【技术】沥青路面水损坏机理及对策研究
摘要：沥青路面水损坏普遍存在，且对路面破坏严重。本文研究了沥青路面中水的来源，分析了水损坏产生的原因（内部因素、外部因素）及机理，分别从原材料、配合比、施工、路面结构、排水形式等方面提出了相应的预防和处理措施，为确保路面不同阶段的质量提供参考。
关键词：沥青路面，水损坏，机理，对策
1 引言
随着交通量和行车荷载的增大，加速了路面产生水损坏的过程，水损坏最直接的原因就是水的存在，水损坏现象在我国高速公路上时有发生，只是轻重程不同而已。许多研究人员对沥青路面的损坏状况进行了一些调查。通车仅2-3年的高速公路沥青路面都已经大面积破坏，有些高速公路通车仅9个月就开始出现破坏迹象，不到一年就由于大面积破坏严重而不得不将原沥青面层铣刨后重新铺筑[1]。主要表现为水使沥青膜从集料表面脱落，失去附着力的过程。现象主要是松散、掉粒、坑槽。水对路面的破坏可以分为三种，一种是水分在路表，如果排水设施好且路表空隙小，水分对路面的影响很小不足以造成水损坏。另一种是由于雨中施工或者平时路表水深入路面内部，这种水称为封闭水，其对路面的影响较大，随着季节的变化热胀冷缩，冬季低温缩裂，春融季节会翻浆，对沥青层内部和半刚性基层造成冲刷，形成卿浆、网裂和坑洞等。最后一种是地下水对路基的影响反射到路面，在荷载反复作用下造成整体承载力下降，产生由下而上的裂缝。
水损破坏本质就是沥青混合料在水的作用下油石剥离，沥青路面软化、结构层强度降低，半刚性基层受水侵蚀后水稳性能变差，承载能力降低，长期路面在静水和动水共同作用下，使沥青膜从集料上剥离发展到松散、掉粒、坑槽[2]。因此，深入研究水的来源和水对沥青路面破坏的机理，对进一步预防水损坏有重要意义。
2沥青路面水损坏的原因分析
2.1外部因素
（1）水
沥青混合料的一部分强度来源于沥青胶浆(沥青与矿粉)的内聚力和集料与沥青之间的粘附力。若沥青胶浆的内聚力和集料与沥青之间的粘附性较差，则在沥青胶浆内部集料与沥青的界面上便会发生水损坏[3]。如图1即为沥青混合料的破坏模式图示，沥青路面中的水有两个来源：外界水和路面内部。外界的水由路面透入或裂缝渗入路面结构，内部的水主要源于潮湿的集料中。路面结构中水的来源如下图2所示。
图1 沥青混合料的破坏模式
图2 路面结构中水的来源组成
（2）荷载
重载超载现象严重，再加上水的作用，这种作用模式对道路的破坏很致命，主要表现有三点：一是轴重超过设计的标准轴载，路面的疲劳寿命会大大降低，甚至发生一次性破坏。二是超载车辆轮胎与路面的接触压力大幅度增加，面层内剪应力很大，造成面层剪切破坏。特别是在高温季节及荷载的反复作用下，路面的最大剪应力激增，加之滞留在路面结构内的动水作用，轮胎后部与路面之间会产生真空区的泵吸作用，加速了沥青混合料中沥青膜的剪切剥离，导致面层早期损坏的发生。所以一定要控制荷载在路面结构承受范围内，进而减小沥青路面水损坏。三是超载车辆车速较低，加速了路面永久变形的出现。长期荷载的反复作用加速了水损坏的发生，是路面寿命大大缩减。
（3）施工影响
如果在雨天施工很容易造成路面面层内有滞留水，影响沥青和集料之间的结合，导致路面层与层之间的粘结，为运营期水损坏买下隐患。还有，如果各层厚度和孔隙率控制不严，压实度控制不够，使混合料受到水损坏和老化的危险，也容易造成路面早期水损坏。
2.2 内部因素
（1）混合料的空隙率
初期水损坏的内因主要是沥青面层设计空隙率较大，加之在施工中预留的空隙率在开放交通后没有后续压实，路面透水性增大，而耐久性、强度和水稳定性却大大降低。有调查表明[4]，路面损坏位置的空隙率明显高于未损坏位置。8%的空隙率是沥青面层透水的临界值，当空隙率大于8%后，透水路面的透水性也随之迅速增大。
（2）集料的性质
集料是由多种矿物质组成的，每种矿物质都有其独特的化学性质和晶体结构，分为酸性、中性和碱性。对于剥落而言，关键是集料对水的吸附能力，亲水性材料呈酸性对沥青的吸附能力小，而憎水性材料呈碱性。另外集料表面化学性质、表面积、空隙率等对沥青混合料水稳定性有影响，集料表面呈现高价阳离子较多时，矿料与沥青产生化学稳定性的吸附层。矿料比表面积大，表面洁净程度高，形成的沥青吸附层越稳定。
（3）沥青
沥青的来源不同，其化学组分和性质不同。由于沥青分子和集料表面均存在极性，促进了二者之间的粘附。沥青分子中含有羟基吗，羟基的活性很高，很容易粘附在干集料表面。但是如果有水存在，沥青就很容易从集料上剥离下来，表2为沥青分子中极性组对集料吸引力的特性进行了归纳[5]。
表1沥青分子中极性组对集料吸引力的特性表
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Plancher et al.(1997) |
Petersen et al.(1982) |
SHRP(Curitis＆ coworkers) |
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与集料吸附能力较强的极性组（由强到弱排列） |
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羟基＞酐＞喹啉基＞亚砜＞嘧啶类＞酮 |
羟基＞酐＞酚＞喹啉基＞亚砜＞酮＞嘧啶类＞吡咯烷 |
羟基＞亚砜＞嘧啶类＞酚＞吡咯烷＞酮 |
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对水的置换敏感性（由强到弱排列） |
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羟基＞酐＞亚砜＞嘧啶类＞喹啉类＞酮 |
酐＞喹啉类＞羟基＞嘧啶类＞亚砜＞酮＞酚＞吡咯烷 |
亚砜＞羟基＞吡咯烷＞酮＞嘧啶类＞酚 |
3预防水损坏对策研究
沥青面层发生水损坏原因比较复杂，考虑到沥青路面水损坏的现象与机理，大的方面可以归纳为：混合料空隙率过大、路面渗水、排水设施不完善、压实度不足、沥青混合料抗水损坏能力不强、厚度偏薄等问题。因此，就从材料方面、配合比设计方面、路面结构设计、施工技术方面和排水方面分别采取措施来预防水损坏的发生。
3.1原材料
（1）沥青的选择，由于沥青还有大量的地沥青酸和地沥青酸酐等极性大的组分，沥青呈现酸性，选择碱性矿物能与沥青形成较强的粘结力，采用改性沥青可以很好的改善水稳定性。
（2）集料选择，最好为碱性石料（SiO2含量小于52%），如石灰岩、安山岩和一部分玄武岩，并且限制石屑的含量，在某种意义上集料表面的粗糙度对沥青的粘附牢固程度甚至比集料的酸碱性更重要。大力推广使用机制砂，机制砂也是有碱性石料破碎得到，操作过程严格控制，清洗把关。矿粉作为填料必须用石灰岩矿粉。积极推广采用消石灰抗剥离技术。
3.2沥青混合料配合比设计
沥青混合料配合比设计主要在于控制空隙率，因此沥青面层采用密级配沥青混合料，且抗滑表层的空隙率不大于4%的密实式级配结构。如密实式粗集料间断级配沥青混凝土，既具有良好的不透水性，有具有明显优于连续级配沥青Ⅰ型的高温抗永久变形能力，抗滑性能也很优越。另外，采用合理的公称最大集料粒径与沥青层压实层厚度相匹配，较少离析的发生，从而减少水损坏。
3.3施工控制
提高沥青混合料的压实度标准，压实度较高时有利于减小现场实际空隙率，从而降低渗透系数，到达防水浸如的目的。为了控制住沥青混合料的压实质量，宜采用重型振动压实机械和窄幅阶梯摊铺作业，应在保证压实满足要求的前提下，提高平整度、抗滑性。
3.4沥青路面的排水设计
沥青路面排水的目的是路外的水不能让进入路面内，路表的水尽快排出路外。临时排水的能力效果更大，因此加强临时排水使路基、面层、基层的水都排出去，哪怕是施工完拆除这些临时设施再从新修筑配套的的排水设施也是值得的。
3.5沥青路面结构形式
（1）采用组合式基层结构或柔性基层，水可以通过级配碎石基层中排在，同时由于沥青层较厚，进入路面的水的路径较长，这样就减少了基层的水量，可以有效的防治自下而上的水损坏产生。
（2）设置级配碎石过渡层为排水层，在半刚性基层上边采用级配碎石作为过渡层可以改善沥青路面水损坏，其作用不仅是排水，还可以很好的隔断半刚性基层收缩开裂引起的的、反射性裂缝。
4结语
沥青路面产生水损坏的因素是复杂多变的，必须认清楚沥青混合料的破坏模式，就其产生的原因可以从设计、施工、管理等各个方面分析，做到预防为主，防治结合的目的。因此，必须对水损坏产生的原因和机理充分认识，针对不同的水损坏原因在运营中采取相应措施，达到降低水损坏到最小化的目的。
参考文献
[1]沙庆林.高速公路沥青路面水破坏及其防治措施[J].国外公路.2000.20(3).
[2]BouzidChoubane, Gregory A.Sholar, etal. Ten-year Performance Evaluation ofAsPhalt-rubber Surface Mixes[R]. Transfortation Researeh Record l681.2003:34-35
[3] FLRoberts, P SKandhal, E R Ray, D Lee, T W Thomas. Hot Mix AsPhalt Materials, Mixttire Designand Construetion 2nd Edition. NAPA Edueation Foundation, Lanham，Maryland;1996.PP71，103，134一135
[4]张宏超，沥青路面初期损坏的机理分析与对策研究[D].上海:同济大学博士论文,2002
[5]A W Hefer.Adhesion in Bltumen-Aggregate Systems and Quantifieation of the Effeets ofwater on the Adhesive Bond. PhD(CivilEng.) Dissertation, Texas A&M University; 2004.PP17, 32-35,37-41,68
Causesand the Countermeasure Research on Water Damage of AsphaltPavement
The water damage exists generally inthe asphalt pavement and it destroyed seriously to the pavement structure. Inthe thesis, the water sources of the asphalt pavement are researched and thecause of water damage (internal factors and external factors) and mechanism areanalyzed. The Countermeasures and treatment measures are researched, such as the raw materials, mixing ratio construction, pavement structure, drainageform etc. It can provide the reference for ensuring the quality of the pavementsurface on the different stage.
Key words: Asphalt pavement, WaterDamage, Mechanism, Countermeasure