基于路面使用性能的預養護時機研究

摘要 為研究功能性預養護材料的最佳養護時機，提高瀝青路面預防性養護效果，文章分析了瀝青混合料開裂參數與瀝青材料的相關性，并預測了瀝青的老化程度。研究結果表明：（1）流變裂縫擴展指數與瀝青老化特性呈現明顯的正相關性，該指標可用于推測瀝青混合物在真實路面環境中的抗老化能力。（2）羰基面積因子是衡量瀝青老化程度的重要指標，不同類型的瀝青混合料的羰基面積因子與老化時間有著良好的線性關系。（3）瀝青裂縫的延性臨界值為10 cm，瀝青路面微裂縫階段是實施預防性養護的關鍵時機。

關鍵詞 道路工程；瀝青路面；長期老化；養護時機；功能性預養護材料

中圖分類號 U418.6 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）16-0055-03

0 引言

道路作為基礎設施之一，在長期使用過程中會受到車輛荷載、氣候變化等因素的影響而發生損壞和破壞，為延長路面的使用壽命和保障交通安全，預養護起著至關重要的作用?，F有道路養護工作往往是在路面出現明顯病害后才進行修復，這種方式往往效果不佳且費時費力[1]。通過研究基于路面使用性能的預養護時機，可以提前發現路面問題，有針對性地進行維護和修復，提高道路使用效率，還能夠節約養護成本，減少因道路損壞帶來的交通事故和交通擁堵，有利于促進交通運輸領域的可持續發展[2]。通過科學合理地確定路面預養護時機，可以為道路養護工作提供更有效的指導，為公眾出行和交通運輸安全保駕護航。

近年來我國在長壽命路面技術研發方面取得了進展，但仍存在路面結構參數測算困難的問題。陳雷等[3]指出由于路面結構地下參數難以準確獲取，成為精準分析路面的力學響應特性的挑戰。張亞楠等[4]研究提出了相關預防措施，該研究對瀝青混合料參數的影響因素進行了分析，強調了無結合料材料的基本概念和影響因素。宋子陽等[5]認為在無機結合料穩定材料方面，時間和溫度因素對路面結構設計具有重要影響。綜上所述，當前我國在長壽命路面技術研究中，關注路面力學響應特性的準確分析和預防早期破壞的措施是研究熱點，需要進一步深入研究和實踐。

針對目前瀝青路面養護時機研究中存在的問題，該文通過實驗研究了不同瀝青在老化時間等作用下的性能退化過程，分析了瀝青性能退化對路面性能的影響規律，結合路面開裂因子及開裂機理等關鍵指標，提出了基于瀝青路面使用性能退化規律的預養護機制。

1 實驗研究

1.1 實驗方案

對三種不同類型的瀝青進行試驗，瀝青的基本性能見表1所示。為模擬瀝青短期的衰老過程，使用標準老化試驗模擬長期衰老，選擇PVA進行老化試驗。在2.1 MPa和90℃的壓力環境下，設定了不同的時效期，分別是20 h、40 h、60 h和80 h。

1.2 實驗方法

利用動態剪切流變儀（DSR）對瀝青進行深度研究，分析其流動特性的變化情況。采用應力控制模式，并設置了從-10℃～80℃的溫度區間，試驗頻率是10 rad·s-1，同時以2℃/min的速度升溫。

2 實驗結果與討論

2.1 流變開裂因子與延度關系的建立

瀝青具備顯著的黏性特征。在Maxwell模型中，對于黏性材料，其應變速度、彈簧彈性模量和黏度之間的關系如式（1）所示：

式（1）中，η——拉伸黏度（Pa·s）；F′——施加應力（MPa）；Tf——應力參數（MPa·℃）；G——拉伸強度（MPa）；G'——瀝青的能量儲存模數（Pa）；η'——瀝青的剪切黏度（Pa·s）。

式（1）揭示了瀝青在彈性測試中，其延伸長度與拉伸黏度η及拉伸強度G的關系。若將G和η視為G'和η'，則在動態拉伸過程中，使用參數G'替代瀝青的彈性和（η'/G'）是可行的（假定G=G'，η=η'），并將此稱為流動破裂因素。

圖1為三種不同室內老化瀝青的延度值與流變開裂因子的關系。由圖1可見，在對數的坐標中，流動破裂因素與石油瀝青黏合劑的延伸程度呈現顯著的線性關聯，相關系數高達0.949，這意味著可以利用G′/（η'/G'）預估石油瀝青黏合劑的延伸程度?；诖说贸龅牧鲃悠屏岩蛩睾脱由斐潭鹊年P系，能夠推測出實況路面的樣本石油瀝青的延伸程度。

依據圖1中的流變開裂因子和延展性的關聯數據，可以推算出瀝青混合物在實況道路表面0～1 cm深度區域的預期延展度數值（見表2所示）。觀察表2的數據可知，隨著路面使用年限的增加，其表層瀝青的延展性能逐步減弱，尤其是在第3年后表現得尤為顯著。根據采集的路面樣本情況來看，使用的6年瀝青路面材料的延度約為4.9 cm（此段并未實施預防養護工作，且路面構造是水泥混凝土）；而9年使用期路面材料的延度則預計會小于3 cm，這已導致嚴重裂痕的出現。

2.2 紅外光譜分析

如圖2所示，三種不同類型的室內老化瀝青中的羰基與亞砜基總面積的變化情況，隨著老化時間推移而逐漸顯現。通過觀察圖2可以清晰地發現，當老化過程持續時，這些瀝青黏結劑內的羰基和亞砜基總面積會逐步增長并表現顯著趨勢，這種現象可通過數學模型進行解釋。

可以利用阿倫尼烏斯方程描述不同老化溫度下瀝青膠結料中羰基面積因子的增長速率，見式（2）。而在特定的溫度和壓力條件下，式（2）可簡化為式（3）。

式（2）中，rc——羰基的生成速度（n/s）；A，a均為常數；P——壓強（Pa）；K——反應的活化能（KJ/mol）；R——摩爾氣體常數；T——環境溫度（℃）。

C=C0-rct （3）

式（3）中，C——羰基的面積因子；C0——反應的初始面積因子；t——老化時間（h）。

通過研究式（3）發現，隨著瀝青混合物氧化過程中的衰老階段推進，其碳氧雙鍵區域比率會呈現一種明顯的正相關趨勢的變化規律。為證實此理論推斷是否正確，對其室溫下的樣品做了相應的實驗測試，并繪制成曲線以供參考觀察，結果見圖3所示。從數據可以看出，當樣本經過一定時間后，其羰基面積因子值呈明顯上升狀態且具有很強穩定性和一致性的特征表現出來，進一步證明了假設的成立，并且能夠有效地反映實際情況的變化狀況。

圖4展示的是瀝青路面的頂部0～1 cm及3～4 cm區域內瀝青混合物的羰基面積因子，隨應用年限的變化情況。由圖4可以看出，位于該區間的羰基面積因子與應用時長成正比關系，并不受瀝青混合物類型的影響。底部的瀝青混合物的羰基面積因子變換速率是其表面部分所觀測速度的一半，通過對實驗室中PAV模擬老化過程及實況老化過程進行對比分析，發現在實際情況下的羰基面積因子顯著高于前者。對于使用期限為3年的頂部0～1 cm區域的瀝青混合物而言，它等同于兩種類型的瀝青在PAV老化過程中均經歷了60～80 h；根據SHRP的研究結論，20 h的PAV老化能夠反映道路5～9年的使用狀況，但實際上，這種觀點并不能完全適用于當前的研究成果。總體來說，瀝青路面表面層0～1 cm范圍內羰基面積因子與使用時間呈直線關系。同時，羰基面積因子與瀝青路面老化程度相關，是一種有效的瀝青路面預防性養護指標。

2.3 基于老化的預防性養護時機分析

根據對美國瀝青道路的研究，得出結論：瀝青的延伸能力與其未承載的路面裂紋有強烈的相關性。因此，提議以10 cm處的瀝青伸縮度作為其裂紋的閾值。該研究中，選取了部分具有非構造損壞性質的路面段進行樣本分析，結果顯示：對于瀝青路面的小裂痕階段，瀝青的彈性系數（15°C，1 cm/min）在5～8 cm區間內起到關鍵性的保護作用。流動破裂指數和彈性的關聯情況如圖1所示，流動破裂指數對應的范圍是0.672～1.129。另外，三種類型瀝青中的羰基表面活性劑分別為0.101～0.155、0.059～0.089和0.043～0.056，老化時間分別為80～167 h、70～127 h和30～50 h。

依據前述研究結果，首次對該道路實施預防護理的時間應控制在4年以內。當瀝青路面的流變破裂指數在6年后已超出其最大允許值時，說明預防性維護措施已被錯過；而9年后的路面則出現嚴重裂痕，現階段僅適宜采取修補方式進行修復。基于此，可以通過計算流變破裂指數并將其置于規定的范圍內，從而準確識別瀝青路面需要啟動預防性保養工作的時機，以供后續參考之用。

3 結論

該文針對功能性預養護對瀝青混合料抗老化性能影響進行了研究，通過對不同養護時機和老化條件的實驗結果進行分析，發現功能性預養護對提高瀝青混合料抗老化性能具有顯著效果，主要得到以下結論：

（1）功能性預養護的最佳時機應選擇在瀝青混合料生產后的24 h內，這時瀝青混合料尚未完全固化，養護處理可以更有效地滲透到材料內部，提高其黏結力和抗老化性能。過早或過晚進行養護都會影響養護效果，降低瀝青混合料的性能。

（2）功能性預養護對瀝青混合料抗開裂性能的改善效果顯著。在老化試驗中，經過功能性預養護的瀝青混合料表現出更好的抗開裂性能，提高了瀝青混合料的黏結力和抗老化性能，減少了因老化引起的材料性能下降。

（3）功能性預養護可以改善瀝青混合料的疲勞性能和耐久性，減少了瀝青混合料內部的微裂紋和孔隙，提高了材料的整體均勻性和強度。為實現最佳的養護效果，應選擇瀝青混合料生產后的24 h內進行功能性預養護處理，并充分考慮各種因素，如施工條件、材料特性等，以制定合理的預養護方案，確保瀝青路面的長期性能和耐久性。

參考文獻

[1]崔文博.基于路面使用性能衰變規律的預防性養護時機研究[D].西安：長安大學，2011.

[2]王曉紅.基于路面使用性能的預養護時機研究[J].中國公路，2020（20）：10-12.

[3]陳雷.高速公路瀝青路面預養護時機研究[J].中國公路，2021（21）：3.

[4]張亞楠.基于路面使用性能衰變規律的預養護措施研究[J].中國公路，2022（23）：4.

[5]宋子陽.基于路面使用性能的預養護技術研究[J].中國公路，2023（6）：7-9.