（道路与铁道工程专业论文）水温冻融条件下沥青路面病害特征及发展机理.pdf

摘要 2 0 0 8 年初我国南方地区遭遇了罕见的冰冻灾害性天气，其影响范围广、冰冻程度严 重、持续时间长、损失严重。冰冻灾害后各种路面病害有大幅增加的趋势，直接影响路 面的使用寿命和路用性能。 遭遇低温冰雪突变天气时，路面材料会长时间处于低温饱水状态及温度交替变化过 程中，冻融损坏现象较为普遍。在降水、交通荷载等外界因素作用下，冻融作用会加快 开裂、坑槽等路面病害的发展。为弄清有水温冻融条件下道路材料的损害特征及发展规 律，结合冰雪灾害后路面病害调查，通过室内模拟试验和理论分析，研究了沥青混合料 受冻融循环影响的性能衰减规律。 论文首先调查分析了冰灾期间湖南的主要气候特征，重点对比了与北方高纬度地区 常见冰雪气候特征在气温日变化、降水量特点、持续时间等方面的差异。通过对冰灾后 的试验路典型病害路段进行了现场调查，并进行开挖、取样工作，系统分析了冰雪灾害 对高速公路沥青路面病害的影响机理，分析了灾后沥青路面材料的性能衰变规律，研究 了沥青路面典型病害形成原因及加剧扩展机理。 通过自行设计的室内多次反复冻融试验方法，对沥青混合料进行了0 次、5 次、l o 次、1 5 次冻融循环，对不同冻融次数后的混合料进行了抗压强度、间接拉伸强度、弯拉 试验、水稳定性试验，得到了沥青混合料性能随冻融循环衰减的特征及规律。考虑到空 隙率是影响沥青混合料抗冻融性能的重要因素，对不同空隙率下的沥青混合料进行了疲 劳试验，得出了不同空隙率下沥青混合料的疲劳寿命与冻融循环次数的关系。 利用有限元方法，建立了考虑路面结构内裂缝、脱空等区域性积水的路面冰胀模型， 通过简化模拟计算，分析了冰冻作用下沥青路面局部积水冰胀力学响应特征。 关键词：沥青混合料；冻融循环；性能衰减；间接拉伸；空隙率；冰胀模拟 a b s t r a c t i tw a ss o u t hc h i n at h a ts u f f e r e dr a r ef r e e z i n gw e a t h e rd i s a s t e ri ne a r l y2 0 0 8 ，w h i c ha f f e c t e dw i d e l 5 f r o z e ng r a v i t y i l y , l o n gt i m e ，a n ds u f f e r e ds e r i o u sl o s s e s d i s e a s eo fh i g h w a yi n c r e a s e dq u i c k l ya f t e r d i s a s t e r , w h i c ha f f e c t e dd i r e c t l yt h el i f eo fp a v e m e n ta n ds e r v i c ep e r f o r m a n c e t h ep a v e m e n tm a t e r i a lw o u l db ei nl o ww a t e rc o n d i t i o nl o n gt i m ea n dt e m p e r a t u r ea l t e r n a t ep r o c e s s w h e nt e r r i b l ew e a t h e ro c c u r e d ，t h ef r e e z e t h a wd a m a g ew a sv e r yp r e v a l e n t t h ef r e e z i n ga n dt h a w i n gm a y a c c e l e r a t et h ed e v e l o p m e n to fc r a c k sa n do t h e rp a v e m e n td e f e c t su n d e rt h er o l eo fe x t e r n a lf a c t o r ss u c ha s t r a f f i cl o a d i n ga n dw a t e r t oo b t a i nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fr o a dm a t e r i a l su n d e rf r e e z e t h a wd a m a g ea n dt h e l a wo fd e v e l o p m e n ti nt h i sp a p e r , w es t u d y e dt h ea t t e n u a t i o nl a wo fm i x t u r ea s p h a l tp e r f o r m a n c eu n d e r f r e e z e - t h a wc y c l eb yt h el a b o r a t o r yt e s ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sw i t ht h ep a v e m e n td a m a g ei n v e s t i g a t i o n a l t e rt h es n o wd i s a s t e r t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e da n da n a l y z e dt h em a i nc l i m a t i c f e a t u r e sd u r i n gt h ei c ed i s a s t e ri n2 0 0 8 ，a s f o l l o w st h ed i f f e r e n c ei n d a i l yt e m p e r a t u r e ，p r e c i p i t a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，d u r a t i o nw i t ht h e c o m m o n c h a r a c t e r i s t i c so fs n o w - i c ec l i m a t ei nt h en o r t h e r nh i g hl a t i t u d e s t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e df o rt h et e s tr o a d s e c t i o n so ft y p i c a ld i s e a s eo ns i t ea f t e rt h ed i s a s t e r , a n da n a l y s i s e ds y s t e m a t i c l yt h ei m p a c ta n dm e c h a n i s m o ft h es n o wd i s a s t e rf o rh i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n tb ye x c a v a t i o n ，s a m p l i n g , a n dd e c a yl a wo fa s p h a l t p a v e m e n tm a t e r i a l sp e r f o r m a n c ep o s t - d i s a s t e r ，s t u d y e dt y p i c a ld i s e a s ec a u s e sa n dm e c h a n i s mo fi n c r e a s e d e x p a n s i o nf o rt h ea s p h a l tp a v e m e n t i td e s i g n e di n t e r i o rf r e e z i n g - t h a w i n gr e p e a t e d l yt e s tm e t h o d ，a n dd o n e0 ，5 ，10 ，15f r e e z e - t h a wc y c l e s f o rm i x t u r e i tw a sd o n ec o m p r e s s i o ns t r e n g t h ，i n d i r e c tt e n s i l es t r e n g t h ，t e n s i l et e s t ，t h ew a t e rs t a b i l i t yt e s t a f t e rd i f f e r e n tf r e e z i n g - t h a w i n gc y c l e s ，t h ea t t e n u a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dr a wo f t h ep e r f o r m a n c eo f a s p h a l t m i x t u r ew i t hf r e e z e - t h a wc y c l ew a sg o t t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ev o i dw a si m p o r t a n tf a c t o ro nr e s i s t a n c e f r e e z e - t h a wp e r f o r m a n c eo fa s p h a l tm i x t u r e s ，t h i sp a p e rd o n ef a t i g u et e s tu n d e rd i f f e r e n tv o i da s p h a l t s p e c i m e n so b t a i n e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef r e e z e t h a wf a t i g u el i f ea n df r e e z e t h a wc y c l e su n d e r d i f f e r e n tv o i dm i x t u r e i ts e t t e dp a v e m e n ti c e - e x p a n s i o nm o d ec o n s i d e rt h el a y e rw a t e r , b ys i m p l i f y i n gt h es i m u l a t i o n , a n a l y s i s e dr e s p o n s eo fa s p h a l tp a v e m e n tu n d e ri c ef r o z e nw a t e rp a r t i ab yf i n i t ee l e m e n tm e t h o d k e yw o r d s ：a s p h a l t - m i x t u r e ；f r e e z e t h a wc y c l e s ；p e r f o r m a n c ea t t e n u a t i o n ；i n d i r e c t t e n s i l et e s t ；v o i d ；i c e e x p a n s i o ns i m u l a t i o n 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 张泫趴 日期：m lo 年s 玛；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长 沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密阢 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 张陔阀7 日期：2 0 1 0 生1 z6 月f 日 翩签拟唰叩 第一章绪论 1 1 研究背景 2 0 0 8 年初，我国南方地区遭遇了5 0 年一遇的罕见冰雪灾害性天气，其影响范围广、 冰冻程度严重、持续时间长，造成了大面积交通瘫痪、电力及高速公路沿线设施的严重 损坏，因灾直接经济损失1 5 1 6 5 亿元。未进行抗冰冻特殊设计的高速公路不仅需要承 受冰冻灾害的影响，同时也需承受长时间滞留车辆静态荷载的作用，其必然会对高速公 路工作性能产生重大影响，特别是南方地区冰灾初期一末期温度长时间处于一5 5 交替 变化中，加之受灾后雨季、夏季高温天气的影响，在繁重的交通荷载作用下冰雪灾害后 高速公路各种病害有大幅增加的趋势，严重影响了高速公路的使用寿命和路用性能，影 响行车的舒适性并可能带来行车安全隐患，也造成了社会经济资源的极大浪费。此次南 方大范围冰雪条件引起的冰冻灾害与北方的冰雪天气有显著区别：首先，南方冰冻灾害 发生时昼夜气温变化多维持在冰点附近，且持续时间较长；其次，此次冰冻灾害正逢春 运高峰，造成大量车辆长时间密集滞留以及冰雪荷重共同作用也是特点之一；再次，为 了保证道路交通的安全畅通，南方地区采取各种物理和化学技术手段进行除冰融雪，而 南方地区道路对氯盐侵蚀设防不够，客观上造成这些道路的损伤，并加快各种病害的发 生和发展；最后，南方地区的道路设计施工时，对道路抗冻标准要求不高，且南北路基 土质也有明显差异。正是因为这些差异的存在，所以不能照搬北方季冻地区较成熟的规 范及研究成果。因此，有必要针对南方地区冰雪气候的特点，对冰雪灾害期间和后期对 路基路面的影响机理进行研究，为进一步研究冰灾后公路养护对策的提出奠定基础。 在我国南方遭遇突变天气时，尤其是在春季和冬季时温度变化幅度又大又快，且降 水量多，路面材料长时间处于有水状态及温度交替变化过程中，冻融损坏现象较为普遍， 路表面由于存在裂缝或是温度下降产生的收缩裂缝，在降水、交通荷载等外界因素作用 下，冻融作用会加快路面的破坏。因此，冻融作用引起的损坏，已成为沥青路面损坏的 主要原因之一。然而，道路工作者虽已对高温或低温条件下沥青混合料性能变化规律和 路面水损害研究颇多，但针对水分和温度双重因素下引起的冻融循环对沥青混合料的性 能影响研究不多。近年来，道路工作者对路面材料的抗冻融作用，尤其是荷载作用下材 料的抗冻融性能越来越关注。针对水泥混凝土的抗冻融循环性能已开展了大量工作，研 究了冻融循环下水泥混凝土材料性能衰变规律，有关水泥混凝土冻融循环试验方法较为 全面、系统，且有相应规范规定的冻融循环标准试验，包括冻融条件、冻融循环次数、 评价指标等。但是在沥青混合料方面，除在评价混合料水稳定性时考虑了冻融影响，其 他指标均未涉及到冻融对混合料性能指标的影响。因此，研究沥青混合料在温度变化和 水分双重因素引起的冻融影响分析有较大的意义。 综上所述，因此应针对南方地区冰雪灾害的特点，尤其是降水大和温度反复变化产 生的水一温冻融循环突出特征，基于灾后路面病害现象与材料破坏特征，分析灾后路面 病害加剧扩展趋势及原因，结合沥青混合料室内多次冻融循环试验研究及沥青路面冰胀 模拟研究，得到反复冻融循环条件下沥青路面破坏特性及材料性能衰变规律。本研究有 利于南方地区针对春季、冬季天气变化恶劣特点，通过采取高速公路预养护方法，提高 应对突发灾害性天气的能力；为灾后制定切实有效的路面维修方案提供参考依据，提高 路面使用性能和延长使用寿命，保证高速公路交通运输能力，具有较大的经济社会效益。 1 2 国内外研究概况 冻融循环对沥青混合料性能影响的实质，一是由于水分侵蚀引起路面材料本身的损 害，沥青混合料路面在冻融循环条件下，由于动态荷载的作用，进入路面空隙中的水分 不断地产生动水压力或真空负压抽吸的反复作用，水分逐渐渗入沥青和集料的界面上， 使得沥青粘附性降低而逐渐丧失粘结力，沥青薄膜从集料的表面脱落，沥青混合料出现 掉粒、松散，继而形成沥青路面的坑槽等损害现象n 2 3 | ；二是温度交替变化频繁。沥青 混合料是对温度敏感性很强的一种材料，长沙理工大学郑健龙教授h 1 曾在论文中指出当 外界温度骤降时，沥青面层内部会产生温度应力，若温度下降的速率过快或者面层的松 弛性不好，面层的温度应力来不及松弛，温度应力所做的功就会导致一定的能量积累， 倘若这些能量达到沥青混合料本身所容许的极限程度时，就会发生开裂现象。另外，大 连理工大学潘宝锋嵋3 、哈尔滨工业大学王哲人阳3 等指出低温引起的水分迁移积聚和冻结 对沥青混合料性能影响也较为严重。在低温条件下，沥青混合料内部的水分在冻结后会 产生体积膨胀，如果混合料内部没有足够大的空隙体积容纳这部分增大的体积( 约9 ) ， 那么空隙内部就会产生很大的膨胀力，使混合料体积膨胀而产生劈裂破坏口1 。不仅仅是 水冻结产生体积膨胀引起的危害，更为主要的是温度变化引起的水分迁移和集聚。混合 料内自由水与结合水的冻结点温度不同，在渗透作用下，周围未冻结区的水份会向表面 冻结区迁移和集聚，使冻结区水分增加，冻结后，冰晶体体积不断扩大，使混合料内部 产生温度应力，冻胀作用会使沥青层内的微空隙及原始裂缝扩大，春融季节，冰晶体又 转化为流态水引起水稳定性破坏陋9 | 。 沥青混合料的水稳定性是抗水损害能力的最重要指标。国内外学者研究沥青混合料 2 水稳性通常从两个方面角度考虑口0 1 1 7 3 ：一是评价沥青与矿料的粘附性；二是评价沥青混 合料的水稳性。前者的试验方法有水煮法、光点比色法、搅动水净吸附法等，后者的试 验方法广泛应用的有浸水马歇尔试验、真空饱水马歇尔试验、浸水劈裂试验、饱水劈裂 试验、冻融后劈裂强度比试验、浸水车辙试验等。在我国规范中，评价沥青混合料的水 稳定性能一般采用浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验。 有关沥青混合料冻融劈裂研究颇多，多侧重于研究在标准冻融循环试验下沥青混合 料的冻融劈裂性能及其影响因素，重点考虑了混合料的级配类型、沥青种类、油石比、 空隙率等影响因素n 8 1 3 1 ，在此不一一赘述。另外，国内学者鉴于规范中水稳定性评价方 法存在的不足，对标准冻融劈裂试验进行了改进以更好的评价材料的水稳定性能昭r 3 刳。 吉林大学马新、同济大学郑传峰等人提出了真空饱水状态下煮沸劈裂试验乜副，马新 等人认为在利用马歇尔残留稳定度来评价沥青混合料水稳定性的过程中，试件的浸水条 件与路面实际的浸水条件明显不同，因此试验结果与使用效果存在很大的偏差。而用试 件饱水煮沸后的劈裂强度来评价其抵抗水损害的能力，操作简便、作用效果明显、准确 度高，是评价混合料水稳定性优劣的一个快速有效的方法。试验中把试件分成三组：第 一组不经过水的作用，在2 5 * ( 2 下直接测定其劈裂强度；第二组按照马歇尔方法在6 0 。c 的水中浸泡4 8 h 后将其冷却到2 5 测定其劈裂强度；第三组则在沸水中浸煮2 h 后，将 其冷却到2 5 。c ，测其劈裂强度。结果表明试样经过2 h 煮后所受到的水损害程度与在6 0 的水中浸泡4 8 h 后所受到的水损害程度是相近的。不足之处在于未作冻融循环或是多 次冻融浸煮比较。另外，同济大学郭忠印等人口3 3 做了标准劈裂、多次浸煮、1 次浸煮多 次冻融的对比试验。 同济大学张宏超、孙立军等人瞳4 1 指出国内外目前评价沥青混合料水稳定性的方法均 以不同水侵蚀强度来模拟混合料不同使用阶段的水稳定性能，忽视了环境因素和行车荷 载作用下的级配退化和沥青自然老化的影响。实际上，这些评价结果只能反映路面建成 初期时的水稳定性，路面使用中后期的性能，也就是老化后的水稳定性能未能得到反映， 我国当前规范也同样未能考虑老化对水稳定性的影响。针对这些问题，张宏超等人将混 合料老化试验与冻融劈裂试验有机结合，设计了一种能够反映混合料初期和中后期水稳 定性能的新方法。全程评价方法，并进行了试验验证。 哈尔滨工业大学王抒音、谭忆秋等人乜鲫认为目前用冻融劈裂试验来评价沥青混合料 抗水损害能力有一定局限性，在研究了空隙率和饱水率对冻融劈裂试验结果影响的基础 上，增加冻融循环次数，以冻融循环劈裂比评价沥青混合料抗水损害能力，可较客观地 评价沥青混合料的耐久性。提出了水损害的临界空隙率范围6 7 ，空隙率超出该范围 很容易发生水损害。为模拟沥青路面高速重载交通下的实际损坏过程，尤其是北方寒冷 地区铺设排水层沥青混合料的冰冻稳定性，可设计一系列多次冻融循环试验，以了解随 冻融循环次数增加混合料的强度递减规律，从而预测混合料长期抗水损害能力。总结研 究成果，提出以冻融循环劈裂比( t c s r n ) 来评价沥青混合料抗水损害能力。定义为： a d 第行次冻融循环劈裂强度 ，。、k = 一 “ 未经冻融试件劈裂强度 当n = l 时即为t s r 。t c s r n 可更全面地评价混合料抗水损害能力，扩大以冻融作为 评价水损害的外力模拟，用于评价实际路况中遇到的多种类型的沥青面层水损害问题。 关于冻融循环次数的选取，由于各个学者所选冻融循环制度不同以及所关注材料性 能不同，不同学者采取的反复冻融循环次数不尽相同，但都少于5 0 次，现有研究中最 多做到了4 0 次循环。最不利循环次数集中在2 0 次左右。学者对冻融循环次数在2 0 次 左右取的较为密集。1 6 、2 0 、2 4 、2 5 是各个学者关注的关键循环次数 另外，包秀宁、王哲人等研究了冻融劈裂试验的影响因素n 舶，研究了击实次数( 5 0 次) 与真空饱水方式对冻融劈裂的影响，得出结论：空隙率与饱水率是水损害试验有效 与否的关键因素；江苏省交通科学研究院何兴华等人n 3 1 基于冻融劈裂试验研究了沥青混 合料的水稳定性，研究了三种不同级配下不同老化状态下，不同空隙率的混合料冻融劈 裂试验，研究表明水稳定性随空隙率增大而下降，验证了s m a 临界空隙率为6 是合理的。 宋力和通过对不同级配的沥青混合料做冻融循环试验，分析了在冻融循环过程中空 隙率的变化规律及其影响因素，研究发现初始空隙率的大小对冻融循环后空隙率的变化 具有重大影响，基本是随着初始空隙率的增大，冻融循环后空隙率的变化也大。这也反 映了混合料的抵抗冻融循环的能力，即初始空隙率大的混合料抵抗冻融循环的能力差。 目前，有关沥青混合料冻融循环试验的系统研究较少。我国现有规范除评价沥青混 合料水稳定性时有标准冻融劈裂试验外，尚未明确提出在测试其他性能时的标准冻融循 环试验，因此缺乏相关冻融循环试验标准方案，各个学者进行研究时所采取试验方案及 评价指标各异。( 1 ) 关于评价指标：由于研究者关注的冻融对沥青混合料性能影响的角 度不同，使评价混合料冻融循环的指标各不相同，潘宝峰等人通过强度评价抗冻融性能， 侯曙光等人和李括关注了冻融对混合料疲劳性能的影响，评价指标为疲劳寿命。( 2 ) 关 于影响因素：不同学者研究了不同因素对沥青混合料抗冻融循环性能，如级配类型、油 石比、沥青老化、空隙率、冻融循环制度( 循环次数、温度、时间) 等因素，但未进行全 面系统的横向比较，尚未明确各个变量对沥青混合料抗冻融循环性能的贡献。 综上所述，通过对有关沥青混合料冻融循环方面研究的文献收集与分析可知，目前， 4 在沥青混合料冻融循环研究方面存在如下不足： ( 1 ) 在我国规范中，仅在评价沥青混合料水稳定性时考虑了冻融循环对沥青混合料 抗水损害能力的影响，在评价沥青混合料的其他性能指标时均未考虑到有水条件下温度 冻融循环的影响，相关规范中未见明确规定。 ( 2 ) 目前，从现有文献分析来看，大多数研究者在评价沥青混合料的水稳定性时， 均采用了冻融劈裂试验，考虑到了冻融循环对混合料的影响，但是均是按照规范中要求 进行常规试验，鲜有考虑到多次冻融后混合料的水稳定性状况。 现有规范对冻融影响的考虑也存在一定不足，在冻融劈裂试验中，规范中仅要求在 一种冻融循环制度下进行1 次冻融循环，未对沥青混合料经历多次冻融循环后性能衰减 做出要求；我国部分道路研究者对冻融劈裂试验进行了改进，探讨了对沥青混合料进行 多次冻融循环的必要性和合理性。 ( 3 ) 沥青路面材料由于冻融作用损坏后，在路面结构内部易形成裂缝、松散甚至空 洞等。针对低温作用下松散或脱空区的积水结冰膨胀引起的路面应力分布尚不明确。 基于上述分析，笔者认为迫切需要针对以下几个方面进行系统研究： ( 1 ) 冻融条件下沥青路面的破坏特征及加剧扩展机理 ( 2 ) 沥青混合料的多种材料性能随反复冻融循环的衰变规律 ( 3 ) 沥青路面内部裂缝或脱空等区域性积水结冰膨胀引起的应力变化。 1 3 本文研究内容及技术路线 本文通过现场路面病害调研分析、室内模拟试验分析，开展了冰雪灾害期间及后期 对路面材料及结构的影响机理研究，为进一步研究沥青混合料抗水一温冻融性能，指导 材料设计及提出灾后路面养护对策奠定基础。 本论文的具体研究内容如下： 1 南方地区冰雪灾害期间气候特征分析 调研分析湖南冰雪条件的主要特征，尤其是研究与北方高纬度地区常见的冰雪条件 在气温日变化、降水量的特点、持续时间等方面的区别，为研究冰雪灾害对路面材料产 生的损伤奠定基础。 2 灾后沥青路面病害调查分析与损害特征分析 对灾后的试验路全线典型病害路段进行现场调研及取样工作；对典型病害位置及特 点进行详细描述，分析灾后沥青路面病害现象及材料损害特征；对取回芯样进行有关室 内试验，分析材料性能衰变规律；研究不同病害在灾后的增长趋势，分析典型病害形成 的原因及与冰雪灾害的关联性。总结分析冰雪条件下及灾后沥青路面病害发生与加剧扩 展原因及主要影响因素。 3 多次冻融循环室内试验研究 对现有文献中有关冻融循环试验方法进行改进，包括试件的饱水方式、隔水处理、 冻融时间、冻融温度等，提出较为简单精确，省时省力的冻融试验方案，并通过对试件 预埋p t l 0 0 温度传感器，验证冻融时间。冻融温度的精确性，确保冻融效果良好。 通过进行冻融循环试验和冻融前后沥青混合料抗压强度、间接拉伸、小梁弯拉试验， 研究沥青混合料强度随冻融循环衰变规律；通过进行多次冻融循环残留稳定度、冻融劈 裂对比试验，得到多次冻融循环后对混合料水稳定性的衰减规律；以及不同初始空隙率 下沥青混合料疲劳寿命随冻融循环衰减的规律特性。 4 冰胀对沥青路面结构力学响应特征研究 通过对冰灾期间湖南地区的温度和降水特征研究分析，得到了南方地区冰雪条件典 型特征，采用有限元方法分析了冰雪条件对路面温度场的影响。基于此研究了当沥青路 面结构内部自由水结冰膨胀时对路面结构的应力分布影响。 本文拟采取的技术路线如图1 1 所示： 图1 1 本论文拟采取的技术路线 6 第二章冰雪气候特征与路面病害调查 据统计，南方部分高速公路在经历了0 8 年年初的冰雪灾害后，路面病害有大面积 暴发的趋势，部分路段典型病害集中式骤增。分析认为这种趋势与路面经历的冰雪气候 密切相关。持续低温、长时间冰雪覆盖等对路面材料性能造成了较大损坏，加之南方地 区冰灾后气温回升较快，在繁重的交通荷载作用下，路面潜在病害逐渐显现以及原油病 害加剧发展。因此，本章首先根据冰灾期间的气象资料，分析了2 0 0 8 年年初的冰雪气 候特征，并对灾后沥青路面病害进行了调查，分析了试验路病害特点及灾后发展趋势。 2 12 0 0 8 年初冰雪气候特征分析 2 1 1 南方冰灾区与北方高纬度区温度特征对比 为弄清南方( 以湖南省为代表) 冬季尤其是2 0 0 8 年初冰灾期间温度特征及其与北 方高纬度区温度特征的差异性，课题组搜集了近五年来河北、河南、山西、山东等省区 的冬季气候资料，归纳分析了南方地区与上述地区的冬季温度特征的差异性。 表2 1 为五省区0 3 年冬季 0 7 年冬季( 0 8 年年初) 月平均温度、月最低温度信息 表。( t a v ：月平均气温；t m i n ：月最低气温) 表2 1 五省区0 3 , - , 0 7 年冬季温度信息表 0 3 年冬季0 4 年冬季0 5 年冬季0 6 年冬季 0 8 年( 1 、2 月) 温度 t a rt m i nt a rt m i nt a rt m i nt a rt m i nt a rt m i n 1 67 80 11 0 6- o 58 9o 46 4l - 3 - 4 1 河北- o 51 0 72 28 718 20 17 429 4 5 34 31 591 7- 9 95 4- 4 42 5 8 均值 2 1 37 61 2- 9 4 30 0 791 96 0 7o 6 7 1 7 3 15 42 48 21 97 335 13 9 2 7 河南 1 58 1o 57 8o 3- 7 42 45一o 78 8 7 7- 4 20 36 63 9- 6 47 63 72 86 9 均值 4 1- 5 9o 7 3- 7 5 32 0 3 7 0 34 3 3 4 626 1 3 3 2 1 4 72 2 1 5 45 1 - i 4 52 5 1 1 3一1 6- 1 0 6 山西一1 7 1 7 15 71 9 5 3 6 1 7 1 4 41 3 25 51 6 3 0 9 1 3 62 8 1 5 30 4 1 3 1 2 41 0 13 41 4 1 均值 1 08 山东 58 均值 - 88 3 湖南 53 均值 湖南地区与北方高纬度地区近五年的冬季月平均气温对比如表22 所示 袁22 五省区冬季月平均气温对比表 温度 0 3 年( )0 4 年( )0 5 年( ) 0 6 年( ) 0 8 年( ) 河北 河南 山西 山东 湖南 口0 3 年0 4 年口0 5 年口0 6 年o s q 图21 五省区冬季月平均气温对比图 由表22 、图21 可知，湖南地区冬季温度与北方高纬度地区冬季温度具有明显的不 同。河北地区冬季月平均气温在2 2 c 之间，河南地区冬季月平均气温在0 4 c 之间， 山东地区冬季月平均气温在一1 3 c 之间，山西冬季月平均气温在一2 4 之间，而湖南正 常年份冬季月平均气温可达约i o c ，0 8 年年韧冰灾期间平均温度为4 c 左右。比较来看， 湖南正常年份冬季平均气温明显高于北方省市，0 8 年初冰灾时温度特征与河南省往年冬 2 0 8 6 4 2 o z 4 6 p辱翥m付廿罂靶情彗、蚓 季温度特征相似。在研究过程中，相关研究成果可借鉴河南地区的相关资料作为参考。 表征温度特征的另外一个重要指标就是月极低温度，一次性降温过快或降温幅度过 大，对路面材料及路基土等将会产生极其不利的影响。因此，对上述地区冬季1 2 月、1 月、2 月的每月极低气温做了对比分析，如表2 3 所示。 表23 五省区近五年冬季月极低气温对比表 年份0 3 年( )0 4 年( )0 5 年( ) 0 6 年( )0 8 年( ) 河北 河南 山西 山东 - 88 湖南 叵亟亘蟹亘亟亘亟亘鲴 叩唧盯盯 删1 图22 五省区近五年冬季月极低气温对比图 由表2 3 、图2 2 可知，河南、河北、山东地区冬季月极低气温较为接近，在“1 0 之间，山西冬季月极低气温较低，在1 2 - - 1 6 之间。而湖南正常年份冬季板低气温也 仅为1 左右，但0 8 年年初冰灾期间冬季月极低气温已接近一5 c ，已接近河南、河北等 北方地区冬季温度。 综上所述湖南正常年份( 如0 6 年) 冬季月平均气温约1 0 ( 2 ，月极低气温约l 。 受冰灾影响，0 8 年年初冬季月平均气温约4 c ，月极低气温约_ 45 5 c 。 21 2 南方冰灾区与北方高纬度区降水特征对比 为弄清南方( 以湖南省为代表) 冬季降水尤其是2 0 0 8 年初冰灾期问降水特征及其 与北方高纬度区降水特征的差异性，搜集了近五年来河北、河南、山西、山东等省区的 冬季气候资料，归纳分析了南方地区与上述地区的冬季降水特征的差异性。 一 一 一 一 一 ：o屯q喝唱m他h坞博 p啊扩当罅卅砷忙瓤q廿已蚓 表2 4 为五省区0 3 年冬季0 7 年冬季( 0 8 年年初) 1 2 月、1 月、2 月的月平均降水 量、月最大降水量及降水量0 1 m m 的天数等信息表。( q a v ：月平均降水量；q m a x 月最大降水量；d ：降水量1 0 1 m m 的天数) 表2 4 五省区近五年冬季降水情况 降水0 3 年冬季0 4 年冬季0 5 年冬季0 6 年冬季0 7 年冬季 q a vq m a x d q a vq m a x d q a v q m a x d q a v q m a x d q a vq m a x d 0 10 1l2 1 81 2 850 80 815 34 633 53 51 河北2 31 421 91 9l4 134oo0 83 85 1 3 79 621 5 51 0 680 44l3 82 42oo 累计 1 6 11 1 155 6 32 5 31 45 37 869 1754 37 36 1 61 6l1 4 78 962 31 225 52 348 42 66 河南 2 1220o2 5 81 5 25oo01 74 5 1 0 1 7 71 4 32 8 3 2 6 7 1 7 89 341 3 67 44 2 5 2 5 l 累计 3 5 83 2 352 31 1 51 34 5 92 5 7ll1 9 19 78 2 8 9 6 1 7 oo 8 7 4 34 0 40 4 l2 1 530 80 72 山西 o 6 o 6lo 20 2l3 51 7 4 0003 725 1 1 79 725 21 667 97 621 1 79 222 72 62 累计 1 2 31 0 331 4 16 1l l1 1 89 771 3 71 0 757 25 39 l o 29 548 32 374 54 421 6l31 5 48 26 山东1 9o 930002 22 120o6 835 1 7 71 7 7l2 0 61 4 485 31 569 47 635 94 64 累计 2 9 82 8 182 8 91 6 71 51 281 0l l8 662 8 11 5 81 5 1 0 22 1 71 76 6 61 6 71 3 湖南7 4 2 1 71 4 8 2 12 2 5 2 0 l1 6 2 7 91 7 5 6 51 5 2 9 累计 2 9 27 1 34 82 0 55 4 44 2 根据表2 5 中的信息，得到五省区近五年每年冬季累积降水量如表2 5 、图2 4 所示。 表2 5 五省区每年冬季的累积降水量 年份 0 3 年( m m )0 4 年( m m )0 5 年( m m ) 0 6 年( m m )0 8 年( 咖) 河北 1 6 1 5 6 35 39 14 3 河南 3 5 82 3 04 5 91 9 12 7 9 1 0 山婀 山东 湖南 口0 3 年0 4 年口0 5 年口0 6 年0 8 年 l3 5 0 蚓3 0 0 耋2 5 0 绮2 0 0 担1 5 0 喀1 0 0 i5 ：量二曲i 一口 河北河南山西山东湖南 图23 五省区每年冬季的粜积降水量图 由表2 5 、图2 3 可知在降水量方面，湖南地区与北方高纬度地区明显不同。北方 高纬度地区冬季月累积降水量在l o 一3 0 r a m 之间，甚至有的年份冬季降水仅4 “r n m 。而 湖南地区冬季降水量就明显比上述地区高很多，冬季月累积降水量在2 0 0 - 一3 0 0 m m ，比 北方冬季降水量超出l 肛2 0 倍。 降水量0i m m 的天数也是衡量降水特征的重要指标，将五省区近五年冬季总降水 大于0i m m 的天数汇总如下表2 6 所示， 表26 五省区冬季降水量01 胛的天数 年份0 3 年( 天)o d 年( 天)0 5 年( 天) 0 6 年( 天)0 8 年( 天) 河北 河南 山西 山来 湖南 口0 3 年i i - 年b 0 , 5 年百i 6 虿0 8 年 ld 扫划 河北 可南山西山东湖南 图24 五省区冬季降水量ol m 的天数 由表2 6 、图24 可知，北方高纬度地区冬季降水量 0 l m m 的无数大多在5 一1 0 天 之i h j 而湖南地区冬季降水量 01 m m 的天数多达4 0 天以上。 综上所述，湖南地区冬季降水的明显特征是降水量大，每年冬季降水人于2 0 0 r r n n ， 而且降永持续天数长，每年冬季降水量 0l m m 的无数多达4 0 天。 由湖南地区与北方高纬度地区的气候特征对比可知，湖南地区0 8 年初冰灾期间月 甲均气温为4 c ，最低温度为- 45 5 ：降水特征非常明显，降水量人且持续时u j 长。因 此，对于路面来讲，在低温条件下更易发生水温冻融灾害。 2 13 湖南省冰灾期间气候特征分析 湖南地区是2 0 0 8 年季j j 冰灾的重灾区。湖南中部、西部的3 6 个县市选到重度冰冻灾 害标准，3 4 个县市达到中等冰冻灾害标准；全省3 7 个县市的冰冻直径超过2 0 n u n ，部 分县市的冰冻强度超过了有气象记录以束的历史极值。据气候历史资料统计，2 0 0 8 年是 白1 9 5 4 年以柬冰冻范围最广、持续时阳j 最长、影响程度是严重的一年。 2 5 2 0 1 5 p1 0 髦s 0 5 一1 0 1 1 i ，】 同期 图252 0 0 7 年1 2 月2 0 0 8 年2 月口气温 埘加onvot“霉#*i* 日期 图2 62 0 0 7 年1 2 月2 0 0 8 年2 月降水量 表2 7 冰灾期间降水和低温天数统计 月份降水天数降水超过l m m 天数温度 5 旬o 5 5 c 以上 1 2 月 1 7 d1 3 d 1 2 月 0 d7 d2 4 d 1 月 2 1 d1 5 d 1 月 2 0 d8 d3 d 2 月6 d6 d 2 月 1 0 d3 d 1 6 d 由图2 5 、图2 6 、表2 7 可知，1 2 月份、1 月份降水较多，有1 1 天日降水量超过 1 0 m m ；1 月份持续低温( 5 加) 时间较长，达2 0 天。由图2 5 可看出，整个1 月份日最 高温度在0 5 范围内波动，日最低温度在5 q ) 。c 范围内波动，并且在2 月初气温回升 较快，因此，冰灾期间及末期沥青路面材料相当于经历了多次反复水温冻融，在繁重的 交通荷载作用下必将对路面材料产生严重损害。 2 2 依托工程路面病害调查及发展趋势 2 2 1 典型病害类型及分布特点 本文以湖南省临湘至长沙的高速公路为依托工程，临长高速是北京至珠海高速公路 的组成部分，全长1 8 3 公里，皆为沥青混凝土路面。 项目课题组于2 0 0 8 年年底对临长高速全线路段进行了病害调查和取样工作。由路 面病害调查结果来看，临长高速路面病害呈现几个非常明显的特征：病害典型、集中( 密 集) 、并存、修补后病害重现率高。主要病害为横向裂缝、纵向裂缝、坑槽、翻浆和沉 陷，这四类病害具有大致相同的分布，主要是分布在2 、3 标和地质情况较差的7 、8 、9 、 l o 标，这些不良地质有可能导致翻浆唧泥沉陷等病害的发生；采用花岗岩作中下面层的 7 、8 、9 和1 0 标，由于上面层采用a k 型沥青混合料，空隙率较大导致雨水进入混合料 内部，造成本来抗水损害能力就不足的中下面层松散，这些表面水还会达到并存留在基 层顶面造成基层唧浆、软化等病害。而1 1 标采用了s m a 型沥青混合料，由于该型沥青 踮 瑟加 坫m 5 o 重删垂 混合料空隙率较小，封水效果明显优于a k 型沥青混合料，尽管中下面层材料同7 、8 、 9 、1 0 标一样，但在无水( 或很少) 的情况下中下面层混合料也不会出现剥落、松散等病 害，因而裂缝、坑槽、唧泥翻浆病害较轻。 2 2 2 试验路典型病害年度变化 根据临长高速公路多年的检测及技术调研资料，统计了裂缝、坑槽等各类病害逐 年的发展情况，尤其是0 8 年初冰灾前后的路面检测。如表2 8 所示。 表2 8 临长高速公路典型病害逐年增长情况 年度 病害 0 6 年度0 7 年度0 8 年初冰灾后0 8 年度 横向裂缝( m ) 3 3 4 9 7 2 7 6 3 6 2 6 1 9 96 3 2 3 7 纵向裂缝( m ) 1 9 6 l l1 4 2 1 63 1 0 7 35 9 3 1 2 坑槽( 肝) 4 0 2 13 7 4 79 2 8 32 7 2 4 6 翻浆唧泥沉陷( m 2 ) 2 0 82 3 91 5 2 3 1 3 3 0 2 公里平均车辙深度超 左幅右幅左幅右幅左幅 右幅左幅右幅 过1 5 m m 的公里数) 081 6 3 75 62 6 表2 9 临长高速公路2 0 0 8 年度路面病害情况 病害数量公里平均数量 裂缝 1 2 2 5 4 9 m6 6 8 3 m k m 坑槽2 7 2 4 6m 21 4 9 1m l k i n 翻浆唧泥沉陷 3 3 0 2m ?1 8 1m 2 妯 车辙超过1 5 m m 的里程数及车辙超过2 0 m m 的里程数及 车辙平均深度( m m ) 百分比百分比 右行左行右行左行右行左行 1 2 6 11 4 0 12 7 k m