瀝青路面水損害評(píng)價(jià)方法綜述

彭永恒，潘寶峰

(1.大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，遼寧大連116605;2.大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院，遼寧大連116023)

隨著高等級(jí)公路的建設(shè)與發(fā)展，半剛性基層瀝青路面得到了廣泛的應(yīng)用，但同時(shí)這種路面結(jié)構(gòu)的耐久性和早期損害問(wèn)題也日益突出，許多高等級(jí)公路通車1—2年，路面就產(chǎn)生了剝落、泛油、內(nèi)部松散、泛漿、沉陷、坑洞、車轍和龜裂等新型早期損壞現(xiàn)象，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部(包括瀝青面層及半剛性材料基層)剝蝕嚴(yán)重，這些都大大降低了瀝青路面的使用性能，縮短了使用壽命，同時(shí)也帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)對(duì)路面破壞現(xiàn)象的廣泛調(diào)查和統(tǒng)計(jì)以及大量研究表明，在各種類型的瀝青路面早期破壞現(xiàn)象中，水損壞是最主要、危害最大的損壞類型。瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象大多與水有關(guān)。水的存在直接或者間接地影響了路面的使用性能，降低了路面的使用壽命［1-2］。國(guó)內(nèi)外研究者普遍認(rèn)為，在輪載作用下，瀝青路面內(nèi)部的孔隙水壓力是瀝青路面水損害的主要肇因之一［3-5］。

1964年，美國(guó)AASHTO試驗(yàn)路研究表明，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)存在自由水時(shí)，每一次重復(fù)軸載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損壞比路面相對(duì)干燥時(shí)要高出40倍以上。為此，加強(qiáng)瀝青路面水損害問(wèn)題的研究(作用機(jī)理)具有很大的現(xiàn)實(shí)意義與工程實(shí)用價(jià)值。

1 瀝青路面水損害的形成機(jī)理

由于瀝青混凝土路面是層狀結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合處容易出現(xiàn)空隙，一旦排水不暢則形成滯水區(qū)，在行車荷載作用下將產(chǎn)生高孔隙水壓和高速水流，進(jìn)而致使瀝青與集料過(guò)早剝離而誘發(fā)水損害。其后，水損害由瀝青混凝土面層底部逐漸向上擴(kuò)展，最終導(dǎo)致整個(gè)瀝青混凝土面層的破壞。

研究者們已經(jīng)普遍認(rèn)同路面內(nèi)部的孔隙水壓力是瀝青路面損壞的主要誘因之一，并且形成了共識(shí):在有水的情況下，行車荷載的重復(fù)作用使得瀝青路面內(nèi)部產(chǎn)生高孔隙水壓力，致使瀝青與集料剝離，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青路面的松散、泛油等一系列病害。

2 國(guó)外研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)60年代開(kāi)始，世界各國(guó)就非常重視瀝青路面水損害問(wèn)題的研究。包括水損害的形成機(jī)理、影響因素、評(píng)價(jià)水損害的試驗(yàn)方法、水損害的控制和防治等各個(gè)方面，并發(fā)表了許多研究論文及報(bào)告。但由于瀝青路面水損害所涉及的因素非常復(fù)雜，至今在瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)方法上還沒(méi)有得到令人非常滿意的答案，因此還在不斷地研究之中。

評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性或水敏感性的試驗(yàn)方法很多，在國(guó)外，一般有以下兩類:以未經(jīng)壓實(shí)的松散瀝青混合料為研究對(duì)象進(jìn)行定性的試驗(yàn);以瀝青混合料試件或芯樣為研究對(duì)象進(jìn)行定量的試驗(yàn)。前者主要針對(duì)粗集料與瀝青的相互作用，用視覺(jué)觀察或儀器檢查來(lái)主觀評(píng)價(jià)裹覆在集料表面瀝青膜的剝蝕程度，并據(jù)此作為判定瀝青和集料粘附性及混合料水穩(wěn)定性的依據(jù)，如水煮法、靜態(tài)浸水法等。后者是通過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)試件浸水條件下的某些物理力學(xué)指標(biāo)，如馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度、徑向回彈模量等的衰變程度來(lái)表征瀝青混合料的水穩(wěn)定性，這類方法主要包括浸水馬歇爾試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)、浸水抗壓試驗(yàn)、德克薩斯承臺(tái)凍融試驗(yàn)、洛特曼試驗(yàn)、改進(jìn)的洛特曼試驗(yàn)、Tunnicliff＆Root試驗(yàn)、浸水車轍試驗(yàn)等。但到目前為止，還沒(méi)有一種試驗(yàn)方法可以充分模擬瀝青路面的實(shí)際使用條件(環(huán)境)而得到廣泛的認(rèn)可，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)是有區(qū)別的。為此，美國(guó)SHRP開(kāi)發(fā)了ECS(Environmental Conditioning System)，其目的就是為了更好的模擬工程現(xiàn)場(chǎng)，以縮小實(shí)驗(yàn)室與現(xiàn)場(chǎng)之間的差距，從而有效地評(píng)價(jià)混合料的水敏感性［6］。

3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

相對(duì)而言，雖然國(guó)內(nèi)在水損害方面的研究起步較晚，但無(wú)論是在對(duì)瀝青路面水損害的機(jī)理認(rèn)識(shí)，還是在瀝青路面水損壞的各種評(píng)價(jià)方法等方面，都有了較快發(fā)展。

“八五”期間，針對(duì)國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的多種試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法，根據(jù)我國(guó)的技術(shù)水平和習(xí)慣，國(guó)家科技攻關(guān)專題選擇了浸水馬歇爾試驗(yàn)、真空飽水馬歇爾試驗(yàn)、浸水劈裂試驗(yàn)、真空飽水劈裂試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)(試件雙面擊實(shí)各75次)、凍融劈裂試驗(yàn)(試件雙面擊實(shí)各50次)、浸水車轍試驗(yàn)等7種試驗(yàn)方法對(duì)不同的瀝青與集料的組合做了大量的試驗(yàn)，進(jìn)行了充分的對(duì)比分析。選取了試驗(yàn)方法簡(jiǎn)單、數(shù)據(jù)穩(wěn)定的浸水馬歇爾及雙面擊實(shí)50次的凍融劈裂試驗(yàn)作為水穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法并制定了指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)地分析了凍融劈裂試驗(yàn)的使用條件。指出:凍融劈裂試驗(yàn)條件是將實(shí)際路面上受到的水的影響集中、強(qiáng)化，使在較短的時(shí)間內(nèi)能夠模擬路面較長(zhǎng)時(shí)間的影響，它可以直觀地反映寒冷地區(qū)瀝青路面的實(shí)際工作環(huán)境，但并不僅僅適用于北方寒冷地區(qū)，更適合于南方多雨潮濕地區(qū)，是地地道道的水穩(wěn)定性試驗(yàn)方法;采用真空飽水、凍融和高溫水浴三個(gè)過(guò)程僅僅是把水損害的過(guò)程強(qiáng)烈化了，并不是南方?jīng)]有冰凍該方法就不適合。

鑒于目前國(guó)內(nèi)有關(guān)瀝青路面水損害的評(píng)價(jià)方法的多樣性，本文從材料的設(shè)計(jì)參數(shù)、外加劑以及理論與試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法等方面進(jìn)行介紹，最后給出各種方法比較的結(jié)果。

3.1 試驗(yàn)研究方法

1993年，重慶公路研究所的賈渝介紹了美國(guó)常用的幾種瀝青混合料水損害試驗(yàn)方法，并指出各個(gè)試驗(yàn)方法的適用范圍以及與瀝青混合料的實(shí)際使用性能的關(guān)聯(lián)程度。1998年，沈金安介紹了“瀝青抗剝落劑性能評(píng)價(jià)方法”及“熱拌瀝青混合料的加速老化試驗(yàn)”，提出了瀝青路面水損害病害的預(yù)防對(duì)策。1999年，賈渝和張全庚根據(jù)“滬寧路瀝青和瀝青混合料路用性能研究”課題的研究成果，論述了瀝青路面水損害的原因，指出了我國(guó)瀝青路面規(guī)范的不足，并介紹了Superpave水敏感性指標(biāo)——AASHTO T283“壓實(shí)瀝青混合料水損害試驗(yàn)方法”的試驗(yàn)與結(jié)果。

3.1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

包秀寧［7］等為了研究空隙結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青路面水損害的影響，設(shè)計(jì)了兩種方案來(lái)制備空隙結(jié)構(gòu)不同的混合料，并對(duì)不同空隙結(jié)構(gòu)的混合料進(jìn)行抗水損害對(duì)比分析，揭示了空隙結(jié)構(gòu)對(duì)混合料抗水損害的作用及不同空隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。

葉奮［8］等通過(guò)瀝青路面結(jié)構(gòu)受水浸泡的時(shí)間長(zhǎng)短和路面結(jié)構(gòu)的排水性能，以及受水浸泡后路面材料抗壓回彈模量下降的變化規(guī)律和層間接觸條件變化分析，提出了瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新思路和新方法。

3.1.2 用外加劑材料提高抗水損害能力

王抒音和周純秀［9］針對(duì)酸性集料與瀝青粘附性差、混合料水敏感性大的難題，根據(jù)配位鍵理論采用含鉻外加劑處理酸性集料，顯著提高了瀝青與酸性集料的粘附性，并用強(qiáng)化的凍融劈裂試驗(yàn)檢驗(yàn)了瀝青混合料的抗水損害能力。對(duì)比試驗(yàn)說(shuō)明，經(jīng)過(guò)含鉻外加劑處理后的酸性集料混合料劈裂強(qiáng)度比提高顯著，長(zhǎng)期抗水損害性能也較好。

王旭東和戴為民［10］研究了利用水泥、消石灰代替部分或全部礦粉后對(duì)瀝青混合料性能的影響。通過(guò)試驗(yàn)表明，摻加水泥或消石灰后瀝青混合料的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性都有明顯的改善，同時(shí)對(duì)混合料的低溫性質(zhì)影響不大。

朱建平［11］采用殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度兩種試驗(yàn)方法，從不同角度對(duì)添加石灰的瀝青混合料在浸水條件下的物理力學(xué)性能進(jìn)行了分析，評(píng)價(jià)了混合料在抗水損害方面的路面使用性能。

呂偉民和錢(qián)偉［12］研制了一種新型的瀝青混合料抗剝落劑，并進(jìn)行了性能評(píng)價(jià)以預(yù)防瀝青路面的水損害，取得了較好的效果。

3.1.3 試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法

許濤和黃曉明［13］通過(guò)比較國(guó)內(nèi)常用的浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)及AASHTO T283試驗(yàn)的結(jié)果，以條件與非條件的穩(wěn)定度或劈裂抗拉強(qiáng)度的比值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了上述3種試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)和使用條件，并研究了它們的內(nèi)在區(qū)別、聯(lián)系及影響它們有效性的關(guān)鍵因素。

王抒音［14］等針對(duì)目前用凍融劈裂試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料抗水損害能力的局限性問(wèn)題，在研究了空隙率和飽水率對(duì)凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果影響的基礎(chǔ)上，增加凍融循環(huán)次數(shù)，以凍融循環(huán)劈裂比評(píng)價(jià)瀝青混合料抗水損害能力，認(rèn)為該試驗(yàn)可較客觀地評(píng)價(jià)瀝青混合料的耐久性。

包秀寧等［15］詳細(xì)研究了國(guó)內(nèi)外瀝青混凝土水損害試驗(yàn)的不同方法和原理，提出各試驗(yàn)方法所反映出的水損害的主要影響因素及各試驗(yàn)方法存在的問(wèn)題，為路面工程建設(shè)提供了有效的、能避免或減少瀝青路面水損害的分析。

丁立［16］等在區(qū)分瀝青混合料水敏感性和水穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，分析研究了采用沖刷凍融試驗(yàn)環(huán)境模擬實(shí)際瀝青路面水損害過(guò)程，并提出新的指標(biāo)——剩余劈裂強(qiáng)度，結(jié)合劈裂強(qiáng)度建立起雙指標(biāo)的瀝青混合料抗水損害性能評(píng)價(jià)方法。

從以上分析可以看出:各種水穩(wěn)定性試驗(yàn)的評(píng)價(jià)方法無(wú)非是幾個(gè)條件的的差異，即試件的成型方法、試件的空隙率控制、試驗(yàn)條件及試驗(yàn)指標(biāo)的不同，但都沒(méi)有涉及動(dòng)水壓力的作用。

3.1.4 專用儀器評(píng)價(jià)

潘寶峰［17］研制開(kāi)發(fā)了評(píng)價(jià)路面材料抵抗動(dòng)水壓力破壞能力的試驗(yàn)儀器——高頻高壓動(dòng)水壓力發(fā)生器。該儀器可產(chǎn)生最大峰值1MPa的正弦波形循環(huán)動(dòng)水壓力，頻率為0～25Hz。與三軸試驗(yàn)設(shè)備配合使用，可用來(lái)分析瀝青混合料在循環(huán)動(dòng)孔隙水壓力沖刷作用下的力學(xué)性能，為進(jìn)一步研究瀝青路面材料水損害產(chǎn)生的機(jī)理及防治措施提供了一種新的試驗(yàn)手段。

3.2 理論評(píng)價(jià)方法

2004-2005年，彭永恒［8-9］為研究水對(duì)瀝青路面的影響，利用積分變換和傳遞矩陣的方法推導(dǎo)了動(dòng)荷載作用下路基路面層狀彈性體以及粘彈性體超孔隙水壓力軸對(duì)稱問(wèn)題的解析解，引入F.durbin的方法實(shí)現(xiàn)Laplace逆變換的數(shù)值方法，對(duì)層狀彈性體及粘彈性體的超孔隙水壓力進(jìn)行了分析與研究。

2005年，羅志剛［20］針對(duì)瀝青路面水損害問(wèn)題，運(yùn)用軸對(duì)稱有限元方法分析了不同等級(jí)軸載作用下瀝青路面層間孔隙水壓力的變化規(guī)律，研究表明，孔隙水壓力將造成路面層間的嚴(yán)重沖蝕，導(dǎo)致瀝青與集料過(guò)早剝離而誘發(fā)水損害。

2006年，鐘陽(yáng)［21］提出了瀝青路面超孔隙水壓力計(jì)算的剛度矩陣法，研究表明，在路面的面層中以及面層與基層的接觸面附近，超孔隙水壓力出現(xiàn)最大值。

2007年，叢波日［22］提出動(dòng)載下瀝青路面超孔隙水壓力分析方法來(lái)評(píng)價(jià)瀝青路面水損害。同年，董澤蛟基于飽和多孔介質(zhì)理論通過(guò)軸對(duì)稱有限元的瞬態(tài)動(dòng)力分析，計(jì)算得到飽和瀝青路面內(nèi)部孔隙水壓力的時(shí)程變化;分析了不同滲透性、車速和荷載條件下的孔隙水壓力變化規(guī)律。結(jié)果表明，荷載的動(dòng)態(tài)作用導(dǎo)致瀝青路面內(nèi)部的孔隙水壓力具有波動(dòng)性質(zhì)，正負(fù)孔隙水壓力的循環(huán)作用是瀝青膜破壞的主要誘因，路面內(nèi)部存水時(shí)，高速、重載將加速瀝青路面性能衰減。

2008年李志剛［23］引入比奧滲流固結(jié)理論和滲流方程采用傳遞矩陣法，推導(dǎo)動(dòng)荷載作用下的層狀彈性體孔隙水壓力軸對(duì)稱問(wèn)題的解析解。同年，周長(zhǎng)虹［24］利用變溫粘彈性理論和Biot動(dòng)力固結(jié)理論，對(duì)飽水瀝青路面孔隙水壓力的空間和時(shí)間分布進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果表明，有效應(yīng)力及孔隙水壓力均與外荷載具有相似的波形，只是在不同空間位置出現(xiàn)不同的峰值大小和相位滯后。

2009年，董澤蛟［25］建立了飽水有限元計(jì)算模型，定量的分析了瀝青路面內(nèi)部孔隙水壓力的分布規(guī)律，然而以往的大量研究計(jì)算是基于假定一種流體邊界條件并按單一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行的分析。董澤蛟還提出，基于多孔介質(zhì)理論［26］對(duì)典型半剛性基層瀝青路面建立軸對(duì)稱有限元模型，計(jì)算分析了兩種不同流體邊界條件下孔隙水壓力分布規(guī)律。

2011年，任瑞波［27］基于多孔介質(zhì)理論，對(duì)于兩種典型路面結(jié)構(gòu)——半剛性瀝青路面、具有柔性基層的半剛性瀝青路面分別建立了軸對(duì)稱三維有限元模型，計(jì)算分析了動(dòng)態(tài)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)在兩種不同流體邊界條件下的的豎向應(yīng)力、豎向應(yīng)變和孔隙水壓力分布規(guī)律。結(jié)果表明，由于流體邊界條件的不同，瀝青面層內(nèi)孔隙水壓力的分布規(guī)律不同，有柔性基層的半剛性瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)具有較好的抗水損害性能，半剛性瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出較差的抗水損害性能。瀝青路面的材料剛度也是孔隙水壓力值的重要影響因素。

4 結(jié)語(yǔ)

考慮到瀝青路面水損害的現(xiàn)象與產(chǎn)生機(jī)理，預(yù)防瀝青路面水損害的出現(xiàn)應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)和材料，并通過(guò)設(shè)計(jì)和施工等方面采取相應(yīng)的措施來(lái)解決。

(1)綜合分析試驗(yàn)研究的各種方法，都是分別采用不同的方法(添加外加劑)、手段(評(píng)價(jià)指標(biāo))、設(shè)計(jì)參數(shù)或?qū)Ｓ脙x器來(lái)科學(xué)有效地評(píng)價(jià)瀝青混合料的路用性能，以提高瀝青路面的抗水損害能力。在今后的實(shí)際工程應(yīng)用中，如能針對(duì)實(shí)際的原材料性能，把上述幾種方法進(jìn)行合理的綜合利用，采用適合的外加劑，可行的設(shè)計(jì)參數(shù)，合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)，輔以專用有效的儀器來(lái)綜合設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)以及指導(dǎo)施工，將是今后的發(fā)展方向。

(2)在理論分析計(jì)算方面，各學(xué)者采用不同的理論、一定的假設(shè)條件下，通過(guò)有限元模擬和理論分析來(lái)計(jì)算瀝青路面的孔隙水壓力的大小及其分布規(guī)律，進(jìn)而評(píng)價(jià)其抗水損害的能力，但分析得出的不同基層類型的瀝青路面結(jié)構(gòu)與抗水損害性能的相關(guān)性，都具有一定的局限性。

(3)應(yīng)用高頻、高壓動(dòng)水壓力發(fā)生器對(duì)瀝青混合料進(jìn)行沖刷試驗(yàn)將開(kāi)辟瀝青路面水損害試驗(yàn)研究的新途徑。進(jìn)行單軸或三軸試驗(yàn)，研究瀝青混合料在循環(huán)動(dòng)水壓力作用下力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，可以評(píng)價(jià)材料的抗水損害的性能，并為考慮水損害的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇及材料設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，具有很好的應(yīng)用前景。

(4)瀝青路面的水損害一直是道路養(yǎng)護(hù)和維修人員十分關(guān)注的問(wèn)題，理論分析和試驗(yàn)研究方法很多，如何把理論研究的成果和試驗(yàn)研究的數(shù)據(jù)很好的匯總、結(jié)合起來(lái)，通過(guò)定性和定量分析研究，并在實(shí)際工程中得到驗(yàn)證，做到兩者的統(tǒng)一，將是今后需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題。

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