重冰凍區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

(內蒙古交通設計研究院有限責任公司，內蒙古 呼和浩特 010000)

內蒙古重冰凍區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，更嚴重阻礙自治區經濟的發展。病害導致路面達不到設計壽命就要進行大修，特別是結構性大修，使路面后期養護費用大大提高，不僅給自治區造成巨大的經濟損失，還產生了不良的社會影響。

為了大力發展內蒙古自治區交通運輸事業，在“一帶一路”倡議部署下，內蒙古作為“中蒙俄經濟走廊”的核心樞紐地區，是我國對外開放的重要前沿陣地。所以，基于該地區氣候條件的特殊性及人為的干擾，為提高路面的使用質量，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 重冰凍區面層應具備的功能及性能

重冰凍區瀝青路面面層暴露在大氣中，承受各種車輛荷載和低溫環境的綜合作用，應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，低溫開裂是內蒙古重冰凍地區瀝青路面存在的主要病害，所以，抵御低溫凍裂是該地區瀝青混合料應具備的重要性能之一。

內蒙古重冰凍區溫度升降頻繁，且降溫幅度大，瀝青路面內部產生較大的應力，當應力來不及松弛時便產生很大的應力累積。當應力累積到一定程度，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部堆積的應力。因此，應針對重冰凍地區的溫度環境，合理地進行面層瀝青混合料優化設計，以減緩溫度裂縫的產生。

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；但經過車輛長期載荷作用后，路表抗滑系數也會大大降低。此外，在內蒙古重冰凍區，冬季積雪期和冰凍期較長，路表經除冰鹽處理后，表面仍有部分冰層覆蓋，影響車輛安全，因此，應對重冰凍區瀝青路面抗滑性能提出更高的要求。

1.3 疲勞性能

在車輛荷載和環境因素的反復作用下，瀝青路面通常會產生塑性變形，雖然應力未超過瀝青混合料的極限強度，不會產生立即可見的破壞，但在路面內部產生微裂縫；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，路面材料發生強度衰減，材料的物理力學性能也隨之發生變化。比如瀝青混合料彈性模量會逐漸減小，相同的應力水平下所產生的應變會不斷增加，或在相同的應變水平下，其相對應的應力會逐漸減小。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 高溫穩定性能

雖然內蒙古重冰凍區夏季氣候溫涼短促，但高溫天氣也普遍存在，加之該地區車輛超載現象嚴重，瀝青路面車轍病害時有發生。因此，良好的高溫穩定性也是重冰凍區瀝青混合料應具備的性能。

在車輛荷載的連續作用下，瀝青路面不斷產生永久變形而出現車轍病害，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構的強度有所降低，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因，而外部環境是影響其性能優劣的主要外在因素。

2.1 集料級配

瀝青混合料是由瀝青結合料黏結集料組成的，其結構強度主要通過礦料的嵌擠力及瀝青的黏結力構建的。當溫度升高時，瀝青黏結力降低，此時瀝青混合料強度主要由礦料嵌擠力提供。懸浮密實結構瀝青混合料密實性和耐久性較好，但該結構嵌擠力較弱，高溫導致穩定性較差；骨架空隙結構瀝青混合料空隙較大，內摩擦較高，高溫穩定性較好，但耐久性差；骨架密實結構能形成較高密實度的骨架結構，路用性能較好，但施工和易性較差。針對重冰凍區氣候環境特點及性能要求，應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造深度；選用表面粗糙的集料，可以增加路表的摩擦系數；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，使混合料在高溫環境中具有較差的穩定性。因此，在內蒙古重冰凍區瀝青混合料設計時，應綜合高、低溫性能，經室內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部形成瞬態動水壓力，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象。重冰凍區冬季寒冷漫長、積雪期長，當雨水聚集于瀝青路面內部時，重冰凍環境下雨水凍結，路面內部形成凍脹力，同樣加速路面破壞。因此，在鋪筑瀝青路面時，應把握混合料空隙率在合理范圍內。

2.4 環境因素

環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，路面溫度應力和收縮變形是溫度的函數，降溫幅度及速率、低溫持續時間和升降溫循環次數等都是導致溫縮裂縫產生的重要原因。高溫是形成路面車轍的主要原因，高溫環境下瀝青結合料黏性下降，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 結束語

交通作為發展的先行官，對于地區經濟和社會的發展具有重要的助推作用。為切實落實好交通強國戰略，公路行業也必須依托科技創新來帶動行業的高質量發展，改善和提升路面使用性能和公路服務水平。特別是像重冰凍區這類型特殊環境區域，想要實現高的路面性能和品質對公路設計和施工提出了巨大的考驗。分析總結發現，良好的低溫抗裂性、抗滑耐磨性、抗疲勞性和高溫穩定性是內蒙古重冰凍區瀝青路面品質應具備的理想性能，礦料級配、瀝青用量、空隙率和環境因素是決定該地區路面層性能的主要因素。因此，只有理清重冰凍區瀝青路面應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，延長使用壽命。