王武 劉華勛

摘要 為了提高高寒地區(qū)道路的耐久性和穩(wěn)定性，文章以西藏地區(qū)318國道高海拔段為研究測試項目，通過人工調(diào)查法和主成分分析法調(diào)查并建立了路面病害及性能評價指標，并以低溫測試和紫外線輻射測試檢測了不同改性瀝青的性能。實驗結果表明：改良后的高標瀝青蠕變勁度最低為18 MPa，最小的蠕變速率為29 mm/年。此外，高標改良瀝青的針入度、延度和軟化點變化幅度明顯低于基質瀝青。

關鍵詞 高寒地區(qū)；道路結構；低溫測試；改良瀝青

中圖分類號 U416.1文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）06-0152-03

0 引言

在我國廣大的疆域內(nèi)，高寒地區(qū)道路建設面臨著嚴峻的挑戰(zhàn)，如極端氣候條件、復雜的地質環(huán)境、嚴重的凍土問題等，這些因素對道路建設和維護提出了更高的要求[1]。為此，深入研究高寒地區(qū)道路結構性能試驗檢測及質量優(yōu)化方法，對于提高我國高寒地區(qū)道路建設水平具有重要意義。周家文對青海省共和至玉樹高速公路4.4 km試驗段路面施工技術進行了優(yōu)化，提出了土工格室加固級配碎石基層的施工工藝。實驗結果表明，該技術能夠充分提高道路穩(wěn)定性，增加了其抗老化程度[2]。蔡相連等人針對高寒地區(qū)橡膠瀝青的衰減檢測問題，提出了一種結合紅外光譜和掃描電鏡的檢測方法。實驗結果表明，當混合橡膠瀝青的運輸時間為17 min以內(nèi)，此時的瀝青溫度敏感度最低，最適合施工用料[3]。趙永輝針對高寒高海拔地區(qū)公路變形破壞進行了調(diào)查，以拉張和剪切為主要方向設計了一種公路損壞防治措施。結果表明，這項措施能夠及時起到防止低溫和大雨環(huán)境下的道路破壞[4]。盡管道路病害預防和檢測方法在不斷更新，道路結構性能試驗檢測及質量優(yōu)化方法方面的問題卻依然突出，嚴重制約了道路工程的質量和效益[5]。因此，該文以318國道西藏境內(nèi)高海拔段的一條典型高寒道路作為研究對象，進行了項目檢測和質量優(yōu)化，旨在提高高寒地區(qū)道路結構性能。

1 項目概況

318國道林芝到巴河段位于西藏自治區(qū)東南部，全長約200 km。公路起點位于林芝市境內(nèi)，終止于巴河鎮(zhèn)。該路段平均海拔4 750 m，路基寬度7.5 m，路面寬6 m。通過實地調(diào)查可知，該路段改性瀝青混凝土5～9 cm，半剛性基層18～20 cm，砂礫墊層15～20 cm。從林芝出發(fā)的近80 km路段，即K4159+840～K4162+810段為高山峽谷型地貌，剩余路段，即K4162+810～K4231+860段基本為山間寬谷型地貌。結合西藏自治區(qū)氣象局調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，該路段常年受暖濕氣流影響，最高氣溫為30.8 ℃，最低氣溫為?15.2 ℃，年平均氣溫為9.2 ℃。年降雨量平均為899.7 mm。該路段的道路平面簡化圖如圖1所示。

由圖1可知，該路段緊鄰雅葉高速，途經(jīng)多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)和旅游景點，涉及多個廠區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)的發(fā)展。因此研究通過人工調(diào)查法對該路段進行了病害調(diào)查。調(diào)查結果顯示，該路段沉陷占比28%，龜裂占比22%，松散占比15%，塊狀裂縫占比12%，縱向裂縫占比8%。其余路段零散分布車轍、擁包、坑槽、泛油等公路病害。結合以上數(shù)據(jù)可總結以下問題：首先，由于318以客運旅游為主，因此常年的重載交通反復碾壓，使得路面產(chǎn)生了裂縫、變形、車轍等。其次，高寒、高海拔地區(qū)受太陽輻射和低溫冷凍等自然氣候影響，累計數(shù)年后使得瀝青表面變得硬脆，加速了材料老化。

2 項目測試指標確定

研究嘗試通過主成分分析法對其中的最佳公路病害進行定位，針對性地為后續(xù)優(yōu)化設計提供方向。主成分分析法相較于熵值法能夠更直觀反映每一項指標含量，通過數(shù)據(jù)排序后更利于路面性能意義的總結和建議。根據(jù)《公路技術狀況評定標準》選取路面損壞狀況（PCI）、路面行駛質量（RQI）、路面車轍深度（RDI）、路面抗滑性（SRI）、路面裂縫以及路面沉陷作為評定指標。此時的路面使用性能指數(shù)如式（1）所示。

PQI=wPCI+wRQI+wRDI+wSRI （1）

式中，wPCI、wRQI、wRDI和wSRI——路面損壞狀況、路面行駛質量、路面車轍深度以及路面抗滑性的指數(shù)。其權重值分別為0.6、0.4、0.3和0.2。經(jīng)Matlab對K4159+840

～K4231+860路段病害數(shù)據(jù)進行處理，其關系矩陣如表1所示。

由表1可知，完成對項目路段的病害數(shù)據(jù)梳理后，直觀展示了病害相關性的數(shù)據(jù)大小。相關數(shù)據(jù)越大，則說明病害越嚴重。相較于路面的損壞狀況、路面行駛質量以及路面抗滑性而言，路面車轍深度、路面裂縫和路面沉陷的相關性數(shù)據(jù)反而最高，該數(shù)據(jù)結果與初始人工調(diào)查法所得結果大致相同，僅存在略微差異。究其原因，可能是在高海拔地區(qū)的公路施工中，設計偏重于路面的低溫性能，而疏忽了車轍處理。特別是作為旅游專線的318三級道路，其平均車流量大且主要為重載客車，因此更容易產(chǎn)生較深的車轍病害。綜上所述，研究確定將路面車轍深度、路面裂縫和路面沉陷作為后續(xù)測試的主要指標，同時說明了主成分分析法能夠契合人工調(diào)查法的實際數(shù)據(jù)，能夠為后續(xù)的路面優(yōu)化和路面檢測提供一定的理論基礎。

3 項目路面材料優(yōu)化

路面材料在高寒地區(qū)的選擇至關重要，它直接影響到道路的抗凍性、抗滑性、耐久性等關鍵性能，對提升交通安全、維護路面品質以及減少維護成本具有重要意義。為了應對高寒地區(qū)嚴峻的氣候條件，路面材料必須具備卓越的低溫抗裂性和抗滑性能。常規(guī)的高標基質瀝青有110號、130號和160號，標號越高，其黏度越大，更適用于具有挑戰(zhàn)性的道路。同時SBR作為一種瀝青混凝土添加劑，具有改善混凝土的性能，延長道路的使用壽命，提高道路性能的特性。研究嘗試將SBR分別加入這些高標瀝青以探索其性能變化。加入SBR后分別標記為110-SBR、130-SBR和160-SBR。結果表明，這三種改良瀝青在25 ℃下，5 s內(nèi)每100 g的針入度分別為119.4 mm、131.6 mm和164.8 mm。軟化點分別為50.2 ℃、49.6 ℃和47.2 ℃。閃點分別為242 ℃、237 ℃和231 ℃。溶解度分別為99.45%、99.37%和99.28%。

4 項目路段試驗檢測分析

4.1 低溫蠕變性能測試

選取318國道林芝到巴河段，從樁號K4159+840～

K4231+860中的任意4 km路段進行試驗檢測。通過彎曲梁流變儀對6種試驗瀝青類型（見表2）進行低溫蠕變性能測試，以彎曲蠕變勁度和蠕變速率為參考指標來檢測各種瀝青的低溫性能。蠕變勁度越大，則說明瀝青脆度越大，路面越容易出現(xiàn)裂縫。蠕變速率越大，則說明道路變形的能力越大，抗變形能力越差，也越有可能發(fā)生道路沉陷。

由表2可知，針對同一種瀝青，不論是基質瀝青還是改良瀝青，其蠕變勁度和蠕變速率都隨著溫度的降低而變大。因此，此時瀝青的脆度變大，路面就越容易出現(xiàn)裂縫和沉陷。同一種瀝青進行改良后，測試數(shù)據(jù)明顯低于改良前。最低的蠕變勁度值為160-SBR號瀝青在0 ℃時的18 MPa，最小的蠕變速率值同樣為160-SBR號瀝青在0 ℃的29 mm/年。此外，結合對車轍深度的數(shù)據(jù)檢測發(fā)現(xiàn)，同一種瀝青材料中，隨著溫度的降低，其車轍檢測深度明顯減小，導致該現(xiàn)象的原因可能是高溫會導致瀝青道路的柔軟程度增加。當車輛通過時，車輪施加的承載力會使得路面材料變形，從而造成更深的車轍。另外，隨著瀝青標號的增加，車轍深度也不斷減小。加入SBR改良劑后，相較于基質瀝青，其車轍深度明顯減小，最小的車轍深度值為160-SBR號瀝青在?24 ℃時的5 mm。結合以上數(shù)據(jù)，證明了SBR改良瀝青能夠加強道路的綜合性能，降低路面脆度，增加其抗變形能力。同時，160-SBR號瀝青最能夠適應高寒環(huán)境下的道路施工建設，具有優(yōu)越的適應力。

4.2 太陽輻射下紫外線對道路結構的影響測試

結合西藏氣象局2020—2021年的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，全區(qū)大部分地區(qū)太陽輻射年均達6 000～8 000 MJ/m2。大量的太陽輻射會加速瀝青老化，因此研究高寒地區(qū)的紫外線輻射對道路結構的影響是十分必要的。研究設置1 200 W/m2的紫外線燈光，在封閉環(huán)境下分別澆筑表2中6種瀝青的混凝土樣本，厚度控制在0.8～1 mm。考慮160號及160-SBR號瀝青的高標瀝青質地較軟，施工過程中用量較少，因此研究僅針對其余4種瀝青進行了不同時間段的老化診斷，以針入度、軟化點和延度試驗為參考指標，測試結果如圖2所示。

圖2（a）為瀝青針入度隨時間變化曲線，圖2（b）為瀝青軟化點隨時間變化曲線，圖2（c）為瀝青延度隨時間變化曲線。由圖2可知，隨著紫外線輻射時間的增加，四種瀝青的針入度和延度都逐漸降低，而軟化點溫度逐漸增高。其中，相較于基質瀝青，加入SBR改良后的瀝青測試值都明顯較優(yōu)。其中110-SBR瀝青的針入度變化幅度最大約為20 mm，延度變化幅度最大約為60 cm，軟化點變化幅度最大約為15 ℃。130-SBR瀝青的針入度變化幅度最大約為10 mm，延度變化幅度最大約為30 cm，軟化點變化幅度最大約為8 ℃。對比數(shù)據(jù)說明，SBR改良后的瀝青受太陽輻射的影響變化較小，130標號的瀝青較110號瀝青綜合表現(xiàn)性能更佳，更適合高寒地區(qū)的道路施工建設，該研究結果為后續(xù)的道路養(yǎng)護和道路延長使用壽命提供了理論基礎。

5 結論

該文針對318國道西藏境內(nèi)的高海拔路段進行了試驗檢測和質量優(yōu)化。通過人工調(diào)查法收集了該路段的主要道路病害，以主成分分析法建立了路面性能評價指標。另外，針對不同改性瀝青進行了低溫測試和抗輻射測試。實驗結果表明，改良后的高標瀝青的蠕變勁度和蠕變速率都明顯低于基質瀝青，其最低的蠕變勁度和最小的蠕變速率值皆為160-SBR號瀝青在0 ℃時的18 MPa和29 mm/年。此外，隨太陽輻射的時間延長，130-SBR瀝青的針入度變化幅度最大約為10 mm，延度變化幅度最大約為30 cm，軟化點變化幅度最大約為8 ℃。該數(shù)據(jù)相較于基質瀝青變化較小更適合西藏高寒地區(qū)的道路建設。然而，此次研究雖然分析了路面病害，但未分析瀝青對病害的影響，后續(xù)研究可補全該部分結論，以增加研究的全面性。

參考文獻

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[5]肖驍. 高海拔山區(qū)公路水泥乳化瀝青碎石基層施工技術研究[J]. 石油化工建設， 2022（7）： 157-159.