高寒地區道路結構性能試驗檢測及質量優化方法探析

王武 劉華勛

摘要 為了提高高寒地區道路的耐久性和穩定性，文章以西藏地區318國道高海拔段為研究測試項目，通過人工調查法和主成分分析法調查并建立了路面病害及性能評價指標，并以低溫測試和紫外線輻射測試檢測了不同改性瀝青的性能。實驗結果表明：改良后的高標瀝青蠕變勁度最低為18 MPa，最小的蠕變速率為29 mm/年。此外，高標改良瀝青的針入度、延度和軟化點變化幅度明顯低于基質瀝青。

關鍵詞 高寒地區；道路結構；低溫測試；改良瀝青

中圖分類號 U416.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0152-03

0 引言

在我國廣大的疆域內，高寒地區道路建設面臨著嚴峻的挑戰，如極端氣候條件、復雜的地質環境、嚴重的凍土問題等，這些因素對道路建設和維護提出了更高的要求[1]。為此，深入研究高寒地區道路結構性能試驗檢測及質量優化方法，對于提高我國高寒地區道路建設水平具有重要意義。周家文對青海省共和至玉樹高速公路4.4 km試驗段路面施工技術進行了優化，提出了土工格室加固級配碎石基層的施工工藝。實驗結果表明，該技術能夠充分提高道路穩定性，增加了其抗老化程度[2]。蔡相連等人針對高寒地區橡膠瀝青的衰減檢測問題，提出了一種結合紅外光譜和掃描電鏡的檢測方法。實驗結果表明，當混合橡膠瀝青的運輸時間為17 min以內，此時的瀝青溫度敏感度最低，最適合施工用料[3]。趙永輝針對高寒高海拔地區公路變形破壞進行了調查，以拉張和剪切為主要方向設計了一種公路損壞防治措施。結果表明，這項措施能夠及時起到防止低溫和大雨環境下的道路破壞[4]。盡管道路病害預防和檢測方法在不斷更新，道路結構性能試驗檢測及質量優化方法方面的問題卻依然突出，嚴重制約了道路工程的質量和效益[5]。因此，該文以318國道西藏境內高海拔段的一條典型高寒道路作為研究對象，進行了項目檢測和質量優化，旨在提高高寒地區道路結構性能。

1 項目概況

318國道林芝到巴河段位于西藏自治區東南部，全長約200 km。公路起點位于林芝市境內，終止于巴河鎮。該路段平均海拔4 750 m，路基寬度7.5 m，路面寬6 m。通過實地調查可知，該路段改性瀝青混凝土5～9 cm，半剛性基層18～20 cm，砂礫墊層15～20 cm。從林芝出發的近80 km路段，即K4159+840～K4162+810段為高山峽谷型地貌，剩余路段，即K4162+810～K4231+860段基本為山間寬谷型地貌。結合西藏自治區氣象局調查數據顯示，該路段常年受暖濕氣流影響，最高氣溫為30.8 ℃，最低氣溫為?15.2 ℃，年平均氣溫為9.2 ℃。年降雨量平均為899.7 mm。該路段的道路平面簡化圖如圖1所示。

由圖1可知，該路段緊鄰雅葉高速，途經多個鄉鎮和旅游景點，涉及多個廠區和鄉鎮的發展。因此研究通過人工調查法對該路段進行了病害調查。調查結果顯示，該路段沉陷占比28%，龜裂占比22%，松散占比15%，塊狀裂縫占比12%，縱向裂縫占比8%。其余路段零散分布車轍、擁包、坑槽、泛油等公路病害。結合以上數據可總結以下問題：首先，由于318以客運旅游為主，因此常年的重載交通反復碾壓，使得路面產生了裂縫、變形、車轍等。其次，高寒、高海拔地區受太陽輻射和低溫冷凍等自然氣候影響，累計數年后使得瀝青表面變得硬脆，加速了材料老化。

2 項目測試指標確定

研究嘗試通過主成分分析法對其中的最佳公路病害進行定位，針對性地為后續優化設計提供方向。主成分分析法相較于熵值法能夠更直觀反映每一項指標含量，通過數據排序后更利于路面性能意義的總結和建議。根據《公路技術狀況評定標準》選取路面損壞狀況（PCI）、路面行駛質量（RQI）、路面車轍深度（RDI）、路面抗滑性（SRI）、路面裂縫以及路面沉陷作為評定指標。此時的路面使用性能指數如式（1）所示。

PQI=wPCI+wRQI+wRDI+wSRI （1）

式中，wPCI、wRQI、wRDI和wSRI——路面損壞狀況、路面行駛質量、路面車轍深度以及路面抗滑性的指數。其權重值分別為0.6、0.4、0.3和0.2。經Matlab對K4159+840

～K4231+860路段病害數據進行處理，其關系矩陣如表1所示。

由表1可知，完成對項目路段的病害數據梳理后，直觀展示了病害相關性的數據大小。相關數據越大，則說明病害越嚴重。相較于路面的損壞狀況、路面行駛質量以及路面抗滑性而言，路面車轍深度、路面裂縫和路面沉陷的相關性數據反而最高，該數據結果與初始人工調查法所得結果大致相同，僅存在略微差異。究其原因，可能是在高海拔地區的公路施工中，設計偏重于路面的低溫性能，而疏忽了車轍處理。特別是作為旅游專線的318三級道路，其平均車流量大且主要為重載客車，因此更容易產生較深的車轍病害。綜上所述，研究確定將路面車轍深度、路面裂縫和路面沉陷作為后續測試的主要指標，同時說明了主成分分析法能夠契合人工調查法的實際數據，能夠為后續的路面優化和路面檢測提供一定的理論基礎。

3 項目路面材料優化

路面材料在高寒地區的選擇至關重要，它直接影響到道路的抗凍性、抗滑性、耐久性等關鍵性能，對提升交通安全、維護路面品質以及減少維護成本具有重要意義。為了應對高寒地區嚴峻的氣候條件，路面材料必須具備卓越的低溫抗裂性和抗滑性能。常規的高標基質瀝青有110號、130號和160號，標號越高，其黏度越大，更適用于具有挑戰性的道路。同時SBR作為一種瀝青混凝土添加劑，具有改善混凝土的性能，延長道路的使用壽命，提高道路性能的特性。研究嘗試將SBR分別加入這些高標瀝青以探索其性能變化。加入SBR后分別標記為110-SBR、130-SBR和160-SBR。結果表明，這三種改良瀝青在25 ℃下，5 s內每100 g的針入度分別為119.4 mm、131.6 mm和164.8 mm。軟化點分別為50.2 ℃、49.6 ℃和47.2 ℃。閃點分別為242 ℃、237 ℃和231 ℃。溶解度分別為99.45%、99.37%和99.28%。

4 項目路段試驗檢測分析

4.1 低溫蠕變性能測試

選取318國道林芝到巴河段，從樁號K4159+840～

K4231+860中的任意4 km路段進行試驗檢測。通過彎曲梁流變儀對6種試驗瀝青類型（見表2）進行低溫蠕變性能測試，以彎曲蠕變勁度和蠕變速率為參考指標來檢測各種瀝青的低溫性能。蠕變勁度越大，則說明瀝青脆度越大，路面越容易出現裂縫。蠕變速率越大，則說明道路變形的能力越大，抗變形能力越差，也越有可能發生道路沉陷。

由表2可知，針對同一種瀝青，不論是基質瀝青還是改良瀝青，其蠕變勁度和蠕變速率都隨著溫度的降低而變大。因此，此時瀝青的脆度變大，路面就越容易出現裂縫和沉陷。同一種瀝青進行改良后，測試數據明顯低于改良前。最低的蠕變勁度值為160-SBR號瀝青在0 ℃時的18 MPa，最小的蠕變速率值同樣為160-SBR號瀝青在0 ℃的29 mm/年。此外，結合對車轍深度的數據檢測發現，同一種瀝青材料中，隨著溫度的降低，其車轍檢測深度明顯減小，導致該現象的原因可能是高溫會導致瀝青道路的柔軟程度增加。當車輛通過時，車輪施加的承載力會使得路面材料變形，從而造成更深的車轍。另外，隨著瀝青標號的增加，車轍深度也不斷減小。加入SBR改良劑后，相較于基質瀝青，其車轍深度明顯減小，最小的車轍深度值為160-SBR號瀝青在?24 ℃時的5 mm。結合以上數據，證明了SBR改良瀝青能夠加強道路的綜合性能，降低路面脆度，增加其抗變形能力。同時，160-SBR號瀝青最能夠適應高寒環境下的道路施工建設，具有優越的適應力。

4.2 太陽輻射下紫外線對道路結構的影響測試

結合西藏氣象局2020—2021年的調查數據顯示，全區大部分地區太陽輻射年均達6 000～8 000 MJ/m2。大量的太陽輻射會加速瀝青老化，因此研究高寒地區的紫外線輻射對道路結構的影響是十分必要的。研究設置1 200 W/m2的紫外線燈光，在封閉環境下分別澆筑表2中6種瀝青的混凝土樣本，厚度控制在0.8～1 mm。考慮160號及160-SBR號瀝青的高標瀝青質地較軟，施工過程中用量較少，因此研究僅針對其余4種瀝青進行了不同時間段的老化診斷，以針入度、軟化點和延度試驗為參考指標，測試結果如圖2所示。

圖2（a）為瀝青針入度隨時間變化曲線，圖2（b）為瀝青軟化點隨時間變化曲線，圖2（c）為瀝青延度隨時間變化曲線。由圖2可知，隨著紫外線輻射時間的增加，四種瀝青的針入度和延度都逐漸降低，而軟化點溫度逐漸增高。其中，相較于基質瀝青，加入SBR改良后的瀝青測試值都明顯較優。其中110-SBR瀝青的針入度變化幅度最大約為20 mm，延度變化幅度最大約為60 cm，軟化點變化幅度最大約為15 ℃。130-SBR瀝青的針入度變化幅度最大約為10 mm，延度變化幅度最大約為30 cm，軟化點變化幅度最大約為8 ℃。對比數據說明，SBR改良后的瀝青受太陽輻射的影響變化較小，130標號的瀝青較110號瀝青綜合表現性能更佳，更適合高寒地區的道路施工建設，該研究結果為后續的道路養護和道路延長使用壽命提供了理論基礎。

5 結論

該文針對318國道西藏境內的高海拔路段進行了試驗檢測和質量優化。通過人工調查法收集了該路段的主要道路病害，以主成分分析法建立了路面性能評價指標。另外，針對不同改性瀝青進行了低溫測試和抗輻射測試。實驗結果表明，改良后的高標瀝青的蠕變勁度和蠕變速率都明顯低于基質瀝青，其最低的蠕變勁度和最小的蠕變速率值皆為160-SBR號瀝青在0 ℃時的18 MPa和29 mm/年。此外，隨太陽輻射的時間延長，130-SBR瀝青的針入度變化幅度最大約為10 mm，延度變化幅度最大約為30 cm，軟化點變化幅度最大約為8 ℃。該數據相較于基質瀝青變化較小更適合西藏高寒地區的道路建設。然而，此次研究雖然分析了路面病害，但未分析瀝青對病害的影響，后續研究可補全該部分結論，以增加研究的全面性。

參考文獻

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[2]周家文. 高海拔高寒區路面底基層施工技術分析[J]. 黑龍江交通科技， 2021（3）： 8-11.

[3]蔡相連， 王昊宇， 王敏， 等. 高寒地區橡膠瀝青混合料施工溫度衰減特性[J]. 公路， 2023（4）： 52-58.

[4]趙永輝. 高海拔深厚覆蓋層庫區公路變形破壞特征及防治措施研究[J]. 公路， 2021（5）： 12-17.

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