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| 影响沥青路面水损坏的结构因素分析 |
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| 来源：铺面材料工程中心 日期：[2016-12-15] |
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一、沥青路面水损坏的特性
沥青路面水损坏是一个普遍存在的问题，也决不是一个过时的话题，特别是在中国南方地区。沥青路面水损坏问题的本质是沥青与集料在静、动水压力作用下的持续粘附能力，这也是该问题的核心。沥青混合料水损坏的作用机理，主要依据是沥青对集料的粘附理论，包括力学理论、化学反应理论、表面能理论和分子定向理论。
（一）沥青特性
沥青一般带负电荷，由于含有少量羧酸和亚枫而呈弱酸性；而集料的岩性决定了集料表面电荷的性质和酸碱特性。所以，按照化学反应理论，沥青对集料的粘附性决定于集料的岩性。
（二）集料特性
某些集料过分坚硬致密，破碎后表面光滑不利于沥青粘附。潮湿的集料与沥青的粘附性大大降低。滞留在混合料内部的水分夏季遇高温会变为水蒸汽，使沥青膜从集料表面撑开。而有些吸水率稍大的集料，只要施工时彻底干燥，沥青将会被吸入集料内部一部分，反而有良好的水稳定性。集料中含有泥土对沥青混合料得水稳定性的影响很大，土壤都带有负电荷，它是强亲水物质。单从材料本身的角度而言，水渗入路面中的途径还是很多的，例如施工时集料本身是含水的，而生产混合料时又不可能完全烘干，又例如施工时由于石料本身压碎值较大或压路机振幅过大，路面表面露白，给水进入沥青与集料之间的界面提供了条件，还有开放交通后集料表面沥青的磨耗、集料本身的损失等，都造成路面内部实际上是长时间处于潮湿状态的，如果沥青与集料粘附性不良，剥落也是不可避免的。排水不良、路面渗水是我国高速公路沥青路面水损害的重要原因，但并非根本原因，根本的原因是沥青与集料的粘附性不良。要防止或减轻沥青路面水损害，最好是能提高沥青与集料的粘附性。但是，消石灰和水泥的添加不可能完全搅拌均匀，抗剥落剂的性能参差不齐，目前国内抗剥落剂的添加工艺的不成熟导致添加效果差，都给沥青与集料的粘附性留下了隐患。
因此，在改善沥青对集料粘附性的同时，对路面结构和排水进行研究改善显然是十分必要的，国内、外对透水基层、抗滑密实的上封层和排水设施等进行了研究与应用，这是疏导的方法。
二、现行设计规范对沥青路面水损坏的考虑
我国现行沥青路面设计规范针对沥青路面水损坏现象作了如下规定：
1．粗集料与沥青应具有良好的粘附性，对年平均降雨量1000mm以上的高速公路和一级公路，表面层所用集料与沥青的粘附性应达到5级；其他情况粘附性不宜低于4级。
2．当粘附性达不到要求时，应通过掺入适量的消石灰、水泥或抗剥落剂等措施，提高粘附性等级及混合料的水稳定性。
3．矿粉必须采用石灰石等碱性石料磨细的石粉，不得使用酸性岩石等其他矿物的矿粉。
4．为防止雨雪下渗，浸入基层、土基，沥青面层应选用密级配沥青混合料。当采用排水基层时，其下均应设防水层，并设置结构内部的排水系统，将雨水排除路基外。
5．为排除路面、路基中滞留的自由水，确保路面结构处于干燥或中湿状态，下列情况下的路基应设置垫层：（1）地下水位高，排水不良，路基经常处于潮湿、过湿状态的路段；（2）排水不良的土质路堑，有裂隙水、泉眼等水文不良的岩石挖方路段；（3）季节性冰冻地区的中湿、潮湿路段，可能产生冻胀需设防冻垫层的路段；（4）基层或底基层可能受污染以及路基软弱的路段。
6．现行沥青路面设计规范还规定沥青混合料的空隙率较大、路面渗水严重时宜设上封层。可以看出，现行规范对沥青路面水损坏的防治还停留在给出设计原则阶段，因而是粗线条的，对于中央分隔带、路缘石如何设计、路面结构组合应选用哪些类型的混合料还不够详尽，不能很好地指导建设、施工。
三、影响沥青路面水损坏的路面结构因素分析
路面结构组合和路面排水设计合理时，路面排水通畅，路面结构内部基本无积水或不至于产生动水压力，有利于沥青混合料的水稳定性，反之则不利于沥青混合料的水稳定性。
（一）路面结构组合设计
1．材料——沥青混合料类型。沥青混合料为全开式结构或密实式结构时，路面不易发生水损坏；沥青混合料为半开式结构时，路面易发生水损坏。随着公称最大粒径的增大，渗水系数将增加，所以为了做到密水，减小公称最大粒径是有效的。
施工失败时以上关于沥青混合料类型对路面水损坏的影响的分析不适用。沥青路面密实度小，则孔隙率大，路面结构内部积水，在车辆荷载作用下易产生动水压力。
2．结构组合。路面结构组合设计包括给路面不同层位选择恰当的材料类型，保证路面结构的整体承载力和水稳定性。这包括选择密实而具有良好骨架结构的沥青混合料，使得路面不至于发生表面型水损坏；选择良好的透层和粘层材料，使得路面整体强度足够，不至于发生内部型水损坏；处理好接缝，避免缝边级配离析和压实不足。
例如，近年来广泛采用的三层式沥青路面结构中，上面层普遍设计为AK类沥青混合料，是一种半开式结构，再加上施工离析等原因，路面水损坏严重，在排水不畅的桥面情况更严重；下面层普遍设计为AC-25I型，而实际使用效果该层由于施工离析严重，导致透水严重，大量发生内部型水损坏，使得路面疲劳耐久性差，有时甚至中面层AC-20I型沥青混合料也存在相同的问题。湖北省和广东省就提出将下面层设计为AC-20I型沥青混合料，这一建议显然具有进步性。但是，由于加工更小粒径的碎石工艺流程更繁杂、产量更低和单价较高等原因，这一建议一直没有得到采纳。
对于沥青面层的厚度与公称最大粒径的关系一定要引起注意，必须保证厚度不小于公称最大粒径的3倍，对SMA要求甚至更高。然而，国内一些高速公路建设忽视了这个问题，例如有些公路由于造价的原因减薄了路面结构厚度，却没有相应调整沥青混合料类型，导致两者不相匹配。厚度与公称最大粒径不相匹配一般是厚度偏薄，其后果是级配离析严重，表面缺粒严重，导致压实离析，路面渗水。相反的例子是，施工单位私自调整级配，名义是按设计混合料类型施工，实际调细级配甚至将公称最大粒径减小一个筛孔，使得上述不良现象大大减轻甚至基本消失。
由于国内长期以来注重路面平整度等原因，路面结构设计的主流一直是半刚性基层沥青路面，对于柔性基层结构使用较少，在沥青下面层和上基层之间采用碎石层作排水层的做法自然就难以实施。许多国家在水泥稳定碎石集料上面设置级配碎石层作为过渡层，以减少路面的开裂和有利于排水，成为倒装结构，如南非、法国和德国等。我们经常说有些国家也使用半刚性基层，实际上是组合式基层沥青路面。
过去较多地使用乳化沥青类、稀释沥青类材料作为透层、粘层，但实际使用效果较差，不仅层间脱空，而且水容易渗透进入路面结构，或积存在上基层表面，造成沥青路面唧浆等。稀释沥青类材料作为透层、粘层存在的问题是，我国工程建设往往工期十分紧张，特别是新建公路，有时存在作为稀释剂的煤油还没有挥发就摊铺上一层混合料，影响了路面质量。近年来较多地使用热沥青类材料作为透层、封层，层间结合加强的同时，路面结构防水能力也得到加强。
近年来越来越注重施工缝的设置，这也是结构方面的很好的考虑，例如，相邻两幅及上下层的横向接缝均应错位1m以上，上面层应采用垂直的平接缝。上、下层的纵缝应错开150mm（热接缝）或300～400mm（冷接缝）以上。这些措施有利于防止集料离析上下重叠或左右紧邻，防止形成联通的透水面积。
（二）路面排水设计
路面排水设计与沥青路面水损坏密切相关，适当的路面排水设计与路面结构设计组合可以极大地减缓路面水损坏。路面排水设计应遵循几个原则，使得路面降水尽快通过路表迳流排走，进入路面结构内部的水以尽量快的速度通过路面结构内部排水系统排走。
1．中央分隔带排水。在我国，中央分隔带植树防眩而不加封闭带来的水损坏现象一直以来没有得到改善，但近年来，一些公路特别是改扩建的公路开始将植树以外的面积采用浆砌片石等措施进行封闭。遭受抱怨的还有反滤土工布被立柱打穿，造成中央分隔带渗水，但可从设计上检查立柱尺寸是否足以穿透土工布。
2．硬路肩排水。挡水式的路缘石使路面表面排水滞留在路面上成为水坑，也妨碍了具有一定透水能力的表面层的内部积水从硬路肩排出。近年来较多采用了平放的路缘石，不至于使水滞留在路面上。
3．路面结构内部排水。挖方路段的排水往往是薄弱环节，尤其要注意边沟的深度，不仅能排路表水，还应能排结构层的水，使路面内部的水能排入边沟。路基中有地下水或裂隙水冒出时，将使路基含水量过大，承载能力严重降低，所以挖方路段的纵向排水盲沟也是很重要的。在沥青层下设置排水层，可以是级配碎石层，也可以是嵌挤良好的沥青或水泥稳定碎石（或贯入式结构层），空隙率应达到15%以上。但施工期间必须保证路面不被污染，以防止将空隙堵住。
（三）施工质量和工艺
施工质量和工艺的可靠、合理是一切设计得到体现的保证，是工程建设的生命。没有施工质量和合理的工艺作保障，任何完美的设计都只是一纸空文。
以上路面材料、结构组合和路面排水系统等几个影响因素都对沥青路面水损坏存在影响，相互之间一方面普遍存在联系，另一方面又存在相对独立性。它们是通过沥青与集料在静、动水压力作用下的持续粘附能力这一内部影响因素而相互联系的，故属于内部联系、本质联系。
四、沥青路面水损坏的室内试验研究方法简介
一般而言，沥青路面水损坏研究以沥青路面在车辆荷载和路面结构内部水的双重作用下的损坏为研究对象。没有车辆荷载的作用，动水压力无从产生；没有路面结构内部水的存在，即使有车辆荷载，也不会产生动水压力，故车辆荷载和动水压力对沥青路面的水损坏研究缺一不可。
目前，有关水对沥青混合料性能影响的研究大部分集中在分析沥青混合料的水敏感性和抗水损坏材料的开发上，而有关水的作用对沥青混合料长期性能的影响，以及路面在此条件下的疲劳寿命衰减等方面的研究工作进行得较少。
常规的描述水对沥青混合料性能影响的试验方法大致可分为两类：
一类是将未经压实的松散沥青混合料浸于水中一段时间后，主观评价或利用试验仪器检查集料裹覆沥青膜的剥蚀程度，并据此作为判定沥青混合料水稳定性的依据。这类方法以水煮法、浸水法和光电分光度法为代表，美国SHRP研究内容中还发展了一种搅动水净吸附法。目前有研究改变这类试验的试验参数如试验温度、试验时间等进行试验，取得了初步效果。
另一类评价方法是将沥青混合料试件或芯样置于一定的水浸蚀环境条件下，以某些物理力学指标的衰减程度来表征混合料的水稳定性。这类方法有马歇尔试验、冻融劈裂试验、洛特曼试验、改进的洛特曼试验以及浸水轮辄试验等。
也有过一些研究从一定角度模拟了水对沥青混合料的动态作用，如Jimenez在亚利桑那大学提出重复孔隙水压力的作用。为了能够模拟孔隙水压力，将试件浸入水中，同时施加一个能够产生35～217kPa的孔隙水压力的循环应力作用。Jimenez认为这个水压力范围与饱和状态沥青路面在车辆荷载作用下产生的孔隙水压力范围是相吻合的。
工欲善其事，必先利其器。恰当的试验方法是通向研究成功的第一步，也是关键的一步。在目前沥青路面水损坏普遍严重存在的情况下，研究有效评价沥青混合料或沥青路面水稳定性的室内试验方法，是十分有必要的，也是十分紧迫的。
五、沥青路面水损坏的现场试验研究方法
为了使沥青混合料水稳定性研究符合实际、接近实际，光凭室内试验分析是不够的，有必要在实体工程中开展现场试验研究。然而到目前为止，国内外还没有完整地提出过进行沥青路面水损坏现场试验研究的思想，已有的研究还只限于在路况调查阶段对沥青路面水损坏进行分类、归纳、统计和分析查明原因。沥青路面水损坏现场试验研究方法的提出，无疑将成为本课题研究的一个1．比较研究不同结构组合沥青路面的水稳定性，如半刚性基层与沥青稳定基层沥青路面，又如表面层设计为AK-13A、SAC-13的和SMA-13A的进行比较，中、下面层设计为AC类结构的和FAC类的结构进行比较，层间结合采用乳化沥青的和采用热沥青的进行比较，下封层采用应力吸收层的与采用热沥青上撒布瓜米石的进行比较。比较的具体方法可以采用现场病害调查（反映表面水损坏情况），也可以采用路表弯沉检测分析（反映内部水损坏情况），既能调查得到需要的数据，又不对路面造成破坏。
2．利用TBR仪等无损检测手段检测路面结构内部实际含水情况，比较不同路面结构表面和内部排水设计的沥青路面的水稳定性，例如对是否设置排水垫层的路面进行对比，对是否封闭中央分隔带除植树以外部分的路面进行对比，对是否设置硬路肩路缘石的路面水稳定性进行对比。
3．利用动水压力测试系统，对车轮荷载作用下动水压力进行测试，为路面结构受力分析提供更多参数。
4．利用公路改扩建的机会，进行开挖试验，检验不同路面结构组合、不同路面排水设计情况时的沥青路面水稳定性。
六、结语
沥青路面水损坏涉及设计、施工和养护等众多环节，而路面结构设计的影响尤其重要。针对沥青路面水损坏的现状，显然应该从设计的角度下更多的功夫，例如现行设计规范主要从力学的角度考虑沥青路面结构承载能力，对水损坏的考虑就有很大的欠缺，没有针对路面使用性能进行设计。要想在短时间内解决路面设计方法体系显然是有不小困难的，然而，从材料的角度对沥青路面水损坏的室内、外试验研究也还很不够，特别是没有从理论上很好地解决沥青混合料水稳定性的原理，这也是沥青混合料水稳定性设计和检验的难题所在。 |
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