摘 要：水损害是道路工程领域持续关注的问题。为了提升沥青路面抗水损害能力，缓解沥青路面水损害，该文综合梳理了国内外相关文献，在分析水损害机理的基础上，对提升沥青路面抗水损害能力措施进行了总结与评价。结果表明：合理选择原材料，添加抗剥落剂，优化路面结构、控制施工质量等措施均可以提高沥青路面抗水损害能力，但应根据具体的情况综合考虑加以选择，才能相得益彰沥青网sinoasphalt.com。

关键词：沥青路面;水损害机理;原材料;抗剥落剂;路面结构;施工控制;

作者简介：王玉林，男，硕士，高级工程师;

基金：浙江省公路管理局科技项目(编号：2018H37);

水损害是指水分侵入路面结构内部，导致混合料强度降低，在车辆荷载等作用下使路面逐渐出现掉粒、松散及结构性破坏等问题[1]。水损害是中国高速公路沥青路面早期损坏的主要表现形式，严重降低了沥青路面的路用性能，缩短道路使用寿命。因此，采用综合措施提升沥青路面抗水损害能力尤为重要。

1 沥青路面水损害机理

水损害常以两种内在形式出现，即黏聚破坏和黏附破坏，如图1所示。黏聚破坏是指在水的作用下沥青变软，致使集料间的沥青开裂；黏附破坏是指水分进入沥青和集料界面，发生置换、乳化等作用，导致沥青与集料黏结力丧失，沥青从集料表面剥离。

图1 沥青混合料内的水损害特征

目前的研究更多偏向于沥青和集料间的黏附破坏[2]。研究人员提出了机械黏附理论、化学反应理论、表面能理论、极性理论等一系列理论定性描述沥青与集料的黏附机理，并基于上述黏附理论揭示水损害机理[3]。然而沥青路面水损害机理尚未统一，目前主要有以下几种破坏机理[4,5,6,7,8]:

(1) 置换：

水对于集料的润湿作用强于沥青，其渗透进入集料与沥青界面后，减小了沥青与集料的黏结面积，最终使沥青膜沿集料表面完整脱离，但沥青膜并没有严重破损。当水分消散，沥青和集料重新受热后，两者又能形成较好的黏结力。道路实际环境并不能提供这样的条件，因此在车辆荷载作用下，沥青混合料逐渐松散。

(2) 撕裂：

当沥青膜有破损时，水沿破损处进入集料表面并向四周扩散而使沥青膜剥落。集料表面黏附不完整，集料锐利的边角处沥青膜破裂，集料表面沥青膜上的小孔等都会导致沥青膜被剥落，致使沥青从集料表面分离。

(3) 乳化：

沥青与水接触的瞬间会发生乳化现象。当乳化进行到一定程度时，沥青和集料便失去了黏结性，进而出现剥离、剥落等问题。

(4) 冻胀：

温度较低时，进入路面结构内的水结成冰体积会增大，强大的膨胀力破坏了沥青混合料的黏结性。

(5) 空隙水压：

沥青混合料中空隙不能相互接触，置于空隙中的水在车辆荷载反复作用下产生的应力梯度，促使水流动产生水压。空隙水压使胶浆产生微裂缝，并逐渐使沥青膜破裂脱落。

(6) 水力冲刷：

饱水面层在车辆荷载作用下的结果。渗透和回抽是水力冲刷的机理。此外，当集料孔隙有盐，或者盐溶液，产生了渗透梯度，驱动水分穿透沥青膜，从而加速沥青膜破坏。

(7) pH失衡：

沥青与集料的黏附性受侵入水pH值影响很大。沥青和集料界面pH值稳定，可以最大程度降低黏附失效的可能，形成强力持久的黏附能力。水的pH值影响沥青和集料的接触角。当进入路面结构内的水受到盐溶液的影响而pH值发生变化时会增大沥青膜剥落的可能性。

2 提升沥青混合料抗水损害能力措施

从水损害机理可以看出：水进入沥青-集料界面导致沥青从集料表面剥离是水损害的根本来源。因此，可从以下两个方面提升沥青混合料抗水损害能力：① 改善沥青与集料的黏附性；② 减少水分进入沥青路面。通常情况下，合理选择原材料、添加抗剥落剂等可以改善沥青与集料的黏附性，在路面结构、施工等方面采取合适措施可减少水分进入路面结构内部，有效提升沥青路面水稳定性。因此，该文从原材料、抗剥落剂、路面结构、施工控制措施4个方面对改善沥青路面抗水损害能力的措施进行总结，以期采用科学的方法缓解沥青路面的水损害问题。

2.1 采用良好的路面材料

2.1.1 基质沥青

沥青中沥青质、芳香分、饱和分、胶质等组分比例对黏附性有一定的影响。胶质在沥青中起稠化剂作用，其黏度远大于饱和分和芳香分，因此，胶质含量对沥青和集料黏附性的影响程度较高[9]。蔡婷[10]研究表明：沥青黏度与胶质含量有较好的相关性，胶质、沥青质与各种矿料的黏附性最好，而饱和分与矿料的黏附性最差；Zhao, PH等[11]研究指出芳香环的缩合指数越大，烷基碳含量越低，越有助于提高沥青的界面活性；周卫峰等[12]对沥青酸值、接触角、含蜡量及黏度与黏附性关系进行了探索，研究指出从沥青角度来讲，使用酸值大、黏度大、含蜡量小、击穿电压小的沥青可以提高黏附性，改善沥青混合料抗水损害能力。

总体来说，工程应用时，应选择黏性较大，不含或少含对水敏感组分的沥青。此外，对沥青改性也可以相应提高沥青混合料抗水损害能力。

2.1.2 改性沥青

改性沥青作为一种有效提升沥青品质的途径，在工程实践中取得了较好的使用效果，其不仅具有较好的耐久性，还具有出色的水稳定性[13]。常用的沥青改性剂有以下几类：聚合物改性剂(热塑性橡胶类、橡胶类、树脂类)、填充类改性剂(天然沥青、硫磺等)、纤维类改性剂(聚合物纤维、矿物纤维等)、纳米粒子类改性剂(纳米氧化锌、纳米二氧化硅、纳米蒙脱土等)。

(1) 聚合物改性剂

聚合物改性剂中常用的是SBS、SBR、PE、EVA 4种改性剂。其中SBS改性剂因其全面的改性效果而被广泛应用。SBS改性剂是一种丁二烯和1,3-苯乙烯为单体的热塑性弹性体，其苯乙烯段(S)和丁二烯链段(B)具有两个不同的玻璃化温度，使得SBS高温下具有塑性，低温下具有橡胶特性。此外，SBS在沥青中能形成一种独立的网状结构，并且改善沥青的黏度[14]。经SBS改性后，沥青发生上述一系列变化，高低温性能得到改善，且抗水损害能力也得到大幅提高。

(2) 填充类改性剂

天然沥青改性沥青因其良好的路用性能而被广泛应用于机场跑道、桥面铺装、高速公路等。Li, L等[15]研究指出，用岩沥青改性基质沥青后，沥青微观结构发生了变化，同时沥青的温度敏感性降低，水稳定性增强；张恒龙[16]研究表明，特立尼达湖沥青(TLA)加入沥青中改变了基质沥青中各组分的相互作用，增大沥青黏度，从而对提高沥青混合料水稳定性有积极作用。此外，硫磺对沥青混合料的水稳定性也有相应的改善作用。硫磺夺取沥青中的氢生成硫化氢，同时和沥青分子发生交换作用生成含硫基团，改变了沥青组成和性质，增强沥青混合料内部的黏聚力，从而提高沥青混合料的水稳定性；于海臣、孙立军等[17]研究表明，硫磺可以改善沥青混合料的水稳定性，但掺量应控制为20%～25%,当硫磺掺量较高时，单质形态存在的硫磺提高了混合料的粉胶比，一定程度上会降低沥青与集料的黏附性。

(3) 纤维类改性剂

纤维类改性剂可以纵横交错分布在沥青混合料中，并发挥加筋作用、稳定作用、增黏作用，增强沥青与集料间的黏附性，因此可以提高沥青混合料水稳定性。常用的纤维类改性剂包括聚酯纤维、玄武岩纤维、木质素纤维等。Yin, CL等[18]研究指出，玄武岩纤维改善了沥青-矿料间的界面结合强度，并提升了沥青黏性，与不添加玄武岩纤维的沥青混凝土相比，其具有更好的耐久性和水稳定性；赵颖华等[19]研究表明，聚酯纤维在沥青中呈立体分布，在“加筋”和“桥接”作用下将沥青和集料有机结合，提高了水稳定性。但聚酯纤维掺量较大时出现凝聚和结团现象，因此其掺量应控制为0.2%～0.25%[20];包塔纳[21]研究表明：由木质素纤维、聚酯纤维组成的复合纤维可以大幅提高沥青混合料的抗水损害能力，复合改性后的沥青混合料水稳定性优于SBS改性沥青混合料。

(4) 纳米粒子类改性剂

王萌等[22]探究了碳纳米管改性沥青的黏附性，陈涵召等[23]对纳米ZnO改性沥青混合料进行了研究，孙璐[24]探究了纳米SiO2对沥青的改性效果，结果表明，这些纳米粒子改性剂在一定程度上均可以提高沥青混合料的抗水损坏能力。但目前这些纳米粒子改性剂成本昂贵，且在沥青中容易出现团聚，不能充分发挥纳米粒子的改性效果[25]。总体来说，目前纳米材料改性剂技术还有待进一步深入研究。

2.1.3 集料

沥青只是影响黏附性的一个方面，除此之外，集料的酸碱性、表面电荷性质、表面特征等方面对黏附性也有较大的影响。合理选择集料，在一定程度上也可以提高沥青混合料抗水损害能力。

(1) 集料的酸碱性

通常情况下，按SiO2含量大于65%、65%～52%及小于52%,依次将集料分为酸性、中性和碱性。沥青与集料界面存在物理作用和化学作用，但化学作用分子键力远强于物理作用。研究表明：碱性集料易于与沥青表面沥青酸等活性物质发生化学反应，从而改善沥青-矿料间界面结合强度[26]。因此，工程应用时应首选碱性集料。然而，优质的碱性石料并非用之不竭，同时，酸性集料耐磨性好，硬度大，一定程度上也是良好的路面材料，可见，如何提高酸性集料与沥青黏附性也是当前需要解决的问题。

(2) 集料表面改性

酸性集料具有优良力学性能，工程建设中也会大量使用酸性集料。为了克服酸性集料与沥青黏附性不佳的问题，可对集料进行表面改性[27]。集料表面改性主要依靠改性剂在集料颗粒表面的吸附、反应、包覆等，实现集料亲油疏水的目的，同时使集料与沥青间产生键桥连接[28]。杨平等[29]研究了油溶性和水溶性两种不同体系的界面改性剂对集料-沥青黏附性的影响，两种改性剂组成如表1、2所示，其研究指出：0.6%水溶性改性剂和0.6%油溶性改性剂对沥青混合料的抗水损害能力提高程度最明显。此外，硅烷偶联剂，聚乙烯(高密度、低密度)等也被用作集料界面改性剂，可以明显提高酸性集料与沥青的黏附性[30,31]。

表1 油溶性界面改性剂组成成分

表2 水溶性界面改性剂组成成分

(3) 集料表面电荷

集料表面往往分布着不同电位和性质的电荷。周卫峰等[32]研究表明，集料的Y电位大小可以反映集料与沥青黏附性大小关系，Y电位越大，集料与同种沥青的黏附性越好；陈实等[33]研究表明，集料的ζ电位为正值时，其值越大，与沥青的黏附性也越大；ζ电位为负值时，其绝对值越大，与沥青的黏附性越差；陈燕娟[34]研究表明：集料的Zeta电位越大，沥青的黏附等级就越高。通过上述研究可以看出，一定程度上可通过电位法为集料选择提供帮助。

(4) 集料表面特征

集料表面特征是指集料在加工过程中因诸多因素综合作用而残留在集料表面的各种不同形貌和表面特征，包括表面粗糙度、表面空隙率、表面粉末等。集料表面纹理丰富，可增大沥青与集料表面的接触面积及两者之间的机械黏附力。集料表面具有一定的孔隙，沥青可浸入集料孔隙之中，形成微孔吸附[35]。此时孔隙及孔隙周围的沥青膜能更牢固吸附于集料表面，改善了沥青与集料的黏附行为，增强了沥青与集料的机械黏附力，如图2所示。此外，杨文峰[36]研究表明，集料表面的粉尘对沥青混合料水稳定性有害，应尽量保持集料洁净干燥。为了降低粉尘对沥青和集料黏附性的影响，可采用消石灰处理表面有黏土、粉尘的集料。总的来说，在工程应用时，应优先选择洁净干燥、表面粗糙度大、具有一定空隙率的集料。

图2 沥青的孔隙吸附

2.2 添加抗剥落剂

抗剥落剂是提升沥青路面水稳定性的重要措施，在工程中也得到广泛应用。抗剥落剂在不同时期具有不同代表性的产品类型[37],其发展历程如表3所示。水泥、消石灰等是较早使用的无机抗剥落剂，对改善沥青与集料的黏附性具有良好的效果，但工艺复杂。随着抗剥落剂产品的发展，高分子聚合物类抗剥落剂开始被大量使用。

表3 抗剥落剂的发展历程

(1) 水泥、消石灰

水泥和消石灰等无机抗剥落剂可以改善沥青与集料的界面黏附行为。裹附在集料表面的抗剥落剂富含碱性物质(CaO等),可与界面沥青中的酸性物质反应，形成强有力的化学黏结，其也可以置换集料表面的K+、N+、H+等，起到表面活化剂作用[38]。此外，消石灰可改善集料表面孔隙结构，其裹附在集料表面形成的多孔粗糙覆盖层可促进沥青发生微孔吸附，增强沥青与集料的机械黏附力[38]。然而，水泥、消石灰等无机抗剥落剂掺量对混合料油石比、压实度等影响较大[39]。日本《沥青路面纲要》提出水泥和消石灰掺量为1%～3%时对黏附性的提升最大；刘涛[40]研究指出，对于消石灰复配水泥型抗剥落剂，消石灰复配水泥(质量比1∶2)剂量为1.5%时对沥青混合料水稳定性改善效果最佳。

(2) 胺类抗剥落剂

胺类抗剥落剂多以脂肪族胺为基础，是一种表面活性化合物，目前应用较多。这类抗剥落剂带有大量正电荷的极性基团，与酸性集料表面所带的负电荷二者相吸，产生较强的吸附作用。因此，其可增强沥青与集料的黏附性，图3为胺类抗剥落剂的作用机理示意图。相关研究表明，胺类抗剥落剂在160 ℃左右会产生分解、蒸发，稳定性及耐久性相对较差[41]。因此，工程采用胺类抗剥落剂时应控制拌和温度。

图3 胺类抗剥落剂增强黏附性机理

(3) 非胺类抗剥落剂

非胺类抗剥落剂多以有磷羟基类为基础。研究表明[42],在沥青中添加0.4%的非胺类抗剥落剂，不但可以改善沥青与石料的黏附性，尤其是酸性石料(花岗岩),且在薄膜烘箱老化后，其黏附性也不会降低；而胺类抗剥落剂，虽然在老化前可以提高沥青与各种石料的黏附性，但在热老化后效果大大降低，所以非胺类抗剥落剂比胺类抗剥落剂的耐热性要好。但并不是所有非胺类的抗剥落剂效果都要比胺类抗剥落剂好，抗剥落剂在某种程度上与集料的种类有一定的配伍性。因此，抗剥落剂的选择宜通过试验确定。

(4) 新型抗剥落剂

Zycosoil纳米抗剥落剂是目前研究最多的新型抗剥落剂，其热稳定性及性能优良。Behbahani H[43]研究表明：Zycosoil作为抗剥落剂可以改善沥青混合料的力学性能和水稳定性；钟志峰[44]研究指出，Zycosoil纳米抗剥落剂可促使花岗岩集料表面硅醇(Si-OH)亲水基团转变为硅氧(Si-O)疏水基团，从而改善酸性集料与沥青的黏附性。不同岩性的集料表面均具有硅醇(Si-OH)亲水性基团。Zycosoil纳米材料加入混合料中，其使亲水的硅醇(Si-OH)基团转为疏水的硅氧(Si-O)基团，从而在集料表面形成疏水分子层，并形成分子级的化学胶结，提高沥青和集料的黏附性，其反应机理如图4所示。

此外，沥青与集料相互作用过程中，Zycosoil纳米抗剥落剂可大幅提高沥青中参与胶结的组分比例，使沥青中参与胶结的极性基团胶结组分由5%～10%提升至90%～95%,从而提高沥青与集料间的黏附性[44]。但Zycosoil纳米抗剥落剂价格昂贵，还未在中国普及。

图4 Zycosoil纳米抗剥落剂作用机理

2.3 优化路面结构

(1) 设置防水层

为了防止雨水等渗透进入沥青内部产生冲刷、唧浆等破坏，需设置沥青路面防水层。中国高速公路较常见的防水层种类有单层或双层表面处治、细粒式或砂粒式沥青混合料、乳化沥青或改性乳化沥青稀浆封层以及SBS改性沥青防水层[45],其特点如表4所示。

表4 防水层种类及特点

从表4可以看出：与其他几种防水层材料不同，聚合物SBS改性沥青防水层高温抗剪性能好、抗裂性好、施工速度快。此外，聚合物SBS改性沥青防水层曾在京石高速、京沪高速、商开高速、广深高速等罩面工程中应用，效果良好[46]。建议采用聚合物SBS改性沥青作为沥青路面的防水层材料。

(2) 完善路面排水设计

水分长期滞留在路面结构内部会导致路面结构整体强度降低。为了防止水分对路面结构的影响，提高沥青路面抗水损害能力，仅阻止水分进入路面结构内部是不够的，还需及时排出已进入路面结构内部的水分，目前主要的排水设计如表5所示[47]。对排水基层而言，应具有较好的密水性和较大的孔隙以便排水，从而间接提升路面抗水损害能力[48]。

表5 排水设计

2.4 施工控制措施

(1) 提高压实度标准，减小现场空隙率

路面空隙率小于8%,水分不易进入沥青混合料内部。当路面实际空隙率大于15%时，水可以从路面孔隙中排除，不会存留在路面结构内部。上述情况均不易造成路面结构水损害问题。然而，当空隙率介于两者之间时，水分会滞留在沥青混合料内部，在车辆荷载作用下极易产生动水，从而破坏路面结构的整体性。当空隙率为8%～10%时，沥青路面水损害最为严重。沙庆林[49]总结了沥青路面水损害的原因，指出应提高沥青混合料压实度要求，表面层压实度不小于98%,中、底面层不小于97%,并建议表面层空隙率不大于6%,中底面层不大于7%。

(2) 减少离析和压实不均匀的影响

沥青路面离析可分为级配离析、温度离析和压实离析，这也是路面局部水损害的重要原因[50]。为了提升沥青路面抗水损坏能力，应尽量减小路面离析和压实不均匀。总结相关文献[51,52],可从以下方面减小沥青路面离析问题：选择合理的集料粒径，尽量使用变异性小的均匀洁净集料；控制拌和、运输、摊铺过程中沥青混合料温度；严格控制施工工艺，避免雨季、寒冷潮湿条件下施工；确定合适的摊铺厚度、碾压工艺等，并及时对路面进行检测。

3 结语

沥青路面水损害机理复杂，不同的理论从不同角度揭示了沥青-集料的黏附-剥落机理。提高沥青-集料黏附性，并防止水分进入路面结构内部是提升沥青路面抗水损害能力的两个主要方向，这一点已达成共识。合理选择原材料、添加抗剥落剂、优化路面结构、控制施工质量等措施均可以提高沥青路面抗水损害能力，但应根据具体的情况综合考虑加以选择。

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