沥青混凝土路面低温性能研究综述

曹德纯，孙天洋，沈怀有，封磊，刘俊杰，周悦婷

（南京工程学院建筑工程学院，江苏 南京 211167）

0 引言

我国北方地区接近冬季风源地，年温差大，冬季气温低。沥青混凝土的力学性能受到低温影响，伴随着低温荷载反复作用，容易产生裂缝等常见病害，造成施工质量问题，减少沥青路面的使用寿命。低温条件下的结构层温度应力和抗拉强度是影响沥青路面工作性能和使用寿命的重要因素。低温收缩裂缝和温度疲劳裂缝对沥青混凝土路面寿命的影响较大。

1 沥青混凝土力学性能

1.1 低温条件下沥青混凝土抗拉强度

沥青混凝土抗拉强度是影响沥青路面使用寿命的一项重要指标。对沥青混凝土低温抗拉强度的研究有助于我国北方低温地区沥青路面的铺设与养护。

鲁艳蕊[1]-30～10℃温度条件下的沥青混凝土试件进行劈裂抗拉试验，研究发现：在沥青与骨料间温度应力和粘聚力复合作用条件下，随着温度的降低，沥青混凝土的劈裂抗拉强度先增大后减小，并在-10℃时取得最大值。

Si Wei等[2]在不同温度条件下，对普通沥青和改性沥青做间接拉伸试验，研究发现：沥青混凝土的低温拉伸性能受到沥青性质与掺量的共同影响。低温环境下，SBR改性沥青较普通沥青有更好的延性和低温抗拉强度，且沥青混凝土的低温抗拉强度随着沥青用量的增大而增大。

曹宇[3]在-10℃温度条件下研究不同聚酯纤维掺量及不同油石比条件的沥青混凝土低温抗拉性能，结果表明：沥青混凝土低温抗拉强度随着纤维掺量与沥青用量的增大而呈上升趋势，并通过极差分析得出，纤维掺量对低温抗拉强度的影响更加显著。

沥青混凝土的抗拉强度受温度影响较大，用改性沥青代替普通沥青可以增大其低温抗拉强度，此外沥青的用量越多，掺入的纤维量越大，其低温拉伸性越好，沥青路面的耐久性也会提高。而所添加纤维的长度、材质及弹性模量等特征性对沥青混凝土抗拉强度的深入影响仍需进一步探讨。

1.2 沥青路面结构层温度应力

在温度下降过程中，沥青混凝土在冷缩作用下产生应变，具体如式（1）所示。

式中：εx，εy，εz分别为沥青单元在 x，y，z 方向的温度应变；γxy，γxz，γyz分别为沥青单元在 xy，xz，yz 面的剪切应变；α为沥青混凝土线收缩系数；ΔT为温度变化值。

在结构层多种约束共同作用下，沥青路面面层底部产生翘曲应力。结合沥青路面在实际工程中分层铺筑引起的层间温度梯度与层间摩擦约束影响，用弹性层状体系理论分析其结构层温度应力更为合理，具体如式（2）所示。

式中：σx，σy，σz分别为沥青单元在 x，y，z方向的温度应力；τxy，τxz，τyz分别为沥青单元在 xy，xz，yz 面的剪切应力；μ为沥青混凝土泊松比。

耿立涛等[4]分别研究了低温环境沥青混凝土的特性随温度改变与不变两种工况条件下，沥青路面的结构层温度应力与深度的关系，结果表明：在相同的时间变化条件下，两种工况中的温度应力均随深度的增加而减小，但温度应力大小相差较大，得出受温度改变的沥青混凝土对其温度应力影响更为显著的结论。

Thanakorn Chompoorat等[5]在不同温度条件下，对不同时间变化条件下的沥青混凝土进行间接拉伸试验，研究发现：沥青混凝土随着时间变化受到应力松弛与积累的温度应力共同作用；温度应力受时间因素影响较为显著。

王磊等[6]基于热传导理论，在对青藏公路沿线温度场的研究基础上建立低温环境中沥青路面纵断面的二维有限元模型，对线收缩系数产生的影响进行数值模拟分析，结果表明：沥青线收缩系数对沥青混凝土温度应力的影响主要体现在沥青与骨料间及不同结构深度处。相同降温条件下，沥青与骨料线收缩系数之差在线收缩系数降低后变小，沥青混凝土的温度应力也将会减小；沥青面层及底层的温度应力变小后，由于面层厚度、底层温度应力滞后，使得

式中：σ为沥青路面基层结构应力；h1为沥青路面面层厚度；h2为沥青路面基层厚度；E为基层模量。

沥青混凝土在持续低温下会出现应力松弛现象，在现有沥青路面温度应力模型基础上引入低温持续时间参数有一定价值。对沥青混凝土低温应力随降温速率与材料性质而改变的复合影响规律仍需进一步研究。在气温较低的北方地区，可通过优化骨料级配，增加沥青混凝土拌合时间以及选用抗拉效果好、温度敏感性较低、柔度系数较大的沥青混凝土来改善沥青路面层的温度应力所产生的不利影响。

2 沥青路面病害分析

2.1 低温收缩裂缝

沥青混凝土在低温环境下发生低温收缩应变，在基层摩擦与四周约束共同作用下，沥青混凝土材料的位移量与体积收缩受到约束，并产生应力集中现象，形成低温收缩裂缝，进而发展形成横向裂缝，最终加速结构的损坏。因低温而造成沥青混凝土收缩产生裂缝的成因在目前有两种理论：第一种理论由HILLS J F[8]等提出，认为随着温度不断降低，沥青混凝土的应力松弛无法消除积累的温度应力，因而在温度应力超过极限抗拉强度时，沥青混凝土路面就会产生裂缝；第二种由张起森等[9]提出，认为温度降低导致沥青混凝土路面面层温度低于底层温度，从而形成负温度梯度并产生温度翘曲应力，致使沥青混凝土路面由表面向内部发生开裂。

Timm D H等[10]认为沥青路面受低温环境影响产生应力集中现象，路面上的横向收缩裂缝是由于极限拉伸应变不及温度应力而产生。徐觅[11]对沥青路面低温开裂问题研究发现，降温速率低时，沥青混凝土的应力松弛能在一定程度上缓解应力集中现象，温度收缩裂缝就不易产生；降温速率高时，沥青混凝土的应力松弛能力不能充分发挥，路面就容易产生温度收缩裂缝。沥青路面面层与底层温度应力差值减小。

郑木莲等[7]基于沥青路面结构温度场，运用回归分析法研究发现，沥青路面基层温度应力受温度梯度、面层厚度、基层厚度和基层模量影响，计算公式如式（3）所示。

张起森等[12]基于断裂力学理论，通过光弹试验对沥青混凝土路面受温度应力影响的开裂状况进行分析，研究发现，受负温度梯度影响而产生的温度应力是路面开裂的主要原因。杨成忠[13]通过分析低温应力和温度翘曲应力对沥青路面产生裂缝的影响，发现非荷载型裂缝产生的主要原因是外界降温速率较快，直接原因是温度应力超过了沥青的容许拉应力。

庞辉[14]采用材料补偿固定框架式冻断试验系统，对沥青混凝土受冻断裂温度与沥青混合料性质进行比较分析，结果表明：沥青含量对试件受冻断裂温度影响较小，沥青性质对试件受冻断裂温度影响较大，低温性能好的改性沥青铺设的沥青混凝土路面具有更好的低温性能。郭尚德[15]对纤维沥青混凝土低温弯曲性能进行研究，发现掺入适量钢纤维的沥青混凝土具有更好的低温抗裂性能。

沥青路面降温是指受外界冷气流的影响，由道路面层向基层传递温度下降的过程。在气温缓慢降低条件下，路面降温速率较慢，沥青路面内部负温度梯度较小，温度收缩裂缝成因主要为沥青路面累积的低温温度应力在应力松弛作用后仍大于其极限抗拉强度。在骤冷条件下，路面降温速率较快，沥青混凝土应力松弛较小且路面内部负温度梯度较大，沥青混凝土单元同时受低温温度应力与温度翘曲应力的影响，更易产生温度裂缝。为改善沥青混凝土路面的低温抗裂性能，延长使用寿命，可以选用改性沥青代替普通沥青，在沥青混合料中掺入适量钢纤维等。

2.2 温度疲劳裂缝

在温度反复升降情况下，沥青混合料产生温度收缩应力，温度骤变时，沥青混合料无法松弛温度收缩应力，持续增加的温度应力最终导致路面薄弱结构处开裂。

沈金安[16]和田小革等[17]通过低温低频疲劳试验模拟温度疲劳试验，通过低频率荷载的反复作用来表征沥青路面温度疲劳抗裂性能。研究发现，沥青混凝土材料的耗散能与疲劳性能之间相关性较大，均随循环次数的增大而增大。当沥青混凝土低温柔性提高时，残余变形增大，耗散能提高，温度疲劳寿命延长。

Behzad Behnia等[18]采用声发射（AE）测试装置对温度循环条件下沥青混凝土的工作性能进行研究，结果表明：随着温度循环次数增加，沥青混合料应力松弛率降低，耗散能塑性应变增大，面层出现微裂纹，对沥青混合料损伤较大。

张伟[19]基于耗散能理论并根据 Miner原理，提出沥青路面面层变温循环损伤公式，如式（4）所示。

式中：D为路面累积疲劳损伤；n为温度循环次数；Wi0为沥青路面的初始耗散能；Nfi为沥青路面结构的疲劳寿命。由于沥青路面面层耗散能大于路面内部耗散能，因此用沥青路面面层变温循环损伤公式来表示沥青路面整体的变温循环损伤是有效的。

沥青混凝土材料的耗散能对温度疲劳损伤影响较大，可采用低温柔性较高的改性沥青，掺入高弹性模量的短切纤维以及改善沥青混凝土级配等方式，提升材料初始耗散能，并有效减小混凝土材料的温度疲劳损伤。

3 结语

（1）沥青混凝土的抗拉强度受低温环境影响显著，普通沥青混凝土在-10℃时取得抗拉强度最大值。采用改性沥青、增加沥青用量及掺入纤维等方式，可以增大沥青混凝土的低温劈裂抗拉强度。

（2）时间积累，温度变化与材料特性对沥青混凝土路面结构层的温度应力有较大影响，在低温条件下，可通过优化骨料级配等材料性质提高沥青混凝土路面的耐久性。

（3）温度应力裂缝和温度疲劳裂缝的产生严重影响沥青混凝土路面的寿命，采用低温性能较好的改性沥青以及掺入高弹性模量纤维能够有效防治路面温度裂缝病害。

（4）研究发现，掺入高弹性模量纤维材料可以有效改善沥青混凝土路面的寿命，但纤维长度、纤维弹性模量与纤维表面性质等因素对低温条件下沥青混凝土工作性能影响仍需作进一步研究。