浅谈季冻区沥青路面抗冻融性能研究发展历史与现状

徐 亮,于建民

(1.黑龙江省交通科学研究所;2.黑龙江省龙建路桥第二工程有限公司)

季冻区主要指年平均气温较低,冻结期较长,冻融作用对建筑工程的影响较严重的区域,在我国分布面积较大,遍及长江以北 10余省市,约占国土总面积的 50%以上,其中我国的东北、华北和西北等三北地区属于重冰冻地区。季冻区恶劣的气候条件给公路建设带来了巨大困难,其中持续低温、大温差、剧烈冻融等条件严重影响着沥青路面的正常使用,使沥青路面出现了开裂严重、使用寿命短等问题。

季冻区一般冬季寒冷干燥且漫长,夏季高温多雨且短促,春秋两季气候多变,年平均气温较低,负温时间较长,温差大,冬季冰冻深度较大,夏季太阳辐射较强。如中国气温最低的黑龙江省,属于重冰冻地区,年平均气温 -6～4℃,1月份平均气温-32～-17℃,极端最低温 -52.3℃(漠河),夏季普遍高温,平均气温在 18℃左右,极端最高气温达 41.6℃,年温差高达 38～48℃;年平均降水量 589.6mm,主要集中在 6～8月;冬季土壤冻结深度在 1.8～3.3m之间,5cm深土壤冻结日数 150～180d;区域内云量少,日照时数多,而且辐射强度大,全省年可照时数为 4443～4470h,年实照时数在 2300～2900h之间,尤其是6～8月,日照时间平均每日可达 11～13h,太阳辐射年总量多在 100～120kW/cm2之间。

温度、水分及其综合形成的冻融作用是季冻区沥青路面的主要影响因素。在季冻区,持续低温、大温差等温度条件除了导致沥青路面出现低温开裂外,更为严重的是正负温交替变化和水分的共同作用引起的冻融作用,使路基路面材料与结构产生冻融破坏。冻胀和融沉会显著影响路基路面结构的稳定性与耐久性,冻结和融化的交替作用则使路基路面材料的物理力学性质发生改变。

冻土工程技术有着160多年的发展历史,早在 1891年,俄罗斯就修建了西伯利亚大铁路;20世纪初,伴随着阿拉斯加和加拿大西北部采矿、伐木业的发展,美、加修建了最早的一批公路;第二次世界大战中,美国政府为军事目的在阿拉斯加进行工程地质勘察和冻土研究,并大规模修建机场和道路。其中在 17世纪后期,人们就已经注意到冰冻作用下的冻胀现象,但随着人类活动足迹的延伸,直到 20世纪才开始对冻融现象及其对建筑工程的影响开展研究。

国内外对冻土等地基土和道路路基土体的冻胀融沉,从表现形式、冻胀机理、预报模型和防治措施等方面开展了大量试验理论和数值分析研究工作,取得了许多研究成果。其中关于水分在冻土中运动的研究,最早可追溯到 20世纪 40年代,集中于水分的迁移动力和迁移模型上。在水分迁移动力方面,目前国内外出现了以毛细力(Ш мукенберм,1885,1894)、液体内 部的 静压 力 (Прасолов,1914, Драницын,1914,Сумгин,1937)及结晶力 (Taber,1917,1930,Bouyocos,1923)等为代表的 14经典种假说。20世纪 60年代以后,对于水分迁移机制分为直接迁移与间接(耦合)迁移,其中前者可以用经典假说进行解释,而后者则主要针对冻土或季节冻土考虑热力学和化学势能的综合作用的水热迁移,以李述训、Iwata等的研究为代表。在水分迁移模型方面,主要体现在冻土工程和农田水利建设两个方面。针对冻土,Мартынов和 Иванов最早提出了研究土体冻结过程的水热输运模型;HarlanRL根据当时一些新的试验结果和观测事实,提出了土冻结过程中热质迁移数学模型;接着 Taylor G.S与LuthinJN在Harlan模型的基础上,以未冻水含量梯度作为水分迁移动力,建立了 Taylor与 Luthin模型;苗天德等从热力学、混合物理论的角度出发,建立固、液两相介质相变的水、热耦合模型;SallyA.Shoop,L.MChounet,Da-Wen Sun等对土体的冻结和融化过程建立了水热数值模型,并应用有限元方法进行了数值求解;针对黄土路基,王铁行等进行了水热迁移的耦合数值模型。张喜发、张冬青、杜兆成等结合季节冻土区长余高速公路冻胀的观测结果,分析了水分迁移及冻胀量沿冻深的分布规律。在农田水利方面,雷志栋和杨诗秀等对农业所关心的土壤水分的入渗与蒸发问题进行了系统的研究,建立了土壤中水分迁移的模型。在土体水分迁移试验研究方面,HoekstraP和 Miller先后进行了饱和与非饱和土体在冻结过程中,含水量随温度梯度变化的简单室内试验;徐学祖等分别进行了封闭系统正冻土、已冻土中水分运移的室内土柱试验和开放系统非饱和正冻土水分运动的现场测试工作,研究水分运移的规律;李述训等对土体冻结过程及融化过程中,气态水的迁移与液态水迁移做了大量的试验,研究了冻融作用对系统与环境间能量交换的影响。

我国冻土温度场研究始于 20世纪 50年代,主要集中于温度场模型的建立、土体热物理参数及边界条件的确定;郭兰波、丁德文等进行人工冻结凿井温度场及天然细砂地基的温度场研究;徐学祖、王家澄等通过大量实验,分析了影响冻土的热物理参数的因素;JohnP.Zarling和 W.AlanBraley对路基温度场计算理论、边界条件和计算参数确定方法进行了理论分析;马虹等对植被、冰雪等不同覆盖条件下的地表传热性质进行了研究;王秉纲、胡长顺等提出了在各类边界条件下考虑路基走向、风速、辐射、蒸发等多种因素的路基温度场的有限元方法及相应的计算公式;刘永智等研究了高温多年冻土地区沥青路面路基下的地温分布及变化过程;王绍令、赵林等通过野外观测和理论计算,阐述了路基内融化核的形成演化过程及其对路基稳定性的影响;章金钊等研究了太阳辐射与气温、降水等因素对路基稳定性的影响规律。

在冻土的水热力耦合作用方面,Arakawa、Knutson等人通过现场或室内冻胀试验建立了冻胀经验模型;Takashi、Zhang和Zhu基于冻胀的物理本质,考虑冻胀经验公式,建立了半经验模型;Harlan、Sheppard等把复杂的冻胀融沉机理综合因素归纳为未冻水含量随温度变化的关系上,提出冻土中热质迁移与水分迁移相互作用的流体动力学模型;Konrad、Gilpin及 D.sheng等学者以不可变形的“刚性”冰和线性稳定性温度场为基础,提出和发展了刚冰模型;Duquennoi、Fremond以多孔多相介质的混合物理论为基础,从热力学的角度建立了水、热、力耦合模型;李宁等在多孔多相介质的热、能守恒方程的基础上,构建了考虑冻土中骨架、冰、水、气四相介质的水热力耦合模型;赖远明等针对寒区隧道建立了温度场、渗流场和应力场耦合问题的数学模型;胡长顺、毛雪松等以温度势作为水分迁移主要动力,结合基质势,建立了多年冻土路基水分迁移控制模型,提出了多年冻土路基水热力耦合模型。

对于冰冻地区沥青路面修筑技术,自 1968年美国阿州在改建旧路和新建社区间道路时采用沥青路面以来,国内外从结构、材料及工艺等方面先后开展了相关研究。美国、加拿大、日本等国家针对寒冷地区冰冻作用对道路路面的影响,重点从冻结深度方面考虑路面结构组合与厚度,根据低温特性和冻胀敏感性选择路面材料,结构与材料设计方法与一般地区路面基本相同。考虑到冰冻地区沥青路面在低温和冰冻作用下容易出现裂缝、沉陷等病害,使用寿命短,国外选择以水泥混凝土路面为主,以提高路面对冻胀融沉的抵抗能力,并重点对冰冻地区水泥混凝土路面修筑技术开展了大量研究工作。

我国自 20世纪70年代在青藏公路修筑黑色路面以来,对多年冻土地区、季节性冰冻地区沥青路面修筑技术开展研究。20世纪 90年代,王端宜、兰永贵等结合黑龙江省气候特点,对寒冷地区适宜沥青路面结构进行了理论分析探讨和工程验证,分析了沥青路面结构层的技术要求,提出了适宜的结构形式和最小厚度。中交第一公路勘察设计研究院、西安公路交通大学、青海省交通厅等单位结合青藏公路、青康公路,对青藏高原多年冻土地区沥青路面修筑技术开展了研究。21世纪初,李立昌、王洪宇等结合哈绥高速公路沥青路面施工,对寒冷地区改性沥青混合料及其施工进行了论述。刘红军等结合哈双高速公路,论述了寒冷地区改性沥青混合料配合比设计。刘海滨等对寒冷地区灰土基层的应用进行了探讨,分析了冰冻对灰土基层强度的影响,提出了寒冷地区采用灰土基层应注意的问题及其对策。

国内外虽对多年冻土、季节冻土等地区的路面结构与材料开展了相关研究,取得的成果对提高路面使用性能起到了积极推动作用。但一定时期、特定条件不可能从根本上解决问题,随着公路交通运输及科学技术发展,旧问题尚未解决,而新问题又不断暴露。低温、冻融等因素作用下,沥青路面低温开裂、融沉变形、松散等病害仍然频繁发生,影响公路运输效益,尚有许多技术难题需要研究解决。

关于季冻区沥青路面的冻胀、翻浆机理与防治对策已开展了较多研究,但研究中多将路基与路面分离、水分与温度分离,实际工程中的冻融破坏仍较严重。为了深刻揭示季冻区沥青路面的冻融破坏机理,应将路基路面作为整体考虑,分析水分和温度综合作用对其的影响。

目前季冻区沥青路面设计仍按照现行规范设计方法和借鉴一般地区经验,对特殊的气候因素考虑较少或凭借工程经验进行适当调整,使季冻区沥青路面抵抗自然因素影响的能力明显不足,冻胀、翻浆、融沉、裂缝等病害严重。沥青路面结构设计控制指标与标准主要考虑了行车荷载作用,虽对沥青路面结构的温度场与温度应力进行了相关研究,但仍未作为控制指标考虑,对于路基冻胀融沉变形下的路面结构附加应力则尚未涉及。因此,为了提高季冻区沥青路面结构的适应能力,应系统研究季冻区沥青路面结构对特殊温度条件、冻融作用的响应,使沥青路面结构满足行车荷载和自然因素综合作用的要求。

对于路基土在冻融作用下的物理力学性质变化,基层材料、面层沥青混合料的抗冻性能,已开展了相关研究,研究成果只用于指导沥青路面设计中的材料选择与确定,而结构设计中的材料参数仍是标准条件下的试验结果,即假设材料性能在路面使用期内不会发生改变。实际应用中,季冻区沥青路面的材料性能则必然随着冻融循环作用而不断劣化,设计参数处于动态衰减状态,这种差异导致沥青路面寿命无法达到设计使用寿命。另外,沥青路面的低温开裂是目前国际上尚未完全解决的一种道路病害,为此对沥青混合料的低温性能开展了大量研究,但都集中于单一温度作用,没有考虑温度和水分的综合作用。目前,对于路基土、基层材料、面层沥青混合料的性能参数与温度、冻融之间的关系研究尚不足,限制了在沥青路面设计中对自然因素影响的考虑。

我国现行沥青路面设计方法是针对所有地区的具有普遍性的指导性设计方法,设计指标、材料参数的选择与确定考虑一般地区,仍以沥青路面结构在行车荷载作用下的反应(弯沉、应力、应变)作为结构设计控制指标,确定路面结构反应所需的材料参数也是以一般地区的代表性温度状况作为试验条件进行测试。而对于季冻区沥青路面,温度场对沥青路面结构的影响明显外,季冻区的冻结期较长,冻结深度较大,夏季高温且外界进入路基路面的水分充分,路基含水量的变化和季节冻融使路基的稳定性与承载能力改变,路基冻胀融沉变形下路面结构产生的附加应力也不容忽视。因此,季冻区沥青路面的结构行为不同于一般地区,设计中应综合考虑荷载、温度、冻胀融沉变形的影响来确定设计指标。沥青混合料的温度敏感性强,不同温度条件下路用性能参数的差异明显;路基土在冻结和融化状态的物理力学性质也明显不同。另外,冻融循环作用会引起路基路面材料的性能劣化,材料参数衰减。因此,季冻区沥青路面设计中的材料参数选择与确定,应考虑温度效应、冻融作用。

综上所述,国内外虽对季冻区路基路面开展了相关研究,但对温度、水分和冻融等特殊条件综合作用对沥青路面结构与材料的影响考虑较少,部分内容尚未涉及,需要进一步系统研究。系统研究应主要针对季冻区沥青路面的结构、材料、结构组合、设计、施工等方面进行。通过研究,相信我国的季冻区沥青路面抗冻融能力会大大提高。