重载交通沥青路面材料与结构一体化研究
“重载交通沥青路面材料与结构一体化研究”项目于2003年8月立项，2011年11月通过了天津市高新科技成果转化中心组织的项目技术成果鉴定，项目研究由天津市市政工程研究院，中交二公局萌兴工程有限公司，唐山远大实业集团有限公司，河南省公路工程局集团有限公司等单位完成。该项目研究成果适用于高速公路和各等级市政道路的建设,可延长重载作用下路面的使用寿命。
该研究项目与2012年荣获“全国市政行业市政工程科学技术奖”一等奖。
项目研究概况介绍
1）通过大量高速公路破坏调查结果，从水破坏、车辙泛油破坏、裂缝破坏及结构性破坏4个方面对高速公路路面病害现象及原因进行了分析。
2）采用Burgers模型进行沥青路面粘弹性层状体系力学分析的方法，研究了半刚性基层沥青路面层位分工，并根据层位分工确定相应的材料与材料设计方法。
3）系统研究对比了采用不同成型方式、不同级配、不同胶结料剂量的水泥碎石的强度、水稳定性、抗裂性、抗冲刷及抗疲劳等性能，并提出了适宜的层位。
4）系统研究对比了Superpave、马歇尔、GTM方法设计的材料的路用性能，并提出了适宜的层位。
5）系统研究了采用振动成型与传统方法设计的级配碎石的物理力学性能，提出了基于振动成型法的级配碎石混合料力学控制指标、配合比设计方法、施工工艺及基于级配碎石基层的典型路面结构。
6）根据研究成果提出了《基于材料结构一体化的沥青路面典型结构设计指南》。
解决的主要技术问题
1）解决了半刚性基层沥青路面早期破坏问题。
2）提出了半刚性基层沥青路面层位分工分析方法。
3）提出了适合半刚性基层沥青路面层间粘结的粘层油种类和用量。
4）提出了半刚性基层沥青路面结构计算方法，并以此评价目前半刚性基层沥青路面耐久性。
5）提出来基于耐久性的重载交通半刚性基层沥青路面材料设计方法、结构设计方法及典型路面结构。
关键技术及创新点
1）对沥青混凝土用目前国内流行的3种方法即马歇尔方法、Superpave方法及GTM方法进行沥青混凝土设计并对其路用性能进行了系统比较，提出了重载交通作用下路面材料与结构一体化的方案，真正实现了用材料与结构一体化的思想来解决重载交通下半刚性基层沥青路面的耐久性问题。
2）以改变成型方式并大幅度提高材料密实度为基础，开发了GTM设计方法、振动成型水泥稳定碎石设计方法、级配碎石设计方法等，事实证明，在改变成型方式的基础上，压实度提高后，材料的路用性能发生了质的飞跃，
3）编制了浙江省、河北省和天津市的基层施工技术规范及天津市的面层施工技术规范。
与国内外同类技术的比较优势
从20世纪80年代半刚性路面开始大量应用于高等级公路路面起，经过近20年的实践和总结，半刚性路面结构已被广泛应用于我国的公路建设中，并且还将成为今后我国高等级公路的主导路面结构。半刚性基层路面具有强度高、承载力大、稳定性好、刚度大等优点，但是在工程实践中，半刚性基层路面会出现收缩裂缝、唧浆等现象，且当结构组合设计不合理或半刚性基层自身存在质量问题时，往往会发生结构性破坏。国内外对半刚性基层沥青路面研究成果较多，但并没有系统解决并完善重载交通作用下结构设计和材料设计环节存在的问题。
“重载交通沥青路面材料与结构一体化研究”项目研究成果与国内外同类先进技术相比有以下几方面的提高。
1）提出采用粘弹性层状体系理论，借助伯格斯(Burgers)模型分析沥青路面的内部应力分布规律，明确了沥青路面不同层位的功能分工。
2）基于多项试验提出了与静压成型法相比，振动成型法的水泥碎石混合料的综合路用性能、抗疲劳性能更优。
3）结合路面结构层受力分析提出了基于层位分工的路面基层材料设计。
4）以沥青混合料的综合路用性能最优为原则，考虑不同路用性能的重要性，提出了基于模糊数学的GTM旋转基准角的确定方法。
5）通过试验表明了将GSI标准确定为某一固定数值难以全面考虑沥青混合料在成型过程中各种因素对混合料力学性能的影响，提出以GSI的突变点作为确定油石比的依据。
6）建立了沥青浸渍法实测的沥青混合料最大理论相对密度与基于集料有效相对密度计算得到的混合料最大理论相对密度间的关系，提出了基于沥青浸渍法实测沥青混合料理论最大相对密度和有效密度的沥青混合料体积参数的计算方法。
7）针对规范中沥青混合料级配范围过宽的问题，根据研究成果提出了更为合理的GTM沥青混合料级配范围。
8）以优化级配为标准，提出了基于散体强度理论的沥青混合料配合比设计方法。
9）系统研究对比Superpave、马歇尔、GTM方法设计的材料的路用性能，并结合层位分工提出了相应的材料设计方法。
10）通过实体工程说明经GTM优化按设计的沥青混合料可以压实到更高压实度，提出了不同面层的压实度标准，进而认为马歇尔密度标准偏低，应予以改进。
11）首次提出了采用振动成型方法设计级配碎石基层材料，并确定了基于振动成型的级配碎石的振动参数范围、级配设计方法、配合比设计方法及级配碎石基层施工工艺。
12）提出了采用不用的设计理念设计沥青混合料时，不应以其他设计理念的设计参数来做评价标准，GTM设计沥青混合料时，体积参数只能作为参考，而没必要完全满足。
13）提出了在不同交通条件下的基于振动成型的级配碎石路面的典型结构类型。
14）提出了以CBR作为级配碎石力学性能的控制指标，其控制标准为CBR≥300，此时的级配碎石既满足CBR要求也满足抗剪强度要求。
项目应用成果与效益
自2003年起，“重载交通沥青路面材料与结构一体化研究”项目研究成果先后应用于天津、河北、河南等地的威乌高速公路、唐津高速公路、新郑高速公路、扶项高速公路、丹拉高速公路、石家庄环城高速公路等3000余公里高速公路的新建和改建工程。
通过大量实地调查以及对我国沥青路面设计规范内容的研究，发现我国高等级沥青路面早期病害普遍的根本原因在于我国传统的沥青路面设计理念没有明确路面结构层的层位分工，材料的设计方法与层位分工脱节，加之部分参数设置不合理，使得道路建设材料的使用没有达到最优状态，这就造成对一部分结构层来说性能可能超过了要求，而另外的结构层则性能达不到要求，资源的使用效率不能最大化。实现资源的优化配置要求对沥青路面材料与结构进行一体化设计。另外，与重型击实法（静压法）相比，振动成型方式设计的基层材料具有明显优越性；与马歇尔法相比，采用GTM方法设计的沥青混合料也具有较强的优越性
该项目研究成果可产生的经济效益主要体现在以下几个方面。
1）合理化使用材料，节约投资成本。结合层位分工进行路面材料设计，振动成型方式下，在满足路面结构功能的基础上，可以节省水泥用量和沥青用量，具有良好的经济效益。采用GTM法设计沥青混合料，能在全面提高沥青路面路用性能的基础上，降低沥青用量，而且可以将当地生产加工的酸性石料用于沥青路面铺筑，避免了从外省市购进优质石料所引起的材料和运费的大笔投入。
经核算，采用《重载交通沥青路面材料与结构一体化研究》成果在保证路面质量的前提下，可以节约6～10%的沥青用量，降低15～20%的水泥剂量，降低工程造价，同时可以推迟大、中修时间，节约维修养护费用。采用该成果设计和施工的高速公路已累计节约建设资金达10亿元，其中仅天津市高速公路已累计节约建设资金达3.4亿元，其中，节约沥青资金2.7亿元，水泥节约0.7亿元，经济效益显著。
2）延长路面使用寿命，节约养护成本。明确沥青路面的层位分工，将材料设计方法与层位分工相结合，采用更符合现场实际的振动成型方式，由此设计出的沥青路面，其材料设计满足结构层位功能要求，具有更好的路用性能，可减少沥青路面早期病害的发生，提高路面结构的耐久性，增加道路养护周期，延长路面的使用寿命，从而大大降低因道路大、中修带来的高额养护费用，按推迟2年进行大、中修，每公里节省费用40万元计，3000余公里的高速公路就可节约养护费用12000万元，具有巨大的经济效益。（天津市市政工程研究院）
注：本文刊载于《市政技术》2013年第2期，第6、7页。