《科学通报》
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沥青路面的长期性能：经验与挑战
2021-03-05 13:41:00近期，中交第一公路勘察设计研究院有限公司汪双杰总经理和东南大学交通学院马涛教授团队在《科学通报》发表观点文章“沥青路面长期性能研究的经验与挑战”，总结了过去40年中，我国研究者对沥青路面长期性能的探索历程，并借鉴美国长寿命路面设计理念，结合我国现状，提出了要实现长期性能，需要面对的主要挑战。
总体上，我国对沥青路面长期性能的研究可以分为四个阶段：①初期的自发分散式研究，②③交通部/交通运输部资助的一期和二期科技项目研究，以及④当前基于北京足尺环道的集中式研究。
这些研究在许多方面取得了良好的成效与进展，但是，我国不同区域沥青路面的使用寿命差异较大，而且实际寿命常常达不到设计寿命。在欧美发达国家，高速公路沥青路面的实际使用寿命一般为20~40年。在我国，设计使用寿命为15年，但在很多地区，沥青路面在达到设计使用寿命前就发生了破坏[2]。究其原因，主要有以下几方面：
1) 我国地域辽阔，不同区域沥青路面的实际使用寿命往往显著不同;
2) 我国道路环境气候多样，包括52个二级自然区划[3,4]，且极端气温频繁出现，导致路面材料与结构应对不足，影响其实际使用寿命[5];
3) 我国交通荷载状况复杂，车辆组成不断向多轴化、大型化、重载化方向发展，交通量增长迅速且预估难度大，显著影响了路面结构的实际使用寿命[6];
4) 各地的路面材料属性与结构形式各不相同，而早期的设计理念偏重于力学设计，路面设计控制指标与路面实际性能、破坏模式之间存在一定的脱节，导致路面设计与长期性能之间未能建立良好的关联，这也使得路面结构的设计寿命与实际使用寿命并不完全相符[1]。
随着我国经济的飞速发展，长寿命沥青路面技术已经成为未来道路工程领域的重要研究方向。值得注意的是，严格来讲，路面寿命并不等同于其长期性能：在复杂的环境和载荷中，合理设计、准确分析、实时掌握路面的性质与变化，使其长期性能有效保持，才能实现延长路面寿命这一目标与结果[8,9,10]。
相关研究在我国起步相对较晚，仍存在基础理论薄弱、实体工程积累不足、室内试验与现场性能匹配性不足、理论与实际关联性不强等诸多问题[11]。
图1 我国道路研究和发展的主要节点
在这样的背景和需求下，我国启动了基于足尺环道的集中式研究，目标是形成新一代的长寿命路面技术体系。足尺环道研究具有环境明确、荷载可控、结构多样与测试周期短等优势，有利于揭示机理、总结规律、建立预测模型。
目前，我国的环道研究主要集中在以下几个方面：
1) 建设全寿命周期路面多元服役行为信息系统;
2) 研发基于性能的新一代路面材料设计方法;
3) 研发基于服役性能的路面建养设计方法;
4) 建立在役路面残余寿命的评估体系与指标等。
但同时，基于环道的研究也存在一些局限，如环境因素单一、交通荷载与实际状况不完全匹配、长期破坏形式模拟受限、验证周期短等。所以，基于足尺环道的研究成果，仍然需要由不同地区的规模化实体工程加以验证与完善。足尺环道与实体工程相辅相成，才能够真正建立起长寿命技术体系。
当前，我国路面长期性能的发展还面临着以下挑战：
结构形式方面，我国半刚性基层沥青路面修筑路线长、工程经验丰富，但半刚性基层沥青路面能否实现长寿命目标、如何实现，其关键技术难点尚不完全明确;
材料方面，即使同一个指标参数，也普遍存在不同的力学测试条件，导致路面材料参数的不确定性和主观经验性，而且当前材料的开发过程多是“尝试”得出的，而不是从微观结构角度“设计”出来的;
设计方法方面，如何进行结构与材料组合协同优化，形成路面损伤程度的深度递减效应，从根源上避免深层结构损伤的产生及其复杂修复过程;
性能预估方面，存在各个环节假设条件过多、理论预估与实测值差异性大等问题，因此科学预估存在较大挑战;
养护决策方面，存在主管部门养护意识较为淡薄、缺乏稳定资金来源，以及养护管理普通存在智能化、科学化不足的挑战;
数据共享与融合方面，设计、检测等方面的先进经验规模化速度慢、先进智能化技术应用严重不足，存在不同机构的检测数据与分析结果对比性差、管理与溯源低效等难题，亟需提供规范化的检测手段、传感器标定、数据处理与评价指标;
如何在提升路面使用寿命的同时降低资源消耗，避免生态环境破坏。
综上所述，我国的路面长期性能预测与观测研究具备了良好的前期研究基础，形成了良好的研究框架，初步搭建了长期性能数据平台。但还存在诸多挑战，亟需突破，需要从国家层面开展深层次、大范围、长周期的路面长期性能预测与观测研究，主体包括：
在现有研究与布局基础上，规模化补充完善全国范围长期性能实体工程;
打造全国统一、持续、长效的长期性能观测网;
建立包含建设、运营和养护一体化的路面全寿命周期标准化数据库;
针对不同区域的环境、交通、材料与结构条件，建立适用的长期性能预测模型。
文/汪双杰, 马涛, 张伟光, 高英
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