我国国民经济迅猛增长，带动了交通领域的巨大变革。交通流量持续攀升，同时，多轴车辆、重型载重、高轮压车辆在交通结构中所占比例显著上升。此外，超载问题尤为突出，这对路面的承载能力提出了更为严格的挑战。在我国新建的道路中，频繁出现裂缝、沉陷、变形等早期病害现象；而已经建成的道路，在未达到既定设计年限之前，便出现了结构性损坏的情况。这种现象导致道路在使用过程中的维修频率增加，同时大幅提升了道路的寿命周期成本。
自20世纪末期起，美国、欧洲、澳大利亚以及日本等国家的科研人员对耐久性强的路面进行了深入的研究与铺设。这类长寿命路面结构以其卓越的耐久性、较低的寿命周期成本以及不易发生结构性的损坏而受到关注。为确保在反复荷载的作用下，沥青层的底部拉应变不会超过其疲劳极限，从而避免从底部向上的疲劳裂缝产生，选用性能优异的抗疲劳层材料显得尤为关键。
我国在轴载方面的能力远超欧美国家，高速公路的设计轴载标准通常属于重载或特重载等级。若采用柔性且寿命较长的路面结构，为了达到设计指标，必须铺设较厚的沥青层，这一做法显著增加了道路建设的费用。
因此，本研究聚焦于探讨柔性长寿命路面结构中至关重要的抗疲劳层，该层选用多种材料，并深入分析了抗疲劳层对路面结构力学性能、结构厚度以及疲劳寿命所产生的作用。本文不仅介绍了一种新型的抗疲劳材料——即经济实惠的环氧沥青混合料，而且该材料展现出优异的疲劳承受能力，同时具备成本优势。此外，它还能有效提升沥青路面的疲劳寿命，减少沥青层的整体厚度，进而降低整个寿命周期的费用。
长寿命路面结构拟定
美国的长寿命路面结构设计理念强调，路面表层应采用高性能沥青混凝土，以确保车辆行驶的舒适性，并具备足够的抗车辙、抗表面开裂、抗滑能力，同时减轻水雾影响和降低噪音。中间层则采用高模量沥青混凝土，尤其在轮载下的100至150毫米范围内，这一区域承受高应力，也是损坏易发区，因此该层需具备高模量和抗车辙的特性。底层则使用抗疲劳沥青混凝土，因为沥青层最大拉应变出现在HMA层底部，该层底部最易发生疲劳破坏，容易产生自下而上的疲劳裂缝，因此需要具备高柔性、抗疲劳和良好的水稳定性。此外，可以设置石灰稳定土或级配碎石等底基层，或者直接在路基上铺设。
路面结构的长寿命组合设计遵循分层设计的基本原则，并充分考究了各结构层的特性与作用。为了便于直观地对比和分析抗疲劳层材料对路面结构的影响，本研究特别将抗疲劳层之上的沥青层单独作为一个层次进行设计。在确定模量时，我们基于各层功能所需材料，对模量进行了加权平均的处理。抗疲劳层与级配碎石层厚度一致，模量选择依据设计规范和经验值，具体为：抗疲劳层厚度设定为5cm、6cm或7cm，以评估其对结构的影响；普通沥青混合料、SBS改性沥青混合料、环氧沥青混合料的模量分别设定为、。
疲劳寿命预估方程
依据设计手册中的疲劳预测公式，对所规划的高寿命路面结构进行了详尽的对比研究。所选取的三种抗疲劳层材料的具体参数如下：一是常规沥青混合料，其油石比设定为4.8%，空隙率控制在4.2%；二是SBS改性沥青混合料，油石比设定为5.1%，空隙率设定为3.9%；三是环氧沥青混合料，油石比设定为6%，空隙率设定为3%。
抗疲劳层对路面结构影响分析
不同材料抗疲劳层对路面结构疲劳寿命影响分析
为了清晰展示使用不同材料构建抗疲劳层对长期使用路面结构疲劳寿命所产生的作用，表格1设定了路面结构中的沥青层厚度为20厘米，并依据设计手册提供的疲劳寿命预测公式，对三种不同结构的疲劳寿命进行了预测。
可以观察到，对于同一种类的抗疲劳层结构，其疲劳寿命会随着疲劳层厚度的提升而逐步增长；而在抗疲劳层厚度一致的情况下，不同类型的结构疲劳寿命则会随着抗疲劳层材料疲劳性能的增强而呈现出逐步上升的趋势。使用常规沥青混合料构建抗疲劳层，路面结构的疲劳寿命相对较低；而若选用环氧沥青混合料作为抗疲劳层，则能显著提高路面结构的疲劳寿命钢材抗疲劳性，其效果约为常规沥青混合料抗疲劳层结构的四倍，以及SBS改性沥青混合料抗疲劳层结构的两倍半，提升效果十分明显。
基于设计当量轴次的路面结构分析
在规划路面结构设计时，需综合考虑规划年度的累积等效轴次。若沥青层材料具备超过单车道累积等效轴次的疲劳寿命，则可在道路使用期间有效降低甚至消除道路自下而上的疲劳损害。鉴于此，我们依据设计等效轴次来制定路面结构方案，三种设计方案都将沥青层作为设计的主要层次。在分析单车道累积等效轴次达到1亿次时，考察了三种抗疲劳材料对路面结构厚度的具体影响。
可知，当疲劳层结构类型相同时，其疲劳寿命会随着疲劳层厚度的增大而降低，导致符合单次轴载水平要求的设计层厚度相应减少；而在抗疲劳层厚度一致的情况下，不同类型结构在抗疲劳材料性能增强的条件下，满足单车道累积等效轴次达到一亿次的结构厚度呈现出逐步变薄的趋势。使用环氧沥青混合料作为抗疲劳层，其结构厚度相比普通沥青混合料抗疲劳层减少了约9厘米，与SBS改性沥青混合料抗疲劳层相比，厚度减少了5厘米。由此，高性能材料的应用有助于减少路面结构的整体厚度，在满足设计轴载需求的同时，也具有降低道路建设成本的重要作用。
基于疲劳极限设计原则的路面结构分析
评估路面结构能否达到长寿要求，核心在于对比沥青面层底部所承受的弯曲拉伸应变与沥青层材料所能承受的疲劳极限应变。若沥青混合材料所经受的弯曲拉伸应变小于疲劳极限，则该材料不会出现疲劳损伤或破坏，从而在理论层面上，沥青混合材料具有极其漫长的疲劳寿命。
不同国家的学者在研究弯拉应变极限值和路基顶面压应变容许值时，得出的结论各有差异。以美国为例，在设计轴载为80KN的情况下，沥青层底部的弯拉应变需控制在70με以下，而路基土的垂直压应变则应小于200με。至于沥青混合料的疲劳极限，众多学者普遍认为，普通沥青混合料的疲劳极限大约在70至80με之间，而使用改性沥青混合料则有望将疲劳极限提升至100με。环氧沥青混合料具有较SBS改性沥青混合料更高的疲劳寿命。
针对疲劳极限原理设计的路面结构，三种设计方案均将沥青层定位为关键设计层，对三种不同抗疲劳材料在确保达到疲劳极限标准的前提下，对路面结构厚度所产生的作用进行了深入分析。运用BISAR软件对这三种结构进行了力学性能的计算。
显而易见，在抗疲劳层厚度一致的前提下，抗疲劳层材料的疲劳极限越高，满足疲劳极限和土基顶面压应变要求的结构厚度呈现出逐渐变薄的态势。具体来说，若使用环氧沥青材料作为抗疲劳层，其结构厚度将比普通沥青混合料抗疲劳层薄约9至10厘米；而若选用SBS改性沥青作为抗疲劳层，其结构厚度则比普通沥青混合料抗疲劳层薄约6厘米。在设计路面结构时，若考虑到沥青混合料的疲劳极限，选用高性能的抗疲劳层材料钢材抗疲劳性，可以有效减少路面结构的厚度，并显著增强其耐久性。
结语
经过对三种抗疲劳层材料对路面结构力学性能、使用寿命以及结构层厚度所产生影响的深入研究，我们得出了以下结论：
抗疲劳层材料的疲劳性能越佳，就越能有效增强路面结构的疲劳寿命，进而显著提升路面的耐用性。
根据设计当量轴次所确定的路面结构，我们可以发现，随着抗疲劳材料抗疲劳性能的增强，路面结构的厚度呈现出逐级变薄的态势。特别是当使用环氧沥青混合料作为抗疲劳层时，其结构厚度相较于普通沥青混合料抗疲劳层，降低了大约9厘米。同时，对于同类型抗疲劳层结构来说，随着疲劳层厚度的增加，其疲劳寿命也在提升，而为了满足轴载水平的设计要求，所需的设计层厚度则相应地逐渐减少。
在进行以沥青混合料疲劳极限为依据的结构设计过程中，若抗疲劳层材料的疲劳极限提升，那么满足疲劳极限和土基顶面压应变要求的各个结构层厚度将呈现逐步减薄的趋势。特别是当使用环氧沥青材料作为抗疲劳层时，其结构厚度相较于普通沥青混合料抗疲劳层结构，可以减少大约9厘米。
使用具备优良抗疲劳性能的沥青混合料构建抗疲劳层，可有效减少沥青层的厚度设计，增强路面结构的疲劳耐久性，进而实现降低道路建设成本、提升道路使用寿命的双重效果。
敬请关注“沥青路面”微信公众号。我们专注于沥青路面的设计、施工、养护及科研等多个领域，内容涵盖路面施工技术、路面材料选择、路面机械设备等关键环节。由专业团队精心挑选，每日为您提供行业内的精彩资讯，助您把握行业发展趋势和市场动态。
热烈欢迎您浏览我们的公众号官方网站——中国沥青路面网，这是我国规模最大、最具影响力的行业交流平台。该网站专注于为决策者提供专业浏览服务，致力于为相关决策提供前沿技术和信息支持。我们诚挚地希望通过“中国沥青路面网”这一平台，与您共享行业决策经验及各类资讯，携手推动行业整体水平的提升。请访问以下域名：；中文域名：沥青路面.中国，沥青路面.cn。同时，欢迎加入我们的行业QQ群，群号如下：。
