沥青路面水损害评价方法综述

彭永恒，潘宝峰

(1.大连民族学院土木建筑工程学院，辽宁大连116605;2.大连理工大学土木水利学院，辽宁大连116023)

随着高等级公路的建设与发展，半刚性基层沥青路面得到了广泛的应用，但同时这种路面结构的耐久性和早期损害问题也日益突出，许多高等级公路通车1—2年，路面就产生了剥落、泛油、内部松散、泛浆、沉陷、坑洞、车辙和龟裂等新型早期损坏现象，路面结构内部(包括沥青面层及半刚性材料基层)剥蚀严重，这些都大大降低了沥青路面的使用性能，缩短了使用寿命，同时也带来了巨大的经济损失。通过对路面破坏现象的广泛调查和统计以及大量研究表明，在各种类型的沥青路面早期破坏现象中，水损坏是最主要、危害最大的损坏类型。沥青路面的早期破坏现象大多与水有关。水的存在直接或者间接地影响了路面的使用性能，降低了路面的使用寿命［1-2］。国内外研究者普遍认为，在轮载作用下，沥青路面内部的孔隙水压力是沥青路面水损害的主要肇因之一［3-5］。

1964年，美国AASHTO试验路研究表明，路面结构内存在自由水时，每一次重复轴载产生的结构损坏比路面相对干燥时要高出40倍以上。为此，加强沥青路面水损害问题的研究(作用机理)具有很大的现实意义与工程实用价值。

1 沥青路面水损害的形成机理

由于沥青混凝土路面是层状结构，层间结合处容易出现空隙，一旦排水不畅则形成滞水区，在行车荷载作用下将产生高孔隙水压和高速水流，进而致使沥青与集料过早剥离而诱发水损害。其后，水损害由沥青混凝土面层底部逐渐向上扩展，最终导致整个沥青混凝土面层的破坏。

研究者们已经普遍认同路面内部的孔隙水压力是沥青路面损坏的主要诱因之一，并且形成了共识:在有水的情况下，行车荷载的重复作用使得沥青路面内部产生高孔隙水压力，致使沥青与集料剥离，进而导致沥青路面的松散、泛油等一系列病害。

2 国外研究现状

早在20世纪60年代开始，世界各国就非常重视沥青路面水损害问题的研究。包括水损害的形成机理、影响因素、评价水损害的试验方法、水损害的控制和防治等各个方面，并发表了许多研究论文及报告。但由于沥青路面水损害所涉及的因素非常复杂，至今在沥青混合料水稳定性试验方法及评价方法上还没有得到令人非常满意的答案，因此还在不断地研究之中。

评价沥青混合料水稳定性或水敏感性的试验方法很多，在国外，一般有以下两类:以未经压实的松散沥青混合料为研究对象进行定性的试验;以沥青混合料试件或芯样为研究对象进行定量的试验。前者主要针对粗集料与沥青的相互作用，用视觉观察或仪器检查来主观评价裹覆在集料表面沥青膜的剥蚀程度，并据此作为判定沥青和集料粘附性及混合料水稳定性的依据，如水煮法、静态浸水法等。后者是通过实验室内试件浸水条件下的某些物理力学指标，如马歇尔稳定度、劈裂强度、径向回弹模量等的衰变程度来表征沥青混合料的水稳定性，这类方法主要包括浸水马歇尔试验、劈裂试验、浸水抗压试验、德克萨斯承台冻融试验、洛特曼试验、改进的洛特曼试验、Tunnicliff＆Root试验、浸水车辙试验等。但到目前为止，还没有一种试验方法可以充分模拟沥青路面的实际使用条件(环境)而得到广泛的认可，因为实验室与现场是有区别的。为此，美国SHRP开发了ECS(Environmental Conditioning System)，其目的就是为了更好的模拟工程现场，以缩小实验室与现场之间的差距，从而有效地评价混合料的水敏感性［6］。

3 国内研究现状

相对而言，虽然国内在水损害方面的研究起步较晚，但无论是在对沥青路面水损害的机理认识，还是在沥青路面水损坏的各种评价方法等方面，都有了较快发展。

“八五”期间，针对国内外广泛应用的多种试验评价方法，根据我国的技术水平和习惯，国家科技攻关专题选择了浸水马歇尔试验、真空饱水马歇尔试验、浸水劈裂试验、真空饱水劈裂试验、冻融劈裂试验(试件双面击实各75次)、冻融劈裂试验(试件双面击实各50次)、浸水车辙试验等7种试验方法对不同的沥青与集料的组合做了大量的试验，进行了充分的对比分析。选取了试验方法简单、数据稳定的浸水马歇尔及双面击实50次的冻融劈裂试验作为水稳定性的标准试验方法并制定了指标的标准，详细地分析了冻融劈裂试验的使用条件。指出:冻融劈裂试验条件是将实际路面上受到的水的影响集中、强化，使在较短的时间内能够模拟路面较长时间的影响，它可以直观地反映寒冷地区沥青路面的实际工作环境，但并不仅仅适用于北方寒冷地区，更适合于南方多雨潮湿地区，是地地道道的水稳定性试验方法;采用真空饱水、冻融和高温水浴三个过程仅仅是把水损害的过程强烈化了，并不是南方没有冰冻该方法就不适合。

鉴于目前国内有关沥青路面水损害的评价方法的多样性，本文从材料的设计参数、外加剂以及理论与试验评价方法等方面进行介绍，最后给出各种方法比较的结果。

3.1 试验研究方法

1993年，重庆公路研究所的贾渝介绍了美国常用的几种沥青混合料水损害试验方法，并指出各个试验方法的适用范围以及与沥青混合料的实际使用性能的关联程度。1998年，沈金安介绍了“沥青抗剥落剂性能评价方法”及“热拌沥青混合料的加速老化试验”，提出了沥青路面水损害病害的预防对策。1999年，贾渝和张全庚根据“沪宁路沥青和沥青混合料路用性能研究”课题的研究成果，论述了沥青路面水损害的原因，指出了我国沥青路面规范的不足，并介绍了Superpave水敏感性指标——AASHTO T283“压实沥青混合料水损害试验方法”的试验与结果。

3.1.1 设计参数

包秀宁［7］等为了研究空隙结构对沥青路面水损害的影响，设计了两种方案来制备空隙结构不同的混合料，并对不同空隙结构的混合料进行抗水损害对比分析，揭示了空隙结构对混合料抗水损害的作用及不同空隙结构的优劣。

叶奋［8］等通过沥青路面结构受水浸泡的时间长短和路面结构的排水性能，以及受水浸泡后路面材料抗压回弹模量下降的变化规律和层间接触条件变化分析，提出了沥青路面结构设计的新思路和新方法。

3.1.2 用外加剂材料提高抗水损害能力

王抒音和周纯秀［9］针对酸性集料与沥青粘附性差、混合料水敏感性大的难题，根据配位键理论采用含铬外加剂处理酸性集料，显著提高了沥青与酸性集料的粘附性，并用强化的冻融劈裂试验检验了沥青混合料的抗水损害能力。对比试验说明，经过含铬外加剂处理后的酸性集料混合料劈裂强度比提高显著，长期抗水损害性能也较好。

王旭东和戴为民［10］研究了利用水泥、消石灰代替部分或全部矿粉后对沥青混合料性能的影响。通过试验表明，掺加水泥或消石灰后沥青混合料的水稳定性和高温稳定性都有明显的改善，同时对混合料的低温性质影响不大。

朱建平［11］采用残留稳定度、冻融劈裂强度两种试验方法，从不同角度对添加石灰的沥青混合料在浸水条件下的物理力学性能进行了分析，评价了混合料在抗水损害方面的路面使用性能。

吕伟民和钱伟［12］研制了一种新型的沥青混合料抗剥落剂，并进行了性能评价以预防沥青路面的水损害，取得了较好的效果。

3.1.3 试验评价方法

许涛和黄晓明［13］通过比较国内常用的浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验及AASHTO T283试验的结果，以条件与非条件的稳定度或劈裂抗拉强度的比值作为评价指标，分析了上述3种试验方法的优缺点和使用条件，并研究了它们的内在区别、联系及影响它们有效性的关键因素。

王抒音［14］等针对目前用冻融劈裂试验来评价沥青混合料抗水损害能力的局限性问题，在研究了空隙率和饱水率对冻融劈裂试验结果影响的基础上，增加冻融循环次数，以冻融循环劈裂比评价沥青混合料抗水损害能力，认为该试验可较客观地评价沥青混合料的耐久性。

包秀宁等［15］详细研究了国内外沥青混凝土水损害试验的不同方法和原理，提出各试验方法所反映出的水损害的主要影响因素及各试验方法存在的问题，为路面工程建设提供了有效的、能避免或减少沥青路面水损害的分析。

丁立［16］等在区分沥青混合料水敏感性和水稳定性的基础上，分析研究了采用冲刷冻融试验环境模拟实际沥青路面水损害过程，并提出新的指标——剩余劈裂强度，结合劈裂强度建立起双指标的沥青混合料抗水损害性能评价方法。

从以上分析可以看出:各种水稳定性试验的评价方法无非是几个条件的的差异，即试件的成型方法、试件的空隙率控制、试验条件及试验指标的不同，但都没有涉及动水压力的作用。

3.1.4 专用仪器评价

潘宝峰［17］研制开发了评价路面材料抵抗动水压力破坏能力的试验仪器——高频高压动水压力发生器。该仪器可产生最大峰值1MPa的正弦波形循环动水压力，频率为0～25Hz。与三轴试验设备配合使用，可用来分析沥青混合料在循环动孔隙水压力冲刷作用下的力学性能，为进一步研究沥青路面材料水损害产生的机理及防治措施提供了一种新的试验手段。

3.2 理论评价方法

2004-2005年，彭永恒［8-9］为研究水对沥青路面的影响，利用积分变换和传递矩阵的方法推导了动荷载作用下路基路面层状弹性体以及粘弹性体超孔隙水压力轴对称问题的解析解，引入F.durbin的方法实现Laplace逆变换的数值方法，对层状弹性体及粘弹性体的超孔隙水压力进行了分析与研究。

2005年，罗志刚［20］针对沥青路面水损害问题，运用轴对称有限元方法分析了不同等级轴载作用下沥青路面层间孔隙水压力的变化规律，研究表明，孔隙水压力将造成路面层间的严重冲蚀，导致沥青与集料过早剥离而诱发水损害。

2006年，钟阳［21］提出了沥青路面超孔隙水压力计算的刚度矩阵法，研究表明，在路面的面层中以及面层与基层的接触面附近，超孔隙水压力出现最大值。

2007年，丛波日［22］提出动载下沥青路面超孔隙水压力分析方法来评价沥青路面水损害。同年，董泽蛟基于饱和多孔介质理论通过轴对称有限元的瞬态动力分析，计算得到饱和沥青路面内部孔隙水压力的时程变化;分析了不同渗透性、车速和荷载条件下的孔隙水压力变化规律。结果表明，荷载的动态作用导致沥青路面内部的孔隙水压力具有波动性质，正负孔隙水压力的循环作用是沥青膜破坏的主要诱因，路面内部存水时，高速、重载将加速沥青路面性能衰减。

2008年李志刚［23］引入比奥渗流固结理论和渗流方程采用传递矩阵法，推导动荷载作用下的层状弹性体孔隙水压力轴对称问题的解析解。同年，周长虹［24］利用变温粘弹性理论和Biot动力固结理论，对饱水沥青路面孔隙水压力的空间和时间分布进行计算。结果表明，有效应力及孔隙水压力均与外荷载具有相似的波形，只是在不同空间位置出现不同的峰值大小和相位滞后。

2009年，董泽蛟［25］建立了饱水有限元计算模型，定量的分析了沥青路面内部孔隙水压力的分布规律，然而以往的大量研究计算是基于假定一种流体边界条件并按单一结构设计参数进行的分析。董泽蛟还提出，基于多孔介质理论［26］对典型半刚性基层沥青路面建立轴对称有限元模型，计算分析了两种不同流体边界条件下孔隙水压力分布规律。

2011年，任瑞波［27］基于多孔介质理论，对于两种典型路面结构——半刚性沥青路面、具有柔性基层的半刚性沥青路面分别建立了轴对称三维有限元模型，计算分析了动态荷载作用下路面结构在两种不同流体边界条件下的的竖向应力、竖向应变和孔隙水压力分布规律。结果表明，由于流体边界条件的不同，沥青面层内孔隙水压力的分布规律不同，有柔性基层的半刚性沥青混凝土路面结构具有较好的抗水损害性能，半刚性沥青混凝土路面结构则表现出较差的抗水损害性能。沥青路面的材料刚度也是孔隙水压力值的重要影响因素。

4 结语

考虑到沥青路面水损害的现象与产生机理，预防沥青路面水损害的出现应综合考虑结构和材料，并通过设计和施工等方面采取相应的措施来解决。

(1)综合分析试验研究的各种方法，都是分别采用不同的方法(添加外加剂)、手段(评价指标)、设计参数或专用仪器来科学有效地评价沥青混合料的路用性能，以提高沥青路面的抗水损害能力。在今后的实际工程应用中，如能针对实际的原材料性能，把上述几种方法进行合理的综合利用，采用适合的外加剂，可行的设计参数，合理的评价指标，辅以专用有效的仪器来综合设计、评价以及指导施工，将是今后的发展方向。

(2)在理论分析计算方面，各学者采用不同的理论、一定的假设条件下，通过有限元模拟和理论分析来计算沥青路面的孔隙水压力的大小及其分布规律，进而评价其抗水损害的能力，但分析得出的不同基层类型的沥青路面结构与抗水损害性能的相关性，都具有一定的局限性。

(3)应用高频、高压动水压力发生器对沥青混合料进行冲刷试验将开辟沥青路面水损害试验研究的新途径。进行单轴或三轴试验，研究沥青混合料在循环动水压力作用下力学指标的变化规律，可以评价材料的抗水损害的性能，并为考虑水损害的沥青路面结构设计参数的选择及材料设计提供理论依据，具有很好的应用前景。

(4)沥青路面的水损害一直是道路养护和维修人员十分关注的问题，理论分析和试验研究方法很多，如何把理论研究的成果和试验研究的数据很好的汇总、结合起来，通过定性和定量分析研究，并在实际工程中得到验证，做到两者的统一，将是今后需要重点解决的问题。

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