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        瀝青路面水損害研究分析

        作者:小編 日期:2020-10-07 16:25:01 點擊數:

        水損害表現形式複雜多樣,但相同氣候條件下,破壞模式具有相似性。關於水損害作用機理的分析主要有黏附-剝落理論、靜水壓力和動水壓力作用,普遍認爲黏附-剝落理論是水損害的主要機理。

          瀝青路面施工期短、表面平整、養護維修方便,是路面的主要形式之一。然而瀝青路面早期損壞的現象普遍存在,如鬆散、坑槽、車轍等。雖然路段的早期破壞很大程度上與汽車的重載和超載有關,但事實上水損害也是造成瀝青路面早期破壞的主要模式之一,我國從南方到北方,都出現過由於水損害引起的高速公路大面積早期破壞。出現的時間,有的在竣工通車後不足一年或兩年,時間短的只有幾個月。尤其在我國南方地區,氣候溫暖潮溼,降水量較大,水損害問題更爲突出。因此,高速公路瀝青路面水損害問題成爲研究熱點。

          水損害的表現形式

          目前,國內學者已對水損害的概念有了較爲明確且一致的認識,認爲水損害是指水由瀝青路面孔隙、裂縫進入路面內部後,在凍融、車輛輪胎動荷載產生的動水壓力或真空負壓抽吸的反覆作用下,水分逐漸滲入瀝青與礦料的界面或瀝青內部,使瀝青與礦料之間的黏附性降低並逐漸喪失黏結能力,瀝青膜逐漸從礦料表面剝離,瀝青混合料掉粒、鬆散,造成瀝青路面結構整體性的破壞。

          瀝青路面水損害表現形式多樣。一般可歸納爲三類即鬆散類(路表麻面、鬆散、掉粒、坑洞)、裂縫類(唧漿、網裂、坑洞)和變形類(轍槽)。以上的早期水損害現象有時單獨出現,但大多數是組合出現的。比如產生唧漿的地方通常會出現網裂和形變,並隨着時間的推移很快會出現鬆散和坑洞。此外,水損害按照水對路面損害的部位,可以分爲路表水對路面的損害和進入路面結構內的水對路面的損害;按照形成過程的不同,可以分爲自上而下的表面層水損害和自下而上的水損害。許多初期的路面水損害都是由上往下發生的,它往往侷限於表面層發生鬆散和坑槽,當表面的水從裂縫和孔隙較大的裂隙中進入路面內,即形成路面內自下而上的水損害。

          水損害機理分析

          造成瀝青路面水損害的因素很多,可分爲外部因素和內部因素。外部因素主要爲:水、載荷和施工方法;內部因素主要爲:集料性質、瀝青性質、瀝青混合料的空隙率、瀝青混合料的離析和路面結構排水系統。水損害的發生往往是各種因素共同作用的結果。瀝青與石料的黏附性不足和混合料空隙率過大是造成瀝青路面水損害的主要原因。國內關於水損害的作用機理的研究主要涉及到以下幾種理論:

          黏附-剝落理論

          普遍認爲黏附-剝落理論是水損害的主要作用機理。黏附是指一種物體與另一種物體黏結時的物理作用。黏附-剝落理論主要體現爲兩種作用過程,即黏附力和黏結力的損失。黏附力損失是指水進入瀝青和礦料之間的界面上,礦料對水的吸力比對瀝青的吸力大,造成瀝青剝落;黏結力損失是指瀝青內部的水使瀝青軟化,黏性降低,從而使瀝青混合料的整體性與強度降低。對於瀝青與集料間的黏附性有四種理論來解釋:力學理論、化學反應理論、表面能理論和分子定向理論。

          靜水壓力作用瀝青路面的水損害與軟化和剝落兩種過程有關。首先,水能進入瀝青中使瀝青黏附性減小,從而導致混合料的強度減小;其次,水能進入瀝青膜和集料之間,阻斷瀝青和集料的相互黏結。由於集料表面對水的吸附力比對瀝青的吸附力強,致使瀝青與集料表面的接觸面減少,結果瀝青從集料表面剝落。

          動水壓力作用

          行車車輪在瞬間通過時,輪荷對路面產生的動水壓力,先是擠壓,迫使空隙中的滯留水沿隙四周擠壓、滲流。車輪駛離時,輪後的真空抽吸、路面自身的回彈,又會促使結構內的滯留水產生抽吸和迴流,如此動水壓力的擠壓、抽涮,頻繁交替作用於瀝青混合料。另外,高能量的水分子與集料的黏附力比瀝青與集料的黏附力要大,會在集料表面加速與瀝青分子的置換,使瀝青混合料的品質迅速變壞。

          水損害防治

          國內關於水損害防治的研究集中在兩個方面,一是提高瀝青與集料的黏附性,提高集料之間的黏結力,二是防止水分進入瀝青混合料內部及瀝青與集料的界面上。可涉及到瀝青路面的設計、施工、管理和養護的各個環節。

          提高路面材料的黏附性與黏結力

          對瀝青而言,選擇黏性較大、不含或少含對水敏感的組成成分的瀝青,或採用聚合物改性瀝青,針對瀝青水穩定性不足的問題,可摻加適宜的抗剝離劑;對集料而言,就是要求表面粗糙,含有較多的鐵鈣鎂等高價陽離子,比表面積大,呈憎水性,且確保表面乾淨;在滿足強度的前提下,適當放寬對集料緻密度和吸水率的限制,並通過酸鹼性測試評價,選擇鹼性集料;對混合料而言選擇合理的級配。

          鄒蘇華等研究了不同類型瀝青混和料的水穩定性及改進措施,認爲玄武巖不同類型瀝青混合料的水穩定性不一定都能夠滿足使用要求。消石灰添加劑可以改善瀝青混合料的水穩定性;對於AC-13密級配瀝青混凝土與S M A-13瀝青瑪蹄脂碎石混合料,消石灰效果良好;

          對於A M-13半開級配瀝青碎石混合料,效果相對較差。郝培文等通過實驗研究了石料鹼值對瀝青混合料水穩定性的影響,認爲石料鹼值越大,空隙率越小,瀝青混合料的抗水害能力越強,當石料鹼值小於0.78時,在進行瀝青混合料水穩定性設計時,必須對石料或瀝青進行預處理,只有這樣才能滿足強度要求。馬新等進行了瀝青混合料水穩定性評價方法的實驗研究,認爲利用馬歇爾殘留穩定度來評價瀝青混合料水穩定性的過程,實驗結果與使用效果存在很大的偏差,而用試件飽水煮沸後的劈裂強度來評價其抵抗水損害的能力,作用效果明顯、準確度高,值得推廣。

          控制路面孔隙率、提高壓實度

          在面層施工過程中,常常由於碾壓時混合料溫度偏低,碾壓不及時,施工操作不規範或片面追求表面平整度等原因,壓實度不足或者壓實不均勻,造成瀝清混凝土局部空隙率大或水容易進入,形成骨料局部鬆散脫落,採用合理的壓實工藝是保證瀝青路面質量合格的一個重要因素。研究建議抗滑表層現場壓實度不小於98%,現場空隙率不大於6%;中面層和下面層的壓實度不小於97%,現場空隙率不大於7%。

          另外,若面層混合料不均勻,存在離析現象。瀝青混合料在拌和、運輸、攤鋪過程中會出現一定的離析,施工中如未認真處理,攤鋪的面層就會存在不均勻性,特別是在粗集料較多的位置,瀝青混凝土的空隙率較大,路面滲水就愈嚴重,因此施工中各道工序應嚴格把關,確保瀝青面層均勻性,以有效減少混合料離析。

          改善瀝青路面排水條件

          路表排水 爲保證路表水排水順暢,擋水式的路緣石有可能使水滯留在路面上,應將其下臥,但路肩和邊坡必須採取相應措施,以經得起水的沖刷。榮保銘認爲可以取消邊路緣石,採用瀝青攔水帶,讓水能沿着路面斷面滲出;也可在路邊緣中下層留10~20c m寬槽,放上碎石並鋪上面層,做成盲溝或者排水管的形式。

          張文佳認爲路面表面排水範圍包括路面和路肩,通常可利用路面橫坡或合成坡度排除降雨。在進行路面橫坡設計時,橫坡坡度一般爲2%,當地基爲軟土地基時坡度應適當加大到2.5%~3.0%,超高緩和段的扭曲路面時最小合成坡度應小於0.5%,若條件允許可採用不設超高的平曲線半徑。郭有才建議在路面結構層中設置防水層,基層頂面設置封層,在中央分隔帶處設置縱橫向排水滲溝,在土路肩處採用碎石填料進行填築。

          結構層內部排水 目前路面排水往往只重視路基範圍內的路面表面的水排除,對路面結構層內部的排水很不重視。

          水可以通過路面滲透水、地表滲透水、地下水、泉水、冰凍融化水、毛細水等途徑進入路面結構,直接降低了路面材料的強度和間接的路基對路面支持的損失。因此,結構內部排水條件對瀝青路面使用性能改善意義重大。

          我國《公路瀝青路面設計規範J T GD50-2006》基於理論法設計路面,未將結構內部排水條件反映在路面厚度設計中。汪生軍等和魏煥芬指出我國高等級公路普遍採用半剛性基層,路面設計時一般不考慮路面結構層內部排水,普遍設計了埋置式路緣石、砌築式路肩、漿砌擋牆,這些都妨礙了由各種途徑侵入路面結構內部的水分的排出,建議設置盲溝保證滲入路面內部的水能排除路外。

          美國AASHTO的《AASHTO路面結構設計指南》以現場試驗爲基礎,將瀝青路面內部水的狀況按含水多少與水存在時間分成若幹等級,定量融入了路面厚度設計。曾夢瀾等探討了結構內部排水條件對瀝青路面使用性能的影響,認爲瀝青路面內部水的狀況對路面承受荷載的能力和使用壽命有重大影響,尤其是大交通量的公路,並結合中國國情開發了路面結構內部排水條件定量估計方法。

          蘭永紅等認爲中面層和底基層均採用密實型瀝青混凝土,面層採用較密實的改進型A K-13結構,且在水泥穩定碎石基層上,設置“透層+封層”的防水結構層,可以完善路面內排水設計。

          運營期養護及管理 在大量快速行車荷載的反覆作用下,較大的動水壓力使瀝青從集料表面脫落下來,局部瀝青混合料鬆散並失去強度,路面形成坑槽;若路面的水透過面層滯留在半剛性基層頂面時,當大量快速重型車輛反覆作用下,自由水產生很大的動水壓力並沖刷基層混合料的細料而形成灰漿,使得半剛性基層過早地出現疲勞開裂,使水更易進入路面結構形成惡性循環而導致大面積路面破壞。路面的使用壽命隨超載率的增加而減小的幅度很大,如在超載率爲100%時,半剛性路面結構僅能承受18次這樣的車輛荷載就會發生疲勞開裂;但對於高等級公路,行車速度可以達到100公裏以上,所造成的動水壓力可達普通公路的2.5~3倍。因此,必須提出以防爲主,防治結合的思路,加大路政管理力度,公路管理部門應該按照《公路法》及《超限運輸車輛行駛公路規定》的要求對超載車輛進行強制卸載,並在入口處設卡不讓超載車輛進入高速公路,嚴禁車輛超載給瀝青路面造成的巨大損害。

          加強路面養護管理,路面出現水損害時,應及時採取有效的養護處治措施。

          主要應做到:取路面試樣檢驗,確定水損害類型、範圍及可能原因;調查排水系統,是否設置或堵塞,進行必要的現場和室內試驗,包括滲透性試驗;在試驗基礎上,分析水損害的原因,修復排水系統,加強覆蓋層或翻修路面。

          結論

          高速公路瀝青路面水損害問題是近年來研究的熱點,國內學者主要從表現形式、作用機理及防治措施研究了水損害問題。水損害表現形式複雜多樣,但相同氣候條件下,破壞模式具有相似性。關於水損害作用機理的分析主要有黏附-剝落理論、靜水壓力和動水壓力作用,普遍認爲黏附-剝落理論是水損害的主要機理。水損害防治的研究主要集中在提高路面材料的黏附性和黏結力以及防止水分進入路面材料兩個方面。



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