公路沥青路面水损害分析

胡其峰

(安徽省安庆市公路局枞阳分局,安徽枞阳 246700)

公路沥青路面水损害分析

胡其峰

(安徽省安庆市公路局枞阳分局,安徽枞阳 246700)

水损害是沥青路面的早期病害之一,这种病害会造成路面的松散、龟裂、掉粒等损坏现象。介绍道路水损害的研究现状,分析病害产生的主要因素和作用机理,总结水损害的防治措施及有待解决的问题。

公路沥青路面;沥青混合料;水损害分析

沥青路面的应用越来越广,但是在推广使用的过程中也出现了一些道路病害,较为常见的有车辙、裂缝、唧浆、鼓包、坑洞、麻面等。路面的早期破坏降低了道路的服务水平,缩短了其使用寿命,影响了正常的生活秩序,耗费了人力、财力,加重了国民经济负担,多数早期损害都和水有密切联系。

水损害是指水由沥青路面孔隙、裂缝进入路面内部后,在冻融、车辆轮胎动荷载产生的动水压力或真空负压抽吸的反复作用下[2]749-753,水分逐渐渗入沥青与矿料的界面或沥青内部,使沥青与矿料之间的粘附性降低并逐渐丧失粘结能力,沥青膜逐渐从矿料表面剥离,沥青混合料掉粒、松散,造成沥青路面结构整体性的破坏。

1 国内外研究现状

国外关于这方面的研究主要针对抗剥落剂与集料性质、评价方法、粘附剥落理论及混合料的均匀性等方面展开了研究。其中美国战略公路研究计划(简称SHRP)项目历时五年,耗资1.5亿美元,是公路研究史上最大的研究项目之一,取得了130多项科研成果。近几年关于水损害的研究仍在深入:2002年Anderson在沥青协会春季会议报告了沥青混合料抗水损害能力的评价方法;2003年圣地亚哥National Moisture Damage Workshop研究了水损害对沥青胶的影响;2004年Randy C.West,Jing na Zhang,Allen Cooley Jr评价分析了沥青路面水敏感性的试验方法; 2005年Rajib B Mallick等人研究了利用加速的荷载装置测热沥青混合料水敏感性;2008年 Ericw Kalberer等人主要从沥青的分子结构方面考虑了水损害的影响。[3]

在我国的高等级公路建设中,人们逐渐对排水系统设计越来越重视。设计方面主要通过路拱横坡、最小纵坡、边沟设纵坡来控制,但也没有确定的方法,对路基路面排水的研究仅限于路面排水(包括路肩排水)、中央分隔带排水和路基盲沟排水,而在路面结构内部排水材料防水方面所做的研究工作不多。1997年8月《公路排水设计规范》颁布,使排水系统的设计有据可依。然而,该规范对路面内部排水系统只是在结构和材料方面做了一些规定,没有提出具体的设计方法,需要做进一步的研究和积累修筑经验,使之细化和完善。

近几年,一些科研工作者开始将有限元分析方法运用到水稳定性研究中[4]77-80。同济大学道路与交通工程系和长安大学在1999年做了路面内部排水系统的相关研究,对多空隙率水泥和沥青稳定碎石排水基层的排水能力作了初步探讨,通过对实际路用性能进行长期观测,提出了水泥和沥青稳定碎石排水基层材料的建议级配,并在路面结构内部排水系统的结构设计和水力计算方面取得一定的突破。长沙理工大学公路学院对沥青路面水损害疲劳破坏过程进行了数值模拟分析[5],将有限元理论运用在了道路分析中,从以前局限于试验研究逐渐开始了数值模拟实验研究,数值模拟需要在不影响结果的前提下对现实的情况做一些假设,保证分析结果准确性。

2 水稳定性影响因素及评价指标

对于沥青混合料水稳定性能的影响因素是多方面的,主要包括以下几方面:

(1)环境条件。环境因素包括一个地区的气候降水、温度变化、季节交替等。地区降雨较多,气候潮湿,路面就容易积水,易发生水损害。在冰冻地区,冬春季节白昼温差大,容易产生冻融循环,气温降低时水由液态变为固态,体积的增大对混合料内的孔隙有膨胀挤压作用,加速混合料颗粒间的离散。

(2)施工条件。沥青的拌和、运输、摊铺、碾压的过程中施工质量的保证。沥青混合料的拌和要选择最佳油石比,搅拌充分而且均匀,拌和设备、拌和时间及拌和地至施工地点的距离都要加以考虑,运输的过程中不发生离析、烧焦及粘结成块;摊铺要缓慢、均匀、而且连续不断;碾压要连续、密实。在施工的过程中,要注意温度的控制,因为沥青对于温度的变化比较敏感,温度升高时粘度降低,严重时会被烧焦。

(3)酸碱度影响[6]137-139。集料的酸碱性是按二氧化硅的含量划分的,二氧化硅含量越多,集料酸性越强,与沥青的粘附性越弱,水稳定性越差,所以在施工时尽可能选择碱性集料,对增强集料与沥青的粘附性非常有利。

一般情况下，造成“豆腐渣”工程的原因主要在于材料选择与质量监控方面把关不严。小型农田水利现代化建设多是在相对落后地区实施，经济保障和技术支持相对落后，导致很多工程队伍在施工过程中技术上得不到正确科学的指导。盲目按照主观判断和工程材料的质量问题，导致了水利工程质量不合格和使用寿命降低等情况。

(4)表面特性。集料拌和时要处于干燥状态,表面洁净不含尘土或其他杂质,集料的表面尽可能粗糙,增大沥青与集料的接触面积,增大二者的粘附力。如果含有灰尘或其他杂质,沥青与集料的粘附性会很快下降。

(5)级配类型。级配类型不同组成的混合料的水稳定性也不同。密级配形式形成的结构比较密实,空隙率小,一般情况下选择密级配集料要比开级配集料的抗水损害能力强,混合料的水稳定性由密级配到开级配是逐渐降低的,因而在施工的过程中尽量选择密级配形式的集料。此外,影响混合料水稳定性的因素还有矿粉的含量、油石比、小粒径集料所占的百分含量及抗剥落剂或纤维的添加等。

(6)空隙率因素。空隙率因素对于水稳性的影响不是简单的直线关系,通过研究将孔隙率划分为如下几个区间:沥青混合料空隙率小于8%时,水不容易进入混合料内部,不会造成水损害;当路面空隙率大于15%时,粒径大渗入到内部的水能够及时排出,只有在空隙率为80%～15%之间时水易进入而且不能迅速排出,所以在设计施工的过程中应该控制空隙率不要落在渗水而又不排水的区域。

(7)沥青性质。沥青的性质主要有粘度、延度、针入度、表面能等自身特性。其中影响沥青混合料水稳定性能的主要因素是沥青的粘度,沥青的粘度值越大,粘性越好,与集料的粘附性越好,延度越大,抗变形能力越强。

(8)其它因素。设计对水稳定性的影响主要体现在排水系统的设计方面,如路面结构层的选择,结构层厚度的拟定,沥青混合料设计孔隙率的确定及排水设施的设计(路缘石,路肩横坡,挡土墙泄水孔,盲沟,边沟纵坡等)。目前道路的结构层比较单一,结构材料形式简单,地区性不强,设计中应该考虑实际情况,灵活多变,保证道路的排水顺畅。

在特殊的路段还应注意采取必要的措施增强排水能力[7]422-426,杜绝积水由横坡进入道路基层,路拱横坡将水排到路缘石边,及时汇聚排出,同时路肩也应具有一定的抗水能力,在凹形竖曲线最低点处的排水设计要注意先将水汇集在边沟再通过设置管道使水依靠地势高低排出。此外,当设置的边沟达到一定的长度时,设法将沟内的水排出,避免流速随距离的增长而增大形成冲刷,对于弯道处向内侧的单坡汇聚的积水也应采取相应的措施迅速排出。

为了保证混合料水稳定性达到要求,相应的规范规程也提出了一些沥青混合料水稳定性的评价方法,常见的评价指标及方法见表1。

表1 水稳定性评价方法及比较

3 水稳定性理论分析及防治措施

3.1 理论分析

目前,关于沥青混合料粘附性的理论解释没有一个统一的说法,科研工作者针对沥青混合料水稳定性的影响因素及评价指标提出了不同理论。主要有:机械粘附理论、化学反应理论、表面能理论、极性理论,这些理论主要侧重于化学及物理方面。机械粘附理论认为粘附性是有分子间力形成的;而极性理论则认为分子间形成氢键而形成的,化学反应理论认为分子间力是由于酸碱反应形成的,在表面能理论中,表面张力之间的平衡状态是主要因素,这些理论都比较微观,从不同的方面入手,就得到了不同的解释理论。

3.2 水稳定性防治措施

根据这些理论,可以从不同的方面入手制定防治水损害的措施。在设计及施工的过程中要控制沥青路面的空隙率,使渗入混合料的水能够及时排出,必要时添加抗剥落剂,或一定比例的可耐高温的纤维提高沥青的低温抗裂能力和高温抗车辙变形能力;对车辆进行限速,因为行车速率越大,水动力作用越大;设计的过程中考虑道路的排水系统设置;选择粘性好的沥青与集料的组合[8];采用合理的结构层及级配形式;提高路线的平纵线性指标;施工时严把质量关,保证符合施工验收标准的要求。

4 结束语

通过对沥青路面水稳定性能的讨论,得到了提高路面抗水损害能力的方法。但还存在一些问题需要进一步研究:①水稳定性能的评价指标需要进一步改进;②混合料的水稳定性与路面的水稳定性建立直接的联系;③同时考虑多个因素对水稳性能的影响。试验的研究方法要尽量与实际状况相近,得到的结果才能更好的反应实际,才能得到进一步推广。

[1] 高小刚,孙阅兵,陈秀英.沥青路面水损害作用机理及防治对策[J].北方交通,2008(6).

[2] 杨若冲,梁锡三,赖用满.沥青路面水损害典型原因与对策[J].同济大学学报,2008,36(6).

[3] 张肖宁,沥青与沥青混合料的粘弹力学原理及应用[M].北京:人民交通出版社,2006.

[4] 张艳,袁军,田盛鼎,沥青路面水损害分析和现有评价方法对比[J].公路工程与运输,2006(8).

[5] 沈金安,李福普,陈景.J TG F40-2004公路沥青路面施工技术规范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[6] 杨成忠.沥青混合料水稳定性分析[J].科技情报开发与经济,2004,14(6).

[7] 张宏超,孙立军.沥青混合料水稳定性能全程评价方法研究[J].同济大学学报,2003,30(4).

[8] 沈金安,李福普.J TJ052-2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程[M].北京:人民交通出版社,2000.

责任编辑:文 月

U416.217

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1671-8275(2010)03-0016-03

2009-04-16

胡其峰(1976-),男,安徽枞阳人,安庆市公路局枞阳分局工程师。研究方向:路桥施工与管理。