瀝青路面水損害研究綜述

吳陽

摘 要：在我國，尤其是南方多雨地區，瀝青路面水損病害嚴重危及行車安全性、舒適性與服役壽命。該文從瀝青—集料界面粘附性能與路面結構水損害機理兩個方面對瀝青路面水損害機理研究進展進行了系統、深入的闡述，為瀝青路面水損處治方式的進一步研究提供基礎理論與參考。基于瀝青—集料界面破壞理論與路面動水壓力計算結果，尋求瀝青路面水損害破壞薄弱環節，進行針對性的瀝青混合料材料組成設計，探索路面水損害處治有效措施，是后續瀝青路面水損害研究的關鍵所在。

關鍵詞：路面 瀝青混合料 水損害 粘附理論 多孔介質

中圖分類號：U416.217 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）11（a）-0032-02

隨著我國高速路網的快速發展，瀝青路面技術已經步入國際先進水平行列。然而，從瀝青路面運營服役情況來看，路面水損害問題日益突出，尤其在我國南方多雨地區。瀝青路面的水損病害是由于雨水滲透至瀝青內部，不能快速排出，從而侵蝕至瀝青與集料界面，造成了瀝青混合料的剝落，從而演變成混合料松散、路面坑槽等病害，嚴重危及行車安全性、舒適性及服役壽命。

自20世紀60年代開始受到廣泛關注，美國公路合作研究計劃（NCHRP）、公路發展戰略研究計劃（SHRP）研究專家組以及加拿大運輸協會對瀝青路面水損害問題進行了大量專題研究，并形成了一定成果。近年來，國內學者在瀝青路面水損害的形成機理、影響因素、試驗評價方法等方面也開展了相關研究，取得了階段性研究成果。該文從瀝青混凝土材料粘附性能與瀝青路面結構水損害機理模型兩方面對已有研究成果進行闡述分析，以期為路面水損害的深入研究提供基礎與參考。

1 瀝青與集料粘附性能的研究

近年來部分國外學者基于表面能理論對瀝青-集料的粘附性進行了相關研究。美國德州A&M大學的Cheng、Lytton等人研究成果表明：瀝青-集料界面由于水分侵入而發生的粘結（Cohesive）與粘附（Adhesive）破壞，與瀝青和集料的表面自由能緊密相關，自由能可利用Wilhelmy吊片法準確測出，并且基于表面能理論的水損壞研究結果同混合料力學性能試驗結果具有良好的相關性。Lytton、Masad在文獻[1]研究基礎之上，借鑒土壤學和巖石力學的吸力試驗測試方法，對瀝青膠漿與混合料進行了吸力試驗，計算出混合料中的水分擴散系數。Alavi、Mogawer等學者利用瀝青粘結強度試驗，直接測得瀝青-集料界面粘結強度，并分析水分對溫拌瀝青混合料路用性能的影響。

國內學者肖慶一基于表界面理論，推導出瀝青在礦料表面的粘附與水損壞模型，分析了瀝青與礦料的表面能參數對粘附、水損壞過程的影響，結果表明：瀝青與礦料品種的配伍對粘附功有較大影響，礦料的比表面積對粘結力有極大的影響。叢林基于表界面理論，推導出瀝青在礦料表面的黏附模型和水損壞模型。魏建明采用躺滴法測定了瀝青與液體的靜態接觸角，并確定了瀝青的表面自由能。閔召輝設計了適用于熱固性環氧瀝青與集料之間的剪切粘附試驗，得出環氧瀝青粘附剪切強度受石料酸堿性影響較小，而受溫度變化影響較大。

2 瀝青路面結構水損害研究

國外研究學者Masad、Hunter、Al-Omari等對瀝青路面結構的流體宏微觀流動模式進行了研究。其中，Masad通過二維SEEP/W有限元模型，把路面分成多個10 mm子層，將導水率值賦予每個子層，研究了孔隙度的垂直梯度對水分流動模式的影響，結果表明導水率在垂直方向上呈降低趨勢，且大部分流體流動發生在水平方向。Hunter通過有限差分模型在現場滲透性試驗導水率數值測試中得出流體垂直流動假設不準確的結論，并得出隨路面基層深度和現場滲透儀直徑的變化，導水率出現數量級的差別。Al-Omari通過半隱式方法壓力聯動方程對瀝青路面導水率進行了評價，評價結果與基于Kozeny-Carman方程數值模型的結果相一致。

在水損壞耦合模型方面，Khalili等將孔隙水與骨架間的相互作用作為耦合效應放入數學模型中，分析了靜載作用下的固體變形，模型求解空間上采用有限元法，時間上采用有限差分法進行離散。Kettil等利用流固耦合理論，建立了飽和水瀝青路面與無約束地基復合體的二維有限元分析模型，對比了瀝青面層模量高低對路面孔隙壓力的影響，并初步探討了三維模型構建的可能性。Chen等分析了路面裂縫寬度和滲水系數對瀝青路面水損害的影響，并給出了兩者相應的控制閥值，為瀝青路面結構水損害預防性養護提供了理論依據。在上述宏觀尺度研究成果基礎上，近兩年國外部分學者將目光轉向了在細觀尺度下研究動載-滲流耦合作用對水損壞的影響。美國德州A&M大學的Arambula和Masad等建立了瀝青混合料細觀模型，對水汽擴散運動的機理及影響因素進行了分析，并指出水分擴散系數對水損壞的產生緊密相關。Caro和Masad等引入內聚力模型模擬集料與瀝青膠漿粘結界面，建立了瀝青混合料細觀有限元模型，模擬界面開裂過程。

國內研究學者基于多孔介質理論對動載與滲流耦合作用下路面結構力學響應進行了一定研究。崔新壯將瀝青混合料看作多孔介質，基于Biot固結方程，對飽水瀝青路面進行快速Lagrange有限差分分析，證實了水力反復泵吸作用是瀝青路面水損壞的主要因素，且孔隙動水壓力隨車速增大而增大。董澤蛟和譚憶秋基于飽和多孔介質理論，通過軸對稱有限元瞬態動力分析，計算得到飽和瀝青路面內部孔隙水壓力的時程變化，得出了不同滲透性、車速和荷載情況下的孔隙水壓力變化規律，指出正負孔隙水壓力的循環作用是瀝青膜破壞的主要誘因。潘寶峰研制開發了高頻高壓動水壓力發生器，配合三軸試驗儀，用于研究循環動孔隙水壓力下材料力學性能。吳國雄利用概率論與滲流模型，計算分析了瀝青混合料破壞的最近鄰、次近鄰和第三近鄰狀態下的滲流演變過程，運用重整化群方法求出滲流閥值作為瀝青路面開裂破壞的臨界條件，研究成果為瀝青路面水損壞研究提供了新思路。

3 結論

綜合上述研究資料，國內外研究學者對于瀝青路面水損害研究的手段，主要從瀝青—集料界面破壞與路面結構動水壓力兩個方面進行研究。前期研究所得出的粘附模型、界面水損害模型、滲流模型等成果，對于后續瀝青路面水損害的防治技術研究提供了基礎理論與參考。因此，基于瀝青-集料界面破壞理論與路面動水壓力計算結果，尋求瀝青路面水損害破壞薄弱環節，進行針對性的瀝青混合料材料組成設計，探索路面水損害處治有效措施，是后續瀝青路面水損害研究的關鍵所在。

參考文獻

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