基于流變學(xué)分析瀝青路面病害

雷鳴

摘 要：利用流變學(xué)原理對瀝青及瀝青混合料的路用性能進(jìn)行評價，對道路的力學(xué)行為有了更深刻的了解，同時采用流變學(xué)對路面病害（例如車轍、泛油等）機(jī)理進(jìn)行分析，使流變學(xué)原理在路面性能方面發(fā)揮更大的作用。

關(guān)鍵詞：流變學(xué)；力學(xué)行為；路用性能；路面病害

材料流變學(xué)是一門研究材料流動及變形規(guī)律的科學(xué)，是根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變和時間來研究物質(zhì)的流動和變形的構(gòu)成與發(fā)展的一般規(guī)律的科學(xué)。流變學(xué)研究的流體，可分為牛頓型流體和非牛頓型流體，所謂流變性實質(zhì)是固-液兩相同存，是一種粘彈性的表現(xiàn)。瀝青也是一種高分子化合物，具有粘性和彈性，屬于非牛頓型流體，其流變特性與瀝青的針入度、延度、粘度及路面的性能等都有很大的關(guān)系。

瀝青流變性與瀝青的路用性能有直接關(guān)系，在一定的溫度、時間和車輛荷載的作用下，瀝青路面會由于剪應(yīng)力作用而發(fā)生剪切變形，累積到一定程度便會發(fā)生剪切破壞。從流變學(xué)角度講，瀝青的變形與溫度、荷重、時間密切相關(guān)，研究瀝青的流變性就是要研究瀝青的變形量對溫度、荷重和時間敏感性。流變學(xué)已經(jīng)成為評價瀝青性能的有效工具。

1 利用流變學(xué)分析路面損壞機(jī)理

1.1 路面變形

根據(jù)流變學(xué)原理，荷載對路面變形的影響由兩部分構(gòu)成：首先，載荷愈大，瀝青路面的蠕變速率及蠕變量就更大，不可回復(fù)的蠕變量更大，即形成更大的永久變形。其次，載荷應(yīng)力降低了瀝青路面本身抵抗變形的能力，使變形更容易產(chǎn)生或更大?？梢詮囊韵聨讉€方面了解載荷的影響。

1.1 荷載大小

1.1.1 蠕變變形：在載荷應(yīng)力大于瀝青混合料的蠕變變形（極限）強(qiáng)度時，瀝青路面將產(chǎn)生不可回復(fù)的永久變形。瀝青混合料的蠕變強(qiáng)度愈低，載荷應(yīng)力愈大，愈容易形成蠕變變形。

1.1.2 “剪切變稀”和“應(yīng)變軟化”：瀝青粘度將隨荷載應(yīng)力增大而呈指數(shù)關(guān)系降低，因而變形量將隨載荷應(yīng)力增大而呈指數(shù)倍數(shù)關(guān)系增大（倍數(shù)可能從幾倍到幾百倍）。也就是說，載荷增加一倍，因瀝青粘度降低引起的路面變形可能會增加幾十倍。

1.1.3 “滯后耗散能加熱”：瀝青因粘彈性滯后耗散能而產(chǎn)生“滯后加熱”現(xiàn)象，造成溫度升高，粘度降低，變形量增大。滯后產(chǎn)生的熱量與應(yīng)力是平行關(guān)系。也就是說，載荷增加一倍，路面變形會因“滯后加熱”成倍增加。

一般來講，路面的嚴(yán)重車轍變形都是在高溫天氣及重型荷載作用下，瀝青因巨大的“剪切變稀”及“滯后加熱”而落入第二牛頓區(qū)所致。所以，應(yīng)禁止超載行車，尤其是高溫季節(jié)。

1.2 荷載頻率（交通流量）

根據(jù)流變學(xué)原理，行車頻率與荷載一樣，“滯后特性”耗散能將造成瀝青路面溫度升高，因此，路面抵抗變形的能力隨交通量增加而降低。此外，交通量增加也將加速蠕變疲勞，降低路面的壽命。

1.3 荷載時間（行車速度）

行車速度愈慢，蠕變時間則愈長，更容易形成不可回復(fù)的蠕變變形。國外的路面破壞不如我國嚴(yán)重，這可能也是一個不可忽視的原因，因為國外的載重卡車在高速公路上的行車速度和商用轎車差不多。在高速公路上規(guī)定最低行車速度看來也是必要的，一則有利于保護(hù)路面，二則也能降低車輛間的相對速度，有利于行車安全。

因此，根據(jù)流變學(xué)理論，提高瀝青混合料抗變形能力只有通過提高材料學(xué)參數(shù)粘度、模量和蠕變強(qiáng)度來實現(xiàn)。而實現(xiàn)這一思想的材料與工藝技術(shù)手段主要包括：

（1）集料堆砌嵌擠的級配（如SMA等）：增大混合料模量。

（2）瀝青改性（改性或高粘度瀝青等）：增大混合料粘度。

（3）摻加纖維（如木質(zhì)纖維）：增大混合料粘度和蠕變強(qiáng)度。

1.4 路面裂紋

瀝青路面裂紋一般在低溫或氣溫急劇降低時產(chǎn)生，其形成與載荷大小沒什么關(guān)系，這類裂紋稱為溫度應(yīng)力裂紋。另一類是路基裂紋引起的路面反射裂紋，這也是一種載荷應(yīng)力裂紋，只不過這里的載荷不是車輛而是路基，這兩類裂紋都說明，需要提高瀝青混合料的抗裂能力。

在路面裂紋方面，一種辦法是采用了不產(chǎn)生裂紋的柔性路面，或者加鋪應(yīng)力吸收層，這樣雖然可以起到一定的作用，但還是沒有根本解決這一問題，因為柔性路基對溫度收縮裂紋沒有太大作用。另一個辦法是增加面層厚度來延遲反射裂縫的擴(kuò)展，但隨著時間的推移，溫度收縮裂縫還是會發(fā)生。

因此，惟有提高瀝青混合料抗裂能力，“增強(qiáng)”和“增韌”瀝青混合料才能根本上解決裂紋問題。纖維復(fù)合材料法是解決裂紋問題的有效的材料科學(xué)方案。

1.5 車轍問題

車轍（永久變形）是指瀝青路面在重復(fù)輪載作用下產(chǎn)生的累積塑性變形。車轍可能發(fā)生在地基、無結(jié)合料基層或瀝青面層。在美國，車轍主要發(fā)生在瀝青面層，主要是由于瀝青路面在輪載作用下發(fā)生固結(jié)和剪切變形所致。剪切變形一般發(fā)生在距瀝青路面表面100mm以內(nèi)，但如果瀝青混合料的性能較差，車轍也有可能發(fā)展到更深的位置。車轍通常隨輪載作用的增加而增大，典型表現(xiàn)為瀝青路面輪跡處縱向凹陷，有時還伴有向輪跡兩側(cè)隆起的現(xiàn)象。雖然軟弱的下承層也很可能促使車轍的形成，但大量的研究發(fā)現(xiàn)，絕大部分路面車轍還是由于熱拌瀝青混合料面層的永久變形形成的。這除了與瀝青混合料本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與交通量、行車的輪胎壓力和軸載有較大關(guān)系。在評價瀝青結(jié)合料高溫性能方面比較有影響的主要有Superpave規(guī)范中的|G*|/sinδ指標(biāo)、SV指標(biāo)以及利用與瀝青流變學(xué)關(guān)系密切的G*和δ通過試驗和推算產(chǎn)生的新指標(biāo)等。

1.6 泛油問題

瀝青從瀝青混凝土層的內(nèi)部和下部向上移動，使表面有過多瀝青，這種現(xiàn)象稱作泛油，也稱瀝青遷移。瀝青路面泛油是國內(nèi)外瀝青路面的常見問題，特別是重載高速公路改性瀝青路面。國外有人將瀝青路面泛油歸結(jié)于瀝青污染，還有的認(rèn)為是骨料離析、熱拌瀝青時石料含水分或施工機(jī)械的原因；國內(nèi)也有多種看法，如高溫、瀝青用量過大、瀝青混合料空隙率過小及行車壓實綜合作用所致，或者瀝青混合料空隙率過大、高速行車引起的動水壓力和荷載的綜合作用使瀝青面層內(nèi)部的瀝青發(fā)生剝落并向上遷移。從流變學(xué)的角度分析認(rèn)為是瀝青粘彈性本質(zhì)的“爬桿”現(xiàn)象導(dǎo)致瀝青在重載車輛高速剪切作用下從瀝青路面下部遷移到路表面，從而產(chǎn)生泛油。

2 結(jié)束語

通過對瀝青及瀝青混合料流變性的分析，對瀝青及瀝青混合料路用性能進(jìn)行評價。并且從流變學(xué)的角度出發(fā)，對路面的各種病害進(jìn)行了分析，使我們對路面病害有了更深刻的認(rèn)識，從而可以對路面病害提出更好的改善措施。但路面的各種病害機(jī)理影響因素較多，而且深層關(guān)系復(fù)雜，這些更深層次的研究有待進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)

[1]劉立新.瀝青混合料粘彈性力學(xué)及材料學(xué)原理[M].人民交通出版社，2006.

[2]孫立軍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論[M].人民交通出版社，2005.

[3]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M].人民交通出版社，2001.

[4]張肖寧.瀝青及瀝青混合料粘彈力學(xué)原理及應(yīng)用[M].人民交通出版社，2006.

[5]張登良.瀝青與瀝青混合料[M].人民交通出版社，1993.

[6]張登良.瀝青路面[M].人民交通出版社，1998.endprint