淺談季凍區瀝青路面抗凍融性能研究發展歷史與現狀

徐 亮,于建民

(1.黑龍江省交通科學研究所;2.黑龍江省龍建路橋第二工程有限公司)

季凍區主要指年平均氣溫較低,凍結期較長,凍融作用對建筑工程的影響較嚴重的區域,在我國分布面積較大,遍及長江以北 10余省市,約占國土總面積的 50%以上,其中我國的東北、華北和西北等三北地區屬于重冰凍地區。季凍區惡劣的氣候條件給公路建設帶來了巨大困難,其中持續低溫、大溫差、劇烈凍融等條件嚴重影響著瀝青路面的正常使用,使瀝青路面出現了開裂嚴重、使用壽命短等問題。

季凍區一般冬季寒冷干燥且漫長,夏季高溫多雨且短促,春秋兩季氣候多變,年平均氣溫較低,負溫時間較長,溫差大,冬季冰凍深度較大,夏季太陽輻射較強。如中國氣溫最低的黑龍江省,屬于重冰凍地區,年平均氣溫 -6～4℃,1月份平均氣溫-32～-17℃,極端最低溫 -52.3℃(漠河),夏季普遍高溫,平均氣溫在 18℃左右,極端最高氣溫達 41.6℃,年溫差高達 38～48℃;年平均降水量 589.6mm,主要集中在 6～8月;冬季土壤凍結深度在 1.8～3.3m之間,5cm深土壤凍結日數 150～180d;區域內云量少,日照時數多,而且輻射強度大,全省年可照時數為 4443～4470h,年實照時數在 2300～2900h之間,尤其是6～8月,日照時間平均每日可達 11～13h,太陽輻射年總量多在 100～120kW/cm2之間。

溫度、水分及其綜合形成的凍融作用是季凍區瀝青路面的主要影響因素。在季凍區,持續低溫、大溫差等溫度條件除了導致瀝青路面出現低溫開裂外,更為嚴重的是正負溫交替變化和水分的共同作用引起的凍融作用,使路基路面材料與結構產生凍融破壞。凍脹和融沉會顯著影響路基路面結構的穩定性與耐久性,凍結和融化的交替作用則使路基路面材料的物理力學性質發生改變。

凍土工程技術有著160多年的發展歷史,早在 1891年,俄羅斯就修建了西伯利亞大鐵路;20世紀初,伴隨著阿拉斯加和加拿大西北部采礦、伐木業的發展,美、加修建了最早的一批公路;第二次世界大戰中,美國政府為軍事目的在阿拉斯加進行工程地質勘察和凍土研究,并大規模修建機場和道路。其中在 17世紀后期,人們就已經注意到冰凍作用下的凍脹現象,但隨著人類活動足跡的延伸,直到 20世紀才開始對凍融現象及其對建筑工程的影響開展研究。

國內外對凍土等地基土和道路路基土體的凍脹融沉,從表現形式、凍脹機理、預報模型和防治措施等方面開展了大量試驗理論和數值分析研究工作,取得了許多研究成果。其中關于水分在凍土中運動的研究,最早可追溯到 20世紀 40年代,集中于水分的遷移動力和遷移模型上。在水分遷移動力方面,目前國內外出現了以毛細力(Ш мукенберм,1885,1894)、液體內 部的 靜壓 力 (Прасолов,1914, Драницын,1914,Сумгин,1937)及結晶力 (Taber,1917,1930,Bouyocos,1923)等為代表的 14經典種假說。20世紀 60年代以后,對于水分遷移機制分為直接遷移與間接(耦合)遷移,其中前者可以用經典假說進行解釋,而后者則主要針對凍土或季節凍土考慮熱力學和化學勢能的綜合作用的水熱遷移,以李述訓、Iwata等的研究為代表。在水分遷移模型方面,主要體現在凍土工程和農田水利建設兩個方面。針對凍土,Мартынов和 Иванов最早提出了研究土體凍結過程的水熱輸運模型;HarlanRL根據當時一些新的試驗結果和觀測事實,提出了土凍結過程中熱質遷移數學模型;接著 Taylor G.S與LuthinJN在Harlan模型的基礎上,以未凍水含量梯度作為水分遷移動力,建立了 Taylor與 Luthin模型;苗天德等從熱力學、混合物理論的角度出發,建立固、液兩相介質相變的水、熱耦合模型;SallyA.Shoop,L.MChounet,Da-Wen Sun等對土體的凍結和融化過程建立了水熱數值模型,并應用有限元方法進行了數值求解;針對黃土路基,王鐵行等進行了水熱遷移的耦合數值模型。張喜發、張冬青、杜兆成等結合季節凍土區長余高速公路凍脹的觀測結果,分析了水分遷移及凍脹量沿凍深的分布規律。在農田水利方面,雷志棟和楊詩秀等對農業所關心的土壤水分的入滲與蒸發問題進行了系統的研究,建立了土壤中水分遷移的模型。在土體水分遷移試驗研究方面,HoekstraP和 Miller先后進行了飽和與非飽和土體在凍結過程中,含水量隨溫度梯度變化的簡單室內試驗;徐學祖等分別進行了封閉系統正凍土、已凍土中水分運移的室內土柱試驗和開放系統非飽和正凍土水分運動的現場測試工作,研究水分運移的規律;李述訓等對土體凍結過程及融化過程中,氣態水的遷移與液態水遷移做了大量的試驗,研究了凍融作用對系統與環境間能量交換的影響。

我國凍土溫度場研究始于 20世紀 50年代,主要集中于溫度場模型的建立、土體熱物理參數及邊界條件的確定;郭蘭波、丁德文等進行人工凍結鑿井溫度場及天然細砂地基的溫度場研究;徐學祖、王家澄等通過大量實驗,分析了影響凍土的熱物理參數的因素;JohnP.Zarling和 W.AlanBraley對路基溫度場計算理論、邊界條件和計算參數確定方法進行了理論分析;馬虹等對植被、冰雪等不同覆蓋條件下的地表傳熱性質進行了研究;王秉綱、胡長順等提出了在各類邊界條件下考慮路基走向、風速、輻射、蒸發等多種因素的路基溫度場的有限元方法及相應的計算公式;劉永智等研究了高溫多年凍土地區瀝青路面路基下的地溫分布及變化過程;王紹令、趙林等通過野外觀測和理論計算,闡述了路基內融化核的形成演化過程及其對路基穩定性的影響;章金釗等研究了太陽輻射與氣溫、降水等因素對路基穩定性的影響規律。

在凍土的水熱力耦合作用方面,Arakawa、Knutson等人通過現場或室內凍脹試驗建立了凍脹經驗模型;Takashi、Zhang和Zhu基于凍脹的物理本質,考慮凍脹經驗公式,建立了半經驗模型;Harlan、Sheppard等把復雜的凍脹融沉機理綜合因素歸納為未凍水含量隨溫度變化的關系上,提出凍土中熱質遷移與水分遷移相互作用的流體動力學模型;Konrad、Gilpin及 D.sheng等學者以不可變形的“剛性”冰和線性穩定性溫度場為基礎,提出和發展了剛冰模型;Duquennoi、Fremond以多孔多相介質的混合物理論為基礎,從熱力學的角度建立了水、熱、力耦合模型;李寧等在多孔多相介質的熱、能守恒方程的基礎上,構建了考慮凍土中骨架、冰、水、氣四相介質的水熱力耦合模型;賴遠明等針對寒區隧道建立了溫度場、滲流場和應力場耦合問題的數學模型;胡長順、毛雪松等以溫度勢作為水分遷移主要動力,結合基質勢,建立了多年凍土路基水分遷移控制模型,提出了多年凍土路基水熱力耦合模型。

對于冰凍地區瀝青路面修筑技術,自 1968年美國阿州在改建舊路和新建社區間道路時采用瀝青路面以來,國內外從結構、材料及工藝等方面先后開展了相關研究。美國、加拿大、日本等國家針對寒冷地區冰凍作用對道路路面的影響,重點從凍結深度方面考慮路面結構組合與厚度,根據低溫特性和凍脹敏感性選擇路面材料,結構與材料設計方法與一般地區路面基本相同。考慮到冰凍地區瀝青路面在低溫和冰凍作用下容易出現裂縫、沉陷等病害,使用壽命短,國外選擇以水泥混凝土路面為主,以提高路面對凍脹融沉的抵抗能力,并重點對冰凍地區水泥混凝土路面修筑技術開展了大量研究工作。

我國自 20世紀70年代在青藏公路修筑黑色路面以來,對多年凍土地區、季節性冰凍地區瀝青路面修筑技術開展研究。20世紀 90年代,王端宜、蘭永貴等結合黑龍江省氣候特點,對寒冷地區適宜瀝青路面結構進行了理論分析探討和工程驗證,分析了瀝青路面結構層的技術要求,提出了適宜的結構形式和最小厚度。中交第一公路勘察設計研究院、西安公路交通大學、青海省交通廳等單位結合青藏公路、青康公路,對青藏高原多年凍土地區瀝青路面修筑技術開展了研究。21世紀初,李立昌、王洪宇等結合哈綏高速公路瀝青路面施工,對寒冷地區改性瀝青混合料及其施工進行了論述。劉紅軍等結合哈雙高速公路,論述了寒冷地區改性瀝青混合料配合比設計。劉海濱等對寒冷地區灰土基層的應用進行了探討,分析了冰凍對灰土基層強度的影響,提出了寒冷地區采用灰土基層應注意的問題及其對策。

國內外雖對多年凍土、季節凍土等地區的路面結構與材料開展了相關研究,取得的成果對提高路面使用性能起到了積極推動作用。但一定時期、特定條件不可能從根本上解決問題,隨著公路交通運輸及科學技術發展,舊問題尚未解決,而新問題又不斷暴露。低溫、凍融等因素作用下,瀝青路面低溫開裂、融沉變形、松散等病害仍然頻繁發生,影響公路運輸效益,尚有許多技術難題需要研究解決。

關于季凍區瀝青路面的凍脹、翻漿機理與防治對策已開展了較多研究,但研究中多將路基與路面分離、水分與溫度分離,實際工程中的凍融破壞仍較嚴重。為了深刻揭示季凍區瀝青路面的凍融破壞機理,應將路基路面作為整體考慮,分析水分和溫度綜合作用對其的影響。

目前季凍區瀝青路面設計仍按照現行規范設計方法和借鑒一般地區經驗,對特殊的氣候因素考慮較少或憑借工程經驗進行適當調整,使季凍區瀝青路面抵抗自然因素影響的能力明顯不足,凍脹、翻漿、融沉、裂縫等病害嚴重。瀝青路面結構設計控制指標與標準主要考慮了行車荷載作用,雖對瀝青路面結構的溫度場與溫度應力進行了相關研究,但仍未作為控制指標考慮,對于路基凍脹融沉變形下的路面結構附加應力則尚未涉及。因此,為了提高季凍區瀝青路面結構的適應能力,應系統研究季凍區瀝青路面結構對特殊溫度條件、凍融作用的響應,使瀝青路面結構滿足行車荷載和自然因素綜合作用的要求。

對于路基土在凍融作用下的物理力學性質變化,基層材料、面層瀝青混合料的抗凍性能,已開展了相關研究,研究成果只用于指導瀝青路面設計中的材料選擇與確定,而結構設計中的材料參數仍是標準條件下的試驗結果,即假設材料性能在路面使用期內不會發生改變。實際應用中,季凍區瀝青路面的材料性能則必然隨著凍融循環作用而不斷劣化,設計參數處于動態衰減狀態,這種差異導致瀝青路面壽命無法達到設計使用壽命。另外,瀝青路面的低溫開裂是目前國際上尚未完全解決的一種道路病害,為此對瀝青混合料的低溫性能開展了大量研究,但都集中于單一溫度作用,沒有考慮溫度和水分的綜合作用。目前,對于路基土、基層材料、面層瀝青混合料的性能參數與溫度、凍融之間的關系研究尚不足,限制了在瀝青路面設計中對自然因素影響的考慮。

我國現行瀝青路面設計方法是針對所有地區的具有普遍性的指導性設計方法,設計指標、材料參數的選擇與確定考慮一般地區,仍以瀝青路面結構在行車荷載作用下的反應(彎沉、應力、應變)作為結構設計控制指標,確定路面結構反應所需的材料參數也是以一般地區的代表性溫度狀況作為試驗條件進行測試。而對于季凍區瀝青路面,溫度場對瀝青路面結構的影響明顯外,季凍區的凍結期較長,凍結深度較大,夏季高溫且外界進入路基路面的水分充分,路基含水量的變化和季節凍融使路基的穩定性與承載能力改變,路基凍脹融沉變形下路面結構產生的附加應力也不容忽視。因此,季凍區瀝青路面的結構行為不同于一般地區,設計中應綜合考慮荷載、溫度、凍脹融沉變形的影響來確定設計指標。瀝青混合料的溫度敏感性強,不同溫度條件下路用性能參數的差異明顯;路基土在凍結和融化狀態的物理力學性質也明顯不同。另外,凍融循環作用會引起路基路面材料的性能劣化,材料參數衰減。因此,季凍區瀝青路面設計中的材料參數選擇與確定,應考慮溫度效應、凍融作用。

綜上所述,國內外雖對季凍區路基路面開展了相關研究,但對溫度、水分和凍融等特殊條件綜合作用對瀝青路面結構與材料的影響考慮較少,部分內容尚未涉及,需要進一步系統研究。系統研究應主要針對季凍區瀝青路面的結構、材料、結構組合、設計、施工等方面進行。通過研究,相信我國的季凍區瀝青路面抗凍融能力會大大提高。