西北地區高速公路瀝青路面病害分析與自愈合修復技術

摘要 西北地區高速公路病害繁多，嚴重影響了瀝青路面的使用壽命，為了確保高速公路的安全、平穩運行，文章首先對瀝青路面的病害及其成因進行了實地勘察和分析調研，然后對西北嚴寒地區的高速公路瀝青路面的破壞類型進行了分類，總結了路面的預防性養護措施，最后基于路面無損檢測方法探明路面損害位置的損傷程度，制備了一種瀝青路面微膠囊自愈合添加劑，通過激發瀝青材料的流變性以激活瀝青材料的自愈合能力，從而避免瀝青路面裂縫的進一步擴展。

關鍵詞 瀝青路面；病害分析；預防性養護；自愈合

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）22-0081-03

0 引言

西北地區地質類型主要為山地和溝壑，年降雨量稀少，且部分地區晝夜溫差較大。在嚴寒地區，瀝青路面容易受到凍融循環的影響，導致龜裂、破碎、松散等問題，加劇路面的破損程度。瀝青路面常見的病害主要包括龜裂、坑洼、變形等，這些病害不僅影響行車的平穩性和安全性，還加速了路面的老化和破損。目前，我國西北地區缺乏對路面病害的早期監測及預防措施，尚未在病害早期采取預防性的防治措施，導致路面的病害進一步加劇，且影響范圍也更加廣泛。董瑞琨等[1]通過室內及現場試驗，分析了高速公路瀝青路面的老化機理，認為熱循環會加劇路面瀝青材料的老化，同時指出瀝青路面的老化不僅發生在路面表面而且也發生在路面內部，老化熱會引起路面局部應力集中。王麗娟等[2]采用室內試驗對路面循環荷載作用下的瀝青路面壽命進行了預測，同時確定了瀝青路面裂縫長度可作為預防性養護的指標，明確了瀝青路面最經濟的養護方法和養護時機。目前在研究瀝青路面病害方面，主要關注龜裂、坑洼、松散等問題的成因分析。該文通過實地調查和試驗發現，一些研究強調了瀝青混合料的配合比、施工工藝、原材料選擇等因素對路面病害的影響[3]，可為后續的瀝青路面維護提供參考。

1 高速公路瀝青路面病害調查及成因分析

高速公路瀝青路面，作為承受車輛荷載的主要組成部分，經常面臨著各種病害的困擾。為了確保高速公路的安全、平穩運行，該文對瀝青路面的病害及其成因進行實地勘察和分析調研。實地勘察是研究高速公路瀝青路面病害的首要步驟，通過對特定路段的實地走訪和照片拍攝，觀察路面的裂縫、坑洼、破碎等病害情況，以獲取翔實的病害信息，包括路段交通流量、氣象條件、地質特征等。

1.1 路面裂縫

目前關于高速公路瀝青路面的研究表明，半剛性基層路面產生的裂縫以橫向裂縫為主。目前我國西北大部分地區高速公路路面采用半剛性支承路面，從而導致瀝青路面的裂縫是該地區最為廣泛的破壞類型。根據路面裂縫的成因和發育擴展方向的類型，可將瀝青路面的裂縫分為橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂等類型。圖1、圖2為我國西北某省的高速公路裂縫類型病害圖。

1.2 路面龜裂

高速公路上的溫度龜裂是一種常見的裂縫病害，主要因晝夜溫差變化過程中發生的熱應力而引起。這些裂縫通常呈放射狀或細長的形態，從路面的中央開始向外輻射。例如甘肅省平均晝夜溫差達到15℃，高速公路在晝夜溫差、季節性溫差及日夜之間的溫度變化下，會經歷溫度的急劇升降，導致路面路基不同部分的膨脹和收縮程度不同，從而在路面表層和深層瀝青層中形成熱應力。路面材料性質差異主要表現為不同材料對溫度的響應不同，路面上使用的瀝青混合料、基層材料等具有不同的膨脹系數和熱導率，這種差異會導致材料之間的不匹配，從而加劇溫度應力的產生。如果路面結構設計或施工不均勻，如瀝青黏度、厚度不一致，路面各部分在溫度變化下的響應差異將導致溫度龜裂的形成。

1.3 路面變形

在通行車輛循環荷載的碾壓下，瀝青路面會在沿車輪運動方向形成較大的縱向凹陷車轍。圖3為瀝青路面在長期交通荷載作用下的路面凹陷圖，從圖中可知車轍的深度達到10 mm，這會嚴重影響路面交通安全及通行質量。瀝青路面的車轍分布范圍較廣且修補困難，其主要成因分析如下：

（1）車輛荷載。車輛行駛時對路面施加了周期性的荷載，特別是在高交通流量、重荷載交通路段，車輪對路面的垂直載荷和水平力會導致路面變形，形成凹陷車轍。

（2）瀝青材料性質。路面瀝青混合料具有一定的黏彈性，但隨著時間的推移和外部因素（如氣候和交通荷載）的影響，瀝青可能會逐漸硬化且失去彈性，導致路面更容易留下車轍。

（3）頻繁濕潤條件。在潮濕或多雨的氣候條件下，路面表面容易被水分浸潤，使得路面材料失去部分抗剪強度。在車輛行駛時，由于輪胎與濕潤的路面相互作用，更容易在路面上留下車轍。

（4）路面結構問題。路面結構設計不合理，或者施工工藝不當，引起瀝青路面在壓實過程中密實度不夠等情況，將導致路面不均勻沉降，從而加劇車轍的形成。

2 高速公路瀝青路面預防性養護指標標準

高速公路瀝青路面的預防性養護是為了延長路面使用壽命、提高路面性能，并減少后期養護成本。預防性養護的指標標準通常包括以下4個方面，通過對路面的裂縫及瀝青路面進行檢測，從而根據路面損傷情況及檢測標準制定相應的處理措施。

2.1 裂縫指標

路面裂縫是瀝青路面早期病害的常見形式，早期階段的裂縫為短小的微裂縫。通常這種裂縫不易察覺，同時缺乏對瀝青路面微裂縫的檢測手段，隨著過往車輛的循環加載，路面的微裂縫會進一步增大和擴展，尤其在冬季的西北地區，裂縫中的雨水或者雪水受冷結冰后會導致裂縫進一步增大，嚴重時還會導致路面鼓起和路面基層破壞，一旦裂縫開始發展將難以控制。但如果在裂縫早期，可及時對路面進行預防性養護處理響應，從而從根本上解決西北地區半剛性路基瀝青路面的裂縫發育問題。

2.2 瀝青路面的檢測指標

（1）平整度指標。用于評估路面的平整度，通常以國際粗糙度指數（IRI）為主，根據車輛在行駛過程中的震動和不適度量化路面的平整性。路面不平整處形成的凹陷容易導致積水，從而加大路面結構強度的衰減速度。通過定期監測和平整度維護，可及時發現并處理路面微小的不平整部位，有助于延長路面的使用壽命，減輕車輛行駛的震動。

（2）摩擦系數指標。通過定期的瀝青路面摩擦系數測試，評估路面的抗滑性能，確保路面在各種氣象條件下對車輛提供足夠的抓地力。

（3）表面狀況指標。通過檢測龜裂密度和類型，了解路面的裂縫狀況，從而制定相應的預防性養護措施。

（4）坑洼和變形指數。衡量路面表面的坑洼和變形情況，幫助及早發現并修復路面問題。

（5）瀝青混合料性能指標。1）抗剪強度和彈性模量，評估瀝青混合料的力學性能，確保在交通荷載下具有足夠的強度和彈性，抵抗龜裂和變形。2）瀝青含量和瀝青質量指標，確保瀝青混合料中的瀝青含量符合設計要求，維持瀝青與骨料及添加劑等混合料的質量穩定。

2.3 路面控制性指標

（1）預防性養護是在路面結構尚未出現結構性損傷時，通過檢測監控路面病害的進一步發展趨勢。在路面病害發展初期或者裂縫持續發展前進行及時修補處理，采取修補措施不僅可以預防病害進一步發展，而且可以恢復路面的使用功能。

（2）預防性養護的目標是改善路面的功能狀況，減緩路面結構破壞的進程，適用于路面性能良好或僅存在小規模病害的路況。

（3）預防性養護是一種有計劃的周期性養護技術，判斷養護時機、選定需養護的路段及采用適當的養護措施。同時，通過在路面使用期間多次實施預防性養護，延緩大、中修的頻率。

（4）通過實施預防性養護措施能夠有效提高路面的養護效益，有助于及時處理路面輕微病害，減少由于路面病害不斷惡化而導致的結構性破壞損失。同時，大、中修的次數和后期維修養護費用顯著減少，從而產生顯著的經濟和社會效益。

2.4 預防性養護標準

根據《公路瀝青路面養護技術規范》（JTG 5142—2019）[4]中對瀝青路面損壞狀況指數PCI的規定，可及時開展養護措施。技術規范中指出在滿足PCI要求前提下，當PCI≥70時需要開展日常養護，并進行路面的局部修整；當PCIlt;70時，對路面進行中修或者部分位置的大修處理。但該技術規范中并未對預防性養護標準做出相應規定，因此需要結合常用的PCI評價標準和西北地區瀝青高速公路路段的PCI衰減曲線，制定數字化的預防性養護標準。表1為《公路技術狀況評定標準》（JTG 5210—2018）中對高速公路瀝青路面損傷的PCI分級，從表中可以看出PCI≥92的瀝青路面無須預防性養護，路面結構良好、路面損傷程度極小，路面可以正常使用；對于PCI指數lt;80的路面，其瀝青路面結構存在部分問題，例如細微裂縫、路基損傷、塌陷等，因此應及時采取預防性養護處理。路面損壞是隨著時間呈現指數型增長，因此為了避免路面結構進一步破壞，盡早地進行養護，可以最大限度地對路面結構進行保護。

表1 瀝青路面PCI評價標準

評價級別 優秀 良好 中等 較差 較次

PCI ≥92 80～90 70～80 60～70 lt;60

3 微膠囊自愈合劑在路面瀝青中的應用研究

瀝青路面出現裂縫后應及時進行修復，該文采用物理-化學方法制備了一種可自愈合的微膠囊瀝青添加劑。微膠囊自愈合材料是以葵花籽油作為囊芯，聚脲醛樹脂為囊壁。為了驗證這種材料的適用性，以及自愈合膠囊與瀝青材料的兼容性，在不同溫度的瀝青中添加微膠囊材料進行動態剪切模量及相位角的研究，通過這些參數可以評價自愈合膠囊材料在瀝青路面修補中的效果。對于瀝青路面這種復雜的有機混合物來說，通過激發瀝青材料的流變性可以激活瀝青材料的自愈合能力，從而避免瀝青路面裂縫的進一步擴展。瀝青路面是一種隨溫度變化的流變性黏性材料，通過探究微膠囊的摻入量和溫度的變化關系，可以分析摻入量對瀝青黏度的影響關系。表2為微膠囊摻入量與流動性的統計表。從表2可知，瀝青材料的黏度值隨著溫度的升高而不斷降低，高溫時瀝青材料的黏性占主導優勢，摻入微膠囊后的瀝青在140°C和180°C的黏度值均呈現增大趨勢，140°C時黏度均在500 mPa·s 以上，而180°C時則降低至90～110 m Pa·s 之間，且隨著摻入量的增加而逐漸升高。為了提高瀝青路面的鋪設效果，可以在180°C左右摻入微膠囊進行拌和、鋪平。

表2 微膠囊摻入量與流動性的統計表

測試項目 測試溫度/℃ 微膠囊摻入量/%

— — 0 0.3 0.5 0.7 1.0

黏度/mPa·s 140 475 514 536 574 590

180 80 91 96 104 109

圖4為膠囊摻入量對瀝青材料的復數模量與相位角的影響關系曲線圖。從圖中可以看到，隨著微膠囊摻入量的增加，瀝青材料的動剪切模量呈現逐漸增加的趨勢。但是溫度對瀝青的動態剪切模量影響較大。相位角則與動態剪切模量的變化相反。隨著微膠囊摻入量的增加，相位角逐漸減小。試驗溫度升高后，瀝青的流動性顯著增加，導致微膠囊的阻礙效果減小。通過試驗可知，微膠囊自愈合瀝青的最佳使用溫度在46°C附近，這可以確保微膠囊摻入后的瀝青材料在夏天高溫環境中增加流動性，從而對路面微裂隙進行自愈合修復。

圖4 微膠囊自愈合瀝青的動剪切模量與相位角

4 結語

通過對高速公路路面病害的調研及分析，結合路面病害的發展規律提出了路面預防性養護處理措施，及早發現路面病害并針對性地進行路面養護，以提高大溫差地區路面的使用壽命，及時發現并修復潛在問題路面結構。因此，該文提出了一種采用葵花籽油作為囊芯、聚脲醛樹脂為囊壁的自愈合微膠囊添加劑，摻入膠囊添加劑后的瀝青材料可以在夏天高溫環境中增加流動性，對路面微裂隙進行自愈合修復。

參考文獻

[1]董瑞琨，孫立軍.路面維護及預防性養護效益分析[J].公路，2004（3）：121-125.

[2]王小鳳.基于全生命周期分析的瀝青路面預防性養護時機及策略研究[D].蘭州：蘭州交通大學，2013.

[3]熊濤，傅琴華.同步碎石封層技術在瀝青路面預防性養護施工中的應用[J].中國公路，2021（18）：108-109.

[4]公路瀝青路面養護技術規范：JTG 5142—2019[S].北京：人民交通出版社，2019.