浅谈防腐路面蠕变的特征

张俊杰

摘 要 沥青混合料是一种比较典型的黏、弹、塑性综合体，在道路建设中得到广泛的应用，在我国，干线公路的沥青路面铺装率高达百分之九十以上。沥青路面由于受到荷载重复作用以及雨水气候因素的综合作用，导致沥青路面发生影响路面的低温缩裂、高温车辙、疲劳损坏以及腐蚀等病害的出现。如何提高沥青路面的高温稳定性、低温抗裂性、抗剪切性、抗疲劳损坏性，防止沥青路面腐蚀，提高沥青路面服务水平与使用寿命，是我国目前交通量日益繁重、车载增加、交通渠化的条件下沥青混合料选择以及沥青路面结构设计必须解决的难题。本文通过在荷载作用下改性沥青混合料与普通蠕变性能试验的研究，对防腐沥青路面蠕变性能进一步系统、深入地了解。

关键词 沥青混合料 防腐路面 蠕变特征

中图分类号：U416.22 文献标识码：A

国内对沥青混合料的研究，通过近几十年的努力取得了大量的研究成果，对社会的发展以及公众的生活方式和质量产生重大而深远的影响。随着公路交通量与车辆荷载的不断增大，对沥青路面的质量等级与服务水平要求越来越高，也是对沥青混合料组成成分与结构设计提出了更高的要求。

1沥青混合料的强度与稳定性

沥青混合料是一种成分与结构复杂的材料。因为这种材料的各种不同特点的概念，都与结构概念联系在一起。影响其特点有：矿质混合料物颗粒的相互位置、大小以及粒径的分布、沥青的特征、颗粒上沥青层性质、空隙量分布、空隙量比值等。“沥青混合料结构”是一种沥青混合料的单一结构和相互联系结构的组成。其中包括：沥青结构、矿物骨架结构及沥青-矿粉分散系统结构等。其中每种单一结构与相互联系结构，对于沥青混合料的性质密切相关。沥青混合料蠕变性能是评价沥青路面的重要指标之一，沥青路面蠕变寿命及流动变形是沥青混合料蠕变性能的重要因素。近年来，随着国内经济快速发展和沥青公路工程大的量建设与使用，沥青混合料蠕变性能的试验研究也取得一定的成果。

（1）在温度和外荷载作用下，沥青混合料应变随着时间的变化而变化的现象称为蠕变。其中，在荷载作用下，沥青混合料的蠕变分为三个阶段：第一阶段：蠕变减速阶段或过渡阶段。沥青混合料应变速率随时间减小，持续时间短；第二阶段：恒定蠕变阶段。沥青混合料应变速率最小；第三阶段：加速蠕变阶段：是断裂来临之前的最后一个阶段。其中，蠕变曲线斜率k为沥青混合料的蠕变速率，k值越大，沥青路面抗变形能力越差，荷载作用下变形也就越快。一般认为，蠕变是沥青混合料黏弹性力学响应行为的表现形式.研究表明，蠕变曲线第2阶段的斜率k（稳态蠕变速率）可以反映材料的蠕变性能和变形特性。因此，沥青混合料稳态蠕变速率可以反映其抗车辙性能.k值的大小除了与温度和应力水平有关，还与沥青混合料的特性有关。

（2）目前，关于沥青混合料蠕变机理研究有两种不同结论：一是蠕变速率随着沥青混合料颗粒尺寸的增大而减小；二是蠕变速率随着沥青混合料颗粒尺寸的增大先升后降。沥青混合料是一种组成成分与结构多样的粘弹性混合料，颗粒的形状、大小、表面结构复杂多样，对沥青混合料蠕变速率的影响很大。高温度条件下，矿质混合料界面的沥青结合料表现为黏滞性，在矿质混合料界面的切应力作用下，矿质混合料骨料之间发生蠕动，沥青路面发生变形。因此，矿质混合料级配越小，界面越大，矿质混合料滑动对沥青路面变形也就越大。在沥青种类及用量相同情况下，细矿质混合料的蠕变速率一般较大。还有，矿质混合料越细，蠕变扩散的概率也越大，从而导致沥青混合料的抗车辙性能和高温稳定性能也越差。当矿质混合料尺寸足够大时，矿质混合料界面的矿料滑动、蠕变扩散、路面变形会很小，蠕变速率不再随矿质混合料尺寸变化，其沥青混合料抗车撤性能和高温稳定性能也会越好。

2沥青路面的破坏形态

沥青路面在温度骤降或温差较大地区，沥青路面会由于温度应力的作用而产生裂缝，水通过裂缝渗入沥青路面内部，引起沥青与矿料界面的侵蚀与剥离，常常导致沥青路面发生松散破坏。我国北方气温较低，容易发生沥青路面低温缩裂，沥青路面的质量等级与使用寿命严重下降，导致沥青路面低温缩裂的因素除了与沥青本身的性质有关外，还与沥青混合料的组成成分、结构形式、公路厚度、公路交通量、气候条件等因素也有关。因此，研究沥青路面低温抗裂性能对提高沥青路面使用质量具有重要意义。沥青混合料的低温开裂问题长期以来受到国内外道路工作者的重视，对这一问题做了不同层面的研究，形成了许多试验方法：等应变加载的破坏试验、直接拉伸试验、弯曲拉伸蠕变试验、受限试件温度应力试验、三点弯曲J积分试验、C积分试验、收缩系数试验、应力松弛试验等。其中，低温弯曲蠕变试验与小梁弯曲试验是国内研究沥青混合料低温抗裂性能工作者使用较为普遍的试验方法。

2.1 沥青混合料低温下路面的破坏

沥青路面的低温开裂一般从两种力学行为分析。一种力学行为是细观力学行为，其沥青混合料是由孔隙系、沥青基质系、骨料分散系三系组成的。另一种力学行为是宏观力学行为，宏观破坏行为是细观行为上导致损伤累积的表现。从损伤力学角度看，沥青混合料在荷载重复作用下的低温开裂是一个不断变化以及过程复杂的行为，主要表现为软化、承载力降低、断裂等力学行为。沥青路面开裂的主要原因：

（1）周期性寒冷气温变化所产生的温度应力，且该温度应力超过沥青混料抗拉强度的极限值时，沥青混凝土就会发生裂缝，此裂缝一般发生在路面表面，然后逐渐向下发展。

（2）沥青混合料经过长期温度循环作用下，温度应力小于抗拉强度，从而导致温度疲劳开裂，导致沥青路面出现大量的横向裂缝，横向裂缝的产生也可能是路基的冷冻及收缩产生的结果。

沥青路面一般是纵向收缩，沥青路面低温缩裂一般是横向开裂，沥青路面裂缝的间距平均在6～10m之间，在车轮荷载、温度变化循环、路面反复疲劳作用下，会加剧路面裂缝的发展，降低公路服务水平和质量，给工程建设造成较大的经济损失。

2.2 沥青混合料高温下路面的破坏

沥青混合料的高温稳定性是指在高温条件下沥青混合料（粘弹性材料）受重复荷载作用产生一定的塑性流动变形。在车轮荷载作用下，沥青路面永久变形主要在气温30℃左右，即路面表面温度达到40℃以上，大于沥青混合料软化点温度，且随着温度的增高和行车荷载的增大，沥青路面变形也增大，从而易于导致其它病害，影响行车的安全性与舒适性。有必要研究沥青混合料的高温稳定性，改善沥青路面结构性能，提高沥青路面使用寿命，从而降低沥青路面建设及养护成本。

3沥青路面的耐久性

近年来，随着我国高等级沥青公路的大量修建，沥青混合料的疲劳性能在公路建设中占据越来越重要的地位。

（1）本章根据国内已有沥青混合料疲劳研究，结合适用于中国实际情况的试验方法，对改性沥青混合料和普通沥青混合料试件进行疲劳破坏试验，进一步了解沥青混合料防腐路面的疲劳特性。目前，国内外疲劳试验研究分为3种类型：

①实际路面在实际行车荷载作用下的疲劳性能；

②用实际路面结构模拟行车荷载作用下的疲劳性能；

③材料试件的室内疲劳试验。

前2类方法虽然能够较好地反映实际路面的疲劳性能，但试验周期长、资金耗费巨大，且试验结果受环境和路面结构影响较大。因此，我国对于沥青路面疲劳性能的研究，使用最多的是材料试件的室内疲劳试验。本试验采用室内材料试件的疲劳试验。我国沥青路面形式大部分以半刚性沥青路面为主。半刚性沥青路面疲劳破坏由面层和基层两种疲劳破坏形式组成，先是在基层出现疲劳破坏，破坏处上的面层底部出现集中应力，面层逐渐承受较大的弯拉应力作用，最终导致路面面层出现疲劳破坏。沥青混凝土的疲劳寿命直接影响沥青路面的使用寿命及使用性能，是决定沥青混凝土路面工程寿命周期成本的关键因素。改性沥青是改善沥青混合料性能常用的主要措施，了解改性沥青混合料抗疲劳性，便用于相关工程中参考应用。

（2）疲劳破坏是路面结构在应力或应变低于混合料强度极限时，荷载的重复作用导致路面开裂的一种破坏现象。根据实际情况，我国沥青路面形式大部分以半刚性沥青路面为主。在沥青路面的早期病害中，路面裂缝较为明显，如果处理不及时，路面上积存的雨水和泥浆以及其它有害物质会通过裂缝进入到基层中，再加上车轮的循环荷载，路面将产生唧浆、坑槽、断裂等破坏，严重影响路面上行驶车辆的的平顺性与安全性。因此，要及时维修路面早期的裂缝阻止继续扩展，对路面破坏及行车安全起到很好的保护作用。青路面疲劳开裂的研究方法主要分为3类：现象学分析法、力学分析法和能量分析法。

①现象学分析法是疲劳试验中沥青混合料出现疲劳破坏的重复应力值称为沥青混合料疲劳强度，对应的重复应力作用次数称沥青混合料疲劳寿命。且进行疲劳试验时，采用应变控制和应力控制两种不同的加载模式。

②力学分析法是一种预测并假定沥青混合料疲劳寿命的方法，它主要根据路面断裂力学原理推理路面疲劳裂缝的形成与演变规律，一般假设开裂过程分为3个阶段：裂缝初始生成；裂缝的稳定成长；裂缝的不稳定发展。其中以第二阶段裂缝的稳定成长为疲劳寿命的主要部分。

③能量分析法是根据粘弹性沥青混合料的综合模量与力学性质判断沥青混合料的疲劳特性，其综合模量包括恒定模量（弹性）和损耗模量（粘性），力学性质取决于荷载作用的时间和温度，沥青混合料的疲劳强度主要由损耗能量和应力应变循环荷载过程中的能耗组成。该方法的主要特点是试验中总能耗与循环荷载重复作用次数之间存在一定关系。

4结语

在高速发展的当代社会，交通变得相当发达对路面提出了更高的要求。提高沥青路面服务水平与使用寿命，在目前交通量日益繁重、车载增加、交通渠化的条件下沥青混合料的选择以及沥青路面结构的设计必须找到解决的办法。如果解决了这个难题，将节省土建路面施工工程中耗费的大量材料，在未来的道桥路面的应用中必定会起到突破性的作用。大交通量的沥青路面除采用沥青混凝土作面层外，有些主张采用密实的沥青面层等，对延长疲劳寿命和简化施工工艺都起到了一定的作用。所以研究防腐路面的蠕变情况对土木工程有着重要的意义

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