畢聰

（中交第二航務(wù)工程局有限公司設(shè)計研究院,湖北武漢430050）

0 引言

瀝青路面以其舒適的行駛特性、優(yōu)美的路面和易于修復(fù)的路況，已成為道路建設(shè)的首選。高寒地區(qū)瀝青路面的性能一般取決于瀝青路面的設(shè)計能否充分考慮高寒氣候地質(zhì)等的特點(diǎn)，并在材料選用和結(jié)構(gòu)規(guī)劃中采取具有針對性的措施?；趥鹘y(tǒng)瀝青涂層規(guī)范的道路測量數(shù)據(jù)不能真實描述高寒地區(qū)的道路狀況，因此有必要研究高寒地區(qū)新型道路結(jié)構(gòu)的性能和設(shè)計方法。

1 高寒地區(qū)公路瀝青路面行為特征

1.1 地質(zhì)條件復(fù)雜

在公路建設(shè)過程中，通常會出現(xiàn)起伏或曲折的地形，這給公路建設(shè)帶來了一定困難。此外，公路建設(shè)需要開挖、下部結(jié)構(gòu)和其他程序，而新疆伊犁州察布查爾縣地區(qū)地質(zhì)條件是多變的。在公路建設(shè)過程中，隨著路段的通行，地質(zhì)環(huán)境發(fā)生了較大的變化，經(jīng)常會遇到凍土、膨脹土和鹽漬土等不良地質(zhì)，這也勢必會對公路的路基和路面的平整性帶來較大影響[1]。

1.2 氣候條件惡劣

在山區(qū)，氣候變化受到海拔高度的限制和影響。一般來說，當(dāng)?shù)孛娓叨壬仙^100m/s 時，溫度僅會下降0.6oC/min。項目區(qū)域海拔從600m 提升至1430m，高差大到近830m；氣溫則是冬季平均最低氣溫在-9.4oC，最寒冷地區(qū)1月份的平均氣溫大約在-12.2oC，最低日氣溫僅為-43.2oC，凍土層深度一般為60cm，最深100cm，這對公路瀝青路面修建有了更高的要求。

1.3 瀝青路面病害類型

1.3.1 變形

路基變形是一種常見且非常嚴(yán)重的道路病害，主要發(fā)生在道路的波浪形、道路的下坡和道路車輛的冰凍狀態(tài)。由于受到鹽漬土和凍土路基凍融循環(huán)的影響，高寒地區(qū)的瀝青公路路基更容易發(fā)生變形。這種變形也會發(fā)生在常溫下的道路，而在高寒地區(qū)，由于土壤多年受凍，會大大增加道路變形的概率。

1.3.2 裂縫

裂縫也是道路的常見問題。主要是橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂等。其中，橫向裂縫是主要影響因素，且呈規(guī)則分布?；旧希谕黄缆飞暇鶆蚍植?，裂縫間隔主要在2～20m 之間，然后與縱向裂縫交匯?？v向裂紋的位置有限，通常出現(xiàn)在路肩邊緣，但縱向裂紋的嚴(yán)重程度不斷增加，有時甚至長度達(dá)到數(shù)百米或密布于整條道路。另外，網(wǎng)裂、龜裂相對不常見，但危害性極大，這種類型的裂縫通常在道路承受過大壓力時擴(kuò)散，導(dǎo)致一點(diǎn)到表面的大規(guī)模損傷。

1.3.3 松散

道路松弛的現(xiàn)象肉眼很難觀察，所以經(jīng)常被忽視。這種病害的原因是輪胎和地板的長期高壓，表面材料嚴(yán)重分散，瀝青路面的核心層的負(fù)荷力下降，集料暴露，表面粗糙，凹凸不平等。

2 高寒地區(qū)公路瀝青路面病害成因分析

2.1 自然因素

自然因素是直觀的因素，也是使我們最可直接感知到的因素。高寒干旱地區(qū)的氣候較為特殊，例如冬季全年低溫長時間持續(xù)，冷卻干燥速度快，晝夜溫差比較大，發(fā)射率偏高，瀝青地面材料容易老化發(fā)生脆性及硬化，瀝青原材料剛性率很高，變形收縮能力和松弛力較差的瀝青混凝土路面材料，在寒冷雨雪的惡劣天氣影響下往往難以具備長期的耐久性，容易老化，同時抗裂性降低，容易發(fā)生病害。隨著紫外線輻射強(qiáng)度的增加而散失或逐步向大分子量的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)轉(zhuǎn)化，這一過程造成瀝青硬化，瀝青的黏度和低溫性能均會降低，并逐步導(dǎo)致瀝青混合料使用性能的降低。

2.2 交通流量因素

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和道路運(yùn)輸手段的大型化和負(fù)荷比例的增加，使得高寒地區(qū)本來就脆弱的道路條件變得更加脆弱，出現(xiàn)大量病害也是必然的結(jié)果。

2.3 施工因素

為了適應(yīng)低溫條件，高寒地區(qū)的道路設(shè)計和施工通常使用優(yōu)質(zhì)的瀝青，優(yōu)質(zhì)瀝青具有良好的溫度敏感性，其黏性和塑性隨溫度變化而改變的程度更高，但瀝青黏度過低，與道路骨材表面的水黏結(jié)性過差，水膜的低溫穩(wěn)定性低和低溫抗凍性能力的性能惡劣也是劣質(zhì)柏油路面材料未能緩解這種病害出現(xiàn)的主要原因。瀝青路面設(shè)計的一些特殊的施工氣候條件主要表現(xiàn)是施工的周期時間短，施工介質(zhì)溫度比較低，滾動瀝青成型相對困難，硬化技術(shù)條件也很有限。但是，即使是夏天，夜間溫度較低，有效的工程時間不足，低溫會給新的路面造成冷凝等破壞性的影響，項目地區(qū)從9月底到10月初進(jìn)入降雪期，雨雪無常，平均氣溫會低至0oC 左右，使得瀝青路面施工難以繼續(xù)。

2.4 養(yǎng)護(hù)管理

長期以來，道路工程的日常養(yǎng)護(hù)以及運(yùn)營維修成本高低和維持正常路面交通條件之間還存在著較明顯的內(nèi)在的一些相互制約關(guān)系和潛在矛盾。預(yù)防路面維修問題是一種在基本解決當(dāng)前上述現(xiàn)實矛盾因素的研究基礎(chǔ)前提上新提出來的路面地板養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)的一個新概念。目的則是能更有效快捷地尋找適應(yīng)公路要求的預(yù)防性瀝青路面的保養(yǎng)修復(fù)措施，需要關(guān)注的重點(diǎn)是加強(qiáng)特殊養(yǎng)護(hù)區(qū)域路面的預(yù)防性瀝青路面修復(fù)保養(yǎng)，能確保公路系統(tǒng)的總體運(yùn)營安全質(zhì)量和總體運(yùn)輸效率。為了要從一個根本角度上去解決上述幾個矛盾，從工程初期便開始要徹底地清除所有地面病害，避免引起地面病害問題的進(jìn)一步惡化蔓延和繼續(xù)惡化，影響工程的后續(xù)使用安全性能，顯著降低了道路修養(yǎng)成本，地板可以從最初到最后保持正常服務(wù)水平。瀝青路面常見病害的合理防治也是倡導(dǎo)一種新時期的科學(xué)養(yǎng)護(hù)技術(shù)理念，是我國道路柏油路面持續(xù)健康有序發(fā)展工作的內(nèi)在必然及要求[2]。

3 高寒地區(qū)公路瀝青路面冷補(bǔ)材料的應(yīng)用

冷修復(fù)材料是一種適用于所有天氣條件的新型修復(fù)材料。其優(yōu)異的黏結(jié)性能和松散的施工性能是與常溫或低溫維修材料區(qū)別開的顯著特征之一。

3.1 冷補(bǔ)材料的特點(diǎn)

冷貼（補(bǔ)）材料可以適應(yīng)-20oC 的低溫環(huán)境，較適于在寒冷地區(qū)。另外，使用冷補(bǔ)材料，修補(bǔ)時無需粘層油，備料可隨取隨用，不需要重型施工機(jī)械，可根據(jù)路面的不同修補(bǔ)情況采用沖擊壓實、人工壓實等，最大限度地避免高寒地區(qū)的雨雪天氣對瀝青路面施工的影響，可以大幅降低施工難度。使用冷補(bǔ)材料進(jìn)行維護(hù)時，不需要使用粘層油。成品的混合物隨時都可以使用。不需要使用重型施工機(jī)械壓縮。根據(jù)不同的地面修理條件，壓路機(jī)由耙子、手動或氣動汽車壓接。

3.2 冷補(bǔ)材料的路用性能

冷補(bǔ)材料在低溫下具有良好的穩(wěn)定性，能最大限度地避免路面病害的發(fā)生。如果遇到降水或寒冷天氣，可以將冷補(bǔ)材料與原地板緊密結(jié)合，減少受低溫的影響。在干燥灰塵多的水井里，可以把冷補(bǔ)材料粘在原來的地板上。當(dāng)溫度良好時，冷補(bǔ)材料具有足夠的耐重復(fù)輪胎負(fù)載能力。

4 高寒地區(qū)瀝青路面設(shè)計料性能與要求

根據(jù)氣候劃分研究和氣候特征以及路面構(gòu)造性能的相關(guān)分析，環(huán)境溫度、降雨量和紫外線強(qiáng)度已經(jīng)成為影響高寒地區(qū)道路柏油路面使用性能的三個主要因素。以往公路設(shè)計中關(guān)于瀝青使用性能的選用標(biāo)準(zhǔn)考慮并不是很全面。一方面，近30年的氣象資料表明，冬季嚴(yán)寒區(qū)的氣候要比以往的寒冷，柏油路的標(biāo)準(zhǔn)也要提高等級；另一方面，在高寒地區(qū)獨(dú)有的極端氣候因素的綜合影響下，特別是新氣候區(qū)域下瀝青結(jié)合料低溫性能和抗老化性能的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)仍值得深入研究。在地板材料上長期使用瀝青黏合劑養(yǎng)護(hù)的使用過程中，由于吸收氧氣和接受紫外線照射的影響會容易產(chǎn)生瀝青老化等現(xiàn)象，流變的特性也將會因此發(fā)生變化，影響瀝青的表現(xiàn)。

為了進(jìn)一步模擬瀝青黏合劑的熱老化變形過程，美國開發(fā)研制了另外一種SHRP(BBR)彎曲光束流變學(xué)測試，以用來測量在極高低溫度狀態(tài)下瀝青膠粘劑的剛性。使用工程光束理論來測量涂敷負(fù)載作用下的柏油束樣品的剛性。該測試的方法通過引入壓力老化系數(shù)(PAV)來測試，模擬在路面材料上長期使用時的長期應(yīng)力老化，彌補(bǔ)了壓延度測試法的缺陷。根據(jù)SHRP 的研究，發(fā)現(xiàn)瀝青材料受熱過多大多會表現(xiàn)出脆性，地板容易破裂、損壞。瀝青硬度的時間變化率越高，溫度越低，地板收縮時，黏合劑作為剛性降低的材料發(fā)生反應(yīng)，材料中的拉伸張力下降，有可能發(fā)生低溫裂紋。因此，為了盡可能限制地板的開裂，為了限制路面開裂，SHRP 規(guī)定:勁度模量s≤300MPa；m值(60)≥0.30。BBR 路面試驗的溫度試驗設(shè)計溫度僅與道路在某一局部區(qū)域中的設(shè)計工作溫度有關(guān)，理論計算上也應(yīng)該嚴(yán)格以最低限度的路面現(xiàn)場的設(shè)計溫度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

目前，路面現(xiàn)場的最低溫區(qū)設(shè)計試驗溫度通常有下面三種主要計算方法。最初，在由SHRP 研究人員所提出來的低溫地面模型方法中，最低的地上溫度通常被廣泛認(rèn)為僅是地面最低的空氣溫度。編號加拿大的SHRP 研究人員卻認(rèn)為這個研究方法顯得過于簡單保守，因此提出進(jìn)行了修正。然而，根據(jù)對北美約包含30 個測試溫度區(qū)間的季節(jié)觀測計劃(SMP)的驗證，SHRP 的地面低溫公式已經(jīng)不能保證將最低空氣溫度準(zhǔn)確有效地直接轉(zhuǎn)換為最低的地表溫度，（LTPPBind）公式通常被認(rèn)為要更接近準(zhǔn)確。

5 高寒地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)組合

在高寒地區(qū)，如果是在筑路基前地下的結(jié)冰水位線已經(jīng)接近于飽和的地表溫度或是在路基面的上下兩側(cè)也已有過較深的、長期連續(xù)的積水結(jié)冰現(xiàn)象發(fā)生，那么正常的情況下，在冬季時路基料道中往往也可能有大量降水的發(fā)生促進(jìn)了地下水分的重新集中與分布，在地下凍結(jié)的水位線的附近則十分嚴(yán)重且極容易重新發(fā)生聚冰化現(xiàn)象。這種進(jìn)一步融化的現(xiàn)象又往往會逐步顯著而削弱了這些無機(jī)結(jié)合料體及其與細(xì)粉狀顆粒物料塊之間的相互作用而引起的路面微觀結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。夏季進(jìn)入冬季或春融期時，這些無機(jī)結(jié)合聚冰體的進(jìn)一步融化的現(xiàn)象往往還會持續(xù)，使路面基層材料結(jié)構(gòu)組織中的含水量變得更為急劇地逐漸增大，直到徹底破壞。通過這些經(jīng)驗和分析可以知道在極端寒冷惡劣的高寒地區(qū)混凝土建筑的抗震加固和結(jié)構(gòu)處理時，必須特別注意如下幾點(diǎn)。

5.1 瀝青面層

應(yīng)選取優(yōu)質(zhì)瀝青，在瀝青的高溫穩(wěn)定性能夠滿足要求的使用條件的同時采用感溫性小、針入度較大的瀝青，有條件時可以采用幾種耐裂紋性較好的瀝青混凝土；也可同時采用各種抗裂蝕性能都好的較為合理經(jīng)濟(jì)的瀝青面層結(jié)構(gòu)組合使用。例如，以中粒式瀝青混凝土結(jié)構(gòu)為面層，以粗粒式混凝土為底面層。

5.2 基層材料

采用標(biāo)號高強(qiáng)的少壓裂系數(shù)的優(yōu)質(zhì)石灰、粉煤灰顆粒或者硅酸鹽水泥穩(wěn)定料基層，嚴(yán)格配比控制水泥細(xì)粒土料的顆粒含量；半永久剛性基層厚度均勻和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均勻要充分與面層施工相互配合，保證瀝青路面結(jié)構(gòu)不受強(qiáng)拉剪應(yīng)力作用。

5.3 結(jié)構(gòu)組合形式

瀝青面層厚度是要先考慮面層瀝青最小允許厚度。例如中國日本道路、美國的西班牙公路等世界多國公路條例均曾統(tǒng)一的規(guī)定過其為重要的等級交通道路面層的要求瀝青面層的最小容許厚度一般宜規(guī)定為在20cm 及以下；所以從現(xiàn)在我國高水平道路交通工程的整體技術(shù)現(xiàn)狀來看，在今后我國在低交通等級道路面層設(shè)計上仍建議采取厚度小于10cm 的普通瀝青面層，高等級的交通道路層面厚度上建議則應(yīng)采取小于20cm 或大于25cm 厚的普通瀝青面層，這也是目前基本是可行的?；鶎釉O(shè)計應(yīng)要首先考慮能夠提供足夠的強(qiáng)韌的強(qiáng)度或抗承載性能的產(chǎn)品，以達(dá)到充分有效承擔(dān)設(shè)備在設(shè)計或使用壽命的計算期間內(nèi)產(chǎn)生的疲勞應(yīng)力累積值和標(biāo)準(zhǔn)軸次，而盡可能同時且不應(yīng)使產(chǎn)品至于設(shè)備產(chǎn)生任何較過早所發(fā)生的應(yīng)力疲勞應(yīng)力和應(yīng)力破壞應(yīng)力現(xiàn)象；基層也要著重注意其具有一個相對于足夠的弱的抗長期冰凍強(qiáng)度能力和對水穩(wěn)定性，以至少可保證該設(shè)備無論在進(jìn)行整個設(shè)計施工或長期使用試驗的期間內(nèi)的最大內(nèi)載荷強(qiáng)度水平或抗疲勞承載水平的承受能力上均確保不會發(fā)生受到外界由于抗長期的冰凍環(huán)境條件改變和對水條件要求的改變等影響從而導(dǎo)致發(fā)生了有著較大幅度的和幅度差異大的強(qiáng)度的衰減。

6 結(jié)語

高寒地區(qū)瀝青混凝土路面的工作環(huán)境需要特別考慮瀝青路面的設(shè)計?？偨Y(jié)了高寒地區(qū)瀝青混凝土路面主要病害類型、破壞機(jī)理的研究，并針對高寒地區(qū)特點(diǎn)提出了適應(yīng)性強(qiáng)的新型瀝青路面結(jié)構(gòu)以及結(jié)合高寒地區(qū)的道路建設(shè)，鋪設(shè)了試驗路。隨著工程實踐的發(fā)展，樓板結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選型的理論和方法也在不斷完善。提出的一些新道路結(jié)構(gòu)需要通過積累長期道路性能數(shù)據(jù)和增加試驗道路驗證來不斷改進(jìn)。