環境因素對瀝青路面的不利影響分析及應對措施

白永兵

（承德公路工程監理有限責任公司，河北 承德 067000）

任何路面工程結構設計的目的都是為了完成某些期望的功能。路面工程結構建成后必將處于特定的環境中，并與環境相互作用。要確保路面結構達到預期效果的關鍵在于如何應對環境對瀝青路面結構使用性能的不利影響[1]。

根據環境的影響程度，工程結構可分為兩類。一類結構所處環境適中，受環境影響較小，例如當結構處于干燥環境時，雖然環境溫度對結構有影響，但濕度較低，因此混凝土碳化和鋼筋銹蝕程度較小，這樣的情況在設計中只需要考慮溫度效應便足以達到其目的；另一類結構所處環境惡劣，受環境影響大，例如在沿海水域的海洋環境中，結構的混凝土容易碳化，也容易出現鋼筋銹蝕，在這種情況下，如果設計不能正確考慮并克服環境影響，則結構往往無法達到預期使用效果。

對于建筑結構來說，很容易判斷環境影響是輕微的還是嚴重的，采取相應的應對和處理措施以后，結構就可以達到預期的設計使用年限及效果。但對于路面而言，特殊的工程結構、對環境影響的考慮和相應的對策措施則往往達不到設計管理人員的心理預期。

面對瀝青混凝土路面的頻繁損壞、早期破壞嚴重等情況時，研究人員已經形成共識[2-4]：環境的不利影響是造成瀝青混凝土路面損壞的主要原因之一。但如何在設計中采取適時、適當、適量的設計措施加以應對仍是一個懸而未決的問題。

本文分析了環境對瀝青混凝土路面的不利影響，指出了目前瀝青混凝土路面設計措施應對環境不利影響方面的不足之處。基于這些分析結果和結構可靠性，提出把瀝青混合料的級配和內部有效孔隙率納入路面設計指標，同時提出檢測應以現場鉆取的芯樣樣品為依據，把路面層間的黏結狀況納入驗收指標。

一、環境對瀝青路面性能的影響

（一）高溫對瀝青路面的影響

在夏季高溫環境條件下，由于車輪荷載的反復作用，載荷應力會超過瀝青混合料的塑性極限，流動變形會逐步累積從而形成車轍病害。當路面發生車轍破壞時，車輪下方會出現凹陷，車輪兩側會出現凸起；路面材料被以曲線形式向外推，從而使車道線變得扭曲[5]，如圖1所示。

圖1 高溫車轍導致車道線扭曲

（二）低溫對瀝青路面的影響

冬季氣溫驟降，由于瀝青混合料的應力松弛跟不上熱應力的增長，從而導致瀝青混合料的剛度迅速增加，一旦超過混合料的極限強度或極限拉應變，路面將產生開裂病害，即溫度裂縫。當瀝青面層與基層的附著力不足，并產生一定的收縮自由度時，路表混合料就會變得更加容易開裂。

另一類溫度裂縫的產生原因是當溫度反復升降時，對于瀝青混合料而言，其拉伸應變疲勞應力極限變小，同時加上瀝青老化、松弛性能退化等原因，路面將更容易在高溫下開裂。實際上這種類型的溫度裂縫包含疲勞因素和溫度因素，因此研究人員也通常稱之為溫度疲勞裂縫，如圖2所示。

圖2 瀝青路面溫度裂縫

（三）水對瀝青路面的影響

瀝青混凝土路面由集料、瀝青和礦粉組成，其中集料由瀝青黏合而成，這就導致了集料之間未能完全黏結的部分會產生內部孔隙。當瀝青混合料的空隙充滿水時，在交通荷載作用下，瀝青混合料的孔隙中會出現相當大的動水壓力。由于流體力學的作用，骨料與瀝青膠漿的結合面會被破壞。當瀝青膜的黏結性能被破壞到一定程度時，其將逐漸從骨料上剝離，骨料和瀝青膠漿之間的黏附力就會喪失，進而產生飛散、掉粒等病害，最終導致路面破壞[6]，如圖3所示。

圖3 瀝青路面水損害

瀝青路面水害過程可以歸納為4個步驟：初期，水滲入瀝青與集料界面，形成水膜或水蒸氣，影響瀝青與集料的附著力；其次，在車輛循環荷載作用下，孔隙中的水形成動水壓力，使瀝青膜開始從骨料上剝離；漸漸地，黏結在一起的集料開始松動；最后，由于集料的缺失，路面形成凹坑。而路面坑槽的存在則會進一步積存水分，并產生更為嚴重的瀝青混合料的水損傷，最終導致路表破損呈指數型增長。

二、現有瀝青路面環境影響設計方法

（一）對溫度影響的設計考慮

在水泥混凝土路面設計中，對溫度的考慮是[7]：把溫度影響視為混凝土板上的一種特殊荷載，把計算出的溫度應力與荷載應力的組合應力視為有效應力，作為設計控制應力。在瀝青路面設計中，溫度的影響不作為單獨的校核應力包含在組合應力中，這也造成了瀝青路面設計忽視環境溫度影響的問題。

在瀝青路面設計中，為了抵抗高溫對瀝青路面的影響，研究人員提出了瀝青混合料的車轍動穩定度設計技術要求，以保證瀝青路面在高溫下能夠正常使用，即降低高溫車轍病害發生的概率。針對瀝青混凝土路面的低溫性能，研究人員相應提出了瀝青混合料的低溫彎曲應變極限值，用作評價瀝青混合料的低溫性能。

（二）對水影響的設計考慮

水的影響可以分為降雨和降雪冰凍作用對路面瀝青混凝土的影響。本文分別對瀝青路面的材料、結構提出了避免水損害的設計構想。

對于年降雨量較大的環境，規范規定“高速公路和一級公路在年平均降雨量1000mm以上的地區，表面層瀝青混凝土等級應達到5級。”“為防止雨雪進入路面層和路基，瀝青面層材料應為密級配瀝青混合料。使用排水基層時，應在其底部下方設置防水層和內排水系統，以確保水被排放到堤外。”

在《公路瀝青路面設計規范》（JTG D50-2017）中，為了抵抗水的沖擊，在路基、基層和瀝青表面提出了許多相應的結構措施；并對路面材料提出了具體要求，特別是對瀝青混合料的水穩定性、抗凍融特性及低溫性能的要求。

三、現有設計方法對環境影響考慮的不足之處

從以上瀝青路面的環境影響及相應的對策來看，目前的設計規范對道路的環境影響確實非常重視。然而，這些措施和方法往往無法克服或解決相應的環境影響問題，瀝青路面的使用性能并沒有實現質的提高[8]。

（一）實際路面材質與設計材質不同

目前，幾乎所有關于環境影響的結論都是基于實驗室條件下的理想混合料試驗所得出的。按照現行標準及其操作方法，即使在實際路面發生嚴重損壞時，實驗室相關測試數據仍保持材料在施工前、施工中和施工后均能達到規范技術要求。同時，路面施工過程控制和監測數據也顯示，這些路面項目的建設指標也均符合相應的建設和驗收規范。經抽樣檢測確認，材料符合技術要求，施工符合施工要求。然而，通過現場調查研究表明，室內試驗針對的是理想條件下的瀝青混合料，實際路表的瀝青混合料與實驗室內理想混合料之間存在著較大的差異性，僅僅依靠室內試驗數據無法準確衡量和預測實際路面的使用性能。

（二）缺乏對環境影響的深入研究

目前，環境對瀝青路面影響的機理尚未明確。由于環境的影響，瀝青混合料的物理力學性能在實際道路上正在發生巨大的變化。同時，隨著時間的推移，在荷載和環境的影響下，瀝青路面的層間狀態也發生了很大的變化[9]。這導致設計中使用的狀態參數不可靠，也不能作為預估其使用壽命的依據。瀝青路面材料和結構狀態的惡化是導致頻繁失效的根本原因。然而，材料和結構在環境中的劣化機理在研究中很少受到關注。而設計中常用實驗室數據和層間彈性連續狀態的假設，只存在于理想條件下，同樣也不能反映道路的實際狀態。

四、改進的思路和措施

（一）改進的依據和思路

《建筑結構可靠性設計統一標準》（GB 50068-2018）指出，應定量描述環境對結構的不利影響；當沒有定量描述條件時，可把結構的環境影響分為若干等級再進行定性描述，在結構設計時應采取相應的技術措施。

為提高瀝青路面的可靠性，避免瀝青路面過早破壞，應加強研究環境對瀝青路面的不利影響，進一步研究定量評價環境對瀝青路面不利影響的方法，以獲得瀝青路面材料的長期指標。但這項工作需要很長時間才能完成，而且由于不同地區的環境條件不同，研究必須針對特定的環境變量情況，因此在短期內對設計規范中的長期指標進行優化是不現實的。提高瀝青路面質量，在短期內增強瀝青路面的抗環境能力，應從兩方面著手。一方面是在設計中增加環境影響的相關指標；另一方面是保證道路實際狀態與設計一致，改變取樣方式和施工要求。

（二）在設計中添加環境影響指標

集料的質量和孔隙率要求應包括在設計指標中。相關研究結果表明，瀝青路面的損壞除溫度和水分外，還與瀝青混合料級配和孔隙率密切相關——瀝青混合料中細集料含量過多會導致其高溫性能變差；而當瀝青混合料的孔隙率大于6%時，其水損害會顯著增加。然而，在目前的瀝青路面設計規范中，這些結果并沒有得到體現，只給出了瀝青質量的相關要求。對于瀝青混合料只要求力學性能，而且只明確了集料的等級，但沒有提出孔隙率與環境影響之間要求。只有明確瀝青混合料的級配和孔隙率對環境的不利影響，才能有效避免環境影響。

（三）改變施工控制和驗收中的抽樣方法

目前瀝青路面的實施過程中，瀝青混合料級配樣品的測試是在拌和后鋪裝之前，此時獲得的樣品始終滿足其目標要求。但實際上在攤鋪過程中，瀝青混合料往往離析嚴重，瀝青混合料的級配與設計相差甚遠。瀝青混合料的級配離析包括攤鋪離析和溫度離析。這些隔離導致偏離道路的實際設計。

因此建議路面的質量控制使用現場鉆孔取樣。一方面測試芯樣的常規性能，另一方面則需測試芯樣的層間黏結性能和孔隙率。然而，瀝青路面在設計過程中是假定結構層之間的接觸是完全黏結在一起的，即瀝青路面結構設計是基于層間完全連續理論。而工程實際中路面層間黏結狀態是否處于完全黏結，在驗收時沒有相應的檢驗和評價指標。因此，本文建議增加瀝青路面的層間黏結狀態評價指標，以促進施工時及竣工驗收時對層間黏結性能的重視。

五、結語

環境影響是瀝青路面損壞的主要原因之一。高溫環境容易導致瀝青路面的車轍病害，而低溫環境則容易導致瀝青路面開裂，產生溫縮裂縫。當雨水滲入到混合料的內部孔隙中，會存在于瀝青膠漿與集料的交界面處，在車輛荷載所引起的動水壓力作用下，瀝青膜開始從集料表面剝離，造成集料松散、掉粒，最終形成路表坑洼。

目前，在現行的瀝青路面設計規范中，對環境影響的考慮不夠具體和適當，這是造成瀝青路面過早產生病害的實際原因之一。若希望提高瀝青路面的使用質量，在短期內增強瀝青路面的環境適應能力，應從兩方面著手。一個方面應在設計中增加環境影響的相關設計和評價指標；另一方面應保證道路實際使用狀態與設計指標值相一致，并需要優化改變現場鉆芯取樣方式和施工的技術要求。