瀝青路面水損害機(jī)理及防護(hù)對策的研究

王明剛

（林同棪國際工程咨詢（中國）有限公司，重慶市 401121）

0 引言

瀝青路面擁有良好的彈塑性變形能力、高度的低噪音和減震性、揚(yáng)塵少以及維修方便簡單等優(yōu)點(diǎn)，從而大規(guī)模地運(yùn)用在我國高等級道路。在道路建設(shè)中，如何在不同的階段延長瀝青路面的使用壽命，減少各種要素的破壞，應(yīng)該成為主要探討的問題。

瀝青路面破壞的主要表現(xiàn)形式為低溫開裂、車轍和疲勞開裂，以及材料的松散、析油、脫落、網(wǎng)裂、澗坑、唧漿等，這些損害的原因都與水相關(guān)聯(lián)，統(tǒng)稱為水損害。水損害是在有水的情況下，瀝青路面在溫度荷載和行車荷載，加之熱脹冷縮的作用下，水滲透進(jìn)瀝青和集料的界面，因而引發(fā)瀝青的粘著性和集料的黏附性下降，使瀝青膜與集料表面逐漸剝離[1]。本文在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，從水對瀝青路面損害的原理入手，分析其破壞的實(shí)質(zhì)，從而在設(shè)計、選材、施工方面提出防護(hù)借鑒措施。

1 水損害機(jī)理

在自然降雨過程中，一部分雨水慢慢從瀝青路面表層的縫隙滲入。隨著滲入的水越來越多，逐漸包裹在瀝青-集料聚團(tuán)周圍，在空隙水壓力下，進(jìn)入瀝青與集料的結(jié)合部，導(dǎo)致瀝青與集料分離，使瀝青失去黏聚力[2]。水損害常見過程如圖1所示。

圖1 水損害過程

靜水損壞和動水損壞是水對瀝青混合料產(chǎn)生破壞的兩個主要方面[3]。靜水損壞是指滲入瀝青間隙的水與瀝青發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致瀝青逐漸軟化和剝落，骨料失去黏結(jié)，但靜水損害發(fā)展的速率一般較慢。動水損壞是指滲入瀝青間隙的水經(jīng)受快速行車荷載的沖壓而形成高速水流，對混合料產(chǎn)生沖刷，從而使瀝青混合料分離，主要是物理作用。動水損壞會加速靜水損壞，而靜水損害進(jìn)一步給高速水流留下空間，兩者相互促進(jìn)。瀝青路面的水損害是靜水損壞和動水損壞一起共同作用的結(jié)果[4]。

2 水損害產(chǎn)生原因分析

2.1 瀝青面層水分進(jìn)入

水是最直接的原因。瀝青路面在施工后遭到破壞，主要是因為水分進(jìn)入瀝青面層，并且滯留在各個層間。在動水壓力的作用下，瀝青碎石和基層受到連續(xù)沖刷，導(dǎo)致瀝青膜脫落和基層表面離散，最終形成凹陷的路面損壞。

瀝青面層滲水系數(shù)與水損害的影響直接相關(guān)[5]。不同路面類型實(shí)際工程應(yīng)用情況的數(shù)據(jù)表明，當(dāng)瀝青路面的滲水系數(shù)平均值小于10 m L/min時，路面較密實(shí)，基本不存在水損害的問題；當(dāng)瀝青路面的滲水系數(shù)平均值大于50m L/min時，路面很可能出現(xiàn)由滲水產(chǎn)生的早期病害[6]；而當(dāng)瀝青路面的滲水系數(shù)平均值大于 2 000m L/min時，滲入瀝青路面的水可以在面層內(nèi)自由流動，可以排走，也不會出現(xiàn)水損害問題。因此只有當(dāng)孔隙率介于中間值時，瀝青面層可以滲入相當(dāng)量的水分，同時無法排除，停滯在面層內(nèi)，產(chǎn)生水損害。

路面橫坡缺乏平整度時，比較容易導(dǎo)致自然降水在道路表面的集聚。在透水性圧力的作用下，路面材料并不完全不透水，且由于行車荷載的動水壓力作用，進(jìn)而導(dǎo)致水分慢慢滲入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部。如果在挖方區(qū)間施工時，地下水位在路基兩側(cè)較高，那么路面的積水就很容易通過巖層裂隙自下而上滲入路面結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，從而導(dǎo)致挖方路段水損害嚴(yán)重，而填方路段的水損害較輕。分析其中最主要的原因是挖方將山間土體破壞，進(jìn)而土體水力失穩(wěn)，平衡路基下方的水壓力提高，開始向上涌水，水資源充足的地方這種現(xiàn)象更嚴(yán)重。挖方區(qū)間路段的邊溝幾乎都是漿砌片石，造成路堤內(nèi)的水無法滲透，路基下部的水沒有通道，這種因道路路基建設(shè)而產(chǎn)生的損害無法避免。瀝青路面內(nèi)部因為有水，若是一直保留而不排出的話，那將對道路造成更大的危害。

2.2 設(shè)計重視不夠

在道路設(shè)計理念中，比較重視的是路基和路界地表范圍內(nèi)排水，采取了如橫縱面找坡，設(shè)置暗溝、明溝，做面層基層防水隔離層等措施[7]。但對于路面結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部的排水設(shè)計通常沒能引起重視，甚至不曾考慮。而瀝青路面水損害的主要原因之一就是路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的排水不順暢。

2.3 公路所處地區(qū)的其他情況

其他情況包括公路所處區(qū)域的降水量、交通流量、車輛超限超載情況。南方大多地區(qū)降雨頻繁，相比其他半干旱地區(qū)，瀝青路面的水損害更為嚴(yán)重。動水壓力和通行車輛速度關(guān)系成正比，速度越塊，車輛越重，路面破壞越大。交通量過大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了道路實(shí)際設(shè)計要求的承載能力，路面常常處于疲勞的承載階段，路面應(yīng)力應(yīng)變增大，加劇了水從路面的滲透，引起路面內(nèi)部水壓力的擴(kuò)大，從而造成水損害。

3 水損害防護(hù)對策

3.1 設(shè)計過程中的防護(hù)

水是水損害的必要條件。通過合理的設(shè)計、施工等，使路面具有良好的排水系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)層的自由水能夠順利排除，以至于減少水損害。我國的大部分高速公路面層是三層式瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，為使面層的摩擦力增大，通常使用孔隙率較大的中粒式瀝青混凝土，這種設(shè)計所占比重較大時，一些路面的積水就有機(jī)會通過孔結(jié)構(gòu)向路面基層及土基滲透，致使路面強(qiáng)度下降。為避免這種情況發(fā)生，采用在基層基頂面加鋪一層瀝青封層，并擴(kuò)大延伸至與路肩排水處相結(jié)合，這樣就不會讓滲入的水集聚在瀝青面層內(nèi)，避免路面強(qiáng)度下降，從而減輕水損害。因此在設(shè)計超高區(qū)間路面、路槽及路層的排水時，需要認(rèn)真斟酌。

3.2 基層抗沖刷的改善

（1）影響基層抗沖刷因素有：壓實(shí)度、水泥劑量、級配、養(yǎng)生條件。

（2）采取的措施：除了要避免水進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)層，還應(yīng)注意水從其他路徑進(jìn)入瀝青面層內(nèi)部。例如瀝青面層與路緣石接觸部位必須采取防水封閉措施，同時也可以在面層之間設(shè)置封層，用來阻止水向下滲透。用水泥穩(wěn)定料做基層時，應(yīng)限制集料中小于0.075mm的顆粒不超過5%[8]。

3.3 完善中央分隔帶排水系統(tǒng)

道路中央建有綠化帶時，對于傳統(tǒng)的凸性中央分隔帶，不能將全部的積水排出路面時，可在中央分隔帶底部以及路面兩端部分，在基礎(chǔ)上涂抹2 cm厚度的水泥砂漿，然后鋪上防滲土工布；同時在分隔帶底部橫向安裝寬排水溝、縱向安裝碎石盲溝，使其共同承擔(dān)中央分隔帶的排水作用；在碎石盲溝內(nèi)預(yù)先埋設(shè)軟式透水管，每隔60 cm設(shè)置1個集水槽，從而使集水槽中滲入的積水通過管道排出路基之外，大大減少水損害的發(fā)生[9]。近幾年隨著中央分隔帶硬隔離設(shè)施的推廣與應(yīng)用，以往所設(shè)計的中央分隔帶造成的水損害也在逐漸消除。

3.4 施工過程的控制

（1）就我國石料廠現(xiàn)狀來看，尚未形成專業(yè)的石子產(chǎn)業(yè)鏈，難以出產(chǎn)高質(zhì)量的石料，致使瀝青路面集料的級配往往不合理。所以，合理的混合料級配，需要在石料廠加工方面進(jìn)一步規(guī)范化，加強(qiáng)管理力度，以便生產(chǎn)出級配合理的石子。

（2）瀝青路面圧實(shí)度反映道路的壓實(shí)程度，實(shí)踐中最后指標(biāo)體現(xiàn)在現(xiàn)場空隙率。在保證合理平整度的情況下，現(xiàn)場的空隙率需要受到嚴(yán)格控制，必要時可使用改性瀝青材料，從而提高瀝青路面壓實(shí)度，使混合料在溫度較高時能進(jìn)入碎石縫隙中，形成良好的隔膜效果。在機(jī)器的碾壓下，瀝青混凝土路表面的白碎石轉(zhuǎn)化為瀝青碎石，嵌入瀝青面層之中并形成整體。通過現(xiàn)有的工程實(shí)例，路面圧實(shí)度在95%時，現(xiàn)場的空隙率可控制在8%左右，此時水損害較小[10]。

（3）離析的類型主要是集料離析和溫度離析兩類，需要嚴(yán)格控制集料的生產(chǎn)和使用流程，特別要在拌和、裝卸、運(yùn)輸過程中運(yùn)用正確的方法，以有效避免離析的發(fā)生；同時要做好車輛內(nèi)部的保溫工作，減少因溫度過高發(fā)生的離析現(xiàn)象。具體注意要點(diǎn)：①冷料倉產(chǎn)生的離析防治。必須對鏟車上料速度進(jìn)行控制，使料位維持在合適的位置。②熱料倉產(chǎn)生的離析。③攪拌器產(chǎn)生的離析。

4 問題及對策

4.1 提出問題

對于瀝青路面水損害，如何結(jié)合材料的選擇，進(jìn)而增強(qiáng)路面的性能。

4.2 解決方案

（1）采用安全性較高的密實(shí)型瀝青混凝土。在經(jīng)濟(jì)狀況允許的情況下，采用S M A材料，就能很好地提高路面結(jié)構(gòu)的抗水損害能力。

（2）有效提高瀝青混凝土壓實(shí)度。所采用的面層瀝青混凝土壓實(shí)度是針對實(shí)驗室內(nèi)馬歇爾試件標(biāo)準(zhǔn)密度的，而最后以現(xiàn)場空隙率作為反映瀝青混凝土路面密實(shí)程度的指標(biāo)。因此需要提高壓實(shí)度，除此之外，空隙率也應(yīng)作為標(biāo)準(zhǔn)之一。

（3）改善瀝青與集料間的黏結(jié)度。我國當(dāng)前多使用的石料是輝緑巖、安山巖、砂巖等，通過黏結(jié)度的試驗表明，這些石料與瀝青的黏附性較差，無法滿足相應(yīng)的技術(shù)要求，需要應(yīng)用抗剝落措施，進(jìn)行黏附性的改善才可以使用。添加的抗剝落劑主要包括胺類抗剝落劑、水泥、消石灰粉等，可以作為抗剝落措施應(yīng)用。

5 結(jié)語

水損害作為瀝青路面主要危害，提前防護(hù)應(yīng)從基本原理入手，結(jié)合現(xiàn)場勘察，合理設(shè)計，恰當(dāng)選擇路面材料，正確管控施工過程。上述過程對于緩解瀝青路面水損害等早期的病害現(xiàn)象有顯著促進(jìn)作用，可以提高路面使用壽命，具有良好的環(huán)保價值和經(jīng)濟(jì)效益。