高原寒冷气候对沥青路面病害模式的影响分析及处治对策研究

朱 磊，李 强，陈 宁

(1.江苏省交通科学研究院股份有限公司，江苏南京 211112;2.新型道路材料国家工程实验室，江苏南京 211112)

1 概述

高原寒冷气候对沥青路面病害模式的影响首先表现为沥青路面耐久性明显降低，最直观的表现为沥青路面早期损坏现象严重［1～3］。对于高原地区，无论是新建工程还是改建工程均面临严重的早期损坏问题，很多路段在建成通车后还未完成交工验收就开始出现沥青路面早期损坏，甚至有些路段未能进行竣工验收就转而投入病害整治。

青藏高原是世界上最高的高原，有“世界屋脊”和“第三纪”之称，属典型的高原大陆性气候，具有:平均气温低、昼夜温差大、太阳辐射强、降水量少、雨热同期，且地域差异大等特点，复杂的气候环境对于沥青路面整体使用性能的要求较为严苛，并形成了有别于其他地区的病害模式。青海省地处青藏高原东北部，全省均属高原范围之内，按气候环境和地形特征可分为祁连山地、柴达木盆地和青南高原三个自然区域［4～6］，文章以青海省不同区域沥青路面的病害调研为基础，开展高原寒冷气候与沥青路面病害的相关性分析，在此基础上进一步总结相应的病害整治对策。

2 高原气候与沥青路面病害模式相关性分析

2.1 高原气候特征分析

青藏高原整体属于高原大陆性气候，其气候特征除了寒冷、日温差大、紫外线辐射强等特点之外，更为明显的是高原气候的地域性差异较大。青藏高原作为中国最大、世界海拔最高的高原，地域辽阔(占中国国土面积的1/4)，地形复杂，地貌多样。由于其地形的复杂和多变，青藏高原气候特征也呈现为较为明显的地域差异性。为了更好地说明青藏高原气候特征的地域差异性，表1以青海省为例，列举了省内三大地区的气候特征。

表1 青海省三大地区气候统计数据

从表1青海省三大地区气候统计数据可知，青海省内各地区之间的气候差异比较明显。祁连山地气候相对温润(平均气温零度以上，降水量及蒸发量适中);柴达木盆地较为寒冷、空气干燥(年降水量较小，蒸发量较大);青南高原气候变化急剧(冬季寒冷多风雪，夏秋季节虽短却多暴雨冰雹)。

2.2 高原地区沥青路面病害类型与特征分析

沥青路面“早期损坏”曾是我国的公路建设一直以来的困扰，尤其是高原地区，由于其独特的气候环境及地质、地形条件，沥青路面在建成后不久就面临巨大的养护维修压力，远远达不到设计的使用寿命［7，8］。

目前青海省的公路沥青路面中仍存在较多的早期损坏。虽然有不少早期修建的公路运营多年仍保持较好的路况，但近年来很多路段出现了不同程度的早期损坏［9，10］。文章通过对省内主要的国省道干线公路的实地调研发现，所调研的国省道干线公路都不同程度出现了早期损坏，大部分路段都是在建成通车后的2a时间内出现较为严重的早期损坏，调研结果见表2。

表2 主要调研公路早期损坏时间和类型

为了直观分析青海省各地区沥青路面路面典型病害情况及病害的严重程度，参照《公路技术状况评定标准》，将实地调研的病害统计数据进行了路面病害折算面积率指标对路面破损状况的评价。

2.2.1 祁连山地

1)病害类型。

由图1可知，翻浆(图2)是祁连山地沥青路面的主要病害类型。

图1 祁连山地沥青路面病害折算面积统计

图2 沥青路面翻浆

2)病害特征分析。①病害范围及程度。

有些是全幅路面，程度较为严重;有些则是半幅路面或是路面边线局部范围，但程度较为严重;有些则是局部范围内的轻微翻浆。

②病害位置。

主要发生在不良地质段、高填方路段、爬坡路段、边沟损坏导致路基路面排水不良等路段。

③病害原因。

不良的地质条件及恶劣的气候环境，病害路段多集中在多年冻土区及高原草旬区，路基处于沼泽或冻胀草丘路段，路基含水量高、路床底下存在软弱地基，易受冻胀破坏;筑路原材料较差，路基填料所用天然砂砾大多由沿线河谷采挖，含水量整体偏大，同时施工过程中雨热同期，回填碾压过程中降雨频繁，导致路基整体含水量偏大;施工控制不严，主要表现为面层压实度不足，路表水下渗，浸泡基层和路基，导致路面结构层强度降低。

2.2.2 柴达木盆地

1)病害类型。

由图3可知，横向裂缝是柴达木盆地沥青路面的主要病害类型(图4)。

2)病害特征分析。①病害范围及程度。病害严重路段，横向裂缝较为密集，平均5～10mm/条。

图3 柴达木盆地沥青路面病害折算面积统计

图4 沥青路面横向裂缝

②病害位置。

病害严重路段，横向裂缝已贯穿全幅路面;病害相对较轻路段，横向裂缝仅出现在半幅路面或半幅路面的局部区域。

③病害原因。

现场调研结果表明，横向裂缝基本分为温缩裂缝和反射裂缝。

低温收缩裂缝是由于单一的低温(负温)作用造成的温度收缩而产生的温度应力(或应变)超过沥青混凝土的抗拉应力(或应变)时的开裂。温缩裂缝主要是横向裂缝，有贯通全幅路面的;有从路面边缘开始的不贯通裂缝，这类裂缝通常是靠边缘处缝的宽度大，向路面中心延伸逐渐变窄，直至裂缝消失;还有少数仅在路面中间部分的裂缝。这些横向温缩裂缝表现为与交通方向垂直，缝上端开口宽，沿深度方向很快变窄，裂缝规则，且无支缝，裂缝间距比较均匀。沥青面层处在低温时，强度虽然增大，但其变形能力却因刚性增大而降低，因此，这类裂缝的产生与柴达木盆地严苛的气候条件关系密切。

调研路段全部是半刚性基层沥青路面，由于半刚性基层材料本身的温缩特性和干缩特性，半刚性基层会不可避免的产生干缩裂缝和温缩裂缝，在路面交通荷载重复作用下，半刚性基层的这种干缩裂缝和温缩裂缝会扩展到沥青面层而形成反射裂缝。

2.2.3 青南高原

1)病害类型。

由图5可知，网裂是青南高原沥青路面的主要病害类型(图6)。

图5 青南高原沥青路面病害折算面积统计

图6 沥青路面网裂

2)病害特征分析。

①病害范围及程度。

调研路段均存在不同程度的沥青路面网裂，有些网裂严重程度已遍及路面全幅，并伴有唧泥、坑槽等病害。

②病害位置。

主要集中在行车轮迹带。

③病害原因。

基层结构强度、面层施工质量以及沥青老化都是导致沥青路面出现网裂病害的因素。值得一提的是，高原地区沥青路面沥青老化是一个容易被忽略但对于沥青路面耐久性又不得不重视的问题。为了深入分析高原气候对沥青路面耐久性的影响，文章结合实地调研现场取芯，对芯样回收沥青进行室内检测，结果如表3所示。

由表3试验数据可知，芯样沥青混合料回收沥青的针入度、延度指标值均低于规范要求值，而软化点和60℃动力粘度则高于规范要求的界限值，说明取芯位置沥青面层混合料中的沥青在长期的紫外线、环境温度等自然因素的综合作用下出现严重的老化。

表3 沥青面层芯样回收沥青性能状况

3 高寒地区沥青路面病害处治对策研究

3.1 深化基础资料调研

沥青路面结构设计或病害处治是否合理，首先要结合特定的使用环境，包括气候环境、地质条件、交通量等综合因素，同时还应加强原沥青路面使用现状及病害模式分析，针对特定的使用环境及沥青路面病害模式综合制定出切实可行的处治方案。

3.2 严格原材料准入控制

沥青路面的施工和使用质量与原材料的性质有着密切的关系。集料强度、颗粒形状、表面纹理、化学性质和集料的吸水率以及沥青标号、技术指标等都直接影响着沥青路面的使用性能。优质的原材料是保证沥青路面施工质量和使用性能的前提，必须严格控制原材料的准入。

3.3 完善设计优化

包括结构层混合料的级配优化和路面结构层组合的优化设计。

通过对不同结构层材料使用现状的调研，总结分析其适用性，在此基础上进行级配设计优化，如在进行沥青混合料配合比设计时，针对目标工程的综合使用环境，进行沥青混合料使用性能的权衡，分析其使用性能是侧重于高温性能、低温性能还是抗水损坏性能，以选出合理级配和最佳用油量。

沥青路面结构优化设计必须从沥青路面结构设计理念入手，明确沥青路面结构设计的理念，使得沥青路面结构设计指标与破坏模式进行必要的联系。

3.4 强化施工过程控制

沥青路面施工是一项复杂的、系统化的工作。沥青路面出现早期损坏，在很大程度上，与路面施工的精细化、规范化不足有关，导致路面质量的变异性较大。因此，有必要针对性地提出施工工艺各环节的改进方法和质量控制要点，如原材料的管理、拌和厂生产与控制、混合料的运输、摊铺和碾压等。

4 总结

结合高寒地区气候特征分析和沥青路面现场调研，系统分析了高原寒冷气候对沥青路面病害模式的影响，在此基础上提出了高寒地区沥青路面病害处治对策，主要研究结论如下:

1)高原寒冷气候对沥青路面使用性能产生直接的影响作用，并且这种影响作用具有明显的地域特征，不同地区的沥青路面病害模式具有其独特性。

2)解决高寒地区沥青路面早期损坏的关键在于对沥青路面病害模式的把握，并在此技术上提出适宜的处治对策。

3)沥青老化是高寒地区沥青路面必须重视的因素，建议在沥青选材时，综合考虑高寒地区复杂的气候特征，有针对性地优先考虑改性沥青。

4)高寒地区沥青路面修筑及病害处治过程中，应充分考虑高原气候条件对沥青路面使用性能的影响，并加强在设计、原材料选用以及施工过程中的优化控制。

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