沥青材料气候分区的研究
道路沥青及其混合料的路用性能受到许多因素的影响,特别是受气候环境因素的影响。 据工业发达国家的资料,在高速公路 上,夏季高温季节行车造成的车辙是导致路面损坏最重要的原因。冬季气温骤降及反复升温降温引起的沥青路面温缩裂缝是路 面横向开裂的主要原 因。除温度因素外,水对沥青混合料的性能也有重要影响。水分渗人沥青与集料的界面上,使 粘附性降 低,在荷载的作用下,集料将产生剥离、坑槽。
因此,如何根据本国的地区气候特点,选择恰当的沥青,使路面具有较强的高温抗车辙能 力和低温抗裂性能、水稳定性,延长 路面的使用寿命,是一个关系到公路路面使用质量的重要 问题。我国“八五”国家科技攻关“道路沥青及沥青混合料路用性能 的研究”专题对我国的气候 特点进行了深入的研究,选择了反映影响沥青及沥青混合料路用性能的最主要的气候要素,提 出 了全国性的气候区划,山西、新疆等省区还根据本地具体情况,提出了更细的二级区划,根据 不同地区的不同气候条件对沥青 质量及沥青混合料性质提出不同的要求。研究成果对沥青路 面的建设具有指导意义,有很高的实用价值。
尽管针对沥青及沥青混合料使用性能研究气候,在我国还是首次。但是在实际工作中,一直普遍地考虑到了这些因素。例如按 照不同地区的气候特点选择沥青等级,南方用针人度较 小的沥青, 北方寒冷地区用针人度大的沥青, 在《沥青路面施工及验 收规范》(GB J 92--96) 和 《公路沥青路面施工技术规范) (JTJ 032-94) 中已有一个沥青路面施工气候分区, 按照一月份 平均气温分成三个区,≤-10℃的为寒区,≥0℃的为热区,介于-10~0℃之间为温区,这对选 择沥青等级、进行沥青混合料配 合比设计,指导沥青路面施工有一定意义。
1988年, 美国公路战略研究计划(SHRP) 沥青项目的研究, 首先提出沥青及沥青混合料按 气候分级的设想,将沥青及沥青混 合料的分级建立在沥青路面使用性能的基础上。在沥青性 能分级中,主要考虑的是温度因素,按照高温、低温两种极端情况考 虑。在沥青混合料规范中, 还有一个水稳性指标, 按年降雨量分级, 为此提出的SHRP沥青混合料规范的框架如表1-2-1, 阴 影表示不存在此气候区域。
1992年底, SHRP的沥青混合料设计软件SUPERPAVE出台。SUPERPAVE关于沥青结合料 路用性能规范的分级采用了全新的思想, 它规定每一个等级的沥青结合料必须能适应于当地 的最高和最低设计温度的要求,并对沥青材料气候分区进行了深人的研究。 首先他们建立了国家的SUPERPAVE气候数据库, 收集并记录了美国5313个和加拿大 1515个国家级气象台站的数据资料。为使温 度分级更为科学,提出了由空气温度改为路面沥 青混合料温度。
高温设计温度采用一年中温度最高的7d周期的由空气温度转换 过来的路表 路表温度, 且等于空气温度, 以年最低气温表示、称为MIN PVT 下20mm深处的平均最高温度(即7d的最高温度的 平均值) , 称为MAX PVT, 低温设计温度则是 在SHRP-A-648报告[x中指出, 在高温条件下, 路表温度是由路表的热气流决 定的。
根据以上模式提出的SUPERPAVE沥青结合料性能规范中, 高温指标的试验温度即路面 高温设计温度,低温指标的试验温度比低 温设计温度提高了10℃,这是为了试验方便,由温度 时间换算法则变换得到的。从分析可知,疲劳性能的试验温度实际上接近 高温及低温设计温 度的中值,均比中值高了4℃。 利用气候数据库的气候数据时,历年的最高最低温度都是不一样的,在数十 年中,每一个 温度数据都呈图-2-1式的正态分布] , 例如图中上图示出了美国俄亥俄州的Cleveland地区 -历年记录的7d连续 最高气温的平均值是32℃,即保证率是50%,标准差为2℃,采用2倍标准 差即相当于98%(实际为97.72%)的保证率时,7d连续最 高气温为36C;同样最低路面温度的 平均值为-21℃,相当于保证率50%,标准差4℃,则保证率98%时为-29℃。当换算为路面 设计温度时,成为图中的中图,路面高温设计温度为52℃(保证率50%)及56℃(保证率为 98%),路面最低设计温度为-16℃及-23 ℃。在图中下图示出了为满足此设计温度范围的沥 青结合料等级,选择50%保证率时,应该选用PC52-16级,它能满足高温52℃ 及低温-16℃ 的要求,同样当选择98%的保证率时,应该采用PG58-28等级的沥青结合料,它能满足高温 56℃及低温-23℃设计 温度的要求,而且实际的保证率比98%还要高。 按照SUPERPAVE的方法, 沥青路面的高温设计温度是采用夏季连续7d最高平均 路面设 计温度。按此得到的路面气候分区图如图1-2-2,温度的级差为6℃,并以52℃、58℃、64℃、 70℃为界限。 实际上沥 青混合料的分级除了温度因素外,又增加了水分因素及交通量的影响,实际的分 级要更多(表1-2-2) 。在SUPERPAVE中, 沥青 混合料性能规范不再以表格的形式出现, 直接由各种条件来判断。
但是,由于我国的气候特点与美国不同,尤其是缺乏路面温度与空气温度关系的测定数 Cleveland地区的气温、路面设计温度 、沥青结合料等级要求 据,采用沥青路面的温度还不具备条件,再加上我国进行沥青使用性能气候分级尚属首次,分 级也不 宜太多。因此,不能完全套用国外的标准。