1、长沙理工大学张起森教授作客专家在线：我国沥青路面结构设计分析12 月 18 日上午 10:30-11:30，长沙理工大学张起森教授作客未来的交通国际论坛专家在线，以“我国沥青路面结构设计分析”为主题，围绕“我国沥青路面破损原因，沥青结构以及沥青混合料设计和沥青技术研究”等问题，同大家进行深入交流与探讨。以下为访谈实录：在线嘉宾：长沙理工大学张起森教授主持人：未来的交通国际论坛秘书长逯宇主持人：各位网友，各位同行，大家上午好！这里是未来的交通国际论坛专家在线，本期专家在线我们非常荣幸地请到了长沙理工大学张起森教授，就我国沥青路面结构设计问题同大家进行交流。首先请张教授给大家介绍一下，近年来，随着
2、我国国民经济的发展，干线公路特别是高速公路面临着巨大的交通压力，沥青路面出现了裂缝、水损害等破损现象，造成沥青路面破损的原因是多方面的，您能否从这路面设计这个方面向大家介绍一下路面破损的成因以及如何防治。张教授：这个问题比较复杂，谈一下我自己的看法，供大家参考。目前我国有高速公路通车总里程 3 万多 km，沥青路面占 85左右，水泥路面占 15左右，所以高速公路大部分都是沥青路面。我国在短短十几年的时间，高速公路沥青路面发展速度非常的快，但是现在路面确实还是存在一些问题，是什么原因引起的？在过去的一段时间，大家讨论很多。我想从以下方面来谈些自己的看法：首先，我们国家刚开始建设高速公路的时候，基
3、础比较差，当时没有规范，原规范对高速公路不适应。我们很多经验都是来自过去的低中级路面，修建高速公路的经验少，所以我们开始修建的路面，像 90 年代初，依据的是低中级路面的经验，当然我们也引进了一些国外的东西，像京津塘高速公路我们请的是澳大利亚专家来修的，上海沪嘉高速公路是我们自己国家修的，不过只有十八 km 的里程，其他如沈大高速公路、广佛高速公路，当时不叫高速公路而叫高等级公路，因为当时对高速公路有争议，所以在起步的时候，还是有些欠缺。规范、标准和试验检测设备等跟不上高速公路发展，给我们前期修建的路面带来了一些先天性的不足，比如路面厚度，一些较早修建的高速公路，对底基层的厚度重视不够，而且对
4、它的认识也不够，有的水泥路面甚至取消了底基层。这些方面当时没有一个比较明确的规定，单纯从适应当时已有的设计指标看，可以满足要求，但是路面使用后出现了许多问题。之后，我国的高速公路吸取失败的教训，进行了总结，后期有些改进。1997 年 颁布的沥青路面规范，包括后来颁布的水泥路面规范，有些部分吸取了我们国家“七五”、“八五”公关项目的一些成果，为后面高速公路质量的提高打下了基础。总的来讲，我们国家高速公路发展很快，技术、设备储备不够，给我们前期修建的高速公路带来了不足。这是一个问题。第二、设计标准与实际情况有差距。例如荷载标准，我国的设计荷载是 BZZ 100，实际上，我们国家道路上行使的超载车辆
5、很多，像京珠高速公路，有的车达到了 270kN，在广韶高速公路，有的车辆也达到了170kN 左右。显然，这完全超过了我们的设计标准，路面肯定无法承受。所以这个超载车辆，“超载”的问题，确实是我们国家路面面临的一个严重问题。这个问题我和美国一些专家讨论过，美国也有一些重载车，但超载车很少，美国重载车辆一般是在 30左右，但是我们国家的重载车却占到了 60、70，甚至是 70或80的比 例，所以路面压力很大。看来这个问题要解决需根据实际的荷载来进行设计或验算。使设计的荷载标准和实际使用车辆的标准要相符。另外，在设计指标方面，也存在一些问题。比如说水泥路面是以混凝土板底弯拉应力进行控制，沥青路面主要
6、以表面弯沉进行控制。弯沉可以反映路面整体的承载能力，但它对结构层性能的反映 就比较查。水泥路面也存在指标的问题，水泥路面是一个脆性材料，它的变形是在一个很小的变形情况下开始出现断裂。是不是要像结构设计一样，以刚度来控制设计。沥青路面设计指标不完善大家讨论更多，我们现在用弯沉指标来设计，往往沥青层、基层、它的拉力问题不能控制。国外把表面的弯沉改为路基变形的控制有一 定道理。我们国家过去测定的表面弯沉 70、80都是发生在路基。但是有个问题，表面弯沉容易测定，路基弯沉很难做检测，所以怎样使用这个指标这也是一个问题？现在研究用多指标来控制路面结构，这应是今后路面设计的一个趋势，包括把剪切应力、温度收
7、缩应力等都考虑进去。第三、结构层材料组成的问题，包括石料的规格，石料的品质，石料的级配，这个方面现在控制得不严格。当然实验我们是做了，采用什么级配，有个要求，但实际上到现场以后，这个方面的控制就比较差，再加上我们碎石供应很乱，不像国外实现了碎石商品化，要什么样规格的碎石随时就去买，我们国家不是这样的情况，我国是一边施工，一边在沿途设置料场，给石料控制带来很大困难。希望能够早日的解决这个问题，从而提高石料的品质。再一个就是沥青，沥青供应是比较大的问题。 因为我国沥青来源很多，有进口的，有国产的，进口又有很多国外的公司，国内也有很多公司生产沥青，所以往往一条路实际用的沥青品种很多。像广州的某路，它
8、的沥青，能够达到我们规范软化点要求的，只有约 50、60左右，有些路段甚至更低，40、50达不到我们国家最低的要求。因为材料结构组成不合理，造成强度相差比较大，同一个路面，可能这里强度好，那里强度差。路面湿度也有变化，这里不透水，那里透水，同一个路面的问题比较多。这些事情一方面是 材料本身造成的，一方面是施工造成的。第 四、从路面结构设计来讲，防水排水系统设计得不完善。我们在表面排水方面做了一些工作，但是在路面结构的排水、路基的排水这个方面还是做得不够，所以往往 在路面使用过程中，出现排水结构物堵塞等，导致路面出现沉降、开裂等问题。现在我们国家对排水的问题比较重视了，但是这方面还有继续做好的需
9、要。第 五、施工的问题。往往我们设计一个方案，结构是什么，材料是什么等等，还有很多的指标和要求，但是路面的施工，往往跟我们的设计相差很远。比如动稳定度， 我们国家高速公路目前要求，像南方地区3000 到 3500，但是实际上，有些只有 1000 多，有些方 4000、5000，甚至超过 10000，变化很大， 这个问题除跟材料有关系外，还跟施工有关系，施工控制不严。路面施工温度可以相差三十几度，这里可能是 140，那边可能是 100 左右，这样压实就比较困 难，达不到要求。另外材料本身，施工过程中要是没控制好，容易引起离析。我们国家要求路面使用过程中孔隙率是 36，有些实际做出来不到 3，甚至
10、不 到 1，大的可能超过 10，这样对我们路面的使用，带来了很多的问题。孔隙小的易泛油，产生车辙；孔隙大的易透水，产生脱粒、坑洞等。另外关于路面损 坏，刚才提到开裂、水损害，应该提出在南方，中部河南、河北以及陕西，车辙破坏也是个问题，有些路使用一两年，车辙达到 50、60mm，路面使用不久就要 重新铣刨、罩面。车 辙在南方出现比较多，显然车辙问题跟重载、超载关系更大，另外同温度也有关系，像南方的气温，在广东，夏季路面最高的温度达到七十几度，而气温四十度左 右，高了三十多度。高温把路面软化了，再加上很重的车上去，肯定要产生车辙。另外材料设计方面对这个问题考虑得还不够。如河北、山东沥青标号为70；
11、广东、广西标号也是 70。沥青标号这样全国一致是不合理的。在广东这样的高温地区，使用更硬的沥青，例如 50 号是完全必要的。这方面问题值得我们研究。第六、对路面结构层构成的要求上还不是很明确，比如面层 3 层，现在大部分是 4、6、8cm 或4、5、6cm，面层十几 cm，而面层、中层、下层究竟它的功能是什么呢？它们的合理厚度应为多少，对它们的要求又是什 么？现在是不明确的。我国现在还没有公布的沥青路面修订规范稿，开始注意了这个问题。根据路面功能设计的概念，上面层主要是要稳定、要抗疲劳、要防水、要 抗滑、要粗糙。中层主要是抗车辙，车辙是个主要的问题。到了下层，主要是疲劳的问题，当然这个概念跟我
12、们的上层下层概念有点不同，但是在我国如果把下层理 解成是基层的话，我们的基层现在是半刚性基层，恰恰抗疲劳能力是比较差的，很容易开裂。基层一开裂就形成反射裂纹，反射到路面上就容易使面层开裂，开裂以后造成了很多的问题，比如渗水等。过去我们对反射裂纹花了很多功夫取研究，但一直解决得不太好，对路面结构层的功能问题要进一步研究，弄清楚以后，对不同 层次的要求指标要明确，这样才能把面层设计好。轮胎与路面的接触部分是很复杂的，接触应力对面层影响很大，过去我们对面层的材料比较重视，比如改性沥青、 石料要求的规格也比较好，施工方面也比较重视，所以这一层相对来讲，承受车辆作用应力相对其他层次，显得要好一些。故目前
13、路面主要问题并不是表现在上层， 是在中下层。当然我们不是不重视面层，面层当然要抗滑，要不透水，要稳定，要抗疲劳，对采用的材料要求更高更加严格。但是我们对中、下层的要求也应明确， 根据我们近来做的工作，我们建议：在南方要求上面层动稳定度要 3500；中面层要 3000；下层要 8001000，大长坡和弯道路段不小于 1000。老 的规范对上面层的要求是 800。对下层的材料就没有明确要求。总之，要弄清各结构层的功能和作用，才能够对材料的要求进行控制。 第七、现在还有些新的问题要研究。沥青路面现在有一种叫 top down 裂缝，即表面向下的开裂问题。现在研究的大部分是裂纹由上向下发展，反射裂纹是
14、怎样发展等问题。但实际上，调查表明很多裂纹是从上面往下面扩展 的。这种裂纹实际上对路面损害比较大，因为一开裂就在表面，表面开裂水就往下走，再加上温度应力，裂纹慢慢扩展，水就流下去，很快会污染到基层了。这个问 题过去我们研究很少，在上个世纪八十年代，日本一些专家在论文里面提到过，世界上很多国家都做过调查，像英国的 TRRL，他们在八十年代从现场勘测也发现 这个问题。另外还有一个问题就是钢轮碾压产生的开裂。日本在八十年代做过研究，日本和加拿大有个叫做寒冷地区的路面修建技术合作项目，他们做过这个研究， 钢轮碾压后，路面会产生很多的裂纹，用放大镜就可以看得见。在温度应力作用下这种应力易发展，所以对于这
15、种裂纹我们今后要重视。现在对沥青路面存在的开 裂、车辙、水损害等破损现象，经过最近几年的研究，已采取了一些措施，水损害相对要好了些。目前南方主要是车辙，北方开裂。南方有些地方因路基下沉，路基不稳定等等，也产生开裂的问题。但是这些基本不是疲劳引起的裂纹。再一个就是温度、温差的问题引起的开裂。我国路面真正目前达到疲劳设计要求的很少，路面 早期损坏的主要的原因不是这个。我们讲超载，应力很大，其应力可能达到抗拉强度的 0.7、0.8 左右，很容易开裂。要解决这个问题从路基来讲，要保证路基的稳定性，一些软土地区、盐渍地区的高速公路，往往达不到沉降的要求。一个月 5mm，它往往达不到，为了施工的进度，就在
16、沉降未完成的路基做路面，所以往往总承载能力没有达到要求，今后还要进行沉降。从进度跟施工质量要求方面来讲，今后应该怎样去协调，在保证质量的情况下再来谈进度，路面基本的情况才能保证。从路面来讲，一个是结构，一是材料，要求要更严格。施工方面，如果我们路面施工比较精细，减少或尽量避免离析的发生，路面损害就会更少。有些省份引进了二次分料器，资金投入并不大，但效果很好。从车辙问题讲还是要解决沥青的问题，沥青对车辙的贡献大概有 30 到 40%，沥青要求粘结力和软化点达不到要求的话，它的情况会很严重，特别是高温情况下，这个问题就会更严重了。所以车辙问题要从结构，从材料组成设计方 面等等方面考虑。在八十年代，
17、我国城市道路规范中加入了抗剪指标，但是公路就一直没有加进去，主要是材料的抗剪强度问题，当时因为我们要知道抗剪强度，就 要做三轴实验，三轴仪比较少，试验本身也比较复杂。另外一个方面，结构层的抗剪切能力要进行检测，比较难。所以对于抗剪指标问题就一直搁置下来了，我们对 材料抗剪方面的要求，要重视起来，这样的话从各个方面来讲就比较完善了。还有一个问题就是超载，现在明明知道这条路不是我们设计的这个承载重量，实际上它 跑的是一倍，甚至二倍的荷载，对这个情况怎么办？我们国家一下子要解决超载现象，可能还有困难。这个情况可以从设计方面来采取一些措施，如规定要验算荷 载，以超载 200 甚至 300 的标准来验收
18、，达不到，厚度满足不了要求，我们对路面进行加厚。当然这样投资会大一点，但从全寿命周期来综合考虑投资问题，这 样做是合算的。主持人：您刚刚提到半刚性基层路面结构，我国高速公路普通采用这种路面结构，您能否向大家介绍一下半刚性基层沥青路面结构的优缺点？半刚性基层在养护、修复中存在什么样的困难？张 教授：半刚性基层路面在我们国家无论是一般公路、还是高速公路，起到很大的作用，这个是应该进行肯定的。我国 3 万多 km 高速公路的沥青路面包括水泥路面， 基层 90以上都是半刚性基层。半刚性基层在我国公路的建设发展中起了很大的作用。半刚性基层也存在一些问题，但我想要还是先讲优点：半刚性基层强度比较 高，相对
19、柔性基层来讲强度高、刚度高，作为承重结构，它是比较合适的。承载、扩散荷载，传到路基，在没开裂之前这方面性能比较好。但是半刚性基层有一个问 题，就是抗拉能力相对比较小，另外它的变形能力不太好，它是比较脆的材料。它的刚度比较大，在湿度变化温度变化中所受温度应力比较大，所以在温度荷载，交 通荷载，湿度变化的作用下，它容易产生裂缝，开裂以后半刚性基层性质开始变化。这些裂纹很容易形成反射，特别是后期裂纹比较多的情况下，裂纹很容易反射上 去，比较短的时间就反射到上面，很多实际工程证明了这个问题。我们曾经做过光弹实验，“七五”攻关研究沥青面层最小厚度应该是多少，也就是要从反射裂纹的 角度来考虑，反射裂纹反射
20、上去要保证一定的使用时间，表面路面厚度应该是多少。我们通过光弹实验和一些力学分析确定了路面最薄厚度 12cm。当然那是根据 七五那个时候的交通荷载等实际情况，从技术方面我们做光弹实验，还是有点根据的。但是现在我们的交通量，在重载、超载的情况下，12cm 应该会薄了一点， 现在这种交通量、这种荷载下，可能不能保证我们的使用寿命。为了防止反射裂纹，实际上我们“七五”还做了一些研究，例如采用级配碎石、土工布和应力吸收层作为中间过渡层等一些措施，到最近，差不多 20 年的时间，仍还在摸索。研究反射裂纹，如何来延缓它，完全防止是不可能的，怎样延长它的扩展时间，使它的 裂纹反射到面上的时间比较长，保持表面
21、比较长的时间不会开裂，在这方面做了很多的工作，也取得了一些成果，但是这个问题到现在还没有完全解决。半 刚性基层的路面，基层修建的时候会产生很多干缩、温缩裂纹，这些裂纹反射上去，造成了路面损害，这是目前对半刚性基层沥青路面大家认为它不足的地方。半刚 性基层沥青路面还有一个问题，就是半刚性基层上的沥青路面厚度不能太薄。因为半刚性基层到了后期强度比较大，特别是到夏天的时候，产生上面软下面硬倒装结 构，象擀面一样，很容易产生推移。所以我们过去修的像二、三级路面往往产生波浪变形。这个是半刚性基层沥青路面使用的过程中存在的一些问题。半 刚性基层沥青路面在使用的过程中，针对它的开裂，我们采取了一些措施，比如
22、增加粗集料含量、切缝等。但是大家认为这个问题还没有完全解决。我国的半刚性路 面，还有一个问题就是基层软化、甚至唧泥等问题比较明显。这是我们国家的一些经验，另外国际上，像英国，欧洲、美国，他们做了一些实验，也用过半刚性基 层，也发现了它的一些问题。现在欧美一般基层不采用半刚性，它把半刚性作为底基层，放在下面，基层采用沥青稳定基层，这样比较合理一些。半 刚性基层在施工过程中也发现了一些问题，比如透层油渗透比较困难，还有半刚性基层表面容易产生灰尘，产生灰尘以后如果施工的时候清理不干净，就影响了粘层 与半刚性基层的粘接。另外路面开裂以后，水下去就容易损坏。半刚性基层产生问题以后，必须要把它全部挖掉才能
23、修复，这样就有些困难。现在我们的讲半刚性基 层，我的观点是我们国家要因地制宜来考虑这个问题。如果条件合适，有些地方还是可以用半刚性基层，不是一概否认这个观点。但是半刚性基层一统天下也是不对 的，所以开展柔性基层的研究是完全必要的。主持人：您在柔性基层沥青路面结构设计方面研究很深，请您给大家介绍一下与半刚性基层沥青路面相比，它有什么优缺点？张 教授：谈到柔性基层和半刚性基层相比，柔性基层包括的沥青稳定碎石、沥青混凝土还有级配碎石做的基层。但柔性基层跟半刚性基层来比，因为它是比较柔的，所 以它的温度变化产生应力影响方面的情况要比半刚性基层相对要好一点。同时湿度变化影响也要小写，所以它一般不会出现反
24、射裂缝问题。其次，从它的结构层受力 来讲，柔性基层对面层的设计要好一点，半刚性基层的后期强度要好，沥青面层相对比较软，刚度小一点的，所以造成下面硬、上面软，容易产生车辙，对面层是不 利。但是柔性基层模量是按照一定比例下来，模量变异性不大，一般不会有这个问题。这也是柔性基层的一个优点。再次，从层间结合情况来讲，柔性基层与沥青面 层结合一般不存在问题，所以对沥青受力方面是比较有利的。另外，柔性基层抗疲劳能力要好一些。柔 性基层跟半刚性基层不一样，由于比较柔不会有反射裂缝问题，另外如把半刚性基层作底基层，中间做一个碎石基层，上面做面层，也可以缓冲反射裂纹的产生。碎 石主要是抗压，它不能受拉，他的强度
25、与侧压力和下垫层强度有关。现在我们研究级配碎石怎么用？碎石直接放在路基上或者放在半刚性基层上，哪种结构比较合 适？这个问题要研究，工程师要总结这个问题。我们国家沥青层如做得比较厚，沥青材料的价格可能是个问题。我认为级配碎石放在上面，下面半刚性底基层主要解 决承重问题，承重问题解决了，沥青层厚度就减薄，不能靠整个沥青层来承载。柔性基层我们现在研究得比较少，做过一些实验，比如大粒径碎石做基层，在河南焦 作了一段试验路上进行比较研究过。大粒径碎石做基层抗压、抗疲劳的能力还是可以的。大粒径基层在山东、江苏也做过很多的实验。我国目前 3 层的面层结构，如 果下面层改做大粒径碎石基层，半刚性基层做底基层。
26、整个沥青层的厚度也不会太厚。另外反射的问题可以通过大粒径碎石来缓冲。如果完全照现在功能设计的概 念，完全以沥青层来承担应力，路面使用寿命可以达到 4050 年，在这几十年里，不要动下面的层次，只要铣刨到表面层即可。韩国做了全厚式沥青路面研究， 要 42cm 左右才能保证路面使用 4050 年。42cm 对于我们国家来讲造价上有一定困难。我们可能不能完全照这个来做，现在研究长寿命问题，怎样结合我 们国家的实际情况，提出一个合适的结构组合？不一定要 40 年，我们若能保证 20 年、30 年就很好了，经济上国家也承受得了，这里还是有很多工作要做。我 不是否定半刚性基层，有些场合、有些情况半刚性基层
27、还是可以用的，应该用的，当然我们有些情况还是需要用柔性基层，使我国的路面结构不至于那么单一，如果 半刚性基层包打天下，厚度也差不多，面层是 4、6、8，基层是 20、30、40，全国气侯变化那么大，交通情况、环境、地质条件变化那么大，路面到最后全 部都差不多，这种情况肯定是有问题的。还有排水问题，现在我们基层可以做排水基层，解决排水的问题，采用柔性基层，可以做成排水的，上面的水下来了，从路 肩可以排出去。这也是考虑柔性基层的一个优点。主持人：您能否介绍一下我国沥青混合料组成设计的情况，目前 Superpave 技术在我国的应用和发展情况是怎样的？张 教授：沥青混合料组成是比较重要的问题，我们规
28、范的混合料类型、从结构上可以看出其发展问题。我国先是采用 AC，后两年采用 AK，后面又采用 SAC。AC 用了以后，它的抗滑不够，比较光，高速公路抗滑达不到要求。AC 从级配来讲，细料比较多，粗料比较少，所以最后造成混合料比较细，比较光容易冒油，也容易 产生车辙。后面增加粗料，减少细料，所以就采用了 AK 抗滑面层。抗滑问题解决了，但是出现了孔隙率大，出现了早期的水损害，最早在河北一条高速公路上出 现。当时在孔隙率这方面并没有太重视，当时只考虑粗、抗滑这方面去了，透水的问题也没有很注意。后来各个单位感觉到有问题了，又把粗料减少，细料增加，走 中间路线。级配调整了，有的地方叫做 AK1 型或 AK 什么型等等，在前面加一些其他的符号，它不好把 AK 这个名字改掉，因为它改掉以后，审查有问题。所以在 前面加一个符号，表示与 AK 的规范不同，级配不同。后来沙庆林沙院士就提出 SAC，他还专门出了一本书。SAC 针对 AC、AK 存在的问题：AC 粗料少， AK粗料多，所以等于是粗料减少一点，细料增加一点，保证空隙率基本在我们要求的范围内，抗滑方面能够满足要求，构造深度也达到了要求，还有其它指标方面 也合适，这样就提出了一个比较中性化的建议。从真正
