重冰凍區(qū)瀝青路面層位功能及性能分析

劉寶河，王嫣嬌，高二利，邵先勝，李浩瑄

(內(nèi)蒙古交通設(shè)計研究院有限責任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000)

內(nèi)蒙古重冰凍區(qū)處于我國北部邊疆地帶，冬季寒冷漫長，冷空氣活動頻繁，降雪量多且積雪時間長，造成惡劣的道路工作環(huán)境。再加之交通載荷嚴重、施工材料耐久性不足等因素造成路面早期病害日益突出，嚴重影響了路面使用質(zhì)量和壽命[1～2]。其造成的后果不但會影響車輛的正常行駛，更嚴重阻礙自治區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展。病害導致路面達不到設(shè)計壽命就要進行大修，特別是結(jié)構(gòu)性大修，使路面后期養(yǎng)護費用大大提高，不僅給自治區(qū)造成巨大的經(jīng)濟損失，還產(chǎn)生了不良的社會影響。

為了大力發(fā)展內(nèi)蒙古自治區(qū)交通運輸事業(yè)，在“一帶一路”倡議部署下，內(nèi)蒙古作為“中蒙俄經(jīng)濟走廊”的核心樞紐地區(qū)，是我國對外開放的重要前沿陣地。所以，基于該地區(qū)氣候條件的特殊性及人為的干擾，為提高路面的使用質(zhì)量，延長使用壽命，筆者對路面各層位的功能及性能要求進行了分析。

1 重冰凍區(qū)面層應(yīng)具備的功能及性能

重冰凍區(qū)瀝青路面面層暴露在大氣中，承受各種車輛荷載和低溫環(huán)境的綜合作用，應(yīng)對低溫性能和耐久性有較高要求；瀝青面層與車輛輪胎直接接觸，面層也應(yīng)具備良好的抗滑安全性和平整舒適性。

1.1 低溫抗裂性能

眾所周知，低溫開裂是內(nèi)蒙古重冰凍地區(qū)瀝青路面存在的主要病害，所以，抵御低溫凍裂是該地區(qū)瀝青混合料應(yīng)具備的重要性能之一。

內(nèi)蒙古重冰凍區(qū)溫度升降頻繁，且降溫幅度大，瀝青路面內(nèi)部產(chǎn)生較大的應(yīng)力，當應(yīng)力來不及松弛時便產(chǎn)生很大的應(yīng)力累積。當應(yīng)力累積到一定程度，超過瀝青混合料極限抗拉強度時，瀝青路面就會通過開裂的形式釋放內(nèi)部堆積的應(yīng)力。因此，應(yīng)針對重冰凍地區(qū)的溫度環(huán)境，合理地進行面層瀝青混合料優(yōu)化設(shè)計，以減緩溫度裂縫的產(chǎn)生。

1.2 抗滑耐磨性能

瀝青路面面層與車輛輪胎直接接觸，瀝青面層良好的抗滑性是安全行車的前提。尤其有雨水存在時，路面表層會形成水膜，導致路面抗滑性能大幅度降低。隨抗滑性能的衰減，駕駛員操作困難，行車安全受到嚴重威脅，甚至發(fā)生嚴重的交通事故。與此同時，大量工程實踐表明，在公路建成使用初期路面抗滑性能良好，完全滿足車輛安全行駛的要求；但經(jīng)過車輛長期載荷作用后，路表抗滑系數(shù)也會大大降低。此外，在內(nèi)蒙古重冰凍區(qū)，冬季積雪期和冰凍期較長，路表經(jīng)除冰鹽處理后，表面仍有部分冰層覆蓋，影響車輛安全，因此，應(yīng)對重冰凍區(qū)瀝青路面抗滑性能提出更高的要求。

1.3 疲勞性能

在車輛荷載和環(huán)境因素的反復作用下，瀝青路面通常會產(chǎn)生塑性變形，雖然應(yīng)力未超過瀝青混合料的極限強度，不會產(chǎn)生立即可見的破壞，但在路面內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫；在荷載的反復作用下，路面損傷逐漸累積，在損傷累積的過程中，路面材料發(fā)生強度衰減，材料的物理力學性能也隨之發(fā)生變化。比如瀝青混合料彈性模量會逐漸減小，相同的應(yīng)力水平下所產(chǎn)生的應(yīng)變會不斷增加，或在相同的應(yīng)變水平下，其相對應(yīng)的應(yīng)力會逐漸減小。直至路面材料強度衰減累積至一定程度后，瀝青路面無法承受車輛荷載，最終導致疲勞破壞。

1.4 高溫穩(wěn)定性能

雖然內(nèi)蒙古重冰凍區(qū)夏季氣候溫涼短促，但高溫天氣也普遍存在，加之該地區(qū)車輛超載現(xiàn)象嚴重，瀝青路面車轍病害時有發(fā)生。因此，良好的高溫穩(wěn)定性也是重冰凍區(qū)瀝青混合料應(yīng)具備的性能。

在車輛荷載的連續(xù)作用下，瀝青路面不斷產(chǎn)生永久變形而出現(xiàn)車轍病害，在車輛碾壓處瀝青層厚度逐漸變薄，從而使瀝青面層及整體結(jié)構(gòu)的強度有所降低，對行車的舒適性和安全性有著重要的影響。

2 影響面層功能及性能的主要因素分析

瀝青路面性能受多種因素共同作用，礦料集配、瀝青用量和空隙率是主要內(nèi)因，而外部環(huán)境是影響其性能優(yōu)劣的主要外在因素。

2.1 集料級配

瀝青混合料是由瀝青結(jié)合料黏結(jié)集料組成的，其結(jié)構(gòu)強度主要通過礦料的嵌擠力及瀝青的黏結(jié)力構(gòu)建的。當溫度升高時，瀝青黏結(jié)力降低，此時瀝青混合料強度主要由礦料嵌擠力提供。懸浮密實結(jié)構(gòu)瀝青混合料密實性和耐久性較好，但該結(jié)構(gòu)嵌擠力較弱，高溫導致穩(wěn)定性較差；骨架空隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料空隙較大，內(nèi)摩擦較高，高溫穩(wěn)定性較好，但耐久性差；骨架密實結(jié)構(gòu)能形成較高密實度的骨架結(jié)構(gòu)，路用性能較好，但施工和易性較差。針對重冰凍區(qū)氣候環(huán)境特點及性能要求，應(yīng)選擇合適的礦料級配，以獲得良好的路用性能。

此外，礦料級配對瀝青路面的抗滑耐磨性能也有重要的影響，增加礦料公稱最大粒徑能顯著增大路面構(gòu)造深度；選用表面粗糙的集料，可以增加路表的摩擦系數(shù)；利用高磨光值的集料鋪筑道路表層，可提高路表抗滑能力，在車輛行駛過程中能有效地減少集料磨耗，以確保路面存在持久的抗滑性能。

2.2 瀝青用量

瀝青用量是影響瀝青混合料高、低溫性能的重要因素。隨著瀝青用量的增加，瀝青混合料應(yīng)力松弛能力提高，其抗裂性增強，但瀝青使用過量會導致高溫穩(wěn)定性較差。當夏季溫度升高時，多余的自由瀝青變軟并在混合料中流淌，形成泛油；除此以外，自由瀝青分散在礦料顆粒中，對潤滑起到了良好的效果，通過減小集料顆粒間的嵌擠力，使混合料在高溫環(huán)境中具有較差的穩(wěn)定性。因此，在內(nèi)蒙古重冰凍區(qū)瀝青混合料設(shè)計時，應(yīng)綜合高、低溫性能，經(jīng)室內(nèi)試驗求得最佳瀝青用量。

2.3 空隙率

空隙率是影響瀝青混合料路用性能的另一顯著因素，混合料疲勞壽命隨空隙率的降低而增大。一般情況下，骨架密實型瀝青混合料疲勞壽命比骨架空隙型混合料壽命相對較長。瀝青路面空隙率與水損害有很大關(guān)系，當路面空隙率較大時，提供大量的雨水下滲通道，在車輛高速行駛時路面內(nèi)部形成瞬態(tài)動水壓力，使瀝青與集料的剝離速度加快，造成剝落、坑槽等嚴重水損壞現(xiàn)象。重冰凍區(qū)冬季寒冷漫長、積雪期長，當雨水聚集于瀝青路面內(nèi)部時，重冰凍環(huán)境下雨水凍結(jié)，路面內(nèi)部形成凍脹力，同樣加速路面破壞。因此，在鋪筑瀝青路面時，應(yīng)把握混合料空隙率在合理范圍內(nèi)。

2.4 環(huán)境因素

環(huán)境因素是影響瀝青路面路用性能的主要外因。瀝青路面開裂是由低溫直接導致的，路面溫度應(yīng)力和收縮變形是溫度的函數(shù)，降溫幅度及速率、低溫持續(xù)時間和升降溫循環(huán)次數(shù)等都是導致溫縮裂縫產(chǎn)生的重要原因。高溫是形成路面車轍的主要原因，高溫環(huán)境下瀝青結(jié)合料黏性下降，流動性增強，混合料抗剪強度降低，在行車荷載作用下瀝青層塑性變形增大。

3 結(jié)束語

交通作為發(fā)展的先行官，對于地區(qū)經(jīng)濟和社會的發(fā)展具有重要的助推作用。為切實落實好交通強國戰(zhàn)略，公路行業(yè)也必須依托科技創(chuàng)新來帶動行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，改善和提升路面使用性能和公路服務(wù)水平。特別是像重冰凍區(qū)這類型特殊環(huán)境區(qū)域，想要實現(xiàn)高的路面性能和品質(zhì)對公路設(shè)計和施工提出了巨大的考驗。分析總結(jié)發(fā)現(xiàn)，良好的低溫抗裂性、抗滑耐磨性、抗疲勞性和高溫穩(wěn)定性是內(nèi)蒙古重冰凍區(qū)瀝青路面品質(zhì)應(yīng)具備的理想性能，礦料級配、瀝青用量、空隙率和環(huán)境因素是決定該地區(qū)路面層性能的主要因素。因此，只有理清重冰凍區(qū)瀝青路面應(yīng)具備的性能及影響因素，才能有針對性的改進瀝青混合料性能，提高使用品質(zhì)，延長使用壽命。