瀝青材料氣候分區的研究
道路瀝青及其混合料的路用性能受到許多因素的影響,特別是受氣候環境因素的影響。 據工業發達國家的資料,在高速公路 上,夏季高溫季節行車造成的車轍是導致路面損壞最重要的原因。冬季氣溫驟降及反復升溫降溫引起的瀝青路面溫縮裂縫是路 面橫向開裂的主要原 因。除溫度因素外,水對瀝青混合料的性能也有重要影響。水分滲人瀝青與集料的界面上,使 粘附性降 低,在荷載的作用下,集料將產生剝離、坑槽。
因此,如何根據本國的地區氣候特點,選擇恰當的瀝青,使路面具有較強的高溫抗車轍能 力和低溫抗裂性能、水穩定性,延長 路面的使用壽命,是一個關系到公路路面使用質量的重要 問題。我國“八五”國家科技攻關“道路瀝青及瀝青混合料路用性能 的研究”專題對我國的氣候 特點進行了深入的研究,選擇了反映影響瀝青及瀝青混合料路用性能的最主要的氣候要素,提 出 了全國性的氣候區劃,山西、新疆等省區還根據本地具體情況,提出了更細的二級區劃,根據 不同地區的不同氣候條件對瀝青 質量及瀝青混合料性質提出不同的要求。研究成果對瀝青路 面的建設具有指導意義,有很高的實用價值。
盡管針對瀝青及瀝青混合料使用性能研究氣候,在我國還是首次。但是在實際工作中,一直普遍地考慮到了這些因素。例如按 照不同地區的氣候特點選擇瀝青等級,南方用針人度較 小的瀝青, 北方寒冷地區用針人度大的瀝青, 在《瀝青路面施工及驗 收規范》(GB J 92--96) 和 《公路瀝青路面施工技術規范) (JTJ 032-94) 中已有一個瀝青路面施工氣候分區, 按照一月份 平均氣溫分成三個區,≤-10℃的為寒區,≥0℃的為熱區,介于-10~0℃之間為溫區,這對選 擇瀝青等級、進行瀝青混合料配 合比設計,指導瀝青路面施工有一定意義。
1988年, 美國公路戰略研究計劃(SHRP) 瀝青項目的研究, 首先提出瀝青及瀝青混合料按 氣候分級的設想,將瀝青及瀝青混 合料的分級建立在瀝青路面使用性能的基礎上。在瀝青性 能分級中,主要考慮的是溫度因素,按照高溫、低溫兩種極端情況考 慮。在瀝青混合料規范中, 還有一個水穩性指標, 按年降雨量分級, 為此提出的SHRP瀝青混合料規范的框架如表1-2-1, 陰 影表示不存在此氣候區域。
1992年底, SHRP的瀝青混合料設計軟件SUPERPAVE出臺。SUPERPAVE關于瀝青結合料 路用性能規范的分級采用了全新的思想, 它規定每一個等級的瀝青結合料必須能適應于當地 的最高和最低設計溫度的要求,并對瀝青材料氣候分區進行了深人的研究。 首先他們建立了國家的SUPERPAVE氣候數據庫, 收集并記錄了美國5313個和加拿大 1515個國家級氣象臺站的數據資料。為使溫 度分級更為科學,提出了由空氣溫度改為路面瀝 青混合料溫度。
高溫設計溫度采用一年中溫度最高的7d周期的由空氣溫度轉換 過來的路表 路表溫度, 且等于空氣溫度, 以年最低氣溫表示、稱為MIN PVT 下20mm深處的平均最高溫度(即7d的最高溫度的 平均值) , 稱為MAX PVT, 低溫設計溫度則是 在SHRP-A-648報告[x中指出, 在高溫條件下, 路表溫度是由路表的熱氣流決 定的。
根據以上模式提出的SUPERPAVE瀝青結合料性能規范中, 高溫指標的試驗溫度即路面 高溫設計溫度,低溫指標的試驗溫度比低 溫設計溫度提高了10℃,這是為了試驗方便,由溫度 時間換算法則變換得到的。從分析可知,疲勞性能的試驗溫度實際上接近 高溫及低溫設計溫 度的中值,均比中值高了4℃。 利用氣候數據庫的氣候數據時,歷年的最高最低溫度都是不一樣的,在數十 年中,每一個 溫度數據都呈圖-2-1式的正態分布] , 例如圖中上圖示出了美國俄亥俄州的Cleveland地區 -歷年記錄的7d連續 最高氣溫的平均值是32℃,即保證率是50%,標準差為2℃,采用2倍標準 差即相當于98%(實際為97.72%)的保證率時,7d連續最 高氣溫為36C;同樣最低路面溫度的 平均值為-21℃,相當于保證率50%,標準差4℃,則保證率98%時為-29℃。當換算為路面 設計溫度時,成為圖中的中圖,路面高溫設計溫度為52℃(保證率50%)及56℃(保證率為 98%),路面最低設計溫度為-16℃及-23 ℃。在圖中下圖示出了為滿足此設計溫度范圍的瀝 青結合料等級,選擇50%保證率時,應該選用PC52-16級,它能滿足高溫52℃ 及低溫-16℃ 的要求,同樣當選擇98%的保證率時,應該采用PG58-28等級的瀝青結合料,它能滿足高溫 56℃及低溫-23℃設計 溫度的要求,而且實際的保證率比98%還要高。 按照SUPERPAVE的方法, 瀝青路面的高溫設計溫度是采用夏季連續7d最高平均 路面設 計溫度。按此得到的路面氣候分區圖如圖1-2-2,溫度的級差為6℃,并以52℃、58℃、64℃、 70℃為界限。 實際上瀝 青混合料的分級除了溫度因素外,又增加了水分因素及交通量的影響,實際的分 級要更多(表1-2-2) 。在SUPERPAVE中, 瀝青 混合料性能規范不再以表格的形式出現, 直接由各種條件來判斷。
但是,由于我國的氣候特點與美國不同,尤其是缺乏路面溫度與空氣溫度關系的測定數 Cleveland地區的氣溫、路面設計溫度 、瀝青結合料等級要求 據,采用瀝青路面的溫度還不具備條件,再加上我國進行瀝青使用性能氣候分級尚屬首次,分 級也不 宜太多。因此,不能完全套用國外的標準。