高寒地區(qū)瀝青路面行為特性與設(shè)計(jì)方法研究

畢聰

（中交第二航務(wù)工程局有限公司設(shè)計(jì)研究院,湖北武漢430050）

0 引言

瀝青路面以其舒適的行駛特性、優(yōu)美的路面和易于修復(fù)的路況，已成為道路建設(shè)的首選。高寒地區(qū)瀝青路面的性能一般取決于瀝青路面的設(shè)計(jì)能否充分考慮高寒氣候地質(zhì)等的特點(diǎn)，并在材料選用和結(jié)構(gòu)規(guī)劃中采取具有針對(duì)性的措施?；趥鹘y(tǒng)瀝青涂層規(guī)范的道路測(cè)量數(shù)據(jù)不能真實(shí)描述高寒地區(qū)的道路狀況，因此有必要研究高寒地區(qū)新型道路結(jié)構(gòu)的性能和設(shè)計(jì)方法。

1 高寒地區(qū)公路瀝青路面行為特征

1.1 地質(zhì)條件復(fù)雜

在公路建設(shè)過(guò)程中，通常會(huì)出現(xiàn)起伏或曲折的地形，這給公路建設(shè)帶來(lái)了一定困難。此外，公路建設(shè)需要開(kāi)挖、下部結(jié)構(gòu)和其他程序，而新疆伊犁州察布查爾縣地區(qū)地質(zhì)條件是多變的。在公路建設(shè)過(guò)程中，隨著路段的通行，地質(zhì)環(huán)境發(fā)生了較大的變化，經(jīng)常會(huì)遇到凍土、膨脹土和鹽漬土等不良地質(zhì)，這也勢(shì)必會(huì)對(duì)公路的路基和路面的平整性帶來(lái)較大影響[1]。

1.2 氣候條件惡劣

在山區(qū)，氣候變化受到海拔高度的限制和影響。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)?shù)孛娓叨壬仙^(guò)100m/s 時(shí)，溫度僅會(huì)下降0.6oC/min。項(xiàng)目區(qū)域海拔從600m 提升至1430m，高差大到近830m；氣溫則是冬季平均最低氣溫在-9.4oC，最寒冷地區(qū)1月份的平均氣溫大約在-12.2oC，最低日氣溫僅為-43.2oC，凍土層深度一般為60cm，最深100cm，這對(duì)公路瀝青路面修建有了更高的要求。

1.3 瀝青路面病害類(lèi)型

1.3.1 變形

路基變形是一種常見(jiàn)且非常嚴(yán)重的道路病害，主要發(fā)生在道路的波浪形、道路的下坡和道路車(chē)輛的冰凍狀態(tài)。由于受到鹽漬土和凍土路基凍融循環(huán)的影響，高寒地區(qū)的瀝青公路路基更容易發(fā)生變形。這種變形也會(huì)發(fā)生在常溫下的道路，而在高寒地區(qū)，由于土壤多年受凍，會(huì)大大增加道路變形的概率。

1.3.2 裂縫

裂縫也是道路的常見(jiàn)問(wèn)題。主要是橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂等。其中，橫向裂縫是主要影響因素，且呈規(guī)則分布。基本上，在同一片道路上均勻分布，裂縫間隔主要在2～20m 之間，然后與縱向裂縫交匯。縱向裂紋的位置有限，通常出現(xiàn)在路肩邊緣，但縱向裂紋的嚴(yán)重程度不斷增加，有時(shí)甚至長(zhǎng)度達(dá)到數(shù)百米或密布于整條道路。另外，網(wǎng)裂、龜裂相對(duì)不常見(jiàn)，但危害性極大，這種類(lèi)型的裂縫通常在道路承受過(guò)大壓力時(shí)擴(kuò)散，導(dǎo)致一點(diǎn)到表面的大規(guī)模損傷。

1.3.3 松散

道路松弛的現(xiàn)象肉眼很難觀察，所以經(jīng)常被忽視。這種病害的原因是輪胎和地板的長(zhǎng)期高壓，表面材料嚴(yán)重分散，瀝青路面的核心層的負(fù)荷力下降，集料暴露，表面粗糙，凹凸不平等。

2 高寒地區(qū)公路瀝青路面病害成因分析

2.1 自然因素

自然因素是直觀的因素，也是使我們最可直接感知到的因素。高寒干旱地區(qū)的氣候較為特殊，例如冬季全年低溫長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)，冷卻干燥速度快，晝夜溫差比較大，發(fā)射率偏高，瀝青地面材料容易老化發(fā)生脆性及硬化，瀝青原材料剛性率很高，變形收縮能力和松弛力較差的瀝青混凝土路面材料，在寒冷雨雪的惡劣天氣影響下往往難以具備長(zhǎng)期的耐久性，容易老化，同時(shí)抗裂性降低，容易發(fā)生病害。隨著紫外線輻射強(qiáng)度的增加而散失或逐步向大分子量的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化，這一過(guò)程造成瀝青硬化，瀝青的黏度和低溫性能均會(huì)降低，并逐步導(dǎo)致瀝青混合料使用性能的降低。

2.2 交通流量因素

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和道路運(yùn)輸手段的大型化和負(fù)荷比例的增加，使得高寒地區(qū)本來(lái)就脆弱的道路條件變得更加脆弱，出現(xiàn)大量病害也是必然的結(jié)果。

2.3 施工因素

為了適應(yīng)低溫條件，高寒地區(qū)的道路設(shè)計(jì)和施工通常使用優(yōu)質(zhì)的瀝青，優(yōu)質(zhì)瀝青具有良好的溫度敏感性，其黏性和塑性隨溫度變化而改變的程度更高，但瀝青黏度過(guò)低，與道路骨材表面的水黏結(jié)性過(guò)差，水膜的低溫穩(wěn)定性低和低溫抗凍性能力的性能惡劣也是劣質(zhì)柏油路面材料未能緩解這種病害出現(xiàn)的主要原因。瀝青路面設(shè)計(jì)的一些特殊的施工氣候條件主要表現(xiàn)是施工的周期時(shí)間短，施工介質(zhì)溫度比較低，滾動(dòng)瀝青成型相對(duì)困難，硬化技術(shù)條件也很有限。但是，即使是夏天，夜間溫度較低，有效的工程時(shí)間不足，低溫會(huì)給新的路面造成冷凝等破壞性的影響，項(xiàng)目地區(qū)從9月底到10月初進(jìn)入降雪期，雨雪無(wú)常，平均氣溫會(huì)低至0oC 左右，使得瀝青路面施工難以繼續(xù)。

2.4 養(yǎng)護(hù)管理

長(zhǎng)期以來(lái)，道路工程的日常養(yǎng)護(hù)以及運(yùn)營(yíng)維修成本高低和維持正常路面交通條件之間還存在著較明顯的內(nèi)在的一些相互制約關(guān)系和潛在矛盾。預(yù)防路面維修問(wèn)題是一種在基本解決當(dāng)前上述現(xiàn)實(shí)矛盾因素的研究基礎(chǔ)前提上新提出來(lái)的路面地板養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)的一個(gè)新概念。目的則是能更有效快捷地尋找適應(yīng)公路要求的預(yù)防性瀝青路面的保養(yǎng)修復(fù)措施，需要關(guān)注的重點(diǎn)是加強(qiáng)特殊養(yǎng)護(hù)區(qū)域路面的預(yù)防性瀝青路面修復(fù)保養(yǎng)，能確保公路系統(tǒng)的總體運(yùn)營(yíng)安全質(zhì)量和總體運(yùn)輸效率。為了要從一個(gè)根本角度上去解決上述幾個(gè)矛盾，從工程初期便開(kāi)始要徹底地清除所有地面病害，避免引起地面病害問(wèn)題的進(jìn)一步惡化蔓延和繼續(xù)惡化，影響工程的后續(xù)使用安全性能，顯著降低了道路修養(yǎng)成本，地板可以從最初到最后保持正常服務(wù)水平。瀝青路面常見(jiàn)病害的合理防治也是倡導(dǎo)一種新時(shí)期的科學(xué)養(yǎng)護(hù)技術(shù)理念，是我國(guó)道路柏油路面持續(xù)健康有序發(fā)展工作的內(nèi)在必然及要求[2]。

3 高寒地區(qū)公路瀝青路面冷補(bǔ)材料的應(yīng)用

冷修復(fù)材料是一種適用于所有天氣條件的新型修復(fù)材料。其優(yōu)異的黏結(jié)性能和松散的施工性能是與常溫或低溫維修材料區(qū)別開(kāi)的顯著特征之一。

3.1 冷補(bǔ)材料的特點(diǎn)

冷貼（補(bǔ)）材料可以適應(yīng)-20oC 的低溫環(huán)境，較適于在寒冷地區(qū)。另外，使用冷補(bǔ)材料，修補(bǔ)時(shí)無(wú)需粘層油，備料可隨取隨用，不需要重型施工機(jī)械，可根據(jù)路面的不同修補(bǔ)情況采用沖擊壓實(shí)、人工壓實(shí)等，最大限度地避免高寒地區(qū)的雨雪天氣對(duì)瀝青路面施工的影響，可以大幅降低施工難度。使用冷補(bǔ)材料進(jìn)行維護(hù)時(shí)，不需要使用粘層油。成品的混合物隨時(shí)都可以使用。不需要使用重型施工機(jī)械壓縮。根據(jù)不同的地面修理?xiàng)l件，壓路機(jī)由耙子、手動(dòng)或氣動(dòng)汽車(chē)壓接。

3.2 冷補(bǔ)材料的路用性能

冷補(bǔ)材料在低溫下具有良好的穩(wěn)定性，能最大限度地避免路面病害的發(fā)生。如果遇到降水或寒冷天氣，可以將冷補(bǔ)材料與原地板緊密結(jié)合，減少受低溫的影響。在干燥灰塵多的水井里，可以把冷補(bǔ)材料粘在原來(lái)的地板上。當(dāng)溫度良好時(shí)，冷補(bǔ)材料具有足夠的耐重復(fù)輪胎負(fù)載能力。

4 高寒地區(qū)瀝青路面設(shè)計(jì)料性能與要求

根據(jù)氣候劃分研究和氣候特征以及路面構(gòu)造性能的相關(guān)分析，環(huán)境溫度、降雨量和紫外線強(qiáng)度已經(jīng)成為影響高寒地區(qū)道路柏油路面使用性能的三個(gè)主要因素。以往公路設(shè)計(jì)中關(guān)于瀝青使用性能的選用標(biāo)準(zhǔn)考慮并不是很全面。一方面，近30年的氣象資料表明，冬季嚴(yán)寒區(qū)的氣候要比以往的寒冷，柏油路的標(biāo)準(zhǔn)也要提高等級(jí)；另一方面，在高寒地區(qū)獨(dú)有的極端氣候因素的綜合影響下，特別是新氣候區(qū)域下瀝青結(jié)合料低溫性能和抗老化性能的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)仍值得深入研究。在地板材料上長(zhǎng)期使用瀝青黏合劑養(yǎng)護(hù)的使用過(guò)程中，由于吸收氧氣和接受紫外線照射的影響會(huì)容易產(chǎn)生瀝青老化等現(xiàn)象，流變的特性也將會(huì)因此發(fā)生變化，影響瀝青的表現(xiàn)。

為了進(jìn)一步模擬瀝青黏合劑的熱老化變形過(guò)程，美國(guó)開(kāi)發(fā)研制了另外一種SHRP(BBR)彎曲光束流變學(xué)測(cè)試，以用來(lái)測(cè)量在極高低溫度狀態(tài)下瀝青膠粘劑的剛性。使用工程光束理論來(lái)測(cè)量涂敷負(fù)載作用下的柏油束樣品的剛性。該測(cè)試的方法通過(guò)引入壓力老化系數(shù)(PAV)來(lái)測(cè)試，模擬在路面材料上長(zhǎng)期使用時(shí)的長(zhǎng)期應(yīng)力老化，彌補(bǔ)了壓延度測(cè)試法的缺陷。根據(jù)SHRP 的研究，發(fā)現(xiàn)瀝青材料受熱過(guò)多大多會(huì)表現(xiàn)出脆性，地板容易破裂、損壞。瀝青硬度的時(shí)間變化率越高，溫度越低，地板收縮時(shí)，黏合劑作為剛性降低的材料發(fā)生反應(yīng)，材料中的拉伸張力下降，有可能發(fā)生低溫裂紋。因此，為了盡可能限制地板的開(kāi)裂，為了限制路面開(kāi)裂，SHRP 規(guī)定:勁度模量s≤300MPa；m值(60)≥0.30。BBR 路面試驗(yàn)的溫度試驗(yàn)設(shè)計(jì)溫度僅與道路在某一局部區(qū)域中的設(shè)計(jì)工作溫度有關(guān)，理論計(jì)算上也應(yīng)該嚴(yán)格以最低限度的路面現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)計(jì)溫度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

目前，路面現(xiàn)場(chǎng)的最低溫區(qū)設(shè)計(jì)試驗(yàn)溫度通常有下面三種主要計(jì)算方法。最初，在由SHRP 研究人員所提出來(lái)的低溫地面模型方法中，最低的地上溫度通常被廣泛認(rèn)為僅是地面最低的空氣溫度。編號(hào)加拿大的SHRP 研究人員卻認(rèn)為這個(gè)研究方法顯得過(guò)于簡(jiǎn)單保守，因此提出進(jìn)行了修正。然而，根據(jù)對(duì)北美約包含30 個(gè)測(cè)試溫度區(qū)間的季節(jié)觀測(cè)計(jì)劃(SMP)的驗(yàn)證，SHRP 的地面低溫公式已經(jīng)不能保證將最低空氣溫度準(zhǔn)確有效地直接轉(zhuǎn)換為最低的地表溫度，（LTPPBind）公式通常被認(rèn)為要更接近準(zhǔn)確。

5 高寒地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)組合

在高寒地區(qū)，如果是在筑路基前地下的結(jié)冰水位線已經(jīng)接近于飽和的地表溫度或是在路基面的上下兩側(cè)也已有過(guò)較深的、長(zhǎng)期連續(xù)的積水結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生，那么正常的情況下，在冬季時(shí)路基料道中往往也可能有大量降水的發(fā)生促進(jìn)了地下水分的重新集中與分布，在地下凍結(jié)的水位線的附近則十分嚴(yán)重且極容易重新發(fā)生聚冰化現(xiàn)象。這種進(jìn)一步融化的現(xiàn)象又往往會(huì)逐步顯著而削弱了這些無(wú)機(jī)結(jié)合料體及其與細(xì)粉狀顆粒物料塊之間的相互作用而引起的路面微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。夏季進(jìn)入冬季或春融期時(shí)，這些無(wú)機(jī)結(jié)合聚冰體的進(jìn)一步融化的現(xiàn)象往往還會(huì)持續(xù)，使路面基層材料結(jié)構(gòu)組織中的含水量變得更為急劇地逐漸增大，直到徹底破壞。通過(guò)這些經(jīng)驗(yàn)和分析可以知道在極端寒冷惡劣的高寒地區(qū)混凝土建筑的抗震加固和結(jié)構(gòu)處理時(shí)，必須特別注意如下幾點(diǎn)。

5.1 瀝青面層

應(yīng)選取優(yōu)質(zhì)瀝青，在瀝青的高溫穩(wěn)定性能夠滿足要求的使用條件的同時(shí)采用感溫性小、針入度較大的瀝青，有條件時(shí)可以采用幾種耐裂紋性較好的瀝青混凝土；也可同時(shí)采用各種抗裂蝕性能都好的較為合理經(jīng)濟(jì)的瀝青面層結(jié)構(gòu)組合使用。例如，以中粒式瀝青混凝土結(jié)構(gòu)為面層，以粗粒式混凝土為底面層。

5.2 基層材料

采用標(biāo)號(hào)高強(qiáng)的少壓裂系數(shù)的優(yōu)質(zhì)石灰、粉煤灰顆?；蛘吖杷猁}水泥穩(wěn)定料基層，嚴(yán)格配比控制水泥細(xì)粒土料的顆粒含量；半永久剛性基層厚度均勻和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均勻要充分與面層施工相互配合，保證瀝青路面結(jié)構(gòu)不受強(qiáng)拉剪應(yīng)力作用。

5.3 結(jié)構(gòu)組合形式

瀝青面層厚度是要先考慮面層瀝青最小允許厚度。例如中國(guó)日本道路、美國(guó)的西班牙公路等世界多國(guó)公路條例均曾統(tǒng)一的規(guī)定過(guò)其為重要的等級(jí)交通道路面層的要求瀝青面層的最小容許厚度一般宜規(guī)定為在20cm 及以下；所以從現(xiàn)在我國(guó)高水平道路交通工程的整體技術(shù)現(xiàn)狀來(lái)看，在今后我國(guó)在低交通等級(jí)道路面層設(shè)計(jì)上仍建議采取厚度小于10cm 的普通瀝青面層，高等級(jí)的交通道路層面厚度上建議則應(yīng)采取小于20cm 或大于25cm 厚的普通瀝青面層，這也是目前基本是可行的?；鶎釉O(shè)計(jì)應(yīng)要首先考慮能夠提供足夠的強(qiáng)韌的強(qiáng)度或抗承載性能的產(chǎn)品，以達(dá)到充分有效承擔(dān)設(shè)備在設(shè)計(jì)或使用壽命的計(jì)算期間內(nèi)產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力累積值和標(biāo)準(zhǔn)軸次，而盡可能同時(shí)且不應(yīng)使產(chǎn)品至于設(shè)備產(chǎn)生任何較過(guò)早所發(fā)生的應(yīng)力疲勞應(yīng)力和應(yīng)力破壞應(yīng)力現(xiàn)象；基層也要著重注意其具有一個(gè)相對(duì)于足夠的弱的抗長(zhǎng)期冰凍強(qiáng)度能力和對(duì)水穩(wěn)定性，以至少可保證該設(shè)備無(wú)論在進(jìn)行整個(gè)設(shè)計(jì)施工或長(zhǎng)期使用試驗(yàn)的期間內(nèi)的最大內(nèi)載荷強(qiáng)度水平或抗疲勞承載水平的承受能力上均確保不會(huì)發(fā)生受到外界由于抗長(zhǎng)期的冰凍環(huán)境條件改變和對(duì)水條件要求的改變等影響從而導(dǎo)致發(fā)生了有著較大幅度的和幅度差異大的強(qiáng)度的衰減。

6 結(jié)語(yǔ)

高寒地區(qū)瀝青混凝土路面的工作環(huán)境需要特別考慮瀝青路面的設(shè)計(jì)?？偨Y(jié)了高寒地區(qū)瀝青混凝土路面主要病害類(lèi)型、破壞機(jī)理的研究，并針對(duì)高寒地區(qū)特點(diǎn)提出了適應(yīng)性強(qiáng)的新型瀝青路面結(jié)構(gòu)以及結(jié)合高寒地區(qū)的道路建設(shè)，鋪設(shè)了試驗(yàn)路。隨著工程實(shí)踐的發(fā)展，樓板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選型的理論和方法也在不斷完善。提出的一些新道路結(jié)構(gòu)需要通過(guò)積累長(zhǎng)期道路性能數(shù)據(jù)和增加試驗(yàn)道路驗(yàn)證來(lái)不斷改進(jìn)。