福建省重载交通条件下沥青路面水损害及防治措施

李 闽

(福建交通职业技术学院，福州 350007)

随着海峡西岸经济区的建设，福建交通状况发生了翻天覆地的变化，高等级公路与日俱增，交通得到了迅猛发展，特别是重型车辆不仅在数量上增长快，而且轴载负荷也越来越大，但在高等级沥青路面的使用过程中出现了各种形式的路面早期损坏现象，如车辙、松散剥落、坑槽、裂缝等病害。调查研究表明：许多路段的病害多发生在雨季，并与汽车的重、超载作用直接相关。

1 沥青路面水损害及水稳定性作用机理

水损害是沥青路面在水或冻融循环的作用下，由于汽车车轮动态荷载的作用，进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用，水分逐渐进入沥青与集料界面上，使沥青黏附性降低并逐渐丧失，沥青膜从集料表面剥离，沥青混合料松散从而导致路面松散、剥落、坑槽等病害。

沥青路面的强度取决于集料颗粒间的摩擦力和嵌挤力、沥青胶结料的黏结性以及沥青与集料之间的黏附性。由此可见，黏附性是保证摩擦力和嵌挤力发挥强度作用的先决条件。根据黏附理论可知水稳定性作用机理主要指两个方面：一个方面指的是水降低了沥青的黏附性，由于一般集料都是亲水性材料，水分可进入沥青与集料之间，使得沥青与集料表面的接触面减小而黏结力降低，再加上水对沥青形成冲刷从而导致沥青薄膜剥落，使集料裸露而破坏；另一个方面是指水进入沥青与集料间、隔离了沥青与集料的黏结。

通过上述对水损害的定义及水稳定性作用机理的分析，为我们进一步研究沥青路面水损害产生的原因提供了理论依据。

2 沥青路面水损害的原因分析

2.1 气候因素

福建省的气候特征是夏季气候炎热，最热月份平均最高气温>30℃；降雨量大，年降雨量>1 000mm，湿度大。针对沥青路面而言就必须把高温与多雨的气候条件作为重点考虑因素。

2.2 汽车荷载因素

福建省大力推进海峡西岸经济区建设，提高经济综合实力，汽车制造业和汽车运输企业以及港口吞吐量都得到了迅猛发展，高等级公路承担越来越繁忙的运输任务，同时公路运输企业为了不断提高经济效率，降低运输成本及能源消耗，导致高等级公路上大型集装箱车运输车辆越来越多且超载现象普遍存在。

由路面病害调查分析发现：处于超载超限状态下的路段比正常荷载状态下路段更易产生车辙、横向裂缝、坑槽及松散剥落等病害，以上病害都给水的浸入提供了通道，再加上车辆荷载的作用，根据水稳定性作用机理可知产生沥青路面水损害就成必然的趋势。

2.3 设计因素

2.3.1 路面结构不够合理

调查发现损坏的沥青路面在设计上普遍存在层厚与沥青混合料公称最大粒径不匹配：层厚偏小，最大公称粒径偏粗，厚径比偏小的问题。福建省某高速公路沥青层的厚径比见表1。

表1福建某高速公路沥青面层层厚与混合料公称最大粒径

层位混合料类型代号最大公称粒径(mm)层厚(mm)厚径比上面层中粒式AK-16A16402．50中面层粗粒式AC-2526．5501．89下面层粗粒式AC-2526．5702．64

从表1可知，符合我国现行公路沥青路面施工技术规范规定，表面层集料最大粒径不大于层厚的1/2、中下层不大于2/3的要求。但实践研究表明：当最大粒径与层厚比超过1/3时(即厚径比小于3)，容易引起沥青混合料的离析，而且不易压实，更容易导致路面局部区域空隙率过大，成为透水、积水的场所，造成沥青与集料的剥离。

2.3.2 级配与空隙率不匹配

控制沥青路面表层矿料级配的指标众多，但主要指标是混合料的设计空隙率和路面实际空隙率。而原沥青路面设计规范规定对沥青混合料路面压实度指标只要求按马歇尔密度的压实度不小于96%，并没有充分考虑沥青混合料结构类型下最大理论密度压实度以及沥青混合料抗渗指标，但实际情况是按沥青施工技术规范要求控制得到的悬浮密实型沥青路面的实际空隙率大部分都超过了7%(见表2)。

表2 96%压实度控制的马歇尔试件空隙率与路面实际空隙率对照表

注：路面实际空隙率=100%-96%×(1-马歇尔试件空隙率)

据国内外研究机构对密级配沥青混合料空隙率与透水性的研究以及美国的Brown和Collins等在美国乔治亚州对离析混合料的研究表明，当沥青路面的孔隙率在8%(相当于设计空隙率为4%而压实度为96%的情况)以下时，混合料的透水性很小，几乎不透水，不易产生水损害；而当路面实际空隙率为8%～15%的范围内时，水就容易进入混合料内部造成水损害。

2.3.3 原材料选择及配比方面

黏性大的沥青的抗水性能要比黏性小的沥青好,这是由于黏性大的沥青中存在较多的极性物质,并具有良好的湿润性。聚合物改性沥青通常具有良好的抗水性能。集料是由矿物质组成的,每种矿物质都有其独特的化学性质和晶体结构。对于剥落而言,关键是集料对水的吸附能力的大小,亲水性材料对水的吸附能力比沥青大,而憎水性材料恰好相反。通常亲水性材料有较多的硅质含量,集料显酸性；而憎水性材料硅质含量较低,集料呈碱性。另外,沥青混合料水稳定性不足，采用抗剥落剂，没达到目的；沥青混合料矿料级配不合理、空隙率过大；路面密水性差；混合料水稳定性不足。

2.3.4 防排水设计不善

不重视防排水设计是设计中最薄弱环节之一。路面结构层排水不畅；中央分隔带向路面体渗水；路表面及边沟排水不畅，路面积水；挖方段路基渗水，排水一般采用堵的方式，盲沟效果不好。

2.4 施工及施工管理因素

2.4.1 沥青路面施工

在沥青路面施工工序中，厚度、压实度及平整度是三个最重要的技术指标，一定要在确保压实度的前提下努力提高平整度，但一些工程由于施工过程中片面追求平整度造成压实度受到较大的影响，导致了路面的损害。

2.4.2 施工管理

施工管理不严，混合料拌合不均匀以及矿料中杂质尘土过多，运输过程中产生离析，摊铺和碾压温度控制不好，这些都严重影响到沥青与矿料之间的黏结，从而使沥青路面易产生水损害。

2.5 养护因素

由于我国高等级公路养护历史较短，养护管理只能沿用传统经验，一般是依靠路面状况的定性观察和工程师的主观经验来确定养护路段和养护技术措施，缺乏一定的先进性和准确性，并且养护技术手段落后。

3 沥青路面水损害的防治措施

根据以上分析，沥青路面产生水损害的原因复杂多样，无法通过单一的技术途径轻易地解决。因而，必须做好病害发生前的“防”，同时还应做好病害发生后的“治”，防止病害进一步扩大，从各个方面采取综合治理措施，将损害发生的可能降低到最小程度。

3.1 优化面层结构

优化面层结构，增加中、下面层厚度，控制厚径比使之大于3(见表3)。

表3 公路沥青面层层厚与混合料公称最大粒径

现在沥青面层的集料粒径普遍偏粗，通过控制与调整使其与相应的压实层厚度匹配，并使厚径比不小于3。

3.2 优选原材料，调整混合料级配

3.2.1 集料

集料的亲水性程度也直接决定着沥青和集料之间黏附性的优劣。使用憎水碱性石料时的黏附性优于亲水酸性石料的黏附性，因此采用石灰岩集料拌制的沥青混合料，其黏附性明显好于酸性的花岗岩沥青混合料。对于用于高速公路、一级公路、城市快车道、主干路沥青路面表面层的粗集料应该选用坚硬、耐磨、抗冲击性好的碎石或破碎砾石，不得使用筛选砾石、矿渣及软质集料，该类粗集料应满足粗集料磨光值以及与沥青黏附性的技术要求。当坚硬石料来源缺乏时，允许掺加一定比例较小粒径的普通粗集料，掺加比例根据试验确定，同时，对在沥青路面面层使用与沥青黏结性差的天然砂或花岗岩、石英岩等酸性岩石破碎的人工砂及石屑等细集料时，应采取抗剥落措施对细集料进行处理。另外，为了改善沥青混合料水稳定性，可以采用干燥的磨细生石灰、消石灰粉或水泥作为填料，但其用量不宜超过矿料总量的1%～2%。众所周知，保证材料的质量合格是创建合格、优质工程的前提，对于集料的采购和供应，必须事前取样做好试验，符合质量要求才能进货，严把材料的质量，不合格的材料决不用于施工，防止不合格的材料给工程造成重大损失。

3.2.2 沥青

沥青与集料的黏附性主要取决于沥青自身特点，随着沥青稠度的增加或沥青中一些类似沥青酸的活性物质的增加，其黏附性加大。高等级沥青混凝土路面的下面层宜采用优质的道路石油沥青70号，中、上面层宜优先选用SBS改性沥青，下封层和黏层宜采用改性乳化沥青。

3.2.3 沥青混合料的配合比

采用悬浮密实结构的沥青混合料的水稳定性比采用骨架空隙结构沥青混合料的水稳定性要好，兼顾福建省高温气候特点，沥青面层可以采用密实的粗型“S”型开级配，使路面均匀密实。

3.3 加强路面施工质量及管理

3.3.1 施工操作

沥青面层宜连续施工，在没有特殊情况下，沥青面层和基层最好在一天内施工完毕，这样可以大大地减少层间污染，从而有效避免沥青层的早期损坏。沥青结构层之间的黏结宜采用喷洒快裂型乳化沥青黏层油，使结构层之间完全连续是一个整体。

3.3.2 施工质量动态管理

对沥青混合料或沥青路面来说，离析是产生局部损坏的>重要原因，如何发现离析并采取措施，提高混合料的均匀性是防止沥青路早期损坏的重要手段之一，这必须借助于动态质量管理来实现。

3.3.3 铺筑试验路

对高等级公路应严格按施工技术规范要求在正线上按正规的施工工艺铺筑正式的试验路段，而不是在老路、匝道、连接线上铺筑，真正起到对正线施工的指导作用，保证施工质量。

3.4 设计完善的排水系统

3.4.1 适当增大路拱横坡,改善超高路段的排水

福建省是多雨潮湿地区,可采用公路技术标准横坡的上限,以利于排水,在超高路段,水是反向流向路面内侧,必须做好集水井等排水设施,内侧边沟和排水管、盲沟等各种措施都必须仔细考虑。

3.4.2 减少水分在沥青面层中的滞留时间

减少水分在沥青面层中的滞留时间无疑会减少水损坏的危害,沥青路面的排水系统必须严格按照规范进行设计,在硬路肩下面设置碎石排水层,必须在超高段底部设置排水盲沟,确保层间水和表面水能迅速排出路面；另一方面在保证抗车辙能力的条件下,可减少沥青路面的空隙率,同时设置完好的层间防水黏结层,防止水分下渗。

3.5 加强公路养护管理

沥青路面在使用过程中要保持良好的使用品质和延长使用寿命，养护是关键。因此必须采取先进的养护机械设备及技术，不断改进和提高养护作业方式和施工工艺，走机械化养护的道路，从而降低养护成本，提高养护质量。

4 结语

福建省气候炎热多雨，交通网络四通八达，但干线道路上多为重载交通，极易发生沥青路面水损害，提高沥青混凝土的水稳定性，要充分了解当地的气象资料、降水情况；路面设计从材料着手，选择水稳定性良好的集料；混合料配合比设计以水稳定性作为控制指标，选择结构致密的面层级配，采取综合治水措施；加强施工过程中的质量动态管理以及养护管理工作，从而提高路面的使用品质，延长公路的使用寿命。

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