沥青路面水损害形成机理及防治方法

　　摘要：沥青路面的水损害是目前国内外普通存在的路面病害之一，成为困扰公路工程质量的世界性难题。文中分析了沥青路面水损坏的主要现象及其发生机理与相关因素，提出了预防沥青路面水损坏的对策。
　　关键词：沥青路面；水损害；防治方法
　　
　　0引言
　　沥青路面的水损害，是指沥青路面在有水存在的条件下，经受交通荷载和温度胀缩的反复作用，一方面水分对沥青起乳化作用，导致沥青混合料强度下降，同时水分逐步侵入到沥青与集料界面上，由于水动力的作用，沥青膜渐渐的从集料表面剥离，导致集料之间的粘结力丧失而发生的路面破坏过程。常见的水损害破坏形式有:卿浆、坑槽、网裂、松散等。
　　沥青路面的水损害在我国具有普遍性，水损害破坏不仅发生在多雨炎热的南方，即使在东北地区如吉林、辽宁等地也出现了沥青路面的早期水损害现象。水损害的破坏速度快，性质严重，己成为路基路面的主要破坏因素之一。因此，对沥青路面渗水原因加以分析并采取有效防治措施，对减轻沥青路面水损害破坏具有十分重要的现实意义。
　　1水损害的特点
　　经调查，近年来不论是普通公路沥青路面，还是高速公路沥青路面均发生了不同程度的水损害破坏，而且具有一些相似的特点：
　　(1)水损害多发生在雨季和冻融季节；
　　(2)重车行驶的行车道较严重，超车道较轻；
　　(3)破坏初始一般先小块网裂唧浆而局部松散，然后大面积脱粒，进而形成坑槽；
　　(4)破坏一般发生在透水严重或排水不畅的部位。
　　2水损害破坏机理
　　沥青与矿料之间的粘附性产生问题有两个条件：水和交通荷载。
　　①水是产生水损害的先决条件。在没有水的情况下，只要集料表面是洁净的，沥青就能裹覆在集料的表面，并逐渐浸润集料。沥青混合料一旦长时间处于水的包围中，水分很容易浸润到沥青与集料的界面，置换沥青和集料的粘结力而使集料和沥青间的粘结力变弱甚至失效，最终导致水损害。
　　②交通荷载是产生水损害的重要条件。一方面在交通荷载的反复作用下，沥青与矿料的界面上就要发生剪切作用、矿料间也要发生剪切作用，界面一旦造成剪切破坏，水分就很快浸入，使得粘结力丧失而产生水损害。另一方面在交通荷载的作用下，进入路面的水变为动水，动水不但加速水分浸入沥青和矿料界面，而且加速界面间的剪切破坏，使路面出现卿浆、松散、掉粒、坑槽等病害。
　　从裂缝或不密实的路面进入路面结构的水，在水冻融反复循环作用下，再加上车轮动态荷载不断产生动水压力和抽吸反复循环冲刷作用，路面结构内的水分逐渐穿透沥青膜，侵入沥青与集料的界面上，从而降低了沥青黏附性，使沥青膜逐渐从集料表面剥离，并导致集料间的黏结力逐渐丧失，造成路面沥青混合料松散、脱粒，继而形成坑槽。
　　3水损害的影响因素 
　　3．1路面结构形式的影响
　　目前在国内，半刚性基层沥青路面，已成为中国沥青路面结构的主要形式。一般采用沥青面层为3层，总厚度为15~16cm的结构，而基层的强度则逐渐从3MPa提高到5MPa以上，在施工中甚至强度更高。优点是明显的，即：板体性强，有很高的承载能力。但同时也带来了质量隐患。
　　(1)半刚性基层的收缩开裂及由此引起沥青路面的反射性裂缝轻重不同地存在。在国外普遍采取对裂缝进行封缝，而在我国，目前根本就没有发现裂缝就进行沥青封缝的习惯，路面开裂得不到有效的处理。裂缝存在的后果是裂缝中进水，导致沥青层和基层界面条件的变化，使基层、底基层、路基的含水量增大，承载能力迅速降低，荷载产生动水力冲刷，出现裂缝处唧浆、坑槽。
　　(2)半刚性基层非常致密，它基本上是不透水或者渗水性很差的材料。水从各种途径进入路面并到达基层后，不能从基层迅速排走，只能沿沥青层和基层的界面扩散、积聚。水不能及时排走，沥青层和基层的界面上水的存在改变了界面连续的边界条件，使路面的受力状态变得十分不利，成为导致路面破坏的直接原因，尤其在高速行驶或超载车辆的高压动水力作用下，路面水损害不可避免。
　　3．2原材料的影响
　　材料的性质影响着沥青混合料的质量，其中一个重要指标就是沥青与集料间的黏附性，黏附性的好坏取决于集料和沥青性质。
　　(1)在集料方面集料的酸碱性、集料的表面构造及粗糙度、集料的表面洁净程序、集料的致密程度、集料的空隙率、集料的含水率等均严重影响沥青与集料间的黏附性。
　　(2)在沥青方面沥青的黏性大小、矿料表面的沥青膜的界面张力、沥青的化学组分对黏性影响起着重要作用。黏度大的沥青中含有更多的极性物质，并有良好的润湿性，有利于包裹矿料，形成较好的黏结膜。
　　3．3沥青混合料空隙率的影响
　　沥青面层的矿料级配类型和沥青用量均影响沥青混合料水稳定性，主要反映在混合料设计空隙率和剩余空隙率。如果空隙率较小，沥青面层不易透水，即便局部面层中含有水，但在动荷载作用下一般不会产生动水压力，不易造成水损害破坏，过大的空隙率会引起严重的路面损坏。从试验结果看，损坏路段的空隙率普遍大于正常路段，空隙率小于6%的路段不易水损坏，空隙率大于7%的路段水损坏较严重，6%~7%的空隙率是路面水损坏的临界值。一般说来密级配沥青混合料比开级配沥青混合料透水性小，水浸入困难；沥青用量多对水稳定性有好处，但与沥青混合料高温性能及抗滑性能相矛盾。
　　3．4集料粒径和面层厚度的影响
　　由于施工时质量控制不严，基层顶面标高不准确，施工中须调整面层的厚度来控制总标高。局部铺筑厚度变异性大，易使压实厚度与集料最大粒径不相匹配，造成沥青混合料离析现象非常普遍，路面不均匀、空隙过大，产生畜水、透水、积浆的现象，严重影响混合料水稳定性。
　　3．5沥青路面密实度的影响
　　主要是指在沥青路面施工中，每一个生产环节均影响沥青路面的密实性，进而影响沥青混合料的水稳定性。
　　(1)沥青混合料拌和的影响
　　在沥青混合料拌制过程中，拌和的温度高低、时间长短、配料准确和沥青含量多少变异，均影响沥青混合料的均匀性、密实性。
　　(2)沥青混合料运输的影响
　　沥青混合料在运输过程中，主要指混合料的均匀性和温度问题。如果运输造成混合料不均匀，甚至离析，以及混合料热量散失而降温，影响碾压的密实性。
　　(3)沥青混合料摊铺的影响
　　在摊铺过程中，能造成混合料不均匀和温度损失，反映在：
　　①卸料时料车与摊铺机相接触的瞬间的撞击，混合料易离析；
　　②卸料间混合料落下时的不均匀和温度损失的不均匀；
　　③摊铺机螺旋分料器拨料时造成混合料不均匀或离析和散热；
　　④摊铺宽度也影响混合料的均匀性和温度散失。
　　(4)碾压的影响
　　施工工艺对混合料的水稳定性的影响集中在混合料压实上，没有得到很好压实的混合料，其空隙率加大，对混合料的各种路用性能都有影响，尤其是运营后，行车碾压会造成混合料压实变形，由此而形成的不正常的车辙，成为水浸入路面结构层空隙形成水损害的祸根。另外，施工时对混合料进行强振或过压会使骨料破碎，降低结构层的强度和密实性，为损害的发生提供可能。
　　(5)其他施工因素的影响
　　在路面施工中，每个细节处理不善，都会形成水损害的隐患：
　　①集料的自身干燥程度不好影响黏附性；
　　②材料的洁净程度不好也影响黏附性；
　　③碾压过程中钢轮喷水过多，水分被封闭在混合料空隙中；
　　④施工接缝不良或路面开裂未及时处理，结构易进水。
　　3．6路面排水的影响
　　路面排水不良是造成路面水损害的重要原因之一。现行的路面排水设施过多强调了路基范围内的路面以外的水的排泄，而对路面结构层内部的排水重视不够，目前的状况是：表层封不住水，基层不透水，结构不能排水而畜水，中央隔离带渗水，路肩积水等。
　　3．7车辆超载的影响
　　经调查，近年来超载车辆大幅度增加，干线公路上50%以上的货车是超限车辆，按标准轴载换算，多数超限车辆的超限相当于2~3倍标准车载重量，个别超载车辆的轮胎气压达到1.2MPa，远高于0.7MPa标准气压，从而破坏路面结构强度。尤其在水和高速行车的综合作用下，面层底部的沥青膜从集料表面剥落，使面层底部集料间丧失黏结而发生松散，随着松散逐渐从底面向顶面发展，面层的结构强度逐渐下降，直到在行车荷载的作用下发生整层局部碎裂，加速了水损害的破坏，使路面使用寿命大为缩短。因此，控制超载车辆，对延长沥青路面的使用寿命，减少水损害有着非常大的积极作用。
　　3．8车辆行驶的影响
　　路面结构内积水在高速行车轮胎上产生的动水压力非常大，可以直接对内部混合料造成冲刷。根据路面积水在行车轮胎下产生的最大动水压力理论计算图知，最大动水压力随车速的增加呈几何级数增长。即车辆在80~120km/h车速下的动水压力，是车速在40~60km/h的4倍左右。与此同时，开级配抗滑磨耗层的空隙率较大而透水，从而使路面处于高动压水的直接贯穿冲刷下，最终导致了水损坏。所以，路面积水在高速行车下产生的动水压力是导致路面水损坏的主要原因之一。
　　4防治措施
　　考虑到沥青路面水损坏的现象与产生机理，预防沥青路面水损坏的出现应从设计和施工方面采取综合措施。
　　4.1面层采用密实式沥青混合料
　　由于半开式级配混合料的设计空隙率常在8%左右，施工后常在12%左右，如施工单位不严格控制压实，则实际混合料的空隙率将更大。只要沥青混凝上面层中存在一层属半开式级配混合料，很难避免水的侵入和剥落作用。除专门设计的排水层外，沥青面层各层都应该采用密实式沥青混合料，抗滑表层也设计为空隙率不大于4%的密实式级配结构，如密实式粗集料断级配沥青混凝土(多碎石沥青混凝土SAC、SMA)既具有良好的不透水性，又具有明显优于连续级配沥青混凝土(Ⅰ型)的高温抗永久形变能力，还具有良好的抗滑性能(构造深度大于0.8mm)。
　　4.2提高沥青与矿料的粘结力
　　首先在现在基础上提高沥青与矿料的粘结力等级，特别用做表面层的沥青混凝土，要求沥青与矿料的粘结力不小于5级。为增强耐磨硬质石料与沥青的粘结力和抗水侵害能力，需要添加抗剥落剂以改善。针对所用的碎石和沥青，进行粘附性试验以选择合适的抗剥落剂是必要的。以往简单按试验规程中的水煮法粘附性试验，不能准确判定不同抗剥落剂的效果；通过现行施工规范关于水损坏的试验指标:粘附性等级、浸水马歇尔稳定度等也不能完全控制住水损坏的产生。所以应考虑试验方法的改进和引入，如老化后水煮法试验、净吸附试验(SHRP研究计划提出)、混合料冻融间接抗拉强度试验(AASHTOT283)。用消石灰或水泥做抗剥落剂，或液体抗剥落剂和消石灰两者一起使用，其提高抗剥落作用或沥青混凝土的水稳定性的效果显著。此外，还应重视矿料本身的技术品质对混合料粘结力和整体性的影响。提高沥青混合料材料品质，除应用高品质沥青材料和沥青改性外，需严格控制矿料本身的技术品质，如矿料强度、形状、含泥量及有害物质含量，切实保证矿料烘干与混合料拌和质量。
　　4.3提高沥青混合料的压实度标准
　　提高沥青混合料的压实度标准对改善其物理力学性质具有重要意义，特别是设计空隙率较大时，有利于减小现场实际空隙率，从而降低渗透系数，达到防水侵入的目的。随着我国公路施工压路机械吨位和技术性能的提高，客观上具备了提高压实标准的条件，若沥青面层的压实度增加到不小于98%~97%，按马歇尔试件的空隙率4%确定沥青混凝土的沥青用量，则现场空隙率约为6%~7%，面层的透水性将会大大减小。为了控制住沥青混合料的压实质量，除现场密实度检测外，应通过现场钻芯取样，测定最大理论密度和空隙率。为实现压实度标准的提高，在施工过程中，宜采用重型振动压实机械和窄幅阶梯摊铺作业，应在保证沥青路面压实要求的前提下，寻求和实施提高平整度、抗滑性能的技术措施。
　　4.4合理控制矿料级配和施工温度
　　沥青混合料的矿料级配和施工温度不均匀性大，往往导致竣工沥青面层的混合料离析，颗粒组成、沥青含量、密实度和空隙率变异显著。为提高路面质量，消除路面产生早期水损坏的隐患，应对沥青混合料材料来源(规格与组成)、堆料、拌和、混合料装卸、摊铺和压实的各个环节加强过程管理。
　　4.5路面结构中设置排水层或防水层路面
　　结构的防水与排水需从多方面考虑如何使水不易侵入路面结构层。除路面本身设置排水层和防水层，其他部位上消除水透入面层的途径也很重要。包括防止中央分隔带植草植树后水侵入路面，或将中央分隔带封闭或设置排水系统；改变凸型中央分隔带和路缘石，保证泄水通路，处理好与面层沥青混凝土联接处的透水问题；在挖方地段作好边沟渗水防护；及时封闭纵向和横向裂缝，防止水的侵入。路面结构设置排水层是在面层底部设置多孔隙沥青混合料排水层，使水能尽快排出路外，排水层宜直接铺到边坡，处于土路肩内的排水层顶面可用土工布保护，防止土颗粒渗入排水层内部。路面结构设置防水层的目的是防止进入沥青表面层的水继续下渗到面层的下层及到达并滞留在基层顶面，避免其导致冲刷、唧浆和路面坑洞等水损坏。防水层设在厚沥青面层下面，只能保护基层不受冲刷等水的侵害，不能保护其上各个沥青层不受水侵害。鉴于当前我国高等级公路中，采用较厚的二、三层式沥青面层避免破坏，为了防止水渗入下层造成水破坏，也可考虑将防水层设在表面层下面。
　　5结论
　　沥青路面的水损坏是目前国内外普遍存在的路面破坏形式，甚至在道路使用初期即发生，给公路交通运输造成极其不利的影响。导致沥青路面的水损坏的因素复杂繁多，在分析研究沥青路面水损坏形成机理的基础上，从沥青混合料材料组成设计、技术指标的改进与路面结构防排水设施的完善，到工艺过程的严格管理与技术措施的采用，提出了对沥青路面水损坏的多项预防对策，供实际工程应用参考，以期有助于解决公路工程所面临的沥青路面水损坏技术难题。
　　
　　参考文献
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