高速公路沥青路面水损坏原因分析及防治措施

曹 雪

0 引言

水损害是指沥青路面在交通荷载和水的反复作用下,一方面水分导致沥青混合料强度下降,另一方面水分侵入沥青与集料界面,在动力水作用下沥青膜从集料表面剥离,导致集料间粘结力丧失。可以说水损坏严重削弱了沥青路面的使用性能,大大缩短了其使用寿命。因此,研究如何解决和防止沥青路面的水损害问题具有深远的社会效益和重大的经济意义。

1 沥青路面水损坏破坏形式

1)唧浆。水透过沥青面层并滞留在半刚性基层顶面,在快速行车作用产生的动水不断冲刷下,基层表面的水泥、石灰、粉煤灰等结合料经过浸泡和冲刷以灰浆形式通过路表缝隙被挤出路表,这种破坏现象是水损坏最为明显的破坏形式。2)松散。松散是由于沥青混凝土表面层中的集料颗粒脱落,从表面向下发展的渐进过程,首先是细集料剥落,然后是粗集料,集料颗粒与裹覆沥青之间粘结力丧失是颗粒脱落的原因。3)坑槽。坑槽是指沥青路面由于面层或者面层和基层的集料局部脱落而产生的路面洞穴。快速行车作用产生的动水压力将沥青从碎石表面剥落下来,局部混凝土松散,碎石被车轮甩出使得路面产生坑洞,而且很快就从小的坑洞发展成大的坑槽。4)网裂。水分渗入路面面层并滞留在表面层和中面层内,使沥青混凝土中部分碎石上的沥青剥落,从而加剧路面破损,形成多边形的块形区域,最后发展成龟甲状,导致上面层产生网裂、松散或坑槽等一系列破坏。

2 水损害原因分析

2.1 外因

1)降水。通常降水量大的潮湿多雨地区,水损害现象较降水量小的干旱和半干旱地区更为严重。降水量次数多和降水量大,水渗透进沥青面层的量越大,水损害可能就越严重。2)重载交通。近几年来,行驶在高速公路上的车辆组成发生了较大变化,重型货车数量显著增多,而且货车普遍超载,这些是促使沥青路面产生早期水破坏的重要外因。而且交通量大和载重车辆多的高速公路水损坏现象明显较交通量小和载重车辆少的高速公路严重。

2.2 内因

1)沥青混合料空隙率过大。通常沥青路面的空隙率在8%以下时,沥青层中的水在荷载作用下一般不会产生动水压力,不容易造成水损坏;而路面空隙率在8%～15%之间时,雨水则更容易进入面层混合料内部,且在荷载作用下极易产生较大的动水作用,造成沥青混合料的水损坏。因此马歇尔设计目标孔隙率范围可控制在3%～5%,路面的实测空隙率不得超过7%,一般应在6%左右。2)压实度不足。有些单位或工程只重视平整度而忽视压实度,片面追求平整度和担心构造深度不够而使得压实受到影响。压实达不到压实度要求,沥青混凝土面层不可避免地会产生水损害。沥青混凝土的压实度控制标准上面层可提高到98%,中、下面层可提高到97%。3)沥青混合料离析。路面水损坏的主要原因是由于路面空隙率过大,而造成空隙率过大的原因有:a.压实不足;b.沥青混合料的离析造成局部空隙率过大。一旦混合料发生离析,一切路面结构和材料设计工作都变得徒劳了。而且路面压实度不足,有时也是由混合料离析引起的。4)沥青面层裂缝。随着沥青路面运营,路表面裂缝会深入到下面层底部,甚至引发基层在相同的位置开裂。在通车两三年后裂缝往往已经贯穿沥青混凝土面层,甚至进入基层。降雨时雨水则会通过裂缝流入面层底面并滞留在基层顶面,同时向缝的两侧扩散。5)路面排水系统不完善。雨水会通过路面裂缝或面层空隙下渗到路面结构内部,当地下水位高时,地下水也会通过毛细管上升进入路面结构下部。另外,道路两侧有滞水时,也有可能进入路面结构内部。而一旦路面结构排水系统不完善,滞留在路面结构内的水分则会浸湿路面结构层料,使无机稳定粒料层以及土基的强度降低。由于路床湿软,半刚性基层承受较大的弯拉应力,在较大弯拉应力和水作用下,路面则会相继出现龟裂、坑槽等。

3 沥青路面水损坏机理

目前对于路面水破坏的机理的分析研究主要有以下两点结论:

1)水进入沥青与集料界面使沥青膜从集料表面脱落而产生水破坏;2)由于交通荷载作用使得集料之间的剪切力破坏了沥青膜,从而更容易使水进入沥青与集料界面使粘结力丧失,另外行驶的车轮对空隙水形成的冲刷力使集料表面的沥青膜逐渐减少直至剥落而产生水破坏。

4 水损坏防治措施

4.1 加强层间粘结

常见的层间处治方式为设置透层、粘层以及封层,不同的处治层适应于路面结构不同层位处层间连续的需要,不同面层层间位置常用的处治措施如表1所示。

表1 不同沥青面层层间处治措施

4.2 使用抗剥落剂

尤其是沥青路面上面层选用硬度更大和耐磨性能更好的酸性石料的情况下,需针对所用的集料和沥青,事先做粘结力试验并选择合适的抗剥落剂。如掺加消石灰等抗剥落剂,确保最大限度地提高沥青与集料之间的粘结力。

4.3 完善路面结构排水设计

如何快速排出路面表面层的水和防止水进入路面结构层,是设计时考虑的重要因素,排水设计首先是路面结构排水,防止中央分隔带处水渗入路面结构层。因为仅靠提高路面结构自身的水稳性能是远远不够的,还要求要有完善的路面排水系统和合理的路面结构排水体系,包括路表排水、中央分隔带排水、路面结构层内部和边缘排水。

4.4 对离析的控制

在施工过程中不仅要重视级配离析,更要重视温度离析对路面造成的不利影响,应采取有效的措施来避免离析现象的发生,如自卸卡车在装料和卸料时,应按车厢内一定的装卸顺序,从而减少材料的离析现象;同时也尽量采用高性能的摊铺机,使其处于良好的技术状态,并在工艺中的每个环节都必须按规定要求进行,防止施工过程中混合料出现离析。

4.5 养护维修

行车道轮迹下的局部网裂是自由水进入路面结构的通道,对路面的整体稳定性有极大的危害。维修时一定要及时,以免裂缝深度和范围扩大,维修养护的基本原则是维修后保证路面平整和封闭裂缝,以避免降水或路面积水下渗而引发进一步的水损害。

5 结语

水损害在高速公路沥青路面早期破坏现象中尤为突出,本文从不同角度分析了水损害的原因,一般路面裂缝、重载交通作用、防排水设施不好、沥青混合料空隙率过大和施工过程中出现离析以及施工压实不足等问题都不同程度地存在。要解决沥青路面的这些水损害问题,必须针对性的采取良好的路面结构排水设计、路面结构层间结合设计、混合料施工离析控制以及增强沥青混合料自身水稳定性等一系列防治措施。因此,做好路面设计和提高路面防水能力应是解决沥青路面早期水损害的主要途径。

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