【技术】沥青路面水损害的原因及防治措施研究
作者：南阳市公路工程处 冯卫靖
摘要：针对沥青路面水损害问题,通过对国内外研究现状的分析比较,总结了多年来世界各国在水损害研究方面所取得的成果,对沥青路面水损坏的设计和施工提供参考。
关键词：沥青路面;沥青混合料;抗剥落剂;水损害;防治
水损害是当前沥青路面实践中的重要课题之一,是沥青路面早期破坏的主要影响因素。研究减轻甚至消除水损害对于提高沥青路面舒适性及使用性能具有十分重要的意义。沥青路面水损坏是指被围封在路面结构内的水分会软化各结构层材料和土基, 使其强度下降、变形增加, 从而使路面结构承载力降低, 缩短路面寿命。更为严重的是, 由于路面是层状结构, 层间结合处易出现空隙, 进入空隙的自由水在行车荷载作用下, 会成为高孔隙水压力和高流速的水流, 冲刷层材料并从缝隙间向上喷射出浆体(唧浆), 促使沥青面层出现剥落和松散, 使整个路面结构的使用功能早期破坏。据大量的沥青路面损坏状况调查和路面使用经验表明, 进入路面结构的自由水是造成或加速路面损坏的首要原因。因此, 必须科学合理设置路面内、外部排水系统, 及时将积存在路面的水分迅速排除到路面和路基结构外, 才能有利于改善路面的使用功能, 大大提高其使用寿命。
1 沥青路面水损坏国内外研究现状
从水损害的形成机理、影响因素,评价水损害的试验方法到水损害的控制、防治等各个方面都进行过研究,并形成了较多有益的研究成果。但由于沥青路面水损害所涉及的因素极其复杂,至今许多问题都没有得到很好解决。因此还在不断地研究之中，国外在提高沥青路面水稳定性方面所做的研究工作。主要体现在以下几个方面：
（1）抗剥落剂与集料性质的研究
国外常用的抗剥落剂种类一般有3 种:第一种是波兰特水泥(一般不用于沥青混合料)；第二种是液体化学类；第三种是化学石灰(主要是熟石灰)。液体化学类是通过降低沥青和集料界面间的表面张力来改善混合料水稳定性的。对于抗剥落剂的剂量,认为存在一个最佳剂量,此时, 抗剥落剂才能有效地改善集料表面的物理化学性能及其与沥青的胶结性能。至于化学石灰类抗剥落剂,大量研究表明,它能有效提高沥青混合料的抗剥落性能、水稳性以及改善沥青的龄期老化性能。再加上石灰价格较便宜,施工也简单,为此国外普遍推荐使用。尽管美国国家沥青路面协在对许多化学抗剥落剂进行评价之后明确指出许多抗剥落剂在长期性能方面尚有疑问, 但多方详细比较后仍认为效果最好、最稳定的还是掺加石灰。有研究表明,高百分率的水泥窑灰可以达到消石灰同样的抗剥落效果。对于妥尔油焦油沥青,据英国哥伦比亚交通运输部的研究,它能够成为液体抗剥落剂的一种替代品。
（2）评价沥青混凝土水稳定性试验方法的研究
评价沥青混凝土水稳定性或水敏感性的试验方法很多,一般可分为两大类。一类是以未经压实的松散沥青混合料为研究对象进行定性的(主观的)试验,一类是以沥青混合料试件或芯样为研究对象进行定量的试验。前者通过视觉观察或仪器检查来主观评价裹覆在集料表面的沥青膜剥蚀程度,并据此作为判定沥青和集料粘附性及混合料水稳定性的依据, 这类方法常见的有水煮法、静态浸水法等。后者则是通过测试试件在浸水条件下的某些物理力学指标, 如马歇尔稳定度、劈裂强度、径向回弹模量等的衰变程度来表征沥青混合料的水稳定性, 这类方法包括马歇尔试验、劈裂试验、浸水抗压试验、德克萨斯承台冻融试验、洛特曼试验、改进的洛特曼试验、浸水车辙试验。但是到目前为止,还没有一种试验方法可以得到广泛地认可, 因为实验室与现场毕竟是有区别的。为此，美国SHRP 开发了ECS(Environmental Conditioningystem），其目的就在于能更好地模拟工程现场, 以缩小实验室与现场之间的差距, 从而能有效评价混合料水敏感性。但美国科罗卡多州运输部在将其与两种常用方法改进的洛特曼试验方法及水煮法进行研究比较后指出,ECS 的方法与试验过程在其作为常规试验推广之前都需要进一步改进。
（3）混合料离析与不均匀问题的研究
沥青混合料的离析和路面在局部压实度的不均匀是造成路面局部水损害的根源所在。它有两种类型:集料(级配)离析和温度离析。1996年美国首次提出了温差引起的破坏问题，指出, 周期性离析问题与从沥青混凝土拌和厂将混合料运送到铺筑现场过程中沥青混合料的温度差别有关。在铺筑之前, 热拌沥青混合料的温度差别导致了施工过程中铺筑层产生的潜在破坏。目前, 设在美国奥本大学的美国国家沥青技术中心(NCAT)正在开展国家联合公路研究项目NCHRP9 -11“热拌沥青混合料的离析课题，提出了两种可供研究混合料离析的方法:采用红外线温度探测器测定温度离析；采用构造深度测定仪发现离析区域，确定离析程度。
（4）排水结构层的研究
德国首次采用了大孔隙排水型路；法国修建了多孔隙贫混凝土路面试验路，贫混凝土的多孔性是靠沙量达到的, 一般为200～300 kg/m3 , 孔隙率可达10 %～28 %。其他西方国家以及日本, 则大多采用多孔沥青碎石作面层。但美国道路专家认为最可靠的排水措施是在整个路面宽度下采用开级配排水层。20世纪60年代，道路研究者认识到了路面内部排水的重要性，目前，路面结构内部排水系统在美国已成为一项常用的措施。有研究表明, 采用横向复合土工排水带的排水量最大, 其次是沥青透水基层, 横向排水管的排水量最小。此外, 为了判别当时表面水是否通过水泥混凝土路面和沥青路面路肩间的纵向接缝(缝隙宽6 mm)渗入路面结构, 对接缝进行了填封处理, 并在填封前后测量出水口处的渗入水排放量。测试结果表明, 接缝填封仅能在短期内起到阻止表面水下渗的作用。因此, 设置路面排水系统是非常必要的, 这可以使积滞在路面及结构内的水迅速排除到路基和路面结构外, 大大地提高路面的使用寿命。
在国内多是从改善沥青在温度、老化方面的路用性能着手的,而在集料的性质对沥青与集料之间粘结性能的影响方面研究较少。在对沥青混合料的水稳定性评价指标与评定方法研究方面, 国内结合“八五”国家科技攻关专题“道路沥青与沥青混合料的路用性能”做了不少工作。对于沥青与集料粘附性的评价, 专题建议以静态水浸法作为评定沥青与集料粘附性的标准方法, 并以剥落率为评定指标将沥青粘附性分为5个等级。对于沥青混合料的水稳定性评价,则选取了浸水马歇尔试验以及双面击实50 次的冻融劈裂试验作为水稳定性的标准试验方法,水稳定性指标定为马歇尔残留稳定度。最近, 同济大学针对传统沥青混合料水稳定性评价方法的缺陷,提出了一种全新的、能评价混合料在整个使用过程中水稳定性能的试验方法，综合国外修建路面结构排水设施的经验和研究成果而写，随后也有许多高校和科研院所在持续研究中，但是突破性成果不多。
2 防治措施
（1）合理的选择材料。优先选择孔隙率小于0.5%的, 表面干净、粗糙的非亲水性的碱性集料,且与沥青拌和时应保证集料质地干燥。有些地区为了满足表面层的抗滑性能, 不得不采用坚硬、耐磨的酸性石料,此时必须对其进行抗剥落处理。对不同属性的集料, 必须使用不同的液体抗剥落剂。对表面带正电荷的石料, 应使用阴离子型表面活性剂;对表面带负电荷的石料(酸性),应使用阳离子型表面活性剂。鉴于大部分胺类表面活性剂高温下易分解, 在使用过程中长期效果欠佳,所以选用高温时稳定、难分解,且具有阳离子、阴离子两种极性的表面活性剂是最理想的。注意, 抗剥落剂还存在一个最佳剂量的问题。目前, 国内外普遍推荐采用消石灰来改善沥青和石料的粘附性。并且, 掺加消石灰还有利于提高沥青混合料的高温稳定性, 对其低温性质也不会产生较大的不利影响。
（2）选择合理的级配
沥青面层级配最主要的指标是沥青混合料的设计空隙率和路面实际空隙率。按照美国最近对Superpave 和SMA 的综合研究,对高速公路所用沥青混合料要求目标空隙率控制在4 %左右。但一般认为,沥青混合料的设计空隙率控制在3%～5%的范围内是适宜的,这可同时兼顾混合料的高温性能和水稳定性。至于空隙率与构造深度的矛盾,可以考虑同时采用沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)和改性沥青。
（3）采用合理的集料粒径和适宜的沥青面层压实厚度。
集料粒径大造成沥青混合料离析是普遍存在的问题。粗集料粒径偏大(全幅摊铺离析更甚),离析无法避免, 层厚越薄, 越易形成局部区域空隙过大,成为透水、积水和积浆的场所,容易导致沥青与集料剥离。沥青层必须有一定的厚度与集料粒径相匹配,一般沥青面层厚度应是集料最大公称粒径的3倍以上。
（4）减少离析和不均匀的影响。
造成沥青混凝土不均匀的原因是多方面的, 有不同规格原材料颗粒组成变异性大的原因, 有拌和场生产、管理方面的原因,也有运输和现场摊铺管理方面的原因,同时导致了集料(级配)离析和温度离析。
（5）控制施工质量
雨天或寒冷、潮湿的气候条件下施工,对沥青混合料的水稳定性是不利的。碾压时不应过多地向碾轮洒水。一定要保证路面压实度,不能因追求平整度而牺牲压实度,因为施工工艺对混合料的水稳定性影响就集中体现在压实上。
（6）设置合理的排水层或防水层
透水性材料可以采用经水泥或沥青处治(或未经处治)的开级配碎石,并要同时满足渗水和反滤要求，在排水基层下须设不透水层或反滤层;防水层可设在基层顶面或面层中。
3 结语
综上所述,沥青混凝土路面水损坏, 不仅与沥青路面设计、施工等方面有关,而且与沥青路面使用、养护和管理联系紧密。因此要消灭沥青混凝土路面水损坏质量通病,设计、施工、养护等单位必须按现行规范标准, 结合工程实际, 对沥青路面结构层、排水设施设计和施工问题,特别予以高度重视。这样,就能最大限度地避免地下水和地表水对沥青混凝土路面造成的水损坏, 确保各级公路稳定、安全、舒适、高速地运行。
参考文献
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中国公路养护技术2群：320868765
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