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沥青面层的表面层是最重要的层次，温缩裂缝从表面开始产生，而且对抗车辙能力也是主要的层次，但对中面层、下面层，因交通条件、受力程度不同，要求也不一样。因此作为上面层的沥青混合料应满足以下要求：首先是具有良好的表面功能，抗滑、车辙小、平整度高、噪声小、能见度好；其次是增加了路面的抗变形能力，不透水，使用寿命长，养护维修工作量少；同时它可以减薄表面层厚度，易于施工和重建，维修重建对交通的影响小。通过对比优化选择，济焦高速最终选定了具有优良路用性能的SMA路面。
SMA是一种由沥青、纤维稳定剂、矿粉及少量细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料骨架间隙而组成的沥青混合料。SMA具有粗集料多、矿粉多、沥青多和细集料少等特点，是用作路面抗滑表层或者罩面的热拌沥青混合料。
为了更清楚的说明问题，现将SMA与其他类型结构的特点见表3.6。
表3.6 不同沥青混合料结构类型的比较（D max =16mm）
由表3.6可以看出，SMA具有优越的面层功能特性，在一般情况下，多用做重交通道路、机场等道面的磨耗层或上面层，而很少用做连接层或中下面层。作为高品质沥青混合料磨耗层，欧洲沥青路面协会（EAPA）将其卓越的面层功能特性可归结为以下几点：抗滑性、平整度与车辙、减噪性、耐久性与能见度。
1.抗滑性
SMA具有优良的抗滑性能，为行车安全提供保证。路面的抗滑性能来源于石料抗磨耗、耐磨光的表面微观构造。这种微观构造是影响路面抗滑性的主要因素，它取决于石料类型的选择。因此，应选择抗磨耗耐磨光的坚硬致密的石料，抗滑的主要控制指标为石料的洛杉矶磨耗值和磨光值。
在阴雨天，路面的抗滑性能来源于路面表面的宏观构造，表现为路面混合料中富有棱角的粗集料相对于道面平整表面的均匀突显。这种道面表面的宏观构造或粗糙度，一般用构造深度来表示，用铺砂法测定。因为即使集料类型选择恰当，如果道面表面光滑，缺乏良好的宏观构造，那么在阴雨天、或阴雨过后行车也是十分危险的。如雨水不能及时排除，在轮胎与路面之间将形成一层水膜，界面上的滑动摩阻力将完全丧失，极易打滑而酿成安全事故。但当路面具有良好的粗糙度，构造深度足够时，突出于路面表面的粗集料将楔入轮胎，隔断水膜，且在轮胎花纹与表面突起粗集料之间的空隙中将形成排水通道，迅速排出雨水，这样就能在轮胎与道面之间保持足够的摩阻力，同时减轻或消除水雾，保证了行车安全。
2.平整度和车辙
平整度分为横向平整度和纵向平整度，车辙是横向平整度的一个组成部分。由于SMA具有坚固的集料结构，因此其压缩性比常规沥青混凝土小得多。与其他类型沥青路面相比，SMA路面的行驶质量有了很大程度的提高。原有的水泥混凝土路面在此方面与SMA更是不可比。SMA的骨架嵌挤作用保证了SMA路面具有高度抵抗永久变形的能力，起初，无论在纵向或横向平整度都将保持不变。在实际使用中出现了一些刚做好不久的SMA路面出现车辙的现象，将路面切割开发现，发生变形的是中下面层，而上层SMA的厚度保持不变，更进一步说明了SMA道面具有很高的抗车辙能力，从而为道面始终具有很高的平整度提供了保证。
比较已有工程的试验结果可以看出，在使用改性沥青和添加纤维的情况下，SMA的车辙试验的动稳定度都可以达到3500次/mm以上，高值可多达7000次/mm。
3.减噪性
减噪性是指SMA与传统的沥青路面相比可以更好地降低行驶噪声。现在很多公路上有SMA的试验段，当开车由AC道面驶入SMA道面时，可明显感觉到噪声变低。根据欧洲几个国家测定，在多数情况下，SMA道面比常规沥青混凝土道面交通噪声降低1.5~7dB，这也与SMA较大的构造深度有很大关系。
4.耐久性
SMA的耐久性来自于其自身结构的稳定性。SMA的石料一般都要采用强度较高的石料，最好的是火成岩中的暗色岩，如玄武岩、辉绿岩、辉长岩、安山岩，也可选择硬质花岗岩、硅质硬砂岩等，这些石料在碾压后形成坚实的骨架结构，保证在长期荷载下承载能力不会降低。而充足的沥青玛蹄脂则有效地维护了骨架结构的稳定。SMA混合料的沥青用量约比常规沥青混凝土高1%或更多，沥青结合料黏度也较高，这就决定了裹覆粗集料表面的沥青玛
脂的厚度较大，从而保证了SMA路面在交通荷载与气候因素的综合作用下具有高度抗裂性。而且沥青玛
脂自身非常密实而无空隙，这就决定了SMA中沥青玛
脂具有优异的抗老化性能，变质率极低。由此保证在长期荷载作用下，SMA道面具有优良的耐久性，而很少发现常规道面易出现的剥落、开裂、松散等破坏现象。德国第一批SMA道面建于20世纪60年代中期，迄今为止已有近40年，仍在正常服务，从未进行大修。
5.能见度
较高的构造深度使SMA还具有另一个特性，就是使路面在有雨水的情况下，雨水存在于构造深度中，而不是在路面上，由此减少夜间因对向行驶车辆灯光反射引起的眩光，从而有效的保证车辆驾驶安全。
由上述可知，采用SMA路面可以有效地解决高温抗车辙性能和低温抗裂性能的矛盾，解决抗滑性能和耐久性的矛盾。虽然修建SMA路面的初期建设费用较高，但是如果考虑公路使用阶段的维修养护费用和营运费用，使用SMA的费用能通过防止早期破坏，减少维修养护，延长使用寿命方面得到回报，总的费用不仅不会增加，反而会有很大的节省。以首都机场高速为例，总长18km，使用改性沥青和SMA技术，比原设计多花了近千万元，但从1992年建成到1998年的6年中，路面本身的维修养护基本上没有花费，与一些通车不久便频频维修的路段相比，不能不说是很大的节省。
一般来说，沥青路面的下层，应采用粗粒式沥青混合料。在交通量大或天气炎热的地区，为了提高路面的抗车辙能力，增强耐流动性，甚至可以采用更大的粒径。美国宾夕法尼亚州运输部采用最大粒径为38~50mm的大粒径沥青混合料，压实后空隙率在6%左右。下面层在荷载作用下处于竖向受压状态或是两向拉伸状态。由于强度的不足会使沥青混合料在高温条件下发生剪切变形，产生侧向流动。因此，车辙应最易发生在路面剪应力最大处。根据面层剪应力的影响分析可以得知，路面剪应力最大值一般出现在距离路表5~7cm处，在此位置处最易发生剪切滑移，而且最大竖向压应变也出现在距路表4~6cm处。因此，下面层要选择合适的沥青材料来尽可能避免车辙的出现。另据分析，面层底部在车轮荷载作用下所受拉应力比面层其他部位在车轮驶近或驶过后产生的拉应力要大得多，面层底部易产生疲劳开裂。因此，要求下面层应抗车辙、抗疲劳。
下面层虽然没有构造深度的要求，但是要求其具有良好的抗高温车辙和抗疲劳作用。在半刚性基层路面结构中，下面层层底常承受压应力作用，即使在某些情况下存在拉应力，其值也较小，下面层既承受压应力也承受较大剪应力的作用。对于部分高温、多雨地区，在自由水侵入下面层的情况下，自由水则会滞留在下面层中，沥青混凝土强度会显著降低，甚至由于沥青剥落而变得松散，在下面层易产生剪切变形。因此，设计良好的下面层沥青混凝土，需具备良好的抗水损害、抗剪切变形等性能。
AC型密级配沥青混合料因为其密实度高、稳定性好，被广泛用于道路的中、下面层，如AC-20Ⅰ型密级配沥青混合料（以下简称AC-20Ⅰ型）就常用于下面层，但现在常用的AC-20Ⅰ型在重车荷载影响下高温稳定性不足。矿料的级配组成是影响沥青混合料高温稳定性的主要因素之一。据国外研究的经典说法，沥青混合料的高温抗车辙能力有60%依赖于矿料级配的嵌挤作用，沥青混合料的黏结性能只有40%的贡献。经过对比研究，济焦高速采用AC-20C粗型密级配沥青混凝土下面层，其原因和作用如下：
（1）沥青混凝土路面的车辙变形、壅包等实际上是一种混合料各种成分位置发生变化的过程。4.75mm以上碎石的含量对集料内摩擦角和混合料的抗永久变形能力有显著的影响。碎石含量越多，内摩擦角及抗永久变形能力越高。因此，适当地提高混合料中粗集料的用量（不一定是最粗的部分），对改善混合料的高温稳定性有利。沥青混合料中的粗集料相互靠拢，就是级配由密实悬浮的结构趋向于密实嵌挤的结构方向，从而可明显提高承受车辆荷载的能力，减小或减轻车辙的产生。总之，AC-20C粗型密级配沥青混凝土比AC-20Ⅰ型密级配沥青混合料有较好的抗车辙能力。
（2）空隙率的大小也对沥青路面的耐久性有较大的影响。济焦高速采用空隙率为5.1%的AC-20C粗型密级配沥青混凝土。因为空隙率较小时，沥青混合料本身较密实，为悬浮式结构，强度以沥青黏结力为主，骨料之间未形成骨架，结果表现为沥青混合料动稳定度降低，而且当空隙率小于4%时，这种作用会更加显著。济焦高速采用空隙率为5.1%的AC-20C粗型密级配沥青混凝土，此时，集料颗粒相应增多，从而使粗集料相互嵌挤，摩阻力也较大，且不易被压实，在车辆荷载作用下不会产生较大竖向压密变形，防止沥青混合料失稳而产生车辙。
（3）济焦高速主线的AC-20C型下面层厚度为6cm，其厚度与集料公称最大粒径的比值为3。研究表明，当面层结构层厚度与集料最大粒径比值 S 为1.5时，由于沥青结构层厚度太小，石料在混合料碾压过程中被压碎且支撑而造成毛体积密度较小，空隙率较大，且稍大一点的石料大多有压碎的裂缝，沥青混合料出现过压现象；当 S 为3.0时，由于压实功不足同样造成混合料的毛体积密度下降、空隙率增大。
随着比值 S 的增大，衡量混合料水稳性、高、低温稳定性等路用性能的指标，如冻融劈裂强度比、车辙试验 DS 值、最大弯拉应变基本上都是先增大后减小，弯拉劲度模量先减小后增大，且同在 S 为2.5时出现最大值。说明面层结构层厚度与混合料最大粒径的匹配关系影响了其压实性能，也进一步影响了其路用性能，当比值 S 为2.5时，亦即当面层结构层厚度与混合料集料公称最大粒径比值接近3.0时，沥青混合料各种路用性能都达到了最佳。
1.沥青碎石联结层设置的原因
半刚性基层沥青路面具有强度高、平整度好等优点，因而成为高等级沥青路面的主要路面结构型式，然而通车运行后，半刚性基层沥青路面裂缝较严重的缺陷就日益暴露，不论是北方冰冻区还是南方非冰冻区都如此。裂缝在很大程度上影响了高等级路面功能的发挥，因而解决半刚性基层沥青路面裂缝已成为重要的研究课题。
设置ATB联结层可以改善半刚性基层顶面的积水状况。沥青路面的水损害已经成为我国沥青路面的主要病害之一，也是导致我国高速公路沥青路面早期损坏的主要原因之一。沥青路面的水损害，一方面是水侵入沥青面层内部后，在水和荷载的共同作用下使沥青与石料剥落；另一方面，自由水可能进入沥青面层，并滞留在面层与基层的交界面上。由于半刚性基层不透水且抗冲刷能力不足时，当高速车辆通过，轮下的压力会将轮下结构层中的水压挤，而同时车轮驶离时又产生相当大的抽吸力，这两种力的瞬时先后作用能将滞留在基层顶面的浆水挤出表面，造成对半刚性基层的冲刷，被掏空后形成坑槽。
虽然沥青稳定碎石具有较高的模量，而且在低温条件下，半刚性基层的裂缝尖端的集中应力仍会使其开裂进而引起沥青上面层的开裂，反射裂缝亦不能完全避免。但沥青稳定碎石联结层沥青路面在防止反射裂缝方面仍具有以下优势：
（1）沥青稳定碎石联结层设置在面层与半刚性基层之间，能够吸收和削减半刚性基层尖端应力和应变，减少和延缓反射裂缝的发生。
（2）沥青稳定碎石的隔离作用，大大改善了半刚性基层的温度、湿度状况，极大地减小了半刚性基层遭受的温度变化、温度梯度及湿度变化，从而从根本上大大消除和减轻了半刚性基层的温缩和干缩，减少了反射裂缝。
（3）设置有沥青稳定碎石联结层的沥青路面，相当于增加了沥青层的总厚度，抗裂总能力增加。
（4）提高了与其下面的半刚性基层的摩擦力，增强了路面的抗裂性。
2.沥青碎石联结层抗裂性分析
（1）沥青碎石主要抑止作用。采用具有一定厚度和严格级配要求的沥青碎石作为联结层，而半刚性材料作为下卧基层，则这种上柔下刚式“组合结构层”一方面在很大程度上能够防止和减少半刚性基层反射裂缝。因此，这种结构既发挥了半刚性基层沥青路面高强度的优点，又在很大程度上克服了半刚性基层路面的缺点，具体表现如下：
1）沥青碎石吸收和消减了半刚性基层裂缝尖端应力和应变，减少和延缓了反射裂缝的产生。国内外不少地区使用厚度为10~15cm的沥青碎石上基层，在防止和减少半刚性路面反射裂缝方面取得良好效果。
2）沥青碎石联结层进一步改善了其下半刚性基层可能遭受的不利水温状况，大大减小了半刚性基层的温度、湿度变化及由此产生的温缩、干缩应力，在很大程度上消除了半刚性基层的固有裂缝。
（2）沥青碎石对联结层缓解层防裂的基本原理。沥青碎石裂缝缓解层能够有效防止和减缓半刚性基层反射裂缝的原因主要有以下3点。
1）沥青碎石混合料中大粒径矿料多、沥青含量少、空隙率大，这种多空隙结构可有效地阻断裂缝尖端的扩展路径，削弱拉应力、拉应变的传递能力，并且能消散、吸收由交通荷载及环境温度变化所产生的荷载应力和温度应力。此外，大粒径沥青碎石混合料收缩系数较小，其大粒径、多空隙结构具有较大的塑性变形能力，可充分吸收接缝释放的应变能，减小接缝处加铺层的应力集中现象，从而延缓反射裂缝向上扩展的速度。
2）温度应力是引起沥青路面反射裂缝的主要原因之一，由于沥青碎石裂缝缓解层的厚度一般为8~12cm，该结构的隔离作用大大改善了路面的温度状况，减少了降温及温度梯度对路面的影响程度，因而可使沥青加铺层在温度作用下的受力状况得以改善。
3）交通荷载是引起沥青面层反射裂缝的另一个主要因素，设置沥青碎石裂缝缓解层后，路面结构的整体强度有所提高，可有效地减小沥青路面的荷载应力，延缓沥青加铺层荷载型反射裂缝的产生与扩展速度。
综合分析，沥青碎石联结层混合料属于散体结构，不传递拉应力和拉应变，且沥青碎石联结层本身总处于三向受压的受力状态，这种受力特点使其能够充分吸收下层裂纹释放的应变能，从而达到防裂效果。在半刚性基层和沥青面层之间加入柔性基层时，沥青碎石联结层的隔离作用大大改善了半刚性下卧层的温度、湿度状况，减小了半刚性基层的温度变化、温度梯度和湿度变化，从而减轻了半刚性基层的温缩和干缩现象。
3.ATB联结层对路面车辙性能的影响分析
不同的路面结构组合和材料组成，车辙的产生和发展程度不同。对于半刚性基层，沥青路面的抗车辙能力主要取决于沥青混合料的高温变形性能。在半刚性基层路面中，沥青面层的车辙量大概占路面总车辙的90%以上。半刚性基层可以认为没有黏性变形，半刚性基层路面车辙主要产生于沥青混凝土路面；而对于柔性基层，沥青路面的抗车辙性能不但与沥青混合料密切相关而且还与整个柔性基层的抗变形能力有很大关系。基层的沥青混合料具有黏弹性特性，高温时在荷载的重复作用下，会产生不可恢复的黏性变形，路面基层和面层均可能导致柔性路面的车辙产生。通常认为，在相同的条件下柔性基层与半刚性基层相比产生车辙的概率大些。
沥青路面的车辙来源于路基、基层和面层的永久变形。永久应变同荷载、材料特性之间的统计关系如下：
以上式中 ε p 1 、 ε p 2 ——路基、基层的永久变形；
ε e 1 、 ε e 2 ——路基、基层的回弹应变；
c 、 m ——路基材料特性参数；
a 、 b ——基层材料特性参数；
N ——标准荷载重复作用次数。
随着施工技术的提高及施工质量管理的完善，路基含水量及压实度得到了有效的控制。加之半刚性基层沥青路面的广泛应用，使得由路基基层产生的永久变形占路面永久变形及车辙的比例越来越小，而沥青面层永久变形的比例越来越高。大量的试验路观测及理论分析表明，以半刚性材料为基层的路面，面层的车辙占总车辙的90%以上；如果在旧路上修铺路面，则面层的车辙占98%以上。
很显然，沥青层厚度是影响车辙的重要因素。但究竟如何影响，国内外有一些不同的看法。一种看法认为，厚度越大，车辙越严重。也有人认为，在我国目前的沥青层厚度情况下，厚度大的车辙不一定严重，厚度过薄可能变形更大。
交通部公路所通过加速加载试验（ALF），分别针对15cm、9cm、6cm、4.5cm 4种不同厚度的沥青面层进行试验，得出以下主要结论：
（1）沥青面层的厚度不同，车辙产生和发展规律也不同，沥青面层越厚，车辙发展越快。
（2）轴载不同，相同沥青面层厚度的车辙在加载初期基本相同，到加载后期，大轴载比小轴载产生的车辙要大。
（3）各段车辙发展陡呈阶梯状，说明沥青面层在荷载作用下，其变形处在加速-稳定加速的过程，随着加载次数的增加，其稳定阶段越短。
然而，根据《壳牌沥青设计手册》提出的车辙预估公式
可以看出，一般来说，车辙量与沥青层厚度
h
成正比。但是车辙量Δ
h
并不简单地随沥青层厚度
h
增加而增加，因为Δ
h
是
h
的函数，且随
h
的增加而减小。
因此，车辙与厚度的关系，在其他条件不变时，在大于某一临界厚度时，是增函数，在低于此临界厚度时，是减函数。此临界厚度与路面结构、材料组成有关，一般在15~25cm之间。