環(huán)境因素對(duì)瀝青路面的不利影響分析及應(yīng)對(duì)措施

白永兵

（承德公路工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，河北 承德 067000）

任何路面工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的都是為了完成某些期望的功能。路面工程結(jié)構(gòu)建成后必將處于特定的環(huán)境中，并與環(huán)境相互作用。要確保路面結(jié)構(gòu)達(dá)到預(yù)期效果的關(guān)鍵在于如何應(yīng)對(duì)環(huán)境對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)使用性能的不利影響[1]。

根據(jù)環(huán)境的影響程度，工程結(jié)構(gòu)可分為兩類。一類結(jié)構(gòu)所處環(huán)境適中，受環(huán)境影響較小，例如當(dāng)結(jié)構(gòu)處于干燥環(huán)境時(shí)，雖然環(huán)境溫度對(duì)結(jié)構(gòu)有影響，但濕度較低，因此混凝土碳化和鋼筋銹蝕程度較小，這樣的情況在設(shè)計(jì)中只需要考慮溫度效應(yīng)便足以達(dá)到其目的；另一類結(jié)構(gòu)所處環(huán)境惡劣，受環(huán)境影響大，例如在沿海水域的海洋環(huán)境中，結(jié)構(gòu)的混凝土容易碳化，也容易出現(xiàn)鋼筋銹蝕，在這種情況下，如果設(shè)計(jì)不能正確考慮并克服環(huán)境影響，則結(jié)構(gòu)往往無(wú)法達(dá)到預(yù)期使用效果。

對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，很容易判斷環(huán)境影響是輕微的還是嚴(yán)重的，采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)和處理措施以后，結(jié)構(gòu)就可以達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)使用年限及效果。但對(duì)于路面而言，特殊的工程結(jié)構(gòu)、對(duì)環(huán)境影響的考慮和相應(yīng)的對(duì)策措施則往往達(dá)不到設(shè)計(jì)管理人員的心理預(yù)期。

面對(duì)瀝青混凝土路面的頻繁損壞、早期破壞嚴(yán)重等情況時(shí)，研究人員已經(jīng)形成共識(shí)[2-4]：環(huán)境的不利影響是造成瀝青混凝土路面損壞的主要原因之一。但如何在設(shè)計(jì)中采取適時(shí)、適當(dāng)、適量的設(shè)計(jì)措施加以應(yīng)對(duì)仍是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。

本文分析了環(huán)境對(duì)瀝青混凝土路面的不利影響，指出了目前瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)措施應(yīng)對(duì)環(huán)境不利影響方面的不足之處。基于這些分析結(jié)果和結(jié)構(gòu)可靠性，提出把瀝青混合料的級(jí)配和內(nèi)部有效孔隙率納入路面設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)提出檢測(cè)應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)鉆取的芯樣樣品為依據(jù)，把路面層間的黏結(jié)狀況納入驗(yàn)收指標(biāo)。

一、環(huán)境對(duì)瀝青路面性能的影響

（一）高溫對(duì)瀝青路面的影響

在夏季高溫環(huán)境條件下，由于車輪荷載的反復(fù)作用，載荷應(yīng)力會(huì)超過(guò)瀝青混合料的塑性極限，流動(dòng)變形會(huì)逐步累積從而形成車轍病害。當(dāng)路面發(fā)生車轍破壞時(shí)，車輪下方會(huì)出現(xiàn)凹陷，車輪兩側(cè)會(huì)出現(xiàn)凸起；路面材料被以曲線形式向外推，從而使車道線變得扭曲[5]，如圖1所示。

圖1 高溫車轍導(dǎo)致車道線扭曲

（二）低溫對(duì)瀝青路面的影響

冬季氣溫驟降，由于瀝青混合料的應(yīng)力松弛跟不上熱應(yīng)力的增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致瀝青混合料的剛度迅速增加，一旦超過(guò)混合料的極限強(qiáng)度或極限拉應(yīng)變，路面將產(chǎn)生開(kāi)裂病害，即溫度裂縫。當(dāng)瀝青面層與基層的附著力不足，并產(chǎn)生一定的收縮自由度時(shí)，路表混合料就會(huì)變得更加容易開(kāi)裂。

另一類溫度裂縫的產(chǎn)生原因是當(dāng)溫度反復(fù)升降時(shí)，對(duì)于瀝青混合料而言，其拉伸應(yīng)變疲勞應(yīng)力極限變小，同時(shí)加上瀝青老化、松弛性能退化等原因，路面將更容易在高溫下開(kāi)裂。實(shí)際上這種類型的溫度裂縫包含疲勞因素和溫度因素，因此研究人員也通常稱之為溫度疲勞裂縫，如圖2所示。

圖2 瀝青路面溫度裂縫

（三）水對(duì)瀝青路面的影響

瀝青混凝土路面由集料、瀝青和礦粉組成，其中集料由瀝青黏合而成，這就導(dǎo)致了集料之間未能完全黏結(jié)的部分會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部孔隙。當(dāng)瀝青混合料的空隙充滿水時(shí)，在交通荷載作用下，瀝青混合料的孔隙中會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)大的動(dòng)水壓力。由于流體力學(xué)的作用，骨料與瀝青膠漿的結(jié)合面會(huì)被破壞。當(dāng)瀝青膜的黏結(jié)性能被破壞到一定程度時(shí)，其將逐漸從骨料上剝離，骨料和瀝青膠漿之間的黏附力就會(huì)喪失，進(jìn)而產(chǎn)生飛散、掉粒等病害，最終導(dǎo)致路面破壞[6]，如圖3所示。

圖3 瀝青路面水損害

瀝青路面水害過(guò)程可以歸納為4個(gè)步驟：初期，水滲入瀝青與集料界面，形成水膜或水蒸氣，影響瀝青與集料的附著力；其次，在車輛循環(huán)荷載作用下，孔隙中的水形成動(dòng)水壓力，使瀝青膜開(kāi)始從骨料上剝離；漸漸地，黏結(jié)在一起的集料開(kāi)始松動(dòng)；最后，由于集料的缺失，路面形成凹坑。而路面坑槽的存在則會(huì)進(jìn)一步積存水分，并產(chǎn)生更為嚴(yán)重的瀝青混合料的水損傷，最終導(dǎo)致路表破損呈指數(shù)型增長(zhǎng)。

二、現(xiàn)有瀝青路面環(huán)境影響設(shè)計(jì)方法

（一）對(duì)溫度影響的設(shè)計(jì)考慮

在水泥混凝土路面設(shè)計(jì)中，對(duì)溫度的考慮是[7]：把溫度影響視為混凝土板上的一種特殊荷載，把計(jì)算出的溫度應(yīng)力與荷載應(yīng)力的組合應(yīng)力視為有效應(yīng)力，作為設(shè)計(jì)控制應(yīng)力。在瀝青路面設(shè)計(jì)中，溫度的影響不作為單獨(dú)的校核應(yīng)力包含在組合應(yīng)力中，這也造成了瀝青路面設(shè)計(jì)忽視環(huán)境溫度影響的問(wèn)題。

在瀝青路面設(shè)計(jì)中，為了抵抗高溫對(duì)瀝青路面的影響，研究人員提出了瀝青混合料的車轍動(dòng)穩(wěn)定度設(shè)計(jì)技術(shù)要求，以保證瀝青路面在高溫下能夠正常使用，即降低高溫車轍病害發(fā)生的概率。針對(duì)瀝青混凝土路面的低溫性能，研究人員相應(yīng)提出了瀝青混合料的低溫彎曲應(yīng)變極限值，用作評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫性能。

（二）對(duì)水影響的設(shè)計(jì)考慮

水的影響可以分為降雨和降雪冰凍作用對(duì)路面瀝青混凝土的影響。本文分別對(duì)瀝青路面的材料、結(jié)構(gòu)提出了避免水損害的設(shè)計(jì)構(gòu)想。

對(duì)于年降雨量較大的環(huán)境，規(guī)范規(guī)定“高速公路和一級(jí)公路在年平均降雨量1000mm以上的地區(qū)，表面層瀝青混凝土等級(jí)應(yīng)達(dá)到5級(jí)?！薄盀榉乐褂暄┻M(jìn)入路面層和路基，瀝青面層材料應(yīng)為密級(jí)配瀝青混合料。使用排水基層時(shí)，應(yīng)在其底部下方設(shè)置防水層和內(nèi)排水系統(tǒng)，以確保水被排放到堤外?！?/p>

在《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2017）中，為了抵抗水的沖擊，在路基、基層和瀝青表面提出了許多相應(yīng)的結(jié)構(gòu)措施；并對(duì)路面材料提出了具體要求，特別是對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性、抗凍融特性及低溫性能的要求。

三、現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法對(duì)環(huán)境影響考慮的不足之處

從以上瀝青路面的環(huán)境影響及相應(yīng)的對(duì)策來(lái)看，目前的設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)道路的環(huán)境影響確實(shí)非常重視。然而，這些措施和方法往往無(wú)法克服或解決相應(yīng)的環(huán)境影響問(wèn)題，瀝青路面的使用性能并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)質(zhì)的提高[8]。

（一）實(shí)際路面材質(zhì)與設(shè)計(jì)材質(zhì)不同

目前，幾乎所有關(guān)于環(huán)境影響的結(jié)論都是基于實(shí)驗(yàn)室條件下的理想混合料試驗(yàn)所得出的。按照現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及其操作方法，即使在實(shí)際路面發(fā)生嚴(yán)重?fù)p壞時(shí)，實(shí)驗(yàn)室相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)仍保持材料在施工前、施工中和施工后均能達(dá)到規(guī)范技術(shù)要求。同時(shí)，路面施工過(guò)程控制和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)也顯示，這些路面項(xiàng)目的建設(shè)指標(biāo)也均符合相應(yīng)的建設(shè)和驗(yàn)收規(guī)范。經(jīng)抽樣檢測(cè)確認(rèn)，材料符合技術(shù)要求，施工符合施工要求。然而，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究表明，室內(nèi)試驗(yàn)針對(duì)的是理想條件下的瀝青混合料，實(shí)際路表的瀝青混合料與實(shí)驗(yàn)室內(nèi)理想混合料之間存在著較大的差異性，僅僅依靠室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法準(zhǔn)確衡量和預(yù)測(cè)實(shí)際路面的使用性能。

（二）缺乏對(duì)環(huán)境影響的深入研究

目前，環(huán)境對(duì)瀝青路面影響的機(jī)理尚未明確。由于環(huán)境的影響，瀝青混合料的物理力學(xué)性能在實(shí)際道路上正在發(fā)生巨大的變化。同時(shí)，隨著時(shí)間的推移，在荷載和環(huán)境的影響下，瀝青路面的層間狀態(tài)也發(fā)生了很大的變化[9]。這導(dǎo)致設(shè)計(jì)中使用的狀態(tài)參數(shù)不可靠，也不能作為預(yù)估其使用壽命的依據(jù)。瀝青路面材料和結(jié)構(gòu)狀態(tài)的惡化是導(dǎo)致頻繁失效的根本原因。然而，材料和結(jié)構(gòu)在環(huán)境中的劣化機(jī)理在研究中很少受到關(guān)注。而設(shè)計(jì)中常用實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和層間彈性連續(xù)狀態(tài)的假設(shè)，只存在于理想條件下，同樣也不能反映道路的實(shí)際狀態(tài)。

四、改進(jìn)的思路和措施

（一）改進(jìn)的依據(jù)和思路

《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50068-2018）指出，應(yīng)定量描述環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響；當(dāng)沒(méi)有定量描述條件時(shí)，可把結(jié)構(gòu)的環(huán)境影響分為若干等級(jí)再進(jìn)行定性描述，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)措施。

為提高瀝青路面的可靠性，避免瀝青路面過(guò)早破壞，應(yīng)加強(qiáng)研究環(huán)境對(duì)瀝青路面的不利影響，進(jìn)一步研究定量評(píng)價(jià)環(huán)境對(duì)瀝青路面不利影響的方法，以獲得瀝青路面材料的長(zhǎng)期指標(biāo)。但這項(xiàng)工作需要很長(zhǎng)時(shí)間才能完成，而且由于不同地區(qū)的環(huán)境條件不同，研究必須針對(duì)特定的環(huán)境變量情況，因此在短期內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)規(guī)范中的長(zhǎng)期指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化是不現(xiàn)實(shí)的。提高瀝青路面質(zhì)量，在短期內(nèi)增強(qiáng)瀝青路面的抗環(huán)境能力，應(yīng)從兩方面著手。一方面是在設(shè)計(jì)中增加環(huán)境影響的相關(guān)指標(biāo)；另一方面是保證道路實(shí)際狀態(tài)與設(shè)計(jì)一致，改變?nèi)臃绞胶褪┕ひ蟆?/p>

（二）在設(shè)計(jì)中添加環(huán)境影響指標(biāo)

集料的質(zhì)量和孔隙率要求應(yīng)包括在設(shè)計(jì)指標(biāo)中。相關(guān)研究結(jié)果表明，瀝青路面的損壞除溫度和水分外，還與瀝青混合料級(jí)配和孔隙率密切相關(guān)——瀝青混合料中細(xì)集料含量過(guò)多會(huì)導(dǎo)致其高溫性能變差；而當(dāng)瀝青混合料的孔隙率大于6%時(shí)，其水損害會(huì)顯著增加。然而，在目前的瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中，這些結(jié)果并沒(méi)有得到體現(xiàn)，只給出了瀝青質(zhì)量的相關(guān)要求。對(duì)于瀝青混合料只要求力學(xué)性能，而且只明確了集料的等級(jí)，但沒(méi)有提出孔隙率與環(huán)境影響之間要求。只有明確瀝青混合料的級(jí)配和孔隙率對(duì)環(huán)境的不利影響，才能有效避免環(huán)境影響。

（三）改變施工控制和驗(yàn)收中的抽樣方法

目前瀝青路面的實(shí)施過(guò)程中，瀝青混合料級(jí)配樣品的測(cè)試是在拌和后鋪裝之前，此時(shí)獲得的樣品始終滿足其目標(biāo)要求。但實(shí)際上在攤鋪過(guò)程中，瀝青混合料往往離析嚴(yán)重，瀝青混合料的級(jí)配與設(shè)計(jì)相差甚遠(yuǎn)。瀝青混合料的級(jí)配離析包括攤鋪離析和溫度離析。這些隔離導(dǎo)致偏離道路的實(shí)際設(shè)計(jì)。

因此建議路面的質(zhì)量控制使用現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣。一方面測(cè)試芯樣的常規(guī)性能，另一方面則需測(cè)試芯樣的層間黏結(jié)性能和孔隙率。然而，瀝青路面在設(shè)計(jì)過(guò)程中是假定結(jié)構(gòu)層之間的接觸是完全黏結(jié)在一起的，即瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是基于層間完全連續(xù)理論。而工程實(shí)際中路面層間黏結(jié)狀態(tài)是否處于完全黏結(jié)，在驗(yàn)收時(shí)沒(méi)有相應(yīng)的檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，本文建議增加瀝青路面的層間黏結(jié)狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)，以促進(jìn)施工時(shí)及竣工驗(yàn)收時(shí)對(duì)層間黏結(jié)性能的重視。

五、結(jié)語(yǔ)

環(huán)境影響是瀝青路面損壞的主要原因之一。高溫環(huán)境容易導(dǎo)致瀝青路面的車轍病害，而低溫環(huán)境則容易導(dǎo)致瀝青路面開(kāi)裂，產(chǎn)生溫縮裂縫。當(dāng)雨水滲入到混合料的內(nèi)部孔隙中，會(huì)存在于瀝青膠漿與集料的交界面處，在車輛荷載所引起的動(dòng)水壓力作用下，瀝青膜開(kāi)始從集料表面剝離，造成集料松散、掉粒，最終形成路表坑洼。

目前，在現(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中，對(duì)環(huán)境影響的考慮不夠具體和適當(dāng)，這是造成瀝青路面過(guò)早產(chǎn)生病害的實(shí)際原因之一。若希望提高瀝青路面的使用質(zhì)量，在短期內(nèi)增強(qiáng)瀝青路面的環(huán)境適應(yīng)能力，應(yīng)從兩方面著手。一個(gè)方面應(yīng)在設(shè)計(jì)中增加環(huán)境影響的相關(guān)設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)指標(biāo)；另一方面應(yīng)保證道路實(shí)際使用狀態(tài)與設(shè)計(jì)指標(biāo)值相一致，并需要優(yōu)化改變現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣方式和施工的技術(shù)要求。