沥青路面水损害机理及防治措施研究
沥青路面水损害是国内外高等级公路普遍存在的现象, 也是一种严重的早期破坏形式。研究并解决这一问题对公路工程建设具有十分重要的现实意义。
水损害是沥青路面在水或冻融循环作用下, 由于汽车车轮动态荷载的作用, 进入路面孔隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用,水分逐渐渗人沥青与集料的界面上, 使沥青黏附性降低并逐渐丧失黏结力, 沥青膜从石料表面脱落,沥青混合料掉粒、松散, 形成沥青路面的坑槽、推挤变形等的损坏现象。沥青路面的水损害破坏主要表现为: 路面出现麻面、剥离、掉粒、松散、坑槽;路面基层受到损害, 发生唧泥, 路面出现网裂、龟裂; 路基变形, 发生沉陷、开裂; 路肩坍塌等。
1、沥青路面发生水损坏的原因
调查表明, 造成沥青路面早期水损害破坏的原因非常复杂, 可以归结为8 类。
1） 压实度不足, 空隙率过大, 路面渗水。
2） 沥青混合料抗水损害性能差, 水稳定性不足。
3） 混合料离析、粒径偏大。
4） 面层厚度偏薄。
5） 排水设施不完善, 排水不畅。
6） 交通量大, 超载车多, 行车速度快。
7） 夏季高温和春季冻融期间的温度变化较大[3 ]。
8） 我国现行的路面设计方法没有考虑路面结构层排水, 没有设置有效的排水层, 而且现有的试验方法不能有效预测沥青路面能否出现水损坏。
2、沥青路面水损害机理
2.1 静水作用机理[4 ]
沥青路面的水损害与软化和剥落两种过程有关。
1） 水能进入沥青中使沥青黏附性减小, 导致混合料的强度和劲度减小。
2） 水能进入沥青薄膜和集料之间, 阻断沥青和集料的相互黏结。
3） 由于集料表面对水的吸附力比沥青的强, 使得沥青与集料表面的接触面减少, 结果沥青从集料表面剥落。
4） 剥落破坏有两种状态, 即自身的剥落破坏和交通载荷作用下的路面破坏。剥落可导致坑洞、裂缝、啃边等。沥青与集料的黏附性与沥青和集料的物理化学性质有关, 一般亲水集料比憎水集料更易引起剥落。
2.2 动水压力作用机理
动水压力不仅可以导致沥青混合料的软化和剥落。大小和方向不断变化的水流会对沥青混合料产生直接的冲刷, 一旦细料被水流带走, 反复的冲刷作用会使路面逐渐形成空洞和凹陷, 进一步破坏结构, 使破损范围不断扩大, 严重降低路面的使用性能。孔隙水压力越大, 对路面的损害越严重。
2.3 沥青混合料的黏附—剥落理论
水损害的作用机理, 主要依据是黏附理论。黏附是指一种物体与另一种物体黏结时的物理作用。影响沥青与集料之间黏附力的因素包括沥青与集料的界面张力、沥青与集料的化学组成、沥青的黏性,集料的表面构造、孔隙率、清洁度和干湿程度以及沥青与集料的拌和温度。沥青与集料的黏附性可以用四种理论解释, 即力学理论、化学反应理论、表面能理论和极性理论。
1） 力学理论认为, 沥青与集料之间的黏附性主要是由于其间分子力的作用。集料表面的粗糙多孔、高低不平, 以及集料表面的各种形状、取向及各种大小的孔隙和微裂缝, 都会提高沥青与集料之间的黏结力。此外, 沥青在高温时以液相渗入集料孔隙和微隙缝中, 温度下降时沥青在孔隙中发生胶凝硬化, 进而形成了沥青与集料之间的黏合力。
2） 化学反应理论认为, 矿料的岩性对沥青与矿料之间的黏附性起关键作用。沥青中的酸性成分与矿料表面的碱性活性中心发生了反应, 使得碱性矿料与沥青有较好的黏附性。因此, 沥青的酸性成分越
多, 集料的碱性越强, 沥青与集料的黏附性越好，抗剥落能力越强。
3） 表面能理论认为, 沥青对矿料的润湿能力与其自身的黏附性有关。沥青的表面张力越大, 其与矿料的黏附性就越好。
4） 极性理论认为, 表面活性物质的分子是由极性基和非极性基组成的不对称结构。极性基带有偶极矩, 能表现出力场。沥青极性是黏附的本性, 是导致集料吸附沥青的根本原因。沥青分子的极性越强,
与矿料之间定向的吸附力就越大, 黏附性就越好。
3、沥青路面水损害的防治措施
要解决沥青路面水损害问题, 根据其产生的原因和损害机理, 考虑从以下几方面采取措施。
1） 路面结构层孔隙率设计。沥青面层的各层采用设计孔隙率不大于5%的密级配沥青混合料, 并适当增加直径为2.36 mm 的集料用量。防止面层本身透
水, 既可以减轻水损害, 又可以减少辙槽。
2） 排水层设计。路表排水最好采用硬化土路肩,雨水直接由路面横坡排水。下面层底可采用沥青含量高的沥青砂做下封层和边缘设置排水设施, 或者设置层间内部排水系统, 挖方路段和中央分隔带也应建立完整的排水系统。
3） 材料选择。对于集料, 通常使用孔隙率小于0.5%且粗糙并洁净的集料。碱性石料比酸性石料具有更好的抗水害的能力。建议沥青上面层石料采用优质碱性岩石（ 如玄武岩） , 以增加沥青路面抗水损害性能, 中下面层采用石灰岩碎石。
沥青与集料的黏附性与沥青的黏度有关。黏度越大, 抗剥离性越好。在选择沥青稠度时, 应选用针入度小的沥青, 以增大黏度, 增加抗水损害的性能。此外, 还要防止沥青污染。
4） 掺加抗剥离剂。当沥青与集料之间的黏附性不合格, 或沥青混合料的水稳定性达不到要求时, 必须掺加抗剥离剂。常用的抗剥离剂有以下3 种。
（ 1） 消石灰。消石灰是最常用、最经济的抗剥离剂, 可提高沥青的黏性, 改善沥青混合料的抗剥落性能、水稳定性和抗老化性能。
（ 2） 有机高分子材料抗剥离剂。最好选用高温时稳定、难分解且具有阳离子、阴离子两种极性的抗剥离剂。
（ 3） 水泥。水泥呈碱性, 可使酸性岩石与沥青形成良好的黏结, 提高沥青路面抗水损害能力。
5） 施工、养护与管理。从施工角度考虑, 集料应干燥、清洁并且拌和良好。若集料潮湿, 应提高加热温度, 延长拌和时间, 并除去集料中影响沥青与石料黏结的杂质和尘土。压实度不足会使孔隙率增大, 降低抗剥离性能, 建议提高压实度标准值, 并要严格防止混合料离析引起水损害。
超重车对沥青路面的损害非常大。应加强管理,对超重车辆严格予以控制, 而且要加强养护管理,出现水损害时, 应及时处理。
6） 建议制订地方性路面设计指南。制订地方性路面设计指南, 对于交通量超过104 pcu/d 的高速公路, 沥青路面的上面层和中面层要求采用改性沥青;对于上面层, 要求采用SMA 结构, 有效提高沥青路面面层强度和耐久性。
综上所述, 防治沥青混合料的水损害, 必须从各个方面综合采取措施才能够达到目的。
4、结语
1） 沥青路面水损害是国内外高等级公路普遍存在的现象, 也是一种严重的早期破坏形式, 给公路交通运输造成极其不利的影响。
2） 沥青路面水损害的原因复杂繁多, 应认真找出其确切原因, 因地制宜地采取措施, 解决水损害问题。
3） 从结构层设计、材料选择及施工控制、管理养护等多方面严格控制, 水损害问题是完全可以解决的。
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