溫度和老化對(duì)瀝青路面路用性能的影響及改善措施

長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院 陳亞東 趙文博

溫度和老化對(duì)瀝青路面路用性能的影響及改善措施

長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院 陳亞東 趙文博

氣候?qū)r青路面的影響至關(guān)重要，尤其在南方某些地方，夏季炎熱，極易出現(xiàn)車轍；而在東北地區(qū)，由于冬季寒冷，易出現(xiàn)低溫開裂，嚴(yán)重影響車輛行駛的安全性和運(yùn)營(yíng)效果。另外，路面老化問題也是目前高等級(jí)公路的一個(gè)突出問題，有必要進(jìn)行深入研究。本文，筆者通過分析溫度、老化等因素對(duì)公路的影響，提出一些改善或提高高等級(jí)瀝青路面路用性能的措施，如路面應(yīng)用改性瀝青等新材料及合理配置路面結(jié)構(gòu)等。

一、溫度對(duì)高等級(jí)瀝青路面路用安全的影響

1. 高溫車轍。車轍是瀝青路面在汽車荷載反復(fù)作用下產(chǎn)生豎直方向永久變形的積累，是由路基、基層和面層3部分的永久變形組成的。目前,我國(guó)高等級(jí)公路廣泛采用的是半剛性基層，這就使路基、基層產(chǎn)生的永久變形占車轍總量的比例明顯減小。車轍的形成過程可以簡(jiǎn)單地分為以下3個(gè)階段。

（1）開始階段的壓密過程。瀝青混合料在被碾壓成型前是由礦料、瀝青及空氣組成的松散混合物，經(jīng)碾壓后，高溫下處于半流動(dòng)狀態(tài)的瀝青及瀝青與礦粉組成的砂膠被擠進(jìn)礦料間隙中。當(dāng)汽車荷載作用時(shí)，此密實(shí)過程還會(huì)進(jìn)一步發(fā)展。

（2）瀝青混合料的流動(dòng)。高溫下的瀝青混合料處于以黏性為主的半固體，在輪胎荷載作用下，瀝青及瀝青膠漿產(chǎn)生流動(dòng)，從而使混合料的網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。這部分半固態(tài)物質(zhì)除部分填充混合料空隙外，還將隨瀝青混合料自由流動(dòng)，從而使路面受載處被壓縮而變形。

（3）礦質(zhì)骨料的重排及礦質(zhì)骨架的破壞。高溫下處于半固態(tài)的瀝青混合料，由于瀝青及膠漿在荷載作用下產(chǎn)生流動(dòng)，混合料中粗、細(xì)集料組成的骨架逐漸成為荷載并沿礦料接觸面滑動(dòng)，促使瀝青及膠漿向富集區(qū)流動(dòng)，以至流向混合料自由面。特別是當(dāng)個(gè)別集料間瀝青及膠漿過多時(shí)，這一過程會(huì)更加明顯。

2. 低溫縮裂。瀝青路面的開裂是路面的主要病害之一，也是道路界普遍關(guān)心的問題。瀝青路面的裂縫成因十分復(fù)雜，根據(jù)《瀝青路面損壞鑒別手冊(cè)》，可將裂縫分為龜裂、塊裂、單根裂縫及邊緣裂縫（啃邊），單根裂縫又可分為橫向裂縫、縱向裂縫、水泥板接縫的反射縫等。其中，橫向裂縫主要是瀝青路面的溫度收縮裂縫（簡(jiǎn)稱溫縮裂縫）；但在溫差較大的地區(qū)，溫縮裂縫是其主要病害之一。

二、瀝青路面的老化

瀝青路面的老化主要是由于瀝青老化引起的。瀝青老化是指瀝青從煉油廠被煉制出來后，在儲(chǔ)存、運(yùn)輸、施工及使用過程中由于長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，在環(huán)境因素如受熱、氧氣、陽(yáng)光和水的作用下，發(fā)生一系列的揮發(fā)、氧化、聚合，甚至瀝青內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，同時(shí)性質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致路用性能劣化的過程。瀝青老化過程的實(shí)質(zhì)是瀝青中各組分化合物化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致瀝青質(zhì)與軟瀝青質(zhì)溶度參數(shù)差值增大，因而相容性降低，最終表現(xiàn)為瀝青路用性能降低，由輕質(zhì)油分的揮發(fā)、瀝青的氧化分解及硬化所致。氧化及硬化是引起路面使用期過早老化的主要原因。瀝青路面老化的影響因素主要有瀝青混合料的熱老化、瀝青混合料的水老化、瀝青混合料的光老化、荷載作用下的疲勞破壞等。

三、改善高等級(jí)瀝青路面路用性能的措施

1. 采用改性瀝青。目前用于瀝青改性的材料主要有熱塑性彈性體（SBS、SEBS）、橡膠（SBR、CR）、熱塑性樹脂（APP、PE、 EVA）等，對(duì)這方面的研究已有很多，并取得了較好的改性效果。但是，這些材料的改性都明顯增加改性瀝青的成本。采用廢橡膠粉改性瀝青，不但可以改善瀝青的高低溫性，減少瀝青路面的龜裂和老化，提高車輛的行駛安全性和路面使用壽命，而且不增加改性瀝青的成本，同時(shí)也為廢舊橡膠的回收利用、保護(hù)環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

2.合理設(shè)置路面結(jié)構(gòu)層。在瀝青路面結(jié)構(gòu)中，基層處于面層與墊層中間，承上啟下，其結(jié)構(gòu)特性至關(guān)重要。在舊路加鋪工程中，其在水泥混凝土路面加鋪瀝青罩面，投入使用一段時(shí)間后，罩面層便會(huì)出現(xiàn)裂縫，這是在行車荷載作用下，混凝土路面的裂縫向上延伸形成反射裂縫。據(jù)觀察，有些新建的瀝青混凝土路面在使用初期也會(huì)產(chǎn)生裂縫，且裂縫大多呈倒V形，有時(shí)僅發(fā)生在面層結(jié)構(gòu)內(nèi)，有時(shí)貫穿面層和基層，有時(shí)貫穿面層基層和墊層。下面，筆者僅以基層結(jié)構(gòu)厚度和模量?jī)蓚€(gè)影響因素為研究對(duì)象，分析基層結(jié)構(gòu)特性對(duì)瀝青混凝土路面裂縫產(chǎn)生的影響。

（1）基層厚度的影響。由于面層底部拉應(yīng)力值較大，這時(shí)，隨著車輛荷載尤其是超重軸載的反復(fù)作用，面層底部將首先開裂，并向上延伸。單純從控制面層底部拉應(yīng)力的角度出發(fā)，基層厚度越大越好。基層厚度對(duì)基層底部的拉應(yīng)力值影響效果較為復(fù)雜。當(dāng)基層厚度較小時(shí)(＜15 cm)，基層底部的拉應(yīng)力值產(chǎn)生較大幅度的增加，此時(shí)面層底部拉應(yīng)力值并不大，在該種應(yīng)力作用下，很可能首先在基層底部產(chǎn)生開裂，并向上延伸。隨著基層厚度的逐漸增加，無(wú)論是面層底部還是基層底部，其拉應(yīng)力都開始大幅度降低。

（2）基層模量的影響。基層模量是基層結(jié)構(gòu)特性中較為重要的一個(gè)特性，其變化勢(shì)必影響道路各結(jié)構(gòu)層的受力。如基層材料的模量偏小，則面層底部的拉應(yīng)力值較大，在車輛荷載反復(fù)作用下，會(huì)產(chǎn)生面層開裂。同樣，由于基層材料模量較小，在墊層底部的拉應(yīng)力值也將增大，加之墊層材料本身抗拉強(qiáng)度不足，會(huì)產(chǎn)生墊層底部首先開裂并向上延伸。單純考慮基層模量對(duì)面層底部和墊層底部的拉應(yīng)力效果，應(yīng)是基層模量越大效果越好。但是基層底部的拉應(yīng)力值會(huì)隨著基層模量的增加而大幅度增加，如，基層模量過大，會(huì)在基層底部產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力，進(jìn)而基層首先產(chǎn)生開裂并向上延伸。

四、結(jié)論

高溫車轍低溫裂縫對(duì)高等級(jí)公路的路用性能有重要影響，而路面老化降低道路服務(wù)水平。為此，通過改性瀝青等新材料的應(yīng)用，以及路面結(jié)構(gòu)層（基層）的合理設(shè)計(jì)，可以有效改善道路使用性能。在瀝青混凝土道路的基層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤其是厚度和模量確定時(shí)，必須綜合分析道路結(jié)構(gòu)各層次的受力情況，從中得出合理的結(jié)構(gòu)特性。本文，筆者的分析結(jié)果是在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上得到的，僅供道路結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)參考。