川西高原瀝青路面高頻凍融破壞機理研究

摘" 要：針對川西高原山區瀝青路面易出現高頻凍融破壞的問題，對代表性路段瀝青路面進行調研，通過埋設傳感器的方式監測路面結構內的溫度情況，在此基礎上，建立高頻凍融室內試驗方法，將紫外、熱氧老化和高頻凍融試驗結合，采用劈裂強度指標，研究川西高原山區瀝青路面的高頻凍融機理。結果表明，老化對高頻凍融的影響很大，采用“紫外+熱氧老化+高頻凍融”的方法，可以模擬高頻凍融的最不利破壞情況；瀝青混合料的劈裂強度隨凍融次數增加呈線性降低；相對SBS改性瀝青混合料，橡膠瀝青混合料可更好地抵抗高頻凍融破壞。

關鍵詞：道路工程；高頻凍融；破壞機理；紫外老化；橡膠瀝青

中圖分類號：U414" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）07-0058-05

川西高原山區，海拔較高，強紫外照射，溫差大，日常驟然升溫降溫造成反復高頻凍融，這些因素耦合作用下，瀝青路面極易出現路面表面剝落、松散破壞及開裂等不良病害，嚴重影響了路面使用壽命[1-2]。當前，四川省高速公路建設正在往川西高原山區延伸，規劃和在建的高原山區公路有汶馬（汶川—馬爾康）高速公路、康新（康定—新都橋）高速公路等，這些高速公路均將面臨高原山區高頻凍融環境。

為了提高路面耐久性，防止高頻凍融對路面結構造成破壞，本文從川西高原代表性路面病害調研入手，采用現場溫度場監測及室內試驗設計，對川西高原地區瀝青路面高頻凍融破壞機理展開研究，提出適用于川西高原山區路面抗高頻凍融的路面材料，以期為川西高原地區公路工程建設提供指導。

1" 高頻凍融條件下瀝青路面破壞情況調研

本文以G227線甘孜藏族自治州理塘縣君壩鎮段為例，分析川西高海拔山區瀝青路面高頻凍融破壞情況。該路段所在區域海拔高度為3 600～4 600 m，紫外照射強烈、大風多、降雨少、冬季干冷漫長，一般為11月—次年4月。平均氣溫3.0 ℃，極端最高氣溫25.6 ℃，最低氣溫-30.6 ℃，年平均地面溫度5.9 ℃，由于大溫差和強輻射，在冬季瀝青路面存在一日一凍融的高頻凍融情況。本文針對G227線理塘縣君壩鎮段進行了病害調研。

G227線理塘縣君壩鎮段為瀝青路面，三級公路，雙向兩車道，路面結構如圖1所示。經調查，G227線瀝青路面病害主要形式為如圖2所示的龜裂，占比達到了80%以上，其次為塊裂、橫縫和縱縫。從圖2可以看出，路面龜裂處出現了大量唧漿問題，瀝青路面凍融理論表明，在反復凍融作用下，瀝青路面因水分進入瀝青混合料結晶凍脹后，路面出現損傷，損傷后開裂，一方面水分進入裂縫，帶出瀝青面層以下的無機材料灰漿或者路基土漿，形成路表可見唧漿；另一方面，道路在受到反復凍融作用下，路面下的土基和水泥穩定碎石等材料在反復凍脹下容易出現凍壞剝離，達到翻漿的程度導致路面表面出現唧漿。

2" 研究方法

2.1" 溫度場調研

為了分析高原高海拔地區瀝青路面溫度場情況，在川西海拔3 400 m的某高速公路施工過程中，埋設了監測瀝青路面溫度場的傳感器，傳感器埋設如圖3所示。傳感器埋設層位如圖4所示。

對瀝青路面溫度隨環境溫度的變化進行了實時采集，以路段所在地氣溫最低的一天數據為例，當天環境氣溫為-17～2 ℃，路面內部的溫度場如圖5所示。可以看出，一天內瀝青路面內部的溫度場呈現周期性正弦規律變化，各個層位瀝青路面內部的溫度都是凌晨到早8點左右先減小，后在8點到14點左右增高，14點到24點左右再降低的規律。一日氣溫上面層底（4 cm處）的波動最大，高低極值點都是最大，其次為中面層，下面層底和水穩底的溫度場波動較小，隨外界溫度變化不大。可以看出，瀝青上面層底的溫度可從負溫變成正溫，會經受每日一次的凍融循環作用，中面層底及以下不會發生，發生高頻凍融的路面深度為9.7 cm范圍，面層層底4.9 cm處約為高頻凍融深度的中間位置，經內插計算該位置處凍融的低溫約為-3.8 ℃，高溫約為10.6 ℃左右。

2.2" 高頻凍融試驗方法

依據上述瀝青路面實際測試的溫度隨時間變化情況，瀝青路面發生凍脹的溫度為-3.8 ℃，在試驗過程中考慮周期縮短因素，將試驗的低溫設置為-5 ℃，為了短時間實現材料中結冰后融化，將高溫控制在18 ℃，5～6 h為一個溫度周期，如圖6所示，這樣就基本實現了瀝青混合料在實際凍融溫度下的循環。

為了模擬瀝青路面在高海拔下的實際作用環境，首先將試件在熱氧及紫外老化條件下老化，然后在真空下飽水，飽水后放到高頻凍融循環機中進行高頻率凍融，最后，通過凍融后和凍融前的劈裂強度比分析瀝青混合料高頻凍融損傷情況。其中，紫外老化的方法為：根據現場路面勘察，該地區紫外光對瀝青混凝土路面的老化主要發生在路面鋪設完成后的前6個月內，故研究定量紫外光輻射對馬歇爾試件抗高頻凍融性能的影響時，采取室外自然老化6個月，即室內對照老化時長180 h，室內紫外光輻射強度為220 W/m2作為室內紫外光老化條件。

熱氧老化試驗方法為：采用JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中T 0734—2000 熱拌瀝青混合料加速老化方法，模擬瀝青路面在長期使用過程中的熱氧老化（即長期老化）。

由于在試驗過程中，熱氧與紫外老化不能同步進行，因此設計了表1的4種工況，分析熱氧和紫外分別對混合料老化及不同組合老化對瀝青混合料高頻凍融試驗的影響。

2.3" 級配及配合比設計

本文選用SMA-13型級配瀝青混合料，級配組成見表2，采用級配中值進行試驗。

本研究采用2種改性瀝青開展試驗，分別為橡膠瀝青以及SBS改性瀝青，最佳油石比及馬歇爾試驗結果見表3—表4。

3" 試驗結果分析

3.1" 不同老化情況的影響

目前川西高原地區大多數工程采用SBS改性瀝青，故本文采用SBS改性瀝青SMA-13瀝青混合料對經過4種工況老化的馬歇爾試件進行200次凍融，測試凍融劈裂強度比，研究不同老化方式對瀝青混合料抗高頻凍融的影響，試驗結果如圖7所示。

從圖7可以看出，相對未老化而進行200次高頻凍融的凍融劈裂試驗強度比，經過4種老化后經過200次凍融的混合料劈裂強度均出現了大幅度降低，這說明老化會使瀝青膠結料變硬變脆，在混合料凍融損傷過程中產生了不利影響。工況2與工況1相比，凍融劈裂強度比降低了2.9%，說明紫外老化對瀝青混合料高頻凍融影響比熱氧老化更大。在熱氧老化中，瀝青中的化學鍵是由于熱氧引起的熱分解而斷裂；紫外老化的引發是由于分子內所含的基團吸收了具有能量的紫外線，由基態轉換到激發態，進而導致化學鍵發生斷裂[3]。紫外輻射產生的初級氧化產物（如羧基和過氧化物基團等）不穩定，更進一步反應加速瀝青的老化[4]。工況3和工況4的平均凍融劈裂試驗強度比為71%，與工況1相比減少了6.8%，與工況2相比減少了3.9%，進一步說明，紫外老化比熱氧老化對瀝青混合料高頻凍融破壞的不利影響更大。在工況4的老化條件下，凍融前后混合料的劈裂強度衰減最大，凍融劈裂強度比減少了30%，證明紫外老化+熱氧老化+高頻凍融是最不利的模擬高海拔山區瀝青路面高頻凍融的試驗方法。

由圖8可知，隨著凍融次數的增加，4種工況下馬歇爾試件的劈裂抗拉強度隨凍融次數均呈線性降低。從擬合結果看，4種老化條件后，瀝青混合料高頻凍融劈裂強度衰減速度從快到慢排序為：工況4快于工況3快于工況2快于工況1，再次證明工況4是最不利的瀝青混合料老化的模擬方法。也由此可知，川西高原山區高強紫外照射和材料熱氧老化是瀝青混合料路面產生高頻凍融破壞的主要因素之一。

3.2" 瀝青膠結料及凍融次數的影響

根據前面的分析內容可知工況4為最不利工況，因此選定工況4，對SBS改性瀝青混合料和橡膠瀝青混合料進行高頻凍融對比分析，分析材料及凍融次數對瀝青混合料劈裂強度的影響。

從圖9可以看出，SBS瀝青混合料劈裂強度隨凍融次數的變化擬合得到的線性關系的斜率為-9.4×10-4，橡膠瀝青混合料劈裂強度隨凍融次數變化的線性關系的斜率為-3.9×10-4，可知，SBS瀝青混合料的劈裂強度隨凍融次數變化的斜率絕對值更大，說明SBS瀝青混合料在經過高頻凍融循環試驗后試件劈裂強度損失更為嚴重，橡膠瀝青在高頻凍融循環試驗后力學性能損失更少。橡膠瀝青混合料的抗高頻凍融性能比SBS改性瀝青混合料抗高頻凍融性能更優異。

從圖10可以看出，隨著凍融次數增加，2種瀝青混合料凍融劈裂試驗強度比均呈下降的趨勢，但降低幅度不同。SBS改性瀝青混合料經過200次凍融后凍融劈裂試驗強度比為70%，與未凍融時相比降低了27.5%；經過400次凍融后試件凍融劈裂試驗強度比為59.8%，與未凍融時相比降低了37.7%。橡膠瀝青混合料經過200次凍融后凍融劈裂試驗強度比為90.3%，與未凍融時相比降低了17%；經過400次凍融后試件凍融劈裂試驗強度比為84.4%，與未凍融時相比降低了22.9%。說明橡膠瀝青混合料在經過高頻凍融循環后，劈裂強度的損失比SBS瀝青混合料更小。

綜合圖9和圖10可以看出，瀝青混合料的劈裂強度隨凍融循環次數的增加而不斷降低，與初始未凍融狀態相比，經過200次凍融以后，SBS瀝青混合料的劈裂抗拉強度為0.70 MPa，下降了0.28 MPa；橡膠瀝青混合料的劈裂抗拉強度為0.62 MPa，下降了0.12 MPa。經過400次凍融后，SBS瀝青混合料的劈裂抗拉強度為0.60 MPa，與200次凍融相比下降了0.10 MPa；橡膠瀝青混合料的劈裂抗拉強度為0.58 MPa，與200次凍融相比下降了0.04 MPa。2種瀝青混合料的劈裂強度與凍融次數呈現負相關的關系，瀝青混合料在凍融初期出現明顯的下降趨勢，之后劈裂強度的衰減則趨于平緩。出現這種情況的原因是在凍融循環作用下，水分通過孔隙進入混合料結構內部結冰，使得混合料內部產生膨脹作用力[5]。隨著凍融循環次數的增加，混合料內部的孔隙增大，在動水壓力的作用下水分逐漸滲入瀝青膜中，降低了瀝青與集料的界面黏結力，使得瀝青混合料的劈裂強度降低[6]。

4" 結論

本文針對川西高原山區瀝青路面高頻凍融破壞機理開展研究，通過對不同工況下的SBS改性瀝青混合料及橡膠瀝青混合料老化和高頻凍融耦合作用及凍融劈裂試驗分析，得出以下結論。

1）結合路面所處環境條件，在現有規范的基礎上建立了基于溫度場的室內模擬高頻凍融循環試驗方法，試驗條件為低溫-5 ℃，高溫18 ℃，5～6 h為一個循環，通過該方法成功模擬川西高原地區高頻凍融對瀝青混合料的影響。

2）老化是影響瀝青混合料高頻凍融破壞的重要因素，紫外+熱氧老化順序后瀝青混合料凍融劈裂衰減速度及衰減幅度最大，“紫外+熱氧老化+高頻凍融+劈裂強度試驗”為最不利的模擬川西高原瀝青路面高頻凍融的評價方法。

3）在凍融初期（0～200次），隨著凍融次數的增加，SBS瀝青混合料和橡膠瀝青混合料的劈裂抗拉強度出現明顯下降趨勢，當經歷200次凍融后，混合料劈裂抗拉強度的下降逐漸趨于平緩。

4）通過試驗研究發現，在工況4下，經過400次凍融循環后，與未凍融狀態相比，SBS瀝青混合料劈裂強度降低了38.8%，橡膠瀝青混合料劈裂強度降低了21.6%。橡膠瀝青混合料相較于SBS瀝青混合料抗高頻凍融性能更強，橡膠瀝青在川西高原地區解決路面高頻凍融問題適應性好。

參考文獻：

[1] 李兆生，譚憶秋，吳思剛，等.凍融循環對瀝青混合料力學性能的影響[J].哈爾濱工程大學學報，2014，35（3）：378-382.

[2] 熊銳，陳拴發，關博文，等.凍融與腐蝕耦合作用下瀝青混凝土性能研究[J]．武漢理工大學學報，2011，33（2）：72-76．

[3] 屈鑫，丁鶴洋，汪海年.道路瀝青老化評價方法研究進展[J].中國公路學報，2022，35（6）：205-215．

[4] 孔令云，席晗.道路瀝青紫外老化及抗老化材料研究綜述[J].材料導報，2024，38（1）：1-10．

[5] 劉占良，張琛，許金良.高寒地區成品橡膠瀝青混合料的低溫性能及評價方法[J].長安大學學報（自然科學版），2019，39（6）：31-37．

[6] 彭勇，孫立軍，石永久，等.瀝青混合料劈裂強度的影響因素[J].吉林大學學報（工學版），2007，37（6）：1304-1307．

Abstract： In view of the problem that asphalt pavements in the mountainous areas of the western Sichuan Plateau are prone to high-frequency freeze-thaw damage， asphalt pavements on representative sections were investigated， and the temperature conditions within the pavement structure were monitored by embedding sensors. On this basis， a high-frequency freeze-thaw indoor test method was established. The method combines UV （ultraviolet）， thermal oxygen aging and high-frequency freeze-thaw tests， and uses the splitting strength index to study the high-frequency freeze-thaw mechanism of asphalt pavements in the mountainous areas of the western Sichuan Plateau. The results show that aging has a great impact on high-frequency freeze-thaw， and the \"UV + thermal oxygen aging + high-frequency freeze-thaw\" method can simulate the most unfavorable damage situation of high-frequency freeze-thaw; the splitting strength of asphalt mixture decreases linearly with the increase of freeze-thaw times; compared with SBS modified asphalt mixture， rubber asphalt mixture can better resist high-frequency freeze-thaw damage.

基金項目：四川省交通運輸科技項目（2022-A-2）

第一作者簡介：王海朋（1984-），男，博士，正高級工程師。研究方向為瀝青路面結構與材料。