青海省高寒地区沥青路面应用综述

冯卫靖

南阳市公路工程处 河南 南阳 473000

摘要：通过国内外研究的调研，高寒地区沥青路面质量的影响因素较多，复杂的气候特征寄予沥青面层设计应具有耐久性、抗水损害、抗低温以及满足行车载荷等的要求。

关键词：高寒地区；沥青路面；应用综述

高寒地区复杂恶劣的水文地质及气候环境条件给公路工程建设提出了极大的挑战和更高的要求，严酷的建设条件与使用环境给公路工程的安全性和服役寿命造成了巨大影响。由于蒸发量大、日温差大、全年低温期长的气候条件下半刚性基层收缩开裂严重并且强度难以形成；高原强紫外线照射环境下公路沥青面层的快速老化，持续低温作用以及高低温循环变化使得沥青面层发生低温开裂与冻融、冻胀破坏，路用性能大幅降低；强紫外线辐射、冷热频繁交替和大温差等环境因素的耦合作用，导致路面结构温度疲劳加剧，并对路面结构内部应力场分布造成显著影响，大大加速了路面结构和材料的疲劳损伤与性能退化，出现高温车辙、低温开裂、龟裂、网裂等早期病害；高寒地区重车较多，日益增加的交通量也对路面的稳定性和耐久性提出严峻考验。此外，高寒地区的低温施工环境对沥青路面的质量保证造成较大困难，有效施工期短常常导致工期延长，建设成本大大增加。

1.国内外研究现状

1.1国外研究现状

从20世纪60年代起，加拿大率先对国内路面进行调查研究，路面抗裂与材料低温性能逐渐成为国际道路界的重要研究内容，特别是美国，SHRP、Superpave的沥青结合料路用性能规范中明确提出了以沥青结合料弯曲蠕变试验（BBR）的极限劲度模量和沥青劲度模量曲线的斜率，以及直接拉伸试验破坏时的极限拉伸应变作为评价沥青低温性能的指标，沥青混合料配合比设计也包括了沥青路面抗裂能力的检验。加拿大、日本、澳大利亚及欧洲许多国家也先后在国家计划中对路面低温开裂进行了重点研究，各国铺筑了许多试验路，研究影响温度开裂的因素，一致的结论是：沥青本身的特性是影响低温开裂的主要因素，并提出了表征其低温品质的指标，这些指标包括：沥青针入度、劲度、针入度指数PI、针入度粘度指数PVN、低温延度、弗拉斯脆点等。

在加拿大广大寒冷地区，道路工程上广泛采用沥青稳定基层以降低路面开裂。除此之外，加拿大还研究了纤维作为添加材料改善沥青路面抗反射裂缝性能。20世纪80年代，聚合物纤维得到广泛应用，加入纤维以改善沥青路面的路用性能得到越来越多的应用。其使用目的也由最初的抗反射裂缝转变为对混合料综合性能的改善。使用场合也由最初的沥青加铺层发展到应用于SMA路面、OGFC路面、薄层沥青混凝土等路面结构中。

在澳大利亚中部寒冷地区，常采用15cm级配碎石中间层作为降低路面反射裂缝的措施，且使用效果良好。澳大利亚的研究还表明：级配碎石在寒冷地区用做下基层，而上基层采用沥青稳定类材料效果较好，这样对级配碎石的强度和级配要求就可相对降低。

针对美国中部寒冷地区路面耐久性差的问题，美国在1987年开展的路面长期使用性能（LTPP）研究计划，对2400多条沥青或水泥路面使用状况进行了长达20年的跟踪研究，希望找出一些路面使用性能优于其他路面的原因，所搜集的大量数据用于改进公路路面设计、施工、养护等。

此外，Vinson. et al. 等人指出低温开裂和车辙是寒区沥青混凝土路面破坏形式中与温度有关的的两种破坏类型，指出可以采用结合沥青结合料和集料试验结果的设计方法来减少沥青路面结构中发生低温开裂和车辙的可能性。Guy Dore等人认为寒区沥青路面存在的主要问题有：①沥青混凝土路面的低温开裂，冰冻会加剧裂缝的发展；②沥青混凝土路面的冻胀开裂；③不均匀冻胀引起的季节性和长期的路面不平整；④春融期间道路承载力的降低。许多文献均指出北方寒冷地区的沥青面层裂缝主要有:沥青面层本身的低温收缩裂缝、基层的收缩裂缝而引起面层的反射裂缝及土基冻胀引起的冻胀裂缝等，指出可丛优选路面材料、优化路面结构及加强路基处理等方面来减轻这些病害。

1.2国内研究现状

我国“七五”、“八五”国家重点科技攻关项目，对道路沥青及沥青结合料的低温做了大量的研究工作，提出采用沥青的当量脆点、10℃或5℃的延度来表征沥青在低温时的性能。但是，高寒地区的极限温度非常低，10℃或5℃的延度也不足以反映沥青胶结料在此环境下的低温性能。国内的一些科研机构，如长安大学、北京市政工程研究院、交通部第一公路勘查设计研究院等虽然也对沥青路面的低温抗裂性能研究积累了不少成果和经验，但目前对沥青胶结料低温性能评价指标仍存在很多不同意见。

西南交通大学土木工程学院的邱延峻、艾长发等研究认为，高寒地区沥青路面路用性能的保证取决于路面设计是否能充分考虑高寒气候特征，并在材料和结构设计中采取有针对性的措施。由于传统上沥青路面设计规范所依据的路面调查资料无法真实描述高寒地区的路面状态，因此极有必要开展高寒地区新型路面结构行为与适应性研究。其在广泛的路面调查基础上，结合数值计算分析，提出了柔性结构、倒装结构、全厚式结构和复合结构等几种新型路面结构形式，并通过郎川公路改建工程试验路进行了验证，证明了高寒地区路面结构适应性设计采用柔性基层的有效性，并推荐了高寒地区沥青路面优选结构。同济大学的郭韦韦和张祖棠等针对我国高寒地区低温及光照辐射强的气候特点，采用氙灯老化箱模拟沥青混合料所受光照作用，对沥青混合料进行人工加速光老化。通过劈裂试验、小梁弯曲试验、低温收缩试验，研究不同时照的光老化对沥青混合料的低温性能影响程度。试验结果表明，经历一定年限的光老化会对基质沥青混合料的低温性能产生显著的影响，而用SBR添加剂能有效防治混合料的光老化，改善混合料的低温性能，为高寒地区沥青路面选择合适的沥青材料和光老化研究提供参考。

在我国高寒地区修筑公路，由于高寒的气候条件，主要解决的是低温抗裂性能、低温抗疲劳性能、耐久性以及受当地地理、地质因素制约而引起的一些施工技术问题。在这些方面，该地区主要省份也展开了一些相关研究。青海省为提高高寒地区路基压实度和稳定性开展了《干旱地区路基压实性能应用研究》，同时还开展了《沥青玛蹄脂碎石混合料推广应用研究》、《土壤固化剂在青海道路工程中的应用研究》等课题。黑龙江省开展的“寒冷地区高等级公路沥青路面结构抗裂措施的研究”对西北地区沥青路面抗裂性能研究有一定的借鉴意义。该项研究的内容包括：级配碎石作为路面结构上基层对反射裂缝的隔断作用，以及相应路面结构的设计问题；土工布对抑制路面反射裂缝的机理和作用效果的研究；土工格栅对抑制路面反射裂缝的机理和作用效果的研究。该技术的普及推广应用对降低寒冷地区沥青路面的开裂率，延长路面开裂间距具有重要意义。此外，高寒地区新的路面结构类型也在逐渐拓展，例如西藏天昶建设工程有限责任公司采用温拌温铺沥青混凝土初次在青藏高原公路施工技术上进行尝试和应用，甘肃路桥建设集团在乌鞘岭高寒地区进行了SMA和Superpave沥青混合料的面层铺筑等。

2.青海省高寒地区沥青路面存在的问题

青海省高寒地区路面病害的逐年增多，该区域的路面施工一直处于探索阶段，缺乏系统的研究，由此导致的问题也有很多，主要表现在以下两个方面。

2.1青海省高寒地区沥青路面结构耐久性不足问题

青海省高寒地区沥青路面面临的首要问题是路面耐久性不足，使用寿命短，尤其早期损坏现象严重。无论是新建工程还是改建工程均面临此类问题，很多路段在建成通车后还未完成交工验收就开始出现沥青路面早期损坏，甚至有些路段未能进行竣工验收就转而投入病害整治。沥青路面耐久性而导致的早期路面破坏是青海省高寒地区所面临的重要问题。课题组对全省高寒区域内的沥青路面展开了深入的实地调查。实地调查结果表明，区域内沥青路面早期损坏类型虽然存在一定差异，但沥青路面早期损坏开始出现的时间却都基本都是在建成通车之后的2年以内。

2.2青海省高寒地区沥青路面结构设计存在的问题

青海省高寒地区沥青路面的早期破坏在很大程度上归结于设计和施工方面的原因，主要表现在以下几个方面：

（1）高寒地区路面结构设计对于交通参数、气候影响的考虑不充分。青海省各地区社会经济发展不平衡直接导致了各地区交通水平的明显差异。沥青路面结构设计过程存在的问题首先表现为对于交通量等级的考虑不是很充分，设计过程中基本不考虑不同区域的交通量等级差异，或者是后期的车流量超出了当初的设计标准，造成这一现象的原因在于结构设计更多地依赖于设计者的经验，公路等级确定后路面结构组合也基本确定。再者，道路沥青及其混合料受气候环境因素的影响较大。应根据不同地区的气候特点，选择恰当的沥青，使沥青路面具有较强的高温抗车辙能力和低温抗裂性能、水稳定性，从而延长路面的使用寿命。因此，路面结构设计有必要结合青海省高寒地区交通的实际情况，在考虑公路等级的同时，也考虑交通量等级和气候因素的影响。

（2）路面结构层材料设计不合理。主要表现为结构层材料设计参数在缺少经试验论证环节而直接取用设计规范推荐范围的中值，结构层材料设计参数与实际路用性能缺乏关联性。近几年，青海省沥青路面施工设备日益精良，施工经验也在不断提高，但沥青路面的早期损坏现象并没有明显好转，沥青路面使用寿命距离设计年限仍然十分遥远。因此，有必要对结构层材料设计展开研究。

（3）高寒地区沥青面层选择相对单一。在青海省已有的路面结构类型中，应用最多的基本都是AC类沥青面层结构，且大多为一层或者两层设计。高寒地区特殊的低温条件和复杂的环境影响，往往要求作为路面功能层的沥青面层要有更好特性，从高寒地区的路面破坏类型来看，沥青混合料应具有足够的抗水损害性能、抗低温性能、高耐久性及具有适应当地交通量载荷要求的模量等。

（4）高寒地区路面施工控制不完善。高寒地区由于独特的气候特点和自然特征，致使其热拌沥青混合料路面施工中存在很多问题，工程质量与进度管理难度增大。高寒地区沥青混合料片石料源选择及加工→沥青混合料的配合比设计→沥青混合料的拌和与摊铺等整个过程的施工控制与现行规范均存在很大的差异。为此，应结合工程特点，进行深入全面的分析和研究，解决高寒地区热拌沥青混合料路面的施工质量控制。为切实改善青海省高寒地区沥青路面的施工质量，提高沥青路面使用寿命，发挥沥青路面对青海社会经济发展的推动作用，有必要在总结分析青海省公路沥青路面存在问题的基础上，结合国内外的先进经验和高寒气候对沥青胶结料和混合料的性能影响关系，系统地进行青海省沥青路面结构优化选择及后续的质量控制。

3.结论

针对高寒地区低温和光老化作用显著的特点，提出沥青结合料的适应性选型指标、适用的改性沥青材料及其技术指标；系统研究基于高寒地区路面使用功能的开级配抗裂沥青碎石混合料和矿物复合纤维沥青混合料等在高寒地区的组成设计方法及应用技术；对高寒地区不同类型的沥青路面结构型式进行适用性分析，提出基于低温抗裂要求的沥青路面结构设计方法，推荐合理的路面结构，并提出相应的施工工艺与质量控制技术。