流變學(xué)與瀝青路面病害的探討
2015-07-06
前言：材料流變學(xué)是一門研究材料流動及變形規(guī)律的科學(xué)，是根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變和時間來研究物質(zhì)的流動和變形的構(gòu)成與發(fā)展的一般規(guī)律的科學(xué),所謂流變性實質(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，在一定的溫度、時間和車輛荷載的作用下，瀝青路面會由于剪應(yīng)力作用而發(fā)生剪切變形，累積到一定程度便會發(fā)生剪切破壞。從流變學(xué)角度講，研究瀝青的流變性就是要研究瀝青變形量與溫度、荷重、時間之間的關(guān)聯(lián)性。
1、利用流變學(xué)評價瀝青及瀝青混合料路用性能
?。?）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。根據(jù)瀝青的流變特性來判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，根據(jù)瀝青膠結(jié)料硬化對HMA路面裂縫發(fā)展影響的研究得出了以下結(jié)論:a.當(dāng)瀝青膠結(jié)料在25℃時的針入度降至20以下時，可能發(fā)生嚴(yán)重路面開裂；b.當(dāng)針入度介于20～30之間時，可能出現(xiàn)某種程度的開裂；c.當(dāng)針入度高于30時，就具有高度開裂抗力。
?。?）延度反映路面性能。試驗表明:路面老化是由于針入度逐漸降低與粘度值逐漸提高。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，由于混合料延度的降低，路面就會被破壞。另外，在外界溫度降低時，瀝青的流動性減小，延度也減小，易產(chǎn)生路面開裂。
?。?）勁度反映路面性能。對公路路面面層而言，理想的情況是在高服務(wù)溫度期望提高瀝青膠結(jié)料勁度以避免車轍，而在低服務(wù)溫度期望瀝青膠結(jié)料降低勁度以抵抗低溫收縮開裂。在低溫地區(qū)，常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一定的改性劑，把普通基質(zhì)瀝青改性，以降低其低溫抗裂性。
?。?）溫度對路面流變性的影響。隨著環(huán)境溫度的變化，瀝青混合料的流變特性也有所改變。在環(huán)境溫度很高時，瀝青因受熱而變軟，此時瀝青的流動性大，在交通量比較大的情況下就會發(fā)生車轍，使路面發(fā)生破壞；在環(huán)境溫度很低時，路面由于冷縮作用，瀝青與瀝青之間就會產(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，就會產(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
根據(jù)流變學(xué)原理，荷載對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，不可回復(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抵抗變形的能力，使變形更容易產(chǎn)生或更大?？梢詮囊韵聨讉€方面了解載荷的影響。
?。?）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，瀝青路面將產(chǎn)生不可回復(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，愈容易形成蠕變變形。
“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，因瀝青粘度降低引起的路面變形可能會增加幾十倍。
“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，造成溫度升高，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，路面變形會因“滯后加熱”成倍增加。
一般來講，路面的嚴(yán)重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”而落入第二牛頓區(qū)所致。所以，應(yīng)禁止超載行車，尤其是高溫季節(jié)。
?。?）荷載頻率（交通流量）
根據(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升高，因此，路面抵抗變形的能力隨交通量增加而降低。此外，交通量增加也將加速蠕變疲勞，降低路面的壽命。
（3）荷載時間（行車速度）
行車速度愈慢，蠕變時間則愈長，更容易形成不可回復(fù)的蠕變變形。國外的路面破壞不如我國嚴(yán)重，這可能也是一個不可忽視的原因，因為國外的載重卡車在高速公路上的行車速度和商用轎車差不多。在高速公路上規(guī)定最低行車速度看來也是必要的，有利于保護(hù)路面。
因此，根據(jù)流變學(xué)理論，提高瀝青混合料抗變形能力只有通過提高材料學(xué)參數(shù)粘度、模量和蠕變強(qiáng)度來實現(xiàn)。而實現(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，一種辦法是我們采用了不產(chǎn)生裂紋的柔性路面，或者加鋪應(yīng)力吸收層，這樣雖然可以起到一定的作用，但沒有根本解決這一問題，因為柔性路基對溫度收縮裂紋沒有太大作用。另一個辦法是增加面層厚度來延遲反射裂縫的擴(kuò)展，但隨著時間的推移，溫度收縮裂縫還是會發(fā)生的。
因此，我們惟有提高瀝青混合料抗裂能力，“增強(qiáng)”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)?；旌狭系恼硰椥宰冃螁栴}可用蠕變的基本原理來解決，變試驗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）瀝青路面配合比設(shè)計以提高高溫穩(wěn)定性為目標(biāo)
盡可能采用粘度高、稠度高、高溫穩(wěn)定性好的低標(biāo)號瀝青，或采用具有以上特點的改性瀝青。
配合比設(shè)計應(yīng)避免使用密實-懸浮結(jié)構(gòu)，盡可能采用大顆粒瀝青混凝土和骨架-密實結(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)別的重型交通道路的較重側(cè)半幅道路，采取大粒徑、抗剪能力更強(qiáng)、高溫穩(wěn)定性更好的配合比。
采用合適的空隙率，控制飽和度一般不超過65%，并采用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%。
?。?）施工過程中嚴(yán)格控制拌和質(zhì)量，防止混合料離析
采用經(jīng)過二次加工，顆粒形狀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。
在料溫較高的情況下碾壓，控制壓實溫度和遍數(shù)，既保證壓實度，又防止過分碾壓，終壓時不再開振動，確保粗骨料顆粒完好。
保證施工配合比與設(shè)計配合比相同，強(qiáng)化施工管理，尤其是上料口，防止骨料混裝。
減少混合料離析。攤鋪機(jī)的最大攤鋪寬度宜小于6m，減少混合料橫向傳送距離，重點項目或重交通道路，應(yīng)在攤鋪機(jī)和自卸汽車間使用混合料轉(zhuǎn)運(yùn)設(shè)備減少混合料離析。
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)現(xiàn)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原因。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)格控制壓實度，壓實度不足，會出現(xiàn)車轍、泛油；
由于大空隙率、高速行車和水的綜合作用是動水作用型泛油的主要原因。因此，在混合料設(shè)計上對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)根據(jù)瀝青混凝土面層中各層孔隙率的不同，對瀝青與集料的粘附性要求應(yīng)隨設(shè)計空隙率的變化而變化。
3、結(jié)語
通過對瀝青及瀝青混合料流變性的分析，對瀝青及瀝青混合料路用性能進(jìn)行評價。并且從流變學(xué)的角度出發(fā)，對路面的各種病害進(jìn)行了分析，使我們對路面病害有了更深刻的認(rèn)識，從而可以對路面病害提出更好的改善措施。但路面的各種病害機(jī)理影響因素較多，而且深層關(guān)系復(fù)雜，這些更深層次的研究有待進(jìn)一步的研究。
