沥青路面火烧机理及对混合料性能影响研究

罗惠文

（广东省交通运输建设工程质量检测中心，广东广州510420）

伴随路网的日趋完善、交通量的快速增长，高速公路上危化品运输车辆日益增多，广东省每年都会出现十几起因危化品泄漏而引发的沥青路面火烧次生灾害。事故发生后，社会关注度高、交通影响大。然而，因现行规范暂无评价火烧对沥青路面影响的方法，导致道路工作者对火烧认识不足，沥青路面火烧后的处置故成为一项棘手的问题。

在此背景下，李浩[1]提出了基于油蚀度的沥青混合料油蚀试验方法和评价指标；李善强[2-3]研究了不同温度下柴油对沥青路面的影响；曹晓峰[4]开展了柴油对沥青路面的长期性能影响研究；黄克旺[5]开展了煤焦油对沥青混凝土路面的影响研究，并对处治效果进行了评价；谭振宇[6]开展了柴油泄漏对沥青路面使用性能的影响研究；何伟杰[7]开展了火烧对沥青路面使用性能的影响研究，研究结论表明火烧对沥青路面的影响机理主要在于老化，但室内试验考虑因素少、试验方法不成体系、火烧机理阐述不充分。

综上所述，现有研究主要集中于油品泄漏对沥青路面的影响研究，火烧虽有涉及，但研究不够深入、理论依据不充分、机理阐述不清晰。

因此，本文结合火烧现场勘察、钻芯取样、室内试验，通过病害描述、芯样检测、试验结果分析，从多个角度去开展火烧对沥青路面的影响机理及其混合料性能影响的研究，以提高道路工作者对火烧的认识，也为火烧路段的处置提供参考和借鉴。

1 火烧案例概况

2017年11月，广东省某高速公路某处一辆重型大货车发生起火事故，燃烧时间将近1小时，火烧路段及蔓延路段长约140 m。火烧路段路面结构为4.5 cmGAC-16+5.5 cmGAC-20+8 cmGAC-25，该高速上、中面层采用SBS改性沥青，下面层采用普通沥青。

2 现场检测

事故发生后，检测人员对事故现场进行了实地勘测。火烧路段路表颜色变深，火烧严重路段路表剥落，最大剥落深度为1.5 cm，路表如图1a 所示；火烧路段路面沥青烧焦，路表如图1b 所示。

图1 火烧现场沥青路面表观图

对火烧路段进行钻芯取样，经钻芯机扰动后，芯样表面剥落更严重，芯样表面几乎无沥青裹附，外观如图2a 所示。将芯样在室内切割处理、洁净后，芯样表面沥青已碳化、烧焦，切割后的上、中面层芯样底部空隙较多，外观如图2b 所示。

图2 钻取芯样外观图

3 室内试验及结果分析

根据取回芯样的表观特征，室内试验对芯样开展了空隙率、沥青含量、回收沥青三大指标、水稳定性能、高温性能、低温性能的试验分析，试验结果具体如下。

3.1 空隙率及沥青含量

对芯样进行空隙率测试及沥青含量检测，试验结果如表1和表2所示。

表1 空隙率测试结果

表2 沥青含量检测结果

由表1 可得，上、中面层芯样经火烧后都出现空隙率变大的现象，且上面层芯样空隙率增加值（1.9%）大于下面层增加值（0.6%）。

由表2 可得，上、中面层芯样经火烧后都出现沥青含量下降的现象，且上面层沥青含量下降值（1.45%）大于中面层下降值（0.39%）。

上面层空隙率变大、沥青含量下降的现象可解释为因沥青碳化、燃烧、损失所致。经芯样再次辨别，上面层设计厚度为4.5 cm，经处理、洁净后芯样的剥落厚度并未超过2 cm，表明中面层并未遭受火烧。

未直接遭受火烧的中面层芯样却出现空隙率增加、沥青含量下降的怪象，进一步研究发现：路表受热后，随着内部温度的升高，沥青会逐步向上迁移，与泛油类似，如此创造出了持续供油的通道。如此，火烧时间越长，沥青上浮越多，除烧毁的材料外，内部松散也会越严重。最后造成中面层虽未直接遭受火烧，但其空隙率和沥青含量却有变化。

3.2 沥青三大指标

对芯样进行抽提、回收，并测试回收沥青的三大指标，试验结果如表3所示。

表3 沥青三大指标试验结果

由表3 可得，火烧造成了上面层沥青针入度、软化点、延度三大指标的下降，与老化对沥青的影响规律基本一致。从试验数据来看，由于火烧并未直接发生于中面层，中面层回收沥青三大指标变化不明显。

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3.3 水稳性能

由于火烧事故造成了芯样空隙率的变大、沥青含量的减小，增加了水损害出现的概率。因此，对芯样进行浸水飞散试验以分析火烧对沥青路面水稳定性的影响。试验结果如表4所示。

如表4 可得，火烧造成了沥青路面上、中面层水稳定性不同程度的下降，上、中面层浸水飞散损失增加幅度分别为595%、126%，可见发生水损害的风险大大增加。

3.4 高温性能

表4 芯样浸水飞散试验结果

采用单轴贯入试验评价火烧对沥青路面高温性能的影响，因芯样表面有剥落和烧焦现象，采用切割锯对芯样表面进行切割处理，以满足单轴贯入试验对芯样的要求。试验结果如表5所示。

表5 芯样单轴贯入试验结果

如表5 可得，火烧造成了沥青路面上、中面层高温性能不同程度的下降，上、中面层抗剪强度下降幅度分别为27.6%、12.9%。

沥青三大指标室内试验结果表明，火烧造成沥青老化。沥青老化后变硬，高温性能应更好，而单轴贯入试验结果表明火烧造成高温性能不同程度的下降。显然，火烧造成高温性能下降的幅度显著大于老化对高温性能的提升程度，两者正负作用综合后，路面高温性能仍为下降。此外，中面层并未直接遭受火烧，其高温性能下降的原因主要在于沥青迁移，沥青含量减少、空隙率增加。

3.5 低温性能

采用冻融劈裂试验评价火烧对沥青路面低温性能的影响，芯样处理方法同“3.4”节，以满足冻融劈裂试验对芯样的要求，试验结果如表6所示。

表6 芯样冻融劈裂试验结果

如表6 可得，火烧造成了沥青路面上、中面层低温性能均出现了较大程度的下降，下降幅度分别为34.4%、26.1%。根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）对改性沥青混合料残留强度比不小于80%的要求，火烧后上、中面层的低温性能均不满足规范要求。

4 沥青混合料火烧机理分析

4.1 碳化

沥青路面着火后燃烧，随着温度的升高，路表沥青会经历软化、液化、碳化、燃烧的过程。碳化导致沥青损耗，路面空隙率变大；严重情况下，路表松散、剥落。

4.2 抽提

路表在火烧作用下，因温度差沥青会沿着内部连通空隙逐步向上迁移，造成未遭受火烧的层位沥青含量下降、空隙率增加，导致发生水损害概率增加。

4.3 老化

火烧导致短时间内沥青路面温度的急剧升高，短时间内加剧老化使沥青性能迅速衰减、使用性能下降、使用寿命减少。

5 结语

本文依托广东某高速火烧案例，基于现场勘测、实地调查、钻芯取样，结合芯样表观特征及室内试验结果，可以得到沥青混合料火烧机理主要表现为碳化、抽提和老化。

沥青烧焦的影响机制为碳化，其导致沥青损耗，严重时导致沥青路表集料剥落；抽提造成沥青混合料空隙率变大，出现水损害概率增加；短时间内加剧老化使沥青性能迅速衰减，使用性能下降，使用寿命减少。火烧造成沥青路面低温、高温、水稳定性能均出现较大幅度下降，路面出现病害概率大大增加。