近年来，由于高速公路沥青路面大中修或改扩建工程的不断增多，由翻挖、铣刨而产生的废弃混合料造成了严重的环境污染和资源浪费[1]。冷再生技术因其经济环保、施工方便、混合料裹附性能好、铣刨料要求低且用量大(接近95%)等技术特点，在行业内得到推广和运用[2]。冷再生技术是一种常温施工方法，它绿色环保、节能减排，并且能节省总投资40%~50%，在中国路面养护建设中发挥了重要作用。由于冷再生混合料的强度形成特点，使其一般只作为高速公路沥青路面的上基层及下面层使用；而研究表明，冷再生混合料作上基层使用时，能够有效防治下部层位的反射裂缝[3]。但是，随着路面整体沥青层等效厚度的增加，沥青路面永久变形也相对增大，需进一步加强控制[4-5]。因此，为了提升冷再生路面抗裂和抗车辙性能，对冷再生路面的结构优化组合进行研究尤为必要。
目前，国内针对冷再生沥青路面的研究大多集中于混合料组成设计及性能评价，对于冷再生路面结构组合的研究较少，并且在实际路面维修工程应用中，冷再生层的层位选择和厚度设置主要依据经验或是依靠规范推荐值而定，这样设计出来的路面不能满足路面使用性能的要求，且无法延长路面的长期使用寿命。因此，如何科学、合理地对冷再生沥青路面结构组合进行设计十分关键。
力学-经验法是中国沥青路面结构组合设计的主要方法，一直被研究人员们所推崇。2017年3月，《公路沥青路面设计规范》(JTGD50-2017)发布，新规范取消了路标弯沉设计指标，增加了沥青混合料层永久变形量、路基顶面竖向压应变和路面低温开裂指数设计指标，并改进了沥青混合料层和无机结合料稳定层疲劳开裂预估模型，主要对路面结构疲劳寿命和永久变形进行控制。基于新版规范进行结构组合设计时，需要综合考虑冷再生沥青路面在实际荷载和环境作用下的力学响应以及材料性能因素。不同的路面结构组合在使用性能和工程经济上会有不同的效果，因此应根据需求来设计满足要求的沥青路面结构组合。
综上所述，为了对冷再生沥青路面的结构组合进行优化，本文结合昌九高速公路的冷再生路面现状，首先对路面结构性能的影响因素进行分析，然后从提高路面抗裂和抗车辙性能的角度出发，对乳化沥青冷再生路面的结构进行优化方案设计，并且基于新版沥青路面设计规范，采用力学-经验法模型对路面结构的长期性能进行研究，最终确定性能优异的冷再生路面组合形式。
昌九高速冷再生路面的现状
昌九高速公路是国内对乳化沥青冷再生路面应用规模最大、使用时间较长、应用最为成功的典型项目，开启了乳化沥青冷再生路面规模化应用的先河，其冷再生路面结构与参数如图1所示。
通过对江西昌九高速乳化沥青冷再生路面进行长期观测发现，昌九高速冷再生路面的主体病害形式为车辙和Top-Down裂缝(简称TDC)。其中，整体路面车辙深度约为5~10mm，若无养护工程的影响，路面整体车辙发展规律较为明显。而对于TDC，主要有以下2种破坏形式：裂缝向下扩展直至贯穿整个基层；初始的单一纵缝发展至局部的龟裂破坏，这些都对路面整体的使用性能和结构性能产生了一定的影响。
冷再生沥青路面结构性能的影响因素
抗车辙性能的影响因素
研究表明，沥青路面结构的永久变形与各层沥青混合料的高温性能密切相关，本文采用室内常规车辙试验得到的车辙变形指标，分析不同层位材料的高温性能对路面整体结构永久变形的影响。
通过改变各层沥青混合料的车辙变形，即分别变化20%、10%、10%和20%，并采用新版沥青路面设计规范中的永久变形评价模型，分析路面整体结构的永久变形。表1为不同变化百分比下各层沥青混合料的车辙变形以及路面结构总永久变形值。图2为路面结构总永久变形随各层混合料车辙深度的变化情况。
从图2可以看出，路面结构中沥青层的总永久变形随各层混合料车辙变形深度的变化，呈现线性增大趋势，即各结构层混合料车辙变形值越大，路面结构总永久变形越大。
从变化速率来看，结构层从大到小依次为：中面层、上面层、下面层、冷再生层，即中面层混合料的高温性能对路面整体结构总永久变形的影响最大，随着中面层混合料车辙试验变形深度的增加，路面总永久变形增大的幅度最大。因此，通过优化路面结构中面层混合料的高温性能，能够提高路面结构的抗车辙性能。
抗裂性能影响因素分析
目前，Top-Down裂缝已成为中国高速公路沥青路面的主要病害形式[6]，针对这一问题，国内的学者纷纷进行了相应的研究。赵延庆等[7]基于断裂力学的方法，对沥青路面TDC裂缝尖端应力强度因子的影响因素进行分析，指出基层类型对TDC应力强度因子有影响，与采用粒料基层的结构相比，采用半刚性基层可以降低裂尖应力强度因子。李绍辉等[8]利用有限元分析法对TDC开裂进行分析，结果表明基层模量对TDC应力强度因子影响较大，随着基层模量的增加，沥青路面结构裂尖强度因子减小。可以看出，基层材料的类型和模量对沥青路面Top-Down裂缝有明显影响。因此，可以选择模量较大的半刚性材料做基层，来提高路面的抗裂性能。
冷再生沥青路面的结构优化设计
根据上述分析，本文从提高路面抗裂和抗车辙性能的角度出发，对冷再生路面结构的优化设计进行研究。
为了提高路面的抗车辙性能，可以选用动稳定度较大SMA-13混合料和EME-14混合料分别作为中、上面层材料。其中，与AC-13混合料相比，SMA-13混合料的动稳定度较大，达到6000次·mm^-1；而EME-14混合料是指法国高模量沥青混合料，硬质沥青和连续级配，具有空隙率低和沥青含量高的特点，综合性能较好，抗高温性能尤为突出，并且动稳定度较大，达11000次·mm^-1。
为了提高路面抗裂性能，可以从基层材料和模量角度出发，选用低剂量水泥稳定碎石来代替老路结构中的未筛分碎石，低剂量水稳碎石模量达到8500MPa，而未筛分碎石仅为300MPa。
综上所述，对于昌九高速冷再生沥青路面结构，可以初步提出优化方案(方案一)：4cmSMA-13层、6cmEME-14层、6cmAC-25层、12cm冷再生混合料层、20cm水稳碎石层、18cm低剂量水稳碎石层。而为了区分中上面层混合料对路面性能的影响，本文还提出另一种路面结构优化方案(方案二)：4cmSMA-13层、6cmAC-20层、6cmAC-25层、12cm冷再生混合料层、20cm水稳碎石层、18cm低剂量水稳碎石层。表2为老路结构和2种优化方案的材料参数。
基于力学-经验法的路面长期性能研究
本文基于力学-经验法，按照文献[5]的要求研究上述老路和2种优化方案的路面长期性能，分别对无机结合料稳定层疲劳以及沥青混合料层永久变形进行分析。
无机结合料稳定层疲劳性能分析
文献[3]中规定，可以采用式(1)来对结构无机结合料稳定层的疲劳寿命进行预测。
经过分析，可以得到3种结构的无机层疲劳寿命；而根据昌九高速交通荷载参数可知，在设计使用年限内设计车道上，无机结合层的当量设计轴载累计作用次数Ne为9.98×10^8。将上述3种结构的无机层疲劳寿命与Ne进行对比，结果见表3和图3。
由表3和图3可以看出：老路结构的无机层疲劳寿命为2.67×10^8次，小于当量设计轴载累计作用次数Ne，因此路面结构不满足设计要求，在设计期内会产生疲劳开裂等问题；而2种优化方案均满足要求，其中方案一的无机层疲劳寿命较大，为1.30×10^9次，方案二则为1.08×10^9次。
沥青混合料层永久变形分析
文献[3]中采用式(2)来对结构的沥青层永久变形进行预估。
经过分析，可以得到3种结构的沥青层永久变形，汇总于表4和图4。
由表4和图4可知，在设计使用期内，老路结构沥青层的永久变形值较大，约为12.8mm，接近高速公路的容许永久变形值，因此使用该结构时路面车辙病害较为严重；而方案一的整体永久变形值较小，为8.348mm，方案二则为11.745mm，与老路结构较为接近。
结语
通过对冷再生沥青路面进行优化分析，可以得到如下结论。
(1)昌九高速沥青路面的车辙和Top-Down裂缝(简称TDC)病害较为严重，车辙深度达到5~10mm，且在无养护情况下，路面整体车辙发展规律较为明显；TDC病害发展严重，造成部分段落结构破坏。
(2)在一定范围内，中上面层混合料的动稳定度越大，路面抗车辙性能越好；与粒料基层相比，半刚性基层材料能够减少路面Top-Down裂缝病害，且采用大模量基层材料，也会减少TDC病害。
(3)采用SMA-13和EME-14混合料分别做为中上面层材料，可以提高路面抗车辙性能；而选择模量较大的水泥稳定碎石做基层材料，则可优化路面抗裂性能。
(4)基于力学-经验法的路面性能分析证明，优化面层和基层材料后，路面结构的抗疲劳和抗车辙性能得到提升；其中，使用高模量EME-14混合料优化中面层结构，能明显改善路面抗疲劳和抗车辙性能，而仅优化上面层和基层结构，其抗车辙性能改善的程度较小。
(5)推荐采用冷再生路面结构优化方案为：4cmSMA-13层、6cmEME-14层、6cmAC-25层、12cm冷再生混合料层、20cm水稳碎石层、18cm低剂量水稳碎石层。
