瀝青路面水穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀

張景君 潘寶峰 時(shí)紅玉

(大連理工大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，遼寧大連 116023)

0 引言

瀝青路面因其施工方便快捷、舒適度高等優(yōu)點(diǎn)在我國(guó)各等級(jí)公路中應(yīng)用廣泛，但伴隨著速度的提高、交通量的增加和超載現(xiàn)象等因素，瀝青路面早期破壞現(xiàn)象日益突出，瀝青路面使用壽命逐年降低。國(guó)內(nèi)許多高等級(jí)公路通車一至兩年其瀝青面層就出現(xiàn)了麻面、松散、掉粒等破壞現(xiàn)象，隨時(shí)間增長(zhǎng)發(fā)展成為網(wǎng)裂、坑洞等嚴(yán)重破壞類型，道路結(jié)構(gòu)基層也破壞嚴(yán)重。這些破壞現(xiàn)象的出現(xiàn)嚴(yán)重影響了瀝青路面的使用性能，阻礙了瀝青路面應(yīng)用技術(shù)的推廣，給我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民的生活帶來了極壞的影響。面對(duì)瀝青路面的早期破壞，世界各國(guó)道路科研工作者紛紛進(jìn)行了大量的調(diào)查研究，研究結(jié)果表明這些病害的出現(xiàn)都與水有關(guān)，即道路發(fā)生了水損害［1-6］。所謂瀝青路面的水損害，是指在一定孔隙率的條件下，當(dāng)水進(jìn)入到瀝青路面結(jié)構(gòu)中且不易排出時(shí)，經(jīng)過汽車車輪動(dòng)態(tài)荷載和溫度脹縮的反復(fù)作用，路面內(nèi)部產(chǎn)生動(dòng)水壓力，在動(dòng)水壓力作用下，水分侵入到瀝青與集料的界面上，沖刷瀝青與集料使瀝青膜從瀝青表面剝離，導(dǎo)致集料之間的粘結(jié)力喪失，最后引起路面結(jié)構(gòu)破壞的損傷過程［7］。瀝青路面水損害是一個(gè)緩慢的過程，這種損壞往往最早產(chǎn)生于下面層甚至基層，然后逐漸反射到上面層，導(dǎo)致瀝青路面被破壞，破壞形式主要有網(wǎng)裂、唧漿、掉粒、松散及坑槽等。最為嚴(yán)重的是水降低瀝青與集料間粘結(jié)力，導(dǎo)致集料與瀝青分離，使原本完整的具有較高強(qiáng)度的路面結(jié)構(gòu)變?yōu)橐粚铀缮⒌募?，最終導(dǎo)致道路路用性能完全喪失。因此，深入研究瀝青路面水損害的產(chǎn)生機(jī)理、影響因素、評(píng)價(jià)方法，增加瀝青混合料的抗水損害能力，提高瀝青路面的水穩(wěn)定性，對(duì)于改善路面質(zhì)量、延長(zhǎng)路面的使用壽命、降低道路的養(yǎng)護(hù)維修成本、提高道路服務(wù)水平具有巨大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 瀝青混合料水損害機(jī)理

綜合國(guó)內(nèi)外研究，瀝青混合料水損害機(jī)理主要可概括為三種，即靜水作用機(jī)理、動(dòng)水壓力作用機(jī)理和粘附—?jiǎng)冸x機(jī)理。

靜水作用機(jī)理主要是從靜水與瀝青膜之間的物理化學(xué)作用分析瀝青膜的剝落機(jī)理。首先，水進(jìn)入瀝青中降低瀝青的粘附性，導(dǎo)致瀝青混合料的強(qiáng)度和勁度變小，漸漸的水滲入到瀝青薄膜和集料之間，阻斷瀝青和集料的相互粘結(jié)作用，同時(shí)，由于集料表面對(duì)水的吸附力比瀝青強(qiáng)，使得瀝青與集料表面的接觸面逐漸減少，最終導(dǎo)致瀝青從集料表面剝落，集料間粘結(jié)力喪失。

動(dòng)水壓力作用機(jī)理主要從動(dòng)水壓力(包括動(dòng)孔隙水壓力與沖刷力)在水損壞過程中的驅(qū)動(dòng)作用分析。水的驅(qū)動(dòng)作用主要表現(xiàn)為兩個(gè)方面:一個(gè)是動(dòng)水壓力的沖刷導(dǎo)致瀝青膜軟化和剝落;一個(gè)是動(dòng)水壓力的劈裂作用加快了原有裂縫和薄弱接觸面的擴(kuò)展和貫通。粘附—?jiǎng)冸x機(jī)理主要依據(jù)是粘附理論，粘附是指一種物體與另一種物體粘結(jié)時(shí)的物理作用。影響瀝青與集料之間粘附力的因素主要包括瀝青與集料的界面張力、瀝青與集料的化學(xué)組成、瀝青的粘性，集料的表面構(gòu)造、孔隙率、清潔度和干濕程度以及瀝青與集料的拌和溫度等。瀝青與集料的粘附性可以用四種理論解釋，即力學(xué)理論、化學(xué)反應(yīng)理論、表面能理論［8］和極性理論。由于影響瀝青與集料粘附性的因素很多，造成粘附剝落機(jī)理亦十分復(fù)雜，各種理論都未能完全概括說明其作用機(jī)理。對(duì)于改善瀝青與集料的粘附性，主要是添加抗剝落劑，例如水泥石灰以及其他化學(xué)試劑［9］，但各種抗剝落劑的效果不盡相同，其長(zhǎng)期性能有待進(jìn)一步研究。

2 瀝青混合料水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

自20世紀(jì)60年代以來，世界各國(guó)研究人員通過對(duì)瀝青路面水損害大量的調(diào)查研究，提出了許多試驗(yàn)方法來評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，這些試驗(yàn)方法大致可分兩個(gè)研究方向:一個(gè)研究方向是研究瀝青混合料中粗集料，主要手段是對(duì)松散的瀝青混合料進(jìn)行定性試驗(yàn)，依靠視覺觀察或儀器檢測(cè)等手段，針對(duì)粗集料與瀝青的相互作用，將裹覆在集料表面瀝青膜的損傷程度作為評(píng)價(jià)瀝青和集料粘附性與瀝青混合料水穩(wěn)定性的依據(jù)，主要方法有示蹤鹽法、水煮法、靜態(tài)浸水法等，但這類試驗(yàn)忽略了細(xì)集料與填充材料的相互作用，其評(píng)價(jià)指標(biāo)不能很好反映混合料的整體性能;另一個(gè)方向是以瀝青混合料試件為研究對(duì)象進(jìn)行定量試驗(yàn)，主要手段是將實(shí)驗(yàn)室制備的標(biāo)準(zhǔn)試件浸水，然后通過試驗(yàn)測(cè)定試件的某些力學(xué)指標(biāo)，如馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強(qiáng)度、徑向回彈模量等，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析處理后，根據(jù)其力學(xué)衰減規(guī)律來評(píng)價(jià)瀝青混合料的水穩(wěn)定性，主要方法有浸水馬歇爾試驗(yàn)、浸水劈裂試驗(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，這些方法主要通過水循環(huán)或凍融循環(huán)方式來實(shí)現(xiàn)水損害過程中動(dòng)水壓力的沖刷作用，不能模擬實(shí)際道路結(jié)構(gòu)水損害過程中荷載和動(dòng)水壓力共同作用下道路材料的受力環(huán)境。

為了能充分模擬水損害過程中道路材料的受力環(huán)境，客觀反映道路材料在荷載和水共同作用下的力學(xué)損傷狀況，研發(fā)了一種利用可調(diào)頻調(diào)壓動(dòng)水壓力發(fā)生器與三軸試驗(yàn)儀結(jié)合評(píng)價(jià)瀝青混合料水穩(wěn)定性的新方法。具體實(shí)施方案是將成型試件置于三軸試驗(yàn)儀壓力室中，施加軸向應(yīng)力和圍壓，利用動(dòng)水壓力發(fā)生器能產(chǎn)生可變壓強(qiáng)、頻率的動(dòng)水壓力對(duì)壓力室內(nèi)試件進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，并對(duì)沖刷后試件進(jìn)行三軸或單軸試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析研究道路材料的力學(xué)性能衰減規(guī)律［10］。

3 提高瀝青路面水穩(wěn)定性方式

要提高瀝青路面抗水損害能力，提高瀝青路面水穩(wěn)定性，必須從引起水損害的成因出發(fā)，水損害的成因可概括為內(nèi)因和外因兩個(gè)方面。內(nèi)因可主要基于粘附理論進(jìn)行研究，防治措施主要是增加瀝青與集料的粘結(jié)力;水損害的外因主要是降水量、交通流量、超限超載等，大量試驗(yàn)研究表明，路面的孔隙率小于7%時(shí)，路面不透水，不產(chǎn)生動(dòng)水壓力，當(dāng)瀝青路面的孔隙率大于15%時(shí)，水能在瀝青混合料中自由流動(dòng)，易透水，也不產(chǎn)生動(dòng)水壓力，防治措施主要是防治路面滲水和完善路面排水。因此，瀝青路面水損害主要有如下幾個(gè)防治措施:

1)通過加抗剝落劑等增加瀝青與集料間的粘結(jié)力。

2)提高壓實(shí)度，減小孔隙率，防止路面滲水。

3)設(shè)計(jì)大孔隙率道路，完善路面排水系統(tǒng)，及時(shí)排出道路中的水分。

4)加強(qiáng)路面養(yǎng)護(hù)。

4 結(jié)語

伴隨著超速超載等現(xiàn)象的出現(xiàn)，瀝青路面的水損害問題越來越突出，是造成國(guó)內(nèi)外許多高等級(jí)公路破壞的主要原因，嚴(yán)重影響了道路的使用壽命和服務(wù)水平，同時(shí)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。導(dǎo)致瀝青路面水損害的原因復(fù)雜，影響因素繁多。因此為了避免或減輕瀝青路面的水損害，應(yīng)認(rèn)真找出其確切原因，因地制宜地采取措施，解決水損害問題。

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［10］潘寶峰.動(dòng)水壓力作用下路面材料損傷的評(píng)價(jià)方法研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2010.