解决沥青路面水损害早期损坏的技术途径

解决沥青路面水损害早期损坏的技术途径11.引言从上世纪八十年代开始到现在，我国公路的基础设施建设实现了突飞猛进的发展，其突出标志是高速公路里程的增加，不仅在高速公路设计方面有飞跃式的提高，而且在建设方面也达到了一定的水平，为我国国民经济的发展作出了突出贡献。在全国各地高速公路的建设中沥青混凝土路面占了很大的比重，沥青混凝土路面有很多其他路面无法比拟的优点。如沥青路面由于属于柔性路面，减震效果好、行车舒适性好、噪音小；柔性路面对路基的不均匀沉降适应性强；路面成型快，修完碾压后马上就能通车；沥青路面的平整度好；养护维修方便等优良性能。随着我国经济的不断发展，高速公路日益发挥主通道的作用，但随着交通量的不断增长，很多沥青混凝土路面出现了一定的早期破坏，尤其水损坏比较严重，高速公路沥青混凝土路面水损害早期损坏原因是非常复杂的，可以归纳为沥青混合料空隙率过大、路面渗水、排水设施施工不完善、压实度不足、沥青混合料抗水损害能力不足、厚度偏薄等原因。本文通过对施工中经验的总结对高速公路沥青路面早期水损坏的防治途径进行了详细的论述。解决沥青路面水损害早期损坏的技术途径22.高速公路沥青性能与路面的损坏机理沥青路面应具有坚实、平整、抗滑、耐久的品质，同时，还应有高温抗车辙、低温抗裂、抗水损害以及防止雨水渗入基层的功能。这就要求沥青具有高温稳定性、低温抗裂性、耐久性、抗滑性、防渗性等性能，下面就简述一下沥青路面受这些因素的影响而产生的损坏原理。2.1沥青路面由于温度开裂而产生的损坏机理温度越低，沥青对于混合料性能的影响越大。沥青是一种感温性、粘弹性材料，在正常使用条件下，沥青能够使路面内由于温度变化而产生的应力松弛。在低温下，所有的沥青均不再有粘滞流动而具有纯弹性。沥青劲度最大时的温度随沥青等级、油源、龄期和应变速率而变化。当考虑温度开裂时，应变速率与路面内温度变化的速率有关，因此，当沥青经受到低温和温度突变这种危险的综合作用时，由于温度变化引起的应变有能通过粘滞流动得到松弛。当由此产生的应力超过沥青的抗拉强度时，沥青路面就开裂。对于同一等级的沥青，感温性能越强，低温开裂的可能性越大。2.2沥青路面由于疲劳开裂而产生的损坏机理疲劳是沥青砼路面在重复荷载的作用下产生的。其原因是：施加的荷载超过了结构设计标准；实际交通量超过了设计交通量；各结构层承载能力的降低；环境因素引起的附加应力。2.3沥青路面由于车辙作用而产生的损坏机理车辙是路面结构各层的永久变形之和，这些变形由材料的固结或塑性流动引起，并且在高温季节较为严重。沥青性能对车辙的影响低于沥青混合料以及施工质量对车辙的影响。在一定温度下，提高沥青混凝土的劲度会增加路面的抗车辙解决沥青路面水损害早期损坏的技术途径3能力，增加沥青的粘度也会改善沥青混合料的抗车辙能力。同样，如果所用的结合料能使混合料在受力后产生较大弹性恢复，那么也会改善其抗车辙性能。沥青的物理性质对路面车辙有些影响，在给定的温度和加载速率下，高粘度的沥青会产生劲度高的沥青混合料，而较高的劲度会产生较高的抗车辙能力。2.4沥青路面由于水害作用而产生的损坏机理沥青与矿料之间的粘结在潮湿的条件下会被削弱或损坏，而在行车荷载及水分的联合作用下，这种损坏会明显加剧。水害会导致沥青路面产生车辙、剥落、泛油及局部的结构性破坏。高粘性沥青比低粘性沥青受水的影响小，并且任何在混合料压实之前改善沥青和矿料表面潮湿状态的措施都会提高混合料的抗水害能力。2.5沥青路面由于沥青的老化而产生的损坏机理路面中沥青的老化可以通过路面的外观来判断，如干涩，色发暗，常常还伴有表面矿料剥落。大多数情况下，结合料的老化会导致粘度和脆性的增加。沥青的氧化性老化，在高空隙率沥青混合料中会加速进行，在密级配混合料中老化主要发生在路表面。3.高速公路早期损坏的类型近年来我国高速公路的建设速度很快，到1999年底，通车里程已超过1万km。其中大部分的质量是好的，但也有一些高速公路建成通车后不久，短的几个月，长的2-3年，就不得不进行大面积维修，路基路面的早期损坏问题引起了广泛的关注。我国高速公路路基路面存在的较为普遍的早期损坏现象，可以归纳为以下6种通病：解决沥青路面水损害早期损坏的技术途径4沥青面层早期损坏：车辙、泛油、松散、坑槽、水损害破坏；水泥混凝土路面断板、折角、接缝跳车；桥面铺装局部破损；结构物连接不顺畅、桥头及接缝跳车；路基沉降，如软土路段、高填方路堤、半填半挖路段的沉降和开裂；3.1高边坡滑塌。造成这些损坏，在很大程度上是由于施工管理混乱，不严格按照规范施工造成的。但也有其它原因，如：规范本身的原因，设计的原因，汽车的严重超载重载，而且一般都发生在雨季，基本上都与水有关，损坏路段还往往存在压实不足和排水不良问题。本文仅对引起沥青路面水损害早期损坏的技术原因进行分析并对防治途径提出一些粗浅的看法，以图引起反思。4.高速公路沥青路面水损害早期损坏的特点现在普遍对高速公路沥青路面的早期损坏严重感到忧虑，尤其是近年来一些沥青面层发生大面积的水损害破坏，一到雨季，就提心吊胆。这些损坏有以下特点：水损害破坏发生在雨季，也可能是冰雪融化的季节，有时一场大雨就导致路面大面积严重破坏；行车道破坏严重，超车道一般没有破坏，显然与重车、超载有关；破坏之初一般都先有小块的网裂、冒白浆（唧浆），然后松散成坑槽；发生水损害破坏的地方一般是透水较严重且排水又通畅的部位，如挖开可见下面有积水或浮浆；一般不会全路同时破坏，显然与沥青混合料不均匀有关，有解决沥青路面水损害早期损坏的技术途径5些不均匀严重的路段可能是泛油与水损害同时发生。5.高速公路沥青路面水损害早期损坏的原因分析及防治途径调查表明，造成沥青路面早期损害破坏的原因非常复杂，可以归结为沥青混合料空隙率过大、路面渗水、排水设施不完善、压实度不足、沥青混合料抗水损害能力不足、沥青面层厚度偏薄等原因。5.1关于表面层的空隙率与级配认真选择表面层矿料级配非常重要，最主要的指标是混合料的设计空隙率和路面的实际空隙率。据研究，沥青路面的空隙率在8%（相当于设计空隙率4%压实度96%时）以下时，沥青层中的水在荷载作用下一般不会产生动力压力，不容易造成水损害破坏。排水性混合料的路面空隙率大于15%时，一般都采用改性沥青，且水能够在空隙中自由流动，也不容易造成水损害破坏。而当路面实际空隙率在8%-15%的范围内时，水容易进入混合料内部，且在荷载作用下易产生较大的毛细压力成为动力水，造成沥青混合料的水损害破坏。回顾我国早期修建的京津塘高速公路，采用了在欧美、日本等许多国家常用的I型密实式沥青混凝土，路面渗水很少，并没有发生水损害破坏现象。但构造深度较小，担心对抗滑不利，后来设计规范根据有关研究成果将构造深度作为抗滑性能的一项主要指标与磨擦系数并列，要求不小于0.55mm，有些工程考虑到设计规范规定构造深度是在竣工后第一个夏季测定，交工验收时的构造深度要求又进一步提高，一般达0.7-1.0mm以上，导致表面层不得不都改用AK类“抗滑表层”级配，并逐渐从AK-13变为AK-16，随着构造深度的增大，空隙率也跟着增大，设计空隙率往往在6%以上，路面空隙率一般在10%以上，成为渗水严重的半开结构。虽然后来对级配作过各种调整，有些间断级配混合料尽管理论上有许解决沥青路面水损害早期损坏的技术途径6多优点，但施工难度较大，受级配和油石比的波动影响比较敏感，极易造成混合料不均匀，致使路面不是泛油就是透水，实际效果并不理想。而是国外，抗滑磨耗层一般是在路面磨擦系数下降到一定界限之后加铺的，很少有新路铺如此厚的磨耗层的。为了解决空隙率与构造深度的矛盾，既提高耐久性又使路面具有较好的表面功能，采用沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）和同时采用改性沥青是比较理想的，它对解决水损害将会有良好的效果。但SMA必然要增加相当的成本，除了少数重要的工程和交通量特别大的工程外，在短期内不可能成为普遍采用的结构。为此，我们主要还是应该在普通的密级配沥青混合料的矿料级配上下功夫。对现行规范的表面层级配进行认真的对比，并充分参考美国Superpave的研究成果，是目前许多工程采有的技术途径。表1是参照Superpave的方法推荐的表面层的矿料级配，姑且命名为AC-13K和AC-16K，绘制的矿料级配曲线如图1、图2所示。所建议的级配呈扁S形，有5个特点：表1建议的表面层矿料级配与现行规范级配的比较沥青混合料通过下列筛孔（mm）的百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-13I型AC-13II型AK-13A型AK-13B型建议AC-13K10010010010010095-10090-10090-10085-10095-10070-8860-8060-8050-7062-7648-6834-5230-5318-404-5536-5322-3820-4010-3028-4024-4114-2815-308-2215-2518-308-2010-235-1510-1912-225-147-183-127-158-103-105-103-96-124-82-64-82-64-8AC-16IAC-16IIAK-16AAK-16B建议AC-16K江苏AK-16C10010010010010010095-10090-10090-10090-10095-10093-10075-9065-8570-9060-8270-8476-8658-7850-7050-7045-7058-7261-7342-6330-9030-5025-4540-5440-5032-5018-3522-3715-3527-3728-3622-3712-2616-2810-2516-2418-2616-287-1912-238-1810-1513-1911-214-148-186-137-1410-167-153-96-134-106-127-124-82-54-93-74-84-84.75mm以上接近Superpave的最大密度线，基本上与原I型相仿；0.3mm-2.36mm位于Superpave的限制区下方，Superpave容许但不推荐位于解决沥青路面水损害早期损坏的技术途径7限制区上方的混合料级配；2.36mm通过率在Superpave的控制区范围内；由于生产水平的提高，级配范围比现行规范规定的要窄，粗集料主要筛孔通过率范围从20%降为14%。图中绘入了两条最大密度线，供考虑不同最大粒径时参考，在美国AC-13的最大粒径是19mm，在欧洲AC-16的最大粒径是22.4mm，在我国习惯上分别把16mm、19mm作为最大粒径。不过应该特别注意，由于此建议级配尚未经过实践验证，使用时应该慎重。确定一个级配范围的标准是很严肃的工作。随随便便定一个级配就在工程上大规模使用是不合适的。建议有志试用的工程先铺筑试验路，以确认是否可行。同时，作为抗滑表层的马歇尔设计指标应改为规范的I型标准，，击实75次，空隙率控制在4%左右。江苏省在实际上采用了这种做法，表1中列出了江苏省的建议级配AK-C型，与本建议的AC-16K很相近。解决沥青路面水损害早期损坏的技术途径8在修订表面层级配时，肯定会遇到与现行规范构造深度之间的矛盾，建议在调整高速公路沥青面层抗滑指标时重点保证表面层集料的磨光值，并以铺筑后行车过程中的摩擦系数作为综合指标，这就足够了。对构造深度的要求要适度，过大的构造深度势必使空隙率跟着变大，并以牺牲耐久性为代价。高速公路与一般公路的交通事故特点有明显的不同，高速公路上的交通事故绝大部分发生于冰雾等恶劣气候条件下以及汽车的疲劳驾驶、爆胎等情况，很少有中低级公路上常见的雨天滑溜事故。高速行车水漂主要是车辙积水，而沥青路面的初期压密很快会产生超过构造深度的变形。构造深度主要是对水雾及水膜厚度有明显影响，构造深度应以路面不受水损害为度。过高的构造深度要求很可能影响路面的压实。5.2加强压实，减少空隙率有些单位对压实度的重要性的认识不足，压实不足是一个比较突出的问题。例如：（1）追求平整度和担心构造深