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0 引言

我国成功构建了全球最大的高速公路网络体系，然而，这一体系在设计与规范方面尚显滞后，沥青路面在常规设计下的预期使用寿命通常被设定为15年，这一标准与全球领先的技术规范相比，仍存在显著的差距。这一现状不仅与我国致力于打造交通强国及追求高品质经济发展的战略不符，亦难以适应国家倡导的“双碳”战略目标。在2019年举行的香山科学会议上，与会专家和学者们达成了共识，他们认为针对我国的具体情况，研发具有更长寿命的路面设计与施工技术刻不容缓^[1]。为此，专家们制定了一个分阶段的行动纲领，旨在首先将高速公路沥青路面的使用寿命延长至30年，并在此基础上不懈努力，向着50年的终极目标稳步推进。审视我国路面工程技术的发展轨迹，它是在借鉴国际先进技术的同时，紧密结合国内实际情况，进行集成创新，逐步形成了一套符合中国特色的路面设计与建设技术。这套技术不仅指导了国家公路网，尤其是高速公路的建设，还推动了我国公路工程从起步到成熟、从有限到广泛的飞跃式进步。面对新的发展局势，尽管国际社会在长寿命路面技术研发上先行一步，但尚未构建起完整的技术体系。在此背景下，我国正与世界领先国家在同等领域展开“追赶与并肩”的竞赛，这为我们提供了在路面技术领域实现超越和引领全球发展的宝贵机遇。

1 长寿命沥青混合料路面特点

长寿命沥青路面，设计理念旨在确保其使用寿命至少达到35至50年，以实现全寿命周期成本的最优化^[2]。在这一寿命周期内，路面需维持优良的使用性能，对表面的微小损伤具有一定的容忍度，同时必须杜绝任何形式的结构性损伤发生。在设计上，采取分层次的设计策略，根据各结构层所承担的功能进行细致的区分。其中，表面层直接面对车辆载重和环境因素的考验，承担着最为关键的角色，因此需具备卓越的抗老化性、抗车辙性及抗滑性；中、下面层则负责荷载的分散，承受较大应力，易遭受剪切破坏，故应具备较强的抗变形能力。基层作为路面结构的核心承重层，应具备较高的强度，以防止路面因疲劳作用而产生开裂。

2 长寿命沥青路面结构损伤类型

2.1车辙

在路面结构的不同层级中，无论是路基、基层还是面层出现永久性形变，都有可能引发车辙这一路面病害^[3]。已有研究显示，车辙的形成与上层材料的厚度之间存在密切的关联性。若面层厚度超过18厘米，车辙的形成主要是因为面层内部的变形；而如果面层厚度小于18厘米，车辙的形成则更多地与路基的变形有关。根据车辙产生的本质原因，可以将长寿命路面的车辙分为两类：一类是由面层永久变形导致的，另一类则是由面层下方的结构层变形引起的。对于由面层永久变形引起的车辙，它通常只影响路面的表面性能，对路面的结构性损害相对较小，并且可以通过表面处理的方法进行修复。而由面层以下结构层变形引起的车辙，主要是因为路基和基层的变形造成的，这类车辙的修复难度较大，若任其发展至一定程度，必将导致路面结构性的破坏。

2.2裂缝

沥青面层表面一旦出现裂缝，往往会逐渐向下蔓延，且以纵向裂缝为主，多集中于轮迹带两侧。表面裂缝成为柔性路面结构的一种典型破坏模式^[4]。目前，尽管柔性路面的设计模型及研究成果丰硕，但对于表面裂缝的形成机制仍缺乏充分的解释。普遍观点认为，表面裂缝的形成与车辆载重反复作用、环境温度变化、沥青表面层的老化等因素密切相关。车辆承载及其造成的垂直应力对沥青混凝土路面产生影响，易在表层产生拉伸和剪切变形，进而引起路面出现裂缝。同时，车辙的形成亦为裂缝产生的主要原因之一。当路面出现车辙现象，车辙部位持续下陷，导致明显的垂直高度差，使得过渡区的拉伸和剪切变形持续加剧，当超出沥青混合料的极限变形承受能力时，便会在该区域形成裂缝。在车辆载重持续作用下，拉伸应力主要聚集在路面表层及沥青碎石基层的底部。一旦基层底部出现疲劳开裂，路面结构的损坏将难以避免。因此，对于沥青路面的维护与管理，需重点关注裂缝的早期发现与处理，以及基层的疲劳寿命，以维护路面的整体稳定性和耐久性。

3 工程概况

在我国某省份，一条地处季冻大温差区域的一级公路，其气候条件极具挑战性。该地区年最高气温可达40℃，而最低气温则低至-18.8℃，全年平均气温为6.8℃。夏季酷热，昼夜温差显著，而冬季严寒，冰冻期漫长，充分体现了典型的大温差季冻气候特点。在此环境下，该公路的平均每日折合交通量达到16489辆，充分显示出其在我国交通网络中的重要地位。

4 基于模型的路面结构疲劳损伤分析

4.1 模型的建立

为了深入研究在多变环境下耐久性路面结构的疲劳特性，本研究利用有限元分析软件建立了温度-荷载耦合的模型。该模型基于疲劳损伤理论，目的是准确模拟和评估长期使用过程中耐久性路面结构的疲劳反应。研究中，我们挑选了三种具有代表性的耐久性路面结构进行模拟研究，具体的结构类型在表1中详细列出。表中详细列出了每种结构的层厚、材料类型及其分布。各层材料的参数设置则依据表2所示，确保了模型的真实性和准确性。所建立的有限元模型如图1所示，模型尺寸为6米×6米，其厚度与各路面结构的实际厚度相匹配，从而保证了模拟结果的可靠性。通过这一模型的构建，本研究将能够预测和分析长寿命路面结构在不同温度和荷载条件下的疲劳寿命。

表1 路面结构

表2材料属性

4.2 沥青层拉应变分析

图2直观地揭示了在承载条件下，柔性结构的应变分布状况。考虑不同层级结构的力学性能各异以及底层类型的区别，路面的应变分布呈现出显著的差异性。最大拉伸应变集中在沥青层，基层模量增加能减小应变，尤其是对沥青层疲劳损伤的影响。图3显示，柔性、半刚性及组合结构最大拉伸应变分别为65με、44με和56με。在1月至7月期间，水平拉伸应变呈现出逐渐上升的趋势；而在7至12月份，则表现为逐渐下降的趋势。随着环境温度的升高，路面结构材料的模量降低，温度应力的增加导致变形加剧，进而使得水平拉应变逐步增大。

4.3 疲劳累积损伤分析

本文利用美国沥青学会提出的Miner线性累积损伤理论，并结合养护机构提供的交通流量信息，对三种不同类型的长寿沥青路面结构的疲劳损伤情况进行了深入分析如图3所示，在疲劳损伤程度方面，各类结构呈现出明显的梯度差异：在柔性结构中，沥青层的损伤程度尤为剧烈，位居损伤排行榜之首；而组合型结构紧随其后，损伤程度次之；相较之下，半刚性结构的损伤程度则相对较轻。尤为引人关注的是，柔性结构中沥青层的累积损伤值已显著超过0.5的临界阈值，表明其损伤程度已进入高风险区间。本文拟将进一步深入实验研究，旨在对混合型结构的疲劳特性进行更为全面而深入的剖析。

5 基于室内试验的混合料疲劳性能分析

5.1 原材料

在本研究的试验环节中，选用了90#道路石油沥青。该沥青的性能指标详见表3。对于集料的选择，采用了玄武岩作为主要集料。同时，辅助使用了磨细石灰岩矿粉作为矿料。

表3 沥青材料性能指标

5.2 配合比设计

本研究优化级配设计，严格依照《公路沥青路面施工技术规范》的规定执行，旨在让混合料中的粗集料构成稳固的骨架，同时利用细集料和沥青填充骨架间隙，以确保混合料具有良好的密实度和稳定性。

5.3 试验方案

在深入研究长寿命沥青混凝土混合料的耐久性能时，本研究采用马歇尔法精确测定AC25与ATB25混合料中沥青的最佳用量，分别为4.8%与5.0%。在此基础上，本研究制备了符合标准尺寸的半圆马歇尔试件，直径为152.4毫米，高度为40毫米。依照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的要求，对这些试件实施了标准的冻融循环试验。具体步骤包括：为确保试件内部水分含量达到实验要求，首先需在97.3千帕的真空环境中对试件进行保水处理，持续时间不少于30分钟，以促进水分充分渗透至试件内层。此后，将试件从真空环境取出，并浸入水中15分钟，以实现常压条件下的水分饱和状态。最后，将处理后的试件封装于塑料袋内，并注入适量水分以维持其湿度环境，然后放置在-18℃的低温环境中冷藏16小时，最后转移到60℃的恒温水箱中保持8小时，从而完成一个冻融循环过程。该过程重复进行，以达到所需的冻融循环次数。在进行弯曲疲劳试验时，试验温度设定为15℃，加载频率为10 Hz，荷载波形采用半正弦波。为准确记录试验数据，本研究采用MTS-810材料测试系统，以应力控制模式进行加载，选取应力比分别为0.4、0.5、0.6，以全面评估混合料的疲劳性能。

5.4 荷载作用次数对于竖向疲劳变形的影响

如图5所示，AC25混合料的竖向变形与荷载作用次数的关系呈现出三个显著的阶段。起初，随着荷载作用次数的增加，竖向形变迅速增加，但这一阶段的时间较短。随着实验的逐步深入，研究进入到了第二阶段，此时观察到竖向形变的增速有所减缓，其变化趋势与荷载的增加呈现出一种缓慢且近似线性的关系。当荷载施加次数累积至一个特定临界点，实验进展至第三阶段，竖向位移急剧增加，直至试件发生最终破坏。通过对比不同应力比下的曲线变化，我们注意到，在相同环境下，应力比的增大导致竖向应变和疲劳寿命均呈现下降的态势。这一现象表明，应力比是影响混合料疲劳性能的关键因素。与此同时，ATB-25混合料试件的位移-荷载次数关系曲线与AC25表现出相似的趋势，但存在一定的差异。具体而言，在相同条件下，ATB25在破坏时的竖向变形较AC25更为微小，且其疲劳寿命也相对较短。这一差异可能源于两种混合料在材料组成及结构特性上的不同，从而影响了其疲劳行为的特征。

5.5 冻融循环次数对疲劳寿命的影响

在本项研究中，对于混合料的疲劳寿命评估，我们选取了材料疲劳断裂时的加载次数作为衡量标准。如图7所示，AC-25样本的疲劳寿命与冻融循环次数之间的关系呈现出明显的规律性：在特定应力水平作用下，随着冻融循环次数的递增，试件的疲劳寿命逐渐减少。与此情形相仿，ATB-25试件的疲劳寿命走势与AC-25试件保持一致，但ATB-25的疲劳寿命曲线斜率较AC-25更为陡峭，反映出ATB-25在冻融循环影响下受损程度更甚。这种差异可能源于ATB-25的粒径较大、颗粒分布较粗糙，其内部结构中存在更多孔隙，在冻融环境下，由于水分的冻蚀作用，沥青混合料内部的结构将遭受应力集中，这种应力集中的现象会使得混合料所承受的应力较常态下有所增加。这种增加的应力进一步加剧了集料与沥青结合面的损伤，导致两者之间的黏结强度出现更为显著的下降，从而影响路面的整体稳定性和耐久性，最终使其抗疲劳性能相对较弱。通过进一步分析不同应力级别下的疲劳寿命曲线，我们可以观察到试件的疲劳寿命随着应力水平的提高而降低。在路面承受高应力作用的过程中，冻融循环所诱发的结构性损伤将显著加剧，从而加速路面破坏的进程，导致其提前出现损坏症状。鉴于此，采取严格措施限制车辆超载，是保障路面结构完整性和延长其使用寿命的重要策略^[5]。

6 结论

本文针对长寿命沥青路面的疲劳性能进行了系统的分析与预测。通过建立温度-荷载耦合有限元模型，深入分析了不同类型路面结构在多种环境因素与荷载条件下的疲劳损伤特征。研究结果表明，柔性结构的累计疲劳损伤值最高，已超过0.5，表明其在长时间的高强度交通荷载下难以维持良好的使用性能，亟需加强对该结构的养护与改进。半刚性结构与组合式结构在疲劳损伤方面表现相对优越，尤其在温度变化与冻融循环的影响下，疲劳寿命更为持久。进一步的室内试验结果显示，冻融循环次数对混合料的疲劳寿命具有显著影响，强调了在设计与施工中考虑环境因素的重要性。总的来说，长寿命沥青路面的设计与应用需结合我国实际情况，针对不同路面结构的疲劳特性进行优化，以实现提升路面使用寿命、降低养护成本的目标。这为我国高速公路网的可持续发展提供了理论依据与实践指导，具有重要的工程应用价值。未来的研究应重点关注新材料的应用及其对沥青路面性能的影响，以进一步推动长寿命路面技术的发展。

参考文献

[1] 卢磊磊.长寿命沥青路面疲劳性能试验研究[J].交通世界,2024,(23):26-28+32.

[2] 杨光,王旭东.高模量沥青混凝土在半刚性基层长寿命沥青路面中应用的合理性研究[J].公路交通科技,2019,36(05):20-26+56.

[3] 王旭东.长寿命沥青路面的发展[J].中国公路,2023,(18):28-33.

[4] 刘家祥.长寿命沥青路面结构设计分析[J].交通科技与管理,2023,4(10):114-116.

[5] 谢恩连,聂忆华,黄新摇,等.大厚度柔性基层长寿命沥青路面试验研究[J].森林工程,2024,40(02):198-207+216.