环境因素对沥青路面的影响概述

环境因素对沥青路面的影响概述
摘要：自然环境对公路的影响主要表现在温度和水的破坏两方面，同时大气中的空气、阳光对沥青路面也有重要影响。

气温能引起路面各种裂缝；沥青路面的高温稳定性受温度的影响很大：随着温度的升高，沥青的黏滞度降低，沥青混合料的黏聚力也随之降低。

并且由温度湿度的综合作用还会产生冻胀、翻浆等病害。

可见，环境因素是影响沥青路面性能的重要因素。

关键字：环境因素；温度；湿度；水损坏，强度
0 前言
路面早期破损已成为沥青路面的主要危害之一，早期病害一旦出现，维修起来不但费时费力，而且影响公路的正常使用，所以对于高速公路路面的各种病害应以预防为主，为有效预防病害发生，必须深入研究各种病害的形成机理、预防措施和处治方法[1]。

而路面结构完全处在自然环境中, 经受着持续变化的外界环境因素( 如外界气温、太阳辐射、地面反射等) 的影响,再加之行车荷载的反复作用, 经过一段时间的使用, 使用功能更是大大受损。

特别是随着交通事业的迅速发展,交通的迅猛增长, 载重车辆比例增加,车辆超载现象日趋严重,致使路面产生早期破坏, 如网裂松散、上面层脱落、坑槽、沉陷。

因此，我们应注重环境因素对路面结构的影响及破环，尽量从一开始就改善路面所属环境，从根源上为路面结构功能的实现构造良好前提。

自然环境对公路的影响主要表现在温度和水的破坏两方面。

同时大气中的空气、阳光对沥青路面也有重要影响。

根据观测资料可知，由于路面对太阳辐射热的吸收作用，沥青路面的最高温度可比气温高出23℃，阳光、温度、空气等大气因素可以引起沥青路面的老化，使沥青丧失黏塑性。

路面变得脆硬、干涩、暗淡而无光泽，抗磨性能降低，在行车荷载作用下相继出现松散、裂缝以至大片龟裂。

日照愈强烈、气温愈高、空气愈是干燥和流通，则路面老化速度愈快。

1 气候与环境对道路工程作用的特殊性
首先，道路在在空间上呈带状延伸，是一个带状结构物，跨越不同的地质，
水文地质地段，不象其他土木建筑只占据空间一个点，地基可通过人工处理，而道路的不良地基则不可能完全靠人工处治。

其次，路基路面直接暴露在大气之中，经受着持续变化的外界环境因素( 如外界气温、太阳辐射、地面反射等) 的影响。

第三，道路结构本身的材料组成复杂具有复杂性。

道路结构是一个由不同材料层与材料组成的层状结构。

各层材料热物理系数不同、强度与模量不同，对温度，水和适应热胀冷缩、在不同温度湿度下的化学反应产生的化学力及行车荷载产生的应力反映不同，彼此互相影响，互相牵制，组成复杂的结构受力体系。

第四，路面承受着复杂荷载多次不均匀的重复作用，而且动载和静载对支承结构产生的效果是不一样的，这进一步提高了对路面结构性能的要求标准。

本文中所提到的气候包括温度和降雨，而道路上主要指冰冻作用和雨量。

所提到的环境主要指：日照、大气温度、湿度、PH值、空气中对道路影响最大的化合物成分。

综合而言，本文中道路设计需要考虑的气候与环境主要指：温度、湿度、水份、冰冻。

并且，其中对道路危害最大的是水、温度作用。

因为道路的强度和刚度会随着道路所处的温湿环境而变化：沥青层弹性模量降低，路基刚度下降。

再由温湿综合作用还会导致道路结构体积变化，紧跟着会发生冻胀、翻浆等破坏，严重影响道路的使用功能。

2 温度变化和湿度变化对路基路面结构的影响
路基路面材料的强度和刚度随其温度和湿度的变化而变化。

路基路面材料的体积也随路基路面结构内温度和湿度的升降而产生膨胀和收缩，当这种胀缩受到约束时便产生温度应力和湿度应力，进而对道路结构破坏性作用。

影响路面结构内温度状况的主要分为以下两种因素：外部条件：主要是气候条件，如太阳辐射、气温、风速、降水量和蒸发量等。

其中主要是太阳辐射和气温。

内部因素：路面各结构层材料的热物理特性参数，如热传导率、热容量和对辐射热的吸收能力等。

2.1温度对道路的影响
2.1.1气温引起路面裂缝
骤然降温的影响：冷空气、大雨、夕阳的影响这三个因素出现会导致沥青混凝土路面的表层温度大幅度下降,而其内部的温度下降得相对较慢,这样就使路面内外温度形成差距,造成拉应力变化从而导致裂痕。

若道路所在当地气温昼夜温
差大，就会使路面长期经受反复的膨胀和收缩，使物质内部的组织结构发生变化。

随着气温的降低，沥青的黏滞度增高，强度增大，变形能力降低，此时易出现脆性破坏。

气温下降，特别是急骤降温时，沥青层受基层的约束而不能迅速收缩就会生产很大的温度应力，若累计温度应力超过沥青混合料的极限抗拉强度时路面便会开裂。

在高温条件或荷载作用下，沥青路面会产生变形，其中不能恢复的部分形成车辙病害。

如果得不到及时、恰当的维修，路面车辙病害将加剧路况的恶化，直接威胁行车安全，也会大大缩短沥青路面使用寿命。

如果路面的基层为半刚性基层，由于其自身刚度大，抗变形能力较差，在温度骤然下降时会产生收缩变形，而其下卧层（土基或底基层）与该层之间的摩阻作用抑制了其收缩，从而在该层内部产生拉应力，当此应力超过其抗拉强度时基层就会产生裂缝。

半刚性基层开裂以后，在沥青面层与半刚性基层间的裂缝处会形成一个“薄弱点”，该点在荷载应力与温度应力的共同作用下会使沥青面层底面产生应力集中。

如果沥青面层较薄，则会引起开裂，随之在行车和大气因素的反复作用下，裂缝逐渐向上扩展。

直至沥青层表面。

这种裂缝称为反射裂缝，它一般为横向裂缝。

四季温差的影响：因冬季气温下降引起沥青路面或基层收缩而产生的裂缝，其路面裂缝的原理与上述相同，一般为与道路垂直的横缝。

基层干缩或冻缩产生裂缝以横缝居多。

另外，沥青混合料碾压温度太高或速度太快也会产生横向裂缝。

对于已出现的裂缝，应采取以下措施：对较小的纵缝和横缝，一般用灌注热沥青材料加以封闭处理。

对于较大的裂缝。

则用填塞沥青石屑混合料处理。

对于大面积的龟裂、网裂，通常采用加铺封层或沥青表面处置的方法进行处理。

网裂、龟裂严重的路段在补强基层后重新翻修，沥青面层常有因基层施工质量不高而引起的反射裂缝。

因此，在基层施工中，及时的养护、良好的接头处理及整体强度是有效防治沥青面层反射裂缝的有效方法之一。

为了延缓和减少反射裂缝的发生，可采取以下几种措施：①选用符合“重交通道路石油沥青技术要求”的沥青，或采用实践证明行之有效的改性沥青；②采用适当的沥青面层厚度，或在沥青面层与半刚性基层之间设12cm～15cm的碎石过渡层；③当采用二灰稳定粒料或灰土稳定粒料时，集料含量应控制在75％-85％，以增强抗裂性能；④在半刚性基层顶面或沥青层之间设置各种土工合成材料，或者提高沥青混合料的抗拉强度和
抗变形能力。

2.1.2 沥青混合料的高温流变—高温失稳
气候条件主要包括气温、日照、热流、辐射、风、雨等，其中，除了湿度对沥青混合料高温性能的影响机理不同外，其他因素归结起来都反映在温度上，而这也是影响最为显著的因素。

当然日照造成的沥青老化也会影响沥青混合料的性能。

黑褐色的沥青混合料具有较强的吸热能力，而整个路面又构成了一个巨大的温度场，到达路面的太阳辐射（属短波辐射，包括太阳直接辐射和天空散射辐射）一部分被路面反射掉，余下的部分被路面吸收而提高温度。

路面表面发出长波辐射又吸收大气长波辐射，构成路面的有效温度。

由于热量的大量聚集、积蓄，使得路面温度不断升高，这也是在夏季沥青路面的温度远高于气温的原因。

由于热量难以从沥青路面中散出，使沥青路面长时间处于高温状态，在外部荷载的作用下就很容易产生流动变形，导致路面产生塑性变形，粗骨料重新排列，容易产生泛油、拥包和车辙现象[2]。

沥青混凝土的强度、模量等也随着温度的升高而降低, 当温度由0℃上升到40℃，动弹性模量下降25倍，因此在平均温度较高时刻, 尤其是层间黏结不好时沥青混凝土路面越容易产生破坏。

沥青路面的高温稳定性受温度的影响很大，在20℃以下的中低温状态下，沥青路面处于硬塑状态，温度变化对混合料的高温稳定性几乎没有什么影响，温度提高,沥青混合料的模量降低,抗车辙能力迅速减弱。

在40~60℃范围内，沥青混合料在温度上升5℃时，其变形量增加近2倍。

随着温度的升高，沥青的黏滞度降低，沥青混合料的黏聚力也随之降低。

可见，环境温度是影响沥青混合料高温稳定性最大的因素。

路面结构层的温度随大气温度变化的规律如下所示：
路面温度的周期性起伏同大气温度的变化几乎同步，面层结构内不同深度处的温度同样随气温呈现周期性变化，但起伏的幅度随深度的增加而减少，其峰值越来越滞后。

又因部分太阳辐射热度被路面所吸收，因此，路面的温度，水泥混凝土路面高出大气温度14℃左右；沥青路面高出23℃左右，沥青混合料实验室试验温度控制在60℃就是这个缘故。

研究表明，路面在潮湿状态下，沥青混合料的水敏感性增大，同时使高温稳定性也降低。

尽管下雨能使路面温度下降5℃左右，但有水状态比干燥状态更容
易产生车辙。

因此，尽管我们不可能改变天然的气候状况，但若能采取可能的措施，降低路面温度，例如采取浅色的石料，种植行道树，改善路面的通风等，将有利于保持沥青路面稳定。

2.2 湿度对道路的影响
路基两大损坏分别为水损及冻害。

而路基强度随含水量的变化而波动因此路基湿度变化对路面结构有着重要影响：湿度增大，路基的强度与刚度降低引起柔性路面因路基过大变形而路面结构疲劳开裂；刚性路面则造成局部脱空而被弯拉断板；半刚性路面的层底拉应力增大。

路面的湿度主要有以下几个来源：
①路面的表面裂缝水；
②透水性表面（例开级配沥青面层）渗水；
③路面边缘渗水；
④水从路肩横向移动；
⑤渗流水（与地下水有别）；
⑥地下水的毛细作用；
⑦春季时期高水位（液态及气态）。

而这些来源的水份又会对道路产生一系列作用，造成对路面的破坏，以致影响道路使用性能。

其作用过程由图1表示：
图1 侧向水移动 高水位的 渗流作用 通过表面裂隙渗入 水带 毛细水 作用 蒸气 移动 水带上升
行车加速水聚集
2.3 湿度与温度综合作用的影响
公路冻胀与翻浆是多种因素综合作用的结果。

土质、水、温度与路面及行车
荷载等是影响冻胀的五个主要因素。

翻浆除受这几个因素的影响外，还受行车荷
载因素的影响。

在上述诸因素中，温度和水是形成冻胀与翻浆的基本条件。

冻胀
与翻浆的过程，实质上就是水受温度影响在路基中迁移、相变的过程。

路基附近
地表积水及灌溉会使路基土的含水量增加，使地下水位升高，从而促成冻胀与翻
浆的形成[3]。

2.3.1冻胀
当路面路基降至负温度以下，热量便从路面结构层间隙或土中逐渐消失，负
温度区内，自由水、毛细水和弱结合水随温度降低而冷却冰结。

土粒周围的水膜
减薄，剩余了许多表面能，增加了土的吸湿能力，促使水分由高温处向上移动，以补充低温处失去的部分水分。

热量从高到低传导过程中，材料中的水分自由水
和薄膜水，自由水0摄氏度才结冰，而薄膜水在温度很低、大大低于水的冻结温
度而仍保持液态，这部分水呈过冷的水状态。

过冷的水与冰有很强的亲和力，结
果水被开始形成的冰晶吸引过去。

如果是毛细作用高度敏感的材料或路基土，又
有水源供给，会不断增加冰晶形成冰透镜体，从而体积加大，随着晶体积聚，由
之产生的冰胀压力使冰体上部的路面部分拱起，发生了冻胀。

图2很好的表明了
冻胀作用的发生过程。

0～3 C聚冰温度域
2.3.2翻浆
翻浆是在有冻胀性土的路段，当冬季负气温时，水分连续向上聚流、冻结成冰，导致春融期间，土基含水过多，强度急剧降低，在行车作用下路面发生弹簧、
裂缝、鼓包、冒泥等现象称翻浆。

当温度升高到一定程度时，顶部先冰先化，此时水分无法排除，使部分冰已经融化的材料或路基土达到过饱和状态，结果刚好产生一层不冻的软土材料，以致支撑能力大大地降低。

当有大量重载车通过时，融化的饱和部分从高压向低压处流动即唧浆外翻，上面的结构层因失去支撑而被拉断造成路面损坏。

冻胀与翻浆的过程，实质上就是水在路基中迁移、变相的过程。

路基附近的地表积水及浅的地下水，能提供充足的水源，是形成冻胀和翻浆的重要条件。

秋雨及灌溉会使路基的含水量增加，使地下水位升高，从而促成冻胀与翻浆的形成。

同时，没有一定的冻结深度或冰冻指数（冬季各月每日负气温的总和）是难以形成冻胀和翻浆的，没有更大的冻结深度或冰冻指数是难以形成严重冻胀和翻浆的。

而在同样冻结深度或冰冻指数的条件下，冻结速度和负温作用的特点对冻胀和翻浆的形成有很大影响。

为了预防冻胀与翻浆，我们可从如下几方面着手：
(1)做好路基排水。

良好的路基排水可防止地面水或地下水侵入路基，使土基保持干燥，减少冻结过程中水分聚流的来源。

可采用管渗沟和截水渗沟来排走路基范围内的水分。

(2)提高路基填土高度。

是一种简便易行、效果显著且比较经济的常用措施，同时也是保证路基路面强度和稳定性，减薄路面，降低造价的重要途径。

提高路基填土高度，增大了路基边缘至地下水或地面水水位间的距离，从而减小了冻结过程中水分向路基上部迁移的数量，使冻胀减弱，使翻浆的程度和可能性变小。

(3)设置隔离层。

隔离层设在路基中一定深度处，其目的在于防止水分进入路基上部，从而保持土基干燥，起到防治冻胀与翻浆的作用。

(4)换土。

采用水稳性好、冰冻稳定性好、强度高的粗颗粒土换填路基上部，可以提高土基的强度和稳定性。

(5)注意路槽排水。

在冻胀与翻浆严重地段，应注意做好路槽排水，通常采用砂垫层和横向盲沟等措施。

(6)加强路面结构。

在冻胀与翻浆地段，常使用整体性好的石灰土、煤渣石灰土、水泥稳定砂砾等半刚性结构层，以加强路面结构。

(7)加设防冻层。

在中、重季节冻结区和多年冻土区的高级、次高级路面，
在有可能冻胀的路段，为防止不均匀冻胀，按强度计算的路面总厚度小于设计时，应采用冰冻稳定性良好的材料加设防冻层补足。

(8)铺设隔温层。

在重冻区,有条件时也可采用铺设高效隔温层的方法，减小土基冻结深度或土基部冻结，以防治冻胀，从而可防治翻浆。

隔温层采用导温性能差的材料，铺在土基内、土基顶面或路面结构层内。

现在多采用泡沫塑料、苯乙烯海绵塑料混凝土、含有多孔填充料的轻混凝土等高效隔温材料。

3 结论
自然环境包含很多因素，而这些因素综合作用起来会对道路结构及其使用性能造成复杂的破坏，大大降低了设计道路的使用年限，增加了道路承载负担，同时也增加了人民经济负担，因此，必须重视自然因素对道路结构及性能的影响与破坏，从设计阶段就选择适应当地环境的方案，已造成不必要的损失，同时也要加强平时的养护，使设计道路充份发挥其使用价值。

参考文献：
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