瀝青路面水損害研究綜述

吳陽

摘 要：在我國，尤其是南方多雨地區(qū)，瀝青路面水損病害嚴重危及行車安全性、舒適性與服役壽命。該文從瀝青—集料界面粘附性能與路面結(jié)構(gòu)水損害機理兩個方面對瀝青路面水損害機理研究進展進行了系統(tǒng)、深入的闡述，為瀝青路面水損處治方式的進一步研究提供基礎理論與參考?；跒r青—集料界面破壞理論與路面動水壓力計算結(jié)果，尋求瀝青路面水損害破壞薄弱環(huán)節(jié)，進行針對性的瀝青混合料材料組成設計，探索路面水損害處治有效措施，是后續(xù)瀝青路面水損害研究的關(guān)鍵所在。

關(guān)鍵詞：路面 瀝青混合料 水損害 粘附理論 多孔介質(zhì)

中圖分類號：U416.217 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0032-02

隨著我國高速路網(wǎng)的快速發(fā)展，瀝青路面技術(shù)已經(jīng)步入國際先進水平行列。然而，從瀝青路面運營服役情況來看，路面水損害問題日益突出，尤其在我國南方多雨地區(qū)。瀝青路面的水損病害是由于雨水滲透至瀝青內(nèi)部，不能快速排出，從而侵蝕至瀝青與集料界面，造成了瀝青混合料的剝落，從而演變成混合料松散、路面坑槽等病害，嚴重危及行車安全性、舒適性及服役壽命。

自20世紀60年代開始受到廣泛關(guān)注，美國公路合作研究計劃（NCHRP）、公路發(fā)展戰(zhàn)略研究計劃（SHRP）研究專家組以及加拿大運輸協(xié)會對瀝青路面水損害問題進行了大量專題研究，并形成了一定成果。近年來，國內(nèi)學者在瀝青路面水損害的形成機理、影響因素、試驗評價方法等方面也開展了相關(guān)研究，取得了階段性研究成果。該文從瀝青混凝土材料粘附性能與瀝青路面結(jié)構(gòu)水損害機理模型兩方面對已有研究成果進行闡述分析，以期為路面水損害的深入研究提供基礎與參考。

1 瀝青與集料粘附性能的研究

近年來部分國外學者基于表面能理論對瀝青-集料的粘附性進行了相關(guān)研究。美國德州A&M大學的Cheng、Lytton等人研究成果表明：瀝青-集料界面由于水分侵入而發(fā)生的粘結(jié)（Cohesive）與粘附（Adhesive）破壞，與瀝青和集料的表面自由能緊密相關(guān)，自由能可利用Wilhelmy吊片法準確測出，并且基于表面能理論的水損壞研究結(jié)果同混合料力學性能試驗結(jié)果具有良好的相關(guān)性。Lytton、Masad在文獻[1]研究基礎之上，借鑒土壤學和巖石力學的吸力試驗測試方法，對瀝青膠漿與混合料進行了吸力試驗，計算出混合料中的水分擴散系數(shù)。Alavi、Mogawer等學者利用瀝青粘結(jié)強度試驗，直接測得瀝青-集料界面粘結(jié)強度，并分析水分對溫拌瀝青混合料路用性能的影響。

國內(nèi)學者肖慶一基于表界面理論，推導出瀝青在礦料表面的粘附與水損壞模型，分析了瀝青與礦料的表面能參數(shù)對粘附、水損壞過程的影響，結(jié)果表明：瀝青與礦料品種的配伍對粘附功有較大影響，礦料的比表面積對粘結(jié)力有極大的影響。叢林基于表界面理論，推導出瀝青在礦料表面的黏附模型和水損壞模型。魏建明采用躺滴法測定了瀝青與液體的靜態(tài)接觸角，并確定了瀝青的表面自由能。閔召輝設計了適用于熱固性環(huán)氧瀝青與集料之間的剪切粘附試驗，得出環(huán)氧瀝青粘附剪切強度受石料酸堿性影響較小，而受溫度變化影響較大。

2 瀝青路面結(jié)構(gòu)水損害研究

國外研究學者Masad、Hunter、Al-Omari等對瀝青路面結(jié)構(gòu)的流體宏微觀流動模式進行了研究。其中，Masad通過二維SEEP/W有限元模型，把路面分成多個10 mm子層，將導水率值賦予每個子層，研究了孔隙度的垂直梯度對水分流動模式的影響，結(jié)果表明導水率在垂直方向上呈降低趨勢，且大部分流體流動發(fā)生在水平方向。Hunter通過有限差分模型在現(xiàn)場滲透性試驗導水率數(shù)值測試中得出流體垂直流動假設不準確的結(jié)論，并得出隨路面基層深度和現(xiàn)場滲透儀直徑的變化，導水率出現(xiàn)數(shù)量級的差別。Al-Omari通過半隱式方法壓力聯(lián)動方程對瀝青路面導水率進行了評價，評價結(jié)果與基于Kozeny-Carman方程數(shù)值模型的結(jié)果相一致。

在水損壞耦合模型方面，Khalili等將孔隙水與骨架間的相互作用作為耦合效應放入數(shù)學模型中，分析了靜載作用下的固體變形，模型求解空間上采用有限元法，時間上采用有限差分法進行離散。Kettil等利用流固耦合理論，建立了飽和水瀝青路面與無約束地基復合體的二維有限元分析模型，對比了瀝青面層模量高低對路面孔隙壓力的影響，并初步探討了三維模型構(gòu)建的可能性。Chen等分析了路面裂縫寬度和滲水系數(shù)對瀝青路面水損害的影響，并給出了兩者相應的控制閥值，為瀝青路面結(jié)構(gòu)水損害預防性養(yǎng)護提供了理論依據(jù)。在上述宏觀尺度研究成果基礎上，近兩年國外部分學者將目光轉(zhuǎn)向了在細觀尺度下研究動載-滲流耦合作用對水損壞的影響。美國德州A&M大學的Arambula和Masad等建立了瀝青混合料細觀模型，對水汽擴散運動的機理及影響因素進行了分析，并指出水分擴散系數(shù)對水損壞的產(chǎn)生緊密相關(guān)。Caro和Masad等引入內(nèi)聚力模型模擬集料與瀝青膠漿粘結(jié)界面，建立了瀝青混合料細觀有限元模型，模擬界面開裂過程。

國內(nèi)研究學者基于多孔介質(zhì)理論對動載與滲流耦合作用下路面結(jié)構(gòu)力學響應進行了一定研究。崔新壯將瀝青混合料看作多孔介質(zhì)，基于Biot固結(jié)方程，對飽水瀝青路面進行快速Lagrange有限差分分析，證實了水力反復泵吸作用是瀝青路面水損壞的主要因素，且孔隙動水壓力隨車速增大而增大。董澤蛟和譚憶秋基于飽和多孔介質(zhì)理論，通過軸對稱有限元瞬態(tài)動力分析，計算得到飽和瀝青路面內(nèi)部孔隙水壓力的時程變化，得出了不同滲透性、車速和荷載情況下的孔隙水壓力變化規(guī)律，指出正負孔隙水壓力的循環(huán)作用是瀝青膜破壞的主要誘因。潘寶峰研制開發(fā)了高頻高壓動水壓力發(fā)生器，配合三軸試驗儀，用于研究循環(huán)動孔隙水壓力下材料力學性能。吳國雄利用概率論與滲流模型，計算分析了瀝青混合料破壞的最近鄰、次近鄰和第三近鄰狀態(tài)下的滲流演變過程，運用重整化群方法求出滲流閥值作為瀝青路面開裂破壞的臨界條件，研究成果為瀝青路面水損壞研究提供了新思路。

3 結(jié)論

綜合上述研究資料，國內(nèi)外研究學者對于瀝青路面水損害研究的手段，主要從瀝青—集料界面破壞與路面結(jié)構(gòu)動水壓力兩個方面進行研究。前期研究所得出的粘附模型、界面水損害模型、滲流模型等成果，對于后續(xù)瀝青路面水損害的防治技術(shù)研究提供了基礎理論與參考。因此，基于瀝青-集料界面破壞理論與路面動水壓力計算結(jié)果，尋求瀝青路面水損害破壞薄弱環(huán)節(jié)，進行針對性的瀝青混合料材料組成設計，探索路面水損害處治有效措施，是后續(xù)瀝青路面水損害研究的關(guān)鍵所在。

參考文獻

[1] 肖慶一，薛航，徐金枝，等.基于表界面理論的瀝青路面水損害模型研究[J].武漢理工大學學報，2007，29（3）：71-73.

[2] 王倩，叢林.瀝青—集料表面能參數(shù)及其對水損害影響[J].上海公路，2011（4）：69-72.

[3] 魏建明，張玉貞，Youtcheff John.躺滴法表征瀝青的表面自由能[J].石油學報：石油加工，2009，25（2）：207-215.

[4] 閔召輝，張翔，詹炳根.環(huán)氧瀝青與石料的粘附性能研究[J].合肥工業(yè)大學學報：自然科學版，2005，28（11）：1452-1455.

[5] 崔新壯，金青.輪載作用下飽水瀝青路面的動力響應[J].山東大學學報：工學版，2008，38（5）：19-24.

[6] 董澤蛟，譚憶秋，曹麗萍.水-載荷耦合作用下瀝青路面孔隙水壓力研究[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2007，39（10）：1614-1617.

[7] 潘寶峰，邵龍?zhí)?，王哲?瀝青路面水損害研究新方法[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2009，33（2）：250-252.

[8] 吳國雄，丁王飛，張洋.瀝青混凝土路面開裂破壞的滲流模型分析[J].重慶交通大學學報，2009，28（6）：1016-1020.endprint