高性能瀝青混凝土在極端氣候條件下的應(yīng)用研究

摘要：氣候變化的加劇使極端氣候事件的發(fā)生頻率和強(qiáng)度不斷增加，這也對基礎(chǔ)設(shè)施，特別是道路工程的影響愈加顯著。普通的瀝青混凝土在這些極端氣候條件下往往面臨耐久性差、抗裂性弱、老化速度快等問題，在此情況下，開發(fā)和應(yīng)用高性能瀝青混凝土成為解決這一問題的有效途徑。研究當(dāng)前主要的高性能瀝青混凝土類型，探討在極端氣候環(huán)境下高性能瀝青混凝土的應(yīng)用效果，評估其在不同氣候條件下的性能表現(xiàn)，為道路工程建設(shè)材料的選擇提供實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高性能瀝青混凝土 極端氣候條件 道路工程 [wl1] 改性瀝青

Research on the Application of High-Performance Asphalt Concrete Under Extreme Climate Conditions

LI Yan’guang 1，2 GUO Huaicun 1，2 WANG Yongji 1，2

1.Gansu Changlong Highway Maintenance Technology Research Institute Co.， Ltd.， Lanzhou， Gansu Province， 730030 China;2. Gansu Provincial Transportation Planning Survey and Design Institute Co.， Ltd.， Lanzhou， Gansu Province，730030 China

Abstract： The intensification of climate change has led to an increasing frequency and intensity of extreme weather events， which have a more significant impact on infrastructure， especially road engineering. Ordinary asphalt concrete often faces problems such as poor durability， weak crack resistance， and fast aging rate under these extreme weather conditions. In this situation， the development and application of high-performance asphalt concrete has become an effective way to solve this problem. This article explores the current main types of high-performance asphalt concrete， explores the application effect of high-performance asphalt concrete in extreme climate environments in extreme climate environments. It evaluates its performance under different climate conditions and provides practical basis for the selection of materials for road engineering construction.

Key Words： High-performance asphalt concrete; Extreme weather conditions; Road engineering; Modified asphalt

隨著極端氣候事件的頻繁發(fā)生，如高溫、寒冷、暴雨和冰雪天氣，傳統(tǒng)的瀝青混凝土的性能表現(xiàn)往往難以滿足日益嚴(yán)苛的道路交通需求。在高溫環(huán)境中，瀝青材料可能發(fā)生軟化，導(dǎo)致路面出現(xiàn)車轍。而在寒冷環(huán)境下，溫差變化引起的熱脹冷縮可能導(dǎo)致裂縫的形成和擴(kuò)展。在實(shí)際中，對高性能瀝青混凝土的應(yīng)用研究，主要是為了開發(fā)具有更高抗溫變化、耐疲勞、抗水損害和抗老化性能的材料，從而提高道路在各種極端氣候條件下的適應(yīng)性和使用壽命。[wl2] 近年來，改性瀝青混凝土、纖維增強(qiáng)瀝青混凝土、復(fù)合材料瀝青混凝土等高性能瀝青混凝土逐漸成為研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，因此，需要對現(xiàn)今在道路工程中主要采用的高性能瀝青混凝土類型進(jìn)行研究，了解其性能特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)踐需求來進(jìn)一步探討極端氣候環(huán)境下如何充分利用高性能瀝青混凝土來提升工程質(zhì)量。

1高性能瀝青混凝土的主要類型

1.1改性瀝青混凝土

改性瀝青混凝土作為使用較為普遍的高性能瀝青混凝土，主要是在傳統(tǒng)瀝青中添加苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（Styrene-Butadiene-Styrene，SBS）[wl3] 等聚合物改性劑，以此來改善其力學(xué)性能和耐久性。這類改性劑通過分子鏈的交聯(lián)和增韌作用，提高瀝青的彈性、韌性和高低溫性能。在高溫條件下，SBS可以使瀝青形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，顯著增加其黏度和剪切強(qiáng)度，從而增強(qiáng)抗車轍能力。在低溫條件下，這種改性結(jié)構(gòu)能提供更高的斷裂伸長率，減少熱收縮開裂風(fēng)險(xiǎn)[1]。改性瀝青混凝土在對荷載和氣候條件要求嚴(yán)苛的工程中表現(xiàn)尤為優(yōu)越，驗(yàn)證了其顯著優(yōu)于傳統(tǒng)瀝青的高溫穩(wěn)定性和抗疲勞能力。

1.2纖維增強(qiáng)瀝青混凝土

在高性能瀝青混凝土中，纖維增強(qiáng)瀝青混凝土通過向?yàn)r青混合料中加入一定量的木質(zhì)素纖維，使材料的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提升。在均勻分布的纖維作用下，可以在混合料中形成增強(qiáng)網(wǎng)，起到分散應(yīng)力和抑制裂縫擴(kuò)展的作用。例如：木質(zhì)素纖的高吸附性和穩(wěn)定性使其成為瀝青瑪蹄脂碎石混合料（Stone Matrix Asphalt，SMA）[wl4] 混凝土的重要組成部分，在SMA-13中能夠有效吸附瀝青，同時(shí)均勻分布于混合料中，所形成的瀝青瑪蹄脂更好的填充粗集料間隙，增強(qiáng)其抗裂性能和抗水損害性能。相較于AC-13采用的普通瀝青混凝土配合比，SMA-13通過木質(zhì)素纖維的引入優(yōu)化了礦料級配設(shè)計(jì)，使其形成了更為穩(wěn)定的石料骨架結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)中，SMA-13中的木質(zhì)素纖維能夠提高瀝青的高溫黏度，增強(qiáng)骨料間的黏結(jié)力，從而顯著增強(qiáng)高溫抗車轍性能[2]。在低溫性能方面，木質(zhì)素纖維能改善瀝青的柔性，有效減少了熱收縮裂縫的產(chǎn)生。而在抗水損害方面，SMA-13中的木質(zhì)素纖維能夠阻止水分滲透至骨料界面，提高了濕輪磨耗指標(biāo)和殘留穩(wěn)定度，使水穩(wěn)定性指標(biāo)高于AC-13。木質(zhì)素纖維的引入還提升了SMA-13的抗疲勞性能，適用于重載交通和極端氣候下的道路工程。

1.3復(fù)合材料瀝青混凝土

在瀝青混凝土中，加入先進(jìn)的納米材料或高分子材料，可以做到提升瀝青的綜合性能。復(fù)合材料具有超高的表面積和活性，能夠在瀝青基體中形成均勻分布的增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)。其中，納米硅粉能夠有效填充瀝青基體中的孔隙，改善瀝青的密實(shí)性和耐久性。石墨烯因其優(yōu)異的導(dǎo)熱性能，可以加速熱量散發(fā)，防止高溫導(dǎo)致的車轍現(xiàn)象，并且石墨烯還可以通過分子結(jié)構(gòu)增強(qiáng)瀝青的黏結(jié)力和抗裂性能。在某些應(yīng)用中，如聚乳酸或聚氨酯的高分子材料還被用來賦予瀝青自愈合能力，通過熱刺激或化學(xué)反應(yīng)，裂縫處的材料能夠重新流動(dòng)和交聯(lián)，從而自我修復(fù)微小損傷。復(fù)合材料瀝青混凝土在耐久性和自愈合性能方面表現(xiàn)尤為突出，通過疲勞試驗(yàn)和微裂縫修復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，其疲勞壽命延長了30%以上，裂縫修復(fù)率高達(dá)80%。在現(xiàn)代化的道路建設(shè)中，這種高技術(shù)含量的復(fù)合材料在道路工程中是研究和應(yīng)用熱點(diǎn)[3]。

2高性能瀝青混凝土的應(yīng)用實(shí)踐

2.1在高溫條件下的應(yīng)用

在高溫環(huán)境中，瀝青混凝土的抗車轍性能至關(guān)重要，因?yàn)槁繁頊囟瓤蛇_(dá)50 ℃以上，材料容易發(fā)生軟化和永久變形，因此，對瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度和流變性能有著較高的要求。改性瀝青混凝土的應(yīng)用，通過其形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯著提高了材料的高溫抗剪切能力，并且高溫疲勞性能是衡量道路長期使用壽命的重要參數(shù)，在重復(fù)荷載作用下，瀝青層可能因熱塑性流動(dòng)或疲勞裂紋而失效，通過添加高分子材料、礦物纖維等抗車轍劑來提高瀝青混凝土的黏彈性能和變形恢復(fù)能力，可以有效延緩高溫開裂和變形問題，從而保障道路結(jié)構(gòu)在高溫下的穩(wěn)定性[4]。例如：在一個(gè)沙漠高速公路建設(shè)項(xiàng)目中，由于當(dāng)?shù)匕滋鞖鉁爻Ｄ旮哌_(dá)50 ℃以上，瀝青路面容易因軟化而出現(xiàn)車轍，嚴(yán)重影響行車安全和道路使用壽命。傳統(tǒng)瀝青混凝土在這種極端高溫環(huán)境中表現(xiàn)不佳，施工方?jīng)Q定采用SBS改性瀝青來提升路面的高溫抗變形能力。本工程選用SBS作為主要改性劑，添加比例為5%，SBS通過分散在瀝青基質(zhì)中，形成連續(xù)相的高分子網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而增強(qiáng)瀝青的彈性和抗車轍能力。試驗(yàn)表明，加入5%的SBS后，瀝青的軟化點(diǎn)從原先的49 ℃提升至80 ℃，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定度從800次/mm提高到3 500次/mm，大幅增強(qiáng)了材料的抗高溫穩(wěn)定性。為確保在高溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，工程采用連續(xù)密級配設(shè)計(jì)，骨架結(jié)構(gòu)密實(shí)，能夠有效分擔(dān)交通荷載，減少塑性變形。本工程施工中使用熱拌工藝，將拌合溫度控制在170～180 ℃，出料后迅速運(yùn)輸并攤鋪，減少混合料的溫度損失。最終路面的空隙率控制在3%～5%，保證路面的密實(shí)性和高溫抗變形能力。施工完成后，在路面溫度達(dá)到65 ℃的條件下，進(jìn)行了車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，SBS改性瀝青路面的車轍深度為3.2 mm，而普通瀝青路面的車轍深度達(dá)12 mm。性能提升近4倍，能夠顯著延緩因高溫導(dǎo)致的永久變形。同時(shí)，采用芯樣檢測發(fā)現(xiàn)，SBS改性瀝青與集料的剝離率僅為3%，顯著優(yōu)于普通瀝青的10%～12%，說明改性瀝青的抗水損害能力得到顯著提升。

2.2在低溫條件下的應(yīng)用

低溫環(huán)境下，瀝青混凝土的熱收縮效應(yīng)容易引發(fā)裂縫，這也是寒冷地區(qū)道路開裂的主要原因，并且凍融循環(huán)是在道路工程中可能面臨的極端氣候條件，主要是在高海拔或寒冷地區(qū)每次凍融循環(huán)都會(huì)導(dǎo)致瀝青混凝土的體積變化，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)松散、裂縫甚至整體剝落?？沟蜏亻_裂性能是這一環(huán)境下對瀝青混凝土的核心性能需求，需要保證其斷裂韌性、低溫彎曲應(yīng)變和破壞溫度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。為了減少低溫?zé)崾湛s開裂風(fēng)險(xiǎn)，可以采用聚合物改性劑，如乙烯-醋酸乙烯共聚物（Ethylene Vinyl Acetate Copolymer，EVA）[wl6] 和廢橡膠粉，這些材料在低溫下表現(xiàn)出更高的斷裂伸長率和更小的彈性模量[5]。例如：在某高緯度地區(qū)公路項(xiàng)目中，冬季氣溫長期低于-30 ℃，并伴隨頻繁的凍融循環(huán)，容易出現(xiàn)低溫開裂和凍融損害。為提升道路耐久性，工程中引入鋼纖維增強(qiáng)瀝青混凝土，并與普通瀝青混凝土在相同條件下進(jìn)行了性能對比測試。本工程選用直徑為0.5 mm、長度為30 mm的鋼纖維，按瀝青混合料質(zhì)量的0.3%摻入，顯著提高瀝青混凝土的抗拉強(qiáng)度和低溫韌性。試驗(yàn)表明，摻入鋼纖維后，瀝青混凝土的低溫拉伸強(qiáng)度從2.3 MPa提高至3.5 MPa，延性增加了45%。為適應(yīng)嚴(yán)寒氣候，采用連續(xù)密級配設(shè)計(jì)，最大粒徑為13 mm，細(xì)集料占比控制在40%～45%，以此來提高混合料的骨架穩(wěn)定性和抗裂能力。在施工完成后，取現(xiàn)場芯樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，芯樣在-30 ℃和10 ℃間交替凍融，每周期24 h，共循環(huán)100次。試驗(yàn)檢測材料的抗裂性能和抗水損害表現(xiàn)，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

2.3在頻繁濕熱循環(huán)條件下的應(yīng)用

在道路工程中，頻繁的降雨和溫度波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致瀝青與集料界面的剝離，以及路面的濕滑現(xiàn)象。因此，在高性能瀝青混凝土的應(yīng)用中，需要做好剝離強(qiáng)度和抗?jié)窕阅艿臏y試評估，確保材料的抗水損害性能。在潮濕條件下，普通瀝青的黏結(jié)力顯著下降，而通過添加抗剝落劑，可以提高瀝青與基料之間的界面黏結(jié)力，顯著減少剝離問題。透水性材料的應(yīng)用也能夠有效解決濕滑問題，這類材料通過優(yōu)化混合料級配和增加孔隙率，使雨水能夠快速排除，同時(shí)避免路面水膜形成。而濕熱循環(huán)加速了瀝青的老化，可以加入硅粉、紫外線屏蔽材料等抗老化劑來提高瀝青的抗氧化性能，從而延長道路的使用壽命。

3結(jié)語

道路工程中高性能瀝青混凝土在極端氣候條件下展現(xiàn)出了卓越的性能優(yōu)勢，其在抗老化性、抗裂性、抗水損性、耐高溫變形性等方面均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)瀝青混凝土。高性能瀝青混凝土可以能夠適應(yīng)極端的氣候條件，有效提高道路的耐久性和安全性，為極端氣候地區(qū)的道路建設(shè)提供了技術(shù)支持。在實(shí)際中，對于高性能瀝青混凝土，還應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化其材料配方，探索更高效的改性手段，并通過長期的現(xiàn)場監(jiān)測驗(yàn)證其性能穩(wěn)定性，為極端氣候條件下的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供更加可靠的方案。

參考文獻(xiàn)

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