溫度和老化對瀝青路面路用性能的影響及改善措施

長安大學 公路學院 陳亞東 趙文博

溫度和老化對瀝青路面路用性能的影響及改善措施

長安大學 公路學院 陳亞東 趙文博

氣候對瀝青路面的影響至關重要，尤其在南方某些地方，夏季炎熱，極易出現車轍；而在東北地區，由于冬季寒冷，易出現低溫開裂，嚴重影響車輛行駛的安全性和運營效果。另外，路面老化問題也是目前高等級公路的一個突出問題，有必要進行深入研究。本文，筆者通過分析溫度、老化等因素對公路的影響，提出一些改善或提高高等級瀝青路面路用性能的措施，如路面應用改性瀝青等新材料及合理配置路面結構等。

一、溫度對高等級瀝青路面路用安全的影響

1. 高溫車轍。車轍是瀝青路面在汽車荷載反復作用下產生豎直方向永久變形的積累，是由路基、基層和面層3部分的永久變形組成的。目前,我國高等級公路廣泛采用的是半剛性基層，這就使路基、基層產生的永久變形占車轍總量的比例明顯減小。車轍的形成過程可以簡單地分為以下3個階段。

（1）開始階段的壓密過程。瀝青混合料在被碾壓成型前是由礦料、瀝青及空氣組成的松散混合物，經碾壓后，高溫下處于半流動狀態的瀝青及瀝青與礦粉組成的砂膠被擠進礦料間隙中。當汽車荷載作用時，此密實過程還會進一步發展。

（2）瀝青混合料的流動。高溫下的瀝青混合料處于以黏性為主的半固體，在輪胎荷載作用下，瀝青及瀝青膠漿產生流動，從而使混合料的網絡骨架結構失穩。這部分半固態物質除部分填充混合料空隙外，還將隨瀝青混合料自由流動，從而使路面受載處被壓縮而變形。

（3）礦質骨料的重排及礦質骨架的破壞。高溫下處于半固態的瀝青混合料，由于瀝青及膠漿在荷載作用下產生流動，混合料中粗、細集料組成的骨架逐漸成為荷載并沿礦料接觸面滑動，促使瀝青及膠漿向富集區流動，以至流向混合料自由面。特別是當個別集料間瀝青及膠漿過多時，這一過程會更加明顯。

2. 低溫縮裂。瀝青路面的開裂是路面的主要病害之一，也是道路界普遍關心的問題。瀝青路面的裂縫成因十分復雜，根據《瀝青路面損壞鑒別手冊》，可將裂縫分為龜裂、塊裂、單根裂縫及邊緣裂縫（啃邊），單根裂縫又可分為橫向裂縫、縱向裂縫、水泥板接縫的反射縫等。其中，橫向裂縫主要是瀝青路面的溫度收縮裂縫（簡稱溫縮裂縫）；但在溫差較大的地區，溫縮裂縫是其主要病害之一。

二、瀝青路面的老化

瀝青路面的老化主要是由于瀝青老化引起的。瀝青老化是指瀝青從煉油廠被煉制出來后，在儲存、運輸、施工及使用過程中由于長時間暴露在空氣中，在環境因素如受熱、氧氣、陽光和水的作用下，發生一系列的揮發、氧化、聚合，甚至瀝青內部結構發生變化，同時性質發生變化，導致路用性能劣化的過程。瀝青老化過程的實質是瀝青中各組分化合物化學結構的變化，導致瀝青質與軟瀝青質溶度參數差值增大，因而相容性降低，最終表現為瀝青路用性能降低，由輕質油分的揮發、瀝青的氧化分解及硬化所致。氧化及硬化是引起路面使用期過早老化的主要原因。瀝青路面老化的影響因素主要有瀝青混合料的熱老化、瀝青混合料的水老化、瀝青混合料的光老化、荷載作用下的疲勞破壞等。

三、改善高等級瀝青路面路用性能的措施

1. 采用改性瀝青。目前用于瀝青改性的材料主要有熱塑性彈性體（SBS、SEBS）、橡膠（SBR、CR）、熱塑性樹脂（APP、PE、 EVA）等，對這方面的研究已有很多，并取得了較好的改性效果。但是，這些材料的改性都明顯增加改性瀝青的成本。采用廢橡膠粉改性瀝青，不但可以改善瀝青的高低溫性，減少瀝青路面的龜裂和老化，提高車輛的行駛安全性和路面使用壽命，而且不增加改性瀝青的成本，同時也為廢舊橡膠的回收利用、保護環境做出貢獻。

2.合理設置路面結構層。在瀝青路面結構中，基層處于面層與墊層中間，承上啟下，其結構特性至關重要。在舊路加鋪工程中，其在水泥混凝土路面加鋪瀝青罩面，投入使用一段時間后，罩面層便會出現裂縫，這是在行車荷載作用下，混凝土路面的裂縫向上延伸形成反射裂縫。據觀察，有些新建的瀝青混凝土路面在使用初期也會產生裂縫，且裂縫大多呈倒V形，有時僅發生在面層結構內，有時貫穿面層和基層，有時貫穿面層基層和墊層。下面，筆者僅以基層結構厚度和模量兩個影響因素為研究對象，分析基層結構特性對瀝青混凝土路面裂縫產生的影響。

（1）基層厚度的影響。由于面層底部拉應力值較大，這時，隨著車輛荷載尤其是超重軸載的反復作用，面層底部將首先開裂，并向上延伸。單純從控制面層底部拉應力的角度出發，基層厚度越大越好。基層厚度對基層底部的拉應力值影響效果較為復雜。當基層厚度較小時(＜15 cm)，基層底部的拉應力值產生較大幅度的增加，此時面層底部拉應力值并不大，在該種應力作用下，很可能首先在基層底部產生開裂，并向上延伸。隨著基層厚度的逐漸增加，無論是面層底部還是基層底部，其拉應力都開始大幅度降低。

（2）基層模量的影響。基層模量是基層結構特性中較為重要的一個特性，其變化勢必影響道路各結構層的受力。如基層材料的模量偏小，則面層底部的拉應力值較大，在車輛荷載反復作用下，會產生面層開裂。同樣，由于基層材料模量較小，在墊層底部的拉應力值也將增大，加之墊層材料本身抗拉強度不足，會產生墊層底部首先開裂并向上延伸。單純考慮基層模量對面層底部和墊層底部的拉應力效果，應是基層模量越大效果越好。但是基層底部的拉應力值會隨著基層模量的增加而大幅度增加，如，基層模量過大，會在基層底部產生過大的拉應力，進而基層首先產生開裂并向上延伸。

四、結論

高溫車轍低溫裂縫對高等級公路的路用性能有重要影響，而路面老化降低道路服務水平。為此，通過改性瀝青等新材料的應用，以及路面結構層（基層）的合理設計，可以有效改善道路使用性能。在瀝青混凝土道路的基層結構設計尤其是厚度和模量確定時，必須綜合分析道路結構各層次的受力情況，從中得出合理的結構特性。本文，筆者的分析結果是在簡化模型的基礎上得到的，僅供道路結構層設計參考。