高寒地區瀝青路面行為特性與設計方法研究

畢聰

（中交第二航務工程局有限公司設計研究院,湖北武漢430050）

0 引言

瀝青路面以其舒適的行駛特性、優美的路面和易于修復的路況，已成為道路建設的首選。高寒地區瀝青路面的性能一般取決于瀝青路面的設計能否充分考慮高寒氣候地質等的特點，并在材料選用和結構規劃中采取具有針對性的措施。基于傳統瀝青涂層規范的道路測量數據不能真實描述高寒地區的道路狀況，因此有必要研究高寒地區新型道路結構的性能和設計方法。

1 高寒地區公路瀝青路面行為特征

1.1 地質條件復雜

在公路建設過程中，通常會出現起伏或曲折的地形，這給公路建設帶來了一定困難。此外，公路建設需要開挖、下部結構和其他程序，而新疆伊犁州察布查爾縣地區地質條件是多變的。在公路建設過程中，隨著路段的通行，地質環境發生了較大的變化，經常會遇到凍土、膨脹土和鹽漬土等不良地質，這也勢必會對公路的路基和路面的平整性帶來較大影響[1]。

1.2 氣候條件惡劣

在山區，氣候變化受到海拔高度的限制和影響。一般來說，當地面高度上升超過100m/s 時，溫度僅會下降0.6oC/min。項目區域海拔從600m 提升至1430m，高差大到近830m；氣溫則是冬季平均最低氣溫在-9.4oC，最寒冷地區1月份的平均氣溫大約在-12.2oC，最低日氣溫僅為-43.2oC，凍土層深度一般為60cm，最深100cm，這對公路瀝青路面修建有了更高的要求。

1.3 瀝青路面病害類型

1.3.1 變形

路基變形是一種常見且非常嚴重的道路病害，主要發生在道路的波浪形、道路的下坡和道路車輛的冰凍狀態。由于受到鹽漬土和凍土路基凍融循環的影響，高寒地區的瀝青公路路基更容易發生變形。這種變形也會發生在常溫下的道路，而在高寒地區，由于土壤多年受凍，會大大增加道路變形的概率。

1.3.2 裂縫

裂縫也是道路的常見問題。主要是橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂等。其中，橫向裂縫是主要影響因素，且呈規則分布。基本上，在同一片道路上均勻分布，裂縫間隔主要在2～20m 之間，然后與縱向裂縫交匯。縱向裂紋的位置有限，通常出現在路肩邊緣，但縱向裂紋的嚴重程度不斷增加，有時甚至長度達到數百米或密布于整條道路。另外，網裂、龜裂相對不常見，但危害性極大，這種類型的裂縫通常在道路承受過大壓力時擴散，導致一點到表面的大規模損傷。

1.3.3 松散

道路松弛的現象肉眼很難觀察，所以經常被忽視。這種病害的原因是輪胎和地板的長期高壓，表面材料嚴重分散，瀝青路面的核心層的負荷力下降，集料暴露，表面粗糙，凹凸不平等。

2 高寒地區公路瀝青路面病害成因分析

2.1 自然因素

自然因素是直觀的因素，也是使我們最可直接感知到的因素。高寒干旱地區的氣候較為特殊，例如冬季全年低溫長時間持續，冷卻干燥速度快，晝夜溫差比較大，發射率偏高，瀝青地面材料容易老化發生脆性及硬化，瀝青原材料剛性率很高，變形收縮能力和松弛力較差的瀝青混凝土路面材料，在寒冷雨雪的惡劣天氣影響下往往難以具備長期的耐久性，容易老化，同時抗裂性降低，容易發生病害。隨著紫外線輻射強度的增加而散失或逐步向大分子量的膠質和瀝青質轉化，這一過程造成瀝青硬化，瀝青的黏度和低溫性能均會降低，并逐步導致瀝青混合料使用性能的降低。

2.2 交通流量因素

隨著經濟發展和道路運輸手段的大型化和負荷比例的增加，使得高寒地區本來就脆弱的道路條件變得更加脆弱，出現大量病害也是必然的結果。

2.3 施工因素

為了適應低溫條件，高寒地區的道路設計和施工通常使用優質的瀝青，優質瀝青具有良好的溫度敏感性，其黏性和塑性隨溫度變化而改變的程度更高，但瀝青黏度過低，與道路骨材表面的水黏結性過差，水膜的低溫穩定性低和低溫抗凍性能力的性能惡劣也是劣質柏油路面材料未能緩解這種病害出現的主要原因。瀝青路面設計的一些特殊的施工氣候條件主要表現是施工的周期時間短，施工介質溫度比較低，滾動瀝青成型相對困難，硬化技術條件也很有限。但是，即使是夏天，夜間溫度較低，有效的工程時間不足，低溫會給新的路面造成冷凝等破壞性的影響，項目地區從9月底到10月初進入降雪期，雨雪無常，平均氣溫會低至0oC 左右，使得瀝青路面施工難以繼續。

2.4 養護管理

長期以來，道路工程的日常養護以及運營維修成本高低和維持正常路面交通條件之間還存在著較明顯的內在的一些相互制約關系和潛在矛盾。預防路面維修問題是一種在基本解決當前上述現實矛盾因素的研究基礎前提上新提出來的路面地板養護維修技術的一個新概念。目的則是能更有效快捷地尋找適應公路要求的預防性瀝青路面的保養修復措施，需要關注的重點是加強特殊養護區域路面的預防性瀝青路面修復保養，能確保公路系統的總體運營安全質量和總體運輸效率。為了要從一個根本角度上去解決上述幾個矛盾，從工程初期便開始要徹底地清除所有地面病害，避免引起地面病害問題的進一步惡化蔓延和繼續惡化，影響工程的后續使用安全性能，顯著降低了道路修養成本，地板可以從最初到最后保持正常服務水平。瀝青路面常見病害的合理防治也是倡導一種新時期的科學養護技術理念，是我國道路柏油路面持續健康有序發展工作的內在必然及要求[2]。

3 高寒地區公路瀝青路面冷補材料的應用

冷修復材料是一種適用于所有天氣條件的新型修復材料。其優異的黏結性能和松散的施工性能是與常溫或低溫維修材料區別開的顯著特征之一。

3.1 冷補材料的特點

冷貼（補）材料可以適應-20oC 的低溫環境，較適于在寒冷地區。另外，使用冷補材料，修補時無需粘層油，備料可隨取隨用，不需要重型施工機械，可根據路面的不同修補情況采用沖擊壓實、人工壓實等，最大限度地避免高寒地區的雨雪天氣對瀝青路面施工的影響，可以大幅降低施工難度。使用冷補材料進行維護時，不需要使用粘層油。成品的混合物隨時都可以使用。不需要使用重型施工機械壓縮。根據不同的地面修理條件，壓路機由耙子、手動或氣動汽車壓接。

3.2 冷補材料的路用性能

冷補材料在低溫下具有良好的穩定性，能最大限度地避免路面病害的發生。如果遇到降水或寒冷天氣，可以將冷補材料與原地板緊密結合，減少受低溫的影響。在干燥灰塵多的水井里，可以把冷補材料粘在原來的地板上。當溫度良好時，冷補材料具有足夠的耐重復輪胎負載能力。

4 高寒地區瀝青路面設計料性能與要求

根據氣候劃分研究和氣候特征以及路面構造性能的相關分析，環境溫度、降雨量和紫外線強度已經成為影響高寒地區道路柏油路面使用性能的三個主要因素。以往公路設計中關于瀝青使用性能的選用標準考慮并不是很全面。一方面，近30年的氣象資料表明，冬季嚴寒區的氣候要比以往的寒冷，柏油路的標準也要提高等級；另一方面，在高寒地區獨有的極端氣候因素的綜合影響下，特別是新氣候區域下瀝青結合料低溫性能和抗老化性能的應用標準仍值得深入研究。在地板材料上長期使用瀝青黏合劑養護的使用過程中，由于吸收氧氣和接受紫外線照射的影響會容易產生瀝青老化等現象，流變的特性也將會因此發生變化，影響瀝青的表現。

為了進一步模擬瀝青黏合劑的熱老化變形過程，美國開發研制了另外一種SHRP(BBR)彎曲光束流變學測試，以用來測量在極高低溫度狀態下瀝青膠粘劑的剛性。使用工程光束理論來測量涂敷負載作用下的柏油束樣品的剛性。該測試的方法通過引入壓力老化系數(PAV)來測試，模擬在路面材料上長期使用時的長期應力老化，彌補了壓延度測試法的缺陷。根據SHRP 的研究，發現瀝青材料受熱過多大多會表現出脆性，地板容易破裂、損壞。瀝青硬度的時間變化率越高，溫度越低，地板收縮時，黏合劑作為剛性降低的材料發生反應，材料中的拉伸張力下降，有可能發生低溫裂紋。因此，為了盡可能限制地板的開裂，為了限制路面開裂，SHRP 規定:勁度模量s≤300MPa；m值(60)≥0.30。BBR 路面試驗的溫度試驗設計溫度僅與道路在某一局部區域中的設計工作溫度有關，理論計算上也應該嚴格以最低限度的路面現場的設計溫度標準進行。

目前，路面現場的最低溫區設計試驗溫度通常有下面三種主要計算方法。最初，在由SHRP 研究人員所提出來的低溫地面模型方法中，最低的地上溫度通常被廣泛認為僅是地面最低的空氣溫度。編號加拿大的SHRP 研究人員卻認為這個研究方法顯得過于簡單保守，因此提出進行了修正。然而，根據對北美約包含30 個測試溫度區間的季節觀測計劃(SMP)的驗證，SHRP 的地面低溫公式已經不能保證將最低空氣溫度準確有效地直接轉換為最低的地表溫度，（LTPPBind）公式通常被認為要更接近準確。

5 高寒地區瀝青路面結構組合

在高寒地區，如果是在筑路基前地下的結冰水位線已經接近于飽和的地表溫度或是在路基面的上下兩側也已有過較深的、長期連續的積水結冰現象發生，那么正常的情況下，在冬季時路基料道中往往也可能有大量降水的發生促進了地下水分的重新集中與分布，在地下凍結的水位線的附近則十分嚴重且極容易重新發生聚冰化現象。這種進一步融化的現象又往往會逐步顯著而削弱了這些無機結合料體及其與細粉狀顆粒物料塊之間的相互作用而引起的路面微觀結構強度。夏季進入冬季或春融期時，這些無機結合聚冰體的進一步融化的現象往往還會持續，使路面基層材料結構組織中的含水量變得更為急劇地逐漸增大，直到徹底破壞。通過這些經驗和分析可以知道在極端寒冷惡劣的高寒地區混凝土建筑的抗震加固和結構處理時，必須特別注意如下幾點。

5.1 瀝青面層

應選取優質瀝青，在瀝青的高溫穩定性能夠滿足要求的使用條件的同時采用感溫性小、針入度較大的瀝青，有條件時可以采用幾種耐裂紋性較好的瀝青混凝土；也可同時采用各種抗裂蝕性能都好的較為合理經濟的瀝青面層結構組合使用。例如，以中粒式瀝青混凝土結構為面層，以粗粒式混凝土為底面層。

5.2 基層材料

采用標號高強的少壓裂系數的優質石灰、粉煤灰顆粒或者硅酸鹽水泥穩定料基層，嚴格配比控制水泥細粒土料的顆粒含量；半永久剛性基層厚度均勻和結構強度均勻要充分與面層施工相互配合，保證瀝青路面結構不受強拉剪應力作用。

5.3 結構組合形式

瀝青面層厚度是要先考慮面層瀝青最小允許厚度。例如中國日本道路、美國的西班牙公路等世界多國公路條例均曾統一的規定過其為重要的等級交通道路面層的要求瀝青面層的最小容許厚度一般宜規定為在20cm 及以下；所以從現在我國高水平道路交通工程的整體技術現狀來看，在今后我國在低交通等級道路面層設計上仍建議采取厚度小于10cm 的普通瀝青面層，高等級的交通道路層面厚度上建議則應采取小于20cm 或大于25cm 厚的普通瀝青面層，這也是目前基本是可行的。基層設計應要首先考慮能夠提供足夠的強韌的強度或抗承載性能的產品，以達到充分有效承擔設備在設計或使用壽命的計算期間內產生的疲勞應力累積值和標準軸次，而盡可能同時且不應使產品至于設備產生任何較過早所發生的應力疲勞應力和應力破壞應力現象；基層也要著重注意其具有一個相對于足夠的弱的抗長期冰凍強度能力和對水穩定性，以至少可保證該設備無論在進行整個設計施工或長期使用試驗的期間內的最大內載荷強度水平或抗疲勞承載水平的承受能力上均確保不會發生受到外界由于抗長期的冰凍環境條件改變和對水條件要求的改變等影響從而導致發生了有著較大幅度的和幅度差異大的強度的衰減。

6 結語

高寒地區瀝青混凝土路面的工作環境需要特別考慮瀝青路面的設計。總結了高寒地區瀝青混凝土路面主要病害類型、破壞機理的研究，并針對高寒地區特點提出了適應性強的新型瀝青路面結構以及結合高寒地區的道路建設，鋪設了試驗路。隨著工程實踐的發展，樓板結構設計和材料選型的理論和方法也在不斷完善。提出的一些新道路結構需要通過積累長期道路性能數據和增加試驗道路驗證來不斷改進。