高寒地区道路结构性能试验检测及质量优化方法探析

王武 刘华勋

摘要 为了提高高寒地区道路的耐久性和稳定性，文章以西藏地区318国道高海拔段为研究测试项目，通过人工调查法和主成分分析法调查并建立了路面病害及性能评价指标，并以低温测试和紫外线辐射测试检测了不同改性沥青的性能。实验结果表明：改良后的高标沥青蠕变劲度最低为18 MPa，最小的蠕变速率为29 mm/年。此外，高标改良沥青的针入度、延度和软化点变化幅度明显低于基质沥青。

关键词 高寒地区；道路结构；低温测试；改良沥青

中图分类号 U416.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）06-0152-03

0 引言

在我国广大的疆域内，高寒地区道路建设面临着严峻的挑战，如极端气候条件、复杂的地质环境、严重的冻土问题等，这些因素对道路建设和维护提出了更高的要求[1]。为此，深入研究高寒地区道路结构性能试验检测及质量优化方法，对于提高我国高寒地区道路建设水平具有重要意义。周家文对青海省共和至玉树高速公路4.4 km试验段路面施工技术进行了优化，提出了土工格室加固级配碎石基层的施工工艺。实验结果表明，该技术能够充分提高道路稳定性，增加了其抗老化程度[2]。蔡相连等人针对高寒地区橡胶沥青的衰减检测问题，提出了一种结合红外光谱和扫描电镜的检测方法。实验结果表明，当混合橡胶沥青的运输时间为17 min以内，此时的沥青温度敏感度最低，最适合施工用料[3]。赵永辉针对高寒高海拔地区公路变形破坏进行了调查，以拉张和剪切为主要方向设计了一种公路损坏防治措施。结果表明，这项措施能够及时起到防止低温和大雨环境下的道路破坏[4]。尽管道路病害预防和检测方法在不断更新，道路结构性能试验检测及质量优化方法方面的问题却依然突出，严重制约了道路工程的质量和效益[5]。因此，该文以318国道西藏境内高海拔段的一条典型高寒道路作为研究对象，进行了项目检测和质量优化，旨在提高高寒地区道路结构性能。

1 项目概况

318国道林芝到巴河段位于西藏自治区东南部，全长约200 km。公路起点位于林芝市境内，终止于巴河镇。该路段平均海拔4 750 m，路基宽度7.5 m，路面宽6 m。通过实地调查可知，该路段改性沥青混凝土5～9 cm，半刚性基层18～20 cm，砂砾垫层15～20 cm。从林芝出发的近80 km路段，即K4159+840～K4162+810段为高山峡谷型地貌，剩余路段，即K4162+810～K4231+860段基本為山间宽谷型地貌。结合西藏自治区气象局调查数据显示，该路段常年受暖湿气流影响，最高气温为30.8 ℃，最低气温为?15.2 ℃，年平均气温为9.2 ℃。年降雨量平均为899.7 mm。该路段的道路平面简化图如图1所示。

由图1可知，该路段紧邻雅叶高速，途经多个乡镇和旅游景点，涉及多个厂区和乡镇的发展。因此研究通过人工调查法对该路段进行了病害调查。调查结果显示，该路段沉陷占比28%，龟裂占比22%，松散占比15%，块状裂缝占比12%，纵向裂缝占比8%。其余路段零散分布车辙、拥包、坑槽、泛油等公路病害。结合以上数据可总结以下问题：首先，由于318以客运旅游为主，因此常年的重载交通反复碾压，使得路面产生了裂缝、变形、车辙等。其次，高寒、高海拔地区受太阳辐射和低温冷冻等自然气候影响，累计数年后使得沥青表面变得硬脆，加速了材料老化。

2 项目测试指标确定

研究尝试通过主成分分析法对其中的最佳公路病害进行定位，针对性地为后续优化设计提供方向。主成分分析法相较于熵值法能够更直观反映每一项指标含量，通过数据排序后更利于路面性能意义的总结和建议。根据《公路技术状况评定标准》选取路面损坏状况（PCI）、路面行驶质量（RQI）、路面车辙深度（RDI）、路面抗滑性（SRI）、路面裂缝以及路面沉陷作为评定指标。此时的路面使用性能指数如式（1）所示。

PQI=wPCI+wRQI+wRDI+wSRI （1）

式中，wPCI、wRQI、wRDI和wSRI——路面损坏状况、路面行驶质量、路面车辙深度以及路面抗滑性的指数。其权重值分别为0.6、0.4、0.3和0.2。经Matlab对K4159+840

～K4231+860路段病害数据进行处理，其关系矩阵如表1所示。

由表1可知，完成对项目路段的病害数据梳理后，直观展示了病害相关性的数据大小。相关数据越大，则说明病害越严重。相较于路面的损坏状况、路面行驶质量以及路面抗滑性而言，路面车辙深度、路面裂缝和路面沉陷的相关性数据反而最高，该数据结果与初始人工调查法所得结果大致相同，仅存在略微差异。究其原因，可能是在高海拔地区的公路施工中，设计偏重于路面的低温性能，而疏忽了车辙处理。特别是作为旅游专线的318三级道路，其平均车流量大且主要为重载客车，因此更容易产生较深的车辙病害。综上所述，研究确定将路面车辙深度、路面裂缝和路面沉陷作为后续测试的主要指标，同时说明了主成分分析法能够契合人工调查法的实际数据，能够为后续的路面优化和路面检测提供一定的理论基础。

3 项目路面材料优化

路面材料在高寒地区的选择至关重要，它直接影响到道路的抗冻性、抗滑性、耐久性等关键性能，对提升交通安全、维护路面品质以及减少维护成本具有重要意义。为了应对高寒地区严峻的气候条件，路面材料必须具备卓越的低温抗裂性和抗滑性能。常规的高标基质沥青有110号、130号和160号，标号越高，其黏度越大，更适用于具有挑战性的道路。同时SBR作为一种沥青混凝土添加剂，具有改善混凝土的性能，延长道路的使用寿命，提高道路性能的特性。研究尝试将SBR分别加入这些高标沥青以探索其性能变化。加入SBR后分别标记为110-SBR、130-SBR和160-SBR。结果表明，这三种改良沥青在25 ℃下，5 s内每100 g的针入度分别为119.4 mm、131.6 mm和164.8 mm。软化点分别为50.2 ℃、49.6 ℃和47.2 ℃。闪点分别为242 ℃、237 ℃和231 ℃。溶解度分别为99.45%、99.37%和99.28%。

4 项目路段试验检测分析

4.1 低温蠕变性能测试

选取318国道林芝到巴河段，从桩号K4159+840～

K4231+860中的任意4 km路段进行试验检测。通过弯曲梁流变仪对6种试验沥青类型（见表2）进行低温蠕变性能测试，以弯曲蠕变劲度和蠕变速率为参考指标来检测各种沥青的低温性能。蠕变劲度越大，则说明沥青脆度越大，路面越容易出现裂缝。蠕变速率越大，则说明道路变形的能力越大，抗变形能力越差，也越有可能发生道路沉陷。

由表2可知，针对同一种沥青，不论是基质沥青还是改良沥青，其蠕变劲度和蠕变速率都随着温度的降低而变大。因此，此时沥青的脆度变大，路面就越容易出现裂缝和沉陷。同一种沥青进行改良后，测试数据明显低于改良前。最低的蠕变劲度值为160-SBR号沥青在0 ℃时的18 MPa，最小的蠕变速率值同样为160-SBR号沥青在0 ℃的29 mm/年。此外，结合对车辙深度的数据检测发现，同一种沥青材料中，随着温度的降低，其车辙检测深度明显减小，导致该现象的原因可能是高温会导致沥青道路的柔软程度增加。当车辆通过时，车轮施加的承载力会使得路面材料变形，从而造成更深的车辙。另外，随着沥青标号的增加，车辙深度也不断减小。加入SBR改良剂后，相较于基质沥青，其车辙深度明显减小，最小的车辙深度值为160-SBR号沥青在?24 ℃时的5 mm。结合以上数据，证明了SBR改良沥青能够加强道路的综合性能，降低路面脆度，增加其抗变形能力。同时，160-SBR号沥青最能够适应高寒环境下的道路施工建设，具有优越的适应力。

4.2 太阳辐射下紫外线对道路结构的影响测试

结合西藏气象局2020—2021年的调查数据显示，全区大部分地区太阳辐射年均达6 000～8 000 MJ/m2。大量的太阳辐射会加速沥青老化，因此研究高寒地区的紫外线輻射对道路结构的影响是十分必要的。研究设置1 200 W/m2的紫外线灯光，在封闭环境下分别浇筑表2中6种沥青的混凝土样本，厚度控制在0.8～1 mm。考虑160号及160-SBR号沥青的高标沥青质地较软，施工过程中用量较少，因此研究仅针对其余4种沥青进行了不同时间段的老化诊断，以针入度、软化点和延度试验为参考指标，测试结果如图2所示。

图2（a）为沥青针入度随时间变化曲线，图2（b）为沥青软化点随时间变化曲线，图2（c）为沥青延度随时间变化曲线。由图2可知，随着紫外线辐射时间的增加，四种沥青的针入度和延度都逐渐降低，而软化点温度逐渐增高。其中，相较于基质沥青，加入SBR改良后的沥青测试值都明显较优。其中110-SBR沥青的针入度变化幅度最大约为20 mm，延度变化幅度最大约为60 cm，软化点变化幅度最大约为15 ℃。130-SBR沥青的针入度变化幅度最大约为10 mm，延度变化幅度最大约为30 cm，软化点变化幅度最大约为8 ℃。对比数据说明，SBR改良后的沥青受太阳辐射的影响变化较小，130标号的沥青较110号沥青综合表现性能更佳，更适合高寒地区的道路施工建设，该研究结果为后续的道路养护和道路延长使用寿命提供了理论基础。

5 结论

该文针对318国道西藏境内的高海拔路段进行了试验检测和质量优化。通过人工调查法收集了该路段的主要道路病害，以主成分分析法建立了路面性能评价指标。另外，针对不同改性沥青进行了低温测试和抗辐射测试。实验结果表明，改良后的高标沥青的蠕变劲度和蠕变速率都明显低于基质沥青，其最低的蠕变劲度和最小的蠕变速率值皆为160-SBR号沥青在0 ℃时的18 MPa和29 mm/年。此外，随太阳辐射的时间延长，130-SBR沥青的针入度变化幅度最大约为10 mm，延度变化幅度最大约为30 cm，软化点变化幅度最大约为8 ℃。该数据相较于基质沥青变化较小更适合西藏高寒地区的道路建设。然而，此次研究虽然分析了路面病害，但未分析沥青对病害的影响，后续研究可补全该部分结论，以增加研究的全面性。

参考文献

[1]魏新晨. 高海拔地区沥青公路常见病害形式及防治措施[J]. 四川建材， 2021（2）： 187-188.

[2]周家文. 高海拔高寒区路面底基层施工技术分析[J]. 黑龙江交通科技， 2021（3）： 8-11.

[3]蔡相连， 王昊宇， 王敏， 等. 高寒地区橡胶沥青混合料施工温度衰减特性[J]. 公路， 2023（4）： 52-58.

[4]赵永辉. 高海拔深厚覆盖层库区公路变形破坏特征及防治措施研究[J]. 公路， 2021（5）： 12-17.

[5]肖骁. 高海拔山区公路水泥乳化沥青碎石基层施工技术研究[J]. 石油化工建设， 2022（7）： 157-159.