瀝青路面結(jié)構(gòu)耐久性分析

＊鄒 宇

（青海省交通檢測有限公司 青海 810000）

在高速公路路面結(jié)構(gòu)中，瀝青路面因其通暢、方便、抗震、噪音和維修快捷而被廣泛使用。瀝青路面在環(huán)境因素的影響下，會對瀝青路面的通行狀況產(chǎn)生不利影響。瀝青路面必須能夠承受溫度、太陽、空氣、水和其他因素的綜合影響，當瀝青路面遇到惡劣的自然環(huán)境因素影響時，會使瀝青路面失去黏度和脆性增加，混合料的黏度在移動荷載等因素的作用下消失，甚至會使瀝青與礦物骨料分離，導致路面松散和損壞。因此，瀝青路面必須具有足夠的承載力，結(jié)構(gòu)的耐久性等，才能增加路面的行車舒適度、減少運營養(yǎng)護的成本等。

瀝青路面的壽命取決于瀝青的質(zhì)量、礦料的級配、施工條件等。瀝青混合物的耐久性在各種因素相互作用下的抗老化能力、耐水性及反復暴露在車輛負載和溫度變化下的抗疲勞性能。

1.瀝青路面耐久性影響因素

(1)影響瀝青路面耐久性的內(nèi)部因素

材料是影響路面性能的重要因素。瀝青路面由瀝青、骨料、礦物粉和其他添加劑按一定比例混合而成。材料質(zhì)量不理想，不符合要求，瀝青混合料質(zhì)量不能滿足。瀝青混合物的性質(zhì)、填料的質(zhì)量和粘合劑的粘合效果對混合料的質(zhì)量有很大的影響。

①瀝青質(zhì)量。瀝青是一種復雜的黑色棕色混合物，由各種分子碳氫化合物及其非金屬衍生物、液體、半固態(tài)或固體有機凝膠組成，可提供防潮和防腐保護。瀝青的質(zhì)量直接影響瀝青路面的質(zhì)量。全球變暖，道路交通條件越來越苛刻，一般瀝青材料的質(zhì)量已無法滿足對較重型瀝青結(jié)構(gòu)的需求，主要是對造成大規(guī)模路面結(jié)構(gòu)破壞的原因進行研究和分析。根據(jù)施工要求選擇瀝青品種，以及針入度、延度、軟化點三大指標。道路的瀝青要求是夏季不要軟化，冬季不脆，以抵御水，冰，鹽和交通的侵蝕[1]。由于石油和瀝青的內(nèi)部質(zhì)量過程中含有大量石蠟，對溫度敏感，大多數(shù)瀝青的表面結(jié)構(gòu)強度往往比以前低得多。瀝青黏度低，強度低，軌距阻力弱；瀝青中石蠟含量高，有橫向裂紋；熱敏高溫瀝青涂層易于撕裂。

②礦料質(zhì)量。材料是建筑材料的基礎，嚴格的原材料質(zhì)量控制，在保證瀝青路面質(zhì)量方面起著特殊的作用。生產(chǎn)方在采購材料時，必須按照要求提交出廠報告和試驗室抽檢報告，以便嚴格控制材料質(zhì)量。

③混合料配合比。與設計結(jié)果相比，瀝青混合物對路面質(zhì)量、材料消耗和施工成本有顯著影響。這是一項非常重要的技術(shù)工作?；旌衔锏脑O計側(cè)重于瀝青混凝土的高低溫穩(wěn)定性、耐久性。目前，高等級公路上瀝青混合物的組成通常是通過配合比的設計，來確定礦料組成和瀝青使用情況，從而確?；旌衔锏牧己锰匦?。在馬歇爾試驗中，為了確定瀝青混合物之間的對應關(guān)系，還應利用所取得的經(jīng)驗來確定瀝青含量的最佳用量，以便更好地排除對人為和其他有關(guān)環(huán)境因素、作業(yè)等的影響。瀝青混合料配合比一般分為目標配合比、生產(chǎn)配合比、施工配合比，通過三階段驗證，進一步控制施工精度和混合設備組合性能，使混合料生產(chǎn)施工符合規(guī)范要求，使瀝青混合料生產(chǎn)配合比更合理。瀝青混合料的優(yōu)良比例必須仔細設計，以獲得可靠的協(xié)調(diào)程度[2]。

(2)施工質(zhì)量

①嚴把原材料質(zhì)量關(guān)。材料是建筑材料的基礎，嚴格的原材料質(zhì)量，在保證瀝青路面質(zhì)量方面起著特殊的作用。瀝青混凝土主要由瀝青、骨料和礦粉組成。瀝青是瀝青混凝土中的一種粘結(jié)材料，可將其它材料粘結(jié)緊密。骨料和礦物骨料占瀝青混凝土總質(zhì)量的95%，更重要的是，帶有骨架和填料的瀝青混凝土取決于骨架的形成，因此骨架在混凝土的整體強度和剛度中起著重要作用。根據(jù)施工要求選擇瀝青品種，以及針入度、延度、軟化點三大指標。生產(chǎn)商在采購材料時，必須按照要求提交出廠質(zhì)量報告，進行現(xiàn)場抽查，以便嚴格控制進場材料質(zhì)量。在加熱過程中必須進行溫度控制，瀝青的加熱溫度因瀝青標號而異，當需要瀝青隔熱時，應及時打開瀝青循環(huán)泵，使加熱溫度一致，防止瀝青老化。瀝青路面應選擇良好的集料及填料，材料應滿足耐磨性、強度、無雜質(zhì)、無風化、穩(wěn)定等要求。

②做好施工準備階段的控制。在道路建設中，首先要審查施工組織計劃，包括組織、混合和工廠布局、施工質(zhì)量管理體系、施工機制材料組織、施工進度表、施工程序、環(huán)境響應等。安全措施、質(zhì)量控制體系的組成、儀表設備及測試和評價方法。同時檢查現(xiàn)場機械設備及后場瀝青拌和設備是否滿足施工需要。

2.影響瀝青路面耐久性的外部因素

（1）溫度變化。高溫對瀝青耐久性的影響是由于熱能加速瀝青分子的運動，由于施工加熱，導致瀝青中的輕油蒸發(fā)，并有助于加速瀝青的化學反應。這導致瀝青技術(shù)性能下降，瀝青質(zhì)量嚴重惡化。溫度波動與瀝青混合物的電阻和強度成反比。當溫度升高時，瀝青的黏度降低，礦物材料之間的黏度降低，強度降低。當車輛多次荷載時會加速路面的變形。如果瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不太穩(wěn)定，路面會出現(xiàn)較大的剪切變形，導致路面破壞[3]。

瀝青路面的強度因溫度而異。當路面溫度急劇冷卻時，會產(chǎn)生溫度梯度，當溫度降低時，會產(chǎn)生路面收縮和拉伸應力。機械角度分析，此時瀝青混凝土表面裂紋的原因強度小于拉伸應力。瀝青路面的損壞通常始于路面裂縫，由于低溫循環(huán)，裂縫可能會膨脹，然后裂縫中的水滲入路面結(jié)構(gòu)，逐漸導致路面狀況惡化，最終導致路面性能顯著下降。

通過適當增加厚度，可以減少部分裂紋的發(fā)生，使用溫度敏感度低、稠度低的瀝青，減少部分裂紋的發(fā)生。

（2）疲勞破壞。疲勞是指瀝青混合物在多次荷載下抵抗斷裂的能力。目前主要通過傳統(tǒng)理論疲勞法、材料疲勞特性兩種方法研究瀝青路面疲勞特性。另一類是機械近似法，即利用破壞力學原理研究疲勞裂紋發(fā)展規(guī)律的方法，以確定材料的耐久性。從疲勞的角度來看，瀝青混合物的強度模量是材料的一個重要特征。

（3）水損害。瀝青和礦物材料之間的粘結(jié)在潮濕條件下會減弱，在荷載和水的共同作用下，這種損害會顯著增加，水會導致瀝青路面的脫落、脫脂和局部結(jié)構(gòu)破壞。城市道路的定期澆水加速了這種破壞。

（4）瀝青老化。在瀝青路面的生產(chǎn)和使用過程中，由于瀝青輕質(zhì)部分揮發(fā)，在空氣中氧氣、光和熱的作用下，瀝青的硬度隨著時間的推移而變化和增強，從而導致瀝青在瀝青上的性質(zhì)發(fā)生變化，稱為老化。

3.瀝青路面耐久性能改善措施

(1)瀝青混合料的改性

瀝青混合物可以在化學上或物理上進行改性。添加劑的使用分為化學改性工藝、塑料格柵、土工布等。為了加強路面的機械性能，技術(shù)措施被歸類為物理改造類別。

①物理改性。土工復合材料是一種新型路面工程材料。它由人造合成聚合物如塑料、化學纖維、合成橡膠等原料組成，由土壤內(nèi)部、表面或不同土壤層之間的各種產(chǎn)品制成，起到加固或保護路面的作用。土工復合材料可分為土工薄膜、特殊土工復合材料和土工復合材料等類型。

玻璃纖維格柵選擇優(yōu)質(zhì)增強型無堿性玻璃纖維紗，玻璃纖維格柵采用先進的精加工電路，蓮花織物采用子午線取向設計，玻璃纖維格柵充分利用織物中紗線的強度，提高其機械性能，為了具有良好的抗拉強度和抗蠕變強度，并經(jīng)過優(yōu)質(zhì)改性瀝青涂層，以相容性原則為基礎，強調(diào)其與綠色添加劑的結(jié)合性能，以及對玻璃纖維基底的全面保護，顯著提高了基材的耐磨性和抗剪切性，從而可用于加固路面提高抗裂性，消除瀝青路面的困難問題。

②化學改性。通過化學反應改變聚合物物理和化學性質(zhì)的方法稱為化學改性。瀝青材料中摻雜聚合物、樹脂、橡膠、細橡膠粉或其他填料（改性劑），或采取輕度瀝青氧化措施等稱為瀝青改性的措施，以提高瀝青或瀝青混合物的性能，提高瀝青路面的質(zhì)量。改性瀝青可改變?yōu)r青的化學成分，將改性劑均勻分布在瀝青上，形成一定的空間網(wǎng)[4]。

目前，最廣泛研究和應用的措施是在瀝青材料中添加聚合物改性添加劑，以提高混合物的機械性能。在瀝青中加入聚合物改性添加劑將大大提高改性瀝青的黏度，因為聚合物的黏度比瀝青高得多，因此瀝青混合物具有更高的流動性變形穩(wěn)定性。以提高溫度穩(wěn)定性為主要目標，并獲得高黏度和耐久性，這是目前國外對改性瀝青的研究和應用，但改性瀝青不是通用的，由于采用聚合物改性瀝青獲得高溫和流動穩(wěn)定性，其黏度增加，低溫柔性降低。整體熱穩(wěn)定性的改善比低溫性能的改善更容易實現(xiàn)。

關(guān)于瀝青的光氧化和熱氧化老化機制，使用抗氧化劑、淬火劑和光屏蔽對混合物進行改性。根據(jù)分子吸附理論，當瀝青與酸性石材接觸時，分子之間的相互作用力是物理吸附，而不是化學吸附，這種分子吸附是可逆的，這種物理吸附產(chǎn)生的耦合力要弱得多。目前，瀝青與石材的吸附效果得到了提高，如果通過測定石材的酸堿度，采用防腐劑，加入瀝青極性組分，提高了它們之間的粘附強度。

(2)優(yōu)化混合料的配合比設計

通過研究骨架形成規(guī)律及骨架形成條件下細材料填充特性，研究骨架密度與骨架密度的估計方法，分析基本孔徑參數(shù)和油對馬歇爾規(guī)律性指標的影響，從而實現(xiàn)最佳混合比設計，根據(jù)《道路瀝青路面施工技術(shù)手冊》的技術(shù)要求，對級聯(lián)選擇和山石比例進行合理優(yōu)化，在此基礎上進行了符合性設計、檢驗和工程檢驗。最終設計施工可行性、成本控制、瀝青混合性能，適當選擇瀝青品種改善瀝青路面[5]。

(3)其它工藝

①熱瀝青處理法。在有機溶劑小規(guī)模維修過程中，越來越多地采用熱瀝青處理方法，其中包括清潔的維修表面，該操作是第一次澆灌熱瀝青（0.4～0.6kg/m2），等待路面維修，然后將熱瀝青混合密封托盤。然而，這種方法不能保證一層與一層的粘附，因為用于粘合劑層的瀝青在修復表面和混合物之間的粘附強度非常低，以防裂縫弱和表面濕潤不均勻。瀝青在澆注粘性層前，與少量粘性溶劑混合，能很好地濕潤舊瀝青道路上的細裂縫和表面不規(guī)則，這是混合有機溶劑的新方法。該方法在一定程度上消除了老化對表面粘附的負面影響，促進了瀝青局部再生，并獲得更高的經(jīng)濟回報[6]。

②摻入水溶性微劑。對于濕表面處理，國外出現(xiàn)了水溶性微劑作為粘合劑的方法，其中包括：水的水分凈化和含有加速器和增塑劑的水溶性微劑的處理，以及熱瀝青的混合和密封涂層。水溶性微劑包括：脈醛樹脂、三聚氰胺甲醛樹脂、三聚氰胺脈樹脂和酚醛樹脂。

③瀝青道路基層封閉快速施工。隨著我國公路建設步伐不斷加快，瀝青混凝土路面成為主流，瀝青混凝土層剛度低，承載能力弱，必須建立基層作為半硬瀝青路面的主要承載層。

半剛性基座（Semi-Rigid Type Base）是指可以用無機化合物建造的基座，以穩(wěn)定板體并具有一定的彎曲強度。半剛性基層是鋪設在無機結(jié)合料穩(wěn)定土上的抗彎強度穩(wěn)定的基層，為板狀。

因此，基層施工控制體系尤為重要。半剛性基層具有一定的強度、剛度和穩(wěn)定性，具有良好的水穩(wěn)定性和抗凍性。但是，它能提供多種穩(wěn)定材料，選擇范圍廣，路面彈性變形小，使用壽命長，承載能力強。半剛性瀝青路面以其優(yōu)良的節(jié)能性能和明顯的社會效益，越來越受到人們的重視。穩(wěn)定類基層作為一種新型的層狀結(jié)構(gòu)，在廣泛應用的基礎上，應重視施工質(zhì)量控制。

4.結(jié)論

總之，影響瀝青路面耐久有很多因素，瀝青混合類型、瀝青與配料比、瀝青結(jié)構(gòu)、瀝青質(zhì)量、施工方法等內(nèi)在因素，以及實際交通條件等外在因素。隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，道路交通發(fā)揮著重要作用，我們正處于道路耐久性研究的初始階段，各種交通線路的建設者，正在盡一切努力確保道路暢通，并為社會創(chuàng)造舒適和開放的道路環(huán)境。