公路瀝青路面彎沉與耐久性關系的研究

張凌云

(威海市公路事業(yè)發(fā)展中心，山東 威海 264300)

0 引言

公路瀝青路面由瀝青混合料組成，瀝青混合料為典型的黏彈性材料，溫度升高時表現(xiàn)為黏性，溫度降低時表現(xiàn)為彈性。公路瀝青路面彎沉值是我國瀝青路面承載能力的檢測指標，它代表了在規(guī)定荷載作用下瀝青路面發(fā)生的垂直回彈變形值[1]。公路瀝青路面的耐久性指的是瀝青路面抵抗環(huán)境變化與車輛荷載的能力，表現(xiàn)為瀝青路面保持原有性能的能力，包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性以及疲勞強度等等[2]。我國公路與國外公路對比而言，早期損害、服務使用年限短的問題明顯，彎沉值作為公路瀝青路面驗收的一項重要指標，對瀝青路面的質量的優(yōu)劣有很大影響[3]。為了研究公路瀝青路面彎沉值與耐久性之間的關系，本文從公路瀝青路面彎沉值的影響因素出發(fā)，研究影響彎沉值變化的影響條件。通過對瀝青路面耐久性研究，得出影響瀝青路面耐久性的影響因素，以山東省5 條公路為研究對象，研究公路瀝青路面與耐久性之間的關系。

1 瀝青路面彎沉影響因素

1.1 溫度

溫度的變化對瀝青路面回彈彎沉值影響很大，當瀝青路面結構層溫度不同時，回彈彎沉值會出現(xiàn)很大差別。為了保證瀝青路面彎沉值的準確性，需要對瀝青路面彎沉值進行溫度修正，彎沉值測定溫度為20oC為準。瀝青路面厚度較厚時，瀝青路面結構層面層溫度與層低溫度差較大，同樣需要進行溫度修正。瀝青為典型的黏彈性材料，溫度升高時，材料本身表現(xiàn)為黏性，在車輛荷載作用下，垂直回彈變形值變大，回彈彎沉變大，路面結構剛度下降。溫度降低時，瀝青材料本身表現(xiàn)為彈性，垂直回彈變形值減小，回彈彎沉減小，結構剛度增加。

1.2 檢測荷載

回彈彎沉值測定加載車參數(shù)對瀝青路面回彈彎沉值也有一定的影響，貝克曼梁測試路基路面回彈彎沉中加載車類型很重要，根據(jù)規(guī)范要求，我國一直規(guī)定用解放牌及黃河牌作為兩個荷載等級的標準車。但這兩種車型現(xiàn)在很少使用，顯然已不能作為標準車型。為了滿足檢測荷載的要求，對加載車的主要參數(shù)提出要求，如表1所示，凡是符合這些參數(shù)的加載車均可以使用。

表1 彎沉加載車參數(shù)要求

2 瀝青路面耐久性影響因素

公路瀝青路面耐久性影響因素分為外因與內因。外因為環(huán)境因素、行車荷載，內因為材料性質、級配設計以及路面結構類型。

2.1 溫度

瀝青路面對溫度變化具有一定的敏感性。瀝青是典型的有機結合料，并且其力學性質表現(xiàn)為黏彈性，當溫度升高時，瀝青自身變軟表現(xiàn)為黏性，抵抗變形的能力下降，在夏季瀝青路面多出現(xiàn)車轍病害，是由于瀝青混合料的高溫溫度性不足，造成不可恢復的永久性變形。當溫度急劇下降時，瀝青材料表現(xiàn)為彈性，瀝青自身變硬，瀝青路面易出現(xiàn)脆性裂縫，低溫抗裂性不足造成大量裂縫產(chǎn)生，降低路面結構的耐久性。由于瀝青材料為有機結合料，當溫度過高或長時間日照時，瀝青材料本身老化，瀝青路面結構抗疲勞性能下降，服務年限降低。

2.2 濕度

濕度對瀝青路面的影響主要體現(xiàn)在路面早期的水損害。當新建路面遭遇強降水時，在行車荷載的作用下，水充滿瀝青路面空隙。根據(jù)設計要求，瀝青混凝土材料結構為連續(xù)型密級配，具有不透水性，當材料孔隙中充滿水時。由于材料具有一定的親水性，當水浸入至瀝青膠漿與集料界面，造成瀝青膠漿與集料吸附性下降，在車輛荷載的作用下，細集料被動水壓力帶出造成瀝青路面松散病害。當冬季氣溫過低時，瀝青混合料孔隙中的水以冰的形態(tài)存在，瀝青混合料自身變硬。當春季到來，溫度升高孔隙中的冰融化為液態(tài)水，孔隙中的水浸入瀝青膠漿與集料界面，造成瀝青混合料強度下降，若水存在于路基孔隙，則會造成春融現(xiàn)象，降低了瀝青路面的耐久性。

2.3 行車荷載

行車荷載的增加對瀝青路面的疲勞性能有很大的影響，在進行瀝青路面結構設計時，需要對行車荷載累計作用次數(shù)進行計算，并且需要進行軸載換算，將行車荷載換算為BZ-100 標準軸載。當瀝青路面交通量過大且汽車類型為大貨車時，可以判定該路段重載交通嚴重，重載交通造成路面出現(xiàn)反射裂縫，瀝青路面達到疲勞破壞。

2.4 材料性質

瀝青混合料由瀝青、集料以及填料組成，不同標號的瀝青具有不同黏性，適用于不同的地區(qū)。在進行材料選擇時，瀝青材料必須滿足針入度、延度以及軟化點的技術要求，并且在長日照地區(qū)必須進行老化試驗。集料分為粗、細集料，粗集料之間的內摩擦力是瀝青混合料的強度保證，必須選用棱角分明、堅固的堿性集料。若材料選擇不合理，則會降低瀝青路面強度，在環(huán)境因素與車輛荷載的作用下，瀝青路面過早出現(xiàn)損害，不能達到設計服務使用年限。

2.5 級配設計

瀝青混合料級配設計影響了瀝青路面結構強度及路用性能。級配設計包括礦料級配設計及瀝青最佳使用量的確定，通常采用圖解法完成間斷級配礦料設計，馬歇爾試驗確定瀝青最佳使用量。當瀝青用量過大時，使瀝青路面結構強度下降，溫度升高時出現(xiàn)泛油現(xiàn)象。級配設計不合理會造成瀝青路面力學強度及路用性能下降，使路面整體結構出現(xiàn)過早開裂，達不到瀝青路面使用性能，耐久性降低。

2.6 路面結構

路面結構的選擇影響了瀝青路面的耐久性，路面結構包括面層與基層，若基層類型及層厚選擇不合理，則會造成瀝青路面承載能力下降，出現(xiàn)反射裂縫及車轍病害。并且路面結構對回彈彎沉值具有一定影響，半剛性基層回彈彎沉值要大于柔性基層，否則瀝青路面易出現(xiàn)病害。

3 瀝青路面回彈彎沉與耐久性的關系

通過對回彈彎沉值及瀝青路面耐久性的分析，得到了二者的影響因素，分析發(fā)現(xiàn)回彈彎沉值與耐久性具有相同的影響因素。

3.1 工程概況

為了研究彎沉值與耐久性之間的關系，對山東省5 條公路進行調查，以溫度、路面結構類型、濕度以及級配設計為變化因素，研究瀝青路面彎沉值與耐久性之間的關系。其工程概況如表2所示。

表2 山東省5 條公路工程概況

3.2 瀝青路面回彈彎沉與耐久性的關系

通過對山東省5 條公路回彈彎沉檢測，得到不同路表溫度下5 條公路彎沉值變化值，如圖1所示。

圖1 溫度-彎沉圖

由圖1溫度與彎沉值關系圖可得，當溫度從-10oC增加至70oC 時，5 條瀝青路面彎沉值均出現(xiàn)增加趨勢，反映了當溫度增加時，瀝青路面剛度下降承載能力變低。其中SL4 公路彎沉值最小，根據(jù)工程概況可得，SL4 與SL5 公路路面材料為SMA-15，瀝青瑪蹄脂碎石粗骨料含量較多且瀝青采用改性瀝青，黏度較大其材料結構強度要大于普通AC-15 混合料強度，所以其彎沉值變化最小。

通過SL1 與SL3 公路對比可得，當溫度從-10oC 增加至70oC 時，SL1 公路彎沉值要小于SL3，且SL1 彎沉值增加速率要小于SL3，這是由于兩條公路路面類型結構差異造成的，SL1 公路路面基層為半剛性基層，SL3 公路路面基層為柔性基層。半剛性基層與柔性基層對比，半剛性基層為無機結合料穩(wěn)定基層，具有良好的剛性。而柔性基層為瀝青穩(wěn)定碎石或級配碎石基層，結構自身為柔性以變形，所以SL1 的彎沉值要小于SL3。

通過對5 條進行車轍試驗，得到瀝青路面溫度與動穩(wěn)定度之間的關系，其關系如圖2所示。

圖2 溫度-動穩(wěn)定度圖

動穩(wěn)定度是瀝青路面高溫穩(wěn)定性的檢測指標，高溫穩(wěn)定性是瀝青路面耐久性的一種。由圖2可得，當瀝青路面溫度由30oC 增加至70oC 時，5 條公路瀝青路面動穩(wěn)定度呈下降趨勢，動穩(wěn)定度下降表明瀝青路面抗高溫性能下降，易出現(xiàn)車轍病害。當溫度由50oC 增加至60oC 時，5 條公路動穩(wěn)定度下降速率變快，在該溫度內瀝青路面高溫穩(wěn)定性急劇下降，路面易出現(xiàn)車轍病害。

由圖2可知，通過SL1 公路與SL4 公路對比發(fā)現(xiàn)，SL4 公路瀝青路面動穩(wěn)定度大于SL1，兩條公路基層均為半剛性基層，面層材料不同，SL1 為AC-15 瀝青混凝土，SL4 為SMA-15 混合料，當溫度升高時，SL4抵抗高溫變形的能力要大于SL1，所以SL4 公路瀝青路面動穩(wěn)定度大于SL1 公路。

通過SL1、SL2、SL3 公路動穩(wěn)定度對比可得，3 條公路瀝青面層結構為同一類型，其動穩(wěn)定度變化不大，由此可得對于同一路面材料結構而言，基層類型對瀝青路面耐久性影響不大。

由圖1、圖2可得，當溫度變化時，公路瀝青路面彎沉值與動穩(wěn)定度變化較大，由此可得，溫度是影響瀝青路面彎沉值與耐久性的重要因素，當瀝青路面耐久性降低時，回彈彎沉值也呈下降趨勢，為了研究公路瀝青路面服務使用年限與回彈彎沉值之間的關系，通過對SL1-SL5 公路進行5年監(jiān)測，其彎沉值與服務使用年限關系如圖3所示。

圖3 瀝青路面彎沉值隨時間變化圖

由圖3瀝青路面彎沉值隨時間變化圖可以得到，5條公路隨著服務年限的增加，瀝青路面承載能力降低。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當公路瀝青路面服務使用年限在1～2年時，瀝青路面彎沉值增加較慢，這是由于新建道路在碾壓過后仍然存在一定的孔隙，在車輛荷載作用下，瀝青路面孔隙被壓實，路面密實度增加，彎沉值增加不大。2～4年時，瀝青路面彎沉值增加較快，因為在水、環(huán)境因素以及行車荷載的共同作用下，瀝青路面出現(xiàn)了表面病害，瀝青路面的彎沉值迅速下降。當服務使用年限大于4年時，彎沉值變化逐漸趨于平穩(wěn)，這是因為對路面病害已經(jīng)進行養(yǎng)護處理，回彈彎沉值增加緩慢。

4 結語

綜上所述，本文通過對瀝青路面回彈彎沉值特點分析，得到瀝青路面回彈彎沉值的影響因素。通過對公路瀝青路面耐久性影響因素分析，得到環(huán)境因素、行車荷載、材料性質、路面結構以及級配設計對公路瀝青路面耐久性的影響。通過對山東省5 條高速公路彎沉值監(jiān)測及調查，可以得到回彈彎沉值與服務年限間的關系。