瀝青路面水損害研究分析

     瀝青路面施工期短、表面平整、養(yǎng)護(hù)維修方便，是路面的主要形式之一。然而瀝青路面早期損壞的現(xiàn)象普遍存在，如松散、坑槽、車轍等。雖然路段的早期破壞很大程度上與汽車的重載和超載有關(guān)，但事實(shí)上水損害也是造成瀝青路面早期破壞的主要模式之一，我國(guó)從南方到北方，都出現(xiàn)過由于水損害引起的高速公路大面積早期破壞。出現(xiàn)的時(shí)間，有的在竣工通車后不足一年或兩年，時(shí)間短的只有幾個(gè)月。尤其在我國(guó)南方地區(qū)，氣候溫暖潮濕，降水量較大，水損害問題更為突出。因此，高速公路瀝青路面水損害問題成為研究熱點(diǎn)。

     目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者已對(duì)水損害的概念有了較為明確且一致的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為水損害是指水由瀝青路面孔隙、裂縫進(jìn)入路面內(nèi)部后，在凍融、車輛輪胎動(dòng)荷載產(chǎn)生的動(dòng)水壓力或真空負(fù)壓抽吸的反復(fù)作用下，水分逐漸滲入瀝青與礦料的界面或?yàn)r青內(nèi)部，使瀝青與礦料之間的黏附性降低并逐漸喪失黏結(jié)能力，瀝青膜逐漸從礦料表面剝離，瀝青混合料掉粒、松散，造成瀝青路面結(jié)構(gòu)整體性的破壞。

 

     瀝青路面水損害表現(xiàn)形式多樣。一般可歸納為三類即松散類（路表麻面、松散、掉粒、坑洞）、裂縫類（唧漿、網(wǎng)裂、坑洞）和變形類（轍槽）。以上的早期水損害現(xiàn)象有時(shí)單獨(dú)出現(xiàn)，但大多數(shù)是組合出現(xiàn)的。比如產(chǎn)生唧漿的地方通常會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)裂和形變，并隨著時(shí)間的推移很快會(huì)出現(xiàn)松散和坑洞。此外，水損害按照水對(duì)路面損害的部位，可以分為路表水對(duì)路面的損害和進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的水對(duì)路面的損害；按照形成過程的不同，可以分為自上而下的表面層水損害和自下而上的水損害。許多初期的路面水損害都是由上往下發(fā)生的，它往往局限于表面層發(fā)生松散和坑槽，當(dāng)表面的水從裂縫和孔隙較大的裂隙中進(jìn)入路面內(nèi)，即形成路面內(nèi)自下而上的水損害。

 

     造成瀝青路面水損害的因素很多，可分為外部因素和內(nèi)部因素。外部因素主要為：水、載荷和施工方法；內(nèi)部因素主要為：集料性質(zhì)、瀝青性質(zhì)、瀝青混合料的空隙率、瀝青混合料的離析和路面結(jié)構(gòu)排水系統(tǒng)。水損害的發(fā)生往往是各種因素共同作用的結(jié)果。瀝青與石料的黏附性不足和混合料空隙率過大是造成瀝青路面水損害的主要原因。國(guó)內(nèi)關(guān)于水損害的作用機(jī)理的研究主要涉及到以下幾種理論：

 

     普遍認(rèn)為黏附-剝落理論是水損害的主要作用機(jī)理。黏附是指一種物體與另一種物體黏結(jié)時(shí)的物理作用。黏附-剝落理論主要體現(xiàn)為兩種作用過程，即黏附力和黏結(jié)力的損失。黏附力損失是指水進(jìn)入瀝青和礦料之間的界面上，礦料對(duì)水的吸力比對(duì)瀝青的吸力大，造成瀝青剝落；黏結(jié)力損失是指瀝青內(nèi)部的水使瀝青軟化，黏性降低，從而使瀝青混合料的整體性與強(qiáng)度降低。對(duì)于瀝青與集料間的黏附性有四種理論來解釋：力學(xué)理論、化學(xué)反應(yīng)理論、表面能理論和分子定向理論。

 

     靜水壓力作用瀝青路面的水損害與軟化和剝落兩種過程有關(guān)。首先，水能進(jìn)入瀝青中使瀝青黏附性減小，從而導(dǎo)致混合料的強(qiáng)度減��；其次，水能進(jìn)入瀝青膜和集料之間，阻斷瀝青和集料的相互黏結(jié)。由于集料表面對(duì)水的吸附力比對(duì)瀝青的吸附力強(qiáng)，致使瀝青與集料表面的接觸面減少，結(jié)果瀝青從集料表面剝落。

 

     行車車輪在瞬間通過時(shí)，輪荷對(duì)路面產(chǎn)生的動(dòng)水壓力，先是擠壓，迫使空隙中的滯留水沿隙四周擠壓、滲流。車輪駛離時(shí)，輪后的真空抽吸、路面自身的回彈，又會(huì)促使結(jié)構(gòu)內(nèi)的滯留水產(chǎn)生抽吸和回流，如此動(dòng)水壓力的擠壓、抽涮，頻繁交替作用于瀝青混合料。另外，高能量的水分子與集料的黏附力比瀝青與集料的黏附力要大，會(huì)在集料表面加速與瀝青分子的置換，使瀝青混合料的品質(zhì)迅速變壞。

 

     水損害防治

     國(guó)內(nèi)關(guān)于水損害防治的研究集中在兩個(gè)方面，一是提高瀝青與集料的黏附性，提高集料之間的黏結(jié)力，二是防止水分進(jìn)入瀝青混合料內(nèi)部及瀝青與集料的界面上�？缮婕暗綖r青路面的設(shè)計(jì)、施工、管理和養(yǎng)護(hù)的各個(gè)環(huán)節(jié)。

 

     對(duì)瀝青而言，選擇黏性較大、不含或少含對(duì)水敏感的組成成分的瀝青，或采用聚合物改性瀝青，針對(duì)瀝青水穩(wěn)定性不足的問題，可摻加適宜的抗剝離劑；對(duì)集料而言，就是要求表面粗糙，含有較多的鐵鈣鎂等高價(jià)陽離子，比表面積大，呈憎水性，且確保表面干凈；在滿足強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)放寬對(duì)集料致密度和吸水率的限制，并通過酸堿性測(cè)試評(píng)價(jià)，選擇堿性集料；對(duì)混合料而言選擇合理的級(jí)配。

 

     鄒蘇華等研究了不同類型瀝青混和料的水穩(wěn)定性及改進(jìn)措施，認(rèn)為玄武巖不同類型瀝青混合料的水穩(wěn)定性不一定都能夠滿足使用要求。消石灰添加劑可以改善瀝青混合料的水穩(wěn)定性；對(duì)于AC-13密級(jí)配瀝青混凝土與S M A-13瀝青瑪蹄脂碎石混合料，消石灰效果良好；

 

     對(duì)于A M-13半開級(jí)配瀝青碎石混合料，效果相對(duì)較差。郝培文等通過實(shí)驗(yàn)研究了石料堿值對(duì)瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響，認(rèn)為石料堿值越大，空隙率越小，瀝青混合料的抗水害能力越強(qiáng)，當(dāng)石料堿值小于0.78時(shí)，在進(jìn)行瀝青混合料水穩(wěn)定性設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)石料或?yàn)r青進(jìn)行預(yù)處理，只有這樣才能滿足強(qiáng)度要求。馬新等進(jìn)行了瀝青混合料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法的實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為利用馬歇爾殘留穩(wěn)定度來評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的過程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與使用效果存在很大的偏差，而用試件飽水煮沸后的劈裂強(qiáng)度來評(píng)價(jià)其抵抗水損害的能力，作用效果明顯、準(zhǔn)確度高，值得推廣。

 

     控制路面孔隙率、提高壓實(shí)度

     在面層施工過程中，常常由于碾壓時(shí)混合料溫度偏低，碾壓不及時(shí)，施工操作不規(guī)范或片面追求表面平整度等原因，壓實(shí)度不足或者壓實(shí)不均勻，造成瀝清混凝土局部空隙率大或水容易進(jìn)入，形成骨料局部松散脫落，采用合理的壓實(shí)工藝是保證瀝青路面質(zhì)量合格的一個(gè)重要因素。研究建議抗滑表層現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度不小于98%，現(xiàn)場(chǎng)空隙率不大于6%；中面層和下面層的壓實(shí)度不小于97%，現(xiàn)場(chǎng)空隙率不大于7%。

 

     另外，若面層混合料不均勻，存在離析現(xiàn)象。瀝青混合料在拌和、運(yùn)輸、攤鋪過程中會(huì)出現(xiàn)一定的離析，施工中如未認(rèn)真處理，攤鋪的面層就會(huì)存在不均勻性，特別是在粗集料較多的位置，瀝青混凝土的空隙率較大，路面滲水就愈嚴(yán)重，因此施工中各道工序應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)，確保瀝青面層均勻性，以有效減少混合料離析。

 

     改善瀝青路面排水條件

     路表排水 為保證路表水排水順暢，擋水式的路緣石有可能使水滯留在路面上，應(yīng)將其下臥，但路肩和邊坡必須采取相應(yīng)措施，以經(jīng)得起水的沖刷。榮保銘認(rèn)為可以取消邊路緣石，采用瀝青攔水帶，讓水能沿著路面斷面滲出；也可在路邊緣中下層留10～20c m寬槽，放上碎石并鋪上面層，做成盲溝或者排水管的形式。

 

     張文佳認(rèn)為路面表面排水范圍包括路面和路肩，通�？衫�用路面橫坡或合成坡度排除降雨。在進(jìn)行路面橫坡設(shè)計(jì)時(shí)，橫坡坡度一般為2%，當(dāng)?shù)鼗鶠檐浲恋鼗鶗r(shí)坡度應(yīng)適當(dāng)加大到2.5%～3.0%，超高緩和段的扭曲路面時(shí)最小合成坡度應(yīng)小于0.5%，若條件允許可采用不設(shè)超高的平曲線半徑。郭有才建議在路面結(jié)構(gòu)層中設(shè)置防水層，基層頂面設(shè)置封層，在中央分隔帶處設(shè)置縱橫向排水滲溝，在土路肩處采用碎石填料進(jìn)行填筑。

 

     結(jié)構(gòu)層內(nèi)部排水 目前路面排水往往只重視路基范圍內(nèi)的路面表面的水排除，對(duì)路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的排水很不重視。

 

     水可以通過路面滲透水、地表滲透水、地下水、泉水、冰凍融化水、毛細(xì)水等途徑進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)，直接降低了路面材料的強(qiáng)度和間接的路基對(duì)路面支持的損失。因此，結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水條件對(duì)瀝青路面使用性能改善意義重大。

 

     我國(guó)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范J T GD50-2006》基于理論法設(shè)計(jì)路面，未將結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水條件反映在路面厚度設(shè)計(jì)中。汪生軍等和魏煥芬指出我國(guó)高等級(jí)公路普遍采用半剛性基層，路面設(shè)計(jì)時(shí)一般不考慮路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部排水，普遍設(shè)計(jì)了埋置式路緣石、砌筑式路肩、漿砌擋墻，這些都妨礙了由各種途徑侵入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分的排出，建議設(shè)置盲溝保證滲入路面內(nèi)部的水能排除路外。

 

     美國(guó)AASHTO的《AASHTO路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，將瀝青路面內(nèi)部水的狀況按含水多少與水存在時(shí)間分成若干等級(jí)，定量融入了路面厚度設(shè)計(jì)。曾夢(mèng)瀾等探討了結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水條件對(duì)瀝青路面使用性能的影響，認(rèn)為瀝青路面內(nèi)部水的狀況對(duì)路面承受荷載的能力和使用壽命有重大影響，尤其是大交通量的公路，并結(jié)合中國(guó)國(guó)情開發(fā)了路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水條件定量估計(jì)方法。

 

     蘭永紅等認(rèn)為中面層和底基層均采用密實(shí)型瀝青混凝土，面層采用較密實(shí)的改進(jìn)型A K-13結(jié)構(gòu)，且在水泥穩(wěn)定碎石基層上，設(shè)置“透層+封層”的防水結(jié)構(gòu)層，可以完善路面內(nèi)排水設(shè)計(jì)。

 

     運(yùn)營(yíng)期養(yǎng)護(hù)及管理 在大量快速行車荷載的反復(fù)作用下，較大的動(dòng)水壓力使瀝青從集料表面脫落下來，局部瀝青混合料松散并失去強(qiáng)度，路面形成坑槽；若路面的水透過面層滯留在半剛性基層頂面時(shí)，當(dāng)大量快速重型車輛反復(fù)作用下，自由水產(chǎn)生很大的動(dòng)水壓力并沖刷基層混合料的細(xì)料而形成灰漿，使得半剛性基層過早地出現(xiàn)疲勞開裂，使水更易進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)形成惡性循環(huán)而導(dǎo)致大面積路面破壞。路面的使用壽命隨超載率的增加而減小的幅度很大，如在超載率為100％時(shí)，半剛性路面結(jié)構(gòu)僅能承受18次這樣的車輛荷載就會(huì)發(fā)生疲勞開裂；但對(duì)于高等級(jí)公路，行車速度可以達(dá)到100公里以上，所造成的動(dòng)水壓力可達(dá)普通公路的2.5～3倍。因此，必須提出以防為主，防治結(jié)合的思路，加大路政管理力度，公路管理部門應(yīng)該按照《公路法》及《超限運(yùn)輸車輛行駛公路規(guī)定》的要求對(duì)超載車輛進(jìn)行強(qiáng)制卸載，并在入口處設(shè)卡不讓超載車輛進(jìn)入高速公路，嚴(yán)禁車輛超載給瀝青路面造成的巨大損害。

 

     加強(qiáng)路面養(yǎng)護(hù)管理，路面出現(xiàn)水損害時(shí)，應(yīng)及時(shí)采取有效的養(yǎng)護(hù)處治措施。

 

     主要應(yīng)做到：取路面試樣檢驗(yàn)，確定水損害類型、范圍及可能原因；調(diào)查排水系統(tǒng)，是否設(shè)置或堵塞，進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)，包括滲透性試驗(yàn)；在試驗(yàn)基礎(chǔ)上，分析水損害的原因，修復(fù)排水系統(tǒng)，加強(qiáng)覆蓋層或翻修路面。

 

     結(jié)論

     高速公路瀝青路面水損害問題是近年來研究的熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)學(xué)者主要從表現(xiàn)形式、作用機(jī)理及防治措施研究了水損害問題。水損害表現(xiàn)形式復(fù)雜多樣，但相同氣候條件下，破壞模式具有相似性。關(guān)于水損害作用機(jī)理的分析主要有黏附-剝落理論、靜水壓力和動(dòng)水壓力作用，普遍認(rèn)為黏附-剝落理論是水損害的主要機(jī)理。水損害防治的研究主要集中在提高路面材料的黏附性和黏結(jié)力以及防止水分進(jìn)入路面材料兩個(gè)方面。