流變學與瀝青路面病害的探討
2015-07-06
前言：材料流變學是一門研究材料流動及變形規(guī)律的科學，是根據(jù)應力、應變和時間來研究物質的流動和變形的構成與發(fā)展的一般規(guī)律的科學,所謂流變性實質是固—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系。
瀝青流變性與瀝青的路用性能有直接關系，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、時間之間的關聯(lián)性。
1、利用流變學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)瀝青膠結料硬化對HMA路面裂縫發(fā)展影響的研究得出了以下結論:a.當瀝青膠結料在25℃時的針入度降至20以下時，可能發(fā)生嚴重路面開裂；b.當針入度介于20～30之間時，可能出現(xiàn)某種程度的開裂；c.當針入度高于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溫度期望提高瀝青膠結料勁度以避免車轍，而在低服務溫度期望瀝青膠結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，把普通基質瀝青改性，以降低其低溫抗裂性。
（4）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)生相互的拉應力，當路面受外力且外力大于瀝青與瀝青之間的拉應力時，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、利用流變學分析路面損壞機理
2.1路面變形
根據(jù)流變學原理，荷載對路面變形的影響由兩部分構成：首先，載荷愈大，瀝青路面的蠕變速率及蠕變量就更大，不可回復的蠕變量更大，即形成更大的永久變形。其次，載荷應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：在載荷應力大于瀝青混合料的蠕變變形（極限）強度時，瀝青路面將產(chǎn)生不可回復的永久變形。瀝青混合料的蠕變強度愈低，載荷應力愈大，愈容易形成蠕變變形。
“剪切變稀”和“應變軟化”：瀝青粘度將隨荷載應力增大而呈指數(shù)關系降低，因而變形量將隨載荷應力增大而呈指數(shù)倍數(shù)關系增大。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)生的熱量與應力是平行關系。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的蠕變變形。國外的路面破壞不如我國嚴重，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，有利于保護路面。
因此，根據(jù)流變學理論，提高瀝青混合料抗變形能力只有通過提高材料學參數(shù)粘度、模量和蠕變強度來實現(xiàn)。而實現(xiàn)這一思想的材料與工藝技術手段主要包括：
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（如木質纖維）：增大混合料粘度和蠕變強度。
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”和“增韌”瀝青混合料才能從根本上解決裂紋問題。纖維復合材料法是解決裂紋問題的有效的科學方案。
2.3車轍問題
車轍變形是當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有關。混合料的粘彈性變形問題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的基本方法。
2.3.1車轍防治措施
?。?）瀝青路面配合比設計以提高高溫穩(wěn)定性為目標
盡可能采用粘度高、稠度高、高溫穩(wěn)定性好的低標號瀝青，或采用具有以上特點的改性瀝青。
配合比設計應避免使用密實-懸浮結構，盡可能采用大顆粒瀝青混凝土和骨架-密實結構。
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半幅道路，采取大粒徑、抗剪能力更強、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%。
?。?）施工過程中嚴格控制拌和質量，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計配合比相同，強化施工管理，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，應在攤鋪機和自卸汽車間使用混合料轉運設備減少混合料離析。
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)的各種機理解釋外，從瀝青的流變學行為入手分析瀝青路面的泛油原因。利用前述的流變學原理，粘彈性的瀝青混合料的彈性流變效應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)象以流變學為基礎，形象地表達了泛油機理。
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格規(guī)定空隙率，施工單位要保證施工質量；
嚴格控制壓實度，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，在混合料設計上對不同空隙率的混合料不應使用相同的粘附性標準，應根據(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隨設計空隙率的變化而變化。
3、結語
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行評價。并且從流變學的角度出發(fā)，對路面的各種病害進行了分析，使我們對路面病害有了更深刻的認識，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理影響因素較多，而且深層關系復雜，這些更深層次的研究有待進一步的研究。
