西藏大溫差地區(qū)瀝青路面結構適應性與耐久性探討

邵華

（山東省交通科學研究院，山東 濟南 250102）

0 引言

瀝青路面整體溫度應力變化會順著結構層厚度方向呈現(xiàn)出不同波動，如果瀝青路面結構施工不當將會導致路面出現(xiàn)嚴重損傷，降低瀝青路面應用性能，特別是西藏地區(qū)溫差變化較大，瀝青路面結構容易出現(xiàn)結構破壞，為此需要結合具體工程分析結構施工的有效方法，進一步改善路面結構施工，延長路面使用壽命，優(yōu)化路面應用性能。

1 研究背景分析

瀝青路面在遇到較高溫度變化條件下會變得十分敏感，瀝青混合料整體松弛性、勁度和強度等會隨溫度波動而產生變化。溫度不但會影響瀝青材料，還會影響整個路面結構。不穩(wěn)定熱流在融入路面結構后，會導致路面結構隨溫度升降出現(xiàn)收縮、膨脹變化。由于路面結構層互相約束影響，無法自由產生變形作用，導致道路結構產生溫度應力。聯(lián)系實際研究分析，溫度收縮會對瀝青路面產生直接影響，使整個路面開裂，與荷載對公路的影響一樣重要，有時甚至更加突出。通過研究西藏現(xiàn)有各種瀝青路面發(fā)現(xiàn)，大部分路段在秋末冬初等時節(jié)容易產生橫向裂縫，主要是從道路一側形成并最終橫貫整個道路。裂縫間距相對均勻，普遍維持在5m到10m之間，降低道路性能，破壞道路結構，但路面并未發(fā)生較大破壞。這一現(xiàn)象是由西藏獨特的氣候環(huán)境造成的，當瀝青路面處于較大溫差和連續(xù)低溫時，將進一步加劇整個路面層的溫度應力，產生漲縮變化，使瀝青混合料相關應力松弛和溫度應力不匹配，在超出材料抗壓強度限值條件下出現(xiàn)整個瀝青面層開裂的問題。

2 西藏大溫差地區(qū)瀝青路面結構適應性與耐久性分析

2.1 計算模型

此次研究中以西藏某高級公路為例，利用有限元方法研究不同瀝青路面結構所形成的溫度應力變化，總結得到最佳的瀝青路面結構。此次研究項目屬于高原氣候，擁有較長日照，太陽輻射強烈，年平均氣溫相對較低，同時存在較高日溫差，數(shù)年日平均溫差為6.4℃左右，其中日溫差最高超出20℃。此次瀝青道路施工中主要問題是溫縮裂縫，在計算溫度應力時，需要將溫度場計算參數(shù)作為基礎邊界條件，基于現(xiàn)有氣象資料構建相應溫度場，結合溫度場創(chuàng)建有限元模型分析應力。

聯(lián)系此次瀝青工程道路狀況實際，可以將路面結構作為層狀系統(tǒng)，同時把道路結構斷面作為溫度場構建模型，單純結合二熱傳導實施考慮，相關溫度應力模型即道路縱斷面對應二維模型，需要按照以下假設設計模型：第一是路面各層都是各向同性和全部均勻連續(xù)體；第二是在水平坐標波動中不會產生溫度變化；第三是保障不同路面層有效接觸，形成持續(xù)熱傳導；第四是道路不同層次溫度數(shù)值和道路邊界溫度維持一致變化規(guī)律，而相位滯后；第五是不同層次結構都屬于彈性體材料。

選擇PLANE13單元實施有限元分析，該單元為四邊形對應熱、應力耦合單元分析模塊，設置溫度約束TEMP、Y方向位移UYX方向位移UX三種自由度，額外設置平面應變PLANESTARNI分析類型。

表1 路面結構組合

2.2 路面結構參數(shù)

結合相關研究成果，基于荷載應力核算條件針對此次公路推薦以下三種瀝青路面結構，具體如表1所示：

由于上面層AC-13和SMA-13對應勁度模量差距較小，實施有限元分析中兩者擁有相同勁度模量取值，在實際計算勁度模量取值中，可以將關鍵層的溫度狀態(tài)和勁度模量輸入到前處理器內，剩余單元結合溫度線性自動插值準確計算[1]。

2.3 溫度邊界調節(jié)

初步確定溫度場對應核算邊界條件后，基于現(xiàn)有研究成果，綜合考慮西藏當?shù)貧庀筚Y料，全面整合各種外部因素，轉化成兩種邊界條件，分別是對流換熱，以及熱流密度。因為在24小時中，外部條件變化不會對道路結構產生過大影響，分析瞬態(tài)溫度場，可單純考慮路基和道路表層結構，基于瞬態(tài)溫度場得到路面結構溫度信息，得到道路結構溫度應力界限。此次主要分析2021年1月道路信息，圍繞路面結構2開展瞬態(tài)溫度場分析，確定溫度應力形成邊界條件，下圖是路面結構2處于瞬態(tài)的溫度場核算數(shù)據(jù)，通過分析發(fā)現(xiàn)相關瀝青路面結構在外部氣溫變化中呈現(xiàn)出一種周期性變化特性，整體波動范圍與變化幅度順著路面結構厚度逐步縮減，同時呈現(xiàn)出相位滯后特性，順著深度方向整體溫度變化展現(xiàn)出一種非均勻特性。

結合上圖分析發(fā)現(xiàn)，最低氣溫發(fā)生在早上4時左右，至于道路表層溫度最低點在早上5時左右出現(xiàn)，道路結構下層溫度最低發(fā)生于早上7時。在外部氣溫環(huán)境變化中，瀝青面層溫度保持大致相同的變化趨勢，上面層對應表面溫度擁有最高變化范圍，大概是10℃左右，上面層、中面層及下面層對應底面溫度則呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢，下面層對應地面溫度變化大約為4℃左右，基層底部溫度變化為1℃左右，至于路基頂層溫度變化只有0.1℃左右，在路面結構持續(xù)深入中，相關路面結構會影響內部溫度變化，產生穩(wěn)定快速下降特征，此外各結構層溫度最低和最高節(jié)點隨著路基深入呈現(xiàn)出滯后特性[2]。

圖1 2021年1月6日路面溫度場變化

2.4 路面結構溫度應力變化

基于瞬態(tài)溫度場分布，能夠明確當下進入低溫時節(jié)，瀝青路面整體溫度變化順著結構厚度呈現(xiàn)出不斷上升趨勢，比如前面分析的路面結構2下面層和上面層對應底面、表面溫差達到6℃，瀝青結構層也產生一定溫度應力變化，為此在分析瀝青面層具體溫度應力過程中，單純結合上面層、下面層對應表面、底面開展系統(tǒng)分析。最后，將瀝青道路各個面層和水穩(wěn)碎石基層各點溫度應力作為評價指標，深入解析不同瀝青結構溫度應變。

三種瀝青上下面層的溫度應力變化具體如圖2所示：

圖2 瀝青面青溫度應力變化

通過分析上圖可以發(fā)現(xiàn)，三種結構面層溫度應力差距，處于低溫狀態(tài)下，溫度應力差值持續(xù)上升，結構1所形成溫度應力低于結構2和結構3，其中溫度應力最高的是結構2。如果整體溫度較高，則溫度應力不會產生明顯影響，對應溫度應力差值低于0.01MPa。由此可以看出，按照ATB-25設置下面層結構或針對水泥穩(wěn)定碎石的表面額外設置10cm級配碎石，能夠有效降低上面層所形成的溫度應力，有效緩解瀝青面層的溫度開裂現(xiàn)象。下面層底面對應溫度應力差距大致和上面層保持一致，溫度應力差值超出上面層表面。結合路面結構對應溫度應力差值分析，發(fā)現(xiàn)路面結構1在增加級配碎石層后，比起其余路面結構具有更好的溫度應力改善成效。由于外部環(huán)境對于路面結構不會形成太大影響，基層溫度應力相對較低，因此不會繼續(xù)分析結構間溫度應力變化[3]。

2.5 路面結構評價

通過對三種類型的瀝青路面結構溫度應力實施有限元分析之后，可以發(fā)現(xiàn)瀝青路面在一些低溫氣候中所承受的溫度荷載作用較大，尤其是在持續(xù)低溫或是驟然降溫的特殊天氣，這種功能將會更加突出，為此導致產生嚴重的溫度裂縫問題，如果瀝青道路由于結構溫度應力變化導致出現(xiàn)溫縮裂縫，則實際溫度下降幅度較大條件下，不同長度裂縫因為尖端應力強度因子作用將會產生一定變化，即該因子越大裂縫也會越長，并且伴隨著溫度幅度的持續(xù)增大，裂縫也會出現(xiàn)線性增長變化，擴展速度逐漸加快。若不及時處治瀝青面層裂縫，則會使地表水沿著表面裂縫趨勢下滲到瀝青內部，導致瀝青路面的基層被軟化，甚至削弱路基結構強度，處于外部凍融反復循環(huán)背景下，道路基層和路面整體結構含水量擴大，由于氣溫較低，容易出現(xiàn)凍脹反應，提升體積膨脹率，體積變化還會導致基層和不同結構層出現(xiàn)裂紋，造成更嚴重的結構性破壞。西藏地區(qū)的瀝青公路由于處于高原地帶，瀝青路面受到溫度應力的影響也會比一般平原地帶嚴重，在溫度應力較大的情況下，瀝青路面不僅面層出現(xiàn)裂縫，也會導致內部功能被破壞，外部若持續(xù)降溫或是降雨，就會造成凍融循環(huán)，進而引發(fā)了路面的結構性損傷，沿著路面結構的厚度方向，溫度應力的變化幅度呈減小趨勢，因此，基層位置的溫度應力是最小的，其給路面結構造成的影響也最小。在此基礎上，依據(jù)盡量減小瀝青路面面層溫縮裂縫的要求，將溫度應力作為主要評價指標，評價此次研究的不同路面組合結構溫度應力適應性，通過前文對比研究結果、分析改善效果和專家討論提出的建議，推薦使用AC-13和AC-25結構，在半剛性基層頂面設置10cm級配的碎石結構，其對于改善溫度應力來說效果最佳，且級配碎石結構技術在西藏地區(qū)公路施工中已經實現(xiàn)了推廣應用，相關工藝經驗較多，技術較為成熟。綜合考慮最終推薦適合西藏大溫差地區(qū)的瀝青路面結構為：4cm AC13+6cm AC20+8cm AC25+2cm 碎石封層+10cm 級配碎石+30cm 的水泥穩(wěn)定碎石+20cm 的天然砂礫。

3 結束語

綜上所述，隨著不同地區(qū)氣候條件和地質環(huán)境變化，公路施工中的瀝青結構施工也存在較大差異，為此需要結合瀝青路面結構施工特征，合理采取有效施工技術方法，優(yōu)化西藏大溫差地區(qū)瀝青路面結構施工設計，改善道路結構溫度應力，增強瀝青路面結構綜合性能，延長瀝青路面應用期限。