流變學(xué)與瀝青路面病害的探討

———流變學(xué)與瀝青路面病害的探討材料流變學(xué)是一門討論材料流淌及變形規(guī)律的科學(xué)，是依據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變和時(shí)間來討論物質(zhì)的流淌和變形的構(gòu)成與進(jìn)展的一般規(guī)律的科學(xué),所謂流變性實(shí)質(zhì)是固—液兩相同存，是一種粘彈性的表現(xiàn)。瀝青也是一種高分子化合物，具有粘性和彈性，其流變特性與瀝青的針入度、延度、粘度及路面的性能等都有很大的關(guān)系。

瀝青流變性與瀝青的路用性能有直接關(guān)系，在肯定的溫度、時(shí)間和車輛荷載的作用下，瀝青路面會(huì)由于剪應(yīng)力作用而發(fā)生剪切變形，累積到肯定程度便會(huì)發(fā)生剪切破壞。從流變學(xué)角度講，討論瀝青的流變性就是要討論瀝青變形量與溫度、荷重、時(shí)間之間的關(guān)聯(lián)性。

1、利用流變學(xué)評(píng)價(jià)瀝青及瀝青混合料路用性能

（1）針入度反映路面性能。在不同的環(huán)境條件下，瀝青所表現(xiàn)出的流變特性是不一樣的。依據(jù)瀝青的流變特性來推斷瀝青路用性能的好壞。不同針入度，道路的使用壽命也不同，通過試驗(yàn)，依據(jù)瀝青膠結(jié)料硬化對(duì)HMA路面裂縫進(jìn)展影響的討論得出了以下結(jié)論:a.當(dāng)瀝青膠結(jié)料在25℃時(shí)的針入度降至20以下時(shí)，可能發(fā)生嚴(yán)峻路面開裂；b.當(dāng)針入度介于20～30之間時(shí)，可能消失某種程度的開裂；c.當(dāng)針入度高于30時(shí)，就具有高度開裂抗力。

（2）延度反映路面性能。試驗(yàn)表明:路面老化是由于針入度漸漸降低與粘度值漸漸提高。瀝青老化后其延度減小，當(dāng)路面承受的荷載超過路面不被破壞所能承受的荷載時(shí)，由于混合料延度的降低，路面就會(huì)被破壞。另外，在外界溫度降低時(shí)，瀝青的流淌性減小，延度也減小，易產(chǎn)生路面開裂。

（3）勁度反映路面性能。對(duì)大路路面面層而言，抱負(fù)的狀況是在高服務(wù)溫度期望提高瀝青膠結(jié)料勁度以避開車轍，而在低服務(wù)溫度期望瀝青膠結(jié)料降低勁度以反抗低溫收縮開裂。在低溫地區(qū)，經(jīng)常由于路面溫度的降低，使瀝青的勁度增大，在荷載的作用下，路面產(chǎn)生開裂。為此常在瀝青中加入肯定的改性劑，把一般基質(zhì)瀝青改性，以降低其低溫抗裂性。

（4）溫度對(duì)路面流變性的影響。隨著環(huán)境溫度的變化，瀝青混合料的流變特性也有所轉(zhuǎn)變。在環(huán)境溫度很高時(shí)，瀝青因受熱而變軟，此時(shí)瀝青的流淌性大，在交通量比較大的狀況下就會(huì)發(fā)生車轍，使路面發(fā)生破壞；在環(huán)境溫度很低時(shí)，路面由于冷縮作用，瀝青與瀝青之間就會(huì)產(chǎn)生相互的拉應(yīng)力，當(dāng)路面受外力且外力大于瀝青與瀝青之間的拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生破壞而使路面產(chǎn)生開裂。因此，在常年平均溫度較高的地方，應(yīng)選擇軟化點(diǎn)較高的瀝青，而在常年平均溫度較低的地方，可以選擇勁度較小的瀝青。

2、利用流變學(xué)分析路面損壞機(jī)理

2.1路面變形

依據(jù)流變學(xué)原理，荷載對(duì)路面變形的影響由兩部分構(gòu)成：首先，載荷愈大，瀝青路面的蠕變速率及蠕變量就更大，不行回復(fù)的蠕變量更大，即形成更大的永久變形。其次，載荷應(yīng)力降低了瀝青路面本身反抗變形的力量，使變形更簡單產(chǎn)生或更大?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面了解載荷的影響。

（1）荷載大小

蠕變變形：在載荷應(yīng)力大于瀝青混合料的蠕變變形（極限）強(qiáng)度時(shí)，瀝青路面將產(chǎn)生不行回復(fù)的永久變形。瀝青混合料的蠕變強(qiáng)度愈低，載荷應(yīng)力愈大，愈簡單形成蠕變變形。

“剪切變稀”和“應(yīng)變軟化”：瀝青粘度將隨荷載應(yīng)力增大而呈指數(shù)關(guān)系降低，因而變形量將隨載荷應(yīng)力增大而呈指數(shù)倍數(shù)關(guān)系增大。也就是說，載荷增加一倍，因?yàn)r青粘度降低引起的路面變形可能會(huì)增加幾十倍。

“滯后耗散能加熱”：瀝青因粘彈性滯后耗散能而產(chǎn)生“滯后加熱”現(xiàn)象，造成溫度上升，粘度降低，變形量增大。滯后產(chǎn)生的熱量與應(yīng)力是平行關(guān)系。也就是說，載荷增加一倍，路面變形會(huì)因“滯后加熱”成倍增加。

一般來講，路面的嚴(yán)峻車轍變形都是在高溫天氣及重型荷載作用下，瀝青因巨大的“剪切變稀”及“滯后加熱”而落入其次牛頓區(qū)所致。所以，應(yīng)禁止超載行車，尤其是高溫季節(jié)。

（2）荷載頻率（交通流量）

依據(jù)流變學(xué)原理，行車頻率與荷載一樣，“滯后特性”耗散能將造成瀝青路面溫度上升，因此，路面反抗變形的力量隨交通量增加而降低。此外，交通量增加也將加速蠕變疲憊，降低路面的壽命。

（3）荷載時(shí)間（行車速度）

行車速度愈慢，蠕變時(shí)間則愈長，更簡單形成不行回復(fù)的蠕變變形。國外的路面破壞不如我國嚴(yán)峻，這可能也是一個(gè)不行忽視的緣由，由于國外的載重卡車在高速大路上的行車速度和商用轎車差不多。在高速大路上規(guī)定最低行車速度看來也是必要的，有利于愛護(hù)路面。

因此，依據(jù)流變學(xué)理論，提高瀝青混合料抗變形力量只有通過提高材料學(xué)參數(shù)粘度、模量和蠕變強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)。而實(shí)現(xiàn)這一思想的材料與工藝技術(shù)手段主要包括：

集料堆砌嵌擠的級(jí)配（如SMA等）：增大混合料模量；

瀝青改性（改性或高粘度瀝青等）：增大混合料粘度；

摻加纖維（如木質(zhì)纖維）：增大混合料粘度和蠕變強(qiáng)度。

2.2路面裂紋

在路面裂紋方面，一種方法是我們采納了不產(chǎn)生裂紋的柔性路面，或者加鋪應(yīng)力汲取層，這樣雖然可以起到肯定的作用，但沒有根本解決這一問題，由于柔性路基對(duì)溫度收縮裂紋沒有太大作用。另一個(gè)方法是增加面層厚度來延遲反射裂縫的擴(kuò)展，但隨著時(shí)間的推移，溫度收縮裂縫還是會(huì)發(fā)生的。

因此，我們惟有提高瀝青混合料抗裂力量，“增加”和“增韌”瀝青混合料才能從根本上解決裂紋問題。纖維復(fù)合材料法是解決裂紋問題的有效的科學(xué)方案。

2.3車轍問題

車轍變形是當(dāng)前世界上熱拌瀝青砼路面高溫病害的主要破壞形式，與熱拌瀝青混合料的粘彈性質(zhì)有關(guān)。混合料的粘彈性變形問題可用蠕變的基本原理來解決，變?cè)囼?yàn)是目前普遍接受的測定熱拌瀝青混合料潛在永久變形性質(zhì)的基本方法。

2.3.1車轍防治措施

（1）瀝青路面協(xié)作比設(shè)計(jì)以提高高溫穩(wěn)定性為目標(biāo)

盡可能采納粘度高、稠度高、高溫穩(wěn)定性好的低標(biāo)號(hào)瀝青，或采納具有以上特點(diǎn)的改性瀝青。

協(xié)作比設(shè)計(jì)應(yīng)避開使用密實(shí)-懸浮結(jié)構(gòu)，盡可能采納大顆粒瀝青混凝土和骨架-密實(shí)結(jié)構(gòu)。

爬坡部位，加減速車道，平叉道口部位300～500m范圍，上下行有明顯區(qū)分的重型交通道路的較重側(cè)半幅道路，實(shí)行大粒徑、抗剪力量更強(qiáng)、高溫穩(wěn)定性更好的協(xié)作比。

采納合適的空隙率，掌握飽和度一般不超過65%，并采納適度略大的粉膠比和適度略小的瀝青用量，瀝青用量可略低于最佳瀝青用量0.05%～0.1%。

（2）施工過程中嚴(yán)格掌握拌和質(zhì)量，防止混合料離析

采納經(jīng)過二次加工，顆粒外形近似正六面體的骨料，而不是目前生產(chǎn)水泥混凝土的碎石。

在料溫較高的狀況下碾壓，掌握壓實(shí)溫度和遍數(shù)，既保證壓實(shí)度，又防止過分碾壓，終壓時(shí)不再開振動(dòng)，確保粗骨料顆粒完好。

保證施工協(xié)作比與設(shè)計(jì)協(xié)作比相同，強(qiáng)化施工管理，尤其是上料口，防止骨料混裝。

削減混合料離析。攤鋪機(jī)的最大攤鋪寬度宜小于6m，削減混合料橫向傳送距離，重點(diǎn)項(xiàng)目或重交通道路，應(yīng)在攤鋪機(jī)和自卸汽車間使用混合料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備削減混合料離析。

2.4泛油問題

瀝青路面泛油現(xiàn)象的廣泛性，以及SMA改性瀝青路面發(fā)覺的新型泛油現(xiàn)象，除了傳統(tǒng)的各種機(jī)理解釋外，從瀝青的流變學(xué)行為入手分析瀝青路面的泛油緣由。利用前述的流變學(xué)原理，粘彈性的瀝青混合料的彈性流變效應(yīng)引起了牛頓體的一些現(xiàn)象：爬桿現(xiàn)象、擠出脹大現(xiàn)象、剪切變稀現(xiàn)象、無管虹吸現(xiàn)象，這些現(xiàn)象以流變學(xué)為基礎(chǔ)，形象地表達(dá)了泛油機(jī)理。

泛油的防治措施有：

防治空隙率過小的泛油類型，對(duì)于各種類型路面嚴(yán)格規(guī)定空隙率，施工單位要保證施工質(zhì)量；

嚴(yán)格掌握壓實(shí)度，壓實(shí)度不足，會(huì)消失車轍、泛油；

由于大空隙率、高速行車和水的綜合作用是動(dòng)水作用型泛油的主要緣由。因此，在混合料設(shè)計(jì)上對(duì)不同空隙率的混合料不應(yīng)使用相同的粘附性標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)依據(jù)瀝青混凝土面層中各層孔隙率的不同，對(duì)瀝青與集料的粘附性要求應(yīng)