高寒地區(qū)道路結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)檢測(cè)及質(zhì)量?jī)?yōu)化方法探析

王武 劉華勛

摘要 為了提高高寒地區(qū)道路的耐久性和穩(wěn)定性，文章以西藏地區(qū)318國(guó)道高海拔段為研究測(cè)試項(xiàng)目，通過(guò)人工調(diào)查法和主成分分析法調(diào)查并建立了路面病害及性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，并以低溫測(cè)試和紫外線輻射測(cè)試檢測(cè)了不同改性瀝青的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改良后的高標(biāo)瀝青蠕變勁度最低為18 MPa，最小的蠕變速率為29 mm/年。此外，高標(biāo)改良瀝青的針入度、延度和軟化點(diǎn)變化幅度明顯低于基質(zhì)瀝青。

關(guān)鍵詞 高寒地區(qū)；道路結(jié)構(gòu)；低溫測(cè)試；改良瀝青

中圖分類(lèi)號(hào) U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）06-0152-03

0 引言

在我國(guó)廣大的疆域內(nèi)，高寒地區(qū)道路建設(shè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，如極端氣候條件、復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境、嚴(yán)重的凍土問(wèn)題等，這些因素對(duì)道路建設(shè)和維護(hù)提出了更高的要求[1]。為此，深入研究高寒地區(qū)道路結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)檢測(cè)及質(zhì)量?jī)?yōu)化方法，對(duì)于提高我國(guó)高寒地區(qū)道路建設(shè)水平具有重要意義。周家文對(duì)青海省共和至玉樹(shù)高速公路4.4 km試驗(yàn)段路面施工技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，提出了土工格室加固級(jí)配碎石基層的施工工藝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)能夠充分提高道路穩(wěn)定性，增加了其抗老化程度[2]。蔡相連等人針對(duì)高寒地區(qū)橡膠瀝青的衰減檢測(cè)問(wèn)題，提出了一種結(jié)合紅外光譜和掃描電鏡的檢測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)混合橡膠瀝青的運(yùn)輸時(shí)間為17 min以?xún)?nèi)，此時(shí)的瀝青溫度敏感度最低，最適合施工用料[3]。趙永輝針對(duì)高寒高海拔地區(qū)公路變形破壞進(jìn)行了調(diào)查，以拉張和剪切為主要方向設(shè)計(jì)了一種公路損壞防治措施。結(jié)果表明，這項(xiàng)措施能夠及時(shí)起到防止低溫和大雨環(huán)境下的道路破壞[4]。盡管道路病害預(yù)防和檢測(cè)方法在不斷更新，道路結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)檢測(cè)及質(zhì)量?jī)?yōu)化方法方面的問(wèn)題卻依然突出，嚴(yán)重制約了道路工程的質(zhì)量和效益[5]。因此，該文以318國(guó)道西藏境內(nèi)高海拔段的一條典型高寒道路作為研究對(duì)象，進(jìn)行了項(xiàng)目檢測(cè)和質(zhì)量?jī)?yōu)化，旨在提高高寒地區(qū)道路結(jié)構(gòu)性能。

1 項(xiàng)目概況

318國(guó)道林芝到巴河段位于西藏自治區(qū)東南部，全長(zhǎng)約200 km。公路起點(diǎn)位于林芝市境內(nèi)，終止于巴河鎮(zhèn)。該路段平均海拔4 750 m，路基寬度7.5 m，路面寬6 m。通過(guò)實(shí)地調(diào)查可知，該路段改性瀝青混凝土5～9 cm，半剛性基層18～20 cm，砂礫墊層15～20 cm。從林芝出發(fā)的近80 km路段，即K4159+840～K4162+810段為高山峽谷型地貌，剩余路段，即K4162+810～K4231+860段基本為山間寬谷型地貌。結(jié)合西藏自治區(qū)氣象局調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，該路段常年受暖濕氣流影響，最高氣溫為30.8 ℃，最低氣溫為?15.2 ℃，年平均氣溫為9.2 ℃。年降雨量平均為899.7 mm。該路段的道路平面簡(jiǎn)化圖如圖1所示。

由圖1可知，該路段緊鄰雅葉高速，途經(jīng)多個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)和旅游景點(diǎn)，涉及多個(gè)廠區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的發(fā)展。因此研究通過(guò)人工調(diào)查法對(duì)該路段進(jìn)行了病害調(diào)查。調(diào)查結(jié)果顯示，該路段沉陷占比28%，龜裂占比22%，松散占比15%，塊狀裂縫占比12%，縱向裂縫占比8%。其余路段零散分布車(chē)轍、擁包、坑槽、泛油等公路病害。結(jié)合以上數(shù)據(jù)可總結(jié)以下問(wèn)題：首先，由于318以客運(yùn)旅游為主，因此常年的重載交通反復(fù)碾壓，使得路面產(chǎn)生了裂縫、變形、車(chē)轍等。其次，高寒、高海拔地區(qū)受太陽(yáng)輻射和低溫冷凍等自然氣候影響，累計(jì)數(shù)年后使得瀝青表面變得硬脆，加速了材料老化。

2 項(xiàng)目測(cè)試指標(biāo)確定

研究嘗試通過(guò)主成分分析法對(duì)其中的最佳公路病害進(jìn)行定位，針對(duì)性地為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供方向。主成分分析法相較于熵值法能夠更直觀反映每一項(xiàng)指標(biāo)含量，通過(guò)數(shù)據(jù)排序后更利于路面性能意義的總結(jié)和建議。根據(jù)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》選取路面損壞狀況（PCI）、路面行駛質(zhì)量（RQI）、路面車(chē)轍深度（RDI）、路面抗滑性（SRI）、路面裂縫以及路面沉陷作為評(píng)定指標(biāo)。此時(shí)的路面使用性能指數(shù)如式（1）所示。

PQI=wPCI+wRQI+wRDI+wSRI （1）

式中，wPCI、wRQI、wRDI和wSRI——路面損壞狀況、路面行駛質(zhì)量、路面車(chē)轍深度以及路面抗滑性的指數(shù)。其權(quán)重值分別為0.6、0.4、0.3和0.2。經(jīng)Matlab對(duì)K4159+840

～K4231+860路段病害數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其關(guān)系矩陣如表1所示。

由表1可知，完成對(duì)項(xiàng)目路段的病害數(shù)據(jù)梳理后，直觀展示了病害相關(guān)性的數(shù)據(jù)大小。相關(guān)數(shù)據(jù)越大，則說(shuō)明病害越嚴(yán)重。相較于路面的損壞狀況、路面行駛質(zhì)量以及路面抗滑性而言，路面車(chē)轍深度、路面裂縫和路面沉陷的相關(guān)性數(shù)據(jù)反而最高，該數(shù)據(jù)結(jié)果與初始人工調(diào)查法所得結(jié)果大致相同，僅存在略微差異。究其原因，可能是在高海拔地區(qū)的公路施工中，設(shè)計(jì)偏重于路面的低溫性能，而疏忽了車(chē)轍處理。特別是作為旅游專(zhuān)線的318三級(jí)道路，其平均車(chē)流量大且主要為重載客車(chē)，因此更容易產(chǎn)生較深的車(chē)轍病害。綜上所述，研究確定將路面車(chē)轍深度、路面裂縫和路面沉陷作為后續(xù)測(cè)試的主要指標(biāo)，同時(shí)說(shuō)明了主成分分析法能夠契合人工調(diào)查法的實(shí)際數(shù)據(jù)，能夠?yàn)楹罄m(xù)的路面優(yōu)化和路面檢測(cè)提供一定的理論基礎(chǔ)。

3 項(xiàng)目路面材料優(yōu)化

路面材料在高寒地區(qū)的選擇至關(guān)重要，它直接影響到道路的抗凍性、抗滑性、耐久性等關(guān)鍵性能，對(duì)提升交通安全、維護(hù)路面品質(zhì)以及減少維護(hù)成本具有重要意義。為了應(yīng)對(duì)高寒地區(qū)嚴(yán)峻的氣候條件，路面材料必須具備卓越的低溫抗裂性和抗滑性能。常規(guī)的高標(biāo)基質(zhì)瀝青有110號(hào)、130號(hào)和160號(hào)，標(biāo)號(hào)越高，其黏度越大，更適用于具有挑戰(zhàn)性的道路。同時(shí)SBR作為一種瀝青混凝土添加劑，具有改善混凝土的性能，延長(zhǎng)道路的使用壽命，提高道路性能的特性。研究嘗試將SBR分別加入這些高標(biāo)瀝青以探索其性能變化。加入SBR后分別標(biāo)記為110-SBR、130-SBR和160-SBR。結(jié)果表明，這三種改良瀝青在25 ℃下，5 s內(nèi)每100 g的針入度分別為119.4 mm、131.6 mm和164.8 mm。軟化點(diǎn)分別為50.2 ℃、49.6 ℃和47.2 ℃。閃點(diǎn)分別為242 ℃、237 ℃和231 ℃。溶解度分別為99.45%、99.37%和99.28%。

4 項(xiàng)目路段試驗(yàn)檢測(cè)分析

4.1 低溫蠕變性能測(cè)試

選取318國(guó)道林芝到巴河段，從樁號(hào)K4159+840～

K4231+860中的任意4 km路段進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)。通過(guò)彎曲梁流變儀對(duì)6種試驗(yàn)瀝青類(lèi)型（見(jiàn)表2）進(jìn)行低溫蠕變性能測(cè)試，以彎曲蠕變勁度和蠕變速率為參考指標(biāo)來(lái)檢測(cè)各種瀝青的低溫性能。蠕變勁度越大，則說(shuō)明瀝青脆度越大，路面越容易出現(xiàn)裂縫。蠕變速率越大，則說(shuō)明道路變形的能力越大，抗變形能力越差，也越有可能發(fā)生道路沉陷。

由表2可知，針對(duì)同一種瀝青，不論是基質(zhì)瀝青還是改良瀝青，其蠕變勁度和蠕變速率都隨著溫度的降低而變大。因此，此時(shí)瀝青的脆度變大，路面就越容易出現(xiàn)裂縫和沉陷。同一種瀝青進(jìn)行改良后，測(cè)試數(shù)據(jù)明顯低于改良前。最低的蠕變勁度值為160-SBR號(hào)瀝青在0 ℃時(shí)的18 MPa，最小的蠕變速率值同樣為160-SBR號(hào)瀝青在0 ℃的29 mm/年。此外，結(jié)合對(duì)車(chē)轍深度的數(shù)據(jù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，同一種瀝青材料中，隨著溫度的降低，其車(chē)轍檢測(cè)深度明顯減小，導(dǎo)致該現(xiàn)象的原因可能是高溫會(huì)導(dǎo)致瀝青道路的柔軟程度增加。當(dāng)車(chē)輛通過(guò)時(shí)，車(chē)輪施加的承載力會(huì)使得路面材料變形，從而造成更深的車(chē)轍。另外，隨著瀝青標(biāo)號(hào)的增加，車(chē)轍深度也不斷減小。加入SBR改良劑后，相較于基質(zhì)瀝青，其車(chē)轍深度明顯減小，最小的車(chē)轍深度值為160-SBR號(hào)瀝青在?24 ℃時(shí)的5 mm。結(jié)合以上數(shù)據(jù)，證明了SBR改良瀝青能夠加強(qiáng)道路的綜合性能，降低路面脆度，增加其抗變形能力。同時(shí)，160-SBR號(hào)瀝青最能夠適應(yīng)高寒環(huán)境下的道路施工建設(shè)，具有優(yōu)越的適應(yīng)力。

4.2 太陽(yáng)輻射下紫外線對(duì)道路結(jié)構(gòu)的影響測(cè)試

結(jié)合西藏氣象局2020—2021年的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全區(qū)大部分地區(qū)太陽(yáng)輻射年均達(dá)6 000～8 000 MJ/m2。大量的太陽(yáng)輻射會(huì)加速瀝青老化，因此研究高寒地區(qū)的紫外線輻射對(duì)道路結(jié)構(gòu)的影響是十分必要的。研究設(shè)置1 200 W/m2的紫外線燈光，在封閉環(huán)境下分別澆筑表2中6種瀝青的混凝土樣本，厚度控制在0.8～1 mm?？紤]160號(hào)及160-SBR號(hào)瀝青的高標(biāo)瀝青質(zhì)地較軟，施工過(guò)程中用量較少，因此研究?jī)H針對(duì)其余4種瀝青進(jìn)行了不同時(shí)間段的老化診斷，以針入度、軟化點(diǎn)和延度試驗(yàn)為參考指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2（a）為瀝青針入度隨時(shí)間變化曲線，圖2（b）為瀝青軟化點(diǎn)隨時(shí)間變化曲線，圖2（c）為瀝青延度隨時(shí)間變化曲線。由圖2可知，隨著紫外線輻射時(shí)間的增加，四種瀝青的針入度和延度都逐漸降低，而軟化點(diǎn)溫度逐漸增高。其中，相較于基質(zhì)瀝青，加入SBR改良后的瀝青測(cè)試值都明顯較優(yōu)。其中110-SBR瀝青的針入度變化幅度最大約為20 mm，延度變化幅度最大約為60 cm，軟化點(diǎn)變化幅度最大約為15 ℃。130-SBR瀝青的針入度變化幅度最大約為10 mm，延度變化幅度最大約為30 cm，軟化點(diǎn)變化幅度最大約為8 ℃。對(duì)比數(shù)據(jù)說(shuō)明，SBR改良后的瀝青受太陽(yáng)輻射的影響變化較小，130標(biāo)號(hào)的瀝青較110號(hào)瀝青綜合表現(xiàn)性能更佳，更適合高寒地區(qū)的道路施工建設(shè)，該研究結(jié)果為后續(xù)的道路養(yǎng)護(hù)和道路延長(zhǎng)使用壽命提供了理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

該文針對(duì)318國(guó)道西藏境內(nèi)的高海拔路段進(jìn)行了試驗(yàn)檢測(cè)和質(zhì)量?jī)?yōu)化。通過(guò)人工調(diào)查法收集了該路段的主要道路病害，以主成分分析法建立了路面性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。另外，針對(duì)不同改性瀝青進(jìn)行了低溫測(cè)試和抗輻射測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改良后的高標(biāo)瀝青的蠕變勁度和蠕變速率都明顯低于基質(zhì)瀝青，其最低的蠕變勁度和最小的蠕變速率值皆為160-SBR號(hào)瀝青在0 ℃時(shí)的18 MPa和29 mm/年。此外，隨太陽(yáng)輻射的時(shí)間延長(zhǎng)，130-SBR瀝青的針入度變化幅度最大約為10 mm，延度變化幅度最大約為30 cm，軟化點(diǎn)變化幅度最大約為8 ℃。該數(shù)據(jù)相較于基質(zhì)瀝青變化較小更適合西藏高寒地區(qū)的道路建設(shè)。然而，此次研究雖然分析了路面病害，但未分析瀝青對(duì)病害的影響，后續(xù)研究可補(bǔ)全該部分結(jié)論，以增加研究的全面性。

參考文獻(xiàn)

[1]魏新晨. 高海拔地區(qū)瀝青公路常見(jiàn)病害形式及防治措施[J]. 四川建材， 2021（2）： 187-188.

[2]周家文. 高海拔高寒區(qū)路面底基層施工技術(shù)分析[J]. 黑龍江交通科技， 2021（3）： 8-11.

[3]蔡相連， 王昊宇， 王敏， 等. 高寒地區(qū)橡膠瀝青混合料施工溫度衰減特性[J]. 公路， 2023（4）： 52-58.

[4]趙永輝. 高海拔深厚覆蓋層庫(kù)區(qū)公路變形破壞特征及防治措施研究[J]. 公路， 2021（5）： 12-17.

[5]肖驍. 高海拔山區(qū)公路水泥乳化瀝青碎石基層施工技術(shù)研究[J]. 石油化工建設(shè)， 2022（7）： 157-159.