外界溫度及透水性對瀝青路面壽命的影響

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目前瀝青路面的設(shè)計方法是建立在路面層狀彈性體系理論的基礎(chǔ)上,依據(jù)車輛荷載的反復(fù)作用使結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生疲勞破壞這種原理,確定路面的設(shè)計使用年限,即耐久性設(shè)計。通過對瀝青路面使用情況的大量調(diào)查,發(fā)現(xiàn)瀝青路面普遍存在的質(zhì)量問題主要是大部分路面未達到設(shè)計使用年限即發(fā)生早期破壞。這些早期破壞大都與瀝青路面的外界溫度和透水性有關(guān)。下面,筆者就此進行分析。
    一、外界溫度對瀝青路面壽命的影響
    1.高溫影響
    高溫對瀝青耐久性的影響是由于熱能加速瀝青分子的運動,施工加熱引起瀝青中輕質(zhì)油分揮發(fā)外,還能促進瀝青化學(xué)反應(yīng)的加速,導(dǎo)致|考試|大|瀝青技術(shù)性能降低,甚至產(chǎn)生嚴重劣化。瀝青混合料的強度和抗變形能力與溫度的升降成反比。溫度升高時瀝青的粘滯度降低,礦料之間的粘結(jié)力削弱,導(dǎo)致強度降低。在停車地點(平面交叉路口、停車站、停車場等)和行車變速的路段上,由于行車的啟動和制動,加速與減速,路面可能受到很大的水平作用力(可達到0.6~0.8MPa),大體上與垂直應(yīng)力相當(dāng),并且在車輛的重復(fù)荷載作用下會發(fā)生累積變形。此時若瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足,路面就會產(chǎn)生較大的剪切變形,導(dǎo)致路面的破壞。
    影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的因素主要是:瀝青和礦料的性質(zhì)、其相互作用的特性、礦料的級配組成等。為了提高瀝青混合料的高溫定性,可采用提高粘結(jié)力和內(nèi)摩阻力的方法。在混合料中增加粗礦料含量,或降低剩余空隙率,使粗礦料形成空間骨架結(jié)構(gòu),就能提高混合料的內(nèi)摩阻力。適當(dāng)提高瀝青材料的粘稠度,控制瀝青與礦粉的比值,嚴格控制瀝青用量,采用具有活性的礦粉,以改善瀝青與礦粉的相互作用,就能提高混合料的粘結(jié)力。此外,在瀝青混合料中使用滲入聚合物(如天然橡膠、合成橡膠、聚乙丁烯、聚乙烯等)改性的瀝青,也能取得比較滿意的效果。
    2.低溫影響
    當(dāng)瀝青路面溫度降低時,瀝青粘滯度增高,因而強度增大,強度隨溫度而變化的幅度很大,相差幾倍甚至幾十倍。氣溫下降,特別是在急驟降溫時,會在路面結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生溫度梯度,路面面層遇降溫而收縮的趨勢會受到其下部層次的約束,在面層產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過瀝青混凝土的強度時,就會造成面層開裂。瀝青路面的低溫縮裂,大致可分為兩類:一類是溫度下降造成路面開裂,它與瀝青混合料的體積收縮有關(guān)。這種裂縫是由表面開始發(fā)裂而逐漸發(fā)展成為裂縫;另一類是屬于路基或基層收縮與冰凍共同作用而產(chǎn)生的裂縫,這類裂縫是從基層開始逐漸到瀝青面層開裂。裂縫的出現(xiàn),往往就是瀝青路面損壞的開始,隨著低溫循環(huán)的影響,裂縫會進一步擴展,隨后雨水由裂縫滲入路面結(jié)構(gòu),逐漸導(dǎo)致路面工作狀況惡化。另外,路面所在地區(qū)的氣溫愈低,開裂愈嚴重。
    使用稠度較低、對溫度敏感性低的瀝青,可以減少或延緩路面的開裂,適當(dāng)增加瀝青面層的厚度可以減少或延緩路面的部分開裂,但是不能根除。
    3.溫度升降的綜合影響
    瀝青材料在較高溫度條件下,具有良好的應(yīng)力松弛性能,溫度升降產(chǎn)生的變形不致產(chǎn)生過高的溫度應(yīng)力。但在冬季氣溫驟降時,瀝青混合料的應(yīng)力松弛趕不上溫度應(yīng)力的增長,同時勁度急劇增長,超過混合料的極限強度或極限拉伸應(yīng)變,使會其產(chǎn)生開裂。這種情況在瀝青面層與基層的附著力不夠好,可允許有一定的自由伸縮時,更易發(fā)生。這是一次性降溫造成的溫度收縮裂縫。另一種情況是溫度反復(fù)升降導(dǎo)致溫度應(yīng)力疲勞,使混合料的極限拉伸應(yīng)變(或勁度,模量)變小,又加上瀝青的老化使瀝青剛度增高,應(yīng)力松弛性能降低,故可能在比一次性降溫開裂溫度更高的溫度下開裂,同時裂縫是隨著透水路齡的增加而不斷增加。
    二、瀝青路面的透水性對路面壽命的影響
    瀝青材料是由一些及其復(fù)雜的高分子的碳氫化合物的非金屬(氧、硫、氮)的衍生物所組成的混合物。由于其本|考試|大|身的技術(shù)特性很復(fù)雜,因此透水性與其許多技術(shù)特性有關(guān)。此外,瀝青路面的透水性與瀝青混合料的空隙率密切相關(guān),空隙率的大小與礦料級配,瀝青用量以及壓實度有關(guān),從耐久性的角度出發(fā),空隙率大的混合料不耐久。
    水分的來源有兩種情況:一種是常見的雨季降雨,從路表面逐漸向下滲入混合料內(nèi)部,路面空隙率大充滿水分,這就成為松散、坑槽破壞的主要原因;另一種是雪水從路面裂縫滲入到基層,也可從基層上升進入到瀝青混合料中,或冬季基層下的水分通過毛細作用向上聚積形成聚冰。瀝青面層修筑后,由于它的透水率小,待到春融季節(jié),融化的過分水量一下子蒸發(fā)不出去,滯留在面層混合料中,以水膜或水氣的形式影響著瀝青與集料的粘附性,使石料與瀝青的粘附性降低。在長期的交通荷載反復(fù)搓揉作用下,由下而上滲入混合料內(nèi)部,使瀝青膜與集料開始剝離,漸漸地集料開始松散、掉粒,行車時,易發(fā)生顆粒推移,產(chǎn)生體積膨脹以及出現(xiàn)力學(xué)強度顯著降低等現(xiàn)象,引起路面早期破壞。因此,為了提高耐久性,減輕瀝青地老化,增加瀝青與集料地粘附性,這就要求瀝青混合料地空隙率盡量減小,并要求基層和土層有較好的水穩(wěn)性。