沥青路面水损害的因素分析及预防对策

张伟国，杜惠荣

(潍坊市公路勘察设计院，山东 潍坊 201031)

沥青路面水损害的因素分析及预防对策

张伟国，杜惠荣

(潍坊市公路勘察设计院，山东 潍坊 201031)

分析了沥青路面水损害的主要病害存在形式和特征，并总结了造成沥青路面水损害的主要机理和影响因素，说明：降雨是水损害的直接原因，沥青混合料材料本身特性是内在因素，而车辆荷载作用是病害形成的直接诱因。为了进一步降低沥青路面水损害的发生，提高沥青路面结构的长期使用性能和行车安全性能，可以从优化路面排水设计和改善沥青混合料材料选择两个方面进行预防。

沥青；路面工程；水损害；因素分析；预防对策

0 引言

沥青路面因其行车噪声小、抗老化、耐高温和平整度易控制等优点，在我国道路工程建设中广泛应用。然而，随着我国经济快速增长，交通基础设施大力发展，早年建设的道路工程广泛面临大面积交通流和重载货车作用，部分已经出现严重的病害，其中，水损害是沥青路面典型病害型式，直接影响了车辆的行车安全和道路使用的长期性能[1]。

水损害是沥青路面结构在水的诱因下，出现路面材料的退化、结构的损伤破坏等现象，水损害在温暖潮湿区域特别显著，因水损害进一步引发的路面沉陷、桥头跳车、坑蚀等病害，进一步对道路与交通安全造成影响[2,3]。论文将系统分析沥青路面水损害的主要存在型式和特性，并剖析造成水损害的机理，厘清水损害的主要影响因素和影响特征，最后，提出降低沥青路面水损害的预防措施，提升沥青路面的运营质量。

1 沥青路面水损害存在型式和特性

沥青路面水损害根据其程度和发展，主要存在型式是路面麻面、唧浆和唧泥、松散和坑槽。

1.1 路面麻面

压实的沥青路面不可避免存在部分孔隙，当自由水停留在孔隙中时，水中富含的化学物质一方面与沥青混合料发生微弱的相互作用，降低沥青的力学强度和粘度，另一方面自由水的存在会鼓障孔隙，降低了沥青混合料之间的粘结性能。如此，在外界车辆作用下就会出现路面掉粒、剥离和麻面等病害，这些病害还仅仅是发生在路面层，损害主要是在路面层，见图1。

图1 沥青路面的麻面病害

1.2 唧浆和唧泥

随着沥青麻面的产生，当自由水进一步投入表面层而滞留在内部层时，在水与沥青混合料长期的作用及外界车辆作用下，沥青路面内部的结构粘性越来越差，会发生从内而外的剥落和形变，路面麻面会进一步演化为肉眼可见的网状裂缝和龟裂病害，见图2。

图2 沥青路面网状裂缝及唧浆

而外部灰层及雨水在裂缝间的停留，加上裂缝的出现破坏了沥青混合料的粘结，沥青本身的材料与裂缝水的作用，再加上外界车辙和疲劳作用，裂缝处出现泥浆，而这些物质的出现进一步涨大裂缝，使得裂缝更加显著，出现唧浆和唧泥病害特征。

1.3 松散和坑槽

随着唧浆和网状裂缝的扩展，区域内的沥青路面已经失去了整体的协同受力特性，在车辆作用下会出现路面沉陷、坑槽和显著的松散，这些病害显著地导致行车不稳定，甚至引发交通安全事故。快速行车下，甚至部分沥青颗粒被拖出来，导致沥青与集料之间的粘附效应急剧下降甚至完全消失，见图3。

图3 沥青路面松散和坑槽病害

2 沥青路面水损害因素分析

水作用下沥青路面的损害的根源是：水作用下沥青与集料之间的粘结平衡被打破，导致其整体性差，在外界车辆和环境作用下，沥青路面才会发生破坏而呈现出病害。

2.1 水损害的粘结机理

沥青的破坏从微观角度，就是外界作用力打破了沥青与集料的粘结效应，导致骨料和沥青剥离。虽然沥青和骨料的粘结粘附机理至今尚无法用一个简单的理论进行阐述，但总体而言，以分子力为主导的机械性粘附、以化学活性分子为主导的化学粘附、以表面能量作用吸附或者分子极性理论等，都是认为存在内在作用机制使得沥青和骨料在一定受力程度下能够完整地保护好其整体性和变形性能。多数研究表明，沥青与骨料之间的粘结力可以通过稳定性试验、抗拉强度试验或者弹性模量试验测取，且粘结力与沥青膜厚度高度相关[4]。

水损害的基本机理是：自由水通过侵入沥青膜或者水中化学物质与沥青膜进行作用反应，降低了沥青膜的厚度和性质，导致沥青与骨料之间的连接性能受到影响，大大削弱其粘结力。这样，在车辆荷载的外界机械作用下，当粘结力尚不能抵抗外界作用力，就会发生沥青与骨料的相对变形，产生缝隙。缝隙在水的作用下，其周围介质的粘结力进一步降低，导致缝隙变大，路面沥青结构受到破坏。

2.2 水损害影响因素分析

根据沥青水损害的机理，可以明确，影响沥青水损害的基本因素包括：交通荷载等级、降雨量、设计材料和施工质量四个方面。

（1）交通荷载等级

交通荷载是导致沥青路面结构的最主要外因，车辆对于路面的作用不仅包含竖向的弯曲效应，还有竖向剪切、纵向剪切效应，导致路面弯曲、车辙等，这些作用都是对沥青与骨料粘结作用的考验。根据道路损伤的累积准则，小吨位的车辆对于沥青的损伤贡献不大，而大吨位大轴载的车辆作用下，沥青路面的损伤累积呈现指数增长，非常显著，这也是目前多数道路结构的病害源自于大比例超载重车的运营。

水损害中，自由水倾入沥青缝隙或者膜中，当车轮作用时，产生很大的挤压力；当车轮驶离该作用位置时，产生很强的抽吸力。这种循环作用，将滞留在基层和面层孔隙中的水挤出表面，从而初始沥青与骨料的粘结位置发生重组，这样就降低了粘结力，导致骨料脱落、局部松散甚至破坏。

（2）降雨量

水损害的根源是自由水进入沥青结构层，如果雨水在路面停留的时间越长，自由水倾入的机会就越大，渗入量也越大，容易在沥青和集料之间以水汽或者水膜型式存在，从而产生水损害。因而，降雨是水损害的直接诱因，根据资料调研和文献记录，我国西南多雨的潮湿区域，其沥青混凝土路面的水损害现象会显著大于北方干旱区域。

（3）设计材料性能

沥青路面的使用材料，是影响沥青力学性能的根本，也是决定其物理性质的关键。采用级配良好的沥青混合料，施工完成后孔隙率较低，且若掺入防水性质好的材料，可以降低雨水的侵入，提高沥青路面的水稳定性。设计表明，当沥青路面的孔隙率低于4%时水渗透的概率很小，路面水稳定性好；当孔隙率超过6%时，则很容易产生水损害现象[5]。

（4）路面施工质量

施工质量对路面使用性能具有重要影响，特别是我国早先建设的道路结构，以及乡村道路结构，路面的施工质量不注重，施工过程不规范，导致路面成型质量差，也会加大水损害的概率。因此，施工过程中，一方面需要严格按照沥青路面的施工顺序进行，另一方面要保障沥青压实度和孔隙率，保障质量。

3 水损害预防对策

根据沥青路面水损害的基本原理和影响因素，可以从优化路面排水设计和提高沥青混合料设计质量两个方面进行改善。

3.1 优化路面排水设计

降雨过程中，雨水作用于路面层，其渗流途径主要有三种：（1）直接通过道路路面渗流，路面基层设有渗流排放；（2）通过路面斜坡将水流集散到两边排水沟进行排水，这种排水方式需要设置双向的横坡，也可以采用单向横坡将水流集中到一侧排放；（3）通过中央分离带进行排水，可以设置向内侧的横坡，将水流集中到中央分离带进行排放。图4是典型沥青混凝土路面的排水渗流路径，所采用的沥青面层具有部分排水特性。

图4 典型沥青路面排水渗流路径

进行路面排水设计，需要遵循如下设计原则：第一，道路路基与路面连接层，需要保证具有一定的横向坡度，方便路面渗水顺畅排除，通过孔隙水流传递排放到两侧的盲沟或者排水渠道中。同时，还需要在路面与路基连接部位做好防水处理，可采用乳化沥青下封，使得缝隙向下渗透的水流沿封层表面向两侧道路边缘排除。第二，设置排水层，在雨流较为丰富区域，可以考虑将排水层设置在路面结构内部，使得渗入路面的水流经过排水层有效排除。排水层的设计应不妨碍道路的基本功能，同时需要对排水层下部进行防水处理，避免路面渗水进入路基结构中。排水层的设置同样需要一定的横向坡度，以方便水流的顺利排出，排水层选择透水性好的粒料材料效果更佳，例如砂、矿渣和碎石等，这些材料一方面促进路面水的排除，另一方面还可以防止路基地下毛细水的向上蒸发，使得路面结构保持干燥，增强其行车性能。

3.2 优化沥青路面材料设计

根据水损害的机理，容易造成水损害的主要是沥青混合料里面的酸性物质如二氧化硅，以及吸附性差和吸水性强的集料。因此，建议采用碱性骨料作为沥青混合料，同时设计良好的颗粒级配，保证集料本身的性能。

其次，沥青与集料之间的粘结性是抵抗水损害的重要因素，粘性越好，水损害的可能性越低。沥青与混合料之间的粘性与炼制沥青的原油相关，我国大部分炼制沥青的是采用环烷基原油，这种原油虽然炼制沥青含量高，但粘性却较差，不适合高等级道路路面的建设。另外，在选择沥青稠度时，采用针入度小的沥青往往粘度较大，有利于水稳定性。

4 结 论

水损害一直是沥青道路路面的主要病害型式，特别是多雨潮湿地区。论文分析了水损害的主要存在类型和特性，从病害的程度主要是路面麻面、唧浆和唧泥、松散和坑槽，这些病害也说明了水损害的发展过程。其次，系统归纳了水损害的产生机制和影响因素，最后提出了从优化路面排水设计和优化沥青材料选择两个方面，进行水损害的预防管理。以保障沥青路面的使用安全性和长期性。

[1]王鑫.沥青混凝土路面病害分析及防治[J].公路交通科技(应用技术版),2016(1):132-135.

[2]丁天锐.沥青混凝土路面水损害的分析与预防对策[J].公路交通科技(应用技术版),2014(8):16.

[3]陈成,冷鹏.沥青混凝土路面水损病害原因及防治策略[J].交通科技,2014(6):76-78.

[4]任毅，李宇峙.一种新型的沥青路面水损害特征分析及处治对策[J].华东公路,2008(1):8-10.

[5]侯伟.沥青路面水损害成因分析与防治对策[J].北方交通,2010(7): 29-31.

U416.217

B

1009-7716（2017）03-0046-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.013

2016-12-13

张伟国（1966-），男，山东潍坊人，高级工程师，从事路桥设计工作。