川西高原瀝青路面高頻凍融破壞機(jī)理研究

摘" 要：針對(duì)川西高原山區(qū)瀝青路面易出現(xiàn)高頻凍融破壞的問(wèn)題，對(duì)代表性路段瀝青路面進(jìn)行調(diào)研，通過(guò)埋設(shè)傳感器的方式監(jiān)測(cè)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度情況，在此基礎(chǔ)上，建立高頻凍融室內(nèi)試驗(yàn)方法，將紫外、熱氧老化和高頻凍融試驗(yàn)結(jié)合，采用劈裂強(qiáng)度指標(biāo)，研究川西高原山區(qū)瀝青路面的高頻凍融機(jī)理。結(jié)果表明，老化對(duì)高頻凍融的影響很大，采用“紫外+熱氧老化+高頻凍融”的方法，可以模擬高頻凍融的最不利破壞情況；瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度隨凍融次數(shù)增加呈線性降低；相對(duì)SBS改性瀝青混合料，橡膠瀝青混合料可更好地抵抗高頻凍融破壞。

關(guān)鍵詞：道路工程；高頻凍融；破壞機(jī)理；紫外老化；橡膠瀝青

中圖分類(lèi)號(hào)：U414" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）07-0058-05

川西高原山區(qū)，海拔較高，強(qiáng)紫外照射，溫差大，日常驟然升溫降溫造成反復(fù)高頻凍融，這些因素耦合作用下，瀝青路面極易出現(xiàn)路面表面剝落、松散破壞及開(kāi)裂等不良病害，嚴(yán)重影響了路面使用壽命[1-2]。當(dāng)前，四川省高速公路建設(shè)正在往川西高原山區(qū)延伸，規(guī)劃和在建的高原山區(qū)公路有汶馬（汶川—馬爾康）高速公路、康新（康定—新都橋）高速公路等，這些高速公路均將面臨高原山區(qū)高頻凍融環(huán)境。

為了提高路面耐久性，防止高頻凍融對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成破壞，本文從川西高原代表性路面病害調(diào)研入手，采用現(xiàn)場(chǎng)溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)及室內(nèi)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，對(duì)川西高原地區(qū)瀝青路面高頻凍融破壞機(jī)理展開(kāi)研究，提出適用于川西高原山區(qū)路面抗高頻凍融的路面材料，以期為川西高原地區(qū)公路工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

1" 高頻凍融條件下瀝青路面破壞情況調(diào)研

本文以G227線甘孜藏族自治州理塘縣君壩鎮(zhèn)段為例，分析川西高海拔山區(qū)瀝青路面高頻凍融破壞情況。該路段所在區(qū)域海拔高度為3 600～4 600 m，紫外照射強(qiáng)烈、大風(fēng)多、降雨少、冬季干冷漫長(zhǎng)，一般為11月—次年4月。平均氣溫3.0 ℃，極端最高氣溫25.6 ℃，最低氣溫-30.6 ℃，年平均地面溫度5.9 ℃，由于大溫差和強(qiáng)輻射，在冬季瀝青路面存在一日一凍融的高頻凍融情況。本文針對(duì)G227線理塘縣君壩鎮(zhèn)段進(jìn)行了病害調(diào)研。

G227線理塘縣君壩鎮(zhèn)段為瀝青路面，三級(jí)公路，雙向兩車(chē)道，路面結(jié)構(gòu)如圖1所示。經(jīng)調(diào)查，G227線瀝青路面病害主要形式為如圖2所示的龜裂，占比達(dá)到了80%以上，其次為塊裂、橫縫和縱縫。從圖2可以看出，路面龜裂處出現(xiàn)了大量唧漿問(wèn)題，瀝青路面凍融理論表明，在反復(fù)凍融作用下，瀝青路面因水分進(jìn)入瀝青混合料結(jié)晶凍脹后，路面出現(xiàn)損傷，損傷后開(kāi)裂，一方面水分進(jìn)入裂縫，帶出瀝青面層以下的無(wú)機(jī)材料灰漿或者路基土漿，形成路表可見(jiàn)唧漿；另一方面，道路在受到反復(fù)凍融作用下，路面下的土基和水泥穩(wěn)定碎石等材料在反復(fù)凍脹下容易出現(xiàn)凍壞剝離，達(dá)到翻漿的程度導(dǎo)致路面表面出現(xiàn)唧漿。

2" 研究方法

2.1" 溫度場(chǎng)調(diào)研

為了分析高原高海拔地區(qū)瀝青路面溫度場(chǎng)情況，在川西海拔3 400 m的某高速公路施工過(guò)程中，埋設(shè)了監(jiān)測(cè)瀝青路面溫度場(chǎng)的傳感器，傳感器埋設(shè)如圖3所示。傳感器埋設(shè)層位如圖4所示。

對(duì)瀝青路面溫度隨環(huán)境溫度的變化進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集，以路段所在地氣溫最低的一天數(shù)據(jù)為例，當(dāng)天環(huán)境氣溫為-17～2 ℃，路面內(nèi)部的溫度場(chǎng)如圖5所示?？梢钥闯觯惶靸?nèi)瀝青路面內(nèi)部的溫度場(chǎng)呈現(xiàn)周期性正弦規(guī)律變化，各個(gè)層位瀝青路面內(nèi)部的溫度都是凌晨到早8點(diǎn)左右先減小，后在8點(diǎn)到14點(diǎn)左右增高，14點(diǎn)到24點(diǎn)左右再降低的規(guī)律。一日氣溫上面層底（4 cm處）的波動(dòng)最大，高低極值點(diǎn)都是最大，其次為中面層，下面層底和水穩(wěn)底的溫度場(chǎng)波動(dòng)較小，隨外界溫度變化不大?？梢钥闯?，瀝青上面層底的溫度可從負(fù)溫變成正溫，會(huì)經(jīng)受每日一次的凍融循環(huán)作用，中面層底及以下不會(huì)發(fā)生，發(fā)生高頻凍融的路面深度為9.7 cm范圍，面層層底4.9 cm處約為高頻凍融深度的中間位置，經(jīng)內(nèi)插計(jì)算該位置處凍融的低溫約為-3.8 ℃，高溫約為10.6 ℃左右。

2.2" 高頻凍融試驗(yàn)方法

依據(jù)上述瀝青路面實(shí)際測(cè)試的溫度隨時(shí)間變化情況，瀝青路面發(fā)生凍脹的溫度為-3.8 ℃，在試驗(yàn)過(guò)程中考慮周期縮短因素，將試驗(yàn)的低溫設(shè)置為-5 ℃，為了短時(shí)間實(shí)現(xiàn)材料中結(jié)冰后融化，將高溫控制在18 ℃，5～6 h為一個(gè)溫度周期，如圖6所示，這樣就基本實(shí)現(xiàn)了瀝青混合料在實(shí)際凍融溫度下的循環(huán)。

為了模擬瀝青路面在高海拔下的實(shí)際作用環(huán)境，首先將試件在熱氧及紫外老化條件下老化，然后在真空下飽水，飽水后放到高頻凍融循環(huán)機(jī)中進(jìn)行高頻率凍融，最后，通過(guò)凍融后和凍融前的劈裂強(qiáng)度比分析瀝青混合料高頻凍融損傷情況。其中，紫外老化的方法為：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)路面勘察，該地區(qū)紫外光對(duì)瀝青混凝土路面的老化主要發(fā)生在路面鋪設(shè)完成后的前6個(gè)月內(nèi)，故研究定量紫外光輻射對(duì)馬歇爾試件抗高頻凍融性能的影響時(shí)，采取室外自然老化6個(gè)月，即室內(nèi)對(duì)照老化時(shí)長(zhǎng)180 h，室內(nèi)紫外光輻射強(qiáng)度為220 W/m2作為室內(nèi)紫外光老化條件。

熱氧老化試驗(yàn)方法為：采用JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T 0734—2000 熱拌瀝青混合料加速老化方法，模擬瀝青路面在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的熱氧老化（即長(zhǎng)期老化）。

由于在試驗(yàn)過(guò)程中，熱氧與紫外老化不能同步進(jìn)行，因此設(shè)計(jì)了表1的4種工況，分析熱氧和紫外分別對(duì)混合料老化及不同組合老化對(duì)瀝青混合料高頻凍融試驗(yàn)的影響。

2.3" 級(jí)配及配合比設(shè)計(jì)

本文選用SMA-13型級(jí)配瀝青混合料，級(jí)配組成見(jiàn)表2，采用級(jí)配中值進(jìn)行試驗(yàn)。

本研究采用2種改性瀝青開(kāi)展試驗(yàn)，分別為橡膠瀝青以及SBS改性瀝青，最佳油石比及馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3—表4。

3" 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1" 不同老化情況的影響

目前川西高原地區(qū)大多數(shù)工程采用SBS改性瀝青，故本文采用SBS改性瀝青SMA-13瀝青混合料對(duì)經(jīng)過(guò)4種工況老化的馬歇爾試件進(jìn)行200次凍融，測(cè)試凍融劈裂強(qiáng)度比，研究不同老化方式對(duì)瀝青混合料抗高頻凍融的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，相對(duì)未老化而進(jìn)行200次高頻凍融的凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比，經(jīng)過(guò)4種老化后經(jīng)過(guò)200次凍融的混合料劈裂強(qiáng)度均出現(xiàn)了大幅度降低，這說(shuō)明老化會(huì)使瀝青膠結(jié)料變硬變脆，在混合料凍融損傷過(guò)程中產(chǎn)生了不利影響。工況2與工況1相比，凍融劈裂強(qiáng)度比降低了2.9%，說(shuō)明紫外老化對(duì)瀝青混合料高頻凍融影響比熱氧老化更大。在熱氧老化中，瀝青中的化學(xué)鍵是由于熱氧引起的熱分解而斷裂；紫外老化的引發(fā)是由于分子內(nèi)所含的基團(tuán)吸收了具有能量的紫外線，由基態(tài)轉(zhuǎn)換到激發(fā)態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致化學(xué)鍵發(fā)生斷裂[3]。紫外輻射產(chǎn)生的初級(jí)氧化產(chǎn)物（如羧基和過(guò)氧化物基團(tuán)等）不穩(wěn)定，更進(jìn)一步反應(yīng)加速瀝青的老化[4]。工況3和工況4的平均凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比為71%，與工況1相比減少了6.8%，與工況2相比減少了3.9%，進(jìn)一步說(shuō)明，紫外老化比熱氧老化對(duì)瀝青混合料高頻凍融破壞的不利影響更大。在工況4的老化條件下，凍融前后混合料的劈裂強(qiáng)度衰減最大，凍融劈裂強(qiáng)度比減少了30%，證明紫外老化+熱氧老化+高頻凍融是最不利的模擬高海拔山區(qū)瀝青路面高頻凍融的試驗(yàn)方法。

由圖8可知，隨著凍融次數(shù)的增加，4種工況下馬歇爾試件的劈裂抗拉強(qiáng)度隨凍融次數(shù)均呈線性降低。從擬合結(jié)果看，4種老化條件后，瀝青混合料高頻凍融劈裂強(qiáng)度衰減速度從快到慢排序?yàn)椋汗r4快于工況3快于工況2快于工況1，再次證明工況4是最不利的瀝青混合料老化的模擬方法。也由此可知，川西高原山區(qū)高強(qiáng)紫外照射和材料熱氧老化是瀝青混合料路面產(chǎn)生高頻凍融破壞的主要因素之一。

3.2" 瀝青膠結(jié)料及凍融次數(shù)的影響

根據(jù)前面的分析內(nèi)容可知工況4為最不利工況，因此選定工況4，對(duì)SBS改性瀝青混合料和橡膠瀝青混合料進(jìn)行高頻凍融對(duì)比分析，分析材料及凍融次數(shù)對(duì)瀝青混合料劈裂強(qiáng)度的影響。

從圖9可以看出，SBS瀝青混合料劈裂強(qiáng)度隨凍融次數(shù)的變化擬合得到的線性關(guān)系的斜率為-9.4×10-4，橡膠瀝青混合料劈裂強(qiáng)度隨凍融次數(shù)變化的線性關(guān)系的斜率為-3.9×10-4，可知，SBS瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度隨凍融次數(shù)變化的斜率絕對(duì)值更大，說(shuō)明SBS瀝青混合料在經(jīng)過(guò)高頻凍融循環(huán)試驗(yàn)后試件劈裂強(qiáng)度損失更為嚴(yán)重，橡膠瀝青在高頻凍融循環(huán)試驗(yàn)后力學(xué)性能損失更少。橡膠瀝青混合料的抗高頻凍融性能比SBS改性瀝青混合料抗高頻凍融性能更優(yōu)異。

從圖10可以看出，隨著凍融次數(shù)增加，2種瀝青混合料凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比均呈下降的趨勢(shì)，但降低幅度不同。SBS改性瀝青混合料經(jīng)過(guò)200次凍融后凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比為70%，與未凍融時(shí)相比降低了27.5%；經(jīng)過(guò)400次凍融后試件凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比為59.8%，與未凍融時(shí)相比降低了37.7%。橡膠瀝青混合料經(jīng)過(guò)200次凍融后凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比為90.3%，與未凍融時(shí)相比降低了17%；經(jīng)過(guò)400次凍融后試件凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比為84.4%，與未凍融時(shí)相比降低了22.9%。說(shuō)明橡膠瀝青混合料在經(jīng)過(guò)高頻凍融循環(huán)后，劈裂強(qiáng)度的損失比SBS瀝青混合料更小。

綜合圖9和圖10可以看出，瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而不斷降低，與初始未凍融狀態(tài)相比，經(jīng)過(guò)200次凍融以后，SBS瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度為0.70 MPa，下降了0.28 MPa；橡膠瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度為0.62 MPa，下降了0.12 MPa。經(jīng)過(guò)400次凍融后，SBS瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度為0.60 MPa，與200次凍融相比下降了0.10 MPa；橡膠瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度為0.58 MPa，與200次凍融相比下降了0.04 MPa。2種瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度與凍融次數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，瀝青混合料在凍融初期出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，之后劈裂強(qiáng)度的衰減則趨于平緩。出現(xiàn)這種情況的原因是在凍融循環(huán)作用下，水分通過(guò)孔隙進(jìn)入混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)冰，使得混合料內(nèi)部產(chǎn)生膨脹作用力[5]。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，混合料內(nèi)部的孔隙增大，在動(dòng)水壓力的作用下水分逐漸滲入瀝青膜中，降低了瀝青與集料的界面黏結(jié)力，使得瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度降低[6]。

4" 結(jié)論

本文針對(duì)川西高原山區(qū)瀝青路面高頻凍融破壞機(jī)理開(kāi)展研究，通過(guò)對(duì)不同工況下的SBS改性瀝青混合料及橡膠瀝青混合料老化和高頻凍融耦合作用及凍融劈裂試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論。

1）結(jié)合路面所處環(huán)境條件，在現(xiàn)有規(guī)范的基礎(chǔ)上建立了基于溫度場(chǎng)的室內(nèi)模擬高頻凍融循環(huán)試驗(yàn)方法，試驗(yàn)條件為低溫-5 ℃，高溫18 ℃，5～6 h為一個(gè)循環(huán)，通過(guò)該方法成功模擬川西高原地區(qū)高頻凍融對(duì)瀝青混合料的影響。

2）老化是影響瀝青混合料高頻凍融破壞的重要因素，紫外+熱氧老化順序后瀝青混合料凍融劈裂衰減速度及衰減幅度最大，“紫外+熱氧老化+高頻凍融+劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)”為最不利的模擬川西高原瀝青路面高頻凍融的評(píng)價(jià)方法。

3）在凍融初期（0～200次），隨著凍融次數(shù)的增加，SBS瀝青混合料和橡膠瀝青混合料的劈裂抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)，當(dāng)經(jīng)歷200次凍融后，混合料劈裂抗拉強(qiáng)度的下降逐漸趨于平緩。

4）通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在工況4下，經(jīng)過(guò)400次凍融循環(huán)后，與未凍融狀態(tài)相比，SBS瀝青混合料劈裂強(qiáng)度降低了38.8%，橡膠瀝青混合料劈裂強(qiáng)度降低了21.6%。橡膠瀝青混合料相較于SBS瀝青混合料抗高頻凍融性能更強(qiáng)，橡膠瀝青在川西高原地區(qū)解決路面高頻凍融問(wèn)題適應(yīng)性好。

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Abstract： In view of the problem that asphalt pavements in the mountainous areas of the western Sichuan Plateau are prone to high-frequency freeze-thaw damage， asphalt pavements on representative sections were investigated， and the temperature conditions within the pavement structure were monitored by embedding sensors. On this basis， a high-frequency freeze-thaw indoor test method was established. The method combines UV （ultraviolet）， thermal oxygen aging and high-frequency freeze-thaw tests， and uses the splitting strength index to study the high-frequency freeze-thaw mechanism of asphalt pavements in the mountainous areas of the western Sichuan Plateau. The results show that aging has a great impact on high-frequency freeze-thaw， and the \"UV + thermal oxygen aging + high-frequency freeze-thaw\" method can simulate the most unfavorable damage situation of high-frequency freeze-thaw; the splitting strength of asphalt mixture decreases linearly with the increase of freeze-thaw times; compared with SBS modified asphalt mixture， rubber asphalt mixture can better resist high-frequency freeze-thaw damage.

基金項(xiàng)目：四川省交通運(yùn)輸科技項(xiàng)目（2022-A-2）

第一作者簡(jiǎn)介：王海朋（1984-），男，博士，正高級(jí)工程師。研究方向?yàn)闉r青路面結(jié)構(gòu)與材料。