环境因素对沥青路面的不利影响分析及应对措施

白永兵

（承德公路工程监理有限责任公司，河北 承德 067000）

任何路面工程结构设计的目的都是为了完成某些期望的功能。路面工程结构建成后必将处于特定的环境中，并与环境相互作用。要确保路面结构达到预期效果的关键在于如何应对环境对沥青路面结构使用性能的不利影响[1]。

根据环境的影响程度，工程结构可分为两类。一类结构所处环境适中，受环境影响较小，例如当结构处于干燥环境时，虽然环境温度对结构有影响，但湿度较低，因此混凝土碳化和钢筋锈蚀程度较小，这样的情况在设计中只需要考虑温度效应便足以达到其目的；另一类结构所处环境恶劣，受环境影响大，例如在沿海水域的海洋环境中，结构的混凝土容易碳化，也容易出现钢筋锈蚀，在这种情况下，如果设计不能正确考虑并克服环境影响，则结构往往无法达到预期使用效果。

对于建筑结构来说，很容易判断环境影响是轻微的还是严重的，采取相应的应对和处理措施以后，结构就可以达到预期的设计使用年限及效果。但对于路面而言，特殊的工程结构、对环境影响的考虑和相应的对策措施则往往达不到设计管理人员的心理预期。

面对沥青混凝土路面的频繁损坏、早期破坏严重等情况时，研究人员已经形成共识[2-4]：环境的不利影响是造成沥青混凝土路面损坏的主要原因之一。但如何在设计中采取适时、适当、适量的设计措施加以应对仍是一个悬而未决的问题。

本文分析了环境对沥青混凝土路面的不利影响，指出了目前沥青混凝土路面设计措施应对环境不利影响方面的不足之处。基于这些分析结果和结构可靠性，提出把沥青混合料的级配和内部有效孔隙率纳入路面设计指标，同时提出检测应以现场钻取的芯样样品为依据，把路面层间的黏结状况纳入验收指标。

一、环境对沥青路面性能的影响

（一）高温对沥青路面的影响

在夏季高温环境条件下，由于车轮荷载的反复作用，载荷应力会超过沥青混合料的塑性极限，流动变形会逐步累积从而形成车辙病害。当路面发生车辙破坏时，车轮下方会出现凹陷，车轮两侧会出现凸起；路面材料被以曲线形式向外推，从而使车道线变得扭曲[5]，如图1所示。

图1 高温车辙导致车道线扭曲

（二）低温对沥青路面的影响

冬季气温骤降，由于沥青混合料的应力松弛跟不上热应力的增长，从而导致沥青混合料的刚度迅速增加，一旦超过混合料的极限强度或极限拉应变，路面将产生开裂病害，即温度裂缝。当沥青面层与基层的附着力不足，并产生一定的收缩自由度时，路表混合料就会变得更加容易开裂。

另一类温度裂缝的产生原因是当温度反复升降时，对于沥青混合料而言，其拉伸应变疲劳应力极限变小，同时加上沥青老化、松弛性能退化等原因，路面将更容易在高温下开裂。实际上这种类型的温度裂缝包含疲劳因素和温度因素，因此研究人员也通常称之为温度疲劳裂缝，如图2所示。

图2 沥青路面温度裂缝

（三）水对沥青路面的影响

沥青混凝土路面由集料、沥青和矿粉组成，其中集料由沥青黏合而成，这就导致了集料之间未能完全黏结的部分会产生内部孔隙。当沥青混合料的空隙充满水时，在交通荷载作用下，沥青混合料的孔隙中会出现相当大的动水压力。由于流体力学的作用，骨料与沥青胶浆的结合面会被破坏。当沥青膜的黏结性能被破坏到一定程度时，其将逐渐从骨料上剥离，骨料和沥青胶浆之间的黏附力就会丧失，进而产生飞散、掉粒等病害，最终导致路面破坏[6]，如图3所示。

图3 沥青路面水损害

沥青路面水害过程可以归纳为4个步骤：初期，水渗入沥青与集料界面，形成水膜或水蒸气，影响沥青与集料的附着力；其次，在车辆循环荷载作用下，孔隙中的水形成动水压力，使沥青膜开始从骨料上剥离；渐渐地，黏结在一起的集料开始松动；最后，由于集料的缺失，路面形成凹坑。而路面坑槽的存在则会进一步积存水分，并产生更为严重的沥青混合料的水损伤，最终导致路表破损呈指数型增长。

二、现有沥青路面环境影响设计方法

（一）对温度影响的设计考虑

在水泥混凝土路面设计中，对温度的考虑是[7]：把温度影响视为混凝土板上的一种特殊荷载，把计算出的温度应力与荷载应力的组合应力视为有效应力，作为设计控制应力。在沥青路面设计中，温度的影响不作为单独的校核应力包含在组合应力中，这也造成了沥青路面设计忽视环境温度影响的问题。

在沥青路面设计中，为了抵抗高温对沥青路面的影响，研究人员提出了沥青混合料的车辙动稳定度设计技术要求，以保证沥青路面在高温下能够正常使用，即降低高温车辙病害发生的概率。针对沥青混凝土路面的低温性能，研究人员相应提出了沥青混合料的低温弯曲应变极限值，用作评价沥青混合料的低温性能。

（二）对水影响的设计考虑

水的影响可以分为降雨和降雪冰冻作用对路面沥青混凝土的影响。本文分别对沥青路面的材料、结构提出了避免水损害的设计构想。

对于年降雨量较大的环境，规范规定“高速公路和一级公路在年平均降雨量1000mm以上的地区，表面层沥青混凝土等级应达到5级。”“为防止雨雪进入路面层和路基，沥青面层材料应为密级配沥青混合料。使用排水基层时，应在其底部下方设置防水层和内排水系统，以确保水被排放到堤外。”

在《公路沥青路面设计规范》（JTG D50-2017）中，为了抵抗水的冲击，在路基、基层和沥青表面提出了许多相应的结构措施；并对路面材料提出了具体要求，特别是对沥青混合料的水稳定性、抗冻融特性及低温性能的要求。

三、现有设计方法对环境影响考虑的不足之处

从以上沥青路面的环境影响及相应的对策来看，目前的设计规范对道路的环境影响确实非常重视。然而，这些措施和方法往往无法克服或解决相应的环境影响问题，沥青路面的使用性能并没有实现质的提高[8]。

（一）实际路面材质与设计材质不同

目前，几乎所有关于环境影响的结论都是基于实验室条件下的理想混合料试验所得出的。按照现行标准及其操作方法，即使在实际路面发生严重损坏时，实验室相关测试数据仍保持材料在施工前、施工中和施工后均能达到规范技术要求。同时，路面施工过程控制和监测数据也显示，这些路面项目的建设指标也均符合相应的建设和验收规范。经抽样检测确认，材料符合技术要求，施工符合施工要求。然而，通过现场调查研究表明，室内试验针对的是理想条件下的沥青混合料，实际路表的沥青混合料与实验室内理想混合料之间存在着较大的差异性，仅仅依靠室内试验数据无法准确衡量和预测实际路面的使用性能。

（二）缺乏对环境影响的深入研究

目前，环境对沥青路面影响的机理尚未明确。由于环境的影响，沥青混合料的物理力学性能在实际道路上正在发生巨大的变化。同时，随着时间的推移，在荷载和环境的影响下，沥青路面的层间状态也发生了很大的变化[9]。这导致设计中使用的状态参数不可靠，也不能作为预估其使用寿命的依据。沥青路面材料和结构状态的恶化是导致频繁失效的根本原因。然而，材料和结构在环境中的劣化机理在研究中很少受到关注。而设计中常用实验室数据和层间弹性连续状态的假设，只存在于理想条件下，同样也不能反映道路的实际状态。

四、改进的思路和措施

（一）改进的依据和思路

《建筑结构可靠性设计统一标准》（GB 50068-2018）指出，应定量描述环境对结构的不利影响；当没有定量描述条件时，可把结构的环境影响分为若干等级再进行定性描述，在结构设计时应采取相应的技术措施。

为提高沥青路面的可靠性，避免沥青路面过早破坏，应加强研究环境对沥青路面的不利影响，进一步研究定量评价环境对沥青路面不利影响的方法，以获得沥青路面材料的长期指标。但这项工作需要很长时间才能完成，而且由于不同地区的环境条件不同，研究必须针对特定的环境变量情况，因此在短期内对设计规范中的长期指标进行优化是不现实的。提高沥青路面质量，在短期内增强沥青路面的抗环境能力，应从两方面着手。一方面是在设计中增加环境影响的相关指标；另一方面是保证道路实际状态与设计一致，改变取样方式和施工要求。

（二）在设计中添加环境影响指标

集料的质量和孔隙率要求应包括在设计指标中。相关研究结果表明，沥青路面的损坏除温度和水分外，还与沥青混合料级配和孔隙率密切相关——沥青混合料中细集料含量过多会导致其高温性能变差；而当沥青混合料的孔隙率大于6%时，其水损害会显著增加。然而，在目前的沥青路面设计规范中，这些结果并没有得到体现，只给出了沥青质量的相关要求。对于沥青混合料只要求力学性能，而且只明确了集料的等级，但没有提出孔隙率与环境影响之间要求。只有明确沥青混合料的级配和孔隙率对环境的不利影响，才能有效避免环境影响。

（三）改变施工控制和验收中的抽样方法

目前沥青路面的实施过程中，沥青混合料级配样品的测试是在拌和后铺装之前，此时获得的样品始终满足其目标要求。但实际上在摊铺过程中，沥青混合料往往离析严重，沥青混合料的级配与设计相差甚远。沥青混合料的级配离析包括摊铺离析和温度离析。这些隔离导致偏离道路的实际设计。

因此建议路面的质量控制使用现场钻孔取样。一方面测试芯样的常规性能，另一方面则需测试芯样的层间黏结性能和孔隙率。然而，沥青路面在设计过程中是假定结构层之间的接触是完全黏结在一起的，即沥青路面结构设计是基于层间完全连续理论。而工程实际中路面层间黏结状态是否处于完全黏结，在验收时没有相应的检验和评价指标。因此，本文建议增加沥青路面的层间黏结状态评价指标，以促进施工时及竣工验收时对层间黏结性能的重视。

五、结语

环境影响是沥青路面损坏的主要原因之一。高温环境容易导致沥青路面的车辙病害，而低温环境则容易导致沥青路面开裂，产生温缩裂缝。当雨水渗入到混合料的内部孔隙中，会存在于沥青胶浆与集料的交界面处，在车辆荷载所引起的动水压力作用下，沥青膜开始从集料表面剥离，造成集料松散、掉粒，最终形成路表坑洼。

目前，在现行的沥青路面设计规范中，对环境影响的考虑不够具体和适当，这是造成沥青路面过早产生病害的实际原因之一。若希望提高沥青路面的使用质量，在短期内增强沥青路面的环境适应能力，应从两方面着手。一个方面应在设计中增加环境影响的相关设计和评价指标；另一方面应保证道路实际使用状态与设计指标值相一致，并需要优化改变现场钻芯取样方式和施工的技术要求。