基于流變學分析瀝青路面病害

雷鳴

摘 要：利用流變學原理對瀝青及瀝青混合料的路用性能進行評價，對道路的力學行為有了更深刻的了解，同時采用流變學對路面病害（例如車轍、泛油等）機理進行分析，使流變學原理在路面性能方面發揮更大的作用。

關鍵詞：流變學；力學行為；路用性能；路面病害

材料流變學是一門研究材料流動及變形規律的科學，是根據應力、應變和時間來研究物質的流動和變形的構成與發展的一般規律的科學。流變學研究的流體，可分為牛頓型流體和非牛頓型流體，所謂流變性實質是固-液兩相同存，是一種粘彈性的表現。瀝青也是一種高分子化合物，具有粘性和彈性，屬于非牛頓型流體，其流變特性與瀝青的針入度、延度、粘度及路面的性能等都有很大的關系。

瀝青流變性與瀝青的路用性能有直接關系，在一定的溫度、時間和車輛荷載的作用下，瀝青路面會由于剪應力作用而發生剪切變形，累積到一定程度便會發生剪切破壞。從流變學角度講，瀝青的變形與溫度、荷重、時間密切相關，研究瀝青的流變性就是要研究瀝青的變形量對溫度、荷重和時間敏感性。流變學已經成為評價瀝青性能的有效工具。

1 利用流變學分析路面損壞機理

1.1 路面變形

根據流變學原理，荷載對路面變形的影響由兩部分構成：首先，載荷愈大，瀝青路面的蠕變速率及蠕變量就更大，不可回復的蠕變量更大，即形成更大的永久變形。其次，載荷應力降低了瀝青路面本身抵抗變形的能力，使變形更容易產生或更大。可以從以下幾個方面了解載荷的影響。

1.1 荷載大小

1.1.1 蠕變變形：在載荷應力大于瀝青混合料的蠕變變形（極限）強度時，瀝青路面將產生不可回復的永久變形。瀝青混合料的蠕變強度愈低，載荷應力愈大，愈容易形成蠕變變形。

1.1.2 “剪切變稀”和“應變軟化”：瀝青粘度將隨荷載應力增大而呈指數關系降低，因而變形量將隨載荷應力增大而呈指數倍數關系增大（倍數可能從幾倍到幾百倍）。也就是說，載荷增加一倍，因瀝青粘度降低引起的路面變形可能會增加幾十倍。

1.1.3 “滯后耗散能加熱”：瀝青因粘彈性滯后耗散能而產生“滯后加熱”現象，造成溫度升高，粘度降低，變形量增大。滯后產生的熱量與應力是平行關系。也就是說，載荷增加一倍，路面變形會因“滯后加熱”成倍增加。

一般來講，路面的嚴重車轍變形都是在高溫天氣及重型荷載作用下，瀝青因巨大的“剪切變稀”及“滯后加熱”而落入第二牛頓區所致。所以，應禁止超載行車，尤其是高溫季節。

1.2 荷載頻率（交通流量）

根據流變學原理，行車頻率與荷載一樣，“滯后特性”耗散能將造成瀝青路面溫度升高，因此，路面抵抗變形的能力隨交通量增加而降低。此外，交通量增加也將加速蠕變疲勞，降低路面的壽命。

1.3 荷載時間（行車速度）

行車速度愈慢，蠕變時間則愈長，更容易形成不可回復的蠕變變形。國外的路面破壞不如我國嚴重，這可能也是一個不可忽視的原因，因為國外的載重卡車在高速公路上的行車速度和商用轎車差不多。在高速公路上規定最低行車速度看來也是必要的，一則有利于保護路面，二則也能降低車輛間的相對速度，有利于行車安全。

因此，根據流變學理論，提高瀝青混合料抗變形能力只有通過提高材料學參數粘度、模量和蠕變強度來實現。而實現這一思想的材料與工藝技術手段主要包括：

（1）集料堆砌嵌擠的級配（如SMA等）：增大混合料模量。

（2）瀝青改性（改性或高粘度瀝青等）：增大混合料粘度。

（3）摻加纖維（如木質纖維）：增大混合料粘度和蠕變強度。

1.4 路面裂紋

瀝青路面裂紋一般在低溫或氣溫急劇降低時產生，其形成與載荷大小沒什么關系，這類裂紋稱為溫度應力裂紋。另一類是路基裂紋引起的路面反射裂紋，這也是一種載荷應力裂紋，只不過這里的載荷不是車輛而是路基，這兩類裂紋都說明，需要提高瀝青混合料的抗裂能力。

在路面裂紋方面，一種辦法是采用了不產生裂紋的柔性路面，或者加鋪應力吸收層，這樣雖然可以起到一定的作用，但還是沒有根本解決這一問題，因為柔性路基對溫度收縮裂紋沒有太大作用。另一個辦法是增加面層厚度來延遲反射裂縫的擴展，但隨著時間的推移，溫度收縮裂縫還是會發生。

因此，惟有提高瀝青混合料抗裂能力，“增強”和“增韌”瀝青混合料才能根本上解決裂紋問題。纖維復合材料法是解決裂紋問題的有效的材料科學方案。

1.5 車轍問題

車轍（永久變形）是指瀝青路面在重復輪載作用下產生的累積塑性變形。車轍可能發生在地基、無結合料基層或瀝青面層。在美國，車轍主要發生在瀝青面層，主要是由于瀝青路面在輪載作用下發生固結和剪切變形所致。剪切變形一般發生在距瀝青路面表面100mm以內，但如果瀝青混合料的性能較差，車轍也有可能發展到更深的位置。車轍通常隨輪載作用的增加而增大，典型表現為瀝青路面輪跡處縱向凹陷，有時還伴有向輪跡兩側隆起的現象。雖然軟弱的下承層也很可能促使車轍的形成，但大量的研究發現，絕大部分路面車轍還是由于熱拌瀝青混合料面層的永久變形形成的。這除了與瀝青混合料本身的性質有關外，還與交通量、行車的輪胎壓力和軸載有較大關系。在評價瀝青結合料高溫性能方面比較有影響的主要有Superpave規范中的|G*|/sinδ指標、SV指標以及利用與瀝青流變學關系密切的G*和δ通過試驗和推算產生的新指標等。

1.6 泛油問題

瀝青從瀝青混凝土層的內部和下部向上移動，使表面有過多瀝青，這種現象稱作泛油，也稱瀝青遷移。瀝青路面泛油是國內外瀝青路面的常見問題，特別是重載高速公路改性瀝青路面。國外有人將瀝青路面泛油歸結于瀝青污染，還有的認為是骨料離析、熱拌瀝青時石料含水分或施工機械的原因；國內也有多種看法，如高溫、瀝青用量過大、瀝青混合料空隙率過小及行車壓實綜合作用所致，或者瀝青混合料空隙率過大、高速行車引起的動水壓力和荷載的綜合作用使瀝青面層內部的瀝青發生剝落并向上遷移。從流變學的角度分析認為是瀝青粘彈性本質的“爬桿”現象導致瀝青在重載車輛高速剪切作用下從瀝青路面下部遷移到路表面，從而產生泛油。

2 結束語

通過對瀝青及瀝青混合料流變性的分析，對瀝青及瀝青混合料路用性能進行評價。并且從流變學的角度出發，對路面的各種病害進行了分析，使我們對路面病害有了更深刻的認識，從而可以對路面病害提出更好的改善措施。但路面的各種病害機理影響因素較多，而且深層關系復雜，這些更深層次的研究有待進一步的研究。

參考文獻

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