瀝青路面水穩定性研究現狀

張景君 潘寶峰 時紅玉

(大連理工大學交通運輸學院，遼寧大連 116023)

0 引言

瀝青路面因其施工方便快捷、舒適度高等優點在我國各等級公路中應用廣泛，但伴隨著速度的提高、交通量的增加和超載現象等因素，瀝青路面早期破壞現象日益突出，瀝青路面使用壽命逐年降低。國內許多高等級公路通車一至兩年其瀝青面層就出現了麻面、松散、掉粒等破壞現象，隨時間增長發展成為網裂、坑洞等嚴重破壞類型，道路結構基層也破壞嚴重。這些破壞現象的出現嚴重影響了瀝青路面的使用性能，阻礙了瀝青路面應用技術的推廣，給我國國民經濟和人民的生活帶來了極壞的影響。面對瀝青路面的早期破壞，世界各國道路科研工作者紛紛進行了大量的調查研究，研究結果表明這些病害的出現都與水有關，即道路發生了水損害［1-6］。所謂瀝青路面的水損害，是指在一定孔隙率的條件下，當水進入到瀝青路面結構中且不易排出時，經過汽車車輪動態荷載和溫度脹縮的反復作用，路面內部產生動水壓力，在動水壓力作用下，水分侵入到瀝青與集料的界面上，沖刷瀝青與集料使瀝青膜從瀝青表面剝離，導致集料之間的粘結力喪失，最后引起路面結構破壞的損傷過程［7］。瀝青路面水損害是一個緩慢的過程，這種損壞往往最早產生于下面層甚至基層，然后逐漸反射到上面層，導致瀝青路面被破壞，破壞形式主要有網裂、唧漿、掉粒、松散及坑槽等。最為嚴重的是水降低瀝青與集料間粘結力，導致集料與瀝青分離，使原本完整的具有較高強度的路面結構變為一層松散的集料，最終導致道路路用性能完全喪失。因此，深入研究瀝青路面水損害的產生機理、影響因素、評價方法，增加瀝青混合料的抗水損害能力，提高瀝青路面的水穩定性，對于改善路面質量、延長路面的使用壽命、降低道路的養護維修成本、提高道路服務水平具有巨大的現實意義。

1 瀝青混合料水損害機理

綜合國內外研究，瀝青混合料水損害機理主要可概括為三種，即靜水作用機理、動水壓力作用機理和粘附—剝離機理。

靜水作用機理主要是從靜水與瀝青膜之間的物理化學作用分析瀝青膜的剝落機理。首先，水進入瀝青中降低瀝青的粘附性，導致瀝青混合料的強度和勁度變小，漸漸的水滲入到瀝青薄膜和集料之間，阻斷瀝青和集料的相互粘結作用，同時，由于集料表面對水的吸附力比瀝青強，使得瀝青與集料表面的接觸面逐漸減少，最終導致瀝青從集料表面剝落，集料間粘結力喪失。

動水壓力作用機理主要從動水壓力(包括動孔隙水壓力與沖刷力)在水損壞過程中的驅動作用分析。水的驅動作用主要表現為兩個方面:一個是動水壓力的沖刷導致瀝青膜軟化和剝落;一個是動水壓力的劈裂作用加快了原有裂縫和薄弱接觸面的擴展和貫通。粘附—剝離機理主要依據是粘附理論，粘附是指一種物體與另一種物體粘結時的物理作用。影響瀝青與集料之間粘附力的因素主要包括瀝青與集料的界面張力、瀝青與集料的化學組成、瀝青的粘性，集料的表面構造、孔隙率、清潔度和干濕程度以及瀝青與集料的拌和溫度等。瀝青與集料的粘附性可以用四種理論解釋，即力學理論、化學反應理論、表面能理論［8］和極性理論。由于影響瀝青與集料粘附性的因素很多，造成粘附剝落機理亦十分復雜，各種理論都未能完全概括說明其作用機理。對于改善瀝青與集料的粘附性，主要是添加抗剝落劑，例如水泥石灰以及其他化學試劑［9］，但各種抗剝落劑的效果不盡相同，其長期性能有待進一步研究。

2 瀝青混合料水穩定性評價方法

自20世紀60年代以來，世界各國研究人員通過對瀝青路面水損害大量的調查研究，提出了許多試驗方法來評價瀝青混合料的水穩定性，這些試驗方法大致可分兩個研究方向:一個研究方向是研究瀝青混合料中粗集料，主要手段是對松散的瀝青混合料進行定性試驗，依靠視覺觀察或儀器檢測等手段，針對粗集料與瀝青的相互作用，將裹覆在集料表面瀝青膜的損傷程度作為評價瀝青和集料粘附性與瀝青混合料水穩定性的依據，主要方法有示蹤鹽法、水煮法、靜態浸水法等，但這類試驗忽略了細集料與填充材料的相互作用，其評價指標不能很好反映混合料的整體性能;另一個方向是以瀝青混合料試件為研究對象進行定量試驗，主要手段是將實驗室制備的標準試件浸水，然后通過試驗測定試件的某些力學指標，如馬歇爾穩定度、劈裂強度、徑向回彈模量等，經過數據分析處理后，根據其力學衰減規律來評價瀝青混合料的水穩定性，主要方法有浸水馬歇爾試驗、浸水劈裂試驗、浸水抗壓試驗、德克薩斯承臺凍融試驗、洛特曼試驗、改進的洛特曼試驗、Tunnicliff-Root試驗、浸水車轍試驗等，這些方法主要通過水循環或凍融循環方式來實現水損害過程中動水壓力的沖刷作用，不能模擬實際道路結構水損害過程中荷載和動水壓力共同作用下道路材料的受力環境。

為了能充分模擬水損害過程中道路材料的受力環境，客觀反映道路材料在荷載和水共同作用下的力學損傷狀況，研發了一種利用可調頻調壓動水壓力發生器與三軸試驗儀結合評價瀝青混合料水穩定性的新方法。具體實施方案是將成型試件置于三軸試驗儀壓力室中，施加軸向應力和圍壓，利用動水壓力發生器能產生可變壓強、頻率的動水壓力對壓力室內試件進行沖刷試驗，并對沖刷后試件進行三軸或單軸試驗，根據試驗數據，分析研究道路材料的力學性能衰減規律［10］。

3 提高瀝青路面水穩定性方式

要提高瀝青路面抗水損害能力，提高瀝青路面水穩定性，必須從引起水損害的成因出發，水損害的成因可概括為內因和外因兩個方面。內因可主要基于粘附理論進行研究，防治措施主要是增加瀝青與集料的粘結力;水損害的外因主要是降水量、交通流量、超限超載等，大量試驗研究表明，路面的孔隙率小于7%時，路面不透水，不產生動水壓力，當瀝青路面的孔隙率大于15%時，水能在瀝青混合料中自由流動，易透水，也不產生動水壓力，防治措施主要是防治路面滲水和完善路面排水。因此，瀝青路面水損害主要有如下幾個防治措施:

1)通過加抗剝落劑等增加瀝青與集料間的粘結力。

2)提高壓實度，減小孔隙率，防止路面滲水。

3)設計大孔隙率道路，完善路面排水系統，及時排出道路中的水分。

4)加強路面養護。

4 結語

伴隨著超速超載等現象的出現，瀝青路面的水損害問題越來越突出，是造成國內外許多高等級公路破壞的主要原因，嚴重影響了道路的使用壽命和服務水平，同時帶來了巨大的經濟損失。導致瀝青路面水損害的原因復雜，影響因素繁多。因此為了避免或減輕瀝青路面的水損害，應認真找出其確切原因，因地制宜地采取措施，解決水損害問題。

［1］賈 渝，張全庚.瀝青路面水損害的研究［J］.石油瀝青，1999，13(1):22-27.

［2］沙慶林.高速公路瀝青路面的水破壞及其防治措施(上)［J］.國外公路，2000，20(3):1-4.

［3］沙慶林.高速公路瀝青路面的水破壞及其防治措施(下)［J］.國外公路，2000，20(4):1-5.

［4］沈金安.解決高速公路瀝青路面水損害早期破壞的技術途徑［J］.公路，2000(5):71-75.

［5］王端宜，皺桂蓮，韓傳岱.對瀝青路面水損害早期破壞的認識［J］.東北公路，2001，24(1):23-25.

［6］沙慶林.高速公路瀝青混凝土路面的早期破壞［J］.公路，2004(11):76-83.

［7］梁祖昌.瀝青覆蓋層水侵害實測［J］.黑龍江交通科技，1995(2):42-45.

［8］Ronald L，Terrell，Saleh al-swailmi.Water sensitivity of asphaltaggregate mixes［R］.Test Selection，SHRP，1994.

［9］郭長新，寧愛民.高等級道路瀝青材料的研究［J］.石油瀝青，1999(4):44.

［10］潘寶峰.動水壓力作用下路面材料損傷的評價方法研究［D］.大連:大連理工大學，2010.