流变学与沥青路面病害的探讨
2015-07-06
前言：材料流变学是一门研究材料流动及变形规律的科学，是根据应力、应变和时间来研究物质的流动和变形的构成与发展的一般规律的科学,所谓流变性实质是固—液两相同存，是一种粘弹性的表现。沥青也是一种高分子化合物，具有粘性和弹性，其流变特性与沥青的针入度、延度、粘度及路面的性能等都有很大的关系。
沥青流变性与沥青的路用性能有直接关系，在一定的温度、时间和车辆荷载的作用下，沥青路面会由于剪应力作用而发生剪切变形，累积到一定程度便会发生剪切破坏。从流变学角度讲，研究沥青的流变性就是要研究沥青变形量与温度、荷重、时间之间的关联性。
1、利用流变学评价沥青及沥青混合料路用性能
（1）针入度反映路面性能。在不同的环境条件下，沥青所表现出的流变特性是不一样的。根据沥青的流变特性来判断沥青路用性能的好坏。不同针入度，道路的使用寿命也不同，通过试验，根据沥青胶结料硬化对HMA路面裂缝发展影响的研究得出了以下结论:a.当沥青胶结料在25℃时的针入度降至20以下时，可能发生严重路面开裂；b.当针入度介于20～30之间时，可能出现某种程度的开裂；c.当针入度高于30时，就具有高度开裂抗力。
（2）延度反映路面性能。试验表明:路面老化是由于针入度逐渐降低与粘度值逐渐提高。沥青老化后其延度减小，当路面承受的荷载超过路面不被破坏所能承受的荷载时，由于混合料延度的降低，路面就会被破坏。另外，在外界温度降低时，沥青的流动性减小，延度也减小，易产生路面开裂。
（3）劲度反映路面性能。对公路路面面层而言，理想的情况是在高服务温度期望提高沥青胶结料劲度以避免车辙，而在低服务温度期望沥青胶结料降低劲度以抵抗低温收缩开裂。在低温地区，常常由于路面温度的降低，使沥青的劲度增大，在荷载的作用下，路面产生开裂。为此常在沥青中加入一定的改性剂，把普通基质沥青改性，以降低其低温抗裂性。
（4）温度对路面流变性的影响。随着环境温度的变化，沥青混合料的流变特性也有所改变。在环境温度很高时，沥青因受热而变软，此时沥青的流动性大，在交通量比较大的情况下就会发生车辙，使路面发生破坏；在环境温度很低时，路面由于冷缩作用，沥青与沥青之间就会产生相互的拉应力，当路面受外力且外力大于沥青与沥青之间的拉应力时，就会产生破坏而使路面产生开裂。因此，在常年平均温度较高的地方，应选择软化点较高的沥青，而在常年平均温度较低的地方，可以选择劲度较小的沥青。
2、利用流变学分析路面损坏机理
2.1路面变形
根据流变学原理，荷载对路面变形的影响由两部分构成：首先，载荷愈大，沥青路面的蠕变速率及蠕变量就更大，不可回复的蠕变量更大，即形成更大的永久变形。其次，载荷应力降低了沥青路面本身抵抗变形的能力，使变形更容易产生或更大。可以从以下几个方面了解载荷的影响。
（1）荷载大小
蠕变变形：在载荷应力大于沥青混合料的蠕变变形（极限）强度时，沥青路面将产生不可回复的永久变形。沥青混合料的蠕变强度愈低，载荷应力愈大，愈容易形成蠕变变形。
“剪切变稀”和“应变软化”：沥青粘度将随荷载应力增大而呈指数关系降低，因而变形量将随载荷应力增大而呈指数倍数关系增大。也就是说，载荷增加一倍，因沥青粘度降低引起的路面变形可能会增加几十倍。
“滞后耗散能加热”：沥青因粘弹性滞后耗散能而产生“滞后加热”现象，造成温度升高，粘度降低，变形量增大。滞后产生的热量与应力是平行关系。也就是说，载荷增加一倍，路面变形会因“滞后加热”成倍增加。
一般来讲，路面的严重车辙变形都是在高温天气及重型荷载作用下，沥青因巨大的“剪切变稀”及“滞后加热”而落入第二牛顿区所致。所以，应禁止超载行车，尤其是高温季节。
（2）荷载频率（交通流量）
根据流变学原理，行车频率与荷载一样，“滞后特性”耗散能将造成沥青路面温度升高，因此，路面抵抗变形的能力随交通量增加而降低。此外，交通量增加也将加速蠕变疲劳，降低路面的寿命。
（3）荷载时间（行车速度）
行车速度愈慢，蠕变时间则愈长，更容易形成不可回复的蠕变变形。国外的路面破坏不如我国严重，这可能也是一个不可忽视的原因，因为国外的载重卡车在高速公路上的行车速度和商用轿车差不多。在高速公路上规定最低行车速度看来也是必要的，有利于保护路面。
因此，根据流变学理论，提高沥青混合料抗变形能力只有通过提高材料学参数粘度、模量和蠕变强度来实现。而实现这一思想的材料与工艺技术手段主要包括：
集料堆砌嵌挤的级配（如SMA等）：增大混合料模量；
沥青改性（改性或高粘度沥青等）：增大混合料粘度；
掺加纤维（如木质纤维）：增大混合料粘度和蠕变强度。
2.2路面裂纹
在路面裂纹方面，一种办法是我们采用了不产生裂纹的柔性路面，或者加铺应力吸收层，这样虽然可以起到一定的作用，但没有根本解决这一问题，因为柔性路基对温度收缩裂纹没有太大作用。另一个办法是增加面层厚度来延迟反射裂缝的扩展，但随着时间的推移，温度收缩裂缝还是会发生的。
因此，我们惟有提高沥青混合料抗裂能力，“增强”和“增韧”沥青混合料才能从根本上解决裂纹问题。纤维复合材料法是解决裂纹问题的有效的科学方案。
2.3车辙问题
车辙变形是当前世界上热拌沥青砼路面高温病害的主要破坏形式，与热拌沥青混合料的粘弹性质有关。混合料的粘弹性变形问题可用蠕变的基本原理来解决，变试验是目前普遍接受的测定热拌沥青混合料潜在永久变形性质的基本方法。
2.3.1车辙防治措施
（1）沥青路面配合比设计以提高高温稳定性为目标
尽可能采用粘度高、稠度高、高温稳定性好的低标号沥青，或采用具有以上特点的改性沥青。
配合比设计应避免使用密实-悬浮结构，尽可能采用大颗粒沥青混凝土和骨架-密实结构。
爬坡部位，加减速车道，平叉道口部位300～500m范围，上下行有明显区别的重型交通道路的较重侧半幅道路，采取大粒径、抗剪能力更强、高温稳定性更好的配合比。
采用合适的空隙率，控制饱和度一般不超过65%，并采用适度略大的粉胶比和适度略小的沥青用量，沥青用量可略低于最佳沥青用量0.05%～0.1%。
（2）施工过程中严格控制拌和质量，防止混合料离析
采用经过二次加工，颗粒形状近似正六面体的骨料，而不是目前生产水泥混凝土的碎石。
在料温较高的情况下碾压，控制压实温度和遍数，既保证压实度，又防止过分碾压，终压时不再开振动，确保粗骨料颗粒完好。
保证施工配合比与设计配合比相同，强化施工管理，尤其是上料口，防止骨料混装。
减少混合料离析。摊铺机的最大摊铺宽度宜小于6m，减少混合料横向传送距离，重点项目或重交通道路，应在摊铺机和自卸汽车间使用混合料转运设备减少混合料离析。
2.4 泛油问题
沥青路面泛油现象的广泛性，以及SMA改性沥青路面发现的新型泛油现象，除了传统的各种机理解释外，从沥青的流变学行为入手分析沥青路面的泛油原因。利用前述的流变学原理，粘弹性的沥青混合料的弹性流变效应引起了牛顿体的一些现象：爬杆现象、挤出胀大现象、剪切变稀现象、无管虹吸现象，这些现象以流变学为基础，形象地表达了泛油机理。
泛油的防治措施有：
防治空隙率过小的泛油类型，对于各种类型路面严格规定空隙率，施工单位要保证施工质量；
严格控制压实度，压实度不足，会出现车辙、泛油；
由于大空隙率、高速行车和水的综合作用是动水作用型泛油的主要原因。因此，在混合料设计上对不同空隙率的混合料不应使用相同的粘附性标准，应根据沥青混凝土面层中各层孔隙率的不同，对沥青与集料的粘附性要求应随设计空隙率的变化而变化。
3、结语
通过对沥青及沥青混合料流变性的分析，对沥青及沥青混合料路用性能进行评价。并且从流变学的角度出发，对路面的各种病害进行了分析，使我们对路面病害有了更深刻的认识，从而可以对路面病害提出更好的改善措施。但路面的各种病害机理影响因素较多，而且深层关系复杂，这些更深层次的研究有待进一步的研究。
