解決瀝青路面水損害早期損壞的技術途徑

1、1.引言從上世紀八十年代開始到現(xiàn)在，我國公路的基礎設施建設實現(xiàn)了突飛猛進的發(fā)展，其突出標志是高速公路里程的增加，不僅在高速公路設計方面有飛躍式的提高，而且在建設方面也達到了一定的水平，為我國國民經(jīng)濟的發(fā)展作出了突出貢獻。在全國各地高速公路的建設中瀝青混凝土路面占了很大的比重，瀝青混凝土路面有很多其他路面無法比擬的優(yōu)點。如瀝青路面由于屬于柔性路面，減震效果好、行車舒適性好、噪音?。?柔性路面對路基的不均勻沉降適應性強；路面成型快，修完碾壓后馬上就能通車；瀝青路面的平整度好；養(yǎng)護維修方便等優(yōu)良性能。 隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，高速公路日益發(fā)揮主通道的作用，但隨著交通量的不斷增長，很多瀝青混凝土路面出

2、現(xiàn)了一定的早期破壞，尤其水損壞比較嚴重，高速公路瀝青混凝土路面水損害早期損壞原因是非常復雜的，可以歸納為瀝青混合料空隙率過大、路面滲水、排水設施施工不完善、壓實度不足、瀝青混合料抗水損害能力不足、厚度偏薄等原因。本文通過對施工中經(jīng)驗的總結對高速公路瀝青路面早期水損壞的防治途徑進行了詳細的論述。2.高速公路瀝青性能與路面的損壞機理瀝青路面應具有堅實、平整、抗滑、耐久的品質，同時，還應有高溫抗車轍、低溫抗裂、抗水損害以及防止雨水滲入基層的功能。這就要求瀝青具有高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、耐久性、抗滑性、防滲性等性能，下面就簡述一下瀝青路面受這些因素的影響而產(chǎn)生的損壞原理。2.1瀝青路面由于溫度開裂而產(chǎn)

3、生的損壞機理 溫度越低，瀝青對于混合料性能的影響越大。瀝青是一種感溫性、粘彈性材料，在正常使用條件下，瀝青能夠使路面內由于溫度變化而產(chǎn)生的應力松弛。 在低溫下，所有的瀝青均不再有粘滯流動而具有純彈性。瀝青勁度最大時的溫度隨瀝青等級、油源、齡期和應變速率而變化。當考慮溫度開裂時，應變速率與路面內溫度變化的速率有關，因此，當瀝青經(jīng)受到低溫和溫度突變這種危險的綜合作用時，由于溫度變化引起的應變有能通過粘滯流動得到松弛。當由此產(chǎn)生的應力超過瀝青的抗拉強度時，瀝青路面就開裂。對于同一等級的瀝青，感溫性能越強，低溫開裂的可能性越大。2.2瀝青路面由于疲勞開裂而產(chǎn)生的損壞機理疲勞是瀝青砼路面在重復荷載的作用

4、下產(chǎn)生的。其原因是：施加的荷載超過了結構設計標準；實際交通量超過了設計交通量；各結構層承載能力的降低；環(huán)境因素引起的附加應力。2.3瀝青路面由于車轍作用而產(chǎn)生的損壞機理車轍是路面結構各層的永久變形之和，這些變形由材料的固結或塑性流動引起，并且在高溫季節(jié)較為嚴重。瀝青性能對車轍的影響低于瀝青混合料以及施工質量對車轍的影響。在一定溫度下，提高瀝青混凝土的勁度會增加路面的抗車轍能力，增加瀝青的粘度也會改善瀝青混合料的抗車轍能力。同樣，如果所用的結合料能使混合料在受力后產(chǎn)生較大彈性恢復，那么也會改善其抗車轍性能。瀝青的物理性質對路面車轍有些影響，在給定的溫度和加載速率下，高粘度的瀝青會產(chǎn)生勁度高的瀝青

5、混合料，而較高的勁度會產(chǎn)生較高的抗車轍能力。2.4瀝青路面由于水害作用而產(chǎn)生的損壞機理 瀝青與礦料之間的粘結在潮濕的條件下會被削弱或損壞，而在行車荷載及水分的聯(lián)合作用下，這種損壞會明顯加劇。水害會導致瀝青路面產(chǎn)生車轍、剝落、泛油及局部的結構性破壞。高粘性瀝青比低粘性瀝青受水的影響小，并且任何在混合料壓實之前改善瀝青和礦料表面潮濕狀態(tài)的措施都會提高混合料的抗水害能力。2.5瀝青路面由于瀝青的老化而產(chǎn)生的損壞機理 路面中瀝青的老化可以通過路面的外觀來判斷，如干澀，色發(fā)暗，常常還伴有表面礦料剝落。大多數(shù)情況下，結合料的老化會導致粘度和脆性的增加。瀝青的氧化性老化，在高空隙率瀝青混合料中會加速進行，在

6、密級配混合料中老化主要發(fā)生在路表面。3.高速公路早期損壞的類型近年來我國高速公路的建設速度很快，到1999年底，通車里程已超過1萬km。其中大部分的質量是好的，但也有一些高速公路建成通車后不久，短的幾個月，長的2-3年，就不得不進行大面積維修，路基路面的早期損壞問題引起了廣泛的關注。我國高速公路路基路面存在的較為普遍的早期損壞現(xiàn)象，可以歸納為以下6種通?。簽r青面層早期損壞：車轍、泛油、松散、坑槽、水損害破壞；水泥混凝土路面斷板、折角、接縫跳車；橋面鋪裝局部破損；結構物連接不順暢、橋頭及接縫跳車；路基沉降，如軟土路段、高填方路堤、半填半挖路段的沉降和開裂；3.1高邊坡滑塌。造成這些損壞，在很大程

7、度上是由于施工管理混亂，不嚴格按照規(guī)范施工造成的。但也有其它原因，如：規(guī)范本身的原因，設計的原因，汽車的嚴重超載重載，而且一般都發(fā)生在雨季，基本上都與水有關，損壞路段還往往存在壓實不足和排水不良問題。本文僅對引起瀝青路面水損害早期損壞的技術原因進行分析并對防治途徑提出一些粗淺的看法，以圖引起反思。4.高速公路瀝青路面水損害早期損壞的特點現(xiàn)在普遍對高速公路瀝青路面的早期損壞嚴重感到憂慮，尤其是近年來一些瀝青面層發(fā)生大面積的水損害破壞，一到雨季，就提心吊膽。這些損壞有以下特點：水損害破壞發(fā)生在雨季，也可能是冰雪融化的季節(jié)，有時一場大雨就導致路面大面積嚴重破壞；行車道破壞嚴重，超車道一般沒有破壞，顯

8、然與重車、超載有關；破壞之初一般都先有小塊的網(wǎng)裂、冒白漿（唧漿），然后松散成坑槽；發(fā)生水損害破壞的地方一般是透水較嚴重且排水又通暢的部位，如挖開可見下面有積水或浮漿；一般不會全路同時破壞，顯然與瀝青混合料不均勻有關，有些不均勻嚴重的路段可能是泛油與水損害同時發(fā)生。5.高速公路瀝青路面水損害早期損壞的原因分析及防治途徑調查表明，造成瀝青路面早期損害破壞的原因非常復雜，可以歸結為瀝青混合料空隙率過大、路面滲水、排水設施不完善、壓實度不足、瀝青混合料抗水損害能力不足、瀝青面層厚度偏薄等原因。5.1關于表面層的空隙率與級配認真選擇表面層礦料級配非常重要，最主要的指標是混合料的設計空隙率和路面的實際空隙

9、率。據(jù)研究，瀝青路面的空隙率在8%（相當于設計空隙率4%壓實度96%時）以下時，瀝青層中的水在荷載作用下一般不會產(chǎn)生動力壓力，不容易造成水損害破壞。排水性混合料的路面空隙率大于15%時，一般都采用改性瀝青，且水能夠在空隙中自由流動，也不容易造成水損害破壞。而當路面實際空隙率在8%-15%的范圍內時，水容易進入混合料內部，且在荷載作用下易產(chǎn)生較大的毛細壓力成為動力水，造成瀝青混合料的水損害破壞。回顧我國早期修建的京津塘高速公路，采用了在歐美、日本等許多國家常用的I型密實式瀝青混凝土，路面滲水很少，并沒有發(fā)生水損害破壞現(xiàn)象。但構造深度較小，擔心對抗滑不利，后來設計規(guī)范根據(jù)有關研究成果將構造深度作為

10、抗滑性能的一項主要指標與磨擦系數(shù)并列，要求不小于0.55mm，有些工程考慮到設計規(guī)范規(guī)定構造深度是在竣工后第一個夏季測定，交工驗收時的構造深度要求又進一步提高，一般達0.7-1.0mm以上，導致表面層不得不都改用AK類“抗滑表層”級配，并逐漸從AK-13變?yōu)锳K-16，隨著構造深度的增大，空隙率也跟著增大，設計空隙率往往在6%以上，路面空隙率一般在10%以上，成為滲水嚴重的半開結構。雖然后來對級配作過各種調整，有些間斷級配混合料盡管理論上有許多優(yōu)點，但施工難度較大，受級配和油石比的波動影響比較敏感，極易造成混合料不均勻，致使路面不是泛油就是透水，實際效果并不理想。而是國外，抗滑磨耗層一般是在路

11、面磨擦系數(shù)下降到一定界限之后加鋪的，很少有新路鋪如此厚的磨耗層的。為了解決空隙率與構造深度的矛盾，既提高耐久性又使路面具有較好的表面功能，采用瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）和同時采用改性瀝青是比較理想的，它對解決水損害將會有良好的效果。但SMA必然要增加相當?shù)某杀荆松贁?shù)重要的工程和交通量特別大的工程外，在短期內不可能成為普遍采用的結構。為此，我們主要還是應該在普通的密級配瀝青混合料的礦料級配上下功夫。對現(xiàn)行規(guī)范的表面層級配進行認真的對比，并充分參考美國Superpave的研究成果，是目前許多工程采有的技術途徑。表1是參照Superpave的方法推薦的表面層的礦料級配，姑且命名為AC-13K

12、和AC-16K，繪制的礦料級配曲線如圖1、圖2所示。所建議的級配呈扁S形，有5個特點：表1 建議的表面層礦料級配與現(xiàn)行規(guī)范級配的比較瀝青混合料通過下列篩孔（mm）的百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-13I型AC-13II型AK-13A型AK-13B型建議AC-13K10010010010010095-10090-10090-10085-10095-10070-8860-8060-8050-7062-7648-6834-5230-5318-404-5536-5322-3820-4010-3028-4024-4114-2815-308-22

13、15-2518-308-2010-235-1510-1912-225-147-183-127-158-103-105-103-96-124-82-64-82-64-8AC-16IAC-16IIAK-16AAK-16B建議AC-16K江蘇AK-16C10010010010010010095-10090-10090-10090-10095-10093-10075-9065-8570-9060-8270-8476-8658-7850-7050-7045-7058-7261-7342-6330-9030-5025-4540-5440-5032-5018-3522-3715-3527-3728-3622

14、-3712-2616-2810-2516-2418-2616-287-1912-238-1810-1513-1911-214-148-186-137-1410-167-153-96-134-106-127-124-82-54-93-74-84-84.75mm以上接近Superpave的最大密度線，基本上與原I型相仿；0.3mm-2.36mm位于Superpave的限制區(qū)下方，Superpave容許但不推薦位于限制區(qū)上方的混合料級配；2.36mm通過率在Superpave的控制區(qū)范圍內；由于生產(chǎn)水平的提高，級配范圍比現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的要窄，粗集料主要篩孔通過率范圍從20%降為14%。圖中繪入了兩條最

15、大密度線，供考慮不同最大粒徑時參考，在美國AC-13的最大粒徑是19mm，在歐洲AC-16的最大粒徑是22.4mm，在我國習慣上分別把16mm、19mm作為最大粒徑。不過應該特別注意，由于此建議級配尚未經(jīng)過實踐驗證，使用時應該慎重。確定一個級配范圍的標準是很嚴肅的工作。隨隨便便定一個級配就在工程上大規(guī)模使用是不合適的。建議有志試用的工程先鋪筑試驗路，以確認是否可行。同時，作為抗滑表層的馬歇爾設計指標應改為規(guī)范的I型標準，擊實75次，空隙率控制在4%左右。江蘇省在實際上采用了這種做法，表1中列出了江蘇省的建議級配AK-C型，與本建議的AC-16K很相近。在修訂表面層級配時，肯定會遇到與現(xiàn)行規(guī)范構

16、造深度之間的矛盾，建議在調整高速公路瀝青面層抗滑指標時重點保證表面層集料的磨光值，并以鋪筑后行車過程中的摩擦系數(shù)作為綜合指標，這就足夠了。對構造深度的要求要適度，過大的構造深度勢必使空隙率跟著變大，并以犧牲耐久性為代價。高速公路與一般公路的交通事故特點有明顯的不同，高速公路上的交通事故絕大部分發(fā)生于冰霧等惡劣氣候條件下以及汽車的疲勞駕駛、爆胎等情況，很少有中低級公路上常見的雨天滑溜事故。高速行車水漂主要是車轍積水，而瀝青路面的初期壓密很快會產(chǎn)生超過構造深度的變形。構造深度主要是對水霧及水膜厚度有明顯影響，構造深度應以路面不受水損害為度。過高的構造深度要求很可能影響路面的壓實。5.2加強壓實，減

17、少空隙率有些單位對壓實度的重要性的認識不足，壓實不足是一個比較突出的問題。例如：（1）追求平整度和擔心構造深度使壓實受到影響。盡量壓實度的測定數(shù)據(jù)都合格，但其真實性有懷疑，有些工程不按照規(guī)范要求的方法測定壓實度（標準密度取值不合適），或隨意調整標準密度；個別工程主管部門出于功利思想和互相攀比的影響，提出了一些不切實際的平整度要求和獎懲措施，導致片面追求平整度，放松了對壓實度的控制。這些工程的共同點是通車以后平整度迅速衰減，面層壓實變形明顯。有的工程單位擔心振動壓路機碾壓影響平整度和構造深度而輪胎壓路機的噸位又偏輕。應該明確，平整度固然重要，但壓實度更重要，必須在確保壓實度的前提下提高平整度。（

18、2）現(xiàn)行規(guī)范對壓實度的要求規(guī)定有缺陷，如在美國要求符合3個或其中1個壓實度標準：a)實驗室馬歇爾密度的96%；b)實測最大理論相對密度的92%；c)試驗路鉆孔密度的99%，實際上前兩個標準可以互相換算，若最大理論密度Dmax馬歇爾試件密度Dms，則以小數(shù)表示的空隙率V設計=1-Dms/Dmax，若鉆孔試件的實測密度為D芯樣實測，則按馬歇爾密度計算的壓實度K1與按最大理論密度計算的壓實度K2之間有下列關系K1=D芯樣實測/Dms或K2= D芯樣實測/Dmax=K1×（1-V設計）或K1=K2/（1-V設計），其中關鍵是混合料的設計空隙率V 。K1=96%，K2=92%兩個標準等效的條件

19、是V設計=4.17%。表2對這兩個標準進行了對比。 不同方法控制壓實度的比較 表2設計空隙率（%）馬歇爾密度控制K1（%）最大理論密度標準控制K2（%）路面實際空隙率（%）29696%/（1-0.02）=94.085.9249696%/（1-0.04）=92.167.844.179696%/（1-0.0417）=92869696%/（1-0.06）=90.249.7689696%/（1-0.08）=88.3211.68292/（1-0.02）=93.87928492/（1-0.04）=95.839284.1792/（1-0.0417）=96928692/（1-0.06）=97.87928892

20、/（1-0.08）=100928也就是說，當空隙率小于4.17%，要求壓實度為馬歇爾密度的96%，意味著比控制最大理論密度的92%要高。相反，當空隙率大于4.17%時，要求壓實度為馬歇爾密度的96%，意味著比控制最大理論密度的92%要低。例如當空隙率為8%時，達到馬歇爾密度的96%，實際上只達到最大理論密度的88.3%，要求達到最大理論密度的92%，則應該達到馬歇爾密度的100%。所以對設計空隙率大于4%的層次，現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定馬歇爾密度的96%的壓實標準是偏低的?，F(xiàn)在江蘇省的一些高速公路已經(jīng)開始同時采用理論最大密度92%進行雙控。也有些工程已經(jīng)將壓實度標準從96%提高到97%或98%。（3）有些

21、工程出于平整度的考慮，不切實際地采用一臺攤鋪機全幅攤鋪的方法，容易造成離析，振搗力較小，壓實不均勻。建議一臺攤鋪機的鋪筑寬度不大于6-8mm，高速公路一般應采用兩臺攤鋪機梯隊式的攤鋪方式。5.3采用合理的集料粒徑和適宜的瀝青面層壓實層厚度現(xiàn)在瀝青面層的集料粒徑普遍偏粗，與其相匹配的壓實層厚度稍偏薄，不利于壓實。美國以前規(guī)定結構層厚度應不小于最大粒徑的2倍，NCAT認為從施工角度出發(fā)，最大集料粒徑不宜超過松鋪厚度的一半，現(xiàn)Superpave提出宜為公稱最大粒徑的3倍，澳大利亞要求2.5倍?，F(xiàn)在表面層普遍采用公稱最大粒徑16mm，厚度4cm，相當于2.5倍，顯得稍?。蝗绨?倍宜采用5cm，4cm

22、表面層如果采用粒徑13mm可能會好一些。由于集料的生產(chǎn)和價格的關系，16mm粒徑是我國常用尺寸，當初是由LH-20轉過來的，按歐洲的級配系列，公稱粒徑16mm的最大粒徑是22.4mm，不是19mm。中下面層的厚度5-6cm與粒徑26.5mm相比就更薄。我國施工規(guī)范規(guī)定表面層集料最大粒徑不大于層厚的1/2，中下面層不大于2/3，以及設計規(guī)范對適宜厚度的規(guī)定對高速公路顯然是不合適的。集料粒徑大造成瀝青混合料離析是普遍存在的問題。不僅表面層，中下面層更嚴重。底面層混合料普遍采用空隙率較大的AC-30或AC-25II型瀝青混凝土，粗集料粒徑偏大，離析無法避免，層厚越薄，越易形成局部區(qū)域空隙過大，成為透

23、水、積水和積漿的場所，容易導致與瀝青與集料剝離。當然集料離析還有另一個更重要的原因是施工所使用材料的變異性太大，砂石料來源雜、質量不穩(wěn)定，使級配變化太大，往往不能達到配合比設計的要求。我們應該象重視瀝青質量一樣重視占混合料總量90%以上的砂石材料的質量。還應該根據(jù)集料粒徑采用合理的瀝青面層的設計壓實厚度，隨著時代的發(fā)展，不能單純過分地追求減薄。如果考慮到核實效果，設計層厚一般不宜小于公稱最大粒徑的3倍。例如集料粒徑13mm，表面層厚度4cm，如集料改為16mm粒徑，則表面層應不小于4.5cm；中面層宜采用AC-20I型，厚度不宜小于6cm；下面層采用AC-25I型，厚度不宜小于8cm等等。這樣

24、三層組合的瀝青面層的總厚度一般需達18cm。如果必須減薄，也可考慮采用雙層結構，下面層采用AC-25I型，厚度可達8-10cm，或者在表面做一個更薄的磨耗層。5.4做好路面排水和封水水是瀝青路面水損害之源，而對水的處理無非兩種辦法，一是封（堵），即防止水進入瀝青層的內部；二是排，即將進入到路面內的水排除出去。水的來源有雨、地下水和毛細水，將水與瀝青面層隔離開是最根本的措施。首先從表面層封水，讓水從表面排出路外；表面封不住則從中面層封，讓水從瀝青層內或層間排走；從基層表面封，不讓地下水從下面上來；不讓水浸泡半剛性基層，讓水從瀝青層內或層間排走；如果水進入基層，基層必須能夠排水。反正只要水長期存在

25、于瀝青混合料中或基層表面，唧漿和坑槽難以避免了。可以說，長時間泡水的瀝青路面的壽命肯定是長不了的。現(xiàn)在我國大多數(shù)瀝青路面是瀝青面層本身封不住水，基層又不透水，透層油或下封層也封不住水。不要說現(xiàn)在許多表面本身空隙率甚大，是透水型的；就是很致密的級配，也難免不會局部透水。規(guī)范要求面層至少有一層不透水的I型密級配瀝青混凝土，一般安排在中面層。但由于許多高速公路雖然采用AC-25I型，但集料粒徑較大，離析比較嚴重，且厚度較薄，實際上起不到封水作用。下面層現(xiàn)在大都采用AC-30或25II型，不僅空隙率過大，而且層厚太薄，離析嚴重，非但不能封住水，相反成了積水及積漿的場所。我國路面基層普遍采用半剛性基層，

26、也是不透水的，上面滲入路面和冰凍地區(qū)春融期融化的水容易積聚在基層表面，成為浮漿。近年來對半剛性基層的強度標準越來越高，混合料越來越致密，尤其是二灰碎石比水泥穩(wěn)定碎石透水性更差。因此，在雨季，水進入瀝青層內部是不可避免的。遺憾的是路面設計一般不考慮路面結構層內部的排水。相反普遍設計了埋置式路緣石、砌筑式路肩，阻礙了滲入路面內部的水排出。而且有的路段縱坡不順，埋置式路緣石使路表水不能從邊緣迅速排出，形成局部積水。這個問題在橋面上尤其突出。因此，確保路面排水順暢變得十分重要，排水設計應成為路面設計的重要內容，而引起高度重視。有關部門審查路面結構時不僅審查厚度和強度，還必須審查排水。為此，建議從以下幾

27、個方面考慮排水問題：切實做好中央分隔帶的排水，避免綠化澆水橫向滲入路基。如果不能保證排水，不如改綠化帶為水泥混凝土或瀝青封層。擋水式的路緣石有可能使水滯留在路面上成為水坑，不如將路緣石做成平的，或者干脆不做路緣石，讓水漫流至路外，但路肩及邊坡必須經(jīng)得起水的沖刷。路面設計必須考慮混合料內部層間水和縫隙水的排水總是保證滲入路面內部的水能排出路外。有的工程在中下面層邊緣設置15cm寬的碎石層盲溝縱向排水，上面覆蓋面層，碎石層縱向每5m有一個出口將水排到路外。也有的工程表面層只鋪行車道，緊急停車帶不鋪，中面層上灑布改性乳化瀝青封層，使?jié)B入表面層的水從界面上流出。埋置式路緣石會擋住結構層水的排水，不宜采

28、用；瀝青類平鋪路緣石的效果較好。挖方路段的排水往往是薄弱環(huán)節(jié)，尤其要注意邊溝的深度，不僅能排路表水，還應能排結構層的水，使路面內部的水能排入邊溝。路基中有地下水或裂隙水冒出時，將使路基含水量過大，承載能力嚴重降低，所以挖方路段的縱向排水盲溝也是很重要的。關于基層排水問題，現(xiàn)在我國幾乎全部采用半剛性基層，且強度越來越高，這對整體承載能力是好的，但當瀝青面層不能完全封住水時，下滲的水分及從裂縫進入的水分就會長時間滯留在瀝青面層和半剛性基層的界面上，在荷載作用下形成灰漿，并形成唧漿，最后導致瀝青面層的水損害破壞?；鶎右灰紤]透水性能，要不要限制4.75mm以下細料含量，要不要限制基層強度的上限，是

29、一個值得研究的的問題。我國對能夠透水的級配碎石柔性基層的研究和應用已經(jīng)很有必要了。在瀝青面層下設置排水層，可以是級配碎石層，也可以是嵌擠良好的瀝青或水泥穩(wěn)定碎石層，空隙率應該達到15%以上。但施工期間必須保證路面不被污染，以防將空隙堵住，如果做不到，則排水層不起作用。關于這方面的做法我國路面排水規(guī)范已經(jīng)有所規(guī)定，必須加以研究，取得經(jīng)驗后推廣。加強瀝青層與瀝青層之間的粘結。現(xiàn)在許多工程的施工順序安排不當，在瀝青面層鋪筑過程中或鋪筑后，再開挖中央分隔帶、埋設路緣石、挖出的土污染了瀝青面層，影響了上下層的粘結和協(xié)同作用。施工規(guī)范對粘層油的規(guī)定要求不嚴格也是缺陷，以后應該強化施工組織計劃，所有開挖、埋設、綠化等工序應該在基層施工