针对沥青路面老化问题的养护管理系统探讨

王思恬

(重庆交通大学 重庆 400000)

针对沥青路面老化问题的养护管理系统探讨

王思恬

(重庆交通大学 重庆 400000)

经过二十多年的发展，我国高速公路总里程数已达到7.41万公里，居世界第二位。到2020年，我国高速公路网将形成总规模85000Km，相当于美国高速公路的总里程。在保证高速公路安全性、舒适性和经济性的营运特点的同时，应保证高速公路路面的使用性能，将高速公路路面的养护管理工作提到日程上来。路面管理系统是通过系统分析的方法，综合考虑技术、经济、社会和政治各方面的因素，协调各项路面管理活动，促使路面管理过程系统化，通过路面性能预测模型确定最佳养护时机采取预防性养护促使来延长道路使用寿命。本文主要针对沥青路面易老化的特点，通过对沥青路面老化的影响因素进行分析以及室内模拟预测收集路面老化性能的数据建立路面管理系统模型。

沥青路面;路面养护管理系统;老化;室内模拟;路面管理系统

一、引言

近些年来，我国高速公路发展迅速，这不仅改善了我国的路网分布，也在很大程度上提高了百姓出行的便利性。高速公路对于我国经济技术的发展有着不可或缺的作用。我国沥青路面发展的历史证明，为了保证路面的质量，除了合理的路面结构和良好的沥青材料，沥青混合料的性能是至关重要的。许多国产沥青路面的使用寿命较短，与沥青混合料的性质，特别是它们的耐老化性能关系密切。为了保证沥青路面具有较长的使用周期，沥青混合料的抗老化性能必须用一些与沥青使用相关的技术指标来描述，并提出适当的指标界限值予以控制。我国地域辽阔，气候复杂，受气温的变化和降雨量的影响大小不一，在不同地区铺筑的沥青路面对沥青的起始性质及耐长期老化性能的要求并不相同。另外我国沥青油源的差异较大，沥青生产工艺各异，使得同标号不同品种的沥青及沥青混合料的抗老化性能相差甚远。沥青在路面施工时，沥青混合料的沥青及矿料需要在空气中加热，路面建成后长期暴露在大气环境中，经受光照、降水、气温变化等自然因素的影响，同时还要受到汽车荷载等应力的作用，因此沥青混合料存在老化的现象，市沥青路面的使用性能降低。因此，研究沥青路面的老化对于道路的使用来说有着至关重要的意义。交通荷载和环境对道路的反复荷载作用后，路面就会逐渐的发生老化，最终不能满足道路的行驶要求。路面发生老化以后，不仅会降低行车的舒适性，还会增加汽车的运行费用。道路管理部门需要投入大量的人力和物力，用于维持路面使用性能在一定的水平。对于路面养护最重要的是要保证有足够的资金，然而通常有用的资金有限，如何合理分配资金使得所达到的效益最佳，保持路网的服务水平满足行驶要求。

二、影响沥青路面老化的因素

(一)沥青的影响

沥青是由多种不同分子组成的单相均质混合物，组成沥青的分子大致可以分为两类:极性分子和非极性分子。非极性分子作为极性分子的溶剂，极性分子通过分子间的微弱联结作用形成网状结构，极性分子均分布在沥青当中。当温度增加时，极性分子之间的联结能力减弱，沥青粘度减小;而当温度升高时，情况恰恰相反。沥青中极性分子的数量越多，沥青就越容易被氧化。当沥青分子中的氮原子、硫原子或者是苯环中特定部分的碳原子与氧气发生化学反应时，沥青就会被氧化，表面上的变化就是沥青变硬。除了氧气之外，沥青中的轻质成分的挥发和沥青受紫外线或是红外线的照射而发生的化学反应，都会使沥青变硬，使用性能下降。

(二)集料对沥青老化的影响

集料对混合料在性能方面的贡献，除了集料之间的嵌挤力，就是沥青与集料形成的吸附性。而沥青的老化，对集料之间的嵌挤力影响很小，主要影响着沥青与集料之间的吸附性。沥青在老化后，由于轻质成分的挥发、极性物质的氧化，沥青的粘度增大、变硬自身的强度增大。老化后，沥青的极性增强，与石料表面的极性物质结合更加紧密，沥青与集料之间的粘结力进一步增强。沥青的老化主要是极性物质的老化，而沥青与集料之间的粘附性也是通过沥青的极性物质和集料比表面的极性物质产生连接。集料在沥青老化时，有催化剂的作用，它促使沥青中芳香分等低极性物质与氧气发生化学反应，增加沥青老化的速率。但是沥青包裹在集料外表面时将阻止集料与沥青中的低极性物质接触，这也就避免了低极性物质的氧化。通常认为碱性集料能够很大程度上减轻沥青老化的影响;而酸性集料在这方面作用不明显，也有可能加速沥青的老化。

(三)外界环境对于老化的影响

1.温度对沥青混合料老化的影响

在60℃～130℃范围之间，沥青在无氧的情况下，不会发生自身组分上的任何化学变化，仅仅是一些轻微物质的挥发。而在温度高于150℃时，沥青即使在无氧的情况下还是会发生化学变化，引起自身组分的改变。通常研究的无论是沥青的老化还是沥青混合料的老化，都是在氧气参与情况下的老化。

2.压力对沥青混合料老化的影响

从沥青的老化过程来看，必须先有沥青溶解到沥青当中，然后才能发生氧化反应。压力在增加氧气溶解到沥青中的数量和速度方面与和温度有着相似的作用。但是就沥青与氧气的化学反应来看，压力较之于温度就没有那么明显的影响。有研究表明，采取高压低温，减小沥青薄膜的厚度才能有效模拟沥青的长期变化。

3.含氧量对沥青混合料老化的影响

氧气对于沥青的老化起着至关重要的作用。没有氧气，在路用环境条件下，是不可能发生沥青自身的化学性质的改变的。在实际路用环境下，空气中的含氧量与海拔有着密切的关系，海拔又与气压有关系。通常，海拔越低，气压越低，含氧量越低，但同时平均气温也将越低。气压低，含氧量低，对沥青的耐老化性有正面意义。但是温度偏低，就会对沥青老化产生较强的敏感性。含氧量增加，使氧气的浓度增加，使沥青与氧气的接触大大增加，在相同条件下，氧气含量大时，沥青混合料的老化较为严重。

4.沥青含蜡量对沥青混合料老化的影响

我国众多沥青软化点虽高，但高温稳定性并不好。由于我国大部分沥青属于多蜡沥青，即W型沥青，沥青中的蜡影响了软化点的测定。沥青中的蜡的融点在30℃ ～100℃之间，软化点一般在40℃ ～55℃之间，大部分蜡的结晶融化成液体的阶段。它将吸收一部分溶解热，从而使沥青的温度上升速率更滞后于水温的增高，就导致了在沥青达到软化点时，沥青内部的温度与温度计显示的水温差别要比无蜡沥青的差距大。沥青含蜡量多，会导致沥青的软化点虚高，在高温条件下易出现流动状况，导致沥青路面出现车辙、推移等病害，从而使沥青路面的路用性能降低。

三、室内模拟沥青混合料老化试验方法

沥青混合料的老化分为两个阶段:短期老化和长期老化。短期老化是沥青路面建设期沥青混合料因受热引起的老化，开始于拌合厂，终止于沥青路面压实后温度将至于自然温度;长期老化是沥青路面使用期内沥青混合料因光照、温度、降水和交通荷载的综合作用导致的老化，开始于路面建成之后，终止于路面服务性能下降直至不能满足行车的要求。

(一)短期老化的试验方法

短期老化的试验方法应体现松散混合料在拌和、贮存和运输中受热而挥发和氧化的效应，以模拟沥青混合料施工阶段的老化效果。SHRP根据以往沥青混合料短期老化方法的研究实验结果提出了三种备选的方法。它们是:

1.烘箱加热法:将拌合的沥青混合料放在烘箱中一定时间，使沥青混合料老化;

2.延时拌和法:适当延长混合料的拌和时间，使沥青混合料老化;

3.微波加热法:将拌和的沥青混合料用微波加热，使沥青混合料老化。

按模拟施工条件、使用复杂程度、设备投资费用等七个评价标准对三种方法有效的进行评估，综合比较，烘箱加热法被认为模拟施工条件好、方法简便、设备投资投资费用不高，因而是室内模拟沥青混合料短期老化最有效的方法。虽然烘箱加热法被认为是模拟沥青混合料短期老化最有效的方法，但是我认为它还是存在着一定的不足。短期老化包括两个阶段，一个是在运输、储存和加热过程中的老化，一个是在拌和铺筑的施工时期的老化。这两个阶段的老化既包括了因温度而引起的，也包括了沥青在运输过程中与氧气发生反应的老化，但是烘箱加热法仅考虑了温度这个变量，所以我认为这个模拟试验还是不太完整的，有待于进一步的改善。

(二)长期老化的试验方法

沥青混合料试验室长期老化的方法应着重体现沥青混合料压实成型试件持续氧化的效应，以模拟使用期内沥青路面的老化效果。SHRP总结了以往的研究成果，提出了三种备选的方法:

1.加压氧化是对沥青混合料施以低压氧气，使其在短时间内加速老化的一种方法。

2.延时烘箱加热，本方法是对沥青混合料施以高温强化手段，以达到沥青加速老化的目的。

3.红外线、紫外线处理。将试件在红外线、紫外线下照射一定的时间，主要模拟太阳光对沥青的老化情况。

与沥青混合料短期老化试验方法的评估标准一样，对三种方法进行有效性的评估。从体现野外条件、程度、易于实施、设备投入不高、可敏感地反映沥青混合料性能的变化等方面，延时烘箱加热和加压氧化是混合料试验室长期老化方法中最有效的方法。延时烘箱加热和加压氧化处理，都是为了模拟沥青路面的野外老化程度而在室内加速氧气作用的模拟试验方法。但是我认为这两种方法都没有考虑到一个问题，那就是沥青的含蜡量对路面长期老化的影响。所谓沥青的长期老化，就是沥青路面在投入使用后，在水、光、氧气等介质的作用下发生的物理化学变化，使其组分发生一些改变。现在我国的沥青多属于蜡含量较高的，蜡含量对于沥青的长期老化究竟有着一个怎样的影响，我感觉这两种模拟方法还是没有给出结果的。所以，我认为关于沥青混合料长期老化的模拟方法中，还是要考虑含蜡量对长期老化的影响，这样才能制定出合理的措施去防治长期老化。

四、路面老化及使用状况评价

(一)路面老化

引起路面老化的因素很多，大致就分为本文上面讨论过的材料、压力、氧气、紫外线、含氧量等因素。路面老化的本质原因在于沥青从运输到使用整个过程中的一些物理化学反应。我国沥青路面总是在规定的使用年限之前就需要进行大大小小的整修、翻修，这其中很大一个原因就是沥青路面逐渐的出现老化。整修不仅需要花费大量的人力和资金，同时还需要封堵道路，给居民的生活带来了诸多的不便。因此，首先要全方面的分析影响沥青路面老化的因素，其次再根据沥青室内模拟试验方法采集沥青老化的数据，最后再根据路面养护管理系统选择出对于沥青路面老化防治的最佳方案，以此来延长沥青路面的使用寿命。

(二)路面使用状况评价

评价路面使用状况是路面管理系统的一个重要组成部分，路况预测、优化对策、制定养护计划都要以其为基础。公路技术状况评价包含路面、路基、桥隧构造物和沿线设施四部分内容。

五、运用路面养护管理系统监测及预防沥青路面老化

综合分析了影响沥青路面老化的因素之后，在沥青路面从选材到投入使用的过程中就应该充分考虑并且避开这些因素。尽可能避开这些影响因素可以在一定程度上防止沥青路面的老化。在充分考虑了这些影响因素之后，我认为可以根据沥青老化的室内模拟试验方法，即:短期老化使用烘箱加热法，长期老化使用延时烘箱加热法和加压氧化法，从沥青混合料老化的室内模拟试验方法中分析沥青混合料的老化机理，然后以此为基础再制定防治沥青路面老化的对策。

同时，也可以对现有的沥青路面进行现场数据的采集。分别从光、压力、氧气等因素对沥青路面进行检测，并采集相应的数据。得到实际的数据之后，可以分析究竟哪个因素是导致沥青路面老化的最主要的原因，根据其对沥青路面老化重要性的大小再依次分配防治这个因素对沥青路面老化的资金。整个思路就是先收集数据，然后再有的放矢的制定路面养护管理对策，这样不仅可以节省了一定的人力物力，也可以有根据性的防治沥青路面的老化，建立一个完整的路面养护管理系统，而不是无目标的见缝插针。

六、我国路面养护管理系统存在的问题与建议

路面养护管理系统发展至今，取得了不小的进步，但同时也存在着一些问题。简单归纳一下，问题主要出现在以下几个方面:1.数据的采集与处理;2.相关模型的建立与分析;3.评价指标及其标准化。

目前数据的采集与处理是我国路面养护管理系统建立与实施所面临的一个很大的问题。没有可靠的基础数据作为依据，再好的分析也是无用的。国外在这个问题上就很注重，而我们却一直忽略了这个问题，导致在建立路面养护管理系统时，数据库的建立成为了一个很大的困扰。此外，数据采集的手段及方法也存在着一定的问题。人工采集数据不但效率低，误差大，而且还存在着很大的主观性，数据离散性大。所以，开发快速、先进的路面数据采集设备非常有必要。GIS技术实现了数据采集的自动化，并且是路面数据采集变得快速、准确，从而保证了路面养护管理系统数据库的科学性。路面养护管理系统中所涉及到的预测模型的建立，主要是采用力学法、经验力学法和经验法。对于模型中许多参数的取值是否合理，需要结合各地区的实际情况而定，不能一概而论，因为每个地区的环境条件不一样，交通荷载量不一样，路面的结构和类型也不一样。对于同一个地区，一旦路面的评价指标确定了，就应该对各个指标进行标准化处理，否则就无法对采集的数据进行分析与处理。

沥青路面老化一直是导致我国沥青路面不能长久使用的一个重要因素。本文对沥青老化的影响因素和室内模拟方法都进行了介绍，以此为基础利用路面养护管理系统进行数据采集与分析，制定出对付沥青路面老化的合理防治对策。路面养护管理系统的出现，对路面的养护与防治有了很大的提高，尽管路面养护管理系统还存在着一些问题，但是相信在以后不断的改进过程中可以一步步的提高，为道路的使用带来福音。

［1］王志廷，靳长征.沥青加热技术［M］.人民交通出版社，1998，3

［2］廖克俭，丛玉凤.道路沥青生产与应用技术［M］.化学工业出版社，2004.8

［3］沈金安.沥青及沥青混合料路用性能［M］.人民交通出版社2008

［4］黄晓明，吴少鹏.沥青与沥青混合料［M］.东南大学出版社，2002.9

［5］贺华，陈海峰.沥青老化性能的两种试验方法的评价 ［J］.华东公路，2006.117

［6］黄建跃.沥青路面设计.人民交通出版社，2003

［7］李立寒，任峥.RTFOT与TFOT对沥青胶结料热老化程度的影响［J］.石油沥青，2002.16

［8］张肖宁.实验粘弹原理［M］.中南公路工程，1990

［9］赵雄.沥青混合料力学性能研究论文集 ［J］.黑龙江省公路学会，1982

［10］陈佩茹，孙立军.常规沥青的针入度等级 ［J］.中国公路学报，2003

［11］邵显志.沥青胶浆微观界面的研究 ［J］公路，2003

［12］姚祖康.路面管理系统.人民交通出版社，1993

［13］潘玉利.路面管理系统原理.人民交通出版社，1998

［14］张晓华.高速公路路面管理系统.西南交通大学，2002

［15］杨丽.浅谈路面管理系统的建立与实施的重要性.山西交通科技，2002年10月，第5期

［16］资建民.路面管理和管理系统.华南理工出版社，2003.

王思恬 (1993.1－)，女，汉族，河北省邢台市，研究生在读，重庆交通大学，研究方向为路面管理系统。