公路瀝青路面彎沉與耐久性關系的研究

張凌云

(威海市公路事業發展中心，山東 威海 264300)

0 引言

公路瀝青路面由瀝青混合料組成，瀝青混合料為典型的黏彈性材料，溫度升高時表現為黏性，溫度降低時表現為彈性。公路瀝青路面彎沉值是我國瀝青路面承載能力的檢測指標，它代表了在規定荷載作用下瀝青路面發生的垂直回彈變形值[1]。公路瀝青路面的耐久性指的是瀝青路面抵抗環境變化與車輛荷載的能力，表現為瀝青路面保持原有性能的能力，包括高溫穩定性、低溫抗裂性、水穩定性以及疲勞強度等等[2]。我國公路與國外公路對比而言，早期損害、服務使用年限短的問題明顯，彎沉值作為公路瀝青路面驗收的一項重要指標，對瀝青路面的質量的優劣有很大影響[3]。為了研究公路瀝青路面彎沉值與耐久性之間的關系，本文從公路瀝青路面彎沉值的影響因素出發，研究影響彎沉值變化的影響條件。通過對瀝青路面耐久性研究，得出影響瀝青路面耐久性的影響因素，以山東省5 條公路為研究對象，研究公路瀝青路面與耐久性之間的關系。

1 瀝青路面彎沉影響因素

1.1 溫度

溫度的變化對瀝青路面回彈彎沉值影響很大，當瀝青路面結構層溫度不同時，回彈彎沉值會出現很大差別。為了保證瀝青路面彎沉值的準確性，需要對瀝青路面彎沉值進行溫度修正，彎沉值測定溫度為20oC為準。瀝青路面厚度較厚時，瀝青路面結構層面層溫度與層低溫度差較大，同樣需要進行溫度修正。瀝青為典型的黏彈性材料，溫度升高時，材料本身表現為黏性，在車輛荷載作用下，垂直回彈變形值變大，回彈彎沉變大，路面結構剛度下降。溫度降低時，瀝青材料本身表現為彈性，垂直回彈變形值減小，回彈彎沉減小，結構剛度增加。

1.2 檢測荷載

回彈彎沉值測定加載車參數對瀝青路面回彈彎沉值也有一定的影響，貝克曼梁測試路基路面回彈彎沉中加載車類型很重要，根據規范要求，我國一直規定用解放牌及黃河牌作為兩個荷載等級的標準車。但這兩種車型現在很少使用，顯然已不能作為標準車型。為了滿足檢測荷載的要求，對加載車的主要參數提出要求，如表1所示，凡是符合這些參數的加載車均可以使用。

表1 彎沉加載車參數要求

2 瀝青路面耐久性影響因素

公路瀝青路面耐久性影響因素分為外因與內因。外因為環境因素、行車荷載，內因為材料性質、級配設計以及路面結構類型。

2.1 溫度

瀝青路面對溫度變化具有一定的敏感性。瀝青是典型的有機結合料，并且其力學性質表現為黏彈性，當溫度升高時，瀝青自身變軟表現為黏性，抵抗變形的能力下降，在夏季瀝青路面多出現車轍病害，是由于瀝青混合料的高溫溫度性不足，造成不可恢復的永久性變形。當溫度急劇下降時，瀝青材料表現為彈性，瀝青自身變硬，瀝青路面易出現脆性裂縫，低溫抗裂性不足造成大量裂縫產生，降低路面結構的耐久性。由于瀝青材料為有機結合料，當溫度過高或長時間日照時，瀝青材料本身老化，瀝青路面結構抗疲勞性能下降，服務年限降低。

2.2 濕度

濕度對瀝青路面的影響主要體現在路面早期的水損害。當新建路面遭遇強降水時，在行車荷載的作用下，水充滿瀝青路面空隙。根據設計要求，瀝青混凝土材料結構為連續型密級配，具有不透水性，當材料孔隙中充滿水時。由于材料具有一定的親水性，當水浸入至瀝青膠漿與集料界面，造成瀝青膠漿與集料吸附性下降，在車輛荷載的作用下，細集料被動水壓力帶出造成瀝青路面松散病害。當冬季氣溫過低時，瀝青混合料孔隙中的水以冰的形態存在，瀝青混合料自身變硬。當春季到來，溫度升高孔隙中的冰融化為液態水，孔隙中的水浸入瀝青膠漿與集料界面，造成瀝青混合料強度下降，若水存在于路基孔隙，則會造成春融現象，降低了瀝青路面的耐久性。

2.3 行車荷載

行車荷載的增加對瀝青路面的疲勞性能有很大的影響，在進行瀝青路面結構設計時，需要對行車荷載累計作用次數進行計算，并且需要進行軸載換算，將行車荷載換算為BZ-100 標準軸載。當瀝青路面交通量過大且汽車類型為大貨車時，可以判定該路段重載交通嚴重，重載交通造成路面出現反射裂縫，瀝青路面達到疲勞破壞。

2.4 材料性質

瀝青混合料由瀝青、集料以及填料組成，不同標號的瀝青具有不同黏性，適用于不同的地區。在進行材料選擇時，瀝青材料必須滿足針入度、延度以及軟化點的技術要求，并且在長日照地區必須進行老化試驗。集料分為粗、細集料，粗集料之間的內摩擦力是瀝青混合料的強度保證，必須選用棱角分明、堅固的堿性集料。若材料選擇不合理，則會降低瀝青路面強度，在環境因素與車輛荷載的作用下，瀝青路面過早出現損害，不能達到設計服務使用年限。

2.5 級配設計

瀝青混合料級配設計影響了瀝青路面結構強度及路用性能。級配設計包括礦料級配設計及瀝青最佳使用量的確定，通常采用圖解法完成間斷級配礦料設計，馬歇爾試驗確定瀝青最佳使用量。當瀝青用量過大時，使瀝青路面結構強度下降，溫度升高時出現泛油現象。級配設計不合理會造成瀝青路面力學強度及路用性能下降，使路面整體結構出現過早開裂，達不到瀝青路面使用性能，耐久性降低。

2.6 路面結構

路面結構的選擇影響了瀝青路面的耐久性，路面結構包括面層與基層，若基層類型及層厚選擇不合理，則會造成瀝青路面承載能力下降，出現反射裂縫及車轍病害。并且路面結構對回彈彎沉值具有一定影響，半剛性基層回彈彎沉值要大于柔性基層，否則瀝青路面易出現病害。

3 瀝青路面回彈彎沉與耐久性的關系

通過對回彈彎沉值及瀝青路面耐久性的分析，得到了二者的影響因素，分析發現回彈彎沉值與耐久性具有相同的影響因素。

3.1 工程概況

為了研究彎沉值與耐久性之間的關系，對山東省5 條公路進行調查，以溫度、路面結構類型、濕度以及級配設計為變化因素，研究瀝青路面彎沉值與耐久性之間的關系。其工程概況如表2所示。

表2 山東省5 條公路工程概況

3.2 瀝青路面回彈彎沉與耐久性的關系

通過對山東省5 條公路回彈彎沉檢測，得到不同路表溫度下5 條公路彎沉值變化值，如圖1所示。

圖1 溫度-彎沉圖

由圖1溫度與彎沉值關系圖可得，當溫度從-10oC增加至70oC 時，5 條瀝青路面彎沉值均出現增加趨勢，反映了當溫度增加時，瀝青路面剛度下降承載能力變低。其中SL4 公路彎沉值最小，根據工程概況可得，SL4 與SL5 公路路面材料為SMA-15，瀝青瑪蹄脂碎石粗骨料含量較多且瀝青采用改性瀝青，黏度較大其材料結構強度要大于普通AC-15 混合料強度，所以其彎沉值變化最小。

通過SL1 與SL3 公路對比可得，當溫度從-10oC 增加至70oC 時，SL1 公路彎沉值要小于SL3，且SL1 彎沉值增加速率要小于SL3，這是由于兩條公路路面類型結構差異造成的，SL1 公路路面基層為半剛性基層，SL3 公路路面基層為柔性基層。半剛性基層與柔性基層對比，半剛性基層為無機結合料穩定基層，具有良好的剛性。而柔性基層為瀝青穩定碎石或級配碎石基層，結構自身為柔性以變形，所以SL1 的彎沉值要小于SL3。

通過對5 條進行車轍試驗，得到瀝青路面溫度與動穩定度之間的關系，其關系如圖2所示。

圖2 溫度-動穩定度圖

動穩定度是瀝青路面高溫穩定性的檢測指標，高溫穩定性是瀝青路面耐久性的一種。由圖2可得，當瀝青路面溫度由30oC 增加至70oC 時，5 條公路瀝青路面動穩定度呈下降趨勢，動穩定度下降表明瀝青路面抗高溫性能下降，易出現車轍病害。當溫度由50oC 增加至60oC 時，5 條公路動穩定度下降速率變快，在該溫度內瀝青路面高溫穩定性急劇下降，路面易出現車轍病害。

由圖2可知，通過SL1 公路與SL4 公路對比發現，SL4 公路瀝青路面動穩定度大于SL1，兩條公路基層均為半剛性基層，面層材料不同，SL1 為AC-15 瀝青混凝土，SL4 為SMA-15 混合料，當溫度升高時，SL4抵抗高溫變形的能力要大于SL1，所以SL4 公路瀝青路面動穩定度大于SL1 公路。

通過SL1、SL2、SL3 公路動穩定度對比可得，3 條公路瀝青面層結構為同一類型，其動穩定度變化不大，由此可得對于同一路面材料結構而言，基層類型對瀝青路面耐久性影響不大。

由圖1、圖2可得，當溫度變化時，公路瀝青路面彎沉值與動穩定度變化較大，由此可得，溫度是影響瀝青路面彎沉值與耐久性的重要因素，當瀝青路面耐久性降低時，回彈彎沉值也呈下降趨勢，為了研究公路瀝青路面服務使用年限與回彈彎沉值之間的關系，通過對SL1-SL5 公路進行5年監測，其彎沉值與服務使用年限關系如圖3所示。

圖3 瀝青路面彎沉值隨時間變化圖

由圖3瀝青路面彎沉值隨時間變化圖可以得到，5條公路隨著服務年限的增加，瀝青路面承載能力降低。從圖中可以發現，當公路瀝青路面服務使用年限在1～2年時，瀝青路面彎沉值增加較慢，這是由于新建道路在碾壓過后仍然存在一定的孔隙，在車輛荷載作用下，瀝青路面孔隙被壓實，路面密實度增加，彎沉值增加不大。2～4年時，瀝青路面彎沉值增加較快，因為在水、環境因素以及行車荷載的共同作用下，瀝青路面出現了表面病害，瀝青路面的彎沉值迅速下降。當服務使用年限大于4年時，彎沉值變化逐漸趨于平穩，這是因為對路面病害已經進行養護處理，回彈彎沉值增加緩慢。

4 結語

綜上所述，本文通過對瀝青路面回彈彎沉值特點分析，得到瀝青路面回彈彎沉值的影響因素。通過對公路瀝青路面耐久性影響因素分析，得到環境因素、行車荷載、材料性質、路面結構以及級配設計對公路瀝青路面耐久性的影響。通過對山東省5 條高速公路彎沉值監測及調查，可以得到回彈彎沉值與服務年限間的關系。