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業(yè)務范圍
淺析瀝青路面水損害原因及防治
發(fā)布時間：2014-08-09
摘 要 本文對瀝青路面水損害的形成原因進行了分析，指出瀝青路面水損害是來源于瀝青膜從集料表面的剝離，其條件是水分介入瀝青與集料界面上，改變了瀝青、集料與水分的關系。它的破壞機理是在水動力的作用下，瀝青膜逐漸從集料表面剝離，導致集料之間粘結力喪失。在此基礎上，提出三種防治途徑。最后，展望了未來瀝青路面的發(fā)展前景。 關鍵詞 水損害 剝離 SMA
近年來，許多高速公路建成不久，瀝青路面的早期破壞便時 有發(fā)生。這些損害主要表現(xiàn)在:路面混合料透水和蓄水的情況相當普遍，在不少地區(qū)的雨季或春融季節(jié)，路面唧漿、松散、坑槽 成為嚴重的破壞形式。因此有效的分析并制訂措施防治水損害，具有重要意義。
1 原因分析
瀝青路面是附著了瀝青的集料粘在一起的集合體。對瀝青路面來說，瀝青與集料的粘附性和抗剝離性能是保證路面性能最基本的條件之一。
所謂瀝青路面的水損害，是指瀝青路面在存在水分的條件 下，經(jīng)受交通荷載的反復作用，一方面水分逐步侵入到瀝青與集料的界面上，同時由于水動力的作用，瀝青膜漸漸從集料表面剝離，并導致集料之間的粘結力喪 失而使路面破壞。由于在瀝青路面的材料選擇上，一般選擇堅硬 的優(yōu)質(zhì)石料，采用較粗的粒徑，適當減少瀝青用量等措施，帶來了某些隱患，即瀝青路面的水穩(wěn)定性不足，在春融季節(jié)及雨季， 好端端的路面逐漸出現(xiàn)麻面、松散乃至坑槽。水損害已經(jīng)成為路 面破壞的一種主要模式。
瀝青路面水損害的機理和特征，可以從破壞的發(fā)展歷程上看出:
應該注意的是，水損害有可能是從瀝青面層的下面層開始 的。由于水分進入瀝青路面，滯留在基層上面，瀝青面層的下面層又往往是空隙率較大的瀝青碎石或Ⅱ型瀝青混合料，空隙中充 滿著水分，給瀝青路面水損害造成了潛在的威脅。所以在集料與瀝青膜剝離、發(fā)生松散后，瀝青混合料不再成一個整體，集料在荷載作用下對基層表面產(chǎn)生撞擊，基層的粉質(zhì)部分如水泥、石 灰、粉煤灰以及土質(zhì)部分便成為稀漿，通過路面的縫隙向上擠 出，在瀝青路面上可以看到白色的唧漿，面層可見局部的龜甲狀裂縫，這是瀝青路面水損害最明顯的標志。當瀝青路面上出現(xiàn)一 塊塊泛白色的網(wǎng)狀裂縫區(qū)的時候，下面層已經(jīng)成為瀝青膜完全 脫落的松散集料，坑槽已不可避免。
2 防治途徑
如上所述，瀝青路面的水損害是來源于瀝青膜從集料表面的 剝離，其條件是水分介入到瀝青與集料界面上，改變了瀝青、集料與水分的關系所造成的。那么，預防水損害的關鍵就是要通 過三個途徑來解決:①防止或減少水分進入瀝青混合料內(nèi)部，不致侵入到瀝青與集料的界面中去;②提高瀝青與集料的粘附性， 提高集料之間的粘結力;③防治路面開裂，水分下滲。
1、針對第一個途徑，瀝青混合料的級配是最主要的因素，尤其是減小空隙率。但是，這是有一定限度的。對普通的密級配瀝青混合料來說，粗集料基本上是懸浮在瀝青砂漿中的，空隙率小于檢限空隙率(一般為2%-4%)時，瀝青在夏季受熱膨脹時無適 當?shù)目障犊扇ィ闳菀咨细?泛油)，混合料產(chǎn)生推擁、車轍等流 動性變形。
現(xiàn)在的問題是瀝青混合料的空隙往往較大，提供了水分得以 在瀝青混合料內(nèi)部存在的地方。就我國目前大部分高速公路的瀝青路面而言，空隙率大的有兩個層次:1.首先是抗滑表層，為了抗滑對表面結構深度的需要，不得 不將空隙率增大到4%-8%，不管下多大雨，瀝青混合料內(nèi)部總是 被水浸泡著，這是現(xiàn)在抗滑表層級配的致命缺點。解決抗滑性能 要求與水穩(wěn)定性矛盾的一個方法是，采用瀝青瑪蹄脂碎石混合料 (SMA)結構，SMA是有瀝青瑪蹄脂充間斷級配的碎石骨架組成的 混合料。由于間斷級配的碎石骨架在表面形成大的空隙，構造深度大，有良好的抗滑性能。同時由于瀝青瑪蹄脂的充分填充，瀝 青混合料內(nèi)部的空隙率又很小(2%-4%)。SMA基本上不透水的 優(yōu)點，可使瀝青路面的水穩(wěn)定性得到很大的改善;同樣的問題還發(fā)生在底面層，現(xiàn)在普遍將下面層設計為空隙率較大的Ⅱ型瀝青 混合料，如AC-25或AC-30Ⅱ型是目前較多采用的結構。中面層 則多為Ⅰ型密級配瀝青混合料，盡管水分較難從上面層進入路面，但實際上總有少量滲入，有時路面有了裂縫，進水就不可避 免，更何況水分也會從基層上升進入瀝青混合料中。尤其是冬季 發(fā)生冰凍的過程中，水分通過毛細作用向上聚積，待到春融季節(jié)，融化的過量水分自然地滯留在底面層混合料的空隙中。Ⅱ型 瀝青混合料的孔隙水在長期的交通荷載作用下，動水壓力對瀝青膜與集料的粘附性是一個非常大的威脅。所以，實際上瀝青路面 的水損害破壞很多是從下面層破壞開始的。我們看到表面層出現(xiàn) 松散、坑槽，其實下面層早就已經(jīng)松散了。從路面表面有局部密集裂縫的地方開挖，經(jīng)常可以看見，底面層的瀝青混合料已經(jīng)是石料歸石料、瀝青歸瀝青，分得 清清楚楚了，這就是春融季節(jié)經(jīng)常出現(xiàn)大面積坑槽破壞的原因。
2、另一方面，隨著高速公路的建設，瀝青路面對集料的要求 越來越高，尤其是表面層集料的來源更是困難。在通常情況下， 石灰?guī)r等堿性石料與瀝青的粘附性很好，但耐磨性能很差，不能適應瀝青路面表面層抗滑又耐磨耗的需要。采用石灰?guī)r石料鋪筑 的瀝青瑪蹄脂碎石混合料(SMA)路面，所期望的石料之間的嵌擠能力不能很好地形成。所以，現(xiàn)行規(guī)范明確規(guī)定了對表層粗集料 的磨光值、壓碎值的要求;相反，花崗巖、砂巖、石英巖等酸性巖石，石質(zhì)堅硬、致密、耐磨性強，能充分發(fā)揮集料之間的嵌擠作 用。但它與瀝青的粘附性能卻不好，容易在水分的作用下造成瀝 青膜的剝落，很快導致瀝青路面的掉粒、松散、坑槽等水損害破壞。
《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTJ032)規(guī)定:“當用于高速公 路、一級公路的石料為酸性石料時，宜使用針入度較小的瀝青， 并采用下列抗剝離措施，使瀝青與礦料的粘附性符合本規(guī)范附錄表C、8的要求”。這些抗剝離措施是:
(1)用干燥的磨細消石灰粉或生石灰粉、水泥作為填料的一 部分，其用量宜為礦料總量的1%-2%。
(2)在瀝青中摻加抗剝落劑。
(3)將粗集料用石灰漿處理后使用。
應注意的是， 這里是將摻加消石灰粉、生石灰粉、水泥作為 第一條措施推薦的。其理由是這個措施的效果很好，價格也比較便宜，施工簡單，只用它代替一部分礦粉就可以了。
3、瀝青路面開裂滲水造成水損害
瀝青路面在使用期開裂是普遍存在的問題。在我國的高等級 公路半剛性基層瀝青面層上出現(xiàn)的開裂，是多種原因綜合作用的結果。因為這些裂縫主要發(fā)生在急劇降溫的過程中，首當其沖的瀝青面層要發(fā)生很大的溫度應力，它是造成開裂的一個直接 的、主要的原因。另一方面，如果瀝青路面建筑在柔性基層上， 或者下邊有級配碎石過渡層，僅靠瀝青面層的溫度應力還不一定達到開裂的程度。但如果下面是半剛性基層，則其本身也將產(chǎn)生 較大的收縮(干縮與冷縮的疊加)，它將使瀝青面層的收縮應力增 大，從而造成開裂。如果半剛性基層上原先已經(jīng)有了裂縫，瀝青 面層的溫度應力將在基層的裂縫部位造成很大的應力集中，半剛性基層的收縮應力與瀝青面層之間的傳遞在裂縫自由端中斷，從 而瀝青面層的溫度應力明顯增大，在裂縫部位或其附近首先開 裂。路面開裂后水分從裂縫中不斷進入，使基層甚至路基軟化，導致路面承載力下降，產(chǎn)生唧漿、臺階、網(wǎng)裂，加速路面破壞。
由于瀝青路面所在地區(qū)的氣候、路面結構、瀝青層的厚度及瀝青性質(zhì)、基層含水量及收縮性能、鋪筑時間及施工方法等各種因素千變?nèi)f化，究竟是以瀝青面層的溫度收縮為主，還是半剛性 基層收縮開裂反射為主，或者以路堤收縮為主，實際上是很難判 斷的，必須通過實際調(diào)查才能下結論。可以想象，在寒冷時節(jié)，由于大風降溫造成的突發(fā)性開裂、裂縫很快發(fā)展延伸甚至貫通時，由于基層、路基的降溫遲后較多，瀝青面層的溫縮裂縫將是主 要原因。
針對瀝青面層低溫收縮開裂問題，經(jīng)過國內(nèi)外眾多的調(diào)查與 研究，方法不少，但下面幾個方法較為適宜:首先是嚴格控制瀝 青用量。一般認為在最佳瀝青用量OAC的 ±0.5%范圍內(nèi)變動對開裂率無明顯影響。而且，瀝青用量增加使混合料應力松馳性能 提高的同時，也使收縮性能變大，二者互有抵消。采用質(zhì)量好的瀝青，即使鋪筑較薄的面層，其橫向裂縫也可能少于厚度較厚但瀝青質(zhì)量差的路段。其次，在氣候因素方面，極端最低溫度、降溫速度、低溫持續(xù)時間、升溫降溫循環(huán)次數(shù)等是影響瀝青路面溫縮裂縫的四大要素。因此，瀝青面層的施工安排，應放在有利的季節(jié)施工。另外，基層上和透層油加強粘結對抗裂也是有好處的。
4、除了以上各種水損壞原因外，還有一種在國外較少發(fā) 生、在我國卻常常發(fā)生的水損壞因素——瀝青面層本身的壓密造成的。有些公路施工時沒有很充分地壓實，也有的是受排名搶先 的思想驅(qū)動，過分追求平整度，在溫度降低時碾壓，造成壓實度 不足，導致面層空隙較大，水從空隙中下滲并滯留在空隙中，逐步造成瀝青膜與集料的粘結力喪失、剝離，集料顆粒產(chǎn)生剝落、掉 粒，最后導致松散、坑槽。這是由于施工不良造成路面透水，這 在道路竣工初期表現(xiàn)較多。由于采用了評優(yōu)評分的質(zhì)量評定制度，工程報告不存在壓實度不合格的記錄，致使事后檢查發(fā)生困難，但不等于壓實度都已經(jīng)達到了。從這個角度出發(fā)，為減少滲 水最重要的一點是施工過程中加強碾壓，切忌片面追求平整度而放松壓實。保證壓實度，使空隙率控制在要求范圍內(nèi)，這是非常 重要的。
為了解決水損問題，公路施工部門作了許多努力，尤其是 “SMA混合料新型級配”的應用。由于SMA是一種密實式粗集料嵌擠型間斷級配瀝青砼，因而與其他瀝青路面相比，具有抗車 轍、抗裂、抗滑、泌水及耐久的優(yōu)點。但采用SMA比傳統(tǒng)瀝青混合料費用要增加，但耐久性可延長。
3 結束語
采用SMA這樣的高新技術， 不僅有一定的風險，而且還增加公路建設成本。 如果盲目使用， 不僅達不到提高路面質(zhì)量的目的， 反而造成浪費。 按照我國的經(jīng)濟實力和目前的技術水平，只在氣候條件惡劣、交通量特別繁重或政治經(jīng)濟地位特別重要的路段上優(yōu)先考慮采用這種技術。但是隨著科學技術的發(fā)展，在未來的年代里，以SMA混合新型級配為主的瀝青路面材料一定會占主導地位。
參考文獻
1 公路瀝青路面施工技術規(guī)范(JTJ032-94)
2 路基工程 方左英
3 路面工程 方福森
工程建設機械2004.NO.7
道路養(yǎng)護
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