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沙漠地区沥青路面主要病害与预防措施分析

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 276次

宋宪国1 王军伟2

(呼伦贝尔市公路管理局 呼伦贝尔市 021008

长安大学公路学院 西安市 710000)

摘要:随着国家西部大开发战略的深入推进以及丝绸之路经济带建设的开启,我国西部交通运输业的发展必将迎来大的发展机遇。我国西北部地区多为高原、沙漠和戈壁,恶劣的环境常是引起沥青路面病害的主要因素。本文通过调查研究,分析了沙漠地区沥青路面的主要病害与成因,并提出了相应的预防措施,以提高道路使用寿命,降低道路养护成本。 

关键词:沙漠地区,沥青路面,车辙,松散剥落,泛油,裂缝

 

一、沙漠地区气候特征对沥青路面的影响

我国西部荒漠化地区属典型的大陆性气候,夏季高温酷热、干旱少雨,冬季干燥寒冷,春季风大沙多。概括起来主要有以下特点:气候干燥、降水稀少、蒸发强烈;日照时间长,辐射值高;冷热剧变,气温变化;风大沙大[1]。这种恶劣的自然环境,相较于交通荷载而言,往往是影响沙漠地区沥青路面工程质量和路用性能的主要因素。高温季节,沙漠地区地表最高温度可达70℃以上,在高温环境和车辆荷载共同作用下,沥青路面极易产生泛油,车辙病害。低温季节,沙漠地区最低气温可达-30℃以下,且降温速率较快,沥青面层和半刚性基层在温度梯度作用下容易产生收缩开裂,进而造成沥青路面的裂缝病害,引起路面结构的破坏。由于沙漠地区日照时间长,辐射值高,在风、雨等自然因素的共同作用下,会加速沥青的老化,影响沥青的性能,降低沥青与集料的粘结力,造成沥青路面的松散剥落等病害。

因此,沙漠地区沥青路面的结构设计不仅要考虑车辆荷载作用,而且要特别重视自然环境因素的影响,并采用相应的预防措施,只有这样才能保证路面结构的长期路用性能,否则就会产生不同程度的路面病害。例如:高温会引起沥青面层的推挤、泛油和车辙;低温产生的温度应力会使沥青面层产生收缩裂缝和反射裂缝,且风、雨、太阳辐射也会加快沥青的老化,进一步导致车辙、骨料松散剥落、抗滑能力不足以及平整度衰减过快等常见病害。

二、沙漠地区沥青路面的病害及成因研究

根据对多条沙漠地区沥青路面的病害调查与进行分析得出,车辙病害是沙漠地区沥青路面的主要病害形式,其次是裂缝类病害,其中,车辙病害约占70%左右,裂缝病害占20%左右,另外也存在推移、泛油、松散剥落等其他类型的病害[2]

1、沥青老化分析

    沙漠地区,光照时间长,辐射值高,较强的辐射会加速沥青的老化[3]。沥青的老化不仅直接影响了沥青的质量与路用性能,而且也会加速沥青路面各种病害的产生。因此,有必要对沥青的老化进行研究,为选用抗老化性能优良的沥青和采取相关措施提供依据。

沥青的老化主要与紫外光辐射有关,老化后沥青会产生如下变化[4]

 = 1 \* GB2 \* MERGEFORMAT 沥青中分子质量相对较小的饱和分、芳香分含量明显减少,胶质含量下降,分子质量相对较大的沥青质含量显著增加,沥青胶体结构更趋凝胶型结构。

 = 2 \* GB2 \* MERGEFORMAT 沥青的路用性能发生如下变化:

 = 1 \* GB3 \* MERGEFORMAT 基质沥青的软化点增大,而改性沥青软化点则可能出现不同的变化趋势;基质沥青及改性沥青的针入度显著降低,但相同老化条件下,SBS改性沥青的残留针入度比高于基质沥青的;基质沥青及改性沥青的延度显著降低,改性沥青的延度比相应老化条件下的基质沥青大。

 = 2 \* GB3 \* MERGEFORMAT 沥青粘度增加。

 = 3 \* GB3 \* MERGEFORMAT 老化能改善沥青的温度敏感性,其中SBS改性沥青对温度的敏感性较基质沥青小。

     = 4 \* GB3 \* MERGEFORMAT 60℃压力老化使沥青的损耗模量增大,疲劳性能降低,改性沥青的疲劳极限温度较相应老化条件下的基质沥青低,即改性沥青的疲劳性能在老化前后均优于基质沥青。

2、车辙类病害

病害调查结果显示,沙漠地区公路沥青路面车辙病害现象具有普遍性,其中失稳性车辙和结构型车辙是沙漠地区沥青路面车辙的主要类型。在部分地区,磨耗型车辙也占有一定比例,在纵坡较大的路段,压密性车辙出现也较多[5]      

出现车辙病害的主要原因分析:

     = 1 \* GB2 \* MERGEFORMAT 失稳型车辙,是沥青路面在高温条件下,由于行车荷载的作用,沥青混合料产生横向位移形成的。在高温条件下、沥青发生软化,沥青混合料变为以粘性为主的半固体,此时,在行车荷载的作用下,沥青混合料的抗剪强度小于荷载产生的剪应力,流动变形不断累积就形成了车辙。一方面,在荷载作用下,沥青及沥青胶浆流动,造成沥青混合料骨架结构失稳。另一方面,流动的沥青及沥青胶浆除了填充沥青混合料的空隙外,会在沥青混合料中的粗集料与细集料见起到润滑作用,使硬度较大的矿料颗粒在荷载作用下会沿着矿料间接触面滑动,促使沥青与沥青胶浆向富集区聚集,形成车辙。这一类车辙常出现在轮迹处,由于剪切变形,产生两侧隆起的现象,车辙断面呈W型。如图1所示。


 

 

 

 

 

 

 

 

1 失稳型车辙示意图

 = 2 \* GB2 \* MERGEFORMAT 结构型车辙,这类车辙是在交通荷载作用下,路面结构产生永久变形而产生的。产生这类车辙的主要原因是在荷载作用下,路基产生沉降或变形。而引起路基不均匀沉降的原因是路基压实不充分。这类车辙的宽度较大,两侧没有隆起现象,横断面成浅盆状的U字型(凹型)。如图2所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2结构型车辙示意图

 = 3 \* GB2 \* MERGEFORMAT 压密型车辙是由于沥青面层本身的压密造成的。主要是由于施工时没有充分压实或在碾压时,温度较低,沥青已凝固,造成压实度不足。这类车辙常出现长大纵坡路段,在这样的路段上,汽车行驶速度较低,沥青面层在交通车辆荷载的反复碾压作用下,空隙率不断减小,直至达到极限残余空隙率后才趋于稳定。这类车辙两侧没有隆起,只有下凹,U型或W[6]。 如图3所示。

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 压密型车辙示意图

3、裂缝类病害

裂缝病害在沙漠地区较为普遍,部分新建的沥青路面在建成后第一个冬季就会出现开裂,到第二年春季,裂缝继续增加,从现有的调查资料分析,大部分沥青路面在经过3–4年后开裂病害普遍出现。在车辆和荷载反复作用下,沥青路面会形成严重的网裂。在有些地区,裂缝病害有时会成为沙漠地区沥青路面的第一病害[7]

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4 路面的裂缝类病害

裂缝病害常有横向裂缝、纵向裂缝、块状裂缝几种类型。

 = 1 \* GB2 \* MERGEFORMAT 横向裂缝,横向裂缝是沙漠地区最常见、也是最严重的病害。主要有三种情况会产生横向裂缝:沙漠地区的极端低气温造成沥青路面的低温开裂;巨大的昼夜温差产生巨大的温度引力,造成沥青路面的疲劳裂缝;半刚性基层产生的横向裂缝反射到沥青路面面层,造成沥青路面产生横向反射裂缝。

 = 2 \* GB2 \* MERGEFORMAT 纵向裂缝,沙漠地区产生纵向裂缝的原因主要有两个:低温引起的纵向开裂和施工或养护不当引起的开裂。

 = 3 \* GB2 \* MERGEFORMAT 块状裂缝,在沙漠地区产生块状裂缝的原因主要有三个:选用的沥青质量差,在低温条件下产生块状裂缝;昼夜温差较大,产生块状疲劳开裂;由于沙漠地区日照时间长,辐射值高,风沙大,加速了沥青的老化,在汽车荷载作用下产生块状裂缝。

    4、推移类病害

    调查研究发现,沙漠地区沥青路面推移类病害也比较普遍[8]

    沙漠地区沥青路面的推移类病害,主要是因为沥青面层与基层粘结不好,透层油铺洒不均匀,路基含沙量大等原因引起的。在炎热的夏季,温度较高,沥青发生软化,当高速行车的车辆突然刹车时,就会造成路面产生推移现象。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 推移类病害

5、松散剥落病害

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6 松散剥落类病害

松散剥落类病害也是沙漠地区沥青路面的主要病害之一,沥青面层在车辆荷载反复作用下,混合料出现松散状态,进而从路面剥落。沥青路面产生松散剥落的主要原因是在冰冻、降水、风沙侵蚀等自然环境因素的作用下,沥青逐渐老化,集料与沥青之间的粘附性降低。在车辆荷载反复作用下,沥青混合料逐渐松散,最终产生松散剥落病害。

    6、沥青路面的拱涨

调查发现,沙漠地区也出现了因基层的拱涨而产生隆起的现象。因为沙漠地区公路常采用半刚性基层,也就是水泥稳定碎石,如果水泥的用量过大,虽然能使基层的刚度和抗压能力增强,但却降低了半刚性基层抵抗变形的能力。在高温条件下,一方面路基因温度过高而产生膨胀,从而引起基层的隆起,当变形不均匀时,就会出现路基断裂的现象,进而反射到沥青路面的面层,产生拱胀开裂;另一方面,在高温条件下,水泥稳定碎石基层产生膨胀,由于基层没有设置胀缝,连续的基层在横向上膨胀受到限制,就会向上拱起,产生拱胀病害。

三、沙漠地区沥青路面病害的预防措施[l1] 

    针对沙漠地区沥青路面的病害情况,应采取预防为主、治理为辅的理念来维护。经查阅相关资料,结合沥青路面设计方法,特提出以下预防措施来提高沥青路面的性能:

    1、在沙漠地区,由于粘性材料和路面骨料相对匮乏,为了减少远运筑路材料的成本,常使用当地的风积沙作为路基材料。然而,如果仅对风积沙作稳定处理、压实,作为路基,其刚度虽满足要求,但抗变形能力差,一旦出现沉降或拱涨,路基就会断裂。因此,在路基材料中应掺加一定比例性能优良的粗集料,提高集料间的内摩阻力。确保路基既能满足刚度要求,又具有较高的变形能力[9]

    2、采用湿压的方法,在最佳含水量下,使用振动压路机对路基进行压实[l2] 。其中,在使用振动压路机碾压之前,应测定路基材料的自振频率, 并将压路机的振动频率调试到路基材料的自振频率,采用分层压实方法进行压实。注意调试压路机的振幅、频率、配重[10]

    3、通过大量的试验,测试不同级配水泥稳定碎石的膨胀性能,选择热胀冷缩性能稳定性良好的级配[11]。如果考虑沙漠地区特殊的气候条件,基层仍有可能因热胀冷缩产生裂缝,可以适当在基层设置胀缝,并在胀缝处用级配碎石填充[12]。严格控制水泥的用量,预防水泥稳定碎石基层干缩裂缝的产生[13]

    4、采用以下方法预防裂缝类病害,在基层和面层之间设置一抗拉强度远高于路面基层的粘结层,如选用选用耐高温、抗拉强度高、拉应变小的玻璃纤维作为格栅材料铺设土工格栅;在基层上铺设一层土工布增强抗拉性能;在沥青混合料中掺加纤维增强沥青混合料的抗拉强度。

    5、路面结构选择骨架密室结构,通过严格的实验,设计出适合当地环境、交通量的最佳配合比和油石比,提高沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性,增强沥青路面的强度[14]

    6、采用SBS改性沥青,并在沥青中掺加抗老化剂或在沥青路面面层撒布雾封层,减缓沥青的老化速度[15][16]

    7、在沥青混合料中掺加抗剥落剂,提高沥青与集料的粘结力,防止松散剥落类病害的产生[17]

五、结语

沙漠地区地理条件特殊,自然环境恶劣,路面一旦出现病害,维护十分不便。因此,应防患于未然,在建设期就应选择适当的预防措施措施,选择性能优良的改性沥青和抗老化剂,并使用合理的级配,铺设粘结层和撒布雾封层,提高沥青路面的质量,防止沥青路面过早发生各种病害,延长路面使用寿命[18]

 

参考文献

[1]时永杰,杜天庆.我国西部荒漠化地区的自然环境特征[J].中兽医杂志,2003专辑:85-88

[2]贾聿卿.阿拉尔-和田沙漠公路路面使用性能研究[D].新疆农业大学,2010052-3

[3]申爱琴.道路工程材料[M].人民交通出版社,北京,20100167-104

[4]庞凌.沥青紫外光老化特性研究[D].武汉理工大学,2008484121

[5]韩昭.新疆地区高等级公路沥青路面车辙成因分析研究[D].长安大学,2010059-10

[6]石福州.沙漠地区长大纵坡路面沥青稳定性控制研究[D].长安大学,2014612

[7]曹传江.新疆地区沥青路面裂缝成因及防治措施[J].内蒙古公路与运输,20144):73-74

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[9]邓学钧.路基路面工程[M].人民交通出版社,北京,201211306-411

[10]李万鹏.风积沙的工程特性研究[D].长安大学,20040526-50

[11]潘多国,张福玲.沙漠地区公路路基防护设计与施工[J].内蒙古公路与运输,20011):9

[12]薛明,张俊.沙漠地区沥青路面裂缝的防治技术[J].道路交通,2007(3)22-23

[13]董贤芸.沥青路面裂缝及预防措施研究[D].山东大学,20091013-45

[14]李建华,王选仓,王亚军.沙漠地区路面典型结构研究[J].公路杂志,2006(11)39-43

[15]缠艳萍.高寒区耐紫外老化雾封层道面养护材料及技术研究[D].长安大学,20120824-35

[16]耿久光.沥青老化技术及再生技术研究[D].长安大学,20090617-83

[17]崔荣华.沙漠高速公路纤维沥青混合料路面研究[D].长安大学,20050655-68

[18]王国余.沙漠公路路面材料及路面性能研究[D].长安大学,200406


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