沥青路面结构耐久性分析

2023-02-03＊邹宇

当代化工研究 2023年22期

＊邹宇

（青海省交通检测有限公司青海 810000）

在高速公路路面结构中，沥青路面因其通畅、方便、抗震、噪音和维修快捷而被广泛使用。沥青路面在环境因素的影响下，会对沥青路面的通行状况产生不利影响。沥青路面必须能够承受温度、太阳、空气、水和其他因素的综合影响，当沥青路面遇到恶劣的自然环境因素影响时，会使沥青路面失去黏度和脆性增加，混合料的黏度在移动荷载等因素的作用下消失，甚至会使沥青与矿物骨料分离，导致路面松散和损坏。因此，沥青路面必须具有足够的承载力，结构的耐久性等，才能增加路面的行车舒适度、减少运营养护的成本等。

沥青路面的寿命取决于沥青的质量、矿料的级配、施工条件等。沥青混合物的耐久性在各种因素相互作用下的抗老化能力、耐水性及反复暴露在车辆负载和温度变化下的抗疲劳性能。

1.沥青路面耐久性影响因素

(1)影响沥青路面耐久性的内部因素

材料是影响路面性能的重要因素。沥青路面由沥青、骨料、矿物粉和其他添加剂按一定比例混合而成。材料质量不理想，不符合要求，沥青混合料质量不能满足。沥青混合物的性质、填料的质量和粘合剂的粘合效果对混合料的质量有很大的影响。

①沥青质量。沥青是一种复杂的黑色棕色混合物，由各种分子碳氢化合物及其非金属衍生物、液体、半固态或固体有机凝胶组成，可提供防潮和防腐保护。沥青的质量直接影响沥青路面的质量。全球变暖，道路交通条件越来越苛刻，一般沥青材料的质量已无法满足对较重型沥青结构的需求，主要是对造成大规模路面结构破坏的原因进行研究和分析。根据施工要求选择沥青品种，以及针入度、延度、软化点三大指标。道路的沥青要求是夏季不要软化，冬季不脆，以抵御水，冰，盐和交通的侵蚀[1]。由于石油和沥青的内部质量过程中含有大量石蜡，对温度敏感，大多数沥青的表面结构强度往往比以前低得多。沥青黏度低，强度低，轨距阻力弱；沥青中石蜡含量高，有横向裂纹；热敏高温沥青涂层易于撕裂。

②矿料质量。材料是建筑材料的基础，严格的原材料质量控制，在保证沥青路面质量方面起着特殊的作用。生产方在采购材料时，必须按照要求提交出厂报告和试验室抽检报告，以便严格控制材料质量。

③混合料配合比。与设计结果相比，沥青混合物对路面质量、材料消耗和施工成本有显著影响。这是一项非常重要的技术工作。混合物的设计侧重于沥青混凝土的高低温稳定性、耐久性。目前，高等级公路上沥青混合物的组成通常是通过配合比的设计，来确定矿料组成和沥青使用情况，从而确保混合物的良好特性。在马歇尔试验中，为了确定沥青混合物之间的对应关系，还应利用所取得的经验来确定沥青含量的最佳用量，以便更好地排除对人为和其他有关环境因素、作业等的影响。沥青混合料配合比一般分为目标配合比、生产配合比、施工配合比，通过三阶段验证，进一步控制施工精度和混合设备组合性能，使混合料生产施工符合规范要求，使沥青混合料生产配合比更合理。沥青混合料的优良比例必须仔细设计，以获得可靠的协调程度[2]。

(2)施工质量

①严把原材料质量关。材料是建筑材料的基础，严格的原材料质量，在保证沥青路面质量方面起着特殊的作用。沥青混凝土主要由沥青、骨料和矿粉组成。沥青是沥青混凝土中的一种粘结材料，可将其它材料粘结紧密。骨料和矿物骨料占沥青混凝土总质量的95%，更重要的是，带有骨架和填料的沥青混凝土取决于骨架的形成，因此骨架在混凝土的整体强度和刚度中起着重要作用。根据施工要求选择沥青品种，以及针入度、延度、软化点三大指标。生产商在采购材料时，必须按照要求提交出厂质量报告，进行现场抽查，以便严格控制进场材料质量。在加热过程中必须进行温度控制，沥青的加热温度因沥青标号而异，当需要沥青隔热时，应及时打开沥青循环泵，使加热温度一致，防止沥青老化。沥青路面应选择良好的集料及填料，材料应满足耐磨性、强度、无杂质、无风化、稳定等要求。

②做好施工准备阶段的控制。在道路建设中，首先要审查施工组织计划，包括组织、混合和工厂布局、施工质量管理体系、施工机制材料组织、施工进度表、施工程序、环境响应等。安全措施、质量控制体系的组成、仪表设备及测试和评价方法。同时检查现场机械设备及后场沥青拌和设备是否满足施工需要。

2.影响沥青路面耐久性的外部因素

（1）温度变化。高温对沥青耐久性的影响是由于热能加速沥青分子的运动，由于施工加热，导致沥青中的轻油蒸发，并有助于加速沥青的化学反应。这导致沥青技术性能下降，沥青质量严重恶化。温度波动与沥青混合物的电阻和强度成反比。当温度升高时，沥青的黏度降低，矿物材料之间的黏度降低，强度降低。当车辆多次荷载时会加速路面的变形。如果沥青混合料的高温稳定性不太稳定，路面会出现较大的剪切变形，导致路面破坏[3]。

沥青路面的强度因温度而异。当路面温度急剧冷却时，会产生温度梯度，当温度降低时，会产生路面收缩和拉伸应力。机械角度分析，此时沥青混凝土表面裂纹的原因强度小于拉伸应力。沥青路面的损坏通常始于路面裂缝，由于低温循环，裂缝可能会膨胀，然后裂缝中的水渗入路面结构，逐渐导致路面状况恶化，最终导致路面性能显著下降。

通过适当增加厚度，可以减少部分裂纹的发生，使用温度敏感度低、稠度低的沥青，减少部分裂纹的发生。

（2）疲劳破坏。疲劳是指沥青混合物在多次荷载下抵抗断裂的能力。目前主要通过传统理论疲劳法、材料疲劳特性两种方法研究沥青路面疲劳特性。另一类是机械近似法，即利用破坏力学原理研究疲劳裂纹发展规律的方法，以确定材料的耐久性。从疲劳的角度来看，沥青混合物的强度模量是材料的一个重要特征。

（3）水损害。沥青和矿物材料之间的粘结在潮湿条件下会减弱，在荷载和水的共同作用下，这种损害会显著增加，水会导致沥青路面的脱落、脱脂和局部结构破坏。城市道路的定期浇水加速了这种破坏。

（4）沥青老化。在沥青路面的生产和使用过程中，由于沥青轻质部分挥发，在空气中氧气、光和热的作用下，沥青的硬度随着时间的推移而变化和增强，从而导致沥青在沥青上的性质发生变化，称为老化。

3.沥青路面耐久性能改善措施

(1)沥青混合料的改性

沥青混合物可以在化学上或物理上进行改性。添加剂的使用分为化学改性工艺、塑料格栅、土工布等。为了加强路面的机械性能，技术措施被归类为物理改造类别。

①物理改性。土工复合材料是一种新型路面工程材料。它由人造合成聚合物如塑料、化学纤维、合成橡胶等原料组成，由土壤内部、表面或不同土壤层之间的各种产品制成，起到加固或保护路面的作用。土工复合材料可分为土工薄膜、特殊土工复合材料和土工复合材料等类型。

玻璃纤维格栅选择优质增强型无碱性玻璃纤维纱，玻璃纤维格栅采用先进的精加工电路，莲花织物采用子午线取向设计，玻璃纤维格栅充分利用织物中纱线的强度，提高其机械性能，为了具有良好的抗拉强度和抗蠕变强度，并经过优质改性沥青涂层，以相容性原则为基础，强调其与绿色添加剂的结合性能，以及对玻璃纤维基底的全面保护，显著提高了基材的耐磨性和抗剪切性，从而可用于加固路面提高抗裂性，消除沥青路面的困难问题。

②化学改性。通过化学反应改变聚合物物理和化学性质的方法称为化学改性。沥青材料中掺杂聚合物、树脂、橡胶、细橡胶粉或其他填料（改性剂），或采取轻度沥青氧化措施等称为沥青改性的措施，以提高沥青或沥青混合物的性能，提高沥青路面的质量。改性沥青可改变沥青的化学成分，将改性剂均匀分布在沥青上，形成一定的空间网[4]。

目前，最广泛研究和应用的措施是在沥青材料中添加聚合物改性添加剂，以提高混合物的机械性能。在沥青中加入聚合物改性添加剂将大大提高改性沥青的黏度，因为聚合物的黏度比沥青高得多，因此沥青混合物具有更高的流动性变形稳定性。以提高温度稳定性为主要目标，并获得高黏度和耐久性，这是目前国外对改性沥青的研究和应用，但改性沥青不是通用的，由于采用聚合物改性沥青获得高温和流动稳定性，其黏度增加，低温柔性降低。整体热稳定性的改善比低温性能的改善更容易实现。

关于沥青的光氧化和热氧化老化机制，使用抗氧化剂、淬火剂和光屏蔽对混合物进行改性。根据分子吸附理论，当沥青与酸性石材接触时，分子之间的相互作用力是物理吸附，而不是化学吸附，这种分子吸附是可逆的，这种物理吸附产生的耦合力要弱得多。目前，沥青与石材的吸附效果得到了提高，如果通过测定石材的酸碱度，采用防腐剂，加入沥青极性组分，提高了它们之间的粘附强度。

(2)优化混合料的配合比设计

通过研究骨架形成规律及骨架形成条件下细材料填充特性，研究骨架密度与骨架密度的估计方法，分析基本孔径参数和油对马歇尔规律性指标的影响，从而实现最佳混合比设计，根据《道路沥青路面施工技术手册》的技术要求，对级联选择和山石比例进行合理优化，在此基础上进行了符合性设计、检验和工程检验。最终设计施工可行性、成本控制、沥青混合性能，适当选择沥青品种改善沥青路面[5]。

(3)其它工艺

①热沥青处理法。在有机溶剂小规模维修过程中，越来越多地采用热沥青处理方法，其中包括清洁的维修表面，该操作是第一次浇灌热沥青（0.4～0.6kg/m2），等待路面维修，然后将热沥青混合密封托盘。然而，这种方法不能保证一层与一层的粘附，因为用于粘合剂层的沥青在修复表面和混合物之间的粘附强度非常低，以防裂缝弱和表面湿润不均匀。沥青在浇注粘性层前，与少量粘性溶剂混合，能很好地湿润旧沥青道路上的细裂缝和表面不规则，这是混合有机溶剂的新方法。该方法在一定程度上消除了老化对表面粘附的负面影响，促进了沥青局部再生，并获得更高的经济回报[6]。

②掺入水溶性微剂。对于湿表面处理，国外出现了水溶性微剂作为粘合剂的方法，其中包括：水的水分净化和含有加速器和增塑剂的水溶性微剂的处理，以及热沥青的混合和密封涂层。水溶性微剂包括：脉醛树脂、三聚氰胺甲醛树脂、三聚氰胺脉树脂和酚醛树脂。

③沥青道路基层封闭快速施工。随着我国公路建设步伐不断加快，沥青混凝土路面成为主流，沥青混凝土层刚度低，承载能力弱，必须建立基层作为半硬沥青路面的主要承载层。

半刚性基座（Semi-Rigid Type Base）是指可以用无机化合物建造的基座，以稳定板体并具有一定的弯曲强度。半刚性基层是铺设在无机结合料稳定土上的抗弯强度稳定的基层，为板状。

因此，基层施工控制体系尤为重要。半刚性基层具有一定的强度、刚度和稳定性，具有良好的水稳定性和抗冻性。但是，它能提供多种稳定材料，选择范围广，路面弹性变形小，使用寿命长，承载能力强。半刚性沥青路面以其优良的节能性能和明显的社会效益，越来越受到人们的重视。稳定类基层作为一种新型的层状结构，在广泛应用的基础上，应重视施工质量控制。