成果名称

抗疲劳长寿命沥青路面材料设计与结构组成统一研究

--疲劳优先的沥青路面材料设计与结构组成统一研究

成果登记号

知识产权

完成单位

序号

单位名称

通讯地址

1

济南金曰公路工程有限公司

山东济南市高新区天辰路1188号

2

山东建筑大学

山东省济南市临港开发区凤鸣路1000号

3

济南市公路管理局

山东省济南市解放东路1号

完成人

序号

姓名

工作单位

对成果的贡献

1

李君强

济南市公路管理局

项目负责人

2

任瑞波

山东建筑大学

技术负责人

3

魏树国

济南市公路管理局

工程应用

4

纪  续

济南金曰公路工程有限公司

工程应用

5

熊大路

济南金曰公路工程有限公司

工程应用、现场试验

6

高国华

山东高速工程检测有限公司

室内外试验、理论分析

7

徐  强

山东建筑大学

室内外试验、理论分析

8

刘  莹

济南市公路管理局

工程应用

9

王立志

山东建筑大学

试验分析

10

耿立涛

山东建筑大学

试验分析

11

冉维彬

济南市公路管理局

工程应用、现场试验

12

周  浩

山东建筑大学

室内外试验

13

马燕明

济南金曰公路工程有限公司

工程应用

成果公报内容

一、任务来源（计划项目应写清计划名称及其编号。计划外的应说明是横向或自选项目）。

1.项目类型：山东省交通运输科技计划项目（山东省交通运输厅）

2.项目名称：抗疲劳长寿命沥青路面材料设计与结构组成统一研究

--疲劳优先的沥青路面材料设计与结构组成统一研究

3.项目编号：2013A18-01

二、应用领域和技术原理

1.应用领域

疲劳优先的沥青路面材料设计与结构组成统一研究主要应用于道路工程

2.技术原理

随着重载、渠化交通的快速增多，疲劳开裂成为沥青路面的主要病害之一。然而当今沥青混合料的设计体系是以高温性能为核心，而对疲劳性能的考虑极弱，这也是沥青路面出现疲劳裂缝的重要原因。为适应重载交通量的迅速增长，并减少道路维修和因维修而带来的交通堵塞，研究发展适合我国特殊国情，具有较好重载交通承受能力和耐久性的沥青路面结构形式，已成为我国众多道路工作者所关注的问题。本项目在调查分析我国高等级公路半刚性基层沥青路面疲劳开裂损伤类型及机理的基础上，通过室内试验研究和理论分析，使用正交试验设计表，选择了空隙率、沥青含量、沥青种类、纤维含量、粉胶比、级配类型、公称最大粒径、CA比（Coaser Aggregate Ratio）8个可能影响沥青混合料疲劳性能的内部因素，提出了不同种类沥青基于疲劳性能的分级标准。采用威布尔函数概率分布，研究了不同种类沥青及其混合料疲劳性能的优劣，并根据疲劳性能进行分级，建立了沥青指标与混合料疲劳性能的相关关系。推荐IDEAL-CT试验和现行规范提供的四点疲劳法为室内沥青混凝土的评价方法。研究了沥青混合料的疲劳和高温性能规律，推导出了三种改性沥青混合料的疲劳预估模型和车辙动稳定度回归方程，建立了基于性能的最佳沥青含量确定方法，提出了基于疲劳性能兼顾高温性能的沥青混合料体积设计指标和设计体系。提出了四点弯曲百万次疲劳应变与沥青路面设计中面层层底弯拉应变之间的关系式，使材料设计与结构设计统一应用于长寿命沥青路面和钢桥桥面铺装设计，使设计出的路面结构具有更好的长期路用性能。工程应用表明：本项目成果能显著改善沥青路面的长期耐久性能，延长路面使用寿命，引领行业技术发展，具有显著的经济和社会意义。

三、性能指标（写明实际达到的性能指标）。

1.提出了影响沥青混合料内部组成的显著性因素；按其混合料疲劳性能，将13种沥青分为5个等级；提出改性沥青掺量不少于6.5%、针入度不大于50（0.1mm）、软化点不低于88℃的SBS改性沥青和177℃粘度维持在3.4Pa.s-3.8Pa.s、胶粉掺量应在19.5%-20.5%之间的橡胶改性沥青满足应力吸收层疲劳性能要求。

2.对比分析了四点弯曲、梯形悬臂梁和IDEAL-CT三种疲劳试验方法的优劣，推荐了IDEAL-CT试验和现行规范提供的四点疲劳法为室内沥青混凝土的评价方法。

3.研究了沥青混合料的疲劳和高温性能规律，推导出了三种改性沥青混合料的疲劳预估模型和车辙动稳定度回归方程，建立了基于性能的最佳沥青含量确定方法，提出了基于疲劳性能兼顾高温性能的沥青混合料体积设计指标和设计体系。

4.提出了四点弯曲百万次疲劳应变与沥青路面设计中面层层底弯拉应变之间的关系式，建立材料设计与结构设计统一关系，应用于沥青路面和钢桥桥面铺装层设计。

四、与国内外同类技术比较。

目前路用沥青选用技术标准中，很少从沥青的疲劳性能考虑而进行选择；沥青混合料的设计体系也仍以体积设计法为核心，过分强调高温性能，粗集料使用比例大，而沥青用量往往贴近正常用量范围下限，空隙率偏大，考虑疲劳性能指标不足，没有进行疲劳验证和提出基于疲劳性能控制的设计指标，无法建立材料与使用寿命的密切联系；国内外关于沥青路面材料疲劳特性的研究成果多数集中在路面材料的疲劳寿命验证、路面结构特性的疲劳研究，并没有将如何提高结构层疲劳寿命并应用到路面结构组合中进行系统的研究。

本研究通过室内试验、数据分析和理论分析，以及工程应用，开展了基于抗疲劳性能的沥青混合料设计方法研究。提出了不同种类沥青基于疲劳性能的分级标准，研究了不同种类沥青其混合料疲劳性能的优劣，建立了沥青指标与混合料疲劳性能的相关关系。推荐IDEAL-CT试验和现行规范提供的四点疲劳法为室内沥青混凝土的评价方法。研究了沥青混合料的疲劳和高温性能规律，提出了基于疲劳性能兼顾高温性能的沥青混合料体积设计指标和设计体系。建立了四点弯曲百万次疲劳应变与沥青路面设计中面层层底弯拉应变之间的关系，使材料设计与结构设计统一应用于长寿命沥青路面和钢桥桥面铺装设计，使设计出的路面结构具有更好的长期路用性能。

五、成果的创造性、先进性。

1.采用威布尔概率分布，对不同种类沥青的混合料疲劳性能进行了分级，为基于疲劳性能的混合料设计时，沥青的选择提供了数据参考。

2.推荐了简单、快捷的IDEAL-CT疲劳试验方法和评价标准，具有良好的推广价值；建立了沥青混合料的疲劳方程和车辙动稳定度回归方程，提出基于疲劳和高温性能的沥青混合料设计指标和设计体系。

3.提出了四点弯曲百万次疲劳应变与沥青路面设计中面层层底弯拉应变之间的关系式，建立了室内疲劳试验结果与沥青路面设计的紧密联系，减少路面结构设计的随意性。

4.提出了适用于高温重载交通条件下的沥青路面材料与结构设计方案和钢桥桥面的高黏高弹沥青铺面体系，并在工程项目中成功应用，经济社会效益显著，具有良好的推广应用前景。

六、作用意义（直接经济效益和社会意义）。

课题提出的不同种类沥青基于疲劳性能的分级标准，建立了沥青指标与混合料疲劳性能的相关关系，优化了路面沥青材料的选择方法。推荐IDEAL-CT试验和现行规范提供的四点疲劳法为室内沥青混凝土的评价方法，简化了沥青混合料设计阶段的疲劳性能检验。研究了沥青混合料的疲劳和高温性能规律，推导出了三种改性沥青混合料的疲劳预估模型和车辙动稳定度回归方程，建立了基于性能的最佳沥青含量确定方法，提出了基于疲劳性能兼顾高温性能的沥青混合料体积设计指标和设计体系。提出了四点弯曲百万次疲劳应变与沥青路面设计中面层层底弯拉应变之间的关系式，使材料设计与结构设计统一应用于长寿命沥青路面和钢桥桥面铺装设计，使设计出的路面结构具有更好的长期路用性能。本项目成果的应用，能显著改善沥青路面的长期耐久性能，从而延长沥青路面的使用寿命。

验收（评价)专家名单

序号

姓名

单位

专业领域

职称

1

王林

山东省交通科学研究院

道路工程

研究员

2

姚占勇

山东大学

道路工程

教授

3

王琨

山东交通学院

道路工程

教授

4

王增强

山东省高速路桥养护有限公司

公路工程

研究员

5

刘治

山东省建筑科学研究院

市政工程

研究员

6

庞吉莲

济南黄河路桥集团

市政工程

研究员

7

杨晓春

山东省交通运输厅工程建设事务中心

交通运输

高级工程师

8

张津

济南市城乡交通运输局

财务

注册会计师

9

韩波

山东省科技统计分析研究中心

财务

高级会计师

组织评价（验收、评价）单位：山东省交通运输厅、山东省交通运输科技管理服务中心

评价（验收、评价）意见

2021年10月29日，山东省交通运输科技管理服务中心在济南组织了“抗疲劳长寿命沥青路面材料设计与结构组成统一研究，子课题：疲劳优先的沥青路面材料设计与结构组成统一研究”成果评价工作。评价委员会（名单附后）听取了项目组的汇报，审阅了相关技术文件，经质询和讨论，形成评价意见如下：

一、项目组提交的技术文件齐全，内容完整，符合评价要求。

二、项目组在现场调查、国内外相关研究成果分析、病害机理分析的基础上，采用室内外试验和理论分析的方法，开展了疲劳优先的沥青路面材料设计与结构组成统一研究，铺筑了实体工程。项目取得了如下主要创新成果：

1.发现了新型抗疲劳沥青混合料与其它混合料疲劳性能及高温性能特征关系，建立了相应的沥青混合料疲劳方程和动稳定度预估方程，提出了兼顾疲劳与高温稳定性的沥青混合料平衡设计方法；

2.提出了采用间接拉伸试验分析沥青混合料疲劳性能的方法，给出了抗疲劳沥青混合料百万次疲劳寿命容许拉应变，建立了材料与结构设计的关系；

3.提出了适用于重载钢桥面的高黏高弹沥青铺面体系。

三、项目发表论文12篇，其中SCI、EI收录论文6篇；授权发明专利3项。研究成果在G104济南德州界至大桥镇段道路改建、平阴黄河大桥等工程中成功应用，经济社会效益显著，具有良好的推广应用前景。

综上所述，项目研究成果总体上达到国际先进水平。