西藏大溫差地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性與耐久性探討

邵華

（山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250102）

0 引言

瀝青路面整體溫度應(yīng)力變化會順著結(jié)構(gòu)層厚度方向呈現(xiàn)出不同波動，如果瀝青路面結(jié)構(gòu)施工不當(dāng)將會導(dǎo)致路面出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，降低瀝青路面應(yīng)用性能，特別是西藏地區(qū)溫差變化較大，瀝青路面結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞，為此需要結(jié)合具體工程分析結(jié)構(gòu)施工的有效方法，進(jìn)一步改善路面結(jié)構(gòu)施工，延長路面使用壽命，優(yōu)化路面應(yīng)用性能。

1 研究背景分析

瀝青路面在遇到較高溫度變化條件下會變得十分敏感，瀝青混合料整體松弛性、勁度和強(qiáng)度等會隨溫度波動而產(chǎn)生變化。溫度不但會影響瀝青材料，還會影響整個路面結(jié)構(gòu)。不穩(wěn)定熱流在融入路面結(jié)構(gòu)后，會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)隨溫度升降出現(xiàn)收縮、膨脹變化。由于路面結(jié)構(gòu)層互相約束影響，無法自由產(chǎn)生變形作用，導(dǎo)致道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。聯(lián)系實際研究分析，溫度收縮會對瀝青路面產(chǎn)生直接影響，使整個路面開裂，與荷載對公路的影響一樣重要，有時甚至更加突出。通過研究西藏現(xiàn)有各種瀝青路面發(fā)現(xiàn)，大部分路段在秋末冬初等時節(jié)容易產(chǎn)生橫向裂縫，主要是從道路一側(cè)形成并最終橫貫整個道路。裂縫間距相對均勻，普遍維持在5m到10m之間，降低道路性能，破壞道路結(jié)構(gòu)，但路面并未發(fā)生較大破壞。這一現(xiàn)象是由西藏獨特的氣候環(huán)境造成的，當(dāng)瀝青路面處于較大溫差和連續(xù)低溫時，將進(jìn)一步加劇整個路面層的溫度應(yīng)力，產(chǎn)生漲縮變化，使瀝青混合料相關(guān)應(yīng)力松弛和溫度應(yīng)力不匹配，在超出材料抗壓強(qiáng)度限值條件下出現(xiàn)整個瀝青面層開裂的問題。

2 西藏大溫差地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)適應(yīng)性與耐久性分析

2.1 計算模型

此次研究中以西藏某高級公路為例，利用有限元方法研究不同瀝青路面結(jié)構(gòu)所形成的溫度應(yīng)力變化，總結(jié)得到最佳的瀝青路面結(jié)構(gòu)。此次研究項目屬于高原氣候，擁有較長日照，太陽輻射強(qiáng)烈，年平均氣溫相對較低，同時存在較高日溫差，數(shù)年日平均溫差為6.4℃左右，其中日溫差最高超出20℃。此次瀝青道路施工中主要問題是溫縮裂縫，在計算溫度應(yīng)力時，需要將溫度場計算參數(shù)作為基礎(chǔ)邊界條件，基于現(xiàn)有氣象資料構(gòu)建相應(yīng)溫度場，結(jié)合溫度場創(chuàng)建有限元模型分析應(yīng)力。

聯(lián)系此次瀝青工程道路狀況實際，可以將路面結(jié)構(gòu)作為層狀系統(tǒng)，同時把道路結(jié)構(gòu)斷面作為溫度場構(gòu)建模型，單純結(jié)合二熱傳導(dǎo)實施考慮，相關(guān)溫度應(yīng)力模型即道路縱斷面對應(yīng)二維模型，需要按照以下假設(shè)設(shè)計模型：第一是路面各層都是各向同性和全部均勻連續(xù)體；第二是在水平坐標(biāo)波動中不會產(chǎn)生溫度變化；第三是保障不同路面層有效接觸，形成持續(xù)熱傳導(dǎo)；第四是道路不同層次溫度數(shù)值和道路邊界溫度維持一致變化規(guī)律，而相位滯后；第五是不同層次結(jié)構(gòu)都屬于彈性體材料。

選擇PLANE13單元實施有限元分析，該單元為四邊形對應(yīng)熱、應(yīng)力耦合單元分析模塊，設(shè)置溫度約束TEMP、Y方向位移UYX方向位移UX三種自由度，額外設(shè)置平面應(yīng)變PLANESTARNI分析類型。

表1 路面結(jié)構(gòu)組合

2.2 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

結(jié)合相關(guān)研究成果，基于荷載應(yīng)力核算條件針對此次公路推薦以下三種瀝青路面結(jié)構(gòu)，具體如表1所示：

由于上面層AC-13和SMA-13對應(yīng)勁度模量差距較小，實施有限元分析中兩者擁有相同勁度模量取值，在實際計算勁度模量取值中，可以將關(guān)鍵層的溫度狀態(tài)和勁度模量輸入到前處理器內(nèi)，剩余單元結(jié)合溫度線性自動插值準(zhǔn)確計算[1]。

2.3 溫度邊界調(diào)節(jié)

初步確定溫度場對應(yīng)核算邊界條件后，基于現(xiàn)有研究成果，綜合考慮西藏當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，全面整合各種外部因素，轉(zhuǎn)化成兩種邊界條件，分別是對流換熱，以及熱流密度。因為在24小時中，外部條件變化不會對道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大影響，分析瞬態(tài)溫度場，可單純考慮路基和道路表層結(jié)構(gòu)，基于瞬態(tài)溫度場得到路面結(jié)構(gòu)溫度信息，得到道路結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力界限。此次主要分析2021年1月道路信息，圍繞路面結(jié)構(gòu)2開展瞬態(tài)溫度場分析，確定溫度應(yīng)力形成邊界條件，下圖是路面結(jié)構(gòu)2處于瞬態(tài)的溫度場核算數(shù)據(jù)，通過分析發(fā)現(xiàn)相關(guān)瀝青路面結(jié)構(gòu)在外部氣溫變化中呈現(xiàn)出一種周期性變化特性，整體波動范圍與變化幅度順著路面結(jié)構(gòu)厚度逐步縮減，同時呈現(xiàn)出相位滯后特性，順著深度方向整體溫度變化展現(xiàn)出一種非均勻特性。

結(jié)合上圖分析發(fā)現(xiàn)，最低氣溫發(fā)生在早上4時左右，至于道路表層溫度最低點在早上5時左右出現(xiàn)，道路結(jié)構(gòu)下層溫度最低發(fā)生于早上7時。在外部氣溫環(huán)境變化中，瀝青面層溫度保持大致相同的變化趨勢，上面層對應(yīng)表面溫度擁有最高變化范圍，大概是10℃左右，上面層、中面層及下面層對應(yīng)底面溫度則呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢，下面層對應(yīng)地面溫度變化大約為4℃左右，基層底部溫度變化為1℃左右，至于路基頂層溫度變化只有0.1℃左右，在路面結(jié)構(gòu)持續(xù)深入中，相關(guān)路面結(jié)構(gòu)會影響內(nèi)部溫度變化，產(chǎn)生穩(wěn)定快速下降特征，此外各結(jié)構(gòu)層溫度最低和最高節(jié)點隨著路基深入呈現(xiàn)出滯后特性[2]。

圖1 2021年1月6日路面溫度場變化

2.4 路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力變化

基于瞬態(tài)溫度場分布，能夠明確當(dāng)下進(jìn)入低溫時節(jié)，瀝青路面整體溫度變化順著結(jié)構(gòu)厚度呈現(xiàn)出不斷上升趨勢，比如前面分析的路面結(jié)構(gòu)2下面層和上面層對應(yīng)底面、表面溫差達(dá)到6℃，瀝青結(jié)構(gòu)層也產(chǎn)生一定溫度應(yīng)力變化，為此在分析瀝青面層具體溫度應(yīng)力過程中，單純結(jié)合上面層、下面層對應(yīng)表面、底面開展系統(tǒng)分析。最后，將瀝青道路各個面層和水穩(wěn)碎石基層各點溫度應(yīng)力作為評價指標(biāo)，深入解析不同瀝青結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)變。

三種瀝青上下面層的溫度應(yīng)力變化具體如圖2所示：

圖2 瀝青面青溫度應(yīng)力變化

通過分析上圖可以發(fā)現(xiàn)，三種結(jié)構(gòu)面層溫度應(yīng)力差距，處于低溫狀態(tài)下，溫度應(yīng)力差值持續(xù)上升，結(jié)構(gòu)1所形成溫度應(yīng)力低于結(jié)構(gòu)2和結(jié)構(gòu)3，其中溫度應(yīng)力最高的是結(jié)構(gòu)2。如果整體溫度較高，則溫度應(yīng)力不會產(chǎn)生明顯影響，對應(yīng)溫度應(yīng)力差值低于0.01MPa。由此可以看出，按照ATB-25設(shè)置下面層結(jié)構(gòu)或針對水泥穩(wěn)定碎石的表面額外設(shè)置10cm級配碎石，能夠有效降低上面層所形成的溫度應(yīng)力，有效緩解瀝青面層的溫度開裂現(xiàn)象。下面層底面對應(yīng)溫度應(yīng)力差距大致和上面層保持一致，溫度應(yīng)力差值超出上面層表面。結(jié)合路面結(jié)構(gòu)對應(yīng)溫度應(yīng)力差值分析，發(fā)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)1在增加級配碎石層后，比起其余路面結(jié)構(gòu)具有更好的溫度應(yīng)力改善成效。由于外部環(huán)境對于路面結(jié)構(gòu)不會形成太大影響，基層溫度應(yīng)力相對較低，因此不會繼續(xù)分析結(jié)構(gòu)間溫度應(yīng)力變化[3]。

2.5 路面結(jié)構(gòu)評價

通過對三種類型的瀝青路面結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力實施有限元分析之后，可以發(fā)現(xiàn)瀝青路面在一些低溫氣候中所承受的溫度荷載作用較大，尤其是在持續(xù)低溫或是驟然降溫的特殊天氣，這種功能將會更加突出，為此導(dǎo)致產(chǎn)生嚴(yán)重的溫度裂縫問題，如果瀝青道路由于結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力變化導(dǎo)致出現(xiàn)溫縮裂縫，則實際溫度下降幅度較大條件下，不同長度裂縫因為尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子作用將會產(chǎn)生一定變化，即該因子越大裂縫也會越長，并且伴隨著溫度幅度的持續(xù)增大，裂縫也會出現(xiàn)線性增長變化，擴(kuò)展速度逐漸加快。若不及時處治瀝青面層裂縫，則會使地表水沿著表面裂縫趨勢下滲到瀝青內(nèi)部，導(dǎo)致瀝青路面的基層被軟化，甚至削弱路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，處于外部凍融反復(fù)循環(huán)背景下，道路基層和路面整體結(jié)構(gòu)含水量擴(kuò)大，由于氣溫較低，容易出現(xiàn)凍脹反應(yīng)，提升體積膨脹率，體積變化還會導(dǎo)致基層和不同結(jié)構(gòu)層出現(xiàn)裂紋，造成更嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性破壞。西藏地區(qū)的瀝青公路由于處于高原地帶，瀝青路面受到溫度應(yīng)力的影響也會比一般平原地帶嚴(yán)重，在溫度應(yīng)力較大的情況下，瀝青路面不僅面層出現(xiàn)裂縫，也會導(dǎo)致內(nèi)部功能被破壞，外部若持續(xù)降溫或是降雨，就會造成凍融循環(huán)，進(jìn)而引發(fā)了路面的結(jié)構(gòu)性損傷，沿著路面結(jié)構(gòu)的厚度方向，溫度應(yīng)力的變化幅度呈減小趨勢，因此，基層位置的溫度應(yīng)力是最小的，其給路面結(jié)構(gòu)造成的影響也最小。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)盡量減小瀝青路面面層溫縮裂縫的要求，將溫度應(yīng)力作為主要評價指標(biāo)，評價此次研究的不同路面組合結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力適應(yīng)性，通過前文對比研究結(jié)果、分析改善效果和專家討論提出的建議，推薦使用AC-13和AC-25結(jié)構(gòu)，在半剛性基層頂面設(shè)置10cm級配的碎石結(jié)構(gòu)，其對于改善溫度應(yīng)力來說效果最佳，且級配碎石結(jié)構(gòu)技術(shù)在西藏地區(qū)公路施工中已經(jīng)實現(xiàn)了推廣應(yīng)用，相關(guān)工藝經(jīng)驗較多，技術(shù)較為成熟。綜合考慮最終推薦適合西藏大溫差地區(qū)的瀝青路面結(jié)構(gòu)為：4cm AC13+6cm AC20+8cm AC25+2cm 碎石封層+10cm 級配碎石+30cm 的水泥穩(wěn)定碎石+20cm 的天然砂礫。

3 結(jié)束語

綜上所述，隨著不同地區(qū)氣候條件和地質(zhì)環(huán)境變化，公路施工中的瀝青結(jié)構(gòu)施工也存在較大差異，為此需要結(jié)合瀝青路面結(jié)構(gòu)施工特征，合理采取有效施工技術(shù)方法，優(yōu)化西藏大溫差地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)施工設(shè)計，改善道路結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力，增強(qiáng)瀝青路面結(jié)構(gòu)綜合性能，延長瀝青路面應(yīng)用期限。