高寒地区沥青路面行为特性与设计方法研究

毕聪

（中交第二航务工程局有限公司设计研究院,湖北武汉430050）

0 引言

沥青路面以其舒适的行驶特性、优美的路面和易于修复的路况，已成为道路建设的首选。高寒地区沥青路面的性能一般取决于沥青路面的设计能否充分考虑高寒气候地质等的特点，并在材料选用和结构规划中采取具有针对性的措施。基于传统沥青涂层规范的道路测量数据不能真实描述高寒地区的道路状况，因此有必要研究高寒地区新型道路结构的性能和设计方法。

1 高寒地区公路沥青路面行为特征

1.1 地质条件复杂

在公路建设过程中，通常会出现起伏或曲折的地形，这给公路建设带来了一定困难。此外，公路建设需要开挖、下部结构和其他程序，而新疆伊犁州察布查尔县地区地质条件是多变的。在公路建设过程中，随着路段的通行，地质环境发生了较大的变化，经常会遇到冻土、膨胀土和盐渍土等不良地质，这也势必会对公路的路基和路面的平整性带来较大影响[1]。

1.2 气候条件恶劣

在山区，气候变化受到海拔高度的限制和影响。一般来说，当地面高度上升超过100m/s 时，温度仅会下降0.6oC/min。项目区域海拔从600m 提升至1430m，高差大到近830m；气温则是冬季平均最低气温在-9.4oC，最寒冷地区1月份的平均气温大约在-12.2oC，最低日气温仅为-43.2oC，冻土层深度一般为60cm，最深100cm，这对公路沥青路面修建有了更高的要求。

1.3 沥青路面病害类型

1.3.1 变形

路基变形是一种常见且非常严重的道路病害，主要发生在道路的波浪形、道路的下坡和道路车辆的冰冻状态。由于受到盐渍土和冻土路基冻融循环的影响，高寒地区的沥青公路路基更容易发生变形。这种变形也会发生在常温下的道路，而在高寒地区，由于土壤多年受冻，会大大增加道路变形的概率。

1.3.2 裂缝

裂缝也是道路的常见问题。主要是横向裂缝、纵向裂缝、龟裂等。其中，横向裂缝是主要影响因素，且呈规则分布。基本上，在同一片道路上均匀分布，裂缝间隔主要在2～20m 之间，然后与纵向裂缝交汇。纵向裂纹的位置有限，通常出现在路肩边缘，但纵向裂纹的严重程度不断增加，有时甚至长度达到数百米或密布于整条道路。另外，网裂、龟裂相对不常见，但危害性极大，这种类型的裂缝通常在道路承受过大压力时扩散，导致一点到表面的大规模损伤。

1.3.3 松散

道路松弛的现象肉眼很难观察，所以经常被忽视。这种病害的原因是轮胎和地板的长期高压，表面材料严重分散，沥青路面的核心层的负荷力下降，集料暴露，表面粗糙，凹凸不平等。

2 高寒地区公路沥青路面病害成因分析

2.1 自然因素

自然因素是直观的因素，也是使我们最可直接感知到的因素。高寒干旱地区的气候较为特殊，例如冬季全年低温长时间持续，冷却干燥速度快，昼夜温差比较大，发射率偏高，沥青地面材料容易老化发生脆性及硬化，沥青原材料刚性率很高，变形收缩能力和松弛力较差的沥青混凝土路面材料，在寒冷雨雪的恶劣天气影响下往往难以具备长期的耐久性，容易老化，同时抗裂性降低，容易发生病害。随着紫外线辐射强度的增加而散失或逐步向大分子量的胶质和沥青质转化，这一过程造成沥青硬化，沥青的黏度和低温性能均会降低，并逐步导致沥青混合料使用性能的降低。

2.2 交通流量因素

随着经济发展和道路运输手段的大型化和负荷比例的增加，使得高寒地区本来就脆弱的道路条件变得更加脆弱，出现大量病害也是必然的结果。

2.3 施工因素

为了适应低温条件，高寒地区的道路设计和施工通常使用优质的沥青，优质沥青具有良好的温度敏感性，其黏性和塑性随温度变化而改变的程度更高，但沥青黏度过低，与道路骨材表面的水黏结性过差，水膜的低温稳定性低和低温抗冻性能力的性能恶劣也是劣质柏油路面材料未能缓解这种病害出现的主要原因。沥青路面设计的一些特殊的施工气候条件主要表现是施工的周期时间短，施工介质温度比较低，滚动沥青成型相对困难，硬化技术条件也很有限。但是，即使是夏天，夜间温度较低，有效的工程时间不足，低温会给新的路面造成冷凝等破坏性的影响，项目地区从9月底到10月初进入降雪期，雨雪无常，平均气温会低至0oC 左右，使得沥青路面施工难以继续。

2.4 养护管理

长期以来，道路工程的日常养护以及运营维修成本高低和维持正常路面交通条件之间还存在着较明显的内在的一些相互制约关系和潜在矛盾。预防路面维修问题是一种在基本解决当前上述现实矛盾因素的研究基础前提上新提出来的路面地板养护维修技术的一个新概念。目的则是能更有效快捷地寻找适应公路要求的预防性沥青路面的保养修复措施，需要关注的重点是加强特殊养护区域路面的预防性沥青路面修复保养，能确保公路系统的总体运营安全质量和总体运输效率。为了要从一个根本角度上去解决上述几个矛盾，从工程初期便开始要彻底地清除所有地面病害，避免引起地面病害问题的进一步恶化蔓延和继续恶化，影响工程的后续使用安全性能，显著降低了道路修养成本，地板可以从最初到最后保持正常服务水平。沥青路面常见病害的合理防治也是倡导一种新时期的科学养护技术理念，是我国道路柏油路面持续健康有序发展工作的内在必然及要求[2]。

3 高寒地区公路沥青路面冷补材料的应用

冷修复材料是一种适用于所有天气条件的新型修复材料。其优异的黏结性能和松散的施工性能是与常温或低温维修材料区别开的显著特征之一。

3.1 冷补材料的特点

冷贴（补）材料可以适应-20oC 的低温环境，较适于在寒冷地区。另外，使用冷补材料，修补时无需粘层油，备料可随取随用，不需要重型施工机械，可根据路面的不同修补情况采用冲击压实、人工压实等，最大限度地避免高寒地区的雨雪天气对沥青路面施工的影响，可以大幅降低施工难度。使用冷补材料进行维护时，不需要使用粘层油。成品的混合物随时都可以使用。不需要使用重型施工机械压缩。根据不同的地面修理条件，压路机由耙子、手动或气动汽车压接。

3.2 冷补材料的路用性能

冷补材料在低温下具有良好的稳定性，能最大限度地避免路面病害的发生。如果遇到降水或寒冷天气，可以将冷补材料与原地板紧密结合，减少受低温的影响。在干燥灰尘多的水井里，可以把冷补材料粘在原来的地板上。当温度良好时，冷补材料具有足够的耐重复轮胎负载能力。

4 高寒地区沥青路面设计料性能与要求

根据气候划分研究和气候特征以及路面构造性能的相关分析，环境温度、降雨量和紫外线强度已经成为影响高寒地区道路柏油路面使用性能的三个主要因素。以往公路设计中关于沥青使用性能的选用标准考虑并不是很全面。一方面，近30年的气象资料表明，冬季严寒区的气候要比以往的寒冷，柏油路的标准也要提高等级；另一方面，在高寒地区独有的极端气候因素的综合影响下，特别是新气候区域下沥青结合料低温性能和抗老化性能的应用标准仍值得深入研究。在地板材料上长期使用沥青黏合剂养护的使用过程中，由于吸收氧气和接受紫外线照射的影响会容易产生沥青老化等现象，流变的特性也将会因此发生变化，影响沥青的表现。

为了进一步模拟沥青黏合剂的热老化变形过程，美国开发研制了另外一种SHRP(BBR)弯曲光束流变学测试，以用来测量在极高低温度状态下沥青胶粘剂的刚性。使用工程光束理论来测量涂敷负载作用下的柏油束样品的刚性。该测试的方法通过引入压力老化系数(PAV)来测试，模拟在路面材料上长期使用时的长期应力老化，弥补了压延度测试法的缺陷。根据SHRP 的研究，发现沥青材料受热过多大多会表现出脆性，地板容易破裂、损坏。沥青硬度的时间变化率越高，温度越低，地板收缩时，黏合剂作为刚性降低的材料发生反应，材料中的拉伸张力下降，有可能发生低温裂纹。因此，为了尽可能限制地板的开裂，为了限制路面开裂，SHRP 规定:劲度模量s≤300MPa；m值(60)≥0.30。BBR 路面试验的温度试验设计温度仅与道路在某一局部区域中的设计工作温度有关，理论计算上也应该严格以最低限度的路面现场的设计温度标准进行。

目前，路面现场的最低温区设计试验温度通常有下面三种主要计算方法。最初，在由SHRP 研究人员所提出来的低温地面模型方法中，最低的地上温度通常被广泛认为仅是地面最低的空气温度。编号加拿大的SHRP 研究人员却认为这个研究方法显得过于简单保守，因此提出进行了修正。然而，根据对北美约包含30 个测试温度区间的季节观测计划(SMP)的验证，SHRP 的地面低温公式已经不能保证将最低空气温度准确有效地直接转换为最低的地表温度，（LTPPBind）公式通常被认为要更接近准确。

5 高寒地区沥青路面结构组合

在高寒地区，如果是在筑路基前地下的结冰水位线已经接近于饱和的地表温度或是在路基面的上下两侧也已有过较深的、长期连续的积水结冰现象发生，那么正常的情况下，在冬季时路基料道中往往也可能有大量降水的发生促进了地下水分的重新集中与分布，在地下冻结的水位线的附近则十分严重且极容易重新发生聚冰化现象。这种进一步融化的现象又往往会逐步显著而削弱了这些无机结合料体及其与细粉状颗粒物料块之间的相互作用而引起的路面微观结构强度。夏季进入冬季或春融期时，这些无机结合聚冰体的进一步融化的现象往往还会持续，使路面基层材料结构组织中的含水量变得更为急剧地逐渐增大，直到彻底破坏。通过这些经验和分析可以知道在极端寒冷恶劣的高寒地区混凝土建筑的抗震加固和结构处理时，必须特别注意如下几点。

5.1 沥青面层

应选取优质沥青，在沥青的高温稳定性能够满足要求的使用条件的同时采用感温性小、针入度较大的沥青，有条件时可以采用几种耐裂纹性较好的沥青混凝土；也可同时采用各种抗裂蚀性能都好的较为合理经济的沥青面层结构组合使用。例如，以中粒式沥青混凝土结构为面层，以粗粒式混凝土为底面层。

5.2 基层材料

采用标号高强的少压裂系数的优质石灰、粉煤灰颗粒或者硅酸盐水泥稳定料基层，严格配比控制水泥细粒土料的颗粒含量；半永久刚性基层厚度均匀和结构强度均匀要充分与面层施工相互配合，保证沥青路面结构不受强拉剪应力作用。

5.3 结构组合形式

沥青面层厚度是要先考虑面层沥青最小允许厚度。例如中国日本道路、美国的西班牙公路等世界多国公路条例均曾统一的规定过其为重要的等级交通道路面层的要求沥青面层的最小容许厚度一般宜规定为在20cm 及以下；所以从现在我国高水平道路交通工程的整体技术现状来看，在今后我国在低交通等级道路面层设计上仍建议采取厚度小于10cm 的普通沥青面层，高等级的交通道路层面厚度上建议则应采取小于20cm 或大于25cm 厚的普通沥青面层，这也是目前基本是可行的。基层设计应要首先考虑能够提供足够的强韧的强度或抗承载性能的产品，以达到充分有效承担设备在设计或使用寿命的计算期间内产生的疲劳应力累积值和标准轴次，而尽可能同时且不应使产品至于设备产生任何较过早所发生的应力疲劳应力和应力破坏应力现象；基层也要着重注意其具有一个相对于足够的弱的抗长期冰冻强度能力和对水稳定性，以至少可保证该设备无论在进行整个设计施工或长期使用试验的期间内的最大内载荷强度水平或抗疲劳承载水平的承受能力上均确保不会发生受到外界由于抗长期的冰冻环境条件改变和对水条件要求的改变等影响从而导致发生了有着较大幅度的和幅度差异大的强度的衰减。

6 结语

高寒地区沥青混凝土路面的工作环境需要特别考虑沥青路面的设计。总结了高寒地区沥青混凝土路面主要病害类型、破坏机理的研究，并针对高寒地区特点提出了适应性强的新型沥青路面结构以及结合高寒地区的道路建设，铺设了试验路。随着工程实践的发展，楼板结构设计和材料选型的理论和方法也在不断完善。提出的一些新道路结构需要通过积累长期道路性能数据和增加试验道路验证来不断改进。