瀝青路面水損害機(jī)理分析及對策研究

王強(qiáng)

(中交一公局集團(tuán)有限公司,北京 100000）

1 引言

各地自然環(huán)境不同，超車現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致路面出現(xiàn)車轍、坑槽等病害，對路面損害較為嚴(yán)重的為水損害[1]。水損害主要是瀝青路面上的積水導(dǎo)致的。積水主要來自大氣降水，淺層地下水通過骨料間的空隙進(jìn)入瀝青混合料的結(jié)構(gòu)層中，因?yàn)檐囕v行駛產(chǎn)生的荷載增加了內(nèi)部的水壓力，這樣削減了瀝青和骨料間的黏結(jié)性，降低了瀝青混合料的強(qiáng)度[2]。同時(shí)，車輛行駛會對路面產(chǎn)生擠壓，加快了瀝青混合料的剝離速度，使路面快速受損。水損害嚴(yán)重影響道路使用功能，對交通安全產(chǎn)生了較大影響。本文針對該病害進(jìn)行研究，能有效提高道路的服務(wù)水平和使用年限。

2 路面水損害調(diào)查

2.1 水損害定義

水損害的主要原因是瀝青路面上的積水通過骨料間的空隙進(jìn)入瀝青混合料的結(jié)構(gòu)層中，在行車荷載的作用下產(chǎn)生使瀝青混凝土內(nèi)部產(chǎn)生水壓力，降低瀝青與骨料間的黏結(jié)性，當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，瀝青路面開始發(fā)生剝落，加重受損程度，最終縮短路面的使用壽命[3]。瀝青混凝土水損害主要表現(xiàn)為松散、坑洞、唧泥等。

2.2 水損害調(diào)查

本文依托于某高速公路進(jìn)行路面水損害程度調(diào)查，并分析病害形成原因，同時(shí)對路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部情況進(jìn)行了分析研究。

2.2.1 松散

路面水通過孔隙進(jìn)入混凝土內(nèi)部，降低混凝土的水分透過瀝青面層進(jìn)入瀝青結(jié)構(gòu)內(nèi)部，降低瀝青和骨料間的黏結(jié)性，降低了瀝青混合料的強(qiáng)度，在行車荷載的作用下發(fā)生松散。

2.2.2 坑洞

瀝青混凝土結(jié)構(gòu)松散后，集料被行車的輪胎帶走，使粒料減少，路面形成坑洞。

2.2.3 唧泥

唧泥主要是路面排水不暢導(dǎo)致的。進(jìn)入瀝青混凝土內(nèi)部的水分長期存積，會對基層產(chǎn)生沖刷作用，形成泥漿。在車輛荷載作用下，泥漿通過瀝青混凝土的孔隙被壓到路面上，等水分蒸發(fā)掉，帶出來的基層混合料就會形成唧泥[4]。

對高速公路進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)：該道路瀝青路面水損害較為嚴(yán)重，主要病害特征為病害面積大、延伸到整個(gè)路面結(jié)構(gòu)，降雨時(shí)間較長，降雨量較大，對路面的累計(jì)破壞次數(shù)較多。

2.3 水損害原因分析

通過對路面的水損害情況進(jìn)行調(diào)查并分析該地的氣候條件，本文認(rèn)為導(dǎo)致路面處現(xiàn)水損害的原因如下。

1）該地區(qū)的降水量大，因此，路面與水之間的接觸面積較多，接觸時(shí)間較長。降雨量集中導(dǎo)致水進(jìn)入路面后無法及時(shí)排出，造成水損害的概率增大[5]。

2）瀝青路面在施工過程中壓實(shí)度控制不滿足要求，導(dǎo)致孔隙率不符合規(guī)定要求。當(dāng)孔隙率較小時(shí)，水分進(jìn)入瀝青混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部無法排出，在動水壓力的作用下產(chǎn)生水損害現(xiàn)象；當(dāng)孔隙率較大且不具備排水功能時(shí)，雨水進(jìn)入瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層內(nèi)部使瀝青膜剝落，形成水損害。

3）瀝青路面出現(xiàn)裂縫后，水分會沿裂縫進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，對瀝青進(jìn)行沖刷，造成集料減少出現(xiàn)唧泥、坑洞等病害。

4）該地區(qū)屬于山區(qū)，路基邊坡級數(shù)較多，且邊坡高度較高，路面水通過急流槽或攔水帶進(jìn)行排泄。但路拱橫坡不滿足要求，導(dǎo)致雨水在路面滯留時(shí)間較長，影響道路使用功能。

3 瀝青混合料水敏感性分析

3.1 混合料設(shè)計(jì)

3.1.1 原材料

本試驗(yàn)采用的瀝青為SBS 改性瀝青，經(jīng)過對瀝青各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢測滿足技術(shù)要求。10～15 mm、5～10 mm 粒徑的集料均采用玄武巖，0～3 mm 集料采用破碎礫石。本文采用的剝落劑為石灰、水泥和胺類（同下文中的BAⅢ）3 種抗剝落劑。

3.1.2 配合比設(shè)計(jì)

本文采用馬歇爾試驗(yàn)確定最佳瀝青用量為6.1%，最佳級配為10～15 mm 集料∶5～10 mm 集料∶0～3 mm 集料∶礦粉=52∶24∶13∶11，拌和溫度為170～175 ℃，擊實(shí)溫度為160～165 ℃。水泥抗剝落劑添加量占混合料比重的1%、1.5%、2%的試件定義為試件A、B、C；石灰抗剝落劑添加量占混合料比重的1%、1.5%、2%的試件定義為試件D、E、F；胺類抗剝落劑添加量占混合料比重的0.2%、0.4%、0.6%試件定義為試件G、H、I。對各類試件進(jìn)行凍融劈裂試驗(yàn)和馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)。

3.2 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 浸水殘留穩(wěn)定度分析

添加水泥抗剝落劑的試件的抗剝落能力排序?yàn)椋篈＞B＞C；添加石灰抗剝落劑的試件的抗剝落能力排序?yàn)椋篍＞D＞F；添加胺類抗剝落劑的試件的抗剝落能力排序?yàn)椋篏＞H＞I；與對照組相比較發(fā)現(xiàn)：添加抗剝落劑的試件的浸水殘留穩(wěn)定度指標(biāo)均有所提高，水泥提高了14.6%、石灰提高了11.9%、胺類提高了8.3%。結(jié)果如圖1 所示。

圖1 浸水殘留穩(wěn)定度分析圖

通過對圖1 進(jìn)行分析可知：試件抗剝落能力試件排序?yàn)椋篈＞G＞H＞E＞B＞D＞I＞C＞F。

3.2.2 穩(wěn)定度分析

通過對穩(wěn)定度的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理得到結(jié)果如圖2 和圖3所示。

圖2 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)圖

圖3 浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)圖

通過圖2 和圖3 對比發(fā)現(xiàn)：添加抗剝落劑的試件的穩(wěn)定度指標(biāo)均有所提高，水泥提高了14.5%、石灰提高了11.9%、胺類提高了5.4%。添加水泥和石灰的試件在劑量為1.5%時(shí)，浸水馬歇爾穩(wěn)定度最高。

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

瀝青混合料中添加3 種抗剝落劑均能提高穩(wěn)定度；通過兩個(gè)指標(biāo)綜合分析可知水泥添加量為1%時(shí)為最佳摻量，石灰添加量為1.5%時(shí)為最佳摻量，胺類添加量為0.4%時(shí)為最佳摻量；對3 種剝落劑相比較可知，添加水泥和石灰的瀝青混合料穩(wěn)定度比添加胺類瀝青混合料的穩(wěn)定度提高程度大。通過對3 種抗剝落劑進(jìn)行詢價(jià)可知，最經(jīng)濟(jì)有效的抗剝落劑為1.5%的石灰。

4 抗水損害措施

4.1 工程概況

本文依托工程為某高速公路，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，車道數(shù)為雙向4 車道，荷載等級為公路Ⅰ級，瀝青混凝土的設(shè)計(jì)使用壽命為15 a，路面結(jié)構(gòu)層組合為：

上面層：SMA-13 改性瀝青，厚度為4 cm；

中面層：AC-20 中粒式改性瀝青混凝土，厚度為6 cm；

下面層：AC-20 中粒式基質(zhì)瀝青混凝土，厚度為6 cm；

基層：水泥穩(wěn)定碎石，厚度為20 cm；

底基層：水泥穩(wěn)定碎石，厚度為30 cm；

墊層：級配碎石，厚度為15 cm。

4.2 氣候及地理位置概況

本文依托項(xiàng)目位于山區(qū)，公路建設(shè)過程中存在長大縱坡，路基挖方較多，地形條件排水困難，導(dǎo)致山谷段公路長期積水。該地區(qū)氣候特點(diǎn)：降水量較大且時(shí)空分布不均，夏季多雨，且存在較長汛期，年降水量大于1 000 mm[5]。沿線氣候特點(diǎn)如表1 所示。

表1 沿線氣象表

4.3 水損害預(yù)防措施

4.3.1 混合料設(shè)計(jì)

1）集料。集料中由于二氧化硅含量不同，將集料分為酸性、堿性、中性集料。路面上面層直接承受車輛荷載作用，應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和抗滑性。因此，上面層粗集料采用弱酸性的玄武巖，填充的細(xì)集料采用堿性的石灰?guī)r，能夠與瀝青較好地結(jié)合；浸入瀝青混凝土內(nèi)部的水會對瀝青膜產(chǎn)生剝落作用，為使瀝青和集料緊密結(jié)合，中下面層采用堿性的花崗巖[6]。

2）瀝青。上面層瀝青采用SBS 改性瀝青，基質(zhì)瀝青采用黏度較大的90#A 級瀝青。

3）抗剝落劑。抗剝落劑采用占混合料比重1.5%的石灰，當(dāng)水分進(jìn)入瀝青混凝土的內(nèi)部，對瀝青膜產(chǎn)生影響時(shí)，石灰與水產(chǎn)生水化作用，將水吸收掉，提高瀝青混凝土的抗水損害能力。

4）采用合理級配。經(jīng)過馬歇爾試驗(yàn)進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，最終得到混合料級配為：10～15 mm 集料∶5～10 mm 集料∶0～3 mm 集料∶礦粉=52∶24∶13∶11，瀝青最佳用量為6.1%。

4.3.2 路面施工

相關(guān)研究表明瀝青路面孔隙率7%～15%時(shí)，路面的水損害最嚴(yán)重[7]。本文通過配合比試驗(yàn)及穩(wěn)定度試驗(yàn)表明：上面層孔隙率在4.5%時(shí)，穩(wěn)定度和凍融劈裂強(qiáng)度指標(biāo)最優(yōu)。因此，在路面施工時(shí)應(yīng)采用大于11 t 的鋼輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，保證壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求[8]。

5 結(jié)語

本文通過對瀝青路面的水損害進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論:瀝青路面水損害主要表現(xiàn)形式為松散、坑洞、唧泥等。通過試驗(yàn)對瀝青路面的水敏感性進(jìn)行分析結(jié)果表明：抗剝落劑應(yīng)采用占瀝青混凝土總質(zhì)量1.5%的石灰最佳。對路面進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)保證壓實(shí)度的要求。