沥青路面水损害分析及防治措施

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沥青路面水损害分析及防治措施

来源：发布日期：2008-1-2

1水损害概述
    从早期水损害发生的过程来看，降水从路面空隙、裂缝、中央分隔带等进入路面结构，在水分的长期侵蚀下，沥青膜从矿料颗粒表面剥离，粘附性丧失，混合料逐渐松散，致使唧浆坑槽等损害现象产生并逐渐扩大。

2产生水损害原因
    唧泥、松散和坑槽是沥青路面水损害的主要表现形式。产生水损害的原因有：结构，施工，材料及评价方法等。

2．1产生水损害的结构原因
    水分通过空隙或裂隙(或其它途径)进入沥青路面结构层内，并逐渐渗入到矿质集料表面。由于表面张力(和其它化学力)的作用，沥青与石料间的联结被削弱或完全剥离，汽车轮胎对路面的挤压搓揉作用及与路面间的真空吸附作用加速了剥离的进程，致使路面很快损坏。

2．2产生水损害的材料原因
    二氧化硅含量高的石料(酸性石料)与沥青的裹覆能力差。沥青与集料间的粘附力是影响沥青路面寿命的重要因素，粘附力丧失会导致沥青路面破坏。

    影响沥青与集料粘附的因素有：
(1)沥青和集料的表面张力；
(2)沥青和集料的化学成分；
(3)沥青的粘度；
(4)集料的表面纹理；
(5)集料的多孔性(吸附能力)；
(6)集料的清洁程度；
(7)集料的含水量和沥青的拌和温度。

    有4种理论可以用来解释沥青与集料的粘附机理，它们是：

    (1)力学特性。粘附力依赖集料的特性，如表面纹理、多孔性、表面吸附、比表面积(颗粒尺寸)等。一般来说，表面粗糙和多孔的集料可以使沥青更好地吸附在其表面，产生较大的范德华力。

    (2)化学反应。依赖于沥青和集料的化学成分。由于沥青含有有机酸，总体上是弱酸性，所以往往和碱性石料有较强的粘附力。

    (3)表面能理论。采用集料与沥青、集料与水间的表面能差异，来解释沥青与集料的粘附力。

    (4)集料表面电荷。酸性集料表面带负电荷，所以粘附了沥青的酸性石料，遇水则容易发生剥离。碱性集料反之。

2．3产生水损害的施工和设计原因
    路面空隙率过大是造成沥青混合料水损害的根本原因。在施工中过分强调路面平整度，致使路面碾压不足，空隙率过大；或因为混合料离析，路面局部空隙率过大。目前，沥青混合料设计中常用的空隙率测定方法(水中重法、体积法等)只能给出混合料中空隙的总含量，无法给出混合料中空隙的尺寸、分布形状等信息。

    沥青混合料中集料与沥青粘附性的试验方法有水煮法、水浸法和动力水浸法等。这些方法是将沥青混合料或裹覆沥青的规格颗粒放入水中并按要求加热一段时间后，取出观察集料颗粒表面沥青膜的存留量，用此评价沥青与集料的粘附力。这些试验方法简单，但试验结果受人为因素影响较大。

    另一种方法是残余强度法：取2组试件，一组进行常规的强度试验(抗压、抗拉强度、模量，马歇尔稳定度等)，另一组浸水后(控制水饱和度以及循环次数)进行强度试验，并计算2组试件强度的比值。以沥青混合料浸水后强度损失来评价其水稳定性。残余稳定度标准取85％~70％不等，要求偏低。

3产生水损害的评价指标与方法
3．1空隙率与水损害关系
    压实度不足是早期水损害的主要原因。研究表明，热拌沥青混合料4％一5％的空隙率被认为是不透水的。大多数沥青混合料设计空隙率为3％～5％。施工完毕，大多数要求压实度达到92％，即空隙率为8％。2—3年后，经过车辆压实可以认为达到了设计空隙率。

    研究指出，空隙率和渗透之间并不呈直线关系。当混合料的空隙率<4％时，几乎不透水；当空隙率临界值>15％时，混合料也很少出现水损害，因为此时从水混合料中可以接近自由流动，持水时间不长。

    而在这2个空隙率之间，则是可能出现水损害的危险范围。空隙率在8％~15％之间的沥青路面，水分浸入后，水分会长时间滞留，在有快速交通荷载作用时，空隙中的水分变成有压水形成强烈冲蚀，沥青从矿料颗粒表面剥离，矿料颗粒之间失去粘结，导致沥青混合料松散。

3．2现行评价指标和方法的缺陷
    对大量发生水损害的工程进行调查后发现，水稳性试验结果很好，沥青与矿料的粘附性等级可达4、5级，残留稳定度可达90％，甚至98％以上，但水损害现象依然难以避免。这说明现行试验方法的试验结果与实际效果相关性较差。

3．2．1水煮法试验
    集料与沥青的粘附性指标，目前还没有粘附性等级与路面水损害关系的长期性能观测资料，也没有资料表明粘附性≥4级就不会产生水损害。粘附性等级用水煮法试验评价，水煮法试验结果受人为判断因素影响太大。水煮法只使用了粒径为9．5～13．2 mln的粗集料，而事实上部分细集料砂与沥青粘附性较差，在试验中没有得到体现。调查表明，很多沥青路面的松散是从细料的散失开始的，致使较大颗粒暴露和孤立，在行车荷载的作用下大颗粒脱落，导致路面混合料松散。

3．2．2马歇尔残留稳定度试验
    马歇尔残留稳定度试验采用设计配比(设计级配和最佳沥青用量)的沥青混合料，75次马歇尔击实仪双面击实，试件空隙率已达到设计空隙率(3％~5％)，水分很难浸入。没有足够的水，水损害也就谈不上了。试验空隙率水平不能与沥青路面实际空隙率相一致是该法的最大不足。

3．2．3简化的洛特曼试验方法
    该法要求按照设计配合比双面各击实50次成型沥青混合料试件，但试件的空隙率不明，无法确认其与沥青路面实际空隙率的关系。

    上述各种试验方法的缺陷是造成我国高等级公路沥青路面水损害多发的重要原因。

    表1示出了若干试验段的压实结果。从这些数据可看出，压实度普遍不足，这是采用马歇尔密度控制路面压实度造成的。

    从表1中可以看出，路段1尽管全部满足交通部标准98％，但如果用最大理论密度92％去衡量，有2％的密度不合格；若用93％的最大理论密度去衡量，则7％不合格。路段2尽管满足交通部标98％达到94％，但如果用最大理论密度92％去衡量，有11％的密度不合格；若用93％的最大理论密度去衡量，则56％不合格。

3．3 Superave评价水损害的方法
    Superpave混合料设计方法中，沥青混合料水敏感性采用AASHTO T 283“压实沥青混合料水损害试验方法”来检验，要求间接抗拉强度比(TSR)≥80％作为沥青混合料水敏感性评价指标。目前Superpave统一规范为TSR≥80％。AASTHO T 283的试验方法简述如下：

    用SGC旋转压实仪成型6个试件，试件的孔隙率控制在(7±1)％之内。6个试件按空隙率大致相等分成2组，每组2个，其中一组采用非条件试验，另一组采用条件试验。非条件试验是将试件放在塑料袋里封好，放人25℃水浴中至少2 h后进行试验；条件试验是先将试件放在水中加真空(254~660mmHg)5～10 min，然后让试件在常压下使饱水率达到55％~80％，在(-18±2)℃条件下冷冻处理16 h后，放在(60±1)℃的水浴中24 h，最后再放入25 ℃水浴中2 h后进行试验。所有试件均采用50mm／min的加荷速率测定间接抗拉强度。当2组试件的劈裂强度比<80％时，可认为沥青混合料水敏感性不合格，应添加抗剥落剂并重新进行上述试验，直至TSR≥80％时为止。

    为了评价我国相关方法的合理性，选用2种级配Supl2．5和AC-16I的混合料进行残留稳定度试验、冻融劈裂试验，并与AASHTO T 283方法试验结果进行比较。试件成型、试验条件和计算方法严格按照相关标准进行。

    AASHTO T 283试验结果如表2所示，马氏残留稳定度试验和冻融循环劈裂强度试验分别见表3、表4，各种试验方法不同混合料试验结果对照见表5。

    从表5试验结果发现，采用马氏残留稳定度试验和冻融循环劈裂强度试验对于Supl2．5和AC-16I两种混合料都能够满足指标要求。但当采用T283试验方法时，Supl2．5基本能满足要求，而AC-161则不能满足TSR>80％的要求。试验结果证实了前述分析是正确的。

    仅仅通过了AASHTO T 283的TSR≥80％要求的混合料，只表明其发生水损害的潜在可能性较小；未通过者则表明发生水损害的潜在可能性较大。

4水损害防治途径
    沥青路面水损害防治途径总结如下：

    (1)严格控制沥青混合料的空隙率。密级配沥青混凝土目标空隙率应控制在4％左右。

    (2)现行沥青路面施工技术规范关于水损害的3个指标，即粘附性大于4级、浸水马歇尔残留稳定度试验、简化洛特曼法试验，存在一些缺陷，有待改进。在采用残留稳定度试验和简化洛特曼方法时，建议对沥青混合料试件空隙率加以限制。

    (3)AASHTO T 283利用空隙率为7％的试件来进行试验，模拟刚施工好的路面空隙率，较科学合理，真空饱水条件较严格，加上冻融循环，适合作为南方多雨和有冰冻地区抗水损害的控制指标。

    (4)添加抗剥落剂能提高沥青混合料抗水损害能力。

    (5)即使达到了AASHTO T 283的TSR≥80％的要求，也只表明这种混合料水损害潜在的危险性较小，还应有健全的排水系统、合理的施工条件等各项技术措施来保证。

5结论
    (1)分析了目前几种水稳性评价方法存在的问题，在试验基础上，采用AASHTO T 283方法评价了我国规范中残留稳定度试验和冻融循环劈裂试验的局限性。为了正确评价沥青混合料的水稳性，试件的空隙率应尽量接近路面原始空隙率，即(7±1)％。

    (2)水损害的防治应采用综合手段，以材料的精心选择、科学合理的配合比设计以及严格的施工工艺来保证。

参考文献
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