高速公路瀝青路面在高寒氣候條件下的耐久性研究

摘要：通過介紹瀝青路面時(shí)溫度場分析，包括年溫度變化區(qū)間劃分、溫度場計(jì)算模型及溫度應(yīng)力計(jì)算，深入分析了溫度應(yīng)力影響因素及計(jì)算方法。建立耐久性評價(jià)模型，依據(jù)所構(gòu)建的模型，對瀝青路面在極端寒冷氣候中的溫度應(yīng)力耐久性進(jìn)行評估，并深入分析了路基在遭遇不均勻融沉變形與行車荷載共同作用下的耐久性表現(xiàn)。研究結(jié)果表明，高寒氣候?qū)r青路面耐久性有顯著影響，需采取針對性措施以提升路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用壽命。

關(guān)鍵詞：高速公路；瀝青路面；高寒氣候；耐久性

0" "引言

低溫環(huán)境是高寒地區(qū)最為顯著的氣候特征之一，長時(shí)間的低溫條件會(huì)導(dǎo)致瀝青路面材料的低溫抗裂性能下降，增加路面開裂的風(fēng)險(xiǎn)。特別是在極端寒冷天氣下，瀝青混合料的體積收縮會(huì)加劇，從而引發(fā)裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展，嚴(yán)重影響路面的使用壽命和行車安全[1-2]。為直觀的掌握溫度場變化對瀝青路面的影響，本文開展高速公路瀝青路面在高寒氣候條件下的耐久性研究。

1" "高速公路瀝青路面時(shí)溫度場分析

1.1" "瀝青路面時(shí)溫度場分析

1.1.1" "年溫度變化區(qū)間劃分

基于年溫度變化角度分析，按照溫度變化，可將年溫度狀況劃分為4個(gè)階段。如年溫度變化區(qū)間劃分圖1所示。從圖1可以看出，秋末冬初的快速降溫時(shí)段溫度變化顯著，氣溫逐日下滑，晝夜溫差高達(dá)14℃，尤以11月為甚。進(jìn)入嚴(yán)冬，持續(xù)低溫加劇，溫差縮小但低溫累積，嚴(yán)重影響瀝青混合料應(yīng)力松弛，使前期病害進(jìn)一步發(fā)展[3]。

基于此，將研究重點(diǎn)聚焦于對路面結(jié)構(gòu)破壞顯著快速降溫期。后續(xù)分析將聚焦于快速降溫時(shí)段，精準(zhǔn)計(jì)算時(shí)溫度場，深入探究溫度應(yīng)力，以期提升瀝青路面在極端氣候下的耐久性[4]。

1.1.2" "瀝青路面時(shí)溫度場計(jì)算模型

瀝青路面的溫度應(yīng)力計(jì)算依托于精確的時(shí)溫度場數(shù)據(jù)。在進(jìn)行計(jì)算時(shí)，采用小時(shí)為單位，詳細(xì)剖析了非周期性的瞬態(tài)溫度場變化，以明確瀝青面層溫度如何隨氣溫波動(dòng)而變動(dòng)。鑒于外部環(huán)境對路面直接作用的局限性，對時(shí)溫度場模型進(jìn)行合理簡化，剔除天然地面以下的部分，專注于路基與路面結(jié)構(gòu)的溫度變化分析，以此精準(zhǔn)確定邊界條件，為后續(xù)應(yīng)力分析奠定基礎(chǔ)。瀝青路面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)本文研究的重點(diǎn)，建立快速降溫期瀝青路面時(shí)溫度場計(jì)算模型。在此過程中，依據(jù)熱傳導(dǎo)理論，考慮瀝青路面的材料特性、外界氣溫變化以及路面結(jié)構(gòu)的幾何尺寸，建立路面熱傳導(dǎo)方程，描述熱量在瀝青路面內(nèi)部傳遞的過程[5]。其中一維熱傳導(dǎo)方程可表示為下述公式：

式中：?代表偏導(dǎo)數(shù)，t代表溫度，t'代表溫度隨時(shí)間變化的系數(shù)，ε代表熱擴(kuò)散率，x代表沿路面深度的坐標(biāo)。

在模擬開始時(shí)，假設(shè)整個(gè)路面結(jié)構(gòu)處于某一均勻溫度，以此為依據(jù)，設(shè)定如下計(jì)算公式所示的初始條件。

式中：γ代表初始時(shí)刻路面各點(diǎn)的溫度。

路面表面溫度通常與外界氣溫緊密相關(guān)，但會(huì)受到太陽輻射、風(fēng)速等多種因素影響。簡化模型中，可假設(shè)表面溫度與氣溫之間存在一定的滯后和衰減關(guān)系，則建立如下公式所示瀝青路面時(shí)溫度場模型：

式中：ts代表瀝青路面時(shí)溫度場模型，ta代表路面表面溫度，?t'代表初始時(shí)刻路面表面溫度與氣溫的差值，e代表外界氣溫；μ代表衰減系數(shù)。按照上述公式，即可完成溫度場模型的構(gòu)建。

1.2" "瀝青路面溫度應(yīng)力分析

1.2.1" "瀝青路面溫度應(yīng)力影響因素

瀝青路面溫度應(yīng)力受時(shí)溫度場制約，其外因同溫度場，涉及氣溫、輻射、風(fēng)向風(fēng)速及蒸發(fā)耗熱等因素[6]?；诖耍崛r青路面溫度應(yīng)力影響因素圖3所示。

1.2.2" "溫度應(yīng)力計(jì)算

針對溫縮裂縫的橫向特性，將溫度應(yīng)力計(jì)算簡化為瀝青路面縱剖面模型[7]。其目的在在高效計(jì)算，同時(shí)確保模型準(zhǔn)確反映關(guān)鍵溫度應(yīng)力影響因素，為裂縫預(yù)防與控制提供可靠依據(jù)。瀝青路面縱剖面模型如圖4所示。

在此基礎(chǔ)上，以結(jié)構(gòu)面層為例，進(jìn)行路面溫度應(yīng)力計(jì)算。在熱彈性力學(xué)中，溫度變化會(huì)引起材料的熱應(yīng)變，進(jìn)而產(chǎn)生應(yīng)力[8]。對于一維情況，應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系可以表示為：

式中：φ代表應(yīng)力，z代表材料的彈性模量，σ代表由于溫度變化引起的熱應(yīng)變。

在多層路面結(jié)構(gòu)中，由于各層材料的熱物理性質(zhì)不同，溫度梯度可能導(dǎo)致層間剪應(yīng)力的產(chǎn)生。剪應(yīng)力可以通過層間位移的微分關(guān)系計(jì)算。計(jì)算公式如下。

式中：?代表層間剪應(yīng)力，g代表層間材料的剪切模量，?u代表層間位移差，?u代表層間距離。

基于彈性力學(xué)原理基礎(chǔ)上，考慮路面橫向和豎向的應(yīng)力，建立平衡方程，計(jì)算路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力。計(jì)算公式如下：

式中：φ1代表路面橫向應(yīng)力，φ2代表路面縱向應(yīng)力，φ代表路面溫度梯度，l代表溫度分量。通過上述方式，完成瀝青路面溫度應(yīng)力的計(jì)算，為后續(xù)路面耐久性評估打下基礎(chǔ)。

2" "瀝青路面高寒氣候條件下耐久性評價(jià)

2.1" "建立耐久性評價(jià)模型

結(jié)合上述構(gòu)建的瀝青路面時(shí)溫度場計(jì)算模型，對高寒氣候條件下高速公路瀝青路面耐久性進(jìn)行評價(jià)。引入木桶原理，將其作為高寒氣候條件下高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)耐久性評價(jià)模型。在本研究中，木桶原理被應(yīng)用于評估高寒環(huán)境下路面結(jié)構(gòu)的預(yù)期使用壽命。這一模型中，“盛水量”的象征性表達(dá)被轉(zhuǎn)化為量化指標(biāo)，直接對應(yīng)路面結(jié)構(gòu)在高寒氣候條件下的耐久性。

設(shè)路面結(jié)構(gòu)的整體耐久性（或預(yù)期使用壽命）為D，其由N個(gè)關(guān)鍵評價(jià)指標(biāo)（即“木板”）共同決定，每個(gè)指標(biāo)的貢獻(xiàn)或影響程度用Fi（Xi）表示，其中Xi是第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的具體量值，則可得到下式：

式中：F代表綜合函數(shù)，可根據(jù)各評價(jià)指標(biāo)具體值和對耐久性影響的相對重要性，來綜合評估整體耐久性。

假設(shè)各因素間相對獨(dú)立且影響線性疊加，則可采用加權(quán)求和的形式，具體計(jì)算公式如下：

式中：Wi代表第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，反映了該指標(biāo)對整體耐久性的相對重要性。

2.2" "耐久性評價(jià)結(jié)果

2.2.1" "溫度應(yīng)力耐久性分析

利用上述構(gòu)建的評價(jià)模型，探討高寒環(huán)境下瀝青路面溫度應(yīng)力的耐久性時(shí)，需關(guān)注快速降溫導(dǎo)致的顯著溫度梯度現(xiàn)象。這種梯度在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成差異變形，尤其是表層收縮受下層約束時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大溫縮應(yīng)力。若此應(yīng)力超越瀝青混凝土的抗拉極限，便會(huì)導(dǎo)致面層開裂。其中最為常見的是均勻分布的橫向裂縫。

通常橫向裂縫的特征是裂縫間隙較窄且自表面向下發(fā)展，主要由溫度應(yīng)力導(dǎo)致，屬于典型的溫度型裂縫病害。5種不同路面結(jié)構(gòu)在溫度應(yīng)力方面的耐久性評價(jià)結(jié)果如表1所示，其直觀反映了各結(jié)構(gòu)在應(yīng)對溫度變化時(shí)的性能。表1定義了5種不同的路面結(jié)構(gòu)組合，每種組合均將瀝青面層作為基礎(chǔ)層，但其余層級的構(gòu)成有所不同。

ACGR組合由瀝青面層、瀝青碎石層、級配碎石層以及半剛性基層依次疊加構(gòu)成，全面覆蓋多種材料層，以提供復(fù)雜但穩(wěn)固的路面結(jié)構(gòu)。ACG組合包含瀝青面層、瀝青碎石層及級配碎石層，省略了半剛性基層，可能適用于特定條件下的簡化路面需求。ACR組合由瀝青面層、瀝青碎石層直接過渡至半剛性基層，省略了級配碎石層，可能在某些設(shè)計(jì)中更注重基層的承載性能。AGR組合由瀝青面層、級配碎石層及半剛性基層組成，省略了瀝青碎石層，可能在成本或施工便捷性上有特殊考慮。AR為最簡化的組合，僅包含瀝青面層與半剛性基層，適用于對路面結(jié)構(gòu)要求不高的場合或?qū)⑵渥鳛閷Ρ然鶞?zhǔn)。

表1中“√”代表應(yīng)力強(qiáng)度，“√”數(shù)量越多，則說明應(yīng)力越強(qiáng)。上述5種路面結(jié)構(gòu)關(guān)于溫度應(yīng)力的耐久性評價(jià)，從優(yōu)到劣的順序?yàn)锳GR＞ACG＞AR＞ACGR＞ACR。

2.2.2" " 路基不均勻融沉變形與行車荷載作用下耐久性分析

高寒條件下，路基面臨不均勻融沉變形與行車荷載的雙重挑戰(zhàn)，二者削弱了路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。行車振動(dòng)與沖擊效應(yīng)加劇路基融沉，誘發(fā)裂縫、凹陷等病害，加速了道路老化，使使用壽命進(jìn)一步縮短。在融沉深度保持恒定情況下，對于不同的路面結(jié)構(gòu)配置，隨著融沉范圍擴(kuò)大，由兩者綜合作用產(chǎn)生的應(yīng)力通常呈現(xiàn)下降趨勢。

路基融沉與行車荷載聯(lián)合效應(yīng)下耐久性評價(jià)結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析可知，AR結(jié)構(gòu)在路基融沉與荷載雙重作用下受影響最為顯著，而ACGR結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出最小的敏感度。因此，針對高寒環(huán)境下的綜合作用耐久性評估，5中路面結(jié)構(gòu)類型的表現(xiàn)優(yōu)劣排序?yàn)锳CGR＞ACG＞AGR＞ACR＞AR。

3" "結(jié)束語

低溫環(huán)境是高寒地區(qū)最為顯著的氣候特征之一，長時(shí)間的低溫條件會(huì)導(dǎo)致瀝青路面材料的低溫抗裂性能下降，增加路面開裂的風(fēng)險(xiǎn)。為直觀的掌握溫度場變化對瀝青路面的影響，本文開展高速公路瀝青路面在高寒氣候條件下的耐久性研究，得到如下結(jié)論：

優(yōu)化瀝青混合料的配比和路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有助于提升高寒地區(qū)瀝青路面的耐久性。5種路面結(jié)構(gòu)關(guān)于溫度應(yīng)力的耐久性評價(jià)，從優(yōu)到劣的順序?yàn)锳GR＞ACG＞AR＞ACGR＞ACR。針對高寒環(huán)境下的綜合作用耐久性評估，5種路面結(jié)構(gòu)類型的表現(xiàn)優(yōu)劣排序?yàn)锳CGR＞ACG＞AGR＞ACR＞AR。

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