城市路面瀝青材料的水穩性改造的意義與方法改進

史亞峰

（北京城建設計發展集團股份有限公司，北京100037）

自改革開放以來，我國城市路面建設發展迅速。“十三五”期間，城市路面建設相關技術進一步提高，通達水平與通行能力都得到有效提高[1]。瀝青材料鋪就的路面是一種連續式無接縫路面，具有行車平穩舒適、平整穩當、抗滑耐久、防滲防漏等優點，是目前路面建設的主要形式。在我國城市建設中，瀝青路面占據極大建設比例，據統計顯示，我國城市90%以上都是瀝青路面，與歐美發達國家發展水平相當[2]。但是由于瀝青材料自身的特殊性，隨著時間的推移，在環境和汽車行駛的雙重作用之下，瀝青材料路面易發生強度降低、老化破碎等情況，會導致瀝青層出現破碎、毀壞等幾率增加。城市路面中的瀝青材料會在路面使用的各個時期發生損壞，為杜絕城市路面出現損壞，需要在設計和施工階段就解決瀝青材料中所含有的缺陷。

無論何種地理環境，都會普遍存在路面瀝青材料早期損壞現象，尤其是我國東南沿海地區，全年雨水量較大，瀝青路面損壞情況尤為嚴重。據統計，一般瀝青路面的使用年限是15年，但是如果經常有重量較大的交通工具壓過，會造成瀝青路面僅使用兩、三年就出現大范圍損壞的現象，受到環境或自然等因素的影響，部分瀝青路面鋪設完成后僅幾個月就發生大面積損壞，此時不得不將原有損壞的瀝青路面銑刨清除后，重新將新的瀝青材料鋪設在破損路面上，這種反復修補的工程，嚴重影響交通工具正常運行，對當地經濟效益發展也帶來不利影響。瀝青材料鋪設而成的城市路面最常見的損壞形式便是水損壞，但是由于水泡浸漬導致瀝青路面呈現許多種形式，主要為車轍變形、坑洞、疲勞裂縫、松散等，如果路面表象展現出這種形式的破損，說明在路面瀝青內里已經出現更加嚴重的損壞[3]。雖然絕大多數瀝青路面水損壞有可能突然發生，但是大多數情況都是由漸進過程導致瀝青路面出現損壞，破損程度越嚴重其所引發的交通事故便越嚴重。

目前已有研究中對于改進瀝青材料損壞多使用添加劑改進的方式，本文從多個角度開展具體研究，為瀝青路面今后的改進探明方向。

1 城市路面瀝青材料的水穩性改造的意義

1.1 影響瀝青材料水穩性因素

（1）混合料因素

集料性質影響：瀝青材料的性質由集料的性質決定，集料本身所具有的表面狀況和化學性質都會對瀝青路面中的含水情況造成直接影響。假如高價陽離子存在于集料的表面中，瀝青材料的表面會形成一種吸附層，如果是低價的陽離子存在于集料的表面時，瀝青材料表面形成的吸附層是極不穩定的，這種不穩定就會直接導致瀝青材料鋪就的城市路面出現嚴重的水損害，所以為了避免這種水損害，需要保證集料表面具有高價陽離子。

礦物質材料的表面粗糙度也會直接影響瀝青材料的水穩性。由于礦物質材料表面具有很多孔隙且粗糙，在瀝青材料中使用礦物質材料會增大瀝青材料的表面積，同時也增大礦物質材料和瀝青材料之間的粘合面積[4]；如果礦物質材料內的孔隙中滲入瀝青材料，或者表面粗糙的礦物質材料與瀝青材料混合，就會出現激烈的化學嵌擠反應，導致增大兩種材料之間的作用力；由于礦物質材料表面具有較多不規則孔隙，這些孔隙具有一定吸附作用，能夠把瀝青材料中的輕質油分吸附進去，增大瀝青界面上的粘稠性和粘附性。瀝青材料和集料之間的粘附性還關系到集料表面的潔凈程度，如果有粉塵或者泥土混入集料表面和瀝青之間，會造成二者表面出現隔離，導致瀝青路面容易出現剝落的情況。

瀝青質因素：瀝青路面的水穩定性主要受到瀝青粘結力的影響。反復仔細調研發現，瀝青材料內存在高含量的瀝青酸，這種瀝青酸使得瀝青表面具有極強活性而且造成瀝青pH值呈現酸性，這種酸性還能中和集料中物質所呈現的堿性，提升城市路面鋪設過程中瀝青的粘結力，這種粘結性能力可以降低路面瀝青外部水分的滲漏和內部水分的分散，該變化能夠有效提升城市路面的水穩定性，使得路面中的瀝青始終保持較高濕潤性[5]。

混合料類型因素：鋪設在城市道路中的瀝青材料一般為高溫熱攪拌密集型材料，具有較小透水性，一旦冷卻成型水分很難滲入到瀝青內部，通常情況下不容易出現水損害情況。如果鋪設城市道路的瀝青使用的是改性瀝青混合料，水分就會自由流動在瀝青材料的孔隙中，雖然存在這種現象，但是水損害同樣不容易發生在這種瀝青材料之中[6]。如果城市鋪設道路所使用的瀝青材料孔隙情況介于以上兩種材料之間，水分進入瀝青材料內部以后，受到荷載作用影響，瀝青材料會比較容易出現毛細壓力較大的情況，這種情況造成瀝青路面反復出現水損害。

（2）環境因素

城市路面瀝青材料受到環境因素影響情況也較為嚴重，外部環境的急劇變化直接對瀝青路面的水穩性造成影響。例如我國華南地區，常年空氣潮濕降水量較大，即使在晴朗的天氣下，空氣中也蘊含較多水分子，這些水分子入滲到路面瀝青中之后，會造成城市路面出現水敏感性破壞情況。任何地區，如果出現極端天氣變化，或者連續不斷的惡劣天氣，都會對城市路面造成不同程度的破壞影響。

無論是何種材料鋪設完成的路面，其本身都有能夠承受的最大負荷值，如果由于各種因素影響導致路面所承受的負荷超過這個最大值，就會使路面中的材料發生破壞。車輛在行駛過程中造成的荷載是路面所承受荷載的主要來源，如果存在眾多超載車輛行駛在瀝青材料鋪就的路面上，會嚴重破壞瀝青材料與集料之間存在的剪切力，這種破壞會進一步散失路面中的水分，對應的降低瀝青材料粘結力，造成瀝青材料城市路面出現水損害情況。

（3）工程因素

城市路面在施工建設過程中先要壓實路面再開展后續工作，而路面水穩情況也會直接受到這種壓實工程的影響而發生變化。假如施工過程中壓實工作不足，就會導致路面瀝青材料孔隙率增大，較大孔隙率加速水分滲入到路面內部，導致城市路面出現水損害的情況。由此可以得出結論，在建設城市路面的過程中，不但要嚴格控制路面鋪設時的平整度，還需要著重考慮路面壓實過程中的壓實密度。確保城市路面施工時壓實密度符合相關規定之后再保證路面鋪設的平整度。除此之外，城市路面鋪設使用的材料是混合材料和瀝青結合的一種集料，如果二者之間的配比出現嚴重失調情況也會導致路面出現嚴重損壞問題[7]。在配比瀝青材料時，如果富含礦物質材料的粗集料使用過度就會提升瀝青材料的孔隙率，造成水分容易滲入路面之中，導致城市路面水穩情況被破壞。如果瀝青材料中，瀝青成分較少，會直接降低城市路面的強度，嚴重情況下會導致路面出現開裂，對汽車運行造成安全隱患，此種情況也會加快水分進入路面內部，出現水分增多，影響路面水穩定性。

（4）排水因素

水分直接作用也會影響城市路面瀝青材料水穩定性。大量水分直接進入路面瀝青內部，最直接的影響就是降低路面的承載能力。通常情況下，如果車輛運輸給路面造成極大荷載力，此時就會導致城市路面出現嚴重損壞，例如塌陷或深坑，這些損害會在密集降雨時期形成積水，這種積水形成的另一個原因就是路面排水系統不暢[8]。我國城市道路中，普遍將排水井設置在路面上方，用以實現路面排水，但是這種排水方式只能實現路面上積水排放，瀝青材料結構內部滲入的水分卻沒有相應解決措施。近年來瀝青材料結構內部滲水問題才逐漸得到關注，通常情況下采取的解決措施是將路基混合料的密度提升或者把半剛性基層強度增強，通過這種方式把路面透水性降低。但是盡管使用這種方法卻不能完全封住路面自身的面層，如果遇上連續降雨天氣或者春季凍融天氣，大量密集水分同時向路面內部滲透，造成路面基層大量水分堆積，破壞路面瀝青材料水穩定性。

1.2 路面瀝青水穩性破壞情況

城市路面由于水穩性破壞導致出現的損壞情況分為許多種，圖1是幾種比較具有代表性的路面損害示例。

圖1 路面損壞示例Fig. 1 An example of road damage

城市路面出現松散損壞主要是由于大量集中降水之后，一部分水分滲入到混凝土材料中，并且長期滯留在混凝土材料的孔隙中。瀝青材料內部的孔隙率較小，僅為10%，同時存在較大瀝青層厚，這種厚度導致水分需要經過較長路徑才能滲透到下部。由于流動水壓力，瀝青與集料受到持續不斷的沖刷與侵蝕作用，集料表面的瀝青逐漸剝離，導致路面出現松散損壞。路面坑槽損害則是由于路面早期損害發生后沒有及時修復和養護，車輛等交通工具不斷碾壓而導致的；部分路段由于半剛性基層強度較低也會出現路面坑槽損壞。如果能夠及時修補早期坑槽損害，可以極大程度恢復路面性能，杜絕坑槽進一步延伸擴展，發展成大片坑槽損害。

龜裂與裂縫是最常見的路面損害情況，發生龜裂和裂縫損害的路面呈現出不規則破碎性多邊形裂網，呈現龜背型，這種損壞情況多是由于車輛行駛反復發揮荷載，龜裂與排水不良相互作用，使得瀝青混合料變脆變硬，最初裂縫是沿著車輛行駛的方向顯示出的多條或者單條縫隙，多條縱橫交錯的縫隙連接出現龜裂路面[9]。路面上的積水從瀝青材料的孔隙中進入路面結構層之內，直至抵達基層表面。半剛性基層質地致密，一旦積水就不能實現迅速排除，造成路面內部形成蓄水區。城市路面上行駛車輛眾多，發生反復荷載作用，下層瀝青材料對基層材料大力擠壓，出現灰漿，這些擠壓出的灰漿從瀝青材料的孔隙中被擠壓出來形成唧泥。由于界面條件惡化，瀝青層底部受到較大拉應力，這種拉應力超過極限抗拉強度，導致路面出現裂縫現象。

1.3 水穩性改造的意義

基于以上城市路面由于瀝青水穩定性遭受破壞出現的路面損害，導致路面不能正常使用，由此顯示出水穩性改造的重要性以及深刻意義。

使用有關措施改造城市路面瀝青材料，有效控制城市路面瀝青材料質量，保證瀝青材料與集料混合之后的攪拌效果，有效澆筑和養護城市路面，同時還能將路面路基的可靠性與穩定性適當提高，防止瀝青與集料混合結構的受損情況出現，杜絕路面發生龜裂、裂縫、坑槽和松散的情況，防治路面瀝青材料結構層被破壞出現更加嚴重的路面損壞情況[10]。

城市路面在實際使用過程中，由于天氣原因影響經常出現水損害的情況，長期水損害影響導致路面工程質量受到損傷，影響城市路面可靠性與穩定性，路面出現損害后，車輛無法在路面上安全行駛。詳細分析城市路面，考慮路面綜合情況，改造瀝青材料水穩性，加強路面質量控制，改善目前已有路面排水設施，鋪設現代科學改進的排水設施，有效排除由于天氣原因導致的路面積水，降低地表水入滲概率，保證城市路面工程質量。

養護城市路面時，提升城市路面施工工程質量管理，重新設計鋪設合理排水系統，降低水損害對路面造成的傷害，提升城市路面工程質量。只有提升城市路面工程質量才能保證路面建設的安全性與穩定性。良好的城市路面條件為車輛行駛創造良好條件，杜絕車輛行駛的交通意外發生，確保車輛能夠在瀝青鋪設的城市路面上安全駕駛。

2 方法改進

2.1 改進內容

考慮到氣候因素影響，部分地區存在多風、日照時間長、干燥、多雨雪、晝夜溫差大等氣候，在這種影響因素之下，城市路面瀝青材料很容易出現老化現象，水穩定性也受到極大程度影響，因此參考國內外研究結果，結合大部分城市綜合路面情況，初步設定兩種瀝青材料配置改進方案，第一種配比中瀝青：抗脫落劑：粗骨料：消石灰的比例是1：1：0.2：0.2，第二種配比中瀝青：抗脫落劑：粗骨料+細骨料：消石灰的比例是為1：0：0.34：0.2。第1種配置方案中使用抗脫落劑但是沒有使用細骨料，第二種配置方案中未使用抗脫落劑但是使用細骨料與粗骨料混合，各制備方案的填料用量均使用礦料合成級配合曲線計算獲得。每個制備方案制備試件設置為3組，統計水穩定性能變化情況。

2.2 瀝青材料粘附性改進

本次研究主要是測試經過改進方案之后粗集料表面和瀝青之間的粘附性能，同時還需要驗證使用改進方法之后集料的抗水剝離性能情況[11]。方法參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011），粗集料選取13～17 mm粒徑，使用清水洗凈后浸泡在消石灰水中2h，將烘干箱溫度設定為106℃，把粗集料置于烘干箱中烘干30min，統計不同制備方案方法下瀝青材料粘附性能。

經分析顯示，使用第二種制備方案后，瀝青材料的粘附等級達到4～5級，6個試件中2個4級4個5級，而第一種方案的瀝青材料粘附等級為2～4級，其中僅有兩個試件達到3級粘附。由此可以看出，單加抗脫落劑并不能提升瀝青材料的粘附性能，而是需要處理粗骨料的同時結合細骨料，才能獲得較好的瀝青材料粘附性能。只有提升瀝青材料的粘附性能，才能降低水分滲入路面的情況，提升瀝青材料的水穩定性，以此提升城市路面工程質量，有效預防瀝青路面剝離情況，提升路面耐久性能。城市路面設計與建設工程中，提升質量控制意識，保證集料與基層瀝青之間的粘附性。對于城市路面建設過程中使用的瀝青材料，應該保證集料和瀝青之間的粘附性等級大于或者等于4級，其中路面表層瀝青和集料的粘附性應該大于等于5級。經過分析能夠看出，嚴格控制集料的質量，保證粗骨料和細骨料的堅韌程度、鑲嵌性能以及耐磨性能，才能保證城市路面的使用質量[12]。為提升路面施工過程中使用的瀝青材料粘附性，傳統方法多為添加抗脫落劑，但是單純使用抗脫落劑不如優化集料質量后瀝青材料粘附性能好，未來研究中可以一方面提升瀝青材料集料的質量，一方面繼續探索抗脫落劑的選擇，以此確保城市路面瀝青材料具有更加優異的水穩定性。

2.3 混合料配合比改進

目前城市道路建設時對于抗滑性能和平整度均有較高要求，所使用的混合料孔隙率一般在6%左右，路面殘留孔隙率高于8%，路面水損害情況時常發生。本文改進方法中，按照中值配置調整瀝青材料配合比，依據S型級調整集料，降低瀝青材料孔隙率，獲得良好的瀝青水穩定性效果。

在混合瀝青材料時，最需要注意的就是瀝青材料的孔隙率，國際上設定孔隙率范圍應該在3%～6%之間[13]。我國實際建設過程中，綜合考慮交通荷載和氣候因素將空隙范圍調整為3%～5%[14]。

調整瀝青材料壓實情況也可以控制孔隙率，假如經過加熱攪拌的瀝青材料孔隙率在4%～5%之間，被認為透水率合格，但是眾多施工單位都會在施工過程中忽略壓實，只注重路面平整度，造成瀝青透水性較差的情況，在改進瀝青材料水穩性時，需要將壓實過程考慮進去，實現良好的瀝青材料透水性。

2.4 路面排水設施改進

城市道路在施工建設過程中，道路橫波與路線縱波時常沒有達到預定的規定值，經常出現路面坡面不平順的情況，部分路面還會設置攔水帶與路緣石，這些設施的建設會使路面邊緣形成凹陷處和蓄水坑，如果雨雪多發，這些凹陷和水坑常常導致路面積水時間過長，路面長時間泡在水里，水分大量滲入到路基下層。為改變這種情況，建議取消道路中的攔水帶，使得下雨的積水能夠流淌到道路外面，但是這種排水方法需要路面邊坡和路肩能夠經受住雨水的沖刷。邊坡位置可以選擇種植質量較高的草皮，也可以使用混凝土或者漿砌塊石制作排水溝，優化排水措施[15]。

發生降水情況后，路面內部難免會滲入大量水分，為防止路面發生水損害，需要盡快將路面的積水排除，正是由于這種特點，美國機構制定排水性能表（表1）用以判斷路面排水性能。

表1 排水性能表Table 1 Drainage performance table

根據排水性能表，對照路面排水情況，采取改進排水措施，最直接的方法就是不在瀝青層附近設置排水阻擋設施，直接使用土路肩和碎石，但是考慮到城市的美觀性，在排水設施的改進上還需要進一步研究改進。

3 結語

瀝青作為城市道路建設中最常使用的原材料，其水穩定性改造具有深遠影響。由于交通荷載與氣候因素影響，城市路面經常出現各種情況的水損害，部分損害情況是不可逆的，只有在道路鋪設過程中注重瀝青材料水穩定性提升，改造瀝青材料的水穩定性，才能提升路面的穩定性與安全性，便于車輛能夠在路面上長久安全地運行。改進瀝青材料配合比，主要需要注重集料和瀝青的配合比，以及粗骨料與細骨料的使用，提高我國城市路面的建設質量，避免今后路面建設中出現水損害問題。