基于流变学分析沥青路面病害

雷鸣

摘 要：利用流变学原理对沥青及沥青混合料的路用性能进行评价，对道路的力学行为有了更深刻的了解，同时采用流变学对路面病害（例如车辙、泛油等）机理进行分析，使流变学原理在路面性能方面发挥更大的作用。

关键词：流变学；力学行为；路用性能；路面病害

材料流变学是一门研究材料流动及变形规律的科学，是根据应力、应变和时间来研究物质的流动和变形的构成与发展的一般规律的科学。流变学研究的流体，可分为牛顿型流体和非牛顿型流体，所谓流变性实质是固-液两相同存，是一种粘弹性的表现。沥青也是一种高分子化合物，具有粘性和弹性，属于非牛顿型流体，其流变特性与沥青的针入度、延度、粘度及路面的性能等都有很大的关系。

沥青流变性与沥青的路用性能有直接关系，在一定的温度、时间和车辆荷载的作用下，沥青路面会由于剪应力作用而发生剪切变形，累积到一定程度便会发生剪切破坏。从流变学角度讲，沥青的变形与温度、荷重、时间密切相关，研究沥青的流变性就是要研究沥青的变形量对温度、荷重和时间敏感性。流变学已经成为评价沥青性能的有效工具。

1 利用流变学分析路面损坏机理

1.1 路面变形

根据流变学原理，荷载对路面变形的影响由两部分构成：首先，载荷愈大，沥青路面的蠕变速率及蠕变量就更大，不可回复的蠕变量更大，即形成更大的永久变形。其次，载荷应力降低了沥青路面本身抵抗变形的能力，使变形更容易产生或更大。可以从以下几个方面了解载荷的影响。

1.1 荷载大小

1.1.1 蠕变变形：在载荷应力大于沥青混合料的蠕变变形（极限）强度时，沥青路面将产生不可回复的永久变形。沥青混合料的蠕变强度愈低，载荷应力愈大，愈容易形成蠕变变形。

1.1.2 “剪切变稀”和“应变软化”：沥青粘度将随荷载应力增大而呈指数关系降低，因而变形量将随载荷应力增大而呈指数倍数关系增大（倍数可能从几倍到几百倍）。也就是说，载荷增加一倍，因沥青粘度降低引起的路面变形可能会增加几十倍。

1.1.3 “滞后耗散能加热”：沥青因粘弹性滞后耗散能而产生“滞后加热”现象，造成温度升高，粘度降低，变形量增大。滞后产生的热量与应力是平行关系。也就是说，载荷增加一倍，路面变形会因“滞后加热”成倍增加。

一般来讲，路面的严重车辙变形都是在高温天气及重型荷载作用下，沥青因巨大的“剪切变稀”及“滞后加热”而落入第二牛顿区所致。所以，应禁止超载行车，尤其是高温季节。

1.2 荷载频率（交通流量）

根据流变学原理，行车频率与荷载一样，“滞后特性”耗散能将造成沥青路面温度升高，因此，路面抵抗变形的能力随交通量增加而降低。此外，交通量增加也将加速蠕变疲劳，降低路面的寿命。

1.3 荷载时间（行车速度）

行车速度愈慢，蠕变时间则愈长，更容易形成不可回复的蠕变变形。国外的路面破坏不如我国严重，这可能也是一个不可忽视的原因，因为国外的载重卡车在高速公路上的行车速度和商用轿车差不多。在高速公路上规定最低行车速度看来也是必要的，一则有利于保护路面，二则也能降低车辆间的相对速度，有利于行车安全。

因此，根据流变学理论，提高沥青混合料抗变形能力只有通过提高材料学参数粘度、模量和蠕变强度来实现。而实现这一思想的材料与工艺技术手段主要包括：

（1）集料堆砌嵌挤的级配（如SMA等）：增大混合料模量。

（2）沥青改性（改性或高粘度沥青等）：增大混合料粘度。

（3）掺加纤维（如木质纤维）：增大混合料粘度和蠕变强度。

1.4 路面裂纹

沥青路面裂纹一般在低温或气温急剧降低时产生，其形成与载荷大小没什么关系，这类裂纹称为温度应力裂纹。另一类是路基裂纹引起的路面反射裂纹，这也是一种载荷应力裂纹，只不过这里的载荷不是车辆而是路基，这两类裂纹都说明，需要提高沥青混合料的抗裂能力。

在路面裂纹方面，一种办法是采用了不产生裂纹的柔性路面，或者加铺应力吸收层，这样虽然可以起到一定的作用，但还是没有根本解决这一问题，因为柔性路基对温度收缩裂纹没有太大作用。另一个办法是增加面层厚度来延迟反射裂缝的扩展，但随着时间的推移，温度收缩裂缝还是会发生。

因此，惟有提高沥青混合料抗裂能力，“增强”和“增韧”沥青混合料才能根本上解决裂纹问题。纤维复合材料法是解决裂纹问题的有效的材料科学方案。

1.5 车辙问题

车辙（永久变形）是指沥青路面在重复轮载作用下产生的累积塑性变形。车辙可能发生在地基、无结合料基层或沥青面层。在美国，车辙主要发生在沥青面层，主要是由于沥青路面在轮载作用下发生固结和剪切变形所致。剪切变形一般发生在距沥青路面表面100mm以内，但如果沥青混合料的性能较差，车辙也有可能发展到更深的位置。车辙通常随轮载作用的增加而增大，典型表现为沥青路面轮迹处纵向凹陷，有时还伴有向轮迹两侧隆起的现象。虽然软弱的下承层也很可能促使车辙的形成，但大量的研究发现，绝大部分路面车辙还是由于热拌沥青混合料面层的永久变形形成的。这除了与沥青混合料本身的性质有关外，还与交通量、行车的轮胎压力和轴载有较大关系。在评价沥青结合料高温性能方面比较有影响的主要有Superpave规范中的|G*|/sinδ指标、SV指标以及利用与沥青流变学关系密切的G*和δ通过试验和推算产生的新指标等。

1.6 泛油问题

沥青从沥青混凝土层的内部和下部向上移动，使表面有过多沥青，这种现象称作泛油，也称沥青迁移。沥青路面泛油是国内外沥青路面的常见问题，特别是重载高速公路改性沥青路面。国外有人将沥青路面泛油归结于沥青污染，还有的认为是骨料离析、热拌沥青时石料含水分或施工机械的原因；国内也有多种看法，如高温、沥青用量过大、沥青混合料空隙率过小及行车压实综合作用所致，或者沥青混合料空隙率过大、高速行车引起的动水压力和荷载的综合作用使沥青面层内部的沥青发生剥落并向上迁移。从流变学的角度分析认为是沥青粘弹性本质的“爬杆”现象导致沥青在重载车辆高速剪切作用下从沥青路面下部迁移到路表面，从而产生泛油。

2 结束语

通过对沥青及沥青混合料流变性的分析，对沥青及沥青混合料路用性能进行评价。并且从流变学的角度出发，对路面的各种病害进行了分析，使我们对路面病害有了更深刻的认识，从而可以对路面病害提出更好的改善措施。但路面的各种病害机理影响因素较多，而且深层关系复杂，这些更深层次的研究有待进一步的研究。

参考文献

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