0 引言

青藏高寒高海拔地区平均海拔3 000 m以上，具有日照时间长、日照辐射强度高、昼夜温差大等气候特点。沥青胶结料是温度敏感性材料，其高低温性能对沥青路面性能起到关键作用：高温易软化，导致沥青路面出现车辙等永久变形；低温易发脆，导致沥青路面开裂。因此，青藏高寒高海拔地区的严苛环境对沥青路胶结料的性能提出更高的要求，为高速公路建设带来一定挑战。昼夜温差巨大，极易造成沥青混合料温度离析，加剧沥青路面层的温度应力并产生涨缩，沥青路面出现平整度偏差大、压实度不足等施工质量问题，同时，导致沥青路面出现裂缝、车辙等早期病害，如遇降温或降雨进而引发结构性损伤，影响使用寿命^[1]；日、年的温度差与光照强度的影响会加速沥青胶结料的老化过程，沥青的低温抗裂性能随之下降，导致沥青路面开裂、松散等早期病害，影响沥青路面耐久性^[2]；随着海拔增高，青藏地区年可施工天数急剧下降，短暂的工期为沥青路面施工带来不便。

青藏地区沥青路面的开裂、疲劳破坏和冻融破坏现象严重，其中，低温开裂和冻融破坏为青藏地区沥青路面主要破坏形式。青藏高速公路格尔木至拉萨段路面病害调查表明，沥青面层裂缝类和松散类损害分别占总损害的36%和17% ^[3-4]，而车辙类损害占比很小。由此可见，西藏地区的气候特征对沥青路面长期性能起关键性作用，路表面的松散与横向裂缝主要是由路面的平整度与压实度性能引起，而车辙类损害占比低说明车辆荷载对路面早期破坏的影响较弱。因此，高寒高海拔地区对沥青原材料的性能要求与其他地区有所不同，需严格把握沥青材料的质量^[5-6]，否则，难以适应高寒高海拔地区特征，沥青路面将极易出现早期病害。

为了提高青藏地区沥青路面质量和使用寿命，重点在于考虑沥青材料的低温抗裂性能及高低温性能的平衡。沥青的高低温性能与其流变性能密不可分^[7-8]，可以采用美国交通运输部(TRB)沥青结合料路用性能规范(Superior Performing Asphalt Pavement，SuperPave)中提出的PG性能分级思路进行胶结料选型。根据全国气候因素，中国现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)提出了高温、低温、雨量分区，由于标准中范围太宽，气候区域差异不明显，只能对青藏地区进行粗略区划。目前，许多研究者通过搜集气候资料对不同地区沥青路面路用性能进行气候分区与分级研究^[9-11]，除了PG分级方法的对比研究外，一部分研究人员还通过现场布设传感器获得路面实测温度，确定不同高温模型计算温度值的精确性。但是由于高寒高海拔地区气候条件特殊，气象站搜集的空气温度很难真实反映实际路面温度^[12]，目前仍缺乏有针对性的青藏地区沥青路面温度预估模型及沥青胶结料PG分级方法。

京藏高速公路(G6)格尔木至那曲段项目位于格尔木市、玉树藏族自治州和那曲境内，全长达到1 100 km，全线的平均海拔在4 500 m以上，建设难度堪称世界之最。京藏高速公路格尔木至那曲段的建设将打通进出藏高速大通道，对完善区域路网结构，提升交通运输服务水平，方便民众平安快捷出行有重要意义。而由于严苛气候的影响，格那高速建设项目面临着巨大的挑战，本研究主要探索高海拔大温差地区沥青胶结料PG分级方法的适应性，研究沥青路面材料的性能指标、选型及改性，为高寒高海拔地区沥青结合料的材料开发技术、施工工艺提升及工程化应用提供一定参考。

1 沥青路面温度分级

沥青性能评价体系经历了针入度、黏度、PG性能分级3个发展阶段。1987年10月，为了提升沥青路面修建质量，美国交通运输部实施公路战略研究计划(Strategic Highway Research Program，SHRP)以提高路面性能为目的研究沥青的评价方法。其中SuperPave沥青规范中，根据各地区的设计温度和交通情况，提出SHRP温度模型对不同沥青进行PG分级。由于沥青胶结料的性能不仅受温度影响，还与交通荷载(包括荷载水平、加载次数和时间)密切相关。因此，高温设计温度由年连续7 d最高气温的平均气温推演，为路表下20 mm深处的温度，同时根据交通荷载及车速情况进行修正，对于车载重、交通量大、车速缓慢的路面，沥青路面温度等级应提高1~2个等级。同时，低温设计温度由年最低气温来表示，为路表温度。

随着路面长期性能研究计划的开展，沥青路面温度分级被进一步研究，带有概率的高、低温路面温度计算模型被提出，即LTTP温度模型。根据标准正态分布的可靠系数确定路面设计温度，研究沥青路面温度分级。2005年，对LTTP提出的高温模型进行修正，提出LTTPBind3.1高温模型，其低温模型与LTTP低温模型一致^[13-14]。

2 气候分析和气候分区

为了计算沥青结合料PG分级，本研究采用了格尔木、五道梁、沱沱河、那曲4个气象观测站所观测的近30 a的气象数据资料，计算出6月份连续7 d最高气温的平均值、连续7 d最高气温的标准差、1月份年最低气温、年最低气温标准差、日温度大于10 ℃年积温(4~9月份)的平均值、年平均降雨量等特征值，汇总于表 1。

根据中国道路沥青路面的气候分区，格那高速公路沿线区域可划分为2-3-3夏热冬冷半干区(格尔木)和3-2-3夏凉冬寒半干区(五道梁、沱沱河、那曲)。3个数字越小说明气候因素对沥青材料影响越严重。

3 青藏地区沥青PG分级

通过收集格尔木、五道梁、沱沱河、那曲4个气象观测站所观测的气象数据资料，根据SHRP，LTTP，LTTPBind3.1模型计算各层位的路面设计温度等级。一般来说，高温设计温度指各层位中间温度值；低温设计温度指各层位顶部温度值。按照中国典型路面结构，计算层位的深度如表 2所示。

3.1 高温温度

采用SHRP，LTTP，LTTP Bind3.1模型，根据 表 1中沿线站点气象数据特征值计算不同层位的高温设计温度，计算结果如表 3所示。其中T_HP，20表示距路表20 mm处实测沥青路面最高温度；T_HP，70表示距路表70 mm处实测沥青路面最高温度；T_{HP, 140}表示沥青路面距路表140 mm处实测沥青路面最高温度。

根据已有研究成果^[15-18]将温度传感器安装至沥青路面, 实测路面不同深度的温度，通过对比实测温度值与模型计算最高温度值，可验证不同模型计算值的精确度及适用性，同时对温度计算公式进行修正。本研究以那曲等几个青藏典型区域为例，将温度传感器安装至沥青路面距路表20 mm处实测沥青路面最高温度，对比研究3种模型计算的最高温度与实测路表最高温度的差异性，结果如表 4所示。

由表 4可见，3种模型预测的路表最高温度均偏低，其中LTTP模型计算值最接近实测值。采用线性回归分析的统计方法，将实测路表高温温度与模型计算高温温度进行相关性分析，结果如图 1所示。

线性拟合后R值越大，代表计算值与实测值相关性越强，模型计算的高温温度值精度越高。3种模型计算的高温温度精度由大到小排序为SHRP模型, LTTP模型, LTTP Bind3.1模型。其中LTTP Bind3.1模型模拟的温度与青藏地区实测温度差异性较大，不适用于该地区。基于SHRP模型和LTTP模型的计算温度值与实测温度值相关性(R值)基本一致，综合2种模型计算值与实测值的差异性与相关性，采用LTTP模型计算青藏高寒高海拔区域的高温温度更具有借鉴意义。另外，考虑到国外的气候条件与青藏地区的气候条件存在差异，可采用Python软件中的curve fit函数对LTTP高温模型进行修正，进一步提高计算精度。

LTTP高温模型中有3个变量：年平均7 d最高气温T_Ha, 纬度L_at和年7 d最高气温的标准方差S_Ha。因此修正与之相关的3个系数，并引入常数E，其他系数采用LTTP模型中的值，修正后的公式为：

(1)

式中，A，B，C，E为修正系数；T_Ha为年平均7 d最高气温；L_at为纬度；S_Ha为7 d最高气温的标准方差；d为实测点位距离路表的深度。

采用Python求得结果为：A=0.773 2；B=0.006 4；C=18.994 9。因此，采用Python修正后的高温计算公式为：

(2)

为了验证修正后的高温模型计算精度，根据修正后的式(2)进行计算，比较计算结果，如表 5所示。

由表 5可见，修正后的高温模型计算结果比LTPP模型的计算结果数值更高。与现场路表实测值相比，修正后的高温模型计算值与路表实测值非常接近，修正后的高温计算公式更加符合青藏高寒高海拔地区的实际情况。

对于沥青混合料，增加温度会导致车辙量增加，增加荷载大小或增加荷载作用次数也会导致车辙量的增加；虽然二者增加的幅度不同，但是就最终沥青路面效果来说，是等效的。因此可以基于变形量的大小，进行温度-荷载条件等效换算。基于交通量、车速和高温下沥青胶结料性能等效性，可以将不同荷载条件换算成等效的温度条件，将原沥青路面的温度条件再叠加上交通荷载的等效温度和车速的等效温度，从而选择合适的沥青胶结料等级。

根据《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2017)，实际沥青路面中沥青混合料受很多因素的影响，沥青胶结料只是其中的一个重要因素，进行温度、荷载和车速3个因素的等效叠加的量化是非常复杂的。目前，根据SHRP，LTTP，LTTP Bind3.1模型，有3个不同量化标准。采用美国LTTP模型确定沥青高温等级的车速、交通量等效数值计算，标准荷载为80 kN(见表 6)。由于美国标准荷载为80 kN，将表 6中交通量按照4次方法则换算为中国标准荷载100 kN，这需要乘以一个系数(80/100)⁴，即0.4；考虑荷载分级、换算方法等差异，将折减系数取为0.5，如表 6所示。

根据中国相关标准，交通荷载分为3级，即轻交通(0~500万次)、中交通(500~1 500万次)和重交通(>1 500万次)。综合交通量和车速，实际上分为6种情况，即：轻、中、重交通的一般路段；轻、中、重交通的长大纵坡路段。根据2021年G109线青藏高速公路月交通量统计(见表 7)，预估格那高速公路的交通荷载为中交通。

根据修正后的高温模型和温度-交通量-车速的等效量化标准，按照式(3)对沥青胶结料高温性能等级进行修正，预测高温模型中路面不同层最高温度，如表 8所示。

(3)

式中, T_HP-ad为修正后沥青路面结构某一设计层位的最高路面温度；T_PGS为高温条件下的等效温度，青藏地区T_PGS=8。

3.2 低温设计温度

采用SHRP模型和LTTP模型，根据表 1中京藏高速公路格那段沿线站点气象数据特征值，计算出不同设计层位的PG分级低温设计温度。同时，在路表面放置温度传感器实测路表最低温度，计算结果和实测最低温度如表 9所示。

从低温设计温度计算结果来看，采用SHRP模型计算沥青路面低温温度偏安全。考虑到青藏高寒高海拔地区的地理环境及气温状况，建议采用SHRP模型确定低温设计温度^[13]。由于低温反映沥青路面的开裂，主要与气温有关，与交通荷载和车速无关，因此无需修正。因此通过计算T_LP并按PG-10，PG-16，PG-22，PG-28，PG-34对沥青混合料的低温性能等级进行取值。

3.3 PG分级与分析

已有研究表明^[11]，沥青路面路表以下4~9 cm处(中面层)剪应力分布最大，容易产生较为严重的车辙病害。因此，考虑到中面层的结构功能需求，将沥青结合料的高温等级提高1个等级。根据高、低温计算模型、等效温度及功能需求，计算出不同站点对应的沥青结合料的PG分级建议值，结果如表 10所示。相比于一般路段，长大纵坡路段的高温等级可以适当提高1个等级。

由于目前气象观测站只能观测到4个站点的气候数据，对沿线不同区域进行半定量分析。考虑格那高速沿线地形地貌情况，可发现海拔与气温具有较强关联性，海拔升高将导致沥青的高温分级降低1~2个等级, 低温分级升高1~2个等级。从格尔木(桩号K2760)至五道梁(桩号K3000)段，K2760~ K2900存在较明显的海拔提高，K2900~K3000海拔趋于稳定，格尔木与五道梁两地的高、低温均下降9 ℃左右，因此应根据海拔高度选择合适类型的沥青。

4 青藏地区沥青类型及适用性

从PG分级的建议值上可看出，青藏地区日夜温差大，低温温度低、持续时间长，沥青胶结料应选择兼顾高低温性能、低温抗裂性能强的高等级沥青。根据《多年冻土地区公路设计与施工技术规范》(JTG/T 3331-04—2023)建议，沥青路面宜选择高标号的道路石油沥青，包括110^#，130^#，150^#沥青，表面层和中面层沥青混合料宜采用SBR或SBS改性沥青。该施工技术规范中未明确规定沥青种类和型号，对格那高速公路沥青类型选择的指导意义并不强。

经过广泛调研，青藏地区不同高速公路项目采用的沥青型号如表 11所示。青藏地区较常用的改性沥青为SBS和SBR两种改性沥青，其中，SBS改性沥青高温稳定性能优秀，SBR具有良好的低温抗裂性能，在高寒高海拔地区，因低温持续时间长，沥青应侧重选择低温抗裂性能好的沥青胶结料。很多室内研究和工程表明，SBRⅡ-A改性沥青(基质沥青130^#)更适用于青藏地区^[19-21]。

对目前中国常用的110^#沥青及SBS I-C，SBS I-D，SBRⅡ-A改性沥青开展高低温性能试验，根据试验结果对110^#沥青及SBS I-C，SBS I-D，SBRⅡ-A改性沥青进行PG分级研究，结果如表 12所示。

结合表 10和表 12结果，对于表面层和中面层，SBRⅡ-A改性沥青可以用于格那高速沿途的那曲地区; 格尔木地区由于海拔稍低，可以考虑使用SBS改性沥青; 在沱沱河和五道梁地区(PG64-34)，目前较常使用的改性沥青均不能很好地满足低温性能要求。针对格拉高速公路的情况，沥青路面设计亟待解决的是低温问题，同时需要兼顾该地区紫外线强度高，日照时间长，可施工时效短的实际情况。考虑到SBR改性沥青施工温度低，更适合高寒高海拔地区，因此，建议采用更高标号的基质沥青对沥青进行SBS/SBR复合改性，以满足改性沥青的高低温性能要求。

5 结论

本研究对所处地貌、气候特征、海拔、交通荷载量等相关数据进行统计学分析、计算，探索高海拔大温差地区沥青胶结料PG分级方法的适应性。

(1) 针对青藏地区，PG分级可作为沥青胶结料选型的参考，宜采用SHRP模型计算沥青的低温温度。同时，对于高温温度的计算，本研究基于青藏地区现场监测结果对LTPP高温温度计算模型进行修正，提出更适合高寒高海拔地区沥青结合料高温温度计算公式，提高了沥青高温性能指标计算公式的可靠性。

(2) 对格拉高速公路地区沥青胶结料的PG分级建议值最高达到PG76-22，低温较低区域达PG64-34，高寒高海拔地区应充分考虑海拔增高对沥青低温抗裂性能的影响，将低温等级提高1~2级。

(3) 针对格那高速项目，那曲地区建议使用SBRⅡ-A改性沥青；格尔木地区建议使用SBS改性沥青；在沱沱河和五道梁地区，建议开发抗紫外温拌改性沥青，采用更高标号的基质沥青，对沥青进行SBS/SBR复合改性，并进行适用性研究。