城市路面沥青材料的水稳性改造的意义与方法改进

史亚峰

（北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037）

自改革开放以来，我国城市路面建设发展迅速。“十三五”期间，城市路面建设相关技术进一步提高，通达水平与通行能力都得到有效提高[1]。沥青材料铺就的路面是一种连续式无接缝路面，具有行车平稳舒适、平整稳当、抗滑耐久、防渗防漏等优点，是目前路面建设的主要形式。在我国城市建设中，沥青路面占据极大建设比例，据统计显示，我国城市90%以上都是沥青路面，与欧美发达国家发展水平相当[2]。但是由于沥青材料自身的特殊性，随着时间的推移，在环境和汽车行驶的双重作用之下，沥青材料路面易发生强度降低、老化破碎等情况，会导致沥青层出现破碎、毁坏等几率增加。城市路面中的沥青材料会在路面使用的各个时期发生损坏，为杜绝城市路面出现损坏，需要在设计和施工阶段就解决沥青材料中所含有的缺陷。

无论何种地理环境，都会普遍存在路面沥青材料早期损坏现象，尤其是我国东南沿海地区，全年雨水量较大，沥青路面损坏情况尤为严重。据统计，一般沥青路面的使用年限是15年，但是如果经常有重量较大的交通工具压过，会造成沥青路面仅使用两、三年就出现大范围损坏的现象，受到环境或自然等因素的影响，部分沥青路面铺设完成后仅几个月就发生大面积损坏，此时不得不将原有损坏的沥青路面铣刨清除后，重新将新的沥青材料铺设在破损路面上，这种反复修补的工程，严重影响交通工具正常运行，对当地经济效益发展也带来不利影响。沥青材料铺设而成的城市路面最常见的损坏形式便是水损坏，但是由于水泡浸渍导致沥青路面呈现许多种形式，主要为车辙变形、坑洞、疲劳裂缝、松散等，如果路面表象展现出这种形式的破损，说明在路面沥青内里已经出现更加严重的损坏[3]。虽然绝大多数沥青路面水损坏有可能突然发生，但是大多数情况都是由渐进过程导致沥青路面出现损坏，破损程度越严重其所引发的交通事故便越严重。

目前已有研究中对于改进沥青材料损坏多使用添加剂改进的方式，本文从多个角度开展具体研究，为沥青路面今后的改进探明方向。

1 城市路面沥青材料的水稳性改造的意义

1.1 影响沥青材料水稳性因素

（1）混合料因素

集料性质影响：沥青材料的性质由集料的性质决定，集料本身所具有的表面状况和化学性质都会对沥青路面中的含水情况造成直接影响。假如高价阳离子存在于集料的表面中，沥青材料的表面会形成一种吸附层，如果是低价的阳离子存在于集料的表面时，沥青材料表面形成的吸附层是极不稳定的，这种不稳定就会直接导致沥青材料铺就的城市路面出现严重的水损害，所以为了避免这种水损害，需要保证集料表面具有高价阳离子。

矿物质材料的表面粗糙度也会直接影响沥青材料的水稳性。由于矿物质材料表面具有很多孔隙且粗糙，在沥青材料中使用矿物质材料会增大沥青材料的表面积，同时也增大矿物质材料和沥青材料之间的粘合面积[4]；如果矿物质材料内的孔隙中渗入沥青材料，或者表面粗糙的矿物质材料与沥青材料混合，就会出现激烈的化学嵌挤反应，导致增大两种材料之间的作用力；由于矿物质材料表面具有较多不规则孔隙，这些孔隙具有一定吸附作用，能够把沥青材料中的轻质油分吸附进去，增大沥青界面上的粘稠性和粘附性。沥青材料和集料之间的粘附性还关系到集料表面的洁净程度，如果有粉尘或者泥土混入集料表面和沥青之间，会造成二者表面出现隔离，导致沥青路面容易出现剥落的情况。

沥青质因素：沥青路面的水稳定性主要受到沥青粘结力的影响。反复仔细调研发现，沥青材料内存在高含量的沥青酸，这种沥青酸使得沥青表面具有极强活性而且造成沥青pH值呈现酸性，这种酸性还能中和集料中物质所呈现的碱性，提升城市路面铺设过程中沥青的粘结力，这种粘结性能力可以降低路面沥青外部水分的渗漏和内部水分的分散，该变化能够有效提升城市路面的水稳定性，使得路面中的沥青始终保持较高湿润性[5]。

混合料类型因素：铺设在城市道路中的沥青材料一般为高温热搅拌密集型材料，具有较小透水性，一旦冷却成型水分很难渗入到沥青内部，通常情况下不容易出现水损害情况。如果铺设城市道路的沥青使用的是改性沥青混合料，水分就会自由流动在沥青材料的孔隙中，虽然存在这种现象，但是水损害同样不容易发生在这种沥青材料之中[6]。如果城市铺设道路所使用的沥青材料孔隙情况介于以上两种材料之间，水分进入沥青材料内部以后，受到荷载作用影响，沥青材料会比较容易出现毛细压力较大的情况，这种情况造成沥青路面反复出现水损害。

（2）环境因素

城市路面沥青材料受到环境因素影响情况也较为严重，外部环境的急剧变化直接对沥青路面的水稳性造成影响。例如我国华南地区，常年空气潮湿降水量较大，即使在晴朗的天气下，空气中也蕴含较多水分子，这些水分子入渗到路面沥青中之后，会造成城市路面出现水敏感性破坏情况。任何地区，如果出现极端天气变化，或者连续不断的恶劣天气，都会对城市路面造成不同程度的破坏影响。

无论是何种材料铺设完成的路面，其本身都有能够承受的最大负荷值，如果由于各种因素影响导致路面所承受的负荷超过这个最大值，就会使路面中的材料发生破坏。车辆在行驶过程中造成的荷载是路面所承受荷载的主要来源，如果存在众多超载车辆行驶在沥青材料铺就的路面上，会严重破坏沥青材料与集料之间存在的剪切力，这种破坏会进一步散失路面中的水分，对应的降低沥青材料粘结力，造成沥青材料城市路面出现水损害情况。

（3）工程因素

城市路面在施工建设过程中先要压实路面再开展后续工作，而路面水稳情况也会直接受到这种压实工程的影响而发生变化。假如施工过程中压实工作不足，就会导致路面沥青材料孔隙率增大，较大孔隙率加速水分渗入到路面内部，导致城市路面出现水损害的情况。由此可以得出结论，在建设城市路面的过程中，不但要严格控制路面铺设时的平整度，还需要着重考虑路面压实过程中的压实密度。确保城市路面施工时压实密度符合相关规定之后再保证路面铺设的平整度。除此之外，城市路面铺设使用的材料是混合材料和沥青结合的一种集料，如果二者之间的配比出现严重失调情况也会导致路面出现严重损坏问题[7]。在配比沥青材料时，如果富含矿物质材料的粗集料使用过度就会提升沥青材料的孔隙率，造成水分容易渗入路面之中，导致城市路面水稳情况被破坏。如果沥青材料中，沥青成分较少，会直接降低城市路面的强度，严重情况下会导致路面出现开裂，对汽车运行造成安全隐患，此种情况也会加快水分进入路面内部，出现水分增多，影响路面水稳定性。

（4）排水因素

水分直接作用也会影响城市路面沥青材料水稳定性。大量水分直接进入路面沥青内部，最直接的影响就是降低路面的承载能力。通常情况下，如果车辆运输给路面造成极大荷载力，此时就会导致城市路面出现严重损坏，例如塌陷或深坑，这些损害会在密集降雨时期形成积水，这种积水形成的另一个原因就是路面排水系统不畅[8]。我国城市道路中，普遍将排水井设置在路面上方，用以实现路面排水，但是这种排水方式只能实现路面上积水排放，沥青材料结构内部渗入的水分却没有相应解决措施。近年来沥青材料结构内部渗水问题才逐渐得到关注，通常情况下采取的解决措施是将路基混合料的密度提升或者把半刚性基层强度增强，通过这种方式把路面透水性降低。但是尽管使用这种方法却不能完全封住路面自身的面层，如果遇上连续降雨天气或者春季冻融天气，大量密集水分同时向路面内部渗透，造成路面基层大量水分堆积，破坏路面沥青材料水稳定性。

1.2 路面沥青水稳性破坏情况

城市路面由于水稳性破坏导致出现的损坏情况分为许多种，图1是几种比较具有代表性的路面损害示例。

图1 路面损坏示例Fig. 1 An example of road damage

城市路面出现松散损坏主要是由于大量集中降水之后，一部分水分渗入到混凝土材料中，并且长期滞留在混凝土材料的孔隙中。沥青材料内部的孔隙率较小，仅为10%，同时存在较大沥青层厚，这种厚度导致水分需要经过较长路径才能渗透到下部。由于流动水压力，沥青与集料受到持续不断的冲刷与侵蚀作用，集料表面的沥青逐渐剥离，导致路面出现松散损坏。路面坑槽损害则是由于路面早期损害发生后没有及时修复和养护，车辆等交通工具不断碾压而导致的；部分路段由于半刚性基层强度较低也会出现路面坑槽损坏。如果能够及时修补早期坑槽损害，可以极大程度恢复路面性能，杜绝坑槽进一步延伸扩展，发展成大片坑槽损害。

龟裂与裂缝是最常见的路面损害情况，发生龟裂和裂缝损害的路面呈现出不规则破碎性多边形裂网，呈现龟背型，这种损坏情况多是由于车辆行驶反复发挥荷载，龟裂与排水不良相互作用，使得沥青混合料变脆变硬，最初裂缝是沿着车辆行驶的方向显示出的多条或者单条缝隙，多条纵横交错的缝隙连接出现龟裂路面[9]。路面上的积水从沥青材料的孔隙中进入路面结构层之内，直至抵达基层表面。半刚性基层质地致密，一旦积水就不能实现迅速排除，造成路面内部形成蓄水区。城市路面上行驶车辆众多，发生反复荷载作用，下层沥青材料对基层材料大力挤压，出现灰浆，这些挤压出的灰浆从沥青材料的孔隙中被挤压出来形成唧泥。由于界面条件恶化，沥青层底部受到较大拉应力，这种拉应力超过极限抗拉强度，导致路面出现裂缝现象。

1.3 水稳性改造的意义

基于以上城市路面由于沥青水稳定性遭受破坏出现的路面损害，导致路面不能正常使用，由此显示出水稳性改造的重要性以及深刻意义。

使用有关措施改造城市路面沥青材料，有效控制城市路面沥青材料质量，保证沥青材料与集料混合之后的搅拌效果，有效浇筑和养护城市路面，同时还能将路面路基的可靠性与稳定性适当提高，防止沥青与集料混合结构的受损情况出现，杜绝路面发生龟裂、裂缝、坑槽和松散的情况，防治路面沥青材料结构层被破坏出现更加严重的路面损坏情况[10]。

城市路面在实际使用过程中，由于天气原因影响经常出现水损害的情况，长期水损害影响导致路面工程质量受到损伤，影响城市路面可靠性与稳定性，路面出现损害后，车辆无法在路面上安全行驶。详细分析城市路面，考虑路面综合情况，改造沥青材料水稳性，加强路面质量控制，改善目前已有路面排水设施，铺设现代科学改进的排水设施，有效排除由于天气原因导致的路面积水，降低地表水入渗概率，保证城市路面工程质量。

养护城市路面时，提升城市路面施工工程质量管理，重新设计铺设合理排水系统，降低水损害对路面造成的伤害，提升城市路面工程质量。只有提升城市路面工程质量才能保证路面建设的安全性与稳定性。良好的城市路面条件为车辆行驶创造良好条件，杜绝车辆行驶的交通意外发生，确保车辆能够在沥青铺设的城市路面上安全驾驶。

2 方法改进

2.1 改进内容

考虑到气候因素影响，部分地区存在多风、日照时间长、干燥、多雨雪、昼夜温差大等气候，在这种影响因素之下，城市路面沥青材料很容易出现老化现象，水稳定性也受到极大程度影响，因此参考国内外研究结果，结合大部分城市综合路面情况，初步设定两种沥青材料配置改进方案，第一种配比中沥青：抗脱落剂：粗骨料：消石灰的比例是1：1：0.2：0.2，第二种配比中沥青：抗脱落剂：粗骨料+细骨料：消石灰的比例是为1：0：0.34：0.2。第1种配置方案中使用抗脱落剂但是没有使用细骨料，第二种配置方案中未使用抗脱落剂但是使用细骨料与粗骨料混合，各制备方案的填料用量均使用矿料合成级配合曲线计算获得。每个制备方案制备试件设置为3组，统计水稳定性能变化情况。

2.2 沥青材料粘附性改进

本次研究主要是测试经过改进方案之后粗集料表面和沥青之间的粘附性能，同时还需要验证使用改进方法之后集料的抗水剥离性能情况[11]。方法参考《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011），粗集料选取13～17 mm粒径，使用清水洗净后浸泡在消石灰水中2h，将烘干箱温度设定为106℃，把粗集料置于烘干箱中烘干30min，统计不同制备方案方法下沥青材料粘附性能。

经分析显示，使用第二种制备方案后，沥青材料的粘附等级达到4～5级，6个试件中2个4级4个5级，而第一种方案的沥青材料粘附等级为2～4级，其中仅有两个试件达到3级粘附。由此可以看出，单加抗脱落剂并不能提升沥青材料的粘附性能，而是需要处理粗骨料的同时结合细骨料，才能获得较好的沥青材料粘附性能。只有提升沥青材料的粘附性能，才能降低水分渗入路面的情况，提升沥青材料的水稳定性，以此提升城市路面工程质量，有效预防沥青路面剥离情况，提升路面耐久性能。城市路面设计与建设工程中，提升质量控制意识，保证集料与基层沥青之间的粘附性。对于城市路面建设过程中使用的沥青材料，应该保证集料和沥青之间的粘附性等级大于或者等于4级，其中路面表层沥青和集料的粘附性应该大于等于5级。经过分析能够看出，严格控制集料的质量，保证粗骨料和细骨料的坚韧程度、镶嵌性能以及耐磨性能，才能保证城市路面的使用质量[12]。为提升路面施工过程中使用的沥青材料粘附性，传统方法多为添加抗脱落剂，但是单纯使用抗脱落剂不如优化集料质量后沥青材料粘附性能好，未来研究中可以一方面提升沥青材料集料的质量，一方面继续探索抗脱落剂的选择，以此确保城市路面沥青材料具有更加优异的水稳定性。

2.3 混合料配合比改进

目前城市道路建设时对于抗滑性能和平整度均有较高要求，所使用的混合料孔隙率一般在6%左右，路面残留孔隙率高于8%，路面水损害情况时常发生。本文改进方法中，按照中值配置调整沥青材料配合比，依据S型级调整集料，降低沥青材料孔隙率，获得良好的沥青水稳定性效果。

在混合沥青材料时，最需要注意的就是沥青材料的孔隙率，国际上设定孔隙率范围应该在3%～6%之间[13]。我国实际建设过程中，综合考虑交通荷载和气候因素将空隙范围调整为3%～5%[14]。

调整沥青材料压实情况也可以控制孔隙率，假如经过加热搅拌的沥青材料孔隙率在4%～5%之间，被认为透水率合格，但是众多施工单位都会在施工过程中忽略压实，只注重路面平整度，造成沥青透水性较差的情况，在改进沥青材料水稳性时，需要将压实过程考虑进去，实现良好的沥青材料透水性。

2.4 路面排水设施改进

城市道路在施工建设过程中，道路横波与路线纵波时常没有达到预定的规定值，经常出现路面坡面不平顺的情况，部分路面还会设置拦水带与路缘石，这些设施的建设会使路面边缘形成凹陷处和蓄水坑，如果雨雪多发，这些凹陷和水坑常常导致路面积水时间过长，路面长时间泡在水里，水分大量渗入到路基下层。为改变这种情况，建议取消道路中的拦水带，使得下雨的积水能够流淌到道路外面，但是这种排水方法需要路面边坡和路肩能够经受住雨水的冲刷。边坡位置可以选择种植质量较高的草皮，也可以使用混凝土或者浆砌块石制作排水沟，优化排水措施[15]。

发生降水情况后，路面内部难免会渗入大量水分，为防止路面发生水损害，需要尽快将路面的积水排除，正是由于这种特点，美国机构制定排水性能表（表1）用以判断路面排水性能。

表1 排水性能表Table 1 Drainage performance table

根据排水性能表，对照路面排水情况，采取改进排水措施，最直接的方法就是不在沥青层附近设置排水阻挡设施，直接使用土路肩和碎石，但是考虑到城市的美观性，在排水设施的改进上还需要进一步研究改进。

3 结语

沥青作为城市道路建设中最常使用的原材料，其水稳定性改造具有深远影响。由于交通荷载与气候因素影响，城市路面经常出现各种情况的水损害，部分损害情况是不可逆的，只有在道路铺设过程中注重沥青材料水稳定性提升，改造沥青材料的水稳定性，才能提升路面的稳定性与安全性，便于车辆能够在路面上长久安全地运行。改进沥青材料配合比，主要需要注重集料和沥青的配合比，以及粗骨料与细骨料的使用，提高我国城市路面的建设质量，避免今后路面建设中出现水损害问题。