温度和老化对沥青路面路用性能的影响及改善措施

长安大学 公路学院 陈亚东 赵文博

温度和老化对沥青路面路用性能的影响及改善措施

长安大学 公路学院 陈亚东 赵文博

气候对沥青路面的影响至关重要，尤其在南方某些地方，夏季炎热，极易出现车辙；而在东北地区，由于冬季寒冷，易出现低温开裂，严重影响车辆行驶的安全性和运营效果。另外，路面老化问题也是目前高等级公路的一个突出问题，有必要进行深入研究。本文，笔者通过分析温度、老化等因素对公路的影响，提出一些改善或提高高等级沥青路面路用性能的措施，如路面应用改性沥青等新材料及合理配置路面结构等。

一、温度对高等级沥青路面路用安全的影响

1. 高温车辙。车辙是沥青路面在汽车荷载反复作用下产生竖直方向永久变形的积累，是由路基、基层和面层3部分的永久变形组成的。目前,我国高等级公路广泛采用的是半刚性基层，这就使路基、基层产生的永久变形占车辙总量的比例明显减小。车辙的形成过程可以简单地分为以下3个阶段。

（1）开始阶段的压密过程。沥青混合料在被碾压成型前是由矿料、沥青及空气组成的松散混合物，经碾压后，高温下处于半流动状态的沥青及沥青与矿粉组成的砂胶被挤进矿料间隙中。当汽车荷载作用时，此密实过程还会进一步发展。

（2）沥青混合料的流动。高温下的沥青混合料处于以黏性为主的半固体，在轮胎荷载作用下，沥青及沥青胶浆产生流动，从而使混合料的网络骨架结构失稳。这部分半固态物质除部分填充混合料空隙外，还将随沥青混合料自由流动，从而使路面受载处被压缩而变形。

（3）矿质骨料的重排及矿质骨架的破坏。高温下处于半固态的沥青混合料，由于沥青及胶浆在荷载作用下产生流动，混合料中粗、细集料组成的骨架逐渐成为荷载并沿矿料接触面滑动，促使沥青及胶浆向富集区流动，以至流向混合料自由面。特别是当个别集料间沥青及胶浆过多时，这一过程会更加明显。

2. 低温缩裂。沥青路面的开裂是路面的主要病害之一，也是道路界普遍关心的问题。沥青路面的裂缝成因十分复杂，根据《沥青路面损坏鉴别手册》，可将裂缝分为龟裂、块裂、单根裂缝及边缘裂缝（啃边），单根裂缝又可分为横向裂缝、纵向裂缝、水泥板接缝的反射缝等。其中，横向裂缝主要是沥青路面的温度收缩裂缝（简称温缩裂缝）；但在温差较大的地区，温缩裂缝是其主要病害之一。

二、沥青路面的老化

沥青路面的老化主要是由于沥青老化引起的。沥青老化是指沥青从炼油厂被炼制出来后，在储存、运输、施工及使用过程中由于长时间暴露在空气中，在环境因素如受热、氧气、阳光和水的作用下，发生一系列的挥发、氧化、聚合，甚至沥青内部结构发生变化，同时性质发生变化，导致路用性能劣化的过程。沥青老化过程的实质是沥青中各组分化合物化学结构的变化，导致沥青质与软沥青质溶度参数差值增大，因而相容性降低，最终表现为沥青路用性能降低，由轻质油分的挥发、沥青的氧化分解及硬化所致。氧化及硬化是引起路面使用期过早老化的主要原因。沥青路面老化的影响因素主要有沥青混合料的热老化、沥青混合料的水老化、沥青混合料的光老化、荷载作用下的疲劳破坏等。

三、改善高等级沥青路面路用性能的措施

1. 采用改性沥青。目前用于沥青改性的材料主要有热塑性弹性体（SBS、SEBS）、橡胶（SBR、CR）、热塑性树脂（APP、PE、 EVA）等，对这方面的研究已有很多，并取得了较好的改性效果。但是，这些材料的改性都明显增加改性沥青的成本。采用废橡胶粉改性沥青，不但可以改善沥青的高低温性，减少沥青路面的龟裂和老化，提高车辆的行驶安全性和路面使用寿命，而且不增加改性沥青的成本，同时也为废旧橡胶的回收利用、保护环境做出贡献。

2.合理设置路面结构层。在沥青路面结构中，基层处于面层与垫层中间，承上启下，其结构特性至关重要。在旧路加铺工程中，其在水泥混凝土路面加铺沥青罩面，投入使用一段时间后，罩面层便会出现裂缝，这是在行车荷载作用下，混凝土路面的裂缝向上延伸形成反射裂缝。据观察，有些新建的沥青混凝土路面在使用初期也会产生裂缝，且裂缝大多呈倒V形，有时仅发生在面层结构内，有时贯穿面层和基层，有时贯穿面层基层和垫层。下面，笔者仅以基层结构厚度和模量两个影响因素为研究对象，分析基层结构特性对沥青混凝土路面裂缝产生的影响。

（1）基层厚度的影响。由于面层底部拉应力值较大，这时，随着车辆荷载尤其是超重轴载的反复作用，面层底部将首先开裂，并向上延伸。单纯从控制面层底部拉应力的角度出发，基层厚度越大越好。基层厚度对基层底部的拉应力值影响效果较为复杂。当基层厚度较小时(＜15 cm)，基层底部的拉应力值产生较大幅度的增加，此时面层底部拉应力值并不大，在该种应力作用下，很可能首先在基层底部产生开裂，并向上延伸。随着基层厚度的逐渐增加，无论是面层底部还是基层底部，其拉应力都开始大幅度降低。

（2）基层模量的影响。基层模量是基层结构特性中较为重要的一个特性，其变化势必影响道路各结构层的受力。如基层材料的模量偏小，则面层底部的拉应力值较大，在车辆荷载反复作用下，会产生面层开裂。同样，由于基层材料模量较小，在垫层底部的拉应力值也将增大，加之垫层材料本身抗拉强度不足，会产生垫层底部首先开裂并向上延伸。单纯考虑基层模量对面层底部和垫层底部的拉应力效果，应是基层模量越大效果越好。但是基层底部的拉应力值会随着基层模量的增加而大幅度增加，如，基层模量过大，会在基层底部产生过大的拉应力，进而基层首先产生开裂并向上延伸。

四、结论

高温车辙低温裂缝对高等级公路的路用性能有重要影响，而路面老化降低道路服务水平。为此，通过改性沥青等新材料的应用，以及路面结构层（基层）的合理设计，可以有效改善道路使用性能。在沥青混凝土道路的基层结构设计尤其是厚度和模量确定时，必须综合分析道路结构各层次的受力情况，从中得出合理的结构特性。本文，笔者的分析结果是在简化模型的基础上得到的，仅供道路结构层设计参考。