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摘要：寒区路面在环境因素诱发下而产生的路面的温度裂缝及其发展、凍胀及冻胀裂缝、不均匀冻胀引起的季节性和长期路面不平整，因此本文浅析了两类常见寒区路面材料性能，及改良其抗冻性能的方法。
关键词：寒区路面；冻害机理；改良方法；SMA路面组成设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1.引言：寒区路面受气候和环境的强烈影响, 导致路面恶化的主要因素有面层中的温度收缩缝、冻胀引起的体积变化及春融期承载力的损失。这些因素既改变了路面的结构, 又影响了其正常使用, 被认为是寒区路面破坏的重要原因。
2．寒区混凝土路面
抗冻性一直以来是混凝土结构物耐久性的重要内容。随着我国寒区公路里程的不断增加, 水泥混凝土路面结构因冻融引起的破坏越来越多, 而混凝土在经受冻融作用下的破坏机理一直以来被认为是较难解释的问题。由冻融循环引起的混凝土的破损, 按照构筑物的种类、位置、含水状态等条件的不同所表现出的破坏形式各异。
混凝土冻害机理
（1）水的冻结压力
从物理原理可知, 在不是很高的温度下水一般只有两相。若为了使水在-10°时不冻结, 材料必须具备抵抗100 MPa 压力的能力, 而混凝土的抗拉强度至多为5MPa, 很容易因冻结而破坏。水的冻结压力比材料固有的强度大很多, 所以单靠材料本身阻止水的冻结是非常困难的。弹性好的材料一般不会发生冻害现象。因为水的冻结压力虽然很大, 但膨胀量只有原体积的9%。所以, 如果材料具备适应体积增加的弹性变形, 材料能够保持完好, 如埋在混凝土中的木材, 由于冻结膨胀虽使混凝土结果破坏, 但木材没有受到破坏, 这是因为混凝土和木材有不同的变形能力, 混凝土中引入气泡可以提高抗冻性既是这个原理。
（2）混凝土中水的结冰
不同的混凝土冻融循环时, 其冻害现象也不同。干燥混凝土第一次冻融后一般不会留下明显的残余变形, 如轻骨料混凝土经历每次冻融循环, 只要温度降低到0° , 随着温度的降低膨胀增大, 冻害也严重, 最后留有很大的残留变形。这种现象不能用普通水的相变解释。普通水在0 ° 冻结成冰后体积迅速增加, 但结冰后只有热收缩现象, 随着温度降低体积减少, 在含水混凝土中负温条件下随温度降低膨胀增加。这是因为每个温度阶段都形成新的冰相, 改变这种冰点的因素如下:
1）混凝土微空隙内的水份处于高压封闭状态。
2）混凝土微孔中的水份含有盐类, 且随冰晶的出现, 含盐水的浓度增加, 冰点继续降低。
3）混凝土中的水处于微细孔中, 由于孔壁的影响, 孔径越小, 冰点降低越多。
（3）粗骨料中水的结冰
粗骨料在混凝土冻害中起着很重要的作用。在同样的水灰比和养护条件下, 选择的粗骨料不同,其抗冻性有着很大的差别。如果粗骨料质量很差,孔隙多, 吸水率大, 势必影响混凝土的抗冻融性。粗骨料对混凝土抗冻融性的影响不仅取决于它的吸水性, 也决定于骨料表面粘结性及粗骨料和砂浆膨胀系数的差异等。因为冻融作用对混凝土温度变化影响很大, 在反复的冻融过程中, 水份侵入松弛的混凝土组织, 使混凝土结构早期破坏。
（4）混凝土路面抗冻性能改良的方法
1) 加强对试验细节的控制, 严格控制试件的几何尺寸、开始试验的龄期及饱和程度。
2) 横向比较的试件要在相同型号的冻融试验机内进行。试件的摆放应在冻融期间一定时间间隔内进行互换, 如图6。
3) 尽可能的降低冻融的速率, 但要控制融化的时间, 防止在融化状态下龄期的增长。
4）提高原路面防水能力。对所有缩缝、纵缝、裂缝清缝后，用填缝料灌缝。然后在原混凝土路面上加铺土工布隔离层或加铺1．5～2．5 cm沥青混和料隔离层，不做隔离层的应洒布粘层油，以减少路表水下渗并提高加铺层与原路面的结合能力。
5)加铺沥青层。在隔离层(粘层)上加铺沥青混凝土面层一般应分为二层，下面层较厚(一般6～9 cm)，采用热稳定性较好的开级配粗粒式或中粒式沥青碎石或沥青混凝土，上面层较薄(一般厚4～6 cm)，采用防水性能较好的密级配细粒式或中粒式沥青混凝土。
6）对于出现少量裂缝的水泥混凝土路面，可采用灌缝技术进行维修。灌缝材料有环氧树脂类、聚氨脂与改性聚氨脂类、烯类及沥青橡胶类。环氧树脂类灌缝材料有耐热、活性高、内聚力高、粘附力强、收缩率较低等优点，但它本身延伸率低，脆性大，因此需对环氧树脂进行改性，加入低分子液体改性剂、增柔剂、增韧剂等。常用的改性环氧树脂类材料有聚硫改性环氧灌缝材料，双组分快速固化灌缝材料。
3.SMA（沥青碎石玛蹄脂）
是一种高性能改性沥青混合料，对组成材料具有较高的要求，尤其是季冻区SMA 路面要选择优质的符合要求的材料，可以预防SMA同出现的早期病害。
3．1 SMA路面材料的组成设计
3.1.1沥青结合料
我国必须符合“重交通道路沥青技术要求”，在大多数地区，要使用比通常的标号硬一级的沥青，最好是改性沥青，SMA 有采用较硬沥青等级的趋势。
3.1.2 粗集料
为了充分发挥粗集料的嵌挤作用，必须采用坚硬、粗糙的石料。我国建议粗集料的性质在《公路沥青路面施工技术规范》（JTJ 032） 规定的抗滑表层的基础上对搞压碎性能作适当提高。其中对石料压碎值提高到不大于25%，针片状颗粒含量批量标要求不大于15%，吸水率限制不能放宽。使用破碎砾石时，破碎面按照美国的要求执行。使用花岗岩、砂岩等酸性石料时，最好使用改性沥青，使粘附性达到要求；如果达不到要求，可掺加2%左右的消石灰粉，或者使用证明具有长期改善效果的抗剥落剂。
3.1.3细集料
细集料最好使用坚硬的人工砂。美国AASHTO要求细集料至少有一半采用破碎的人工砂，并符合级配的要求，德国也规定人工砂与天然砂的比例不少于1：1。人工砂是利用坚硬的石料反复破碎而制成的，它具有一定的粗细级配，不同于从石屑中筛分出来的细颗碎屑，但石粉数量较少，目前在我国已有正式产品生产，有些地方已开始选择优质石屑，通过筛分取得一部分人工砂，必要时可再用一部分石块岩石悄，以弥补天然砂与沥青粘附性的不足。
3 .2 沥青混合料配合比设计
改性沥青混合料的配合比设计，应遵循《公睡沥青路面施工技术规范》中关于热拌沥青混合料配合比设计的目标配合比、生产配合比及试拌、试铺的三个阶段，确定矿料级配及最佳改性沥青用量。
3.2.1 级配
沥青混合料配合比设计级配应采用贝雷法进行设计，级配选择原则：AC- 13I 型混合料2.36mm 以下筛孔通过量应取级配下限以达到密实、嵌挤。
3.2.2 粉料比小于0.075mm 含量的多少沥青混合料体积指标和路用性能影响很大，混合料级配中小于0.075mm 的含量必须考虑粗集料本应含有的粉尘部分。要求矿粉含量不超过沥青含量，小于0.075mm 部分与沥青含量之间的比值即粉应在1- 1.2 之间，对沥青面层混合料矿粉含量宜取4.5%- 5%。
3.2.3 混合料技术指标
为有效的提高沥青路面的性能，表面层沥青混合料一方面要满足泌水条件，另一方面，又要防止出现超泌现象，因此，需要对沥青混合料的体积指标做进一步的限制。
4.结束语
冻结作用是导致季节性冻土区路面破坏的主要原因。为提高寒区路面的耐久性，来的研究工作应侧重于：结作用下的道路性能预测模型的改进、材料在反复冻融作用下性能的变化和路面结构的优化设计等。
参考文献：
[1]JTJ052-2000，公路工程沥青与沥青混合料试验规程[S].
[2]JTG F40-2004，公路工程沥青路向施工验收规范[S].
[3]刘彦书, 李连志. 混凝土冻害机理及对策[ C] . 冬季施工会议论文集, 2005: 50- 51.
[4]申爱琴，蒋庆华．沥青混合料低温抗裂性能评价及影响因素．长安大学学报(自然科学版)，2004(5)：2--,6
[5]沈金安．改性沥青与SMA路面．北京．人民交通出版社，1999，(7)
关键词：寒区路面；冻害机理；改良方法；SMA路面组成设计
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
1.引言：寒区路面受气候和环境的强烈影响, 导致路面恶化的主要因素有面层中的温度收缩缝、冻胀引起的体积变化及春融期承载力的损失。这些因素既改变了路面的结构, 又影响了其正常使用, 被认为是寒区路面破坏的重要原因。
2．寒区混凝土路面
抗冻性一直以来是混凝土结构物耐久性的重要内容。随着我国寒区公路里程的不断增加, 水泥混凝土路面结构因冻融引起的破坏越来越多, 而混凝土在经受冻融作用下的破坏机理一直以来被认为是较难解释的问题。由冻融循环引起的混凝土的破损, 按照构筑物的种类、位置、含水状态等条件的不同所表现出的破坏形式各异。
混凝土冻害机理
（1）水的冻结压力
从物理原理可知, 在不是很高的温度下水一般只有两相。若为了使水在-10°时不冻结, 材料必须具备抵抗100 MPa 压力的能力, 而混凝土的抗拉强度至多为5MPa, 很容易因冻结而破坏。水的冻结压力比材料固有的强度大很多, 所以单靠材料本身阻止水的冻结是非常困难的。弹性好的材料一般不会发生冻害现象。因为水的冻结压力虽然很大, 但膨胀量只有原体积的9%。所以, 如果材料具备适应体积增加的弹性变形, 材料能够保持完好, 如埋在混凝土中的木材, 由于冻结膨胀虽使混凝土结果破坏, 但木材没有受到破坏, 这是因为混凝土和木材有不同的变形能力, 混凝土中引入气泡可以提高抗冻性既是这个原理。
（2）混凝土中水的结冰
不同的混凝土冻融循环时, 其冻害现象也不同。干燥混凝土第一次冻融后一般不会留下明显的残余变形, 如轻骨料混凝土经历每次冻融循环, 只要温度降低到0° , 随着温度的降低膨胀增大, 冻害也严重, 最后留有很大的残留变形。这种现象不能用普通水的相变解释。普通水在0 ° 冻结成冰后体积迅速增加, 但结冰后只有热收缩现象, 随着温度降低体积减少, 在含水混凝土中负温条件下随温度降低膨胀增加。这是因为每个温度阶段都形成新的冰相, 改变这种冰点的因素如下:
1）混凝土微空隙内的水份处于高压封闭状态。
2）混凝土微孔中的水份含有盐类, 且随冰晶的出现, 含盐水的浓度增加, 冰点继续降低。
3）混凝土中的水处于微细孔中, 由于孔壁的影响, 孔径越小, 冰点降低越多。
（3）粗骨料中水的结冰
粗骨料在混凝土冻害中起着很重要的作用。在同样的水灰比和养护条件下, 选择的粗骨料不同,其抗冻性有着很大的差别。如果粗骨料质量很差,孔隙多, 吸水率大, 势必影响混凝土的抗冻融性。粗骨料对混凝土抗冻融性的影响不仅取决于它的吸水性, 也决定于骨料表面粘结性及粗骨料和砂浆膨胀系数的差异等。因为冻融作用对混凝土温度变化影响很大, 在反复的冻融过程中, 水份侵入松弛的混凝土组织, 使混凝土结构早期破坏。
（4）混凝土路面抗冻性能改良的方法
1) 加强对试验细节的控制, 严格控制试件的几何尺寸、开始试验的龄期及饱和程度。
2) 横向比较的试件要在相同型号的冻融试验机内进行。试件的摆放应在冻融期间一定时间间隔内进行互换, 如图6。
3) 尽可能的降低冻融的速率, 但要控制融化的时间, 防止在融化状态下龄期的增长。
4）提高原路面防水能力。对所有缩缝、纵缝、裂缝清缝后，用填缝料灌缝。然后在原混凝土路面上加铺土工布隔离层或加铺1．5～2．5 cm沥青混和料隔离层，不做隔离层的应洒布粘层油，以减少路表水下渗并提高加铺层与原路面的结合能力。
5)加铺沥青层。在隔离层(粘层)上加铺沥青混凝土面层一般应分为二层，下面层较厚(一般6～9 cm)，采用热稳定性较好的开级配粗粒式或中粒式沥青碎石或沥青混凝土，上面层较薄(一般厚4～6 cm)，采用防水性能较好的密级配细粒式或中粒式沥青混凝土。
6）对于出现少量裂缝的水泥混凝土路面，可采用灌缝技术进行维修。灌缝材料有环氧树脂类、聚氨脂与改性聚氨脂类、烯类及沥青橡胶类。环氧树脂类灌缝材料有耐热、活性高、内聚力高、粘附力强、收缩率较低等优点，但它本身延伸率低，脆性大，因此需对环氧树脂进行改性，加入低分子液体改性剂、增柔剂、增韧剂等。常用的改性环氧树脂类材料有聚硫改性环氧灌缝材料，双组分快速固化灌缝材料。
3.SMA（沥青碎石玛蹄脂）
是一种高性能改性沥青混合料，对组成材料具有较高的要求，尤其是季冻区SMA 路面要选择优质的符合要求的材料，可以预防SMA同出现的早期病害。
3．1 SMA路面材料的组成设计
3.1.1沥青结合料
我国必须符合“重交通道路沥青技术要求”，在大多数地区，要使用比通常的标号硬一级的沥青，最好是改性沥青，SMA 有采用较硬沥青等级的趋势。
3.1.2 粗集料
为了充分发挥粗集料的嵌挤作用，必须采用坚硬、粗糙的石料。我国建议粗集料的性质在《公路沥青路面施工技术规范》（JTJ 032） 规定的抗滑表层的基础上对搞压碎性能作适当提高。其中对石料压碎值提高到不大于25%，针片状颗粒含量批量标要求不大于15%，吸水率限制不能放宽。使用破碎砾石时，破碎面按照美国的要求执行。使用花岗岩、砂岩等酸性石料时，最好使用改性沥青，使粘附性达到要求；如果达不到要求，可掺加2%左右的消石灰粉，或者使用证明具有长期改善效果的抗剥落剂。
3.1.3细集料
细集料最好使用坚硬的人工砂。美国AASHTO要求细集料至少有一半采用破碎的人工砂，并符合级配的要求，德国也规定人工砂与天然砂的比例不少于1：1。人工砂是利用坚硬的石料反复破碎而制成的，它具有一定的粗细级配，不同于从石屑中筛分出来的细颗碎屑，但石粉数量较少，目前在我国已有正式产品生产，有些地方已开始选择优质石屑，通过筛分取得一部分人工砂，必要时可再用一部分石块岩石悄，以弥补天然砂与沥青粘附性的不足。
3 .2 沥青混合料配合比设计
改性沥青混合料的配合比设计，应遵循《公睡沥青路面施工技术规范》中关于热拌沥青混合料配合比设计的目标配合比、生产配合比及试拌、试铺的三个阶段，确定矿料级配及最佳改性沥青用量。
3.2.1 级配
沥青混合料配合比设计级配应采用贝雷法进行设计，级配选择原则：AC- 13I 型混合料2.36mm 以下筛孔通过量应取级配下限以达到密实、嵌挤。
3.2.2 粉料比小于0.075mm 含量的多少沥青混合料体积指标和路用性能影响很大，混合料级配中小于0.075mm 的含量必须考虑粗集料本应含有的粉尘部分。要求矿粉含量不超过沥青含量，小于0.075mm 部分与沥青含量之间的比值即粉应在1- 1.2 之间，对沥青面层混合料矿粉含量宜取4.5%- 5%。
3.2.3 混合料技术指标
为有效的提高沥青路面的性能，表面层沥青混合料一方面要满足泌水条件，另一方面，又要防止出现超泌现象，因此，需要对沥青混合料的体积指标做进一步的限制。
4.结束语
冻结作用是导致季节性冻土区路面破坏的主要原因。为提高寒区路面的耐久性，来的研究工作应侧重于：结作用下的道路性能预测模型的改进、材料在反复冻融作用下性能的变化和路面结构的优化设计等。
参考文献：
[1]JTJ052-2000，公路工程沥青与沥青混合料试验规程[S].
[2]JTG F40-2004，公路工程沥青路向施工验收规范[S].
[3]刘彦书, 李连志. 混凝土冻害机理及对策[ C] . 冬季施工会议论文集, 2005: 50- 51.
[4]申爱琴，蒋庆华．沥青混合料低温抗裂性能评价及影响因素．长安大学学报(自然科学版)，2004(5)：2--,6
[5]沈金安．改性沥青与SMA路面．北京．人民交通出版社，1999，(7)