沥青路面水损害的研究

   日期:2007-02-06     来源:本站原创     作者:佚名     评论:0    

1 概述

  沥青路面的破坏形式主要表现为车辙、低温开裂和疲劳开裂,从60年代以来,几乎大多数与沥青路面研究有关的课题也集中在这三大破坏形式上。近年来,另外两种破坏形式——水损害和反射裂缝也逐渐引起人们的注意,也已形成世界性范围的问题。我国在这方面的研究还很少,还没有引起人们足够的重视。直至最近,一些高等级公路发生了较为严重的水损害问题,也到了重视水损害问题的时候了。
  沪宁高速公路自1996年9月通车,1998年有些路段出现了泛油现象,开始时颜色较浅,并拌有轻微沉陷。随着时间的推移,特别是长期下雨后,路面的颜色愈来愈黑,并出现轮迹处路面向两边推挤而隆起,轮迹处继续沉陷,再发展,靠近轮迹的隆起部分破损,很快就出现松散、坑洞。松散的集料表面光溜溜的,沥青膜已剥落贻尽。这是典型水损害现象。
  通常水损害产生的原因有下列几种:
  ——路面排水系统不健全;
  ——路面压实度不足;
  ——路面离析;
  ——其它:集料表面粉尘太多。
  沪宁高速公路江苏段沥青路面上面层级配采用AC-16B型,其级配比部颁规范中AC-16I型粗,上面层空隙率大,易渗水。而原路面没有设计排水结构层,只是希望在上面层和中面层之间排水,同时在路肩上设置了碎石盲沟,通过碎石盲沟将上、中面层间的水排出。事实上,由上面层渗入的水,无法从碎石盲沟排出,而长期滞留在路面中(天晴后数日,仍可看到在车轮的作用下,从路面缝中冒出水)或通过中、下面层空隙以及裂缝渗到中、下面层。在车轮荷载作用下,部分路面水变成有压水,特别在夏季,温水加剧了集料上沥青膜的剥离,造成路面松散脱落。
  压实度不足是早期水损害最普遍的原因。研究表明,热拌沥青混合料4%~5%的空隙率就认为是不透水的,也就是说与水损害无关。大多数沥青混合料设计空隙率为3%~5%,当施工完毕,大多数要求达到92%的最大理论密度,也就是说,空隙率为8%,2~3年后,可以认为是达到了设计空隙率。路面没有压好,空隙率高于8%,就易渗水,就会引起路面松散。研究表明:空隙率在8%~12%之间的路面是水损害最容易发生的区域,小于8%水不容易进去,而大于12%水很容易流走,但必须要设置排水的结构层。?
沪宁路路面压实度按马歇尔密度控制,所检验的若干试验段的数据如表1所示。从这些
数据可看出,压实度普遍不足,这是由于马歇尔密度控制路面压实度所造成的。

两种压实度标准合格率比较表      表1

 

马歇尔密度
96%

最大理论密度
92%

马歇尔密度
97%

最大理论密度
93%

常州段上面层

100

33

0

0

苏州A标(一) 上面层

100

100

43

43

苏州A标(二) 上面层

80

80

50

50

苏州A标(三) 上面层

100

80

40

20

南京G标下面层

100

100

100

93

南京G标中面层

100

100

100

100

镇江F标上面层

83

50

17

17

镇江F标下面层

100

94

94

44

  从表1中可以看出,常州段路面压实度尽管均满足交通部标准96%,无一不合格,但如果用最大理论密度92%去衡量,有67%的密度不合格;若要用93%的最大理论密度去衡量,则100%不合格。
  表1中苏州A标第三试铺段也表明,96%的马歇尔密度无一不合格;若用92%的最大理论密度作标准,仍有20%的路段密度不合格;如用93%的最大理论密度作标准,则有80%的路段不合格。
  除了上述原因外,我们在"沪宁高速公路沥青和沥青混合料路用性能评估"课题研究中发现,沪宁路沥青混合料的水敏感性指标,虽完全满足我国沥青路面施工规范JTJ032的关于水损害技术指标,但满足不了美国Superpave规范的要求,仍不能防止水损害的破坏。现将研究的主要内容介绍给大家,希望能引起注意。

2 我国现行规范关于沥青混合料水损害的技术指标

  我国沥青混合料技术指标不足以防止水损害,沪宁路在施工时,严格按照交通部行业标准《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ032)执行,即:
  (1)按水煮法试验所有的集料与沥青的粘附性都大于4级;
  (2)按马歇尔试验所有的沥青混合料残留稳定度均大于80%。
  为什么都满足了交通部技术规范,仍发生了水损害,除了上面论述的一些原因之外,还有一个原因是规范本身的关于粘附性指标以及混合料残留马歇尔稳定度的指标,与路面水损害并没有建立起很好的关系。
  对于集料与沥青的粘附性指标来说,这个指标存在着三个致命的缺陷:
  (1)是否有不同粘附性等级与路面水损害关系的长期性能观测资料,这些资料是否已表明粘附性大于等于4级就不会产生水损害,事实上这种关系没有建立。
  (2)粘附性等级用水煮法试验评价,水煮法试验结果受人为主观因素影响太大,省高速公路指挥部曾请两家较为权威的单位测试玄武岩,结果是一个3级,一个5级,充分说明这种试验结果作为规范技术指标是不科学的。
  (3)水煮法只使用了9.5~13.2的粗集料,事实上,部分细集料为砂,与沥青粘附性较差,但并没有评价。
  美国材料与试验协会 ASTM D 3625-96"水煮法评定水对沥青裹复集料影响的标准实践"是一个值得推荐的方法, ASTM D 3625-91名称为"水煮法评定水对沥青裹复集料影响的标准试验方法",而ASTM D3625-96则改成"水煮法评定水对沥青裹复集料影响的标准实践"。 这里有重要差别,试验方法是对一种材料、一个产品、 一个体系或一种服务的一个或多个性质、特征的确认、测量与评价,会产生试验结果。 而实践就不同了,它是对一种操作、一种功能给出一种明确的方法,并不产生试验结果。从标准试验方法改变成标准实践,对水煮法的作用也更明确了,它不产生定量试验结果,ASTM D3625-91"水煮法评定水对沥青裹复集料影响的标准试验方法",将裹复程度与标准剥落率相比较分为0-100% 10等,业主们有的将95%、有的将90%作为接收标准,新版方法已去掉这些叙述。因而也不能作为拒绝或接收混合料的标准。
  美国ASTM D3625-95水煮法用厂拌混合料,进行煮沸用于现场肉眼判断两种集料与沥青的粘附性。D3625-95并不是一种试验方法,而是一种标准实践,它本身并不产生试验结果,D3625明确表明,水煮法与路面现场水损害的关系尚未建立。
  再拿沥青混合料残留浸水马歇尔稳定度技术指标来说,也存在着致命的弱点。
  75次马歇尔击实仪双面击实,试件空隙率已达到设计空隙率为3%~5%,水很难浸入,也更难浸入沥青膜与集料之间,没有足够的水,谈何水损害?如果要用残留马歇尔稳定度技术指标,也得让空隙率接近现场空隙率,也就是说试件空隙率应在6%~8%之间。
  最近,在"公路沥青路面设计规范"(JTJ014-97)中已增加了使用简化的洛特曼试验方法作为沥青混合料水稳定性指标。
  水损害主要是发生在我国南方多雨潮湿地区,而气温低于-21.5℃的北方,降雨量较少,水损害不应是一个严重问题,倒是南方多雨潮湿地区再加上冰冻的地区,十分需要一个更能反映混合料水损害特性的技术指标,这个指标就是用AASHTO T283试验的结果--间接抗拉强度比来表征。

3 美国Superpave关于水损害的技术指标

  美国公路战略研究计划(SHRP)沥青课题的主要研究成果--Superpave,产生了一个胶结料规范、一个混合料设计方法和沥青混合料性能评估。
  Superpave混合料设计方法中关于沥青混合料水敏感性评价,应用于AASHTO T283"压实沥青混合料水损害试验方法",并要求间接抗拉强度比(TSR)≥80%作为沥青混合料水敏感性评价指标。
  事实上Superpave的指标不是新东西,它完全挪用了美国在八十年代进行的全国公
路联合攻关项目(NCHRP)的研究成果,虽然AASHTO T283不是一个十全十美的方法,但在九十年代初期已是全美国普遍接受的试验方法。初期TSR各州规范不一,有的州要求TSR≥70%,有的州TSR≥80%,目前Superpave统一规范为TSR≥80%。
  下面将AASTHO T283的试验方法简述如下:
  用SGC旋转压实仪成型6个试件,试件的孔隙率控制在(7±1)%之内。6个试件按空隙率大致相等分成二组,每组三个,其中一组采用非条件试验,另一组采用条件试验。非条件试验是将试件放在塑料袋里封好,放入25℃水浴中至少2h后进行试验。条件试验是先将试件放在水中加真空(254~660mmHg)5~10min,然后让试件在常压下使试件饱水率达到55%~80%,在(-18±2)℃条件下冷冻处理16h后,放在(60±1)℃的水浴中24h,最后再放入25℃水浴中2h后进行试验。所有试件均采用50mm/min的加荷速率测定间接抗拉强度。当两组试件的劈裂强度比<80%时,便认为沥青混合料水敏感性不合格,则应添加抗剥落剂并重新进行上述试验,直至TSR≥80%时为止。
  采用AASHTO T 283方法进行制件与试验,试验结果如表2所示。

沪宁路沥青混合料抗水剥落试验结果计算表    表2

结果
集料

间接抗拉强度

平均值

标准差

偏差系数

TSR比

东阳

1

1.2500

1.3547

1.1736

1.2594

0.0742

5.9

88.8

2

1.5150

1.3929

1.3492

1.4190

0.0702

4.9

金坛

1

0.5279

0.5159

0.6315

0.5584

0.0519

9.3

58.2

2

1.1278

0.8475

0.9031

0.9595

0.1212

12.6

天王寺

1

0.5240

0.5312

0.5312

0.5288

0.0034

0.6

91.9

2

0.5768

0.5875

0.5625

0.5756

0.0102

1.8

*

1

0.4821

0.4995

0.4995

0.4937

0.0082

1.7

89.4

2

0.5668

0.5450

0.5450

0.5522

0.0101

1.8

  从表2试验结果发现,一致认为质量最好的金坛玄武岩集料的抗水损害能力最差,而且不满足Superpave TRS≥ 80%的要求。为此,我们又重新对金坛玄武岩进行了试验,其结果如表3所示,抗水损害能力仍不合格,与净吸附试验结果比较,也是金坛玄武岩与沥青粘附性最差,其结果也是吻合的。

沪宁路和Superpave沥青混合料抗水损害试验结果计算表    表3

结果
集料

间接抗拉强度

平均值

标准差

偏差系数

TSR比

金坛沪宁路

1

0.3981

0.4027

0.3732

0.3913

0.0224

5.7

64.0

2

0.6513

0.5590

0.6197

0.6111

0.0664

10.9

金坛Superpave

1

0.5257

0.5629

0.5089

0.5325

0.0391

7.3

70.5

2

0.7401

0.7842

0.7413

0.7552

0.0355

4.7

  沪宁路混合料平均TSR为64%,Superpave 混合料的TSR 为70.5%,但也不满足要求。
  因此,我们认为沪宁路将来可能的路面损坏主要为水损害破坏。
  在SHRP研究期间,开发了一种净吸附试验方法,用来评价沥青-集料的兼容性。SHRP研究计划中评价沥青-集料兼容性采用的是用紫外分光光度计来量测沥青与集料的粘附性。此方法是基于在沥青-水-矿料体系中,矿料表面对沥青有吸附作用以及遇水后水对沥青的置换作用使沥青薄膜剥落这一特性,将一定粒级的矿料放入沥青-甲苯溶液中一段时间,则会有一部分沥青吸附在矿料表面上,之后向沥青-甲苯溶液中加入一定量的水,那么水就会对吸附在矿料表面上的沥青进行置换。这一系列的过程会使沥青甲苯溶液中沥青的浓度改变,用分光光度计测出浓度,即可算出矿料对沥青的吸附量及加水后沥青的剥落量,从而可以计算出矿料表面上的沥青的剥落率或吸附率,以表征沥青与矿料的粘附性。
  净吸附试验方法简述如下:
  ——准备沥青胶结料甲苯溶液,分出一部分溶液,稀释,然后用紫外分光光度计测定初始吸附读数。
  ——将一定量的沥青甲苯溶液加入小于4.75 mm的集料中,并在振动台上振动约6h。
  ——从烧瓶中倒出一部分溶液,稀释,测定其6h吸附读数。
  ——向烧瓶中加水,再振动至少8h,使其充分解吸。
  ——从烧瓶中取出一部分溶液,稀释,测定水解吸后的吸附读数。
  ——计算并得出净吸附百分率。
  我们对沪宁路所用的东阳、金坛、天王寺、*四种玄武岩与新加坡壳牌沥青分别进行净吸附试验,试验结果如表4所示。

沪宁路不同集料净吸附试验结果计算表     表4

结果
集料

初始吸附性
(mg/g)

净吸附值
(mg/g)

净吸附百分率
(%)

平均值

标准差

偏差系数

东阳

0.9210

0.8052

87.43

87.09

0.35

0.4

0.8595

0.7455

86.74

金坛

0.6226

0.5184

83.27

83.87

0.6

0.7

0.6819

0.5760

84.47

天王寺

0.7991

0.7161

89.68

89.81

0.13

0.1

0.8298

0.7463

89.94

*

0.8224

0.7068

85.94

85.94

0.0

0.0

0.8224

0.7068

85.94

  对于沪宁高速公路上所使用的壳牌、埃索和加德士三种沥青,用同一种玄武岩与其分别进行净吸附试验,试验结果如表5所示。

沪宁路不同沥青净吸附试验结果计算表      表5

结果
沥青

初始吸附性
(mg/g)

净吸附值
(mg/g)

净吸附百分率
(%)

平均值

标准差

偏差系数

壳牌

1.0384

0.9209

88.69

88.29

0.40

0.5

1.0642

0.9354

87.89

埃索

1.2217

1.1260

92.16

91.05

1.35

1.5

1.1961

1.0756

89.93

加德士

0.8325

0.6874

82.57

84.09

1.52

1.8

0.8327

0.7128

85.61

  分析以上试验结果可知:
  沪宁高速公路所使用的沥青与矿料的粘附性均能满足净吸附百分率大于80%的要求

  在四种玄武岩中净吸附百分率最大的为天王寺玄武岩,其次分别为东阳、*和金坛,也就是说天王寺玄武岩沥青-集料兼容性最好,东阳次之,金坛的沥青-集料兼容性最差。
  对于同一种矿料,不同沥青的净吸附百分率由大至小分别为埃索、壳牌、加德士,也就是说,埃索与此种矿料的兼容性最好,壳牌次之,加德士最差。
  由以上试验结果可以看出,此种评价矿料-沥青兼容性的方法是一种将兼容性量化了的方法,受外界因素干扰较小,同传统的水煮法、水浸法等方法相比,更具有客观性,因此是一种较为科学的评价方法,值得推广使用。但同时更应注意试验条件和试验操作的严格性和统一性,以保证试验结果的精确。

4 结论

  (1)沥青混合料和沥青路面施工质量及一些外部因素可能会导致沥青路面剥落,这些因素主要是:路面排水系统不健全,路面压实度不足,路面离析以及集料表面粉尘太多等。
  (2)现行沥青路面施工技术规范关于水损害的三个指标,即粘附性大于4级强度、浸水马歇尔稳定度大于80%,以及简化洛特曼法间接抗拉强度比TSR≥70%,存在一些缺陷,还控制不了水损害。
  (3)AASHTO T 283利用空隙率为7%的试件来进行试验,模拟刚施工好的路面空隙率,更为科学合理,真空饱水条件更为严密,加上冻融循环,适合作为南方多雨有冰冻地区抗水损害的指标。
  (4)添加抗剥落剂能改善和提高沥青混合料抗水损害能力,但抗剥落剂(液体和石
灰添加剂)对集料和沥青有选择性。因此,不能轻易得出某种抗剥落剂不好或是劣质产品的结论,应通过周密的试验设计来进行筛选。石灰是一种很有效的抗剥落剂,但使用比较困难。
  (5)即使通过了AASHTO T283的TSR≥80%的要求,也只表明这种混合料水损害潜在
的危险较小,还要有健全的排水系统、通过良好的压实等其它措施来保证。

参考文献

1 公路沥青路面施工技术规范(JTJ032-94).北京:人民交通出版社.1994?
2 江苏宁沪高速公路股份有限公司;江苏省交通科学研究所;交通部重庆公路研究所.沪宁高速公路江苏段沥青与沥青混合料路用性能试验与评估-沥青混合料路用性能试验与评估报告.1998.6


 
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