影響高速公路瀝青路面水損壞的路面結(jié)構(gòu)因素分析

羅　英

摘要:文章圍繞路面結(jié)構(gòu)從設(shè)計、施工和養(yǎng)護等環(huán)節(jié)對我國高速公路瀝青路面水損壞問題進行分析研究,分析了各個環(huán)節(jié)存在的問題,以及它們對瀝青路面水損壞的影響。論述了瀝青路面水損壞問題的本質(zhì)是瀝青與集料在靜、動水壓力作用下的持續(xù)粘附能力。瀝青混合料水損壞的作用機理是瀝青對集料的粘附理論,包括力學(xué)理論、化學(xué)反應(yīng)理論、表面能理論和分子定向理論。文章還分析了可能的瀝青路面水損壞室內(nèi)、外試驗研究方法。

關(guān)鍵詞:瀝青路面;水損壞;路面結(jié)構(gòu);持續(xù)粘附能力;表面能理論;分子定向理論

中圖分類號:U416

文獻標識碼:A

文章編號:1009-2374(2009)18-0186-03

一、瀝青路面水損壞的特性

瀝青路面水損壞是一個普遍存在的問題,也決不是一個過時的話題,特別是在中國南方地區(qū)。瀝青路面水損壞問題的本質(zhì)是瀝青與集料在靜、動水壓力作用下的持續(xù)粘附能力,這也是該問題的核心。瀝青混合料水損壞的作用機理,主要依據(jù)是瀝青對集料的粘附理論,包括力學(xué)理論、化學(xué)反應(yīng)理論、表面能理論和分子定向理論。

(一)瀝青特性

瀝青一般帶負電荷,由于含有少量羧酸和亞楓而呈弱酸性;而集料的巖性決定了集料表面電荷的性質(zhì)和酸堿特性。所以,按照化學(xué)反應(yīng)理論,瀝青對集料的粘附性決定于集料的巖性。

(二)集料特性

某些集料過分堅硬致密,破碎后表面光滑不利于瀝青粘附。潮濕的集料與瀝青的粘附性大大降低。滯留在混合料內(nèi)部的水分夏季遇高溫會變?yōu)樗羝?使瀝青膜從集料表面撐開。而有些吸水率稍大的集料,只要施工時徹底干燥,瀝青將會被吸入集料內(nèi)部一部分,反而有良好的水穩(wěn)定性。集料中含有泥土對瀝青混合料得水穩(wěn)定性的影響很大,土壤都帶有負電荷,它是強親水物質(zhì)。單從材料本身的角度而言,水滲入路面中的途徑還是很多的,例如施工時集料本身是含水的,而生產(chǎn)混合料時又不可能完全烘干,又例如施工時由于石料本身壓碎值較大或壓路機振幅過大,路面表面露白,給水進入瀝青與集料之間的界面提供了條件,還有開放交通后集料表面瀝青的磨耗、集料本身的損失等,都造成路面內(nèi)部實際上是長時間處于潮濕狀態(tài)的,如果瀝青與集料粘附性不良,剝落也是不可避免的。排水不良、路面滲水是我國高速公路瀝青路面水損害的重要原因,但并非根本原因,根本的原因是瀝青與集料的粘附性不良。要防止或減輕瀝青路面水損害,最好是能提高瀝青與集料的粘附性。但是,消石灰和水泥的添加不可能完全攪拌均勻,抗剝落劑的性能參差不齊,目前國內(nèi)抗剝落劑的添加工藝的不成熟導(dǎo)致添加效果差,都給瀝青與集料的粘附性留下了隱患。

因此,在改善瀝青對集料粘附性的同時,對路面結(jié)構(gòu)和排水進行研究改善顯然是十分必要的,國內(nèi)、外對透水基層、抗滑密實的上封層和排水設(shè)施等進行了研究與應(yīng)用,這是疏導(dǎo)的方法。

二、現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范對瀝青路面水損壞的考慮

我國現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范針對瀝青路面水損壞現(xiàn)象作了如下規(guī)定:

1.粗集料與瀝青應(yīng)具有良好的粘附性,對年平均降雨量1000mm以上的高速公路和一級公路,表面層所用集料與瀝青的粘附性應(yīng)達到5級;其他情況粘附性不宜低于4級。

2.當(dāng)粘附性達不到要求時,應(yīng)通過摻入適量的消石灰、水泥或抗剝落劑等措施,提高粘附性等級及混合料的水穩(wěn)定性。

3.礦粉必須采用石灰石等堿性石料磨細的石粉,不得使用酸性巖石等其他礦物的礦粉。

4.為防止雨雪下滲,浸入基層、土基,瀝青面層應(yīng)選用密級配瀝青混合料。當(dāng)采用排水基層時,其下均應(yīng)設(shè)防水層,并設(shè)置結(jié)構(gòu)內(nèi)部的排水系統(tǒng),將雨水排除路基外。

5.為排除路面、路基中滯留的自由水,確保路面結(jié)構(gòu)處于干燥或中濕狀態(tài),下列情況下的路基應(yīng)設(shè)置墊層:(1)地下水位高,排水不良,路基經(jīng)常處于潮濕、過濕狀態(tài)的路段;(2)排水不良的土質(zhì)路塹,有裂隙水、泉眼等水文不良的巖石挖方路段;(3)季節(jié)性冰凍地區(qū)的中濕、潮濕路段,可能產(chǎn)生凍脹需設(shè)防凍墊層的路段;(4)基層或底基層可能受污染以及路基軟弱的路段。

6.現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計規(guī)范還規(guī)定瀝青混合料的空隙率較大、路面滲水嚴重時宜設(shè)上封層?？梢钥闯?現(xiàn)行規(guī)范對瀝青路面水損壞的防治還停留在給出設(shè)計原則階段,因而是粗線條的,對于中央分隔帶、路緣石如何設(shè)計、路面結(jié)構(gòu)組合應(yīng)選用哪些類型的混合料還不夠詳盡,不能很好地指導(dǎo)建設(shè)、施工。

三、影響瀝青路面水損壞的路面結(jié)構(gòu)因素分析

路面結(jié)構(gòu)組合和路面排水設(shè)計合理時,路面排水通暢,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部基本無積水或不至于產(chǎn)生動水壓力,有利于瀝青混合料的水穩(wěn)定性,反之則不利于瀝青混合料的水穩(wěn)定性。

(一)路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計

1.材料——瀝青混合料類型。瀝青混合料為全開式結(jié)構(gòu)或密實式結(jié)構(gòu)時,路面不易發(fā)生水損壞;瀝青混合料為半開式結(jié)構(gòu)時,路面易發(fā)生水損壞。隨著公稱最大粒徑的增大,滲水系數(shù)將增加,所以為了做到密水,減小公稱最大粒徑是有效的。

施工失敗時以上關(guān)于瀝青混合料類型對路面水損壞的影響的分析不適用。瀝青路面密實度小,則孔隙率大,路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部積水,在車輛荷載作用下易產(chǎn)生動水壓力。

2.結(jié)構(gòu)組合。路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計包括給路面不同層位選擇恰當(dāng)?shù)牟牧项愋?保證路面結(jié)構(gòu)的整體承載力和水穩(wěn)定性。這包括選擇密實而具有良好骨架結(jié)構(gòu)的瀝青混合料,使得路面不至于發(fā)生表面型水損壞;選擇良好的透層和粘層材料,使得路面整體強度足夠,不至于發(fā)生內(nèi)部型水損壞;處理好接縫,避免縫邊級配離析和壓實不足。

例如,近年來廣泛采用的三層式瀝青路面結(jié)構(gòu)中,上面層普遍設(shè)計為AK類瀝青混合料,是一種半開式結(jié)構(gòu),再加上施工離析等原因,路面水損壞嚴重,在排水不暢的橋面情況更嚴重;下面層普遍設(shè)計為AC-25I型,而實際使用效果該層由于施工離析嚴重,導(dǎo)致透水嚴重,大量發(fā)生內(nèi)部型水損壞,使得路面疲勞耐久性差,有時甚至中面層AC-20I型瀝青混合料也存在相同的問題。湖北省和廣東省就提出將下面層設(shè)計為AC-20I型瀝青混合料,這一建議顯然具有進步性。但是,由于加工更小粒徑的碎石工藝流程更繁雜、產(chǎn)量更低和單價較高等原因,這一建議一直沒有得到采納。

對于瀝青面層的厚度與公稱最大粒徑的關(guān)系一定要引起注意,必須保證厚度不小于公稱最大粒徑的3倍,對SMA要求甚至更高。然而,國內(nèi)一些高速公路建設(shè)忽視了這個問題,例如有些公路由于造價的原因減薄了路面結(jié)構(gòu)厚度,卻沒有相應(yīng)調(diào)整瀝青混合料類型,導(dǎo)致兩者不相匹配。厚度與公稱最大粒徑不相匹配一般是厚度偏薄,其后果是級配離析嚴重,表面缺粒嚴重,導(dǎo)致壓實離析,路面滲水。相反的例子是,施工單位私自調(diào)整級配,名義是按設(shè)計混合料類型施工,實際調(diào)細級配甚至將公稱最大粒徑減小一個篩孔,使得上述不良現(xiàn)象大大減輕甚至基本消失。

由于國內(nèi)長期以來注重路面平整度等原因,路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的主流一直是半剛性基層瀝青路面,對于柔性基層結(jié)構(gòu)使用較少,在瀝青下面層和上基層之間采用碎石層作排水層的做法自然就難以實施。許多國家在水泥穩(wěn)定碎石集料上面設(shè)置級配碎石層作為過渡層,以減少路面的開裂和有利于排水,成為倒裝結(jié)構(gòu),如南非、法國和德國等。我們經(jīng)常說有些國家也使用半剛性基層,實際上是組合式基層瀝青路面。

過去較多地使用乳化瀝青類、稀釋瀝青類材料作為透層、粘層,但實際使用效果較差,不僅層間脫空,而且水容易滲透進入路面結(jié)構(gòu),或積存在上基層表面,造成瀝青路面唧漿等。稀釋瀝青類材料作為透層、粘層存在的問題是,我國工程建設(shè)往往工期十分緊張,特別是新建公路,有時存在作為稀釋劑的煤油還沒有揮發(fā)就攤鋪上一層混合料,影響了路面質(zhì)量。近年來較多地使用熱瀝青類材料作為透層、封層,層間結(jié)合加強的同時,路面結(jié)構(gòu)防水能力也得到加強。

近年來越來越注重施工縫的設(shè)置,這也是結(jié)構(gòu)方面的很好的考慮,例如,相鄰兩幅及上下層的橫向接縫均應(yīng)錯位1m以上,上面層應(yīng)采用垂直的平接縫。上、下層的縱縫應(yīng)錯開150mm(熱接縫)或300～400mm(冷接縫)以上。這些措施有利于防止集料離析上下重疊或左右緊鄰,防止形成聯(lián)通的透水面積。

(二)路面排水設(shè)計

路面排水設(shè)計與瀝青路面水損壞密切相關(guān),適當(dāng)?shù)穆访媾潘O(shè)計與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計組合可以極大地減緩路面水損壞。路面排水設(shè)計應(yīng)遵循幾個原則,使得路面降水盡快通過路表逕流排走,進入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水以盡量快的速度通過路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)排走。

1.中央分隔帶排水。在我國,中央分隔帶植樹防眩而不加封閉帶來的水損壞現(xiàn)象一直以來沒有得到改善,但近年來,一些公路特別是改擴建的公路開始將植樹以外的面積采用漿砌片石等措施進行封閉。遭受抱怨的還有反濾土工布被立柱打穿,造成中央分隔帶滲水,但可從設(shè)計上檢查立柱尺寸是否足以穿透土工布。

2.硬路肩排水。擋水式的路緣石使路面表面排水滯留在路面上成為水坑,也妨礙了具有一定透水能力的表面層的內(nèi)部積水從硬路肩排出。近年來較多采用了平放的路緣石,不至于使水滯留在路面上。

3.路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水。挖方路段的排水往往是薄弱環(huán)節(jié),尤其要注意邊溝的深度,不僅能排路表水,還應(yīng)能排結(jié)構(gòu)層的水,使路面內(nèi)部的水能排入邊溝。路基中有地下水或裂隙水冒出時,將使路基含水量過大,承載能力嚴重降低,所以挖方路段的縱向排水盲溝也是很重要的。在瀝青層下設(shè)置排水層,可以是級配碎石層,也可以是嵌擠良好的瀝青或水泥穩(wěn)定碎石(或貫入式結(jié)構(gòu)層),空隙率應(yīng)達到15%以上。但施工期間必須保證路面不被污染,以防止將空隙堵住。

(三)施工質(zhì)量和工藝

施工質(zhì)量和工藝的可靠、合理是一切設(shè)計得到體現(xiàn)的保證,是工程建設(shè)的生命。沒有施工質(zhì)量和合理的工藝作保障,任何完美的設(shè)計都只是一紙空文。

以上路面材料、結(jié)構(gòu)組合和路面排水系統(tǒng)等幾個影響因素都對瀝青路面水損壞存在影響,相互之間一方面普遍存在聯(lián)系,另一方面又存在相對獨立性。它們是通過瀝青與集料在靜、動水壓力作用下的持續(xù)粘附能力這一內(nèi)部影響因素而相互聯(lián)系的,故屬于內(nèi)部聯(lián)系、本質(zhì)聯(lián)系。

四、瀝青路面水損壞的室內(nèi)試驗研究方法簡介

一般而言,瀝青路面水損壞研究以瀝青路面在車輛荷載和路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部水的雙重作用下的損壞為研究對象。沒有車輛荷載的作用,動水壓力無從產(chǎn)生;沒有路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部水的存在,即使有車輛荷載,也不會產(chǎn)生動水壓力,故車輛荷載和動水壓力對瀝青路面的水損壞研究缺一不可。

目前,有關(guān)水對瀝青混合料性能影響的研究大部分集中在分析瀝青混合料的水敏感性和抗水損壞材料的開發(fā)上,而有關(guān)水的作用對瀝青混合料長期性能的影響,以及路面在此條件下的疲勞壽命衰減等方面的研究工作進行得較少。

常規(guī)的描述水對瀝青混合料性能影響的試驗方法大致可分為兩類:

一類是將未經(jīng)壓實的松散瀝青混合料浸于水中一段時間后,主觀評價或利用試驗儀器檢查集料裹覆瀝青膜的剝蝕程度,并據(jù)此作為判定瀝青混合料水穩(wěn)定性的依據(jù)。這類方法以水煮法、浸水法和光電分光度法為代表,美國SHRP研究內(nèi)容中還發(fā)展了一種攪動水凈吸附法。目前有研究改變這類試驗的試驗參數(shù)如試驗溫度、試驗時間等進行試驗,取得了初步效果。

另一類評價方法是將瀝青混合料試件或芯樣置于一定的水浸蝕環(huán)境條件下,以某些物理力學(xué)指標的衰減程度來表征混合料的水穩(wěn)定性。這類方法有馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、洛特曼試驗、改進的洛特曼試驗以及浸水輪輒試驗等。

也有過一些研究從一定角度模擬了水對瀝青混合料的動態(tài)作用,如Jimenez在亞利桑那大學(xué)提出重復(fù)孔隙水壓力的作用。為了能夠模擬孔隙水壓力,將試件浸入水中,同時施加一個能夠產(chǎn)生35～217kPa的孔隙水壓力的循環(huán)應(yīng)力作用。Jimenez認為這個水壓力范圍與飽和狀態(tài)瀝青路面在車輛荷載作用下產(chǎn)生的孔隙水壓力范圍是相吻合的。

工欲善其事,必先利其器。恰當(dāng)?shù)脑囼灧椒ㄊ峭ㄏ蜓芯砍晒Φ牡谝徊?也是關(guān)鍵的一步。在目前瀝青路面水損壞普遍嚴重存在的情況下,研究有效評價瀝青混合料或瀝青路面水穩(wěn)定性的室內(nèi)試驗方法,是十分有必要的,也是十分緊迫的。

五、瀝青路面水損壞的現(xiàn)場試驗研究方法

為了使瀝青混合料水穩(wěn)定性研究符合實際、接近實際,光憑室內(nèi)試驗分析是不夠的,有必要在實體工程中開展現(xiàn)場試驗研究。然而到目前為止,國內(nèi)外還沒有完整地提出過進行瀝青路面水損壞現(xiàn)場試驗研究的思想,已有的研究還只限于在路況調(diào)查階段對瀝青路面水損壞進行分類、歸納、統(tǒng)計和分析查明原因。瀝青路面水損壞現(xiàn)場試驗研究方法的提出,無疑將成為本課題研究的一個創(chuàng)新點。

1.比較研究不同結(jié)構(gòu)組合瀝青路面的水穩(wěn)定性,如半剛性基層與瀝青穩(wěn)定基層瀝青路面,又如表面層設(shè)計為AK-13A、SAC-13的和SMA-13A的進行比較,中、下面層設(shè)計為AC類結(jié)構(gòu)的和FAC類的結(jié)構(gòu)進行比較,層間結(jié)合采用乳化瀝青的和采用熱瀝青的進行比較,下封層采用應(yīng)力吸收層的與采用熱瀝青上撒布瓜米石的進行比較。比較的具體方法可以采用現(xiàn)場病害調(diào)查(反映表面水損壞情況),也可以采用路表彎沉檢測分析(反映內(nèi)部水損壞情況),既能調(diào)查得到需要的數(shù)據(jù),又不對路面造成破壞。

2.利用TBR儀等無損檢測手段檢測路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部實際含水情況,比較不同路面結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部排水設(shè)計的瀝青路面的水穩(wěn)定性,例如對是否設(shè)置排水墊層的路面進行對比,對是否封閉中央分隔帶除植樹以外部分的路面進行對比,對是否設(shè)置硬路肩路緣石的路面水穩(wěn)定性進行對比。

3.利用動水壓力測試系統(tǒng),對車輪荷載作用下動水壓力進行測試,為路面結(jié)構(gòu)受力分析提供更多參數(shù)。

4.利用公路改擴建的機會,進行開挖試驗,檢驗不同路面結(jié)構(gòu)組合、不同路面排水設(shè)計情況時的瀝青路面水穩(wěn)定性。

六、結(jié)語

瀝青路面水損壞涉及設(shè)計、施工和養(yǎng)護等眾多環(huán)節(jié),而路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響尤其重要。針對瀝青路面水損壞的現(xiàn)狀,顯然應(yīng)該從設(shè)計的角度下更多的功夫,例如現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范主要從力學(xué)的角度考慮瀝青路面結(jié)構(gòu)承載能力,對水損壞的考慮就有很大的欠缺,沒有針對路面使用性能進行設(shè)計。要想在短時間內(nèi)解決路面設(shè)計方法體系顯然是有不小困難的,然而,從材料的角度對瀝青路面水損壞的室內(nèi)、外試驗研究也還很不夠,特別是沒有從理論上很好地解決瀝青混合料水穩(wěn)定性的原理,這也是瀝青混合料水穩(wěn)定性設(shè)計和檢驗的難題所在。

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作者簡介:羅英(1975-),女,青海油田建筑安裝公司工程師。