流变学与沥青路面病害的探讨

———流变学与沥青路面病害的探讨材料流变学是一门讨论材料流淌及变形规律的科学，是依据应力、应变和时间来讨论物质的流淌和变形的构成与进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，在肯定的温度、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，累积到肯定程度便会发生剪切破坏。从流变学角度讲，讨论沥青的流变性就是要讨论沥青变形量与温度、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。依据沥青的流变特性来推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，依据沥青胶结料硬化对HMA路面裂缝进展影响的讨论得出了以下结论:a.当沥青胶结料在25℃时的针入度降至20以下时，可能发生严峻路面开裂；b.当针入度介于20～30之间时，可能消失某种程度的开裂；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渐渐降低与粘度值渐渐提高。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，沥青的流淌性减小，延度也减小，易产生路面开裂。

（3）劲度反映路面性能。对大路路面面层而言，抱负的状况是在高服务温度期望提高沥青胶结料劲度以避开车辙，而在低服务温度期望沥青胶结料降低劲度以反抗低温收缩开裂。在低温地区，经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肯定的改性剂，把一般基质沥青改性，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转变。在环境温度很高时，沥青因受热而变软，此时沥青的流淌性大，在交通量比较大的状况下就会发生车辙，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

依据流变学原理，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，不行回复的蠕变量更大，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反抗变形的力量，使变形更简单产生或更大。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，沥青路面将产生不行回复的永久变形。沥青混合料的蠕变强度愈低，载荷应力愈大，愈简单形成蠕变变形。

“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，造成温度上升，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，路面的严峻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”而落入其次牛顿区所致。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）

依据流变学原理，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上升，因此，路面反抗变形的力量随交通量增加而降低。此外，交通量增加也将加速蠕变疲惫，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，更简单形成不行回复的蠕变变形。国外的路面破坏不如我国严峻，这可能也是一个不行忽视的缘由，由于国外的载重卡车在高速大路上的行车速度和商用轿车差不多。在高速大路上规定最低行车速度看来也是必要的，有利于爱护路面。

因此，依据流变学理论，提高沥青混合料抗变形力量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，一种方法是我们采纳了不产生裂纹的柔性路面，或者加铺应力汲取层，这样虽然可以起到肯定的作用，但没有根本解决这一问题，由于柔性路基对温度收缩裂纹没有太大作用。另一个方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力量，“增加”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）沥青路面协作比设计以提高高温稳定性为目标

尽可能采纳粘度高、稠度高、高温稳定性好的低标号沥青，或采纳具有以上特点的改性沥青。

协作比设计应避开使用密实-悬浮结构，尽可能采纳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，上下行有明显区分的重型交通道路的较重侧半幅道路，实行大粒径、抗剪力量更强、高温稳定性更好的协作比。

采纳合适的空隙率，掌握饱和度一般不超过65%，并采纳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）施工过程中严格掌握拌和质量，防止混合料离析

采纳经过二次加工，颗粒外形近似正六面体的骨料，而不是目前生产水泥混凝土的碎石。

在料温较高的状况下碾压，掌握压实温度和遍数，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。

保证施工协作比与设计协作比相同，强化施工管理，尤其是上料口，防止骨料混装。

削减混合料离析。摊铺机的最大摊铺宽度宜小于6m，削减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削减混合料离析。

2.4泛油问题

沥青路面泛油现象的广泛性，以及SMA改性沥青路面发觉的新型泛油现象，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缘由。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；

严格掌握压实度，压实度不足，会消失车辙、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缘由。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，应依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