冻融循环作用下桥面铺装层耐久性提升方法分析

1.引言

寒冷地区，桥面铺装层受冻融循环影响，材料性能劣化，出现开裂、剥落等病害，我国北方约 30% 桥梁铺装层运营 10 年内就有冻融损伤，维修成本高，所以研究其耐久性提升方法意义重大。

国内外已针对冻融损伤机理及提升技术大量研究，国外借微观试验揭示破坏机制，国内侧重材料抗冻性能优化，但现有研究在材料-结构协同优化方面有不足，对复杂环境与荷载耦合作用考虑也不够充分。

本文运用理论分析、材料试验和数值模拟相结合的方式，系统研究冻融循环对铺装层损伤机理，提出材料改性与结构优化结合的耐久性提升策略，助力寒区桥面铺装设计。

2.冻融循环对桥面铺装层的损伤机理

2.1 冻融循环的物理化学作用

冻融循环对桥面铺装层的破坏过程是一个复杂的物理化学变化过程。当环境温度降至冰点以下时，渗入铺装层孔隙中的水分发生相变结冰，体积膨胀约 9% ，产生显著的冰胀压力。这种周期性冻胀-融化的反复作用，会导致铺装材料内部结构逐渐破坏。研究表明，单个冻融循环产生的膨胀压力可达 2⋅6MPa ，远超普通沥青混凝土的抗拉强度。

2.2 材料劣化机制

冻融损伤主要表现为三个阶段的渐进式破坏：初期阶段，水分通过毛细作用渗入材料孔隙；中期阶段，反复冻胀导致微裂纹萌生并扩展；后期阶段，骨料与沥青粘结界面剥离，形成网状裂缝。微观结构分析显示，经过 50 次冻融循环后，沥青混合料的孔隙率可增加 40% 以上，间接抗拉强度下降 30%-50% 。特别值得注意的是，冻融作用会加速沥青老化进程，使沥青的低温延展性显著降低。

2.3 环境与荷载耦合作用

在实际服役环境中，铺装层同时承受冻融循环和交通荷载的耦合作用。动态荷载会加剧冻融产生的微裂纹扩展，形成"荷载-冻融"协同破坏效应。现场观测数据表明，在重载交通路段，铺装层的冻融破坏速率是普通路段的 1.5-2 倍。此外，除冰盐的使用会进一步加剧破坏，氯离子侵蚀会促进钢筋锈蚀，在钢桥面铺装中这一问题尤为突出。

3.桥面铺装层耐久性提升关键技术

3.1 材料改性技术

材料改性是最直接的耐久性提升途径。聚合物改性沥青技术中，SBS改性剂可提高沥青的低温延展性，使其在- -30^∘C 仍保持良好柔韧性；橡胶粉改性则能显著降低吸水率（可控制在 1.5% 以下）。纤维增强技术方面，聚酯纤维的融入能让混合料的疲劳寿命实现2-3 倍的增长，钢纤维以 0.5%1% 的掺量加入后，则可以有力地抑制裂缝的扩展，为铺装层的完整性提供保障。值得一提的是，纳米 SiO₂ 改性技术展现出了卓越的成效，经过冻融循环后，其强度损失率能够控制在 15% 以内，相较于普通沥青混合料 35%-50% 的强度损失率，优势极为明显。

3.2 结构优化设计

结构优化重点聚焦于解决水分滞留这一关键问题。比如双层排水铺装体系，采取上层 4cm 高粘改性沥青与下层 6cm 开级配排水层的巧妙组合设计，使得水分排出时间大幅缩短，能在 2 小时内完成排水。应力吸收层技术中， 1.5cm 厚橡胶沥青应力吸收层可降低反射裂缝发生率 80% 以上。对于钢桥面，正交异性板与铺装层的界面处理尤为关键，采用环氧树脂粘结层可提高层间剪切强度至 1.2MPa 以上。

3.3 施工与养护技术

施工工艺控制是保证耐久性的关键环节。压实度每提高 1% ，冻融损失率可降低约 2% 。建议采用红外光谱技术实时监测沥青温度，确保摊铺温度控制在 150-160^∘C 。预防性养护方面同样有着诸多有效手段。硅烷浸渍处理能够使铺装层的吸水率降低 60% ，并且每 3 年进行一次微表处养护，可让使用寿命延长 5-8 年。在极端寒冷地区，推荐采用导电沥青混凝土来实现主动融雪，其能耗能够控制在 30W/m² 以内，既保障了桥面使用安全，又兼顾了能耗控制。

4.案例分析与数值模拟

4.1 典型工程案例分析

本研究选取我国东北地区三座典型桥梁进行冻融耐久性提升效果评估。哈尔滨某跨江大桥采用 SBS 改性沥青 + 聚酯纤维复合技术，经过 5 个冬季（约 120 次冻融循环）观测，表面裂缝密度仅为普通铺装的 25% 。长春某立交桥应用双层排水铺装体系，冻融后的弯拉强度保留率达到 85% ，较传统结构提高 40% 。值得关注的是，沈阳某钢桥面采用环氧沥青 + 纳米SiO₂ 复合方案，在经历- ⋅30^∘C 极端温度后仍保持良好性能，其层间粘结强度仅下降 8% 。

4.2 室内加速试验研究

通过实验室冻融循环试验（ASTM D7460 标准）对比不同方案性能。数据显示：橡胶粉改性试件在 150 次冻融后动稳定度仍保持 4200 次/mm，满足规范要求；而掺入 0.3% 钢纤维的试件，冻融后的弯曲应变能提高至12.5kJ/m³ ，表现出优异的抗裂性能。扫描电镜观察发现，纳米改性试件的界面过渡区(ITZ)结构完整性明显优于普通试件。

4.3 数值模拟与寿命预测

基于 ABAQUS 建立的热-力耦合模型成功再现了冻融损伤过程。模拟结果表明：在- -15^∘C 环境温度下，铺装层内部最大拉应力可达 3.2MPa ，位于距表面 2-3cm 处，这与实际观测到的破坏位置高度吻合。通过建立 Weibull分布寿命预测模型，预测显示：采用复合改性技术的铺装层在东北地区典型气候条件下，使用寿命可达 15 年以上，较传统材料延长 60% 。模型验证显示预测误差控制在 ±8% 以内。

4.4 经济性分析

虽然改性技术的初期成本较高（约增加 30%-50% ），但全寿命周期成本分析表明：由于维修间隔从 3-5 年延长至 8-10 年，20 年内总成本可降低25% 以上。特别是对于交通量大于 5 万辆/日的重要桥梁，采用高性能铺装方案的经济效益更为显著。敏感性分析显示，材料价格波动对全寿命成本影响最大（弹性系数 0.65），其次是气候严酷程度（弹性系数 0.42）。

5.结论与展望

本研究经理论、试验与工程验证，深入探讨冻融循环下桥面铺装层耐久性提升方法，成果显著。材料改性上，SBS 与橡胶粉复合改性技术让沥青混合料抗冻融循环能力超 150 次，吸水率降 35%-40% 。结构设计方面，双层排水结构设计使水分滞留时间减少 60% 以上，降低冻胀风险。数值模拟显示，优化后的铺装层在寒区典型环境下使用寿命达 15 年，全寿命周期成本降 25% 以上。

展望未来，重点关注以下方向：一是开发含微胶囊化沥青再生剂等自修复智能铺装材料，提升长期服役性能；二是建立基于大数据和机器学习的冻融损伤实时监测系统，实现病害预警与精准养护；三是探究极端气候下新型相变材料在温度调控中的应用潜力，为极寒环境耐久性问题提供技术路径，兼具理论与实践价值。

参考文献：

[1]钱李鹏.强紫外辐射与高频冻融循环耦合作用下沥青混合料性能研究[D].江苏:东南大学,2023.

[2]李丽.季冻区钢桥桥面铺装用聚氨酯混凝土材料性能研究[D].黑龙江:东北林业大学,2023.

[3]邓欢.裕溪河特大桥排水性桥面铺装设计及耐久性评价[D].江苏:东南大学,2019.