摘要：沥青路面使用期开裂是世界各国普遍存在的问题,它的产生严重危害道路的使用寿命和质量,是沥青路面主要破坏形式之一。通过对沥青混合料低温开裂破坏的理论分析，找出影响沥青混合料低温开裂的关键因素；进而通过对路面结构内部温度场的理论研究，计算最低温度条件下路面结构内部的温度应力，为有效解决高寒地区沥青路面低温开裂问题提供理论支持。
关键词：低温破坏；开裂；沥青
1.研究背景
在我国高寒地区，冬季较长，路面因热胀冷缩会产生裂缝，这种气候条件对路面使用性能提出了很高的要求，也带来了该地区路面结构的适应性问题。高寒
地区路段路面的主导破坏形式是由于低温及温差大引起的路面低温开裂。这种路面结构的早期病害使得路面使用寿命大大降低，道路服务水平下降很快，影响行车质量，并导致大量的资金浪费在不断的维修过程中。
路面开裂是沥青路面存在的主要病害之一，是解决路面问题的关键,受到各国道路界的普遍关注。交通的发展对沥青路面的要求越来越高，低温开裂使路面材料面临严峻考验，如何提高沥青混合料的质量，改善沥青路面的使用性能，延长路面的使用寿命，进而提高投资效益，这些问题对于高等级公路建设正处于高速发展阶段的我国显得尤为重要[1]。
2.国内外研究现状
国外沥青路面低温开裂预估方法较多,可分为力学经验法与回归分析法两类。
美国SHRP曾提出以温度应力试验和J积分试验作为评价沥青路面低温开裂的主要方法；麦克劳特采用劲度限制法,认为在预计的最低温度下,如果荷载时间为2000s时混合料劲度不大于7.0×103MPa就不会发生裂缝；加拿大作了大量的低温裂缝调查研究,根据安大略的条件,Fromm和Phang以分段和线性回归法建立了裂缝指数方程式；Hills和Brien根据温度应力与抗拉强度的平衡,提出了预估破裂温度法,并提出了计算温度收缩应力的公式[2-6]。
郝培文提出了采用低温压缩应变能这一指标评价混合料低温抗开裂性能的方法,该方法的提出是基于材料损伤原理,即沥青混合料在低温开裂时,经过裂缝的引发、亚临界状态增大、和裂缝最后终止三个阶段,根据材料的损伤准则,材料临界应变能密度越大,材料发生破坏所需能量也就越大,材料性能就越好[7]。
谢国忠、姚祖康等分析大气对路表的热对流的影响，通过求解一维热传导偏微分方程，得到路面温度场和最大温度梯度的解析式[8]。
侯芸、田波等建立温度场和湿度场的二维计算模型，不但考虑了热、湿的相互影响，而且考虑了道路的分层状况，不同层采用不同的热传导系数，并区分了冻土区和非冻区的参数差别[9]。
郑健龙、关宏信考虑了沥青混合料的热粘弹特性，运用增量迭代有限元方法，计算了在持续大幅度降温条件下，开裂水泥混凝土路面上沥青罩面层内温度应力场[10]。
李春雷等应用商业通用有限元软件ABAQUS，建立了8节点等参元有限元模型，采用奇异单元及断裂力学理论，选取不同的层厚、模量和裂缝深度，对半刚性基层沥青路面温度应力、裂缝问题进行了数值分析。
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周志刚，李宇峙通过建立路面结构随季节变化的温度场和交通动荷载作用下路面结构粘弹性层状体系模型，计算分析了温度季节性变化和随深度的滞后对路面温度应力所产生的影响，以及交通荷载的作用程度。
张登良教授认为，基层与面层附着性能差，将使面层有一定的自由收缩变形的可能性，降低了面层的温度收缩应力，从而减少沥青路面的低温开裂。
3.沥青路面低温开裂原因
中国近年来修筑的沥青路面,无论是北方冰冻地区,还是南方非冰冻地区,在使用期出现开裂的问题相当普遍,这种破坏在温度骤降或温差较大的地区更为突出。沥青路面出现裂缝严重影响着道路的使用寿命,而引起沥青路面开裂的因素很多,如交通量、环境、结构、施工工艺、材料组成、沥青膜厚度等。路面开裂产生的主要原因是寒冷季节周期性变化产生的温度应力、行车荷载作用产生的累积应力及材料的损伤超过材料的容许程度，从而导致路面开裂。 我国的北方地区（特别是西北地区），由于气候寒冷，昼夜温差大，沥青混合料在温度骤降或温差较大时由于温度应力作用而产生开裂。而且沥青路面普遍采用半刚性基层，路面开裂后，降水渗入路面结构内部，进一步产生唧泥、沉陷等结构性破坏，严重危害道路的使用性能和寿命。
沥青路面的开裂是由于作用于沥青混合料内部的疲劳应力和温度应力产生的应变值超过了沥青混合料所能承受的极限应力和极限应变。低温开裂不仅与材料强度有关,而且与材料的变形能力有关,比如材料有很强的伸长能力,即使其强度不很高,它也不易发生开裂,因此无论采用极限应力或极限应变指标,还是间接反应上述指标的其他单一指标如劲度模量和蠕变速率去评价沥青混合料抗开裂性能都是不全面的,在评价沥青混合料低温抗裂性能时,应以能量为基准。低温下沥青混合料可看作弹性材料,其破坏过程是一个能量耗散的过程,外力对材料所作的功可以转化成如下形式的能量：作为弹性应变能被储存；裂纹发生、发展产生新表面时转化为表面能。一般情况下,沥青混合料储存的弹性应变能越多,低温抗裂性能就越好。
低温收缩裂缝和材料的热胀冷缩现象是相关的，在低温收缩过程中如果材料没有受到任何限制可以自由伸缩，那么在温度变化时材料内部就不会有应力产生；相反，如果受到了一定的限制，如路面面层在温度降低时受到基层的约束作用，面层内就会产生温度应力，当应力大小和材料在此温度下的抗拉强度相等时，面层就会产生低温缩裂。沥青混合料在较大的温度范围内可以被认为是一种粘弹性材料，故而在一个较大的温度范围内由于温度的下降而引起的温度应力可以通过应力松驰而消散。然而，在一个较低的温度范围内，由于此时沥青混凝土更趋近于弹性材料，温度应力不能通过应力松驰而消散，而是积聚，并最终将导致低温缩裂。
参考文献：
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[10]张俊，朱浮声，王晓初.沥青混合料低温抗裂性能影响因素的试验研究[J].公路，2007.
论文作者:林轶,
论文发表刊物:《建筑实践》2019年第09期
论文发表时间:2019/8/15
标签：低温论文; 沥青论文; 应力论文; 路面论文; 温度论文; 材料论文; 沥青路面论文; 《建筑实践》2019年第09期论文;