优化路面结构设计提高沥青路面工程抗车辙和壅包能力

一、沥青混合料流变特性的分析与理解

1. 粘弹性性质

   沥青混合料是一种粘弹性材料，具有粘性和弹性双重特性。在高温下，粘性成分起主导作用，容易导致变形；在低温下，弹性成分相对更重要。

   通过动态剪切流变试验（DSR）等手段，可以测量沥青胶结料的复数剪切模量（G*）和相位角（δ）。G*反映了材料抵抗变形的能力，δ则表征了粘性和弹性成分的比例关系。对于抗车辙性能，希望在高温下G*较大，δ较小，即材料更偏向弹性。

2. 应力松弛特性

   沥青混合料在受到恒定应变时，应力会随时间逐渐减小，这就是应力松弛现象。具有良好应力松弛能力的混合料，在车辆荷载作用下能够有效分散应力，减少永久变形。通过对沥青混合料进行应力松弛试验，可以了解其在不同温度和荷载条件下的应力松弛特性。

3. 蠕变特性

   蠕变是指材料在恒定应力作用下，应变随时间不断增加的现象。了解沥青混合料的蠕变特性有助于评估其在长期荷载作用下的变形趋势。通过蠕变试验，可以得到混合料的蠕变曲线，分析其蠕变柔量等参数，为路面结构设计提供依据。

二、基于流变特性优化路面结构设计

1. 路面结构层次设计

   基层和底基层

   选用刚度较大的基层和底基层材料，如水泥稳定碎石等半刚性材料。这样可以有效地将车辆荷载扩散到更深的土层，减少沥青层所受的应力。从沥青混合料流变特性角度来看，基层和底基层提供的稳定支撑，可以降低沥青层在荷载作用下的应变水平，从而提高抗车辙和壅包能力。

   根据交通量和道路等级，合理确定基层和底基层的厚度。一般来说，交通量越大，所需的基层和底基层厚度越大，以提供足够的承载能力。

   沥青面层

   合理确定厚度：根据沥青混合料的流变特性和预计的交通荷载，确定合适的沥青面层厚度。较厚的沥青面层可以分散荷载，降低层底的应力和应变，但过厚的沥青面层可能会由于温度梯度等因素导致内部应力分布不均匀。对于高温地区或重载交通道路，适当增加沥青面层厚度有助于提高抗车辙能力。

   分层设计：采用多层沥青面层结构，如上面层、中面层和下面层。不同层位可以采用具有不同流变特性的沥青混合料。例如，上面层可以采用改性沥青混合料，其具有较好的高温稳定性（即流变特性在高温下表现为高弹性模量和低相位角），以抵抗车辙和壅包的产生；下面层可以采用普通沥青混合料，但要确保其具有足够的强度和稳定性。

2. 材料组成设计

   沥青胶结料的选择

   根据当地的气候条件和交通荷载情况，选择合适的沥青胶结料。对于高温地区或重载交通道路，应优先选用高粘度、改性的沥青胶结料。例如，SBS改性沥青具有良好的弹性恢复能力和高温稳定性，其流变特性使得沥青混合料在高温下不易产生永久变形。

   考虑沥青胶结料的老化特性对其流变特性的影响。老化后的沥青变硬变脆，其流变特性发生变化，导致路面容易出现裂缝等病害。因此，可以在沥青中添加抗老化剂等添加剂，以维持其良好的流变特性。

   集料的选择与级配设计

   选择质地坚硬、形状接近立方体、表面粗糙的集料。这样的集料能够形成良好的骨架结构，提高沥青混合料的内摩擦力。从流变特性角度看，良好的骨架结构可以在荷载作用下限制沥青的流动，提高混合料的抗变形能力。

   优化集料级配。合理的集料级配可以使沥青混合料达到最大密实度和最佳的内摩擦力。例如，采用间断级配的沥青混合料（如SMA），其粗集料形成骨架，细集料、矿粉和沥青胶结料填充空隙，这种结构的沥青混合料具有较好的高温稳定性和抗车辙能力。

3. 施工工艺优化

   压实工艺

   根据沥青混合料的流变特性确定合适的压实温度和压实方法。在高温下，沥青混合料的粘性降低，易于压实。但如果压实温度过高，可能会导致沥青老化。因此，需要根据沥青的流变特性和施工环境确定最佳压实温度范围。

采用合适的压实机械和压实遍数。例如，对于较厚的沥青面层，先采用重型压路机进行初压，然后再用轻型压路机进行终压，可以使沥青混合料达到较高的密实度。密实的沥青混合料具有更好的抵抗变形的能力，从而提高抗车辙和壅包能力。

   施工缝处理

   施工缝是路面结构中的薄弱环节。在施工过程中，要确保施工缝的处理符合规范要求。例如，在横向施工缝处，应采用垂直切割的方式，使新旧沥青混合料能够良好结合。从流变特性角度看，良好的施工缝处理可以避免在施工缝处由于应力集中而导致的车辙和壅包现象。