材料物化特性的變異對(duì)瀝青路面的影響及病害防治

郭鵬勇

（山西省公路局晉中分局，山西 和順 032700）

由于自然和人為作用的長(zhǎng)期影響，瀝青路面各種材料組成的物化特性必然會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，由此引起的各種各樣的路面病害往往難以避免。分析這些病害產(chǎn)生的原因，選擇先進(jìn)、合理和高效的預(yù)防措施和處置工藝，對(duì)于保持道路的完好及服務(wù)功能，降低行車安全隱患具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 瀝青路面是高等級(jí)道路的主要路面結(jié)構(gòu)形式

目前國(guó)內(nèi)外建成通車的高等級(jí)道路主要采用瀝青路面，基于瀝青路面的基本特性，特別是其良好的平整度使得行車平穩(wěn)，自然形成的抗滑構(gòu)造能夠長(zhǎng)期保持，剛?cè)岵?jì)的力學(xué)特性能夠吸收大部分行車對(duì)路面的沖擊荷載而使乘坐舒適，特別是瀝青路面舊材料能夠容易地進(jìn)行再生利用，這對(duì)于節(jié)約能源及環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

2 從瀝青路面的物化性能入手分析路面病害產(chǎn)生的基本原因

眾所周知，瀝青路面的材料組成主要是作為路面骨架的級(jí)配礦料、作為黏結(jié)劑的瀝青（路用瀝青主要是石油瀝青，煤瀝青由于自身路用特性較差，同時(shí)難以進(jìn)行改性和乳化而使用較少）及少量的其他添加劑經(jīng)烘干拌合后攤鋪壓實(shí)而形成符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的瀝青路面。

路用瀝青是天然石油在煉制過程中抽取各種輕質(zhì)油分（包括汽油、煤油、柴油和重油等）后的重質(zhì)材料。雖然是石油煉制的終端產(chǎn)品，但其仍然是一種含有瀝青質(zhì)、樹質(zhì)和油分的多種化學(xué)成分的混合物，仍然呈現(xiàn)較為典型的高分子有機(jī)物質(zhì)的基本特性[1]。

有鑒于此，瀝青路面在長(zhǎng)期的車輛荷載及風(fēng)沙雨雪及高低溫差（以筆者所在的山西晉中和順地區(qū)為例，冬夏極限高低溫差大于等于60℃）的作用之下，產(chǎn)生各種以材料松散、縱橫裂紋、搓板車轍等為代表的路面病害。而某些煤、鐵礦物產(chǎn)區(qū)的運(yùn)輸?shù)缆方?jīng)常見到的車輛超載現(xiàn)象更加重了這些路面病害的產(chǎn)生速率。顯然，瀝青路面病害的產(chǎn)生原因多種多樣，可以從其病害產(chǎn)生原因入手分析瀝青路面路用性能要求的重要性。

a）路面病害的產(chǎn)生往往來源于瀝青的老化。依照正常的油石比指標(biāo)，混合料中的瀝青一般占4.5%～6.5%（W/W），雖然占有比例較小，但起著重要的黏結(jié)作用。瀝青是一種較為典型的高分子有機(jī)物質(zhì)，其物化特性是具有較大的單位熱容量，而導(dǎo)熱性能較差。瀝青的老化一般來源于兩個(gè)方面，首先是其與級(jí)配礦料拌合前，必須加熱至使用溫度（160℃±5℃，以SBS為主要改性劑制作的改性瀝青應(yīng)在此基礎(chǔ)上提高5℃～10℃）。眾所周知，較高的加熱溫度能夠提高瀝青的加熱速率，但瀝青的閃點(diǎn)不高，僅為210℃～220℃。因此，加熱溫度過高極易使瀝青出現(xiàn)老化而使其路用特性變劣。有鑒于此，傳統(tǒng)的可見光明火直接加熱（目前很多修建標(biāo)準(zhǔn)較低的國(guó)道和縣鄉(xiāng)道路的養(yǎng)護(hù)及改造工程較為普遍）由于加熱溫度過高（大于等于1 100℃）顯然不可取，瀝青的加熱應(yīng)以導(dǎo)熱油、熱風(fēng)等間接加熱為宜[2]。隨著道路工程技術(shù)的不斷進(jìn)步，筆者認(rèn)為采用微波和遠(yuǎn)紅外技術(shù)為瀝青的加熱方式會(huì)更為理想并有待實(shí)現(xiàn)。另外，在長(zhǎng)期的自然環(huán)境影響下，瀝青的老化程度也會(huì)逐步提高。表1是筆者參與的山西晉中S318國(guó)道一級(jí)路晉中和順路段日常養(yǎng)護(hù)工程中，對(duì)瀝青路面中的瀝青進(jìn)行的路用3項(xiàng)指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)隨道路通車年限的延長(zhǎng)產(chǎn)生的變化趨勢(shì)。

表1 瀝青路用指標(biāo)隨通車年限的變化趨勢(shì)

由表1能夠看出，瀝青的老化主要反映在其針入度和延度的下降及軟化點(diǎn)的提高，而道路使用年限的提升與瀝青的老化程度成正比。因此，瀝青路面舊材料再生利用時(shí)必須參考這些數(shù)據(jù)進(jìn)行路用3項(xiàng)指標(biāo)的調(diào)整和恢復(fù)，以保證新鋪瀝青路面的技術(shù)性能。

b）瀝青路面油石配比的變化。瀝青路面的油石配比與路面的整體強(qiáng)度息息相關(guān)。因此，路面病害的產(chǎn)生往往與路面油石配比的變化有直接的關(guān)系。瀝青的老化使路面產(chǎn)生并分離出一些碳化粉末，降低瀝青的黏結(jié)作用，使混合料產(chǎn)生物料的松散，這是很多路面病害的起因之一。為了保證路面的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，混合料中合理的油石配比十分重要。同時(shí)，要特別注意礦料級(jí)配的設(shè)計(jì)合理性，以便保證瀝青混合料的黏結(jié)密實(shí)（壓實(shí)密實(shí)度）指標(biāo)。當(dāng)然，要實(shí)現(xiàn)這一性能指標(biāo)，在路面碾壓時(shí)，保證足夠的碾壓作用力、壓實(shí)遍數(shù)、合適的初壓溫度等技術(shù)指標(biāo)是達(dá)到路面壓實(shí)密實(shí)度指標(biāo)（大于等于96%）的基本條件。

c）路面產(chǎn)生的推擁、車轍及沉陷等病害與路面的強(qiáng)度有關(guān)，但油石配比欠佳也是重要原因。實(shí)體工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，較高的路面整體強(qiáng)度是抵御路面病害的重要因素，但路面強(qiáng)度與很多因素有關(guān)，特別是瀝青的自身質(zhì)量、混合料的制作工藝、材料配比的合理性及施工質(zhì)量都是必須保證的前提因素。但油石配比的合理性也很重要，合理的油石配比指標(biāo)應(yīng)根據(jù)工程所用瀝青自身的標(biāo)號(hào)、物化特性、礦料的和易性及粒徑級(jí)配等指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在試驗(yàn)路段進(jìn)行必要的驗(yàn)證后才能作為道路施工的依據(jù)。

經(jīng)過長(zhǎng)期車輛荷載的碾壓，路面的礦料級(jí)配出現(xiàn)一定的變化難以避免。筆者曾在晉中某高速公路路段進(jìn)行長(zhǎng)期的實(shí)地檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)路面病害的材料中礦料的級(jí)配變化隨通車年限、車輛的碾壓強(qiáng)度和碾壓頻率（即車流量）成正比。表2是太舊高速壽陽某路段大修時(shí)對(duì)舊路面挖切后，對(duì)舊料中的礦料進(jìn)行篩分后形成的粒徑數(shù)據(jù)。為了保證檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，舊混合料的采集是采用機(jī)械鎬挖（液壓鎬或風(fēng)鎬）完成的（銑刨機(jī)挖切會(huì)因其較小的進(jìn)刀量而嚴(yán)重影響材料的粒徑數(shù)據(jù)）。

表2 舊路面礦料粒徑級(jí)配與原設(shè)計(jì)級(jí)配的數(shù)據(jù)對(duì)比

由檢測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，瀝青路面舊材料中的礦料級(jí)配與原設(shè)計(jì)級(jí)配的變異是比較明顯的，特別是細(xì)級(jí)料所占比例顯著增加。礦料級(jí)配的變化直接影響和降低了道路的抗壓強(qiáng)度，是路面病害產(chǎn)生的主因之一。為了保證道路的整體強(qiáng)度，遏制路面病害，特別是早期病害的產(chǎn)生數(shù)量，除了嚴(yán)格監(jiān)控車輛的貨物超載外，在道路的上面層采用以花崗巖、玄武巖和閃長(zhǎng)巖等為代表的高硬礦料是較好的可行方案。如山西省交通科學(xué)研究院完成的208國(guó)道（太長(zhǎng)二級(jí)路）的碾壓混凝土路面注（Roller Compacted Concrete Pavement）試驗(yàn)路段采用閃長(zhǎng)巖作為面層抗滑材料，在長(zhǎng)期通車使用10年后的路面檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)其路面礦料的級(jí)配基本保持了原設(shè)計(jì)指標(biāo)，能夠保持良好的抗滑特性。雖然鋪筑時(shí)的混合料增加了一定的工程成本（高硬礦料的采購(gòu)價(jià)格是普通石料的2倍以上），但與保證道路的使用壽命、減少路面病害及交通安全性能的有效提高等相較是完全可行的技術(shù)方案。特別是高硬抗滑石料僅僅用于上面層，在整個(gè)路面面層中僅占整體材料的不足15%，因此對(duì)整個(gè)道路的修建成本影響不大。

d）路面攤鋪時(shí)初壓溫度的影響。道路面層的壓實(shí)密實(shí)度指標(biāo)是反映道路整體強(qiáng)度的重要指標(biāo)。但保證壓實(shí)密實(shí)度不僅取決于碾壓設(shè)備的壓實(shí)強(qiáng)度，路面攤鋪時(shí)的初壓溫度亦是重要前提。一般講，以普通瀝青為黏結(jié)劑的瀝青混合料由攤鋪機(jī)攤鋪完成后，緊接著開始的初次碾壓時(shí)的路面溫度以135℃±5℃為宜，若是以改性瀝青（以SBS、PE等為改性劑[3]）制作的混合料，則應(yīng)以140℃±5℃的初壓溫度為好。

3 瀝青混合料在拌合、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和攤鋪過程中應(yīng)注意的問題

雖然瀝青混合料各材料組成的熱容量較大且絕熱性較佳[4]，但瀝青混合料在拌合、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和攤鋪過程中必然要散失一些熱量且難以進(jìn)行熱量的補(bǔ)充。要在這個(gè)過程中有效控制熱量的散失，保證合適的初壓溫度，下述工藝過程應(yīng)予特別注意：

a）材料基地瀝青拌合機(jī)的產(chǎn)能應(yīng)與路上作業(yè)的攤鋪機(jī)所需混合料數(shù)量相匹配。

b）材料基地的位置選擇應(yīng)盡可能居于施工路段的中部，以盡可能縮短混合料的轉(zhuǎn)運(yùn)距離。

c）混合料轉(zhuǎn)運(yùn)車輛的單車額定載量不應(yīng)低于15 t且應(yīng)具備較好的保溫措施。

d）轉(zhuǎn)運(yùn)車輛的總體運(yùn)能應(yīng)略高于攤鋪機(jī)的作業(yè)能力，以攤鋪機(jī)作業(yè)能力的1.15倍為好。

e）攤鋪過后，壓路機(jī)應(yīng)緊跟施壓，且壓路機(jī)數(shù)量必須滿足路寬及壓實(shí)力的要求。

f）為了盡可能減少材料攤鋪過程中混合料的材料離析，攤鋪機(jī)的布料器（攪龍）應(yīng)選擇可變螺距結(jié)構(gòu)，最大攤鋪寬度以不超過8 000 mm為好，大于此寬的攤鋪?zhàn)鳂I(yè)應(yīng)以多機(jī)協(xié)作完成為宜。

4 結(jié)語

瀝青路面病害的產(chǎn)生和處置是一項(xiàng)涉及多工序多學(xué)科的系統(tǒng)工程，本文僅是根據(jù)長(zhǎng)期從事道路養(yǎng)護(hù)工程的一些體會(huì)和總結(jié)。隨著我國(guó)改革開放和建設(shè)事業(yè)的進(jìn)一步深入，特別是新世紀(jì)以來，隨著道路等級(jí)的不斷提升，路面承載能力及使用壽命也不斷提高，也必然會(huì)賦予道路養(yǎng)護(hù)許多新的技術(shù)含義并研究、開發(fā)相應(yīng)的新工藝、新材料和新型筑養(yǎng)路設(shè)備以滿足工程的需要。