瀝青混凝土路面低溫性能研究綜述

曹德純，孫天洋，沈懷有，封磊，劉俊杰，周悅婷

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

我國北方地區(qū)接近冬季風(fēng)源地，年溫差大，冬季氣溫低。瀝青混凝土的力學(xué)性能受到低溫影響，伴隨著低溫荷載反復(fù)作用，容易產(chǎn)生裂縫等常見病害，造成施工質(zhì)量問題，減少瀝青路面的使用壽命。低溫條件下的結(jié)構(gòu)層溫度應(yīng)力和抗拉強度是影響瀝青路面工作性能和使用壽命的重要因素。低溫收縮裂縫和溫度疲勞裂縫對瀝青混凝土路面壽命的影響較大。

1 瀝青混凝土力學(xué)性能

1.1 低溫條件下瀝青混凝土抗拉強度

瀝青混凝土抗拉強度是影響瀝青路面使用壽命的一項重要指標(biāo)。對瀝青混凝土低溫抗拉強度的研究有助于我國北方低溫地區(qū)瀝青路面的鋪設(shè)與養(yǎng)護(hù)。

魯艷蕊[1]-30～10℃溫度條件下的瀝青混凝土試件進(jìn)行劈裂抗拉試驗，研究發(fā)現(xiàn)：在瀝青與骨料間溫度應(yīng)力和粘聚力復(fù)合作用條件下，隨著溫度的降低，瀝青混凝土的劈裂抗拉強度先增大后減小，并在-10℃時取得最大值。

Si Wei等[2]在不同溫度條件下，對普通瀝青和改性瀝青做間接拉伸試驗，研究發(fā)現(xiàn)：瀝青混凝土的低溫拉伸性能受到瀝青性質(zhì)與摻量的共同影響。低溫環(huán)境下，SBR改性瀝青較普通瀝青有更好的延性和低溫抗拉強度，且瀝青混凝土的低溫抗拉強度隨著瀝青用量的增大而增大。

曹宇[3]在-10℃溫度條件下研究不同聚酯纖維摻量及不同油石比條件的瀝青混凝土低溫抗拉性能，結(jié)果表明：瀝青混凝土低溫抗拉強度隨著纖維摻量與瀝青用量的增大而呈上升趨勢，并通過極差分析得出，纖維摻量對低溫抗拉強度的影響更加顯著。

瀝青混凝土的抗拉強度受溫度影響較大，用改性瀝青代替普通瀝青可以增大其低溫抗拉強度，此外瀝青的用量越多，摻入的纖維量越大，其低溫拉伸性越好，瀝青路面的耐久性也會提高。而所添加纖維的長度、材質(zhì)及彈性模量等特征性對瀝青混凝土抗拉強度的深入影響仍需進(jìn)一步探討。

1.2 瀝青路面結(jié)構(gòu)層溫度應(yīng)力

在溫度下降過程中，瀝青混凝土在冷縮作用下產(chǎn)生應(yīng)變，具體如式（1）所示。

式中：εx，εy，εz分別為瀝青單元在 x，y，z 方向的溫度應(yīng)變；γxy，γxz，γyz分別為瀝青單元在 xy，xz，yz 面的剪切應(yīng)變；α為瀝青混凝土線收縮系數(shù)；ΔT為溫度變化值。

在結(jié)構(gòu)層多種約束共同作用下，瀝青路面面層底部產(chǎn)生翹曲應(yīng)力。結(jié)合瀝青路面在實際工程中分層鋪筑引起的層間溫度梯度與層間摩擦約束影響，用彈性層狀體系理論分析其結(jié)構(gòu)層溫度應(yīng)力更為合理，具體如式（2）所示。

式中：σx，σy，σz分別為瀝青單元在 x，y，z方向的溫度應(yīng)力；τxy，τxz，τyz分別為瀝青單元在 xy，xz，yz 面的剪切應(yīng)力；μ為瀝青混凝土泊松比。

耿立濤等[4]分別研究了低溫環(huán)境瀝青混凝土的特性隨溫度改變與不變兩種工況條件下，瀝青路面的結(jié)構(gòu)層溫度應(yīng)力與深度的關(guān)系，結(jié)果表明：在相同的時間變化條件下，兩種工況中的溫度應(yīng)力均隨深度的增加而減小，但溫度應(yīng)力大小相差較大，得出受溫度改變的瀝青混凝土對其溫度應(yīng)力影響更為顯著的結(jié)論。

Thanakorn Chompoorat等[5]在不同溫度條件下，對不同時間變化條件下的瀝青混凝土進(jìn)行間接拉伸試驗，研究發(fā)現(xiàn)：瀝青混凝土隨著時間變化受到應(yīng)力松弛與積累的溫度應(yīng)力共同作用；溫度應(yīng)力受時間因素影響較為顯著。

王磊等[6]基于熱傳導(dǎo)理論，在對青藏公路沿線溫度場的研究基礎(chǔ)上建立低溫環(huán)境中瀝青路面縱斷面的二維有限元模型，對線收縮系數(shù)產(chǎn)生的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：瀝青線收縮系數(shù)對瀝青混凝土溫度應(yīng)力的影響主要體現(xiàn)在瀝青與骨料間及不同結(jié)構(gòu)深度處。相同降溫條件下，瀝青與骨料線收縮系數(shù)之差在線收縮系數(shù)降低后變小，瀝青混凝土的溫度應(yīng)力也將會減??；瀝青面層及底層的溫度應(yīng)力變小后，由于面層厚度、底層溫度應(yīng)力滯后，使得

式中：σ為瀝青路面基層結(jié)構(gòu)應(yīng)力；h1為瀝青路面面層厚度；h2為瀝青路面基層厚度；E為基層模量。

瀝青混凝土在持續(xù)低溫下會出現(xiàn)應(yīng)力松弛現(xiàn)象，在現(xiàn)有瀝青路面溫度應(yīng)力模型基礎(chǔ)上引入低溫持續(xù)時間參數(shù)有一定價值。對瀝青混凝土低溫應(yīng)力隨降溫速率與材料性質(zhì)而改變的復(fù)合影響規(guī)律仍需進(jìn)一步研究。在氣溫較低的北方地區(qū)，可通過優(yōu)化骨料級配，增加瀝青混凝土拌合時間以及選用抗拉效果好、溫度敏感性較低、柔度系數(shù)較大的瀝青混凝土來改善瀝青路面層的溫度應(yīng)力所產(chǎn)生的不利影響。

2 瀝青路面病害分析

2.1 低溫收縮裂縫

瀝青混凝土在低溫環(huán)境下發(fā)生低溫收縮應(yīng)變，在基層摩擦與四周約束共同作用下，瀝青混凝土材料的位移量與體積收縮受到約束，并產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，形成低溫收縮裂縫，進(jìn)而發(fā)展形成橫向裂縫，最終加速結(jié)構(gòu)的損壞。因低溫而造成瀝青混凝土收縮產(chǎn)生裂縫的成因在目前有兩種理論：第一種理論由HILLS J F[8]等提出，認(rèn)為隨著溫度不斷降低，瀝青混凝土的應(yīng)力松弛無法消除積累的溫度應(yīng)力，因而在溫度應(yīng)力超過極限抗拉強度時，瀝青混凝土路面就會產(chǎn)生裂縫；第二種由張起森等[9]提出，認(rèn)為溫度降低導(dǎo)致瀝青混凝土路面面層溫度低于底層溫度，從而形成負(fù)溫度梯度并產(chǎn)生溫度翹曲應(yīng)力，致使瀝青混凝土路面由表面向內(nèi)部發(fā)生開裂。

Timm D H等[10]認(rèn)為瀝青路面受低溫環(huán)境影響產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，路面上的橫向收縮裂縫是由于極限拉伸應(yīng)變不及溫度應(yīng)力而產(chǎn)生。徐覓[11]對瀝青路面低溫開裂問題研究發(fā)現(xiàn)，降溫速率低時，瀝青混凝土的應(yīng)力松弛能在一定程度上緩解應(yīng)力集中現(xiàn)象，溫度收縮裂縫就不易產(chǎn)生；降溫速率高時，瀝青混凝土的應(yīng)力松弛能力不能充分發(fā)揮，路面就容易產(chǎn)生溫度收縮裂縫。瀝青路面面層與底層溫度應(yīng)力差值減小。

鄭木蓮等[7]基于瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度場，運用回歸分析法研究發(fā)現(xiàn)，瀝青路面基層溫度應(yīng)力受溫度梯度、面層厚度、基層厚度和基層模量影響，計算公式如式（3）所示。

張起森等[12]基于斷裂力學(xué)理論，通過光彈試驗對瀝青混凝土路面受溫度應(yīng)力影響的開裂狀況進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)，受負(fù)溫度梯度影響而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力是路面開裂的主要原因。楊成忠[13]通過分析低溫應(yīng)力和溫度翹曲應(yīng)力對瀝青路面產(chǎn)生裂縫的影響，發(fā)現(xiàn)非荷載型裂縫產(chǎn)生的主要原因是外界降溫速率較快，直接原因是溫度應(yīng)力超過了瀝青的容許拉應(yīng)力。

龐輝[14]采用材料補償固定框架式凍斷試驗系統(tǒng)，對瀝青混凝土受凍斷裂溫度與瀝青混合料性質(zhì)進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明：瀝青含量對試件受凍斷裂溫度影響較小，瀝青性質(zhì)對試件受凍斷裂溫度影響較大，低溫性能好的改性瀝青鋪設(shè)的瀝青混凝土路面具有更好的低溫性能。郭尚德[15]對纖維瀝青混凝土低溫彎曲性能進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)摻入適量鋼纖維的瀝青混凝土具有更好的低溫抗裂性能。

瀝青路面降溫是指受外界冷氣流的影響，由道路面層向基層傳遞溫度下降的過程。在氣溫緩慢降低條件下，路面降溫速率較慢，瀝青路面內(nèi)部負(fù)溫度梯度較小，溫度收縮裂縫成因主要為瀝青路面累積的低溫溫度應(yīng)力在應(yīng)力松弛作用后仍大于其極限抗拉強度。在驟冷條件下，路面降溫速率較快，瀝青混凝土應(yīng)力松弛較小且路面內(nèi)部負(fù)溫度梯度較大，瀝青混凝土單元同時受低溫溫度應(yīng)力與溫度翹曲應(yīng)力的影響，更易產(chǎn)生溫度裂縫。為改善瀝青混凝土路面的低溫抗裂性能，延長使用壽命，可以選用改性瀝青代替普通瀝青，在瀝青混合料中摻入適量鋼纖維等。

2.2 溫度疲勞裂縫

在溫度反復(fù)升降情況下，瀝青混合料產(chǎn)生溫度收縮應(yīng)力，溫度驟變時，瀝青混合料無法松弛溫度收縮應(yīng)力，持續(xù)增加的溫度應(yīng)力最終導(dǎo)致路面薄弱結(jié)構(gòu)處開裂。

沈金安[16]和田小革等[17]通過低溫低頻疲勞試驗?zāi)M溫度疲勞試驗，通過低頻率荷載的反復(fù)作用來表征瀝青路面溫度疲勞抗裂性能。研究發(fā)現(xiàn)，瀝青混凝土材料的耗散能與疲勞性能之間相關(guān)性較大，均隨循環(huán)次數(shù)的增大而增大。當(dāng)瀝青混凝土低溫柔性提高時，殘余變形增大，耗散能提高，溫度疲勞壽命延長。

Behzad Behnia等[18]采用聲發(fā)射（AE）測試裝置對溫度循環(huán)條件下瀝青混凝土的工作性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明：隨著溫度循環(huán)次數(shù)增加，瀝青混合料應(yīng)力松弛率降低，耗散能塑性應(yīng)變增大，面層出現(xiàn)微裂紋，對瀝青混合料損傷較大。

張偉[19]基于耗散能理論并根據(jù) Miner原理，提出瀝青路面面層變溫循環(huán)損傷公式，如式（4）所示。

式中：D為路面累積疲勞損傷；n為溫度循環(huán)次數(shù)；Wi0為瀝青路面的初始耗散能；Nfi為瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。由于瀝青路面面層耗散能大于路面內(nèi)部耗散能，因此用瀝青路面面層變溫循環(huán)損傷公式來表示瀝青路面整體的變溫循環(huán)損傷是有效的。

瀝青混凝土材料的耗散能對溫度疲勞損傷影響較大，可采用低溫柔性較高的改性瀝青，摻入高彈性模量的短切纖維以及改善瀝青混凝土級配等方式，提升材料初始耗散能，并有效減小混凝土材料的溫度疲勞損傷。

3 結(jié)語

（1）瀝青混凝土的抗拉強度受低溫環(huán)境影響顯著，普通瀝青混凝土在-10℃時取得抗拉強度最大值。采用改性瀝青、增加瀝青用量及摻入纖維等方式，可以增大瀝青混凝土的低溫劈裂抗拉強度。

（2）時間積累，溫度變化與材料特性對瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層的溫度應(yīng)力有較大影響，在低溫條件下，可通過優(yōu)化骨料級配等材料性質(zhì)提高瀝青混凝土路面的耐久性。

（3）溫度應(yīng)力裂縫和溫度疲勞裂縫的產(chǎn)生嚴(yán)重影響瀝青混凝土路面的壽命，采用低溫性能較好的改性瀝青以及摻入高彈性模量纖維能夠有效防治路面溫度裂縫病害。

（4）研究發(fā)現(xiàn)，摻入高彈性模量纖維材料可以有效改善瀝青混凝土路面的壽命，但纖維長度、纖維彈性模量與纖維表面性質(zhì)等因素對低溫條件下瀝青混凝土工作性能影響仍需作進(jìn)一步研究。