淺談季凍區(qū)瀝青路面抗凍融性能研究發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

徐 亮,于建民

(1.黑龍江省交通科學(xué)研究所;2.黑龍江省龍建路橋第二工程有限公司)

季凍區(qū)主要指年平均氣溫較低,凍結(jié)期較長(zhǎng),凍融作用對(duì)建筑工程的影響較嚴(yán)重的區(qū)域,在我國(guó)分布面積較大,遍及長(zhǎng)江以北 10余省市,約占國(guó)土總面積的 50%以上,其中我國(guó)的東北、華北和西北等三北地區(qū)屬于重冰凍地區(qū)。季凍區(qū)惡劣的氣候條件給公路建設(shè)帶來(lái)了巨大困難,其中持續(xù)低溫、大溫差、劇烈凍融等條件嚴(yán)重影響著瀝青路面的正常使用,使瀝青路面出現(xiàn)了開裂嚴(yán)重、使用壽命短等問題。

季凍區(qū)一般冬季寒冷干燥且漫長(zhǎng),夏季高溫多雨且短促,春秋兩季氣候多變,年平均氣溫較低,負(fù)溫時(shí)間較長(zhǎng),溫差大,冬季冰凍深度較大,夏季太陽(yáng)輻射較強(qiáng)。如中國(guó)氣溫最低的黑龍江省,屬于重冰凍地區(qū),年平均氣溫 -6～4℃,1月份平均氣溫-32～-17℃,極端最低溫 -52.3℃(漠河),夏季普遍高溫,平均氣溫在 18℃左右,極端最高氣溫達(dá) 41.6℃,年溫差高達(dá) 38～48℃;年平均降水量 589.6mm,主要集中在 6～8月;冬季土壤凍結(jié)深度在 1.8～3.3m之間,5cm深土壤凍結(jié)日數(shù) 150～180d;區(qū)域內(nèi)云量少,日照時(shí)數(shù)多,而且輻射強(qiáng)度大,全省年可照時(shí)數(shù)為 4443～4470h,年實(shí)照時(shí)數(shù)在 2300～2900h之間,尤其是6～8月,日照時(shí)間平均每日可達(dá) 11～13h,太陽(yáng)輻射年總量多在 100～120kW/cm2之間。

溫度、水分及其綜合形成的凍融作用是季凍區(qū)瀝青路面的主要影響因素。在季凍區(qū),持續(xù)低溫、大溫差等溫度條件除了導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)低溫開裂外,更為嚴(yán)重的是正負(fù)溫交替變化和水分的共同作用引起的凍融作用,使路基路面材料與結(jié)構(gòu)產(chǎn)生凍融破壞。凍脹和融沉?xí)@著影響路基路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與耐久性,凍結(jié)和融化的交替作用則使路基路面材料的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變。

凍土工程技術(shù)有著160多年的發(fā)展歷史,早在 1891年,俄羅斯就修建了西伯利亞大鐵路;20世紀(jì)初,伴隨著阿拉斯加和加拿大西北部采礦、伐木業(yè)的發(fā)展,美、加修建了最早的一批公路;第二次世界大戰(zhàn)中,美國(guó)政府為軍事目的在阿拉斯加進(jìn)行工程地質(zhì)勘察和凍土研究,并大規(guī)模修建機(jī)場(chǎng)和道路。其中在 17世紀(jì)后期,人們就已經(jīng)注意到冰凍作用下的凍脹現(xiàn)象,但隨著人類活動(dòng)足跡的延伸,直到 20世紀(jì)才開始對(duì)凍融現(xiàn)象及其對(duì)建筑工程的影響開展研究。

國(guó)內(nèi)外對(duì)凍土等地基土和道路路基土體的凍脹融沉,從表現(xiàn)形式、凍脹機(jī)理、預(yù)報(bào)模型和防治措施等方面開展了大量試驗(yàn)理論和數(shù)值分析研究工作,取得了許多研究成果。其中關(guān)于水分在凍土中運(yùn)動(dòng)的研究,最早可追溯到 20世紀(jì) 40年代,集中于水分的遷移動(dòng)力和遷移模型上。在水分遷移動(dòng)力方面,目前國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了以毛細(xì)力(Ш мукенберм,1885,1894)、液體內(nèi) 部的 靜壓 力 (Прасолов,1914, Драницын,1914,Сумгин,1937)及結(jié)晶力 (Taber,1917,1930,Bouyocos,1923)等為代表的 14經(jīng)典種假說。20世紀(jì) 60年代以后,對(duì)于水分遷移機(jī)制分為直接遷移與間接(耦合)遷移,其中前者可以用經(jīng)典假說進(jìn)行解釋,而后者則主要針對(duì)凍土或季節(jié)凍土考慮熱力學(xué)和化學(xué)勢(shì)能的綜合作用的水熱遷移,以李述訓(xùn)、Iwata等的研究為代表。在水分遷移模型方面,主要體現(xiàn)在凍土工程和農(nóng)田水利建設(shè)兩個(gè)方面。針對(duì)凍土,Мартынов和 Иванов最早提出了研究土體凍結(jié)過程的水熱輸運(yùn)模型;HarlanRL根據(jù)當(dāng)時(shí)一些新的試驗(yàn)結(jié)果和觀測(cè)事實(shí),提出了土凍結(jié)過程中熱質(zhì)遷移數(shù)學(xué)模型;接著 Taylor G.S與LuthinJN在Harlan模型的基礎(chǔ)上,以未凍水含量梯度作為水分遷移動(dòng)力,建立了 Taylor與 Luthin模型;苗天德等從熱力學(xué)、混合物理論的角度出發(fā),建立固、液兩相介質(zhì)相變的水、熱耦合模型;SallyA.Shoop,L.MChounet,Da-Wen Sun等對(duì)土體的凍結(jié)和融化過程建立了水熱數(shù)值模型,并應(yīng)用有限元方法進(jìn)行了數(shù)值求解;針對(duì)黃土路基,王鐵行等進(jìn)行了水熱遷移的耦合數(shù)值模型。張喜發(fā)、張冬青、杜兆成等結(jié)合季節(jié)凍土區(qū)長(zhǎng)余高速公路凍脹的觀測(cè)結(jié)果,分析了水分遷移及凍脹量沿凍深的分布規(guī)律。在農(nóng)田水利方面,雷志棟和楊詩(shī)秀等對(duì)農(nóng)業(yè)所關(guān)心的土壤水分的入滲與蒸發(fā)問題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,建立了土壤中水分遷移的模型。在土體水分遷移試驗(yàn)研究方面,HoekstraP和 Miller先后進(jìn)行了飽和與非飽和土體在凍結(jié)過程中,含水量隨溫度梯度變化的簡(jiǎn)單室內(nèi)試驗(yàn);徐學(xué)祖等分別進(jìn)行了封閉系統(tǒng)正凍土、已凍土中水分運(yùn)移的室內(nèi)土柱試驗(yàn)和開放系統(tǒng)非飽和正凍土水分運(yùn)動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工作,研究水分運(yùn)移的規(guī)律;李述訓(xùn)等對(duì)土體凍結(jié)過程及融化過程中,氣態(tài)水的遷移與液態(tài)水遷移做了大量的試驗(yàn),研究了凍融作用對(duì)系統(tǒng)與環(huán)境間能量交換的影響。

我國(guó)凍土溫度場(chǎng)研究始于 20世紀(jì) 50年代,主要集中于溫度場(chǎng)模型的建立、土體熱物理參數(shù)及邊界條件的確定;郭蘭波、丁德文等進(jìn)行人工凍結(jié)鑿井溫度場(chǎng)及天然細(xì)砂地基的溫度場(chǎng)研究;徐學(xué)祖、王家澄等通過大量實(shí)驗(yàn),分析了影響凍土的熱物理參數(shù)的因素;JohnP.Zarling和 W.AlanBraley對(duì)路基溫度場(chǎng)計(jì)算理論、邊界條件和計(jì)算參數(shù)確定方法進(jìn)行了理論分析;馬虹等對(duì)植被、冰雪等不同覆蓋條件下的地表傳熱性質(zhì)進(jìn)行了研究;王秉綱、胡長(zhǎng)順等提出了在各類邊界條件下考慮路基走向、風(fēng)速、輻射、蒸發(fā)等多種因素的路基溫度場(chǎng)的有限元方法及相應(yīng)的計(jì)算公式;劉永智等研究了高溫多年凍土地區(qū)瀝青路面路基下的地溫分布及變化過程;王紹令、趙林等通過野外觀測(cè)和理論計(jì)算,闡述了路基內(nèi)融化核的形成演化過程及其對(duì)路基穩(wěn)定性的影響;章金釗等研究了太陽(yáng)輻射與氣溫、降水等因素對(duì)路基穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

在凍土的水熱力耦合作用方面,Arakawa、Knutson等人通過現(xiàn)場(chǎng)或室內(nèi)凍脹試驗(yàn)建立了凍脹經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Takashi、Zhang和Zhu基于凍脹的物理本質(zhì),考慮凍脹經(jīng)驗(yàn)公式,建立了半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?Harlan、Sheppard等把復(fù)雜的凍脹融沉機(jī)理綜合因素歸納為未凍水含量隨溫度變化的關(guān)系上,提出凍土中熱質(zhì)遷移與水分遷移相互作用的流體動(dòng)力學(xué)模型;Konrad、Gilpin及 D.sheng等學(xué)者以不可變形的“剛性”冰和線性穩(wěn)定性溫度場(chǎng)為基礎(chǔ),提出和發(fā)展了剛冰模型;Duquennoi、Fremond以多孔多相介質(zhì)的混合物理論為基礎(chǔ),從熱力學(xué)的角度建立了水、熱、力耦合模型;李寧等在多孔多相介質(zhì)的熱、能守恒方程的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了考慮凍土中骨架、冰、水、氣四相介質(zhì)的水熱力耦合模型;賴遠(yuǎn)明等針對(duì)寒區(qū)隧道建立了溫度場(chǎng)、滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)耦合問題的數(shù)學(xué)模型;胡長(zhǎng)順、毛雪松等以溫度勢(shì)作為水分遷移主要?jiǎng)恿?結(jié)合基質(zhì)勢(shì),建立了多年凍土路基水分遷移控制模型,提出了多年凍土路基水熱力耦合模型。

對(duì)于冰凍地區(qū)瀝青路面修筑技術(shù),自 1968年美國(guó)阿州在改建舊路和新建社區(qū)間道路時(shí)采用瀝青路面以來(lái),國(guó)內(nèi)外從結(jié)構(gòu)、材料及工藝等方面先后開展了相關(guān)研究。美國(guó)、加拿大、日本等國(guó)家針對(duì)寒冷地區(qū)冰凍作用對(duì)道路路面的影響,重點(diǎn)從凍結(jié)深度方面考慮路面結(jié)構(gòu)組合與厚度,根據(jù)低溫特性和凍脹敏感性選擇路面材料,結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)方法與一般地區(qū)路面基本相同?？紤]到冰凍地區(qū)瀝青路面在低溫和冰凍作用下容易出現(xiàn)裂縫、沉陷等病害,使用壽命短,國(guó)外選擇以水泥混凝土路面為主,以提高路面對(duì)凍脹融沉的抵抗能力,并重點(diǎn)對(duì)冰凍地區(qū)水泥混凝土路面修筑技術(shù)開展了大量研究工作。

我國(guó)自 20世紀(jì)70年代在青藏公路修筑黑色路面以來(lái),對(duì)多年凍土地區(qū)、季節(jié)性冰凍地區(qū)瀝青路面修筑技術(shù)開展研究。20世紀(jì) 90年代,王端宜、蘭永貴等結(jié)合黑龍江省氣候特點(diǎn),對(duì)寒冷地區(qū)適宜瀝青路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論分析探討和工程驗(yàn)證,分析了瀝青路面結(jié)構(gòu)層的技術(shù)要求,提出了適宜的結(jié)構(gòu)形式和最小厚度。中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院、西安公路交通大學(xué)、青海省交通廳等單位結(jié)合青藏公路、青康公路,對(duì)青藏高原多年凍土地區(qū)瀝青路面修筑技術(shù)開展了研究。21世紀(jì)初,李立昌、王洪宇等結(jié)合哈綏高速公路瀝青路面施工,對(duì)寒冷地區(qū)改性瀝青混合料及其施工進(jìn)行了論述。劉紅軍等結(jié)合哈雙高速公路,論述了寒冷地區(qū)改性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)。劉海濱等對(duì)寒冷地區(qū)灰土基層的應(yīng)用進(jìn)行了探討,分析了冰凍對(duì)灰土基層強(qiáng)度的影響,提出了寒冷地區(qū)采用灰土基層應(yīng)注意的問題及其對(duì)策。

國(guó)內(nèi)外雖對(duì)多年凍土、季節(jié)凍土等地區(qū)的路面結(jié)構(gòu)與材料開展了相關(guān)研究,取得的成果對(duì)提高路面使用性能起到了積極推動(dòng)作用。但一定時(shí)期、特定條件不可能從根本上解決問題,隨著公路交通運(yùn)輸及科學(xué)技術(shù)發(fā)展,舊問題尚未解決,而新問題又不斷暴露。低溫、凍融等因素作用下,瀝青路面低溫開裂、融沉變形、松散等病害仍然頻繁發(fā)生,影響公路運(yùn)輸效益,尚有許多技術(shù)難題需要研究解決。

關(guān)于季凍區(qū)瀝青路面的凍脹、翻漿機(jī)理與防治對(duì)策已開展了較多研究,但研究中多將路基與路面分離、水分與溫度分離,實(shí)際工程中的凍融破壞仍較嚴(yán)重。為了深刻揭示季凍區(qū)瀝青路面的凍融破壞機(jī)理,應(yīng)將路基路面作為整體考慮,分析水分和溫度綜合作用對(duì)其的影響。

目前季凍區(qū)瀝青路面設(shè)計(jì)仍按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)方法和借鑒一般地區(qū)經(jīng)驗(yàn),對(duì)特殊的氣候因素考慮較少或憑借工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,使季凍區(qū)瀝青路面抵抗自然因素影響的能力明顯不足,凍脹、翻漿、融沉、裂縫等病害嚴(yán)重。瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)主要考慮了行車荷載作用,雖對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)與溫度應(yīng)力進(jìn)行了相關(guān)研究,但仍未作為控制指標(biāo)考慮,對(duì)于路基凍脹融沉變形下的路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力則尚未涉及。因此,為了提高季凍區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)的適應(yīng)能力,應(yīng)系統(tǒng)研究季凍區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)對(duì)特殊溫度條件、凍融作用的響應(yīng),使瀝青路面結(jié)構(gòu)滿足行車荷載和自然因素綜合作用的要求。

對(duì)于路基土在凍融作用下的物理力學(xué)性質(zhì)變化,基層材料、面層瀝青混合料的抗凍性能,已開展了相關(guān)研究,研究成果只用于指導(dǎo)瀝青路面設(shè)計(jì)中的材料選擇與確定,而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的材料參數(shù)仍是標(biāo)準(zhǔn)條件下的試驗(yàn)結(jié)果,即假設(shè)材料性能在路面使用期內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變。實(shí)際應(yīng)用中,季凍區(qū)瀝青路面的材料性能則必然隨著凍融循環(huán)作用而不斷劣化,設(shè)計(jì)參數(shù)處于動(dòng)態(tài)衰減狀態(tài),這種差異導(dǎo)致瀝青路面壽命無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命。另外,瀝青路面的低溫開裂是目前國(guó)際上尚未完全解決的一種道路病害,為此對(duì)瀝青混合料的低溫性能開展了大量研究,但都集中于單一溫度作用,沒有考慮溫度和水分的綜合作用。目前,對(duì)于路基土、基層材料、面層瀝青混合料的性能參數(shù)與溫度、凍融之間的關(guān)系研究尚不足,限制了在瀝青路面設(shè)計(jì)中對(duì)自然因素影響的考慮。

我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)方法是針對(duì)所有地區(qū)的具有普遍性的指導(dǎo)性設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)指標(biāo)、材料參數(shù)的選擇與確定考慮一般地區(qū),仍以瀝青路面結(jié)構(gòu)在行車荷載作用下的反應(yīng)(彎沉、應(yīng)力、應(yīng)變)作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制指標(biāo),確定路面結(jié)構(gòu)反應(yīng)所需的材料參數(shù)也是以一般地區(qū)的代表性溫度狀況作為試驗(yàn)條件進(jìn)行測(cè)試。而對(duì)于季凍區(qū)瀝青路面,溫度場(chǎng)對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)的影響明顯外,季凍區(qū)的凍結(jié)期較長(zhǎng),凍結(jié)深度較大,夏季高溫且外界進(jìn)入路基路面的水分充分,路基含水量的變化和季節(jié)凍融使路基的穩(wěn)定性與承載能力改變,路基凍脹融沉變形下路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的附加應(yīng)力也不容忽視。因此,季凍區(qū)瀝青路面的結(jié)構(gòu)行為不同于一般地區(qū),設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮荷載、溫度、凍脹融沉變形的影響來(lái)確定設(shè)計(jì)指標(biāo)。瀝青混合料的溫度敏感性強(qiáng),不同溫度條件下路用性能參數(shù)的差異明顯;路基土在凍結(jié)和融化狀態(tài)的物理力學(xué)性質(zhì)也明顯不同。另外,凍融循環(huán)作用會(huì)引起路基路面材料的性能劣化,材料參數(shù)衰減。因此,季凍區(qū)瀝青路面設(shè)計(jì)中的材料參數(shù)選擇與確定,應(yīng)考慮溫度效應(yīng)、凍融作用。

綜上所述,國(guó)內(nèi)外雖對(duì)季凍區(qū)路基路面開展了相關(guān)研究,但對(duì)溫度、水分和凍融等特殊條件綜合作用對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料的影響考慮較少,部分內(nèi)容尚未涉及,需要進(jìn)一步系統(tǒng)研究。系統(tǒng)研究應(yīng)主要針對(duì)季凍區(qū)瀝青路面的結(jié)構(gòu)、材料、結(jié)構(gòu)組合、設(shè)計(jì)、施工等方面進(jìn)行。通過研究,相信我國(guó)的季凍區(qū)瀝青路面抗凍融能力會(huì)大大提高。