延寿设计方法可使沥青路面结构使用年限翻一番，相关工作可为既有沥青路面延寿设计方法和体系的构建及应用提供有价值的参考和见解，以满足中国长寿命公路建设工程发展需求；既有沥青路面延寿设计是道路工程可持续发展的重要课题，未来应加强长寿命沥青路面技术的研究和推广，提高路面的综合质量，满足不断增长的道路运输需求，为建设优质、高效、绿色、安全的交通基础设施做出更大贡献。Abstract: In the face of the demand for long-life expressway construction projects in China, the basic concepts and development histories of long-life asphalt pavements in China, the United States, and European countries were introduced. The research and development status of long-life asphalt pavement design theories and methods in China and European and American countries were summarized. The existing detection and evaluation for asphalt pavements and life extension treatment design methods in European and American countries were combed. The research and development status of life extension design methods for typical existing asphalt pavements in China were discussed. The advantages, disadvantages, and applicabilities of different long-life design methods for newly constructed roads and life extension design methods for existing asphalt pavements were compared and analyzed. Research results indicate that the unified design standard for long-life asphalt pavements is not formed at present. The research and application are still in the stage of development and improvement. Long-life asphalt pavements will still be a hot topic in the field of pavement research in the future. The coupling of traffic and environmental factors to establish a multi-index controlled long-life asphalt pavement design system should be a key research direction in the future. The long-life asphalt pavement structure design will shift towards nonlinear, multidimensional, probabilistic, and dynamic in the future. The life extension design method for long-life asphalt pavements based on the progressively increasing life of structural layers doubles the service life of asphalt pavement structures. The relevant work can provide valuable reference and insight for constructing and applying the life extension design methods and systems for existing asphalt pavements, so as to meet the development needs of long-life highway construction projects in China. The life extension design of existing asphalt pavements is an important subject for the sustainable development of road engineering. In the future, it is necessary to strengthen the research and promotion of long-life asphalt pavement technology, improve the comprehensive quality of pavements, meet the growing demand for road transportation, and make greater contributions to the construction of high-quality, efficient, green, and safe transportation infrastructure.
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Key words:
- pavement engineering /
- long-life /
- existing road /
- expressway /
- asphalt pavement /
- life extension design
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图 1 国内外长寿命沥青路面发展历程对比
Figure 1. Comparison of development histories of long-life asphalt pavement in China and abroad
图 2 基于疲劳极限的长寿命沥青路面设计方法
Figure 2. Design method for long-life asphalt pavement based on fatigue limit
图 3 美国长寿命沥青路面各结构层设计理念
Figure 3. Design concept of various structural layers of long-life asphalt pavement in the United States
图 4 结构层寿命逐层递增式耐久性沥青路面结构
Figure 4. Endurable asphalt pavement structure based on progressively increasing lives of structural layers
图 6 高速公路沥青路面养护决策树模型
Figure 6. Decision tree model for maintenance of expressway asphalt pavements
图 7 结构层寿命逐层递增的长寿命沥青路面延寿设计流程
Figure 7. Life extension design process of long-life asphalt pavement based on progressively increasing lives of structural layer
表 1 山东省推荐的永久路面结构组合
Table 1. Structure combinations of permanent pavement recommended by Shandong Province
层位 2005年结构 结构组合1 结构组合2 1 4 cm SMA-13 4 cm SMA-13 4 cm SMA-13 2 6 cm AC-20 6 cm AC-20 10 cm HMAM-16 3 8 cm AC-25 8 cm AC-25 11 cm HMAM-16 4 15 cm大粒径透水碎石混合料(Large Size Permeable Aggregate Mixture, LSPM)-25 (改性) 10 cm LSPM-25 (改性) 10 cm LSPM-25 (改性) 5 20 cm二灰碎石 18 cm水稳碎石 7 cm AC-13F 6 20 cm石灰稳定土 18 cm水稳碎石 40 cm改善土 7 18 cm水稳碎石 40~80 cm改善土 总厚度 73 cm(沥青层33 cm) 82 cm (沥青层28 cm) 122~162 cm (沥青层42 cm) 
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表 2 江苏省推荐的永久路面结构组合
Table 2. Structure combinations of permanent pavement recommended by Jiangsu Province
层位 组合式基层结构 全厚式结构 1 4 cm SMA-13 5 cm SMA-13 2 8 cm Superpave-20(改性) 8 cm Superpave-20(改性) 3 8 cm Superpave-25 8 cm Superpave-20(改性) 4 10 cm大粒径沥青混合料-25 8 cm Superpave-25 5 10 cm大粒径沥青混合料-25 8 cm Superpave-25 6 20 cm水稳干压回收废料 11 cm级配碎石 7 20 cm石灰稳定土调高层 11 cm级配碎石 8 20 cm干压回收废料 总厚度 80 cm(沥青层40 cm) 79 cm(沥青层37 cm)
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表 3 RIOHTrack永久路面结构组合
Table 3. Structure combinations of RIOHTrack permanent pavement
层位 结构1 结构2 结构3 结构4 结构5 1 4 cm SBS-AC-13 4 cm SBS-SMA-13 4 cm SBS-SMA-13 4 cm SBS-SMA-13 4 cm SBS-SMA-13 2 8 cm A50-AC-20 8 cm SBS-AC-20 8 cm A30-AC-20 8 cm A50-AC-20 8 cm A30-AC-20 3 12 cm A50-AC-25 12 cm A70-AC-25 12 cm A30-AC-25 12 cm A50-AC-25 12 cm A30-AC-25 4 12 cm A50-AC-25 12 cm A70-AC-25 12 cm A30-AC-25 12 cm A50-AC-25 12 cm A30-AC-25 5 20 cm水稳碎石 20 cm水稳碎石 20 cm水稳碎石 12 cm A50-AC-25 12 cm A30-AC-25 6 44 cm级配碎石 20 cm水泥稳定土 20 cm水泥稳定土 4 cm SBS-AC10 20 cm水稳碎石 7 48 cm级配碎石 总厚度 100 cm(沥青层36 cm) 76 cm(沥青层36 cm) 76 cm(沥青层36 cm) 100 cm(沥青层52 cm) 68 cm(沥青层48 cm)
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表 4 世界各国及地区长寿命沥青路面结构层厚
Table 4. Thicknesses of long-life asphalt pavement structure layers in countries and regions around world
cm 国家或地区 面层 基层 英国 16.9 19.0 德国 3.7 35.0 法国 39.0 25.0~50.0 意大利 38.0 81.0~91.0 奥地利 10.2 60.0 加利福尼亚州 25.0 35.0 密歇根州 21.5~30.5 25.0~43.0 威斯康星州 23.0 30.0~53.0 俄亥俄州 37.0 15.2 马西兰州 35.5 15.2 日本 5.0~15.0 50.0~65.0
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表 5 不同国家、地区和机构长寿命沥青路面的设计使用寿命
Table 5. Design service lives of long-life asphalt pavements in different countries, regions and institutions
国家、地区或机构 设计寿命/ 年 国家、地区或机构 设计寿命/ 年 德国 30~40 美国国家公路与运输协会(American Association of State Highway and Transportation Officials, AASHTO) 30~50 法国 30~40 伊利诺伊州 40 日本 20~40 夏威夷州 30~50 南非 20~40 西弗吉尼亚州 40 英国 40 俄亥俄州 35 加拿大 30~40 威斯康星州 50 澳大利亚 20~40 华盛顿州 40 西班牙 30 堪萨斯州 30 美国联邦公路管理局 ≥35 加利福尼亚州 35 科罗拉多州 40 中国 30 俄勒冈州 30~35
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表 6 国外部分长寿命组合式基层路面结构
Table 6. Partial long-life pavement structures with combined bases in foreign countries
公路(路段)名称 路面结构 英国高速M25 38 mm热压沥青混凝土+68 mm粗粒式沥青混凝土+63 mm热压沥青混凝土+ 190 mm贫混凝土+200 mm级配砂砾 德国高速A5 37 mm浇注式沥青混凝土+200 mm沥青混凝土+150 mm稳定基层 德国汉堡高速 35 mm浇注式沥青混凝土+265 mm沥青混凝土+150 mm级配砂砾+防冻层 法国Stered高速 70 mm沥青混凝土+160 mm沥青级配砂砾+100~350 mm水泥级配砂砾+ 150 mm砂层 意大利Del Sole高速 30 mm中粒式沥青混凝土+70 mm粗粒式沥青混凝土+150 mm沥青碎石+360 mm级配碎石+300~400 mm砂层 奥地利Brenner高速 100 mm沥青混凝土+140 mm密级配沥青碎石+160 mm开级配沥青碎石+ 300 mm防冻层 日本九州高速公路(1989年) 40 mm密级配沥青混凝土+60 mm粗粒式沥青混凝土+80 mm沥青碎石+270 mm粒料基层 日本横滨高速2号线(1990年) 50 mm密级配沥青混凝土+50 mm粗粒式沥青混凝土+160 mm粗粒式沥青混凝土+210 mm粒料基层 日本广岛岩国道(1990年) 40 mm密级配沥青混凝土+60 mm粗粒式沥青混凝土+80 mm沥青碎石+ 270 mm粒料基层 日本首度高速海湾线(1993年) 50 mm密级配沥青混凝土+100 mm粗粒式沥青混凝土+200 mm沥青碎石+ 200 mm粒料+350 mm粒料基层 日本北关东自动车道(2000年) 40 mm密级配沥青混凝土+60 mm粗粒式沥青混凝土+100 mm沥青碎石+ 200 mm粒料基层
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表 7 美国部分长寿命柔性基层路面结构
Table 7. Partial long-life pavement structures with flexible bases in the United States
公路(路段)名称 路面结构 密歇根州长寿命沥青路面试验路 65 mm SMA沥青混凝土+150 mm中粒式沥青混凝土+190 mm沥青碎石基层+ 430 mm粒料基层 威斯康星州长寿命沥青路面试验路 50 mm沥青混凝土+130 mm沥青混凝土+100 mm沥青碎石基层 获奖路面 美国公路Ⅰ-35 165 mm罩面+100 mm HMA+200 mm粒料基层+250 mm底基层 美国公路Ⅰ-71 37 mm SMA+75 mm HMA+112.5 mm粒料基层 美国公路Ⅰ-73 37 mm SMA+44 mm Superpave-20+ 225 mm改性沥青混凝土+100 mm抗疲劳层+150 mm粒料基层 美国公路US-20 75 mm SMA+125 mm HMA+ 100 mm粒料基层 美国公路Ⅰ-335 225 mm罩面+100 mm HMA+ 200 mm粒料基层+250 mm底基层
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表 8 长寿命沥青路面结构层混合料性能要求及对应的混合料类型
Table 8. Performance requirements and corresponding types of structural layer mixtures for long-life asphalt pavement
层位 性能要求 混合料类型 表层沥青混合料 防水、抗滑、耐磨耗、抗车辙、抗低温开裂 SMA、OGFC 抗永久变形层沥青混合料 水稳定性、结构模量、抗车辙 Superpave、HMAM 抗疲劳层沥青混合料 抗车辙、结构模量、抗疲劳 Superpave、HMAM 拉压过渡区沥青混合料 结构受力调节 密级配沥青碎石、水稳碎石 级配碎石材料和路基材料 结构模量、抗剪切变形 水稳碎石、级配碎石 半刚性基层材料 自身开裂、应力分散、抗疲劳 水稳碎石 层间黏结材料 抗拉拔、抗剪切 乳化沥青、改性乳化沥青
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表 9 各种路面结构组合方案可能存在的病害
Table 9. Possible diseases in various pavement structure combination schemes
路面损坏类型 沥青类基层和粒料类基层 无机结合料类基层 厚 中厚 薄 厚 中厚、薄 主要损坏类型 永久变形 疲劳开裂 永久变形(粒料层和路基) 永久变形(面层为主) 反射裂缝(面层为主) 次要损坏类型 疲劳开裂 永久变形 疲劳开裂 冰冻地区 低温缩裂(面层)
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表 10 长寿命沥青路面结构
Table 10. Long-life asphalt pavement structures
层位 中等及以下交通 重交通 特重交通 结构1 结构2 结构3 结构4 结构5 结构6 1 3 cm密级配超薄铺装 3 cm开级配超薄铺装 3 cm密级配超薄铺装 3 cm开级配超薄铺装 3 cm密级配超薄铺装 3 cm开级配超薄铺装 2 7 cm HMAM-13 7 cm HMAM-13 7.5 cm HMAM-13 7.5 cm HMAM-13 7 cm HMAM-13 7 cm HMAM-13 3 8 cm Superpave-25 8 cm Superpave-25 9.5 cm Superpave-25 9.5 cm Superpave-25 6 cm HMAM-13 6 cm HMAM-13 4 36 cm抗裂水稳碎石 36 cm抗裂水稳碎石 36 cm抗裂水稳碎石 36 cm抗裂水稳碎石 8 cm Superpave-25 8 cm Superpave-25 5 20 cm低剂量水稳碎石 20 cm低剂量水稳碎石 20 cm低剂量水稳碎石 20 cm低剂量水稳碎石 36 cm水稳碎石 36 cm水稳碎石 6 20 cm低剂量水稳碎石 20 cm低剂量水稳碎石 总厚度 74 cm(沥青层18 cm) 74 cm(沥青层18 cm) 76 cm(沥青层20 cm) 76 cm(沥青层20 cm) 80 cm(沥青层24 cm) 80 cm(沥青层24 cm)
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表 11 长寿命沥青路面推荐结构
Table 11. Recommended structures for long-life asphalt pavement
层位 结构1 结构2 结构3 结构4 结构5 典型结构1 典型结构2 典型结构1 典型结构2 典型结构1 典型结构2 1 4~5 cm改性沥青混凝土 4~5 cm改性沥青混凝土 4~5 cm改性沥青混凝土 4~5 cm改性沥青混凝土 4~5 cm改性沥青混凝土 4~5 cm改性沥青混凝土 4~5 cm改性沥青混凝土 4~5 cm改性沥青混凝土 2 8~10 cm HMAM 8~10 cm HMAM 8~10 cm HMAM 8~10 cm HMAM 8~10 cm HMAM 8~10 cm HMAM 8~10 cm HMAM 8~10 cm HMAM 3 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 24~26 cm水泥混凝土、贫混凝土或连续配筋混凝土 8~10 cm粗粒式沥青混凝土 8~10 cm粗粒式沥青混凝土 10~15 cm粗粒式沥青混凝土 10~15 cm粗粒式沥青混凝土 10~15 cm粗粒式沥青混凝土 4 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 18~20 cm无机结合料稳定材料 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 10~15 cm粗粒式沥青混凝土 10~15 cm粗粒式沥青混凝土 10~15 cm粗粒式沥青混凝土 5 18~20 cm无机结合料稳定材料 18~20 cm无机结合料稳定材料 18~20 cm无机结合料稳定材料 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 6 18~20 cm无机结合料稳定材料 土基，模量大于100 MPa 土基，模量大于40 MPa 18~20 cm无机结合料稳定材料 18~20 cm无机结合料稳定材料 18~20 cm无机结合料稳定材料 18~20 cm无机结合料稳定材料 20 cm级配碎石 7 土基，模量大于40 MPa 18~20 cm无机结合料稳定材料 土基，模量大于40 MPa 18~20 cm无机结合料稳定材料 土基，模量大于100 MPa 20 cm级配碎石 8 土基，模量大于40 MPa 土基，模量大于40 MPa 土基，模量大于40 MPa
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表 12 长寿命沥青路面各面层材料指标和性能分工设计
Table 12. Material indicators and performance division designs for each surface layer of long-life asphalt pavement
层位 设计主导 设计指标 验证指标 性能分工 上面层 低温 破坏应变 冻断温度、构造深度、渗水系数 抗裂、防滑、密水 中面层 永久变形 动态模量 动稳定度 抗车辙 下面层 疲劳 破坏应变 疲劳寿命 抗疲劳、抗反射裂缝
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表 13 长寿命沥青路面各结构层材料选择
Table 13. Material selections for each structural layer of long-life asphalt pavement
层位 级配 沥青 上面层 SMA、AC、超薄磨耗层、超薄罩面 高黏高弹沥青、改性沥青 中面层 法国HMAM、AC、SMA 低标号沥青、改性沥青 下面层 AC、应力吸收层 改性沥青、橡胶沥青
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表 14 按功能设计的长寿命沥青路面各层位指标要求
Table 14. Requirements for each layer index of long-life asphalt pavement by function design
层位 设计指标 指标范围 验证指标 指标范围 上面层 破坏应变/10-3 ≥3.8 冻断温度/℃ ≤-25 中面层 动态模量/MPa ≥5 000 动稳定度/ (104次·mm-1) ≥1.0 下面层 破坏应变/10-3 ≥4.0 疲劳寿命/105次 ≥2.5
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表 15 中国长寿命沥青路面设计方法比较
Table 15. Comparison of design methods for long-life asphalt pavement in China
设计方法 优点 缺点 性能均衡与寿命协调设计方法 性能均衡、寿命协调，提出了适用于江苏省的沥青层横向开裂预估模型、沥青混合料层永久变形预估模型，推荐了适用于各交通等级的路面结构，适用于东南湿热区、东部温润季冻区，适用于各等级交通 仅适用于半刚性基层沥青路面 路基-路面协调设计方法 设计施工一体化，路基-路面协调设计，双向疲劳损伤设计，适用于半刚性基层结构、组合结构、厚沥青混凝土结构和全厚式沥青混凝土结构，具有广泛的气候普适性，适用于各等级交通 以经验设计为主 结构-材料均衡设计方法 提出了相应于结构功能要求的材料设计指标，推荐了针对各结构层的材料选择，给出了路面各层混合料指标范围，适用于半刚性基层结构、刚性基层结构、组合式基层结构，适用于北部多年冻土区、东部温润季冻区，适用于各等级交通 未给出具体的推荐结构 结构层寿命逐层递增的长寿命沥青路面设计方法 采用结构层寿命逐层递增的设计理念更符合实际，采用双模量弹性本构模型和三维抗疲劳设计准则，路基结构回弹模量稳定，具有广泛的气候普适性，适用于各等级交通 仅适用于半刚性基层沥青路面
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表 16 路面功能性能、结构性能及材料性能评价指标及分级标准
Table 16. Evaluation indicators and grading standards for pavement functional performance, structural performance, and material performance
评价指标 评价等级 等级1 (优良) 等级2 (中) 等级3 (次差) D20~D60/μm < 23.0 [23.0, 32.0] >32.0 无机结合料稳定层层底拉应力比(基于半圆弯曲试验) < 0.039 [0.039, 0.047] >0.047 横向裂缝间距/m >100.0 [30.0, 100.0] < 30.0 路面车辙深度/mm < 10.0 [10.0, 15.0] >15.0 车辙年增量/(mm·年-1) < 1.0 [1.0, 4.0] >4.0 汉堡车辙深度/mm 中面层(普通沥青) < 3.3 [3.3, 6.4] >6.4 中面层(改性沥青) < 1.5 [1.5, 2.4] >2.4 下面层 < 4.0 [4.0，7.2] >7.2 复合平均应变率 中面层(普通沥青) < 30.0 [30.0, 60.0] >60.0 中面层(改性沥青) < 12.5 [12.5, 25.0] >25.0 下面层 < 7.5 [7.5, 15.0] >15.0 路面行驶质量 路面行驶质量指数 ≥80.0 [70.0, 80.0) < 70.0 平整度 ≤3.5 (3.5, 4.3] >4.3 路面抗滑性能 路面抗滑性能指数 ≥80.0 [70.0, 80.0) < 70.0 横向力系数 ≥40.0 [33.5, 40.0) < 33.5 路面破损 路面破损状况指数 ≥80.0 [70.0, 80.0) < 70.0 破损率 ≤2.0 (2.0, 5.5] >5.5
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表 17 补强推荐结构
Table 17. Recommended reinforcement structures
层位 补强改建结构1 补强改建结构2 补强改建结构3 推荐结构1 推荐结构2 推荐结构1 推荐结构2 推荐结构3 推荐结构1 推荐结构2 1 4~5 cm改性沥青混凝土 4~5 cm改性沥青混凝土 4~5 cm改性沥青混凝土 4~5 cm改性沥青混凝土 4~5 cm改性沥青混凝土 4~5 cm改性沥青混凝土 4~5 cm改性沥青混凝土 2 8~10 cm HMAM 8~10 cm HMAM 8~10 cm HMAM 8~10 cm HMAM 8~10 cm HMAM 8~10 cm HMAM 8~10 cm HMAM 3 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 8~10 cm高模量粗粒式沥青混凝土 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 8~10 cm粗粒式沥青混凝土 24~26 cm水泥混凝土 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 24~26 cm水泥混凝土、贫混凝土或连续配筋混凝土 4 旧路：铣刨旧沥青面层，铣刨深度视路面裂缝、车辙情况而定 旧路：铣刨旧沥青面层，铣刨深度视路面裂缝、车辙情况而定 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 旧路：铣刨旧沥青面层，铣刨深度视路面裂缝、车辙情况而定 18~20 cm无机结合料稳定级配碎(砾)石混合料 18~20 cm无机结合料稳定材料 5 旧路：铣刨旧沥青面层，铣刨深度视路面裂缝、车辙情况而定 旧路：铣刨旧沥青面层，铣刨深度视路面裂缝、车辙情况而定 18~20 cm无机结合料稳定材料 旧路：铣刨旧沥青面层，铣刨深度视路面裂缝、车辙情况而定 6 旧路：铣刨旧沥青面层，铣刨深度视路面裂缝、车辙情况而定
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表 18 中国沥青路面延寿设计方法比较
Table 18. Comparison of life extension design methods for asphalt pavement in China
设计方法 优点 缺点 性能均衡与寿命协调设计方法 建立了车辙深度预估模型、横向裂缝间距预估模型，给出了既有路面剩余寿命评估方法，提出了路面结构长期保存技术体系，提出了沥青路面养护决策树模型，适用于东南湿热区、东部温润季冻区，适用于各等级交通 仅适用于半刚性基层沥青路面 路基-路面协调设计方法 路基-路面协调设计，双向疲劳损伤设计，根据旧路面弯沉水平推荐了补强结构，适用于半刚性基层结构、组合结构、厚沥青混凝土结构和全厚式沥青混凝土结构，具有广泛的气候普适性，适用于各等级交通 以经验设计为主，仅根据原沥青路面的顶面弯沉确定补强改建结构 结构层寿命逐层递增的长寿命沥青路面设计方法 结构寿命-功能寿命协同增强，采用双模量弹性本构模型，三维抗疲劳设计准则，提出了结构层寿命逐层递增的长寿命沥青路面延寿设计方法，具有广泛的气候普适性，适用于各等级交通 仅适用于半刚性基层沥青路面
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