高速公路沥青路面低温抗裂性能研究

高速公路沥青路面低温抗裂性能研究

张慧羽傅甜甜

河南高速公路试验检测有限公司 河南  荥阳   450121

摘要：随着车辆大型化以及交通量的逐年增长，沥青路面病害问题愈加严重。受大气降温影响和自身感温性强等作用，沥青路面极易发生低温开裂现象。为此，本文在全面了解沥青路面低温开裂原因的基础上，阐述了影响沥青混合料低温抗裂性能的主要因素，并对其低温抗裂性能进行了试验检测分析，以期改善路面使用性能。

关键词:高速公路；沥青路面；低温抗裂性能

引言

在当今社会，公路交通扮演着越来越重要的角色，而沥青路面因其具有良好的耐磨、防滑和降噪性能，已成为公路建设的主要路面形式。然而，由于车辆载荷、环境因素和材料老化等多种因素的影响，沥青路面在使用过程中容易出现各种损坏，如裂缝、坑槽、车辙等，尤其是路面开裂问题，这不仅影响路面的美观，更严重的是威胁到道路的安全使用，为此，如何减少及控制路面裂缝极为重要。温度变化是导致沥青路面开裂的重要原因之一，基于此，开展高速公路沥青路面低温抗裂性能研究具有重要意义。

一、沥青路面低温开裂的原因

沥青路面因其优异的性能在高等级路面中得到了广泛应用，然而，由于行车荷载和自然因素等影响，沥青路面很容易出现低温开裂现象，究其原因在于以下几点：

1、温度变化。在低温条件下，沥青材料的弹性和塑性会发生变化，导致路面产生收缩或膨胀，从而引发开裂。此外，昼夜温差大、季节性温度变化等也会对沥青路面的性能产生影响，加剧路面的开裂。

2、沥青材料的老化。沥青材料在长期使用过程中会逐渐老化，性能下降。老化的沥青材料在低温条件下更容易发生收缩或变形，导致路面开裂。此外，紫外线、氧气、水等因素也会加速沥青材料的老化过程。

3、路基不均匀沉降。路基不均匀沉降会导致沥青路面受力不均，产生应力集中现象，从而引发路面开裂。这种情况通常与施工过程中的质量问题有关，如填料不均匀、压实度不足等。

4、车辆荷载的影响。车辆对路面的重复碾压和超载现象会导致路面产生疲劳裂缝。特别是在低温条件下，沥青材料的弹性模量降低，更容易受到车辆荷载的影响。

5、设计缺陷和施工工艺问题。设计缺陷和施工工艺问题也可能导致沥青路面开裂。例如，路面结构不合理、排水设计不当、施工缝处理不当等都可能成为路面的薄弱环节，在低温条件下容易开裂。

二、影响沥青混合料低温抗裂性能的因素

1、沥青性质

（1）沥青的种类。影响沥青混合料低温抗裂性能的重要因素包括沥青的种类，不同种类的沥青具有不同的分子结构和化学成分，从而影响其在低温下的性能表现。常见的沥青种类包括石油沥青、煤焦油沥青和天然沥青等。其中，石油沥青在道路建设中应用广泛，其低温性能相对较好。

（2）沥青的硬度和韧性。沥青的硬度和韧性也是影响沥青路面低温抗裂性能的关键因素。硬度高的沥青在低温下不易变形，能够更好地抵抗裂缝的产生。而韧性好的沥青则能够吸收更多的能量，减少裂缝的扩展。因此，选择硬度和韧性适中的沥青对于提高沥青混合料的低温抗裂性能至关重要。

2、混合料组成

（1）集料级配。级配良好的集料能够提供更好的嵌锁作用，提高混合料的抗剪切能力，从而减少裂缝的产生。同时，合理的集料级配还能够提高混合料的密度和压实度，进一步增强其低温抗裂性能。

（2）细集料和填料的质量。细集料和填料的质量直接影响了沥青混合料的低温抗裂性能。优质细集料和填料能够提高混合料的粘结力和内聚力，从而提高其低温抗裂性能。因此，在施工过程中应严格控制细集料和填料的质量，确保其符合规范要求。

3、外加剂和外掺料

（1）外加剂对低温抗裂性能的影响。某些高分子聚合物或橡胶类外加剂能够提高沥青的弹性和韧性，从而增强混合料的低温抗裂性能。同时，一些外加剂还能够改善沥青与集料之间的粘附性，进一步提高混合料的路用性能。

（2）外掺料对低温抗裂性能的影响。某些具有优异低温性能的纤维类外掺料能够提高混合料的韧性和抗剪切能力，从而减少裂缝的产生和扩展。此外，一些活性外掺料能够与沥青发生化学反应，形成更加稳定的结构，进一步提高混合料的低温抗裂性能。

三、沥青混合料低温性能试验分析

在沥青混合料低温性能评价当中，抗弯拉强度是最常见的低温性能评价指标，通过抗弯拉强度可以准确低温条件下，沥青混合料抵抗拉应力的能力情况，一般来讲，抗弯拉强度越大，则混合料抗低温拉应力能力越好，两者呈正比。低温条件下，沥青混合料的变形能力可由最大弯拉应变反映，最大弯拉应变增加，则混合料的抗变形能力越好。除此之外，还需要考虑弯曲劲度模量，弯曲劲度模量越高，越容易出现混合料裂缝。

1、小梁弯曲试验分析

按照公路沥青混合料现行试验标准要求，在沥青混合料低温性能评价中，可采用小梁弯曲试验。此次以万能材料试验机完成测定。试验流程如下：

第一，通过轮碾压成型，车辙板的尺寸为300mm（长）*300mm（宽）*100mm（厚）；

第二，通过切割机切割成尺寸满足标准规定的小梁试件，试件尺寸为250mm（长）*30mm（宽）*35mm（高）；

第三，设定一组试验的根数，每组4根小梁试件；

第四，设定-10℃试验温度，确定单点集中加载方式，确定跨径、加载速率。

第五，按照既定公式计算小梁弯曲破坏时的三个评价指标，即抗弯拉强度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量。公式如下：

公式一：抗弯拉强度计算公式

RB=3LPB/2bh2

试件破坏条件下，RB代表抗弯拉强度；L代表试件跨径；PB代表最大破坏荷载；h代表跨中断面试件高度；b代表跨中断面试件的宽度。

公式二：最大弯拉应变计算公式

εB=6hd/L2

试件破坏条件下，εB代表最大弯拉应变；d代表跨中挠度。

公式三：弯曲劲度模量计算公式

SB=RB/εB

试件破坏条件下，SB代表弯曲劲度模量。

2、小梁弯曲试验结果

表1为-10℃条件下，不同级配沥青混合料的小梁弯曲试验检测结果。

表1  不同级配最大弯拉应变、极限弯拉劲度模量结果分析

由此可见，对于沥青混合料的低温抗裂能力来讲，主要决定因素在于2点：

第一，低温断裂条件下，混合料所承受的最大破坏荷载的大小；第二，低温条件下，沥青混合料的抗变形能力，也就是最大弯沉应变。通过表1可知，在-10℃低温条件下，按照从高到低的顺序依次排列，上述四种连续型密级配沥青混合料的最大弯拉应变当中，最高值为AC-25-1级配，最低值为AC-25-3级配，但总体来讲，上述四种连续型密级配沥青混合料的最大弯拉应变值都可达到规定标准（≥2500），从而表明，捣实试验设计的级配稳定性较好。

由各级配极限弯拉劲度模量检测结果可见，在相同低温条件下，AC-25-3级配的弯曲劲度模量最高，可以达到3600MPa，AC-25-1级配的弯曲劲度模量最小，为2800MPa。一般来讲，沥青混合料的弯曲劲度模量越高，则说明其低温抗裂性能越差。由此可见，在不同级配沥青混合料当中，低温抗裂性能较高的级配为AC-25-1与AC-25-2。究其原因在于上述两个级配的油石比偏大，沥青混合料当中沥青用量大，在低温环境下，沥青材料具有较强的变形能力，增强了混合料的低温稳定性。这也说明了，沥青混合料的低温性能与最佳油石比之间存在必然的联系。

四、结束语

综上所述，低温开裂是沥青路面常见病害，裂缝初期对路面的使用性能并无明显影响，随着裂缝的不断扩大，雨水等下渗，将会增加土基的含水量，甚至达到饱和状态，大幅降低路基承载能力。在行车荷载作用下，极易加重路面病害，缩短路面的使用寿命。为此，必须了解低温开裂的原因，找出影响因素，采取科学、有效的措施，改善路面低温抗裂性能，提高沥青路面服务水平。

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