西北地區(qū)高速公路瀝青路面病害分析與自愈合修復(fù)技術(shù)

摘要 西北地區(qū)高速公路病害繁多，嚴重影響了瀝青路面的使用壽命，為了確保高速公路的安全、平穩(wěn)運行，文章首先對瀝青路面的病害及其成因進行了實地勘察和分析調(diào)研，然后對西北嚴寒地區(qū)的高速公路瀝青路面的破壞類型進行了分類，總結(jié)了路面的預(yù)防性養(yǎng)護措施，最后基于路面無損檢測方法探明路面損害位置的損傷程度，制備了一種瀝青路面微膠囊自愈合添加劑，通過激發(fā)瀝青材料的流變性以激活瀝青材料的自愈合能力，從而避免瀝青路面裂縫的進一步擴展。

關(guān)鍵詞 瀝青路面；病害分析；預(yù)防性養(yǎng)護；自愈合

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0081-03

0 引言

西北地區(qū)地質(zhì)類型主要為山地和溝壑，年降雨量稀少，且部分地區(qū)晝夜溫差較大。在嚴寒地區(qū)，瀝青路面容易受到凍融循環(huán)的影響，導(dǎo)致龜裂、破碎、松散等問題，加劇路面的破損程度。瀝青路面常見的病害主要包括龜裂、坑洼、變形等，這些病害不僅影響行車的平穩(wěn)性和安全性，還加速了路面的老化和破損。目前，我國西北地區(qū)缺乏對路面病害的早期監(jiān)測及預(yù)防措施，尚未在病害早期采取預(yù)防性的防治措施，導(dǎo)致路面的病害進一步加劇，且影響范圍也更加廣泛。董瑞琨等[1]通過室內(nèi)及現(xiàn)場試驗，分析了高速公路瀝青路面的老化機理，認為熱循環(huán)會加劇路面瀝青材料的老化，同時指出瀝青路面的老化不僅發(fā)生在路面表面而且也發(fā)生在路面內(nèi)部，老化熱會引起路面局部應(yīng)力集中。王麗娟等[2]采用室內(nèi)試驗對路面循環(huán)荷載作用下的瀝青路面壽命進行了預(yù)測，同時確定了瀝青路面裂縫長度可作為預(yù)防性養(yǎng)護的指標，明確了瀝青路面最經(jīng)濟的養(yǎng)護方法和養(yǎng)護時機。目前在研究瀝青路面病害方面，主要關(guān)注龜裂、坑洼、松散等問題的成因分析。該文通過實地調(diào)查和試驗發(fā)現(xiàn)，一些研究強調(diào)了瀝青混合料的配合比、施工工藝、原材料選擇等因素對路面病害的影響[3]，可為后續(xù)的瀝青路面維護提供參考。

1 高速公路瀝青路面病害調(diào)查及成因分析

高速公路瀝青路面，作為承受車輛荷載的主要組成部分，經(jīng)常面臨著各種病害的困擾。為了確保高速公路的安全、平穩(wěn)運行，該文對瀝青路面的病害及其成因進行實地勘察和分析調(diào)研。實地勘察是研究高速公路瀝青路面病害的首要步驟，通過對特定路段的實地走訪和照片拍攝，觀察路面的裂縫、坑洼、破碎等病害情況，以獲取翔實的病害信息，包括路段交通流量、氣象條件、地質(zhì)特征等。

1.1 路面裂縫

目前關(guān)于高速公路瀝青路面的研究表明，半剛性基層路面產(chǎn)生的裂縫以橫向裂縫為主。目前我國西北大部分地區(qū)高速公路路面采用半剛性支承路面，從而導(dǎo)致瀝青路面的裂縫是該地區(qū)最為廣泛的破壞類型。根據(jù)路面裂縫的成因和發(fā)育擴展方向的類型，可將瀝青路面的裂縫分為橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂等類型。圖1、圖2為我國西北某省的高速公路裂縫類型病害圖。

1.2 路面龜裂

高速公路上的溫度龜裂是一種常見的裂縫病害，主要因晝夜溫差變化過程中發(fā)生的熱應(yīng)力而引起。這些裂縫通常呈放射狀或細長的形態(tài)，從路面的中央開始向外輻射。例如甘肅省平均晝夜溫差達到15℃，高速公路在晝夜溫差、季節(jié)性溫差及日夜之間的溫度變化下，會經(jīng)歷溫度的急劇升降，導(dǎo)致路面路基不同部分的膨脹和收縮程度不同，從而在路面表層和深層瀝青層中形成熱應(yīng)力。路面材料性質(zhì)差異主要表現(xiàn)為不同材料對溫度的響應(yīng)不同，路面上使用的瀝青混合料、基層材料等具有不同的膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率，這種差異會導(dǎo)致材料之間的不匹配，從而加劇溫度應(yīng)力的產(chǎn)生。如果路面結(jié)構(gòu)設(shè)計或施工不均勻，如瀝青黏度、厚度不一致，路面各部分在溫度變化下的響應(yīng)差異將導(dǎo)致溫度龜裂的形成。

1.3 路面變形

在通行車輛循環(huán)荷載的碾壓下，瀝青路面會在沿車輪運動方向形成較大的縱向凹陷車轍。圖3為瀝青路面在長期交通荷載作用下的路面凹陷圖，從圖中可知車轍的深度達到10 mm，這會嚴重影響路面交通安全及通行質(zhì)量。瀝青路面的車轍分布范圍較廣且修補困難，其主要成因分析如下：

（1）車輛荷載。車輛行駛時對路面施加了周期性的荷載，特別是在高交通流量、重荷載交通路段，車輪對路面的垂直載荷和水平力會導(dǎo)致路面變形，形成凹陷車轍。

（2）瀝青材料性質(zhì)。路面瀝青混合料具有一定的黏彈性，但隨著時間的推移和外部因素（如氣候和交通荷載）的影響，瀝青可能會逐漸硬化且失去彈性，導(dǎo)致路面更容易留下車轍。

（3）頻繁濕潤條件。在潮濕或多雨的氣候條件下，路面表面容易被水分浸潤，使得路面材料失去部分抗剪強度。在車輛行駛時，由于輪胎與濕潤的路面相互作用，更容易在路面上留下車轍。

（4）路面結(jié)構(gòu)問題。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，或者施工工藝不當，引起瀝青路面在壓實過程中密實度不夠等情況，將導(dǎo)致路面不均勻沉降，從而加劇車轍的形成。

2 高速公路瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護指標標準

高速公路瀝青路面的預(yù)防性養(yǎng)護是為了延長路面使用壽命、提高路面性能，并減少后期養(yǎng)護成本。預(yù)防性養(yǎng)護的指標標準通常包括以下4個方面，通過對路面的裂縫及瀝青路面進行檢測，從而根據(jù)路面損傷情況及檢測標準制定相應(yīng)的處理措施。

2.1 裂縫指標

路面裂縫是瀝青路面早期病害的常見形式，早期階段的裂縫為短小的微裂縫。通常這種裂縫不易察覺，同時缺乏對瀝青路面微裂縫的檢測手段，隨著過往車輛的循環(huán)加載，路面的微裂縫會進一步增大和擴展，尤其在冬季的西北地區(qū)，裂縫中的雨水或者雪水受冷結(jié)冰后會導(dǎo)致裂縫進一步增大，嚴重時還會導(dǎo)致路面鼓起和路面基層破壞，一旦裂縫開始發(fā)展將難以控制。但如果在裂縫早期，可及時對路面進行預(yù)防性養(yǎng)護處理響應(yīng)，從而從根本上解決西北地區(qū)半剛性路基瀝青路面的裂縫發(fā)育問題。

2.2 瀝青路面的檢測指標

（1）平整度指標。用于評估路面的平整度，通常以國際粗糙度指數(shù)（IRI）為主，根據(jù)車輛在行駛過程中的震動和不適度量化路面的平整性。路面不平整處形成的凹陷容易導(dǎo)致積水，從而加大路面結(jié)構(gòu)強度的衰減速度。通過定期監(jiān)測和平整度維護，可及時發(fā)現(xiàn)并處理路面微小的不平整部位，有助于延長路面的使用壽命，減輕車輛行駛的震動。

（2）摩擦系數(shù)指標。通過定期的瀝青路面摩擦系數(shù)測試，評估路面的抗滑性能，確保路面在各種氣象條件下對車輛提供足夠的抓地力。

（3）表面狀況指標。通過檢測龜裂密度和類型，了解路面的裂縫狀況，從而制定相應(yīng)的預(yù)防性養(yǎng)護措施。

（4）坑洼和變形指數(shù)。衡量路面表面的坑洼和變形情況，幫助及早發(fā)現(xiàn)并修復(fù)路面問題。

（5）瀝青混合料性能指標。1）抗剪強度和彈性模量，評估瀝青混合料的力學性能，確保在交通荷載下具有足夠的強度和彈性，抵抗龜裂和變形。2）瀝青含量和瀝青質(zhì)量指標，確保瀝青混合料中的瀝青含量符合設(shè)計要求，維持瀝青與骨料及添加劑等混合料的質(zhì)量穩(wěn)定。

2.3 路面控制性指標

（1）預(yù)防性養(yǎng)護是在路面結(jié)構(gòu)尚未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷時，通過檢測監(jiān)控路面病害的進一步發(fā)展趨勢。在路面病害發(fā)展初期或者裂縫持續(xù)發(fā)展前進行及時修補處理，采取修補措施不僅可以預(yù)防病害進一步發(fā)展，而且可以恢復(fù)路面的使用功能。

（2）預(yù)防性養(yǎng)護的目標是改善路面的功能狀況，減緩路面結(jié)構(gòu)破壞的進程，適用于路面性能良好或僅存在小規(guī)模病害的路況。

（3）預(yù)防性養(yǎng)護是一種有計劃的周期性養(yǎng)護技術(shù)，判斷養(yǎng)護時機、選定需養(yǎng)護的路段及采用適當?shù)酿B(yǎng)護措施。同時，通過在路面使用期間多次實施預(yù)防性養(yǎng)護，延緩大、中修的頻率。

（4）通過實施預(yù)防性養(yǎng)護措施能夠有效提高路面的養(yǎng)護效益，有助于及時處理路面輕微病害，減少由于路面病害不斷惡化而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性破壞損失。同時，大、中修的次數(shù)和后期維修養(yǎng)護費用顯著減少，從而產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟和社會效益。

2.4 預(yù)防性養(yǎng)護標準

根據(jù)《公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》（JTG 5142—2019）[4]中對瀝青路面損壞狀況指數(shù)PCI的規(guī)定，可及時開展養(yǎng)護措施。技術(shù)規(guī)范中指出在滿足PCI要求前提下，當PCI≥70時需要開展日常養(yǎng)護，并進行路面的局部修整；當PCIlt;70時，對路面進行中修或者部分位置的大修處理。但該技術(shù)規(guī)范中并未對預(yù)防性養(yǎng)護標準做出相應(yīng)規(guī)定，因此需要結(jié)合常用的PCI評價標準和西北地區(qū)瀝青高速公路路段的PCI衰減曲線，制定數(shù)字化的預(yù)防性養(yǎng)護標準。表1為《公路技術(shù)狀況評定標準》（JTG 5210—2018）中對高速公路瀝青路面損傷的PCI分級，從表中可以看出PCI≥92的瀝青路面無須預(yù)防性養(yǎng)護，路面結(jié)構(gòu)良好、路面損傷程度極小，路面可以正常使用；對于PCI指數(shù)lt;80的路面，其瀝青路面結(jié)構(gòu)存在部分問題，例如細微裂縫、路基損傷、塌陷等，因此應(yīng)及時采取預(yù)防性養(yǎng)護處理。路面損壞是隨著時間呈現(xiàn)指數(shù)型增長，因此為了避免路面結(jié)構(gòu)進一步破壞，盡早地進行養(yǎng)護，可以最大限度地對路面結(jié)構(gòu)進行保護。

表1 瀝青路面PCI評價標準

評價級別 優(yōu)秀 良好 中等 較差 較次

PCI ≥92 80～90 70～80 60～70 lt;60

3 微膠囊自愈合劑在路面瀝青中的應(yīng)用研究

瀝青路面出現(xiàn)裂縫后應(yīng)及時進行修復(fù)，該文采用物理-化學方法制備了一種可自愈合的微膠囊瀝青添加劑。微膠囊自愈合材料是以葵花籽油作為囊芯，聚脲醛樹脂為囊壁。為了驗證這種材料的適用性，以及自愈合膠囊與瀝青材料的兼容性，在不同溫度的瀝青中添加微膠囊材料進行動態(tài)剪切模量及相位角的研究，通過這些參數(shù)可以評價自愈合膠囊材料在瀝青路面修補中的效果。對于瀝青路面這種復(fù)雜的有機混合物來說，通過激發(fā)瀝青材料的流變性可以激活瀝青材料的自愈合能力，從而避免瀝青路面裂縫的進一步擴展。瀝青路面是一種隨溫度變化的流變性黏性材料，通過探究微膠囊的摻入量和溫度的變化關(guān)系，可以分析摻入量對瀝青黏度的影響關(guān)系。表2為微膠囊摻入量與流動性的統(tǒng)計表。從表2可知，瀝青材料的黏度值隨著溫度的升高而不斷降低，高溫時瀝青材料的黏性占主導(dǎo)優(yōu)勢，摻入微膠囊后的瀝青在140°C和180°C的黏度值均呈現(xiàn)增大趨勢，140°C時黏度均在500 mPa·s 以上，而180°C時則降低至90～110 m Pa·s 之間，且隨著摻入量的增加而逐漸升高。為了提高瀝青路面的鋪設(shè)效果，可以在180°C左右摻入微膠囊進行拌和、鋪平。

表2 微膠囊摻入量與流動性的統(tǒng)計表

測試項目 測試溫度/℃ 微膠囊摻入量/%

— — 0 0.3 0.5 0.7 1.0

黏度/mPa·s 140 475 514 536 574 590

180 80 91 96 104 109

圖4為膠囊摻入量對瀝青材料的復(fù)數(shù)模量與相位角的影響關(guān)系曲線圖。從圖中可以看到，隨著微膠囊摻入量的增加，瀝青材料的動剪切模量呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢。但是溫度對瀝青的動態(tài)剪切模量影響較大。相位角則與動態(tài)剪切模量的變化相反。隨著微膠囊摻入量的增加，相位角逐漸減小。試驗溫度升高后，瀝青的流動性顯著增加，導(dǎo)致微膠囊的阻礙效果減小。通過試驗可知，微膠囊自愈合瀝青的最佳使用溫度在46°C附近，這可以確保微膠囊摻入后的瀝青材料在夏天高溫環(huán)境中增加流動性，從而對路面微裂隙進行自愈合修復(fù)。

圖4 微膠囊自愈合瀝青的動剪切模量與相位角

4 結(jié)語

通過對高速公路路面病害的調(diào)研及分析，結(jié)合路面病害的發(fā)展規(guī)律提出了路面預(yù)防性養(yǎng)護處理措施，及早發(fā)現(xiàn)路面病害并針對性地進行路面養(yǎng)護，以提高大溫差地區(qū)路面的使用壽命，及時發(fā)現(xiàn)并修復(fù)潛在問題路面結(jié)構(gòu)。因此，該文提出了一種采用葵花籽油作為囊芯、聚脲醛樹脂為囊壁的自愈合微膠囊添加劑，摻入膠囊添加劑后的瀝青材料可以在夏天高溫環(huán)境中增加流動性，對路面微裂隙進行自愈合修復(fù)。

參考文獻

[1]董瑞琨，孫立軍.路面維護及預(yù)防性養(yǎng)護效益分析[J].公路，2004（3）：121-125.

[2]王小鳳.基于全生命周期分析的瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護時機及策略研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2013.

[3]熊濤，傅琴華.同步碎石封層技術(shù)在瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護施工中的應(yīng)用[J].中國公路，2021（18）：108-109.

[4]公路瀝青路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范：JTG 5142—2019[S].北京：人民交通出版社，2019.