王思恬

(重慶交通大學 重慶 400000)

針對瀝青路面老化問題的養(yǎng)護管理系統(tǒng)探討

王思恬

(重慶交通大學 重慶 400000)

經過二十多年的發(fā)展，我國高速公路總里程數(shù)已達到7.41萬公里，居世界第二位。到2020年，我國高速公路網將形成總規(guī)模85000Km，相當于美國高速公路的總里程。在保證高速公路安全性、舒適性和經濟性的營運特點的同時，應保證高速公路路面的使用性能，將高速公路路面的養(yǎng)護管理工作提到日程上來。路面管理系統(tǒng)是通過系統(tǒng)分析的方法，綜合考慮技術、經濟、社會和政治各方面的因素，協(xié)調各項路面管理活動，促使路面管理過程系統(tǒng)化，通過路面性能預測模型確定最佳養(yǎng)護時機采取預防性養(yǎng)護促使來延長道路使用壽命。本文主要針對瀝青路面易老化的特點，通過對瀝青路面老化的影響因素進行分析以及室內模擬預測收集路面老化性能的數(shù)據(jù)建立路面管理系統(tǒng)模型。

瀝青路面;路面養(yǎng)護管理系統(tǒng);老化;室內模擬;路面管理系統(tǒng)

一、引言

近些年來，我國高速公路發(fā)展迅速，這不僅改善了我國的路網分布，也在很大程度上提高了百姓出行的便利性。高速公路對于我國經濟技術的發(fā)展有著不可或缺的作用。我國瀝青路面發(fā)展的歷史證明，為了保證路面的質量，除了合理的路面結構和良好的瀝青材料，瀝青混合料的性能是至關重要的。許多國產瀝青路面的使用壽命較短，與瀝青混合料的性質，特別是它們的耐老化性能關系密切。為了保證瀝青路面具有較長的使用周期，瀝青混合料的抗老化性能必須用一些與瀝青使用相關的技術指標來描述，并提出適當?shù)闹笜私缦拗涤枰钥刂啤Ｎ覈赜蜻|闊，氣候復雜，受氣溫的變化和降雨量的影響大小不一，在不同地區(qū)鋪筑的瀝青路面對瀝青的起始性質及耐長期老化性能的要求并不相同。另外我國瀝青油源的差異較大，瀝青生產工藝各異，使得同標號不同品種的瀝青及瀝青混合料的抗老化性能相差甚遠。瀝青在路面施工時，瀝青混合料的瀝青及礦料需要在空氣中加熱，路面建成后長期暴露在大氣環(huán)境中，經受光照、降水、氣溫變化等自然因素的影響，同時還要受到汽車荷載等應力的作用，因此瀝青混合料存在老化的現(xiàn)象，市瀝青路面的使用性能降低。因此，研究瀝青路面的老化對于道路的使用來說有著至關重要的意義。交通荷載和環(huán)境對道路的反復荷載作用后，路面就會逐漸的發(fā)生老化，最終不能滿足道路的行駛要求。路面發(fā)生老化以后，不僅會降低行車的舒適性，還會增加汽車的運行費用。道路管理部門需要投入大量的人力和物力，用于維持路面使用性能在一定的水平。對于路面養(yǎng)護最重要的是要保證有足夠的資金，然而通常有用的資金有限，如何合理分配資金使得所達到的效益最佳，保持路網的服務水平滿足行駛要求。

二、影響瀝青路面老化的因素

(一)瀝青的影響

瀝青是由多種不同分子組成的單相均質混合物，組成瀝青的分子大致可以分為兩類:極性分子和非極性分子。非極性分子作為極性分子的溶劑，極性分子通過分子間的微弱聯(lián)結作用形成網狀結構，極性分子均分布在瀝青當中。當溫度增加時，極性分子之間的聯(lián)結能力減弱，瀝青粘度減小;而當溫度升高時，情況恰恰相反。瀝青中極性分子的數(shù)量越多，瀝青就越容易被氧化。當瀝青分子中的氮原子、硫原子或者是苯環(huán)中特定部分的碳原子與氧氣發(fā)生化學反應時，瀝青就會被氧化，表面上的變化就是瀝青變硬。除了氧氣之外，瀝青中的輕質成分的揮發(fā)和瀝青受紫外線或是紅外線的照射而發(fā)生的化學反應，都會使瀝青變硬，使用性能下降。

(二)集料對瀝青老化的影響

集料對混合料在性能方面的貢獻，除了集料之間的嵌擠力，就是瀝青與集料形成的吸附性。而瀝青的老化，對集料之間的嵌擠力影響很小，主要影響著瀝青與集料之間的吸附性。瀝青在老化后，由于輕質成分的揮發(fā)、極性物質的氧化，瀝青的粘度增大、變硬自身的強度增大。老化后，瀝青的極性增強，與石料表面的極性物質結合更加緊密，瀝青與集料之間的粘結力進一步增強。瀝青的老化主要是極性物質的老化，而瀝青與集料之間的粘附性也是通過瀝青的極性物質和集料比表面的極性物質產生連接。集料在瀝青老化時，有催化劑的作用，它促使瀝青中芳香分等低極性物質與氧氣發(fā)生化學反應，增加瀝青老化的速率。但是瀝青包裹在集料外表面時將阻止集料與瀝青中的低極性物質接觸，這也就避免了低極性物質的氧化。通常認為堿性集料能夠很大程度上減輕瀝青老化的影響;而酸性集料在這方面作用不明顯，也有可能加速瀝青的老化。

(三)外界環(huán)境對于老化的影響

1.溫度對瀝青混合料老化的影響

在60℃～130℃范圍之間，瀝青在無氧的情況下，不會發(fā)生自身組分上的任何化學變化，僅僅是一些輕微物質的揮發(fā)。而在溫度高于150℃時，瀝青即使在無氧的情況下還是會發(fā)生化學變化，引起自身組分的改變。通常研究的無論是瀝青的老化還是瀝青混合料的老化，都是在氧氣參與情況下的老化。

2.壓力對瀝青混合料老化的影響

從瀝青的老化過程來看，必須先有瀝青溶解到瀝青當中，然后才能發(fā)生氧化反應。壓力在增加氧氣溶解到瀝青中的數(shù)量和速度方面與和溫度有著相似的作用。但是就瀝青與氧氣的化學反應來看，壓力較之于溫度就沒有那么明顯的影響。有研究表明，采取高壓低溫，減小瀝青薄膜的厚度才能有效模擬瀝青的長期變化。

3.含氧量對瀝青混合料老化的影響

氧氣對于瀝青的老化起著至關重要的作用。沒有氧氣，在路用環(huán)境條件下，是不可能發(fā)生瀝青自身的化學性質的改變的。在實際路用環(huán)境下，空氣中的含氧量與海拔有著密切的關系，海拔又與氣壓有關系。通常，海拔越低，氣壓越低，含氧量越低，但同時平均氣溫也將越低。氣壓低，含氧量低，對瀝青的耐老化性有正面意義。但是溫度偏低，就會對瀝青老化產生較強的敏感性。含氧量增加，使氧氣的濃度增加，使瀝青與氧氣的接觸大大增加，在相同條件下，氧氣含量大時，瀝青混合料的老化較為嚴重。

4.瀝青含蠟量對瀝青混合料老化的影響

我國眾多瀝青軟化點雖高，但高溫穩(wěn)定性并不好。由于我國大部分瀝青屬于多蠟瀝青，即W型瀝青，瀝青中的蠟影響了軟化點的測定。瀝青中的蠟的融點在30℃ ～100℃之間，軟化點一般在40℃ ～55℃之間，大部分蠟的結晶融化成液體的階段。它將吸收一部分溶解熱，從而使瀝青的溫度上升速率更滯后于水溫的增高，就導致了在瀝青達到軟化點時，瀝青內部的溫度與溫度計顯示的水溫差別要比無蠟瀝青的差距大。瀝青含蠟量多，會導致瀝青的軟化點虛高，在高溫條件下易出現(xiàn)流動狀況，導致瀝青路面出現(xiàn)車轍、推移等病害，從而使瀝青路面的路用性能降低。

三、室內模擬瀝青混合料老化試驗方法

瀝青混合料的老化分為兩個階段:短期老化和長期老化。短期老化是瀝青路面建設期瀝青混合料因受熱引起的老化，開始于拌合廠，終止于瀝青路面壓實后溫度將至于自然溫度;長期老化是瀝青路面使用期內瀝青混合料因光照、溫度、降水和交通荷載的綜合作用導致的老化，開始于路面建成之后，終止于路面服務性能下降直至不能滿足行車的要求。

(一)短期老化的試驗方法

短期老化的試驗方法應體現(xiàn)松散混合料在拌和、貯存和運輸中受熱而揮發(fā)和氧化的效應，以模擬瀝青混合料施工階段的老化效果。SHRP根據(jù)以往瀝青混合料短期老化方法的研究實驗結果提出了三種備選的方法。它們是:

1.烘箱加熱法:將拌合的瀝青混合料放在烘箱中一定時間，使瀝青混合料老化;

2.延時拌和法:適當延長混合料的拌和時間，使瀝青混合料老化;

3.微波加熱法:將拌和的瀝青混合料用微波加熱，使瀝青混合料老化。

按模擬施工條件、使用復雜程度、設備投資費用等七個評價標準對三種方法有效的進行評估，綜合比較，烘箱加熱法被認為模擬施工條件好、方法簡便、設備投資投資費用不高，因而是室內模擬瀝青混合料短期老化最有效的方法。雖然烘箱加熱法被認為是模擬瀝青混合料短期老化最有效的方法，但是我認為它還是存在著一定的不足。短期老化包括兩個階段，一個是在運輸、儲存和加熱過程中的老化，一個是在拌和鋪筑的施工時期的老化。這兩個階段的老化既包括了因溫度而引起的，也包括了瀝青在運輸過程中與氧氣發(fā)生反應的老化，但是烘箱加熱法僅考慮了溫度這個變量，所以我認為這個模擬試驗還是不太完整的，有待于進一步的改善。

(二)長期老化的試驗方法

瀝青混合料試驗室長期老化的方法應著重體現(xiàn)瀝青混合料壓實成型試件持續(xù)氧化的效應，以模擬使用期內瀝青路面的老化效果。SHRP總結了以往的研究成果，提出了三種備選的方法:

1.加壓氧化是對瀝青混合料施以低壓氧氣，使其在短時間內加速老化的一種方法。

2.延時烘箱加熱，本方法是對瀝青混合料施以高溫強化手段，以達到瀝青加速老化的目的。

3.紅外線、紫外線處理。將試件在紅外線、紫外線下照射一定的時間，主要模擬太陽光對瀝青的老化情況。

與瀝青混合料短期老化試驗方法的評估標準一樣，對三種方法進行有效性的評估。從體現(xiàn)野外條件、程度、易于實施、設備投入不高、可敏感地反映瀝青混合料性能的變化等方面，延時烘箱加熱和加壓氧化是混合料試驗室長期老化方法中最有效的方法。延時烘箱加熱和加壓氧化處理，都是為了模擬瀝青路面的野外老化程度而在室內加速氧氣作用的模擬試驗方法。但是我認為這兩種方法都沒有考慮到一個問題，那就是瀝青的含蠟量對路面長期老化的影響。所謂瀝青的長期老化，就是瀝青路面在投入使用后，在水、光、氧氣等介質的作用下發(fā)生的物理化學變化，使其組分發(fā)生一些改變?，F(xiàn)在我國的瀝青多屬于蠟含量較高的，蠟含量對于瀝青的長期老化究竟有著一個怎樣的影響，我感覺這兩種模擬方法還是沒有給出結果的。所以，我認為關于瀝青混合料長期老化的模擬方法中，還是要考慮含蠟量對長期老化的影響，這樣才能制定出合理的措施去防治長期老化。

四、路面老化及使用狀況評價

(一)路面老化

引起路面老化的因素很多，大致就分為本文上面討論過的材料、壓力、氧氣、紫外線、含氧量等因素。路面老化的本質原因在于瀝青從運輸?shù)绞褂谜麄€過程中的一些物理化學反應。我國瀝青路面總是在規(guī)定的使用年限之前就需要進行大大小小的整修、翻修，這其中很大一個原因就是瀝青路面逐漸的出現(xiàn)老化。整修不僅需要花費大量的人力和資金，同時還需要封堵道路，給居民的生活帶來了諸多的不便。因此，首先要全方面的分析影響瀝青路面老化的因素，其次再根據(jù)瀝青室內模擬試驗方法采集瀝青老化的數(shù)據(jù)，最后再根據(jù)路面養(yǎng)護管理系統(tǒng)選擇出對于瀝青路面老化防治的最佳方案，以此來延長瀝青路面的使用壽命。

(二)路面使用狀況評價

評價路面使用狀況是路面管理系統(tǒng)的一個重要組成部分，路況預測、優(yōu)化對策、制定養(yǎng)護計劃都要以其為基礎。公路技術狀況評價包含路面、路基、橋隧構造物和沿線設施四部分內容。

五、運用路面養(yǎng)護管理系統(tǒng)監(jiān)測及預防瀝青路面老化

綜合分析了影響瀝青路面老化的因素之后，在瀝青路面從選材到投入使用的過程中就應該充分考慮并且避開這些因素。盡可能避開這些影響因素可以在一定程度上防止瀝青路面的老化。在充分考慮了這些影響因素之后，我認為可以根據(jù)瀝青老化的室內模擬試驗方法，即:短期老化使用烘箱加熱法，長期老化使用延時烘箱加熱法和加壓氧化法，從瀝青混合料老化的室內模擬試驗方法中分析瀝青混合料的老化機理，然后以此為基礎再制定防治瀝青路面老化的對策。

同時，也可以對現(xiàn)有的瀝青路面進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集。分別從光、壓力、氧氣等因素對瀝青路面進行檢測，并采集相應的數(shù)據(jù)。得到實際的數(shù)據(jù)之后，可以分析究竟哪個因素是導致瀝青路面老化的最主要的原因，根據(jù)其對瀝青路面老化重要性的大小再依次分配防治這個因素對瀝青路面老化的資金。整個思路就是先收集數(shù)據(jù)，然后再有的放矢的制定路面養(yǎng)護管理對策，這樣不僅可以節(jié)省了一定的人力物力，也可以有根據(jù)性的防治瀝青路面的老化，建立一個完整的路面養(yǎng)護管理系統(tǒng)，而不是無目標的見縫插針。

六、我國路面養(yǎng)護管理系統(tǒng)存在的問題與建議

路面養(yǎng)護管理系統(tǒng)發(fā)展至今，取得了不小的進步，但同時也存在著一些問題。簡單歸納一下，問題主要出現(xiàn)在以下幾個方面:1.數(shù)據(jù)的采集與處理;2.相關模型的建立與分析;3.評價指標及其標準化。

目前數(shù)據(jù)的采集與處理是我國路面養(yǎng)護管理系統(tǒng)建立與實施所面臨的一個很大的問題。沒有可靠的基礎數(shù)據(jù)作為依據(jù)，再好的分析也是無用的。國外在這個問題上就很注重，而我們卻一直忽略了這個問題，導致在建立路面養(yǎng)護管理系統(tǒng)時，數(shù)據(jù)庫的建立成為了一個很大的困擾。此外，數(shù)據(jù)采集的手段及方法也存在著一定的問題。人工采集數(shù)據(jù)不但效率低，誤差大，而且還存在著很大的主觀性，數(shù)據(jù)離散性大。所以，開發(fā)快速、先進的路面數(shù)據(jù)采集設備非常有必要。GIS技術實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集的自動化，并且是路面數(shù)據(jù)采集變得快速、準確，從而保證了路面養(yǎng)護管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的科學性。路面養(yǎng)護管理系統(tǒng)中所涉及到的預測模型的建立，主要是采用力學法、經驗力學法和經驗法。對于模型中許多參數(shù)的取值是否合理，需要結合各地區(qū)的實際情況而定，不能一概而論，因為每個地區(qū)的環(huán)境條件不一樣，交通荷載量不一樣，路面的結構和類型也不一樣。對于同一個地區(qū)，一旦路面的評價指標確定了，就應該對各個指標進行標準化處理，否則就無法對采集的數(shù)據(jù)進行分析與處理。

瀝青路面老化一直是導致我國瀝青路面不能長久使用的一個重要因素。本文對瀝青老化的影響因素和室內模擬方法都進行了介紹，以此為基礎利用路面養(yǎng)護管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集與分析，制定出對付瀝青路面老化的合理防治對策。路面養(yǎng)護管理系統(tǒng)的出現(xiàn)，對路面的養(yǎng)護與防治有了很大的提高，盡管路面養(yǎng)護管理系統(tǒng)還存在著一些問題，但是相信在以后不斷的改進過程中可以一步步的提高，為道路的使用帶來福音。

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王思恬 (1993.1－)，女，漢族，河北省邢臺市，研究生在讀，重慶交通大學，研究方向為路面管理系統(tǒng)。