水损害背景下的沥青路面质量分析与防治对策

张晓红

（邢台市信都区地方道路管理，河北 邢台 054001）

0 引言

目前，随着道路结构不断发展优化，公路建设中的各种病害防治工作日益引起工程技术人员的重视，沥青路面水损害问题是一个非常突出的问题[1-3]。自20世纪70 年代末和80 年代初以来，人们认识到水分对沥青混凝土路面有不利影响。在许多路面中，观察到路面发生车辙、剥落和磨损。大量路面因湿害而发生的损坏和劣化表明了问题的重要性和严重性。水分损害通常可分为两种机制：附着力损失和黏聚力损失。这种损害可能是这两种机制的综合结果。此外，水分损害是其他几个因素的函数，如沥青黏合剂的变化、沥青黏合剂含量的减少以满足与交通量增加相关的车辙、骨料质量的变化、所选设计特征的广泛使用增加以及质量控制差。水损害部位局部透水性较重，排水不良，主要特征有：路面孔洞、局部地表网孔开裂变形、泵送浆体和松散片状[4-6]。

1 沥青路面水损害特征

1.1 自上而下的水损害

路面早期的水毁多为自上而下的，往往局限于表层的松散和坑洼。地表坑槽的形成条件是水能够渗入地表，但很难继续渗入，同时孔隙面较大，具体如图1所示。

图1 坑槽水害代表形式

1.2 自下而上的水损害

早期，通常伴有小裂缝，泵送泥浆，然后在反复荷载下高速吸力，沥青层与基层界面条件恶化，沥青层底因拉应力超过极限而开裂。

2 水损害机理分析

水损害机理主要包括黏结强度损失和黏结力损失，由内部因素和外部因素引起的损害，本文主要从路面结构形式上解决这些问题。

2.1 黏附理论

沥青和集料是沥青混凝土混合料的两个主要组成部分。它们在混合料中的相互作用对路面的性能起着重要作用。这两种成分都有各自的化学和物理性质。当沥青和集料紧密接触时，它们的这些性质也会相互影响。混合料中沥青与骨料的重量比通常为5%～6%沥青的和94%～95%骨料。集料在组成、表面化学和形态方面有很大的差异，包括表面积、孔径分布和易碎性。由黏土或其他矿物组成的灰尘经常覆盖在表面，在骨料制备过程中没有完全清除。这导致同一骨料表面的不同部分具有不同的表面化学性质。集料在其表面具有各种活性和非活性位点，它们在沥青分子与集料的相互作用中起主要作用。骨料的表面结构各不相同。有一些集料具有较大的表面积和良好的孔径，以便充分渗透沥青。有时会发现集料表面的这些细孔中夹带空气，因此沥青很难渗透到整个集料表面。基于此，在骨料表面上存在各种活性和非活性部位。

另一方面，沥青由含有一些极性官能团的碳氢化合物和含有金属（如镍、钒和铁）的有机金属成分的混合物组成。通过进一步的研究，可以确定沥青和集料之间界面的化学反应会导致影响最终黏结强度。骨料提供了一个不均匀的表面，具体见图2所示。

图2 沥青与骨料的吸附作用

沥青和集料之间的化学反应发生在混合时，由于这些化学反应，更大范围的化学作用会持续，并影响沥青和骨料之间的长期耐久性。当热沥青覆盖骨料颗粒时，它往往会进入任何可用的裂缝或孔隙，带电骨料表面吸引沥青中含有的相反带电或部分带电的官能团。被吸引的分子中可与其他沥青分子相互作用的部分将是集料的电荷，因此将与其他相反电荷或部分电荷的沥青分子发生静电相互作用。沥青-骨料黏结处的准平衡状态可能会保持一段时间，具体见图3所示。由摩擦力引起的破坏将平衡状态改变为新的准平衡状态或沥青-骨料黏结的稳定（尽管可能缓慢）衰减状态。沥青和集料之间的黏结失效可能在界面处失效，在沥青中为黏结失效，或在集料中为结构失效。

图3 沥青骨料稳定平衡状态

2.2 水损害原因分析

2.2.1 老化

沥青混凝土配合比随时间劣化的原因之一是老化。由于老化过程中发生的化学成分变化，使用中的沥青硬化可能会影响沥青-集料黏结。氧化老化引起的变化可以改变界面的化学性质。老化过程中产生的化合物对骨料表面都有很高的亲和力。沥青与表面的附着力取决于界面上官能团的类型及其与表面的牢固结合能力。

2.2.2 剥离

沥青与集料的黏结剥落是一个非常复杂的物理和化学过程，通过热力学黏结强度的计算，可以看出集料与沥青黏结热值越小，越容易被集料与水之间较高的热黏结值所代替；一旦水侵入沥青-集料界面，从而代替沥青使其剥离。剥离是沥青混凝土路面的主要病害之一，是由于水渗入沥青集料基体界面而引起的。沥青和骨料中的水侵入力会破坏路面，水可能存在于用于混合料的骨料孔隙中，也可能通过渗透沥青裂缝而侵入。水通过沥青膜扩散，然后到达表面，争夺集料表面的活性部位，从而破坏沥青-集料的黏结，具体见图4所示。

图4 环境因素导致沥青混凝土混合料中的水分入侵

2.2.3 荷载

混凝土混合料中截留的水会导致压力，进而导致损坏。由于孔隙压力的持续增加会破坏集料表面的沥青膜，或会导致沥青玛蹄脂中微裂纹的增长，因此，重复交通荷载作用产生的滞留水所承受的应力会加剧损坏。由于微裂纹孔隙中形成的孔隙压力会通过裂纹尖端的更高压力的发展，因此在存在水的情况下，这种损伤的速率会加剧。

路面容易发生水力冲刷。在这里剥离是由于轮胎在饱和表面上的作用造成的。轮胎作用使水从轮胎下面吸入路面。渗透作用发生在集料孔隙中存在盐或盐溶液的情况下，并产生渗透压梯度，实际通过沥青膜吸水，具体见图5所示。

图5 在荷载条件下沥青混凝土因水损坏模型

3 路面水害防治

防止水损害有两种途径：一是减少水分进入；二是提高集料与沥青之间的黏结性。

3.1 控制空隙率减少水分进入

经验表明，当压实度为95%时，现场钻孔试件空隙率值约为8%～10%。现场钻芯空隙率为：

式中：k为现场压实度，VV为标准密度的马歇尔试件空隙率。

Ⅰ型沥青混合料规定为3%～6%，计算某现场钻孔芯样空隙率，具体结果如表1所示。

表1 现场试件空隙率计算结果 单位：%

3.2 提高集料与沥青之间的黏结性

提高集料与沥青之间的黏结性即防止沥青混凝土拌和料剥离，防止剥离的方法多种多样，通常是通过在沥青集料混合料中添加抗剥落剂实现的。其中一种是熟石灰，由于熟石灰表面官能团对水的作用不敏感，在这种情况下形成牢固的不溶性键，因此，石灰处理过的骨料会与沥青黏结得更牢固、更耐用。在沥青混凝土生产中，添加熟石灰的方法包括：按比例向滚筒或间歇式搅拌机中添加石灰；向干骨料和湿骨料中添加干石灰；在混合前向干骨料中加入石灰浆；混合前浸泡或储存石灰处理过的骨料。

4 结语

沥青路面水损害有路面结构、施工水平的原因，本文探讨了水损害发生的形式以及形成机理，阐述雨水对路面水损害的影响，在分析沥青路面水损害成因的基础上，从外部和内部两个方面分析了水损害的类型以及形成机理，并提出了防治措施，希望能提高沥青路面水损害的防治水平，保证沥青路面的使用寿命。