沥青路面水损害研究分析

   日期:2011-11-24     评论:0    
核心提示:  水损害表现形式复杂多样,但相同气候条件下,破坏模式具有相似性。关于水损害作用机理的分析主要有黏附-剥落理论、静水压力和动
   水损害表现形式复杂多样,但相同气候条件下,破坏模式具有相似性。关于水损害作用机理的分析主要有黏附-剥落理论、静水压力和动水压力作用,普遍认为黏附-剥落理论是水损害的主要机理。

沥青路面施工期短、表面平整、养护维修方便,是路面的主要形式之一。然而沥青路面早期损坏的现象普遍存在,如松散、坑槽、车辙等。虽然路段的早期破坏很大程度上与汽车的重载和超载有关,但事实上水损害也是造成沥青路面早期破坏的主要模式之一,我国从南方到北方,都出现过由于水损害引起的高速公路大面积早期破坏。出现的时间,有的在竣工通车后不足一年或两年,时间短的只有几个月。尤其在我国南方地区,气候温暖潮湿,降水量较大,水损害问题更为突出。因此,高速公路沥青路面水损害问题成为研究热点。

水损害的表现形式

目前,国内学者已对水损害的概念有了较为明确且一致的认识,认为水损害是指水由沥青路面孔隙、裂缝进入路面内部后,在冻融、车辆轮胎动荷载产生的动水压力或真空负压抽吸的反复作用下,水分逐渐渗入沥青与矿料的界面或沥青内部,使沥青与矿料之间的黏附性降低并逐渐丧失黏结能力,沥青膜逐渐从矿料表面剥离,沥青混合料掉粒、松散,造成沥青路面结构整体性的破坏。

沥青路面水损害表现形式多样。一般可归纳为三类即松散类(路表麻面、松散、掉粒、坑洞)、裂缝类(唧浆、网裂、坑洞)和变形类(辙槽)。以上的早期水损害现象有时单独出现,但大多数是组合出现的。比如产生唧浆的地方通常会出现网裂和形变,并随着时间的推移很快会出现松散和坑洞。此外,水损害按照水对路面损害的部位,可以分为路表水对路面的损害和进入路面结构内的水对路面的损害;按照形成过程的不同,可以分为自上而下的表面层水损害和自下而上的水损害。许多初期的路面水损害都是由上往下发生的,它往往局限于表面层发生松散和坑槽,当表面的水从裂缝和孔隙较大的裂隙中进入路面内,即形成路面内自下而上的水损害。

水损害机理分析

造成沥青路面水损害的因素很多,可分为外部因素和内部因素。外部因素主要为:水、载荷和施工方法;内部因素主要为:集料性质、沥青性质、沥青混合料的空隙率、沥青混合料的离析和路面结构排水系统。水损害的发生往往是各种因素共同作用的结果。沥青与石料的黏附性不足和混合料空隙率过大是造成沥青路面水损害的主要原因。国内关于水损害的作用机理的研究主要涉及到以下几种理论:

黏附-剥落理论

普遍认为黏附-剥落理论是水损害的主要作用机理。黏附是指一种物体与另一种物体黏结时的物理作用。黏附-剥落理论主要体现为两种作用过程,即黏附力和黏结力的损失。黏附力损失是指水进入沥青和矿料之间的界面上,矿料对水的吸力比对沥青的吸力大,造成沥青剥落;黏结力损失是指沥青内部的水使沥青软化,黏性降低,从而使沥青混合料的整体性与强度降低。对于沥青与集料间的黏附性有四种理论来解释:力学理论、化学反应理论、表面能理论和分子定向理论。

静水压力作用沥青路面的水损害与软化和剥落两种过程有关。首先,水能进入沥青中使沥青黏附性减小,从而导致混合料的强度减小;其次,水能进入沥青膜和集料之间,阻断沥青和集料的相互黏结。由于集料表面对水的吸附力比对沥青的吸附力强,致使沥青与集料表面的接触面减少,结果沥青从集料表面剥落。

动水压力作用

行车车轮在瞬间通过时,轮荷对路面产生的动水压力,先是挤压,迫使空隙中的滞留水沿隙四周挤压、渗流。车轮驶离时,轮后的真空抽吸、路面自身的回弹,又会促使结构内的滞留水产生抽吸和回流,如此动水压力的挤压、抽涮,频繁交替作用于沥青混合料。另外,高能量的水分子与集料的黏附力比沥青与集料的黏附力要大,会在集料表面加速与沥青分子的置换,使沥青混合料的品质迅速变坏。

水损害防治

国内关于水损害防治的研究集中在两个方面,一是提高沥青与集料的黏附性,提高集料之间的黏结力,二是防止水分进入沥青混合料内部及沥青与集料的界面上。可涉及到沥青路面的设计、施工、管理和养护的各个环节。

提高路面材料的黏附性与黏结力

对沥青而言,选择黏性较大、不含或少含对水敏感的组成成分的沥青,或采用聚合物改性沥青,针对沥青水稳定性不足的问题,可掺加适宜的抗剥离剂;对集料而言,就是要求表面粗糙,含有较多的铁钙镁等高价阳离子,比表面积大,呈憎水性,且确保表面干净;在满足强度的前提下,适当放宽对集料致密度和吸水率的限制,并通过酸碱性测试评价,选择碱性集料;对混合料而言选择合理的级配。

邹苏华等研究了不同类型沥青混和料的水稳定性及改进措施,认为玄武岩不同类型沥青混合料的水稳定性不一定都能够满足使用要求。消石灰添加剂可以改善沥青混合料的水稳定性;对于AC-13密级配沥青混凝土与S M A-13沥青玛蹄脂碎石混合料,消石灰效果良好;

对于A M-13半开级配沥青碎石混合料,效果相对较差。郝培文等通过实验研究了石料碱值对沥青混合料水稳定性的影响,认为石料碱值越大,空隙率越小,沥青混合料的抗水害能力越强,当石料碱值小于0.78时,在进行沥青混合料水稳定性设计时,必须对石料或沥青进行预处理,只有这样才能满足强度要求。马新等进行了沥青混合料水稳定性评价方法的实验研究,认为利用马歇尔残留稳定度来评价沥青混合料水稳定性的过程,实验结果与使用效果存在很大的偏差,而用试件饱水煮沸后的劈裂强度来评价其抵抗水损害的能力,作用效果明显、准确度高,值得推广。

控制路面孔隙率、提高压实度

在面层施工过程中,常常由于碾压时混合料温度偏低,碾压不及时,施工操作不规范或片面追求表面平整度等原因,压实度不足或者压实不均匀,造成沥清混凝土局部空隙率大或水容易进入,形成骨料局部松散脱落,采用合理的压实工艺是保证沥青路面质量合格的一个重要因素。研究建议抗滑表层现场压实度不小于98%,现场空隙率不大于6%;中面层和下面层的压实度不小于97%,现场空隙率不大于7%。

另外,若面层混合料不均匀,存在离析现象。沥青混合料在拌和、运输、摊铺过程中会出现一定的离析,施工中如未认真处理,摊铺的面层就会存在不均匀性,特别是在粗集料较多的位置,沥青混凝土的空隙率较大,路面渗水就愈严重,因此施工中各道工序应严格把关,确保沥青面层均匀性,以有效减少混合料离析。

改善沥青路面排水条件

路表排水 为保证路表水排水顺畅,挡水式的路缘石有可能使水滞留在路面上,应将其下卧,但路肩和边坡必须采取相应措施,以经得起水的冲刷。荣保铭认为可以取消边路缘石,采用沥青拦水带,让水能沿着路面断面渗出;也可在路边缘中下层留10~20c m宽槽,放上碎石并铺上面层,做成盲沟或者排水管的形式。

张文佳认为路面表面排水范围包括路面和路肩,通常可利用路面横坡或合成坡度排除降雨。在进行路面横坡设计时,横坡坡度一般为2%,当地基为软土地基时坡度应适当加大到2.5%~3.0%,超高缓和段的扭曲路面时最小合成坡度应小于0.5%,若条件允许可采用不设超高的平曲线半径。郭有才建议在路面结构层中设置防水层,基层顶面设置封层,在中央分隔带处设置纵横向排水渗沟,在土路肩处采用碎石填料进行填筑。

结构层内部排水 目前路面排水往往只重视路基范围内的路面表面的水排除,对路面结构层内部的排水很不重视。

水可以通过路面渗透水、地表渗透水、地下水、泉水、冰冻融化水、毛细水等途径进入路面结构,直接降低了路面材料的强度和间接的路基对路面支持的损失。因此,结构内部排水条件对沥青路面使用性能改善意义重大。

我国《公路沥青路面设计规范J T GD50-2006》基于理论法设计路面,未将结构内部排水条件反映在路面厚度设计中。汪生军等和魏焕芬指出我国高等级公路普遍采用半刚性基层,路面设计时一般不考虑路面结构层内部排水,普遍设计了埋置式路缘石、砌筑式路肩、浆砌挡墙,这些都妨碍了由各种途径侵入路面结构内部的水分的排出,建议设置盲沟保证渗入路面内部的水能排除路外。

美国AASHTO的《AASHTO路面结构设计指南》以现场试验为基础,将沥青路面内部水的状况按含水多少与水存在时间分成若干等级,定量融入了路面厚度设计。曾梦澜等探讨了结构内部排水条件对沥青路面使用性能的影响,认为沥青路面内部水的状况对路面承受荷载的能力和使用寿命有重大影响,尤其是大交通量的公路,并结合中国国情开发了路面结构内部排水条件定量估计方法。

兰永红等认为中面层和底基层均采用密实型沥青混凝土,面层采用较密实的改进型A K-13结构,且在水泥稳定碎石基层上,设置“透层+封层”的防水结构层,可以完善路面内排水设计。

运营期养护及管理 在大量快速行车荷载的反复作用下,较大的动水压力使沥青从集料表面脱落下来,局部沥青混合料松散并失去强度,路面形成坑槽;若路面的水透过面层滞留在半刚性基层顶面时,当大量快速重型车辆反复作用下,自由水产生很大的动水压力并冲刷基层混合料的细料而形成灰浆,使得半刚性基层过早地出现疲劳开裂,使水更易进入路面结构形成恶性循环而导致大面积路面破坏。路面的使用寿命随超载率的增加而减小的幅度很大,如在超载率为100%时,半刚性路面结构仅能承受18次这样的车辆荷载就会发生疲劳开裂;但对于高等级公路,行车速度可以达到100公里以上,所造成的动水压力可达普通公路的2.5~3倍。因此,必须提出以防为主,防治结合的思路,加大路政管理力度,公路管理部门应该按照《公路法》及《超限运输车辆行驶公路规定》的要求对超载车辆进行强制卸载,并在入口处设卡不让超载车辆进入高速公路,严禁车辆超载给沥青路面造成的巨大损害。

加强路面养护管理,路面出现水损害时,应及时采取有效的养护处治措施。

主要应做到:取路面试样检验,确定水损害类型、范围及可能原因;调查排水系统,是否设置或堵塞,进行必要的现场和室内试验,包括渗透性试验;在试验基础上,分析水损害的原因,修复排水系统,加强覆盖层或翻修路面。

结论

高速公路沥青路面水损害问题是近年来研究的热点,国内学者主要从表现形式、作用机理及防治措施研究了水损害问题。水损害表现形式复杂多样,但相同气候条件下,破坏模式具有相似性。关于水损害作用机理的分析主要有黏附-剥落理论、静水压力和动水压力作用,普遍认为黏附-剥落理论是水损害的主要机理。水损害防治的研究主要集中在提高路面材料的黏附性和黏结力以及防止水分进入路面材料两个方面。

 
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