高原寒冷氣候?qū)r青路面病害模式的影響分析及處治對策研究

朱 磊，李 強，陳 寧

(1.江蘇省交通科學(xué)研究院股份有限公司，江蘇南京 211112;2.新型道路材料國家工程實驗室，江蘇南京 211112)

1 概述

高原寒冷氣候?qū)r青路面病害模式的影響首先表現(xiàn)為瀝青路面耐久性明顯降低，最直觀的表現(xiàn)為瀝青路面早期損壞現(xiàn)象嚴重［1～3］。對于高原地區(qū)，無論是新建工程還是改建工程均面臨嚴重的早期損壞問題，很多路段在建成通車后還未完成交工驗收就開始出現(xiàn)瀝青路面早期損壞，甚至有些路段未能進行竣工驗收就轉(zhuǎn)而投入病害整治。

青藏高原是世界上最高的高原，有“世界屋脊”和“第三紀”之稱，屬典型的高原大陸性氣候，具有:平均氣溫低、晝夜溫差大、太陽輻射強、降水量少、雨熱同期，且地域差異大等特點，復(fù)雜的氣候環(huán)境對于瀝青路面整體使用性能的要求較為嚴苛，并形成了有別于其他地區(qū)的病害模式。青海省地處青藏高原東北部，全省均屬高原范圍之內(nèi)，按氣候環(huán)境和地形特征可分為祁連山地、柴達木盆地和青南高原三個自然區(qū)域［4～6］，文章以青海省不同區(qū)域瀝青路面的病害調(diào)研為基礎(chǔ)，開展高原寒冷氣候與瀝青路面病害的相關(guān)性分析，在此基礎(chǔ)上進一步總結(jié)相應(yīng)的病害整治對策。

2 高原氣候與瀝青路面病害模式相關(guān)性分析

2.1 高原氣候特征分析

青藏高原整體屬于高原大陸性氣候，其氣候特征除了寒冷、日溫差大、紫外線輻射強等特點之外，更為明顯的是高原氣候的地域性差異較大。青藏高原作為中國最大、世界海拔最高的高原，地域遼闊(占中國國土面積的1/4)，地形復(fù)雜，地貌多樣。由于其地形的復(fù)雜和多變，青藏高原氣候特征也呈現(xiàn)為較為明顯的地域差異性。為了更好地說明青藏高原氣候特征的地域差異性，表1以青海省為例，列舉了省內(nèi)三大地區(qū)的氣候特征。

表1 青海省三大地區(qū)氣候統(tǒng)計數(shù)據(jù)

從表1青海省三大地區(qū)氣候統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，青海省內(nèi)各地區(qū)之間的氣候差異比較明顯。祁連山地氣候相對溫潤(平均氣溫零度以上，降水量及蒸發(fā)量適中);柴達木盆地較為寒冷、空氣干燥(年降水量較小，蒸發(fā)量較大);青南高原氣候變化急劇(冬季寒冷多風雪，夏秋季節(jié)雖短卻多暴雨冰雹)。

2.2 高原地區(qū)瀝青路面病害類型與特征分析

瀝青路面“早期損壞”曾是我國的公路建設(shè)一直以來的困擾，尤其是高原地區(qū)，由于其獨特的氣候環(huán)境及地質(zhì)、地形條件，瀝青路面在建成后不久就面臨巨大的養(yǎng)護維修壓力，遠遠達不到設(shè)計的使用壽命［7，8］。

目前青海省的公路瀝青路面中仍存在較多的早期損壞。雖然有不少早期修建的公路運營多年仍保持較好的路況，但近年來很多路段出現(xiàn)了不同程度的早期損壞［9，10］。文章通過對省內(nèi)主要的國省道干線公路的實地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，所調(diào)研的國省道干線公路都不同程度出現(xiàn)了早期損壞，大部分路段都是在建成通車后的2a時間內(nèi)出現(xiàn)較為嚴重的早期損壞，調(diào)研結(jié)果見表2。

表2 主要調(diào)研公路早期損壞時間和類型

為了直觀分析青海省各地區(qū)瀝青路面路面典型病害情況及病害的嚴重程度，參照《公路技術(shù)狀況評定標準》，將實地調(diào)研的病害統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行了路面病害折算面積率指標對路面破損狀況的評價。

2.2.1 祁連山地

1)病害類型。

由圖1可知，翻漿(圖2)是祁連山地瀝青路面的主要病害類型。

圖1 祁連山地瀝青路面病害折算面積統(tǒng)計

圖2 瀝青路面翻漿

2)病害特征分析。①病害范圍及程度。

有些是全幅路面，程度較為嚴重;有些則是半幅路面或是路面邊線局部范圍，但程度較為嚴重;有些則是局部范圍內(nèi)的輕微翻漿。

②病害位置。

主要發(fā)生在不良地質(zhì)段、高填方路段、爬坡路段、邊溝損壞導(dǎo)致路基路面排水不良等路段。

③病害原因。

不良的地質(zhì)條件及惡劣的氣候環(huán)境，病害路段多集中在多年凍土區(qū)及高原草旬區(qū)，路基處于沼澤或凍脹草丘路段，路基含水量高、路床底下存在軟弱地基，易受凍脹破壞;筑路原材料較差，路基填料所用天然砂礫大多由沿線河谷采挖，含水量整體偏大，同時施工過程中雨熱同期，回填碾壓過程中降雨頻繁，導(dǎo)致路基整體含水量偏大;施工控制不嚴，主要表現(xiàn)為面層壓實度不足，路表水下滲，浸泡基層和路基，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層強度降低。

2.2.2 柴達木盆地

1)病害類型。

由圖3可知，橫向裂縫是柴達木盆地瀝青路面的主要病害類型(圖4)。

2)病害特征分析。①病害范圍及程度。病害嚴重路段，橫向裂縫較為密集，平均5～10mm/條。

圖3 柴達木盆地瀝青路面病害折算面積統(tǒng)計

圖4 瀝青路面橫向裂縫

②病害位置。

病害嚴重路段，橫向裂縫已貫穿全幅路面;病害相對較輕路段，橫向裂縫僅出現(xiàn)在半幅路面或半幅路面的局部區(qū)域。

③病害原因。

現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果表明，橫向裂縫基本分為溫縮裂縫和反射裂縫。

低溫收縮裂縫是由于單一的低溫(負溫)作用造成的溫度收縮而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力(或應(yīng)變)超過瀝青混凝土的抗拉應(yīng)力(或應(yīng)變)時的開裂。溫縮裂縫主要是橫向裂縫，有貫通全幅路面的;有從路面邊緣開始的不貫通裂縫，這類裂縫通常是靠邊緣處縫的寬度大，向路面中心延伸逐漸變窄，直至裂縫消失;還有少數(shù)僅在路面中間部分的裂縫。這些橫向溫縮裂縫表現(xiàn)為與交通方向垂直，縫上端開口寬，沿深度方向很快變窄，裂縫規(guī)則，且無支縫，裂縫間距比較均勻。瀝青面層處在低溫時，強度雖然增大，但其變形能力卻因剛性增大而降低，因此，這類裂縫的產(chǎn)生與柴達木盆地嚴苛的氣候條件關(guān)系密切。

調(diào)研路段全部是半剛性基層瀝青路面，由于半剛性基層材料本身的溫縮特性和干縮特性，半剛性基層會不可避免的產(chǎn)生干縮裂縫和溫縮裂縫，在路面交通荷載重復(fù)作用下，半剛性基層的這種干縮裂縫和溫縮裂縫會擴展到瀝青面層而形成反射裂縫。

2.2.3 青南高原

1)病害類型。

由圖5可知，網(wǎng)裂是青南高原瀝青路面的主要病害類型(圖6)。

圖5 青南高原瀝青路面病害折算面積統(tǒng)計

圖6 瀝青路面網(wǎng)裂

2)病害特征分析。

①病害范圍及程度。

調(diào)研路段均存在不同程度的瀝青路面網(wǎng)裂，有些網(wǎng)裂嚴重程度已遍及路面全幅，并伴有唧泥、坑槽等病害。

②病害位置。

主要集中在行車輪跡帶。

③病害原因。

基層結(jié)構(gòu)強度、面層施工質(zhì)量以及瀝青老化都是導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)網(wǎng)裂病害的因素。值得一提的是，高原地區(qū)瀝青路面瀝青老化是一個容易被忽略但對于瀝青路面耐久性又不得不重視的問題。為了深入分析高原氣候?qū)r青路面耐久性的影響，文章結(jié)合實地調(diào)研現(xiàn)場取芯，對芯樣回收瀝青進行室內(nèi)檢測，結(jié)果如表3所示。

由表3試驗數(shù)據(jù)可知，芯樣瀝青混合料回收瀝青的針入度、延度指標值均低于規(guī)范要求值，而軟化點和60℃動力粘度則高于規(guī)范要求的界限值，說明取芯位置瀝青面層混合料中的瀝青在長期的紫外線、環(huán)境溫度等自然因素的綜合作用下出現(xiàn)嚴重的老化。

表3 瀝青面層芯樣回收瀝青性能狀況

3 高寒地區(qū)瀝青路面病害處治對策研究

3.1 深化基礎(chǔ)資料調(diào)研

瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計或病害處治是否合理，首先要結(jié)合特定的使用環(huán)境，包括氣候環(huán)境、地質(zhì)條件、交通量等綜合因素，同時還應(yīng)加強原瀝青路面使用現(xiàn)狀及病害模式分析，針對特定的使用環(huán)境及瀝青路面病害模式綜合制定出切實可行的處治方案。

3.2 嚴格原材料準入控制

瀝青路面的施工和使用質(zhì)量與原材料的性質(zhì)有著密切的關(guān)系。集料強度、顆粒形狀、表面紋理、化學(xué)性質(zhì)和集料的吸水率以及瀝青標號、技術(shù)指標等都直接影響著瀝青路面的使用性能。優(yōu)質(zhì)的原材料是保證瀝青路面施工質(zhì)量和使用性能的前提，必須嚴格控制原材料的準入。

3.3 完善設(shè)計優(yōu)化

包括結(jié)構(gòu)層混合料的級配優(yōu)化和路面結(jié)構(gòu)層組合的優(yōu)化設(shè)計。

通過對不同結(jié)構(gòu)層材料使用現(xiàn)狀的調(diào)研，總結(jié)分析其適用性，在此基礎(chǔ)上進行級配設(shè)計優(yōu)化，如在進行瀝青混合料配合比設(shè)計時，針對目標工程的綜合使用環(huán)境，進行瀝青混合料使用性能的權(quán)衡，分析其使用性能是側(cè)重于高溫性能、低溫性能還是抗水損壞性能，以選出合理級配和最佳用油量。

瀝青路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計必須從瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計理念入手，明確瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的理念，使得瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計指標與破壞模式進行必要的聯(lián)系。

3.4 強化施工過程控制

瀝青路面施工是一項復(fù)雜的、系統(tǒng)化的工作。瀝青路面出現(xiàn)早期損壞，在很大程度上，與路面施工的精細化、規(guī)范化不足有關(guān)，導(dǎo)致路面質(zhì)量的變異性較大。因此，有必要針對性地提出施工工藝各環(huán)節(jié)的改進方法和質(zhì)量控制要點，如原材料的管理、拌和廠生產(chǎn)與控制、混合料的運輸、攤鋪和碾壓等。

4 總結(jié)

結(jié)合高寒地區(qū)氣候特征分析和瀝青路面現(xiàn)場調(diào)研，系統(tǒng)分析了高原寒冷氣候?qū)r青路面病害模式的影響，在此基礎(chǔ)上提出了高寒地區(qū)瀝青路面病害處治對策，主要研究結(jié)論如下:

1)高原寒冷氣候?qū)r青路面使用性能產(chǎn)生直接的影響作用，并且這種影響作用具有明顯的地域特征，不同地區(qū)的瀝青路面病害模式具有其獨特性。

2)解決高寒地區(qū)瀝青路面早期損壞的關(guān)鍵在于對瀝青路面病害模式的把握，并在此技術(shù)上提出適宜的處治對策。

3)瀝青老化是高寒地區(qū)瀝青路面必須重視的因素，建議在瀝青選材時，綜合考慮高寒地區(qū)復(fù)雜的氣候特征，有針對性地優(yōu)先考慮改性瀝青。

4)高寒地區(qū)瀝青路面修筑及病害處治過程中，應(yīng)充分考慮高原氣候條件對瀝青路面使用性能的影響，并加強在設(shè)計、原材料選用以及施工過程中的優(yōu)化控制。

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