淺談防腐路面蠕變的特征

張俊杰

摘 要 瀝青混合料是一種比較典型的黏、彈、塑性綜合體，在道路建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用，在我國，干線公路的瀝青路面鋪裝率高達(dá)百分之九十以上。瀝青路面由于受到荷載重復(fù)作用以及雨水氣候因素的綜合作用，導(dǎo)致瀝青路面發(fā)生影響路面的低溫縮裂、高溫車轍、疲勞損壞以及腐蝕等病害的出現(xiàn)。如何提高瀝青路面的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗剪切性、抗疲勞損壞性，防止瀝青路面腐蝕，提高瀝青路面服務(wù)水平與使用壽命，是我國目前交通量日益繁重、車載增加、交通渠化的條件下瀝青混合料選擇以及瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須解決的難題。本文通過在荷載作用下改性瀝青混合料與普通蠕變性能試驗(yàn)的研究，對防腐瀝青路面蠕變性能進(jìn)一步系統(tǒng)、深入地了解。

關(guān)鍵詞 瀝青混合料 防腐路面 蠕變特征

中圖分類號：U416.22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

國內(nèi)對瀝青混合料的研究，通過近幾十年的努力取得了大量的研究成果，對社會的發(fā)展以及公眾的生活方式和質(zhì)量產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。隨著公路交通量與車輛荷載的不斷增大，對瀝青路面的質(zhì)量等級與服務(wù)水平要求越來越高，也是對瀝青混合料組成成分與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

1瀝青混合料的強(qiáng)度與穩(wěn)定性

瀝青混合料是一種成分與結(jié)構(gòu)復(fù)雜的材料。因?yàn)檫@種材料的各種不同特點(diǎn)的概念，都與結(jié)構(gòu)概念聯(lián)系在一起。影響其特點(diǎn)有：礦質(zhì)混合料物顆粒的相互位置、大小以及粒徑的分布、瀝青的特征、顆粒上瀝青層性質(zhì)、空隙量分布、空隙量比值等?！盀r青混合料結(jié)構(gòu)”是一種瀝青混合料的單一結(jié)構(gòu)和相互聯(lián)系結(jié)構(gòu)的組成。其中包括：瀝青結(jié)構(gòu)、礦物骨架結(jié)構(gòu)及瀝青-礦粉分散系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等。其中每種單一結(jié)構(gòu)與相互聯(lián)系結(jié)構(gòu)，對于瀝青混合料的性質(zhì)密切相關(guān)。瀝青混合料蠕變性能是評價(jià)瀝青路面的重要指標(biāo)之一，瀝青路面蠕變壽命及流動(dòng)變形是瀝青混合料蠕變性能的重要因素。近年來，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和瀝青公路工程大的量建設(shè)與使用，瀝青混合料蠕變性能的試驗(yàn)研究也取得一定的成果。

（1）在溫度和外荷載作用下，瀝青混合料應(yīng)變隨著時(shí)間的變化而變化的現(xiàn)象稱為蠕變。其中，在荷載作用下，瀝青混合料的蠕變分為三個(gè)階段：第一階段：蠕變減速階段或過渡階段。瀝青混合料應(yīng)變速率隨時(shí)間減小，持續(xù)時(shí)間短；第二階段：恒定蠕變階段。瀝青混合料應(yīng)變速率最?。坏谌A段：加速蠕變階段：是斷裂來臨之前的最后一個(gè)階段。其中，蠕變曲線斜率k為瀝青混合料的蠕變速率，k值越大，瀝青路面抗變形能力越差，荷載作用下變形也就越快。一般認(rèn)為，蠕變是瀝青混合料黏彈性力學(xué)響應(yīng)行為的表現(xiàn)形式.研究表明，蠕變曲線第2階段的斜率k（穩(wěn)態(tài)蠕變速率）可以反映材料的蠕變性能和變形特性。因此，瀝青混合料穩(wěn)態(tài)蠕變速率可以反映其抗車轍性能.k值的大小除了與溫度和應(yīng)力水平有關(guān)，還與瀝青混合料的特性有關(guān)。

（2）目前，關(guān)于瀝青混合料蠕變機(jī)理研究有兩種不同結(jié)論：一是蠕變速率隨著瀝青混合料顆粒尺寸的增大而減??；二是蠕變速率隨著瀝青混合料顆粒尺寸的增大先升后降。瀝青混合料是一種組成成分與結(jié)構(gòu)多樣的粘彈性混合料，顆粒的形狀、大小、表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，對瀝青混合料蠕變速率的影響很大。高溫度條件下，礦質(zhì)混合料界面的瀝青結(jié)合料表現(xiàn)為黏滯性，在礦質(zhì)混合料界面的切應(yīng)力作用下，礦質(zhì)混合料骨料之間發(fā)生蠕動(dòng)，瀝青路面發(fā)生變形。因此，礦質(zhì)混合料級配越小，界面越大，礦質(zhì)混合料滑動(dòng)對瀝青路面變形也就越大。在瀝青種類及用量相同情況下，細(xì)礦質(zhì)混合料的蠕變速率一般較大。還有，礦質(zhì)混合料越細(xì)，蠕變擴(kuò)散的概率也越大，從而導(dǎo)致瀝青混合料的抗車轍性能和高溫穩(wěn)定性能也越差。當(dāng)?shù)V質(zhì)混合料尺寸足夠大時(shí)，礦質(zhì)混合料界面的礦料滑動(dòng)、蠕變擴(kuò)散、路面變形會很小，蠕變速率不再隨礦質(zhì)混合料尺寸變化，其瀝青混合料抗車撤性能和高溫穩(wěn)定性能也會越好。

2瀝青路面的破壞形態(tài)

瀝青路面在溫度驟降或溫差較大地區(qū)，瀝青路面會由于溫度應(yīng)力的作用而產(chǎn)生裂縫，水通過裂縫滲入瀝青路面內(nèi)部，引起瀝青與礦料界面的侵蝕與剝離，常常導(dǎo)致瀝青路面發(fā)生松散破壞。我國北方氣溫較低，容易發(fā)生瀝青路面低溫縮裂，瀝青路面的質(zhì)量等級與使用壽命嚴(yán)重下降，導(dǎo)致瀝青路面低溫縮裂的因素除了與瀝青本身的性質(zhì)有關(guān)外，還與瀝青混合料的組成成分、結(jié)構(gòu)形式、公路厚度、公路交通量、氣候條件等因素也有關(guān)。因此，研究瀝青路面低溫抗裂性能對提高瀝青路面使用質(zhì)量具有重要意義。瀝青混合料的低溫開裂問題長期以來受到國內(nèi)外道路工作者的重視，對這一問題做了不同層面的研究，形成了許多試驗(yàn)方法：等應(yīng)變加載的破壞試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)、彎曲拉伸蠕變試驗(yàn)、受限試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲J積分試驗(yàn)、C積分試驗(yàn)、收縮系數(shù)試驗(yàn)、應(yīng)力松弛試驗(yàn)等。其中，低溫彎曲蠕變試驗(yàn)與小梁彎曲試驗(yàn)是國內(nèi)研究瀝青混合料低溫抗裂性能工作者使用較為普遍的試驗(yàn)方法。

2.1 瀝青混合料低溫下路面的破壞

瀝青路面的低溫開裂一般從兩種力學(xué)行為分析。一種力學(xué)行為是細(xì)觀力學(xué)行為，其瀝青混合料是由孔隙系、瀝青基質(zhì)系、骨料分散系三系組成的。另一種力學(xué)行為是宏觀力學(xué)行為，宏觀破壞行為是細(xì)觀行為上導(dǎo)致?lián)p傷累積的表現(xiàn)。從損傷力學(xué)角度看，瀝青混合料在荷載重復(fù)作用下的低溫開裂是一個(gè)不斷變化以及過程復(fù)雜的行為，主要表現(xiàn)為軟化、承載力降低、斷裂等力學(xué)行為。瀝青路面開裂的主要原因：

（1）周期性寒冷氣溫變化所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，且該溫度應(yīng)力超過瀝青混料抗拉強(qiáng)度的極限值時(shí)，瀝青混凝土就會發(fā)生裂縫，此裂縫一般發(fā)生在路面表面，然后逐漸向下發(fā)展。

（2）瀝青混合料經(jīng)過長期溫度循環(huán)作用下，溫度應(yīng)力小于抗拉強(qiáng)度，從而導(dǎo)致溫度疲勞開裂，導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)大量的橫向裂縫，橫向裂縫的產(chǎn)生也可能是路基的冷凍及收縮產(chǎn)生的結(jié)果。

瀝青路面一般是縱向收縮，瀝青路面低溫縮裂一般是橫向開裂，瀝青路面裂縫的間距平均在6～10m之間，在車輪荷載、溫度變化循環(huán)、路面反復(fù)疲勞作用下，會加劇路面裂縫的發(fā)展，降低公路服務(wù)水平和質(zhì)量，給工程建設(shè)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

2.2 瀝青混合料高溫下路面的破壞

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性是指在高溫條件下瀝青混合料（粘彈性材料）受重復(fù)荷載作用產(chǎn)生一定的塑性流動(dòng)變形。在車輪荷載作用下，瀝青路面永久變形主要在氣溫30℃左右，即路面表面溫度達(dá)到40℃以上，大于瀝青混合料軟化點(diǎn)溫度，且隨著溫度的增高和行車荷載的增大，瀝青路面變形也增大，從而易于導(dǎo)致其它病害，影響行車的安全性與舒適性。有必要研究瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，改善瀝青路面結(jié)構(gòu)性能，提高瀝青路面使用壽命，從而降低瀝青路面建設(shè)及養(yǎng)護(hù)成本。

3瀝青路面的耐久性

近年來，隨著我國高等級瀝青公路的大量修建，瀝青混合料的疲勞性能在公路建設(shè)中占據(jù)越來越重要的地位。

（1）本章根據(jù)國內(nèi)已有瀝青混合料疲勞研究，結(jié)合適用于中國實(shí)際情況的試驗(yàn)方法，對改性瀝青混合料和普通瀝青混合料試件進(jìn)行疲勞破壞試驗(yàn)，進(jìn)一步了解瀝青混合料防腐路面的疲勞特性。目前，國內(nèi)外疲勞試驗(yàn)研究分為3種類型：

①實(shí)際路面在實(shí)際行車荷載作用下的疲勞性能；

②用實(shí)際路面結(jié)構(gòu)模擬行車荷載作用下的疲勞性能；

③材料試件的室內(nèi)疲勞試驗(yàn)。

前2類方法雖然能夠較好地反映實(shí)際路面的疲勞性能，但試驗(yàn)周期長、資金耗費(fèi)巨大，且試驗(yàn)結(jié)果受環(huán)境和路面結(jié)構(gòu)影響較大。因此，我國對于瀝青路面疲勞性能的研究，使用最多的是材料試件的室內(nèi)疲勞試驗(yàn)。本試驗(yàn)采用室內(nèi)材料試件的疲勞試驗(yàn)。我國瀝青路面形式大部分以半剛性瀝青路面為主。半剛性瀝青路面疲勞破壞由面層和基層兩種疲勞破壞形式組成，先是在基層出現(xiàn)疲勞破壞，破壞處上的面層底部出現(xiàn)集中應(yīng)力，面層逐漸承受較大的彎拉應(yīng)力作用，最終導(dǎo)致路面面層出現(xiàn)疲勞破壞。瀝青混凝土的疲勞壽命直接影響瀝青路面的使用壽命及使用性能，是決定瀝青混凝土路面工程壽命周期成本的關(guān)鍵因素。改性瀝青是改善瀝青混合料性能常用的主要措施，了解改性瀝青混合料抗疲勞性，便用于相關(guān)工程中參考應(yīng)用。

（2）疲勞破壞是路面結(jié)構(gòu)在應(yīng)力或應(yīng)變低于混合料強(qiáng)度極限時(shí)，荷載的重復(fù)作用導(dǎo)致路面開裂的一種破壞現(xiàn)象。根據(jù)實(shí)際情況，我國瀝青路面形式大部分以半剛性瀝青路面為主。在瀝青路面的早期病害中，路面裂縫較為明顯，如果處理不及時(shí)，路面上積存的雨水和泥漿以及其它有害物質(zhì)會通過裂縫進(jìn)入到基層中，再加上車輪的循環(huán)荷載，路面將產(chǎn)生唧漿、坑槽、斷裂等破壞，嚴(yán)重影響路面上行駛車輛的的平順性與安全性。因此，要及時(shí)維修路面早期的裂縫阻止繼續(xù)擴(kuò)展，對路面破壞及行車安全起到很好的保護(hù)作用。青路面疲勞開裂的研究方法主要分為3類：現(xiàn)象學(xué)分析法、力學(xué)分析法和能量分析法。

①現(xiàn)象學(xué)分析法是疲勞試驗(yàn)中瀝青混合料出現(xiàn)疲勞破壞的重復(fù)應(yīng)力值稱為瀝青混合料疲勞強(qiáng)度，對應(yīng)的重復(fù)應(yīng)力作用次數(shù)稱瀝青混合料疲勞壽命。且進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，采用應(yīng)變控制和應(yīng)力控制兩種不同的加載模式。

②力學(xué)分析法是一種預(yù)測并假定瀝青混合料疲勞壽命的方法，它主要根據(jù)路面斷裂力學(xué)原理推理路面疲勞裂縫的形成與演變規(guī)律，一般假設(shè)開裂過程分為3個(gè)階段：裂縫初始生成；裂縫的穩(wěn)定成長；裂縫的不穩(wěn)定發(fā)展。其中以第二階段裂縫的穩(wěn)定成長為疲勞壽命的主要部分。

③能量分析法是根據(jù)粘彈性瀝青混合料的綜合模量與力學(xué)性質(zhì)判斷瀝青混合料的疲勞特性，其綜合模量包括恒定模量（彈性）和損耗模量（粘性），力學(xué)性質(zhì)取決于荷載作用的時(shí)間和溫度，瀝青混合料的疲勞強(qiáng)度主要由損耗能量和應(yīng)力應(yīng)變循環(huán)荷載過程中的能耗組成。該方法的主要特點(diǎn)是試驗(yàn)中總能耗與循環(huán)荷載重復(fù)作用次數(shù)之間存在一定關(guān)系。

4結(jié)語

在高速發(fā)展的當(dāng)代社會，交通變得相當(dāng)發(fā)達(dá)對路面提出了更高的要求。提高瀝青路面服務(wù)水平與使用壽命，在目前交通量日益繁重、車載增加、交通渠化的條件下瀝青混合料的選擇以及瀝青路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須找到解決的辦法。如果解決了這個(gè)難題，將節(jié)省土建路面施工工程中耗費(fèi)的大量材料，在未來的道橋路面的應(yīng)用中必定會起到突破性的作用。大交通量的瀝青路面除采用瀝青混凝土作面層外，有些主張采用密實(shí)的瀝青面層等，對延長疲勞壽命和簡化施工工藝都起到了一定的作用。所以研究防腐路面的蠕變情況對土木工程有著重要的意義

參考文獻(xiàn)

[1] 章建平.瀝青混合料的技術(shù)特征探析[J].工程科技，2008.

[2] 葉遇春.瀝青混合料高溫穩(wěn)定性評價(jià)指標(biāo)的試驗(yàn)研究[J].中外交通，2004.

[3] 謝定義，齊吉琳.土結(jié)構(gòu)性及其定量化研究的新途徑[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1999， 21（6）：651-656.

[4] 王國平，王忠祥，高明星.瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料低溫抗裂性能試驗(yàn)研究[J]內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008.

[5] 薛忠軍，張肖寧.基于蠕變試驗(yàn)計(jì)算瀝青的低溫松弛彈性模量[M].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007.

[6] 栗培龍，張爭奇，王秉剛.瀝青混合料蠕變變形行為及機(jī)理[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2012.

[7] 李生林，秦素娟，薄遵昭，等.瀝青路面抗疲勞性能研究[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

[8] 施斌，李生林.粘彈性土微觀結(jié)構(gòu)SEM圖像的定量研究[J].中國科學(xué)（A輯）， 1995，25（6）.

[9] 田騰輝.改性瀝青混合料的路用性能及應(yīng)用研究[D].山東大學(xué)，2010.

[10] JTG D40-2002，中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[S].