彭永恒，潘寶峰

(1.大連民族學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，遼寧大連116605;2.大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院，遼寧大連116023)

隨著高等級公路的建設(shè)與發(fā)展，半剛性基層瀝青路面得到了廣泛的應(yīng)用，但同時這種路面結(jié)構(gòu)的耐久性和早期損害問題也日益突出，許多高等級公路通車1—2年，路面就產(chǎn)生了剝落、泛油、內(nèi)部松散、泛漿、沉陷、坑洞、車轍和龜裂等新型早期損壞現(xiàn)象，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部(包括瀝青面層及半剛性材料基層)剝蝕嚴(yán)重，這些都大大降低了瀝青路面的使用性能，縮短了使用壽命，同時也帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。通過對路面破壞現(xiàn)象的廣泛調(diào)查和統(tǒng)計以及大量研究表明，在各種類型的瀝青路面早期破壞現(xiàn)象中，水損壞是最主要、危害最大的損壞類型。瀝青路面的早期破壞現(xiàn)象大多與水有關(guān)。水的存在直接或者間接地影響了路面的使用性能，降低了路面的使用壽命［1-2］。國內(nèi)外研究者普遍認(rèn)為，在輪載作用下，瀝青路面內(nèi)部的孔隙水壓力是瀝青路面水損害的主要肇因之一［3-5］。

1964年，美國AASHTO試驗路研究表明，路面結(jié)構(gòu)內(nèi)存在自由水時，每一次重復(fù)軸載產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)損壞比路面相對干燥時要高出40倍以上。為此，加強瀝青路面水損害問題的研究(作用機理)具有很大的現(xiàn)實意義與工程實用價值。

1 瀝青路面水損害的形成機理

由于瀝青混凝土路面是層狀結(jié)構(gòu)，層間結(jié)合處容易出現(xiàn)空隙，一旦排水不暢則形成滯水區(qū)，在行車荷載作用下將產(chǎn)生高孔隙水壓和高速水流，進(jìn)而致使瀝青與集料過早剝離而誘發(fā)水損害。其后，水損害由瀝青混凝土面層底部逐漸向上擴展，最終導(dǎo)致整個瀝青混凝土面層的破壞。

研究者們已經(jīng)普遍認(rèn)同路面內(nèi)部的孔隙水壓力是瀝青路面損壞的主要誘因之一，并且形成了共識:在有水的情況下，行車荷載的重復(fù)作用使得瀝青路面內(nèi)部產(chǎn)生高孔隙水壓力，致使瀝青與集料剝離，進(jìn)而導(dǎo)致瀝青路面的松散、泛油等一系列病害。

2 國外研究現(xiàn)狀

早在20世紀(jì)60年代開始，世界各國就非常重視瀝青路面水損害問題的研究。包括水損害的形成機理、影響因素、評價水損害的試驗方法、水損害的控制和防治等各個方面，并發(fā)表了許多研究論文及報告。但由于瀝青路面水損害所涉及的因素非常復(fù)雜，至今在瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗方法及評價方法上還沒有得到令人非常滿意的答案，因此還在不斷地研究之中。

評價瀝青混合料水穩(wěn)定性或水敏感性的試驗方法很多，在國外，一般有以下兩類:以未經(jīng)壓實的松散瀝青混合料為研究對象進(jìn)行定性的試驗;以瀝青混合料試件或芯樣為研究對象進(jìn)行定量的試驗。前者主要針對粗集料與瀝青的相互作用，用視覺觀察或儀器檢查來主觀評價裹覆在集料表面瀝青膜的剝蝕程度，并據(jù)此作為判定瀝青和集料粘附性及混合料水穩(wěn)定性的依據(jù)，如水煮法、靜態(tài)浸水法等。后者是通過實驗室內(nèi)試件浸水條件下的某些物理力學(xué)指標(biāo)，如馬歇爾穩(wěn)定度、劈裂強度、徑向回彈模量等的衰變程度來表征瀝青混合料的水穩(wěn)定性，這類方法主要包括浸水馬歇爾試驗、劈裂試驗、浸水抗壓試驗、德克薩斯承臺凍融試驗、洛特曼試驗、改進(jìn)的洛特曼試驗、Tunnicliff＆Root試驗、浸水車轍試驗等。但到目前為止，還沒有一種試驗方法可以充分模擬瀝青路面的實際使用條件(環(huán)境)而得到廣泛的認(rèn)可，因為實驗室與現(xiàn)場是有區(qū)別的。為此，美國SHRP開發(fā)了ECS(Environmental Conditioning System)，其目的就是為了更好的模擬工程現(xiàn)場，以縮小實驗室與現(xiàn)場之間的差距，從而有效地評價混合料的水敏感性［6］。

3 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

相對而言，雖然國內(nèi)在水損害方面的研究起步較晚，但無論是在對瀝青路面水損害的機理認(rèn)識，還是在瀝青路面水損壞的各種評價方法等方面，都有了較快發(fā)展。

“八五”期間，針對國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的多種試驗評價方法，根據(jù)我國的技術(shù)水平和習(xí)慣，國家科技攻關(guān)專題選擇了浸水馬歇爾試驗、真空飽水馬歇爾試驗、浸水劈裂試驗、真空飽水劈裂試驗、凍融劈裂試驗(試件雙面擊實各75次)、凍融劈裂試驗(試件雙面擊實各50次)、浸水車轍試驗等7種試驗方法對不同的瀝青與集料的組合做了大量的試驗，進(jìn)行了充分的對比分析。選取了試驗方法簡單、數(shù)據(jù)穩(wěn)定的浸水馬歇爾及雙面擊實50次的凍融劈裂試驗作為水穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法并制定了指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)地分析了凍融劈裂試驗的使用條件。指出:凍融劈裂試驗條件是將實際路面上受到的水的影響集中、強化，使在較短的時間內(nèi)能夠模擬路面較長時間的影響，它可以直觀地反映寒冷地區(qū)瀝青路面的實際工作環(huán)境，但并不僅僅適用于北方寒冷地區(qū)，更適合于南方多雨潮濕地區(qū)，是地地道道的水穩(wěn)定性試驗方法;采用真空飽水、凍融和高溫水浴三個過程僅僅是把水損害的過程強烈化了，并不是南方?jīng)]有冰凍該方法就不適合。

鑒于目前國內(nèi)有關(guān)瀝青路面水損害的評價方法的多樣性，本文從材料的設(shè)計參數(shù)、外加劑以及理論與試驗評價方法等方面進(jìn)行介紹，最后給出各種方法比較的結(jié)果。

3.1 試驗研究方法

1993年，重慶公路研究所的賈渝介紹了美國常用的幾種瀝青混合料水損害試驗方法，并指出各個試驗方法的適用范圍以及與瀝青混合料的實際使用性能的關(guān)聯(lián)程度。1998年，沈金安介紹了“瀝青抗剝落劑性能評價方法”及“熱拌瀝青混合料的加速老化試驗”，提出了瀝青路面水損害病害的預(yù)防對策。1999年，賈渝和張全庚根據(jù)“滬寧路瀝青和瀝青混合料路用性能研究”課題的研究成果，論述了瀝青路面水損害的原因，指出了我國瀝青路面規(guī)范的不足，并介紹了Superpave水敏感性指標(biāo)——AASHTO T283“壓實瀝青混合料水損害試驗方法”的試驗與結(jié)果。

3.1.1 設(shè)計參數(shù)

包秀寧［7］等為了研究空隙結(jié)構(gòu)對瀝青路面水損害的影響，設(shè)計了兩種方案來制備空隙結(jié)構(gòu)不同的混合料，并對不同空隙結(jié)構(gòu)的混合料進(jìn)行抗水損害對比分析，揭示了空隙結(jié)構(gòu)對混合料抗水損害的作用及不同空隙結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。

葉奮［8］等通過瀝青路面結(jié)構(gòu)受水浸泡的時間長短和路面結(jié)構(gòu)的排水性能，以及受水浸泡后路面材料抗壓回彈模量下降的變化規(guī)律和層間接觸條件變化分析，提出了瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的新思路和新方法。

3.1.2 用外加劑材料提高抗水損害能力

王抒音和周純秀［9］針對酸性集料與瀝青粘附性差、混合料水敏感性大的難題，根據(jù)配位鍵理論采用含鉻外加劑處理酸性集料，顯著提高了瀝青與酸性集料的粘附性，并用強化的凍融劈裂試驗檢驗了瀝青混合料的抗水損害能力。對比試驗說明，經(jīng)過含鉻外加劑處理后的酸性集料混合料劈裂強度比提高顯著，長期抗水損害性能也較好。

王旭東和戴為民［10］研究了利用水泥、消石灰代替部分或全部礦粉后對瀝青混合料性能的影響。通過試驗表明，摻加水泥或消石灰后瀝青混合料的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性都有明顯的改善，同時對混合料的低溫性質(zhì)影響不大。

朱建平［11］采用殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強度兩種試驗方法，從不同角度對添加石灰的瀝青混合料在浸水條件下的物理力學(xué)性能進(jìn)行了分析，評價了混合料在抗水損害方面的路面使用性能。

呂偉民和錢偉［12］研制了一種新型的瀝青混合料抗剝落劑，并進(jìn)行了性能評價以預(yù)防瀝青路面的水損害，取得了較好的效果。

3.1.3 試驗評價方法

許濤和黃曉明［13］通過比較國內(nèi)常用的浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗及AASHTO T283試驗的結(jié)果，以條件與非條件的穩(wěn)定度或劈裂抗拉強度的比值作為評價指標(biāo)，分析了上述3種試驗方法的優(yōu)缺點和使用條件，并研究了它們的內(nèi)在區(qū)別、聯(lián)系及影響它們有效性的關(guān)鍵因素。

王抒音［14］等針對目前用凍融劈裂試驗來評價瀝青混合料抗水損害能力的局限性問題，在研究了空隙率和飽水率對凍融劈裂試驗結(jié)果影響的基礎(chǔ)上，增加凍融循環(huán)次數(shù)，以凍融循環(huán)劈裂比評價瀝青混合料抗水損害能力，認(rèn)為該試驗可較客觀地評價瀝青混合料的耐久性。

包秀寧等［15］詳細(xì)研究了國內(nèi)外瀝青混凝土水損害試驗的不同方法和原理，提出各試驗方法所反映出的水損害的主要影響因素及各試驗方法存在的問題，為路面工程建設(shè)提供了有效的、能避免或減少瀝青路面水損害的分析。

丁立［16］等在區(qū)分瀝青混合料水敏感性和水穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，分析研究了采用沖刷凍融試驗環(huán)境模擬實際瀝青路面水損害過程，并提出新的指標(biāo)——剩余劈裂強度，結(jié)合劈裂強度建立起雙指標(biāo)的瀝青混合料抗水損害性能評價方法。

從以上分析可以看出:各種水穩(wěn)定性試驗的評價方法無非是幾個條件的的差異，即試件的成型方法、試件的空隙率控制、試驗條件及試驗指標(biāo)的不同，但都沒有涉及動水壓力的作用。

3.1.4 專用儀器評價

潘寶峰［17］研制開發(fā)了評價路面材料抵抗動水壓力破壞能力的試驗儀器——高頻高壓動水壓力發(fā)生器。該儀器可產(chǎn)生最大峰值1MPa的正弦波形循環(huán)動水壓力，頻率為0～25Hz。與三軸試驗設(shè)備配合使用，可用來分析瀝青混合料在循環(huán)動孔隙水壓力沖刷作用下的力學(xué)性能，為進(jìn)一步研究瀝青路面材料水損害產(chǎn)生的機理及防治措施提供了一種新的試驗手段。

3.2 理論評價方法

2004-2005年，彭永恒［8-9］為研究水對瀝青路面的影響，利用積分變換和傳遞矩陣的方法推導(dǎo)了動荷載作用下路基路面層狀彈性體以及粘彈性體超孔隙水壓力軸對稱問題的解析解，引入F.durbin的方法實現(xiàn)Laplace逆變換的數(shù)值方法，對層狀彈性體及粘彈性體的超孔隙水壓力進(jìn)行了分析與研究。

2005年，羅志剛［20］針對瀝青路面水損害問題，運用軸對稱有限元方法分析了不同等級軸載作用下瀝青路面層間孔隙水壓力的變化規(guī)律，研究表明，孔隙水壓力將造成路面層間的嚴(yán)重沖蝕，導(dǎo)致瀝青與集料過早剝離而誘發(fā)水損害。

2006年，鐘陽［21］提出了瀝青路面超孔隙水壓力計算的剛度矩陣法，研究表明，在路面的面層中以及面層與基層的接觸面附近，超孔隙水壓力出現(xiàn)最大值。

2007年，叢波日［22］提出動載下瀝青路面超孔隙水壓力分析方法來評價瀝青路面水損害。同年，董澤蛟基于飽和多孔介質(zhì)理論通過軸對稱有限元的瞬態(tài)動力分析，計算得到飽和瀝青路面內(nèi)部孔隙水壓力的時程變化;分析了不同滲透性、車速和荷載條件下的孔隙水壓力變化規(guī)律。結(jié)果表明，荷載的動態(tài)作用導(dǎo)致瀝青路面內(nèi)部的孔隙水壓力具有波動性質(zhì)，正負(fù)孔隙水壓力的循環(huán)作用是瀝青膜破壞的主要誘因，路面內(nèi)部存水時，高速、重載將加速瀝青路面性能衰減。

2008年李志剛［23］引入比奧滲流固結(jié)理論和滲流方程采用傳遞矩陣法，推導(dǎo)動荷載作用下的層狀彈性體孔隙水壓力軸對稱問題的解析解。同年，周長虹［24］利用變溫粘彈性理論和Biot動力固結(jié)理論，對飽水瀝青路面孔隙水壓力的空間和時間分布進(jìn)行計算。結(jié)果表明，有效應(yīng)力及孔隙水壓力均與外荷載具有相似的波形，只是在不同空間位置出現(xiàn)不同的峰值大小和相位滯后。

2009年，董澤蛟［25］建立了飽水有限元計算模型，定量的分析了瀝青路面內(nèi)部孔隙水壓力的分布規(guī)律，然而以往的大量研究計算是基于假定一種流體邊界條件并按單一結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)進(jìn)行的分析。董澤蛟還提出，基于多孔介質(zhì)理論［26］對典型半剛性基層瀝青路面建立軸對稱有限元模型，計算分析了兩種不同流體邊界條件下孔隙水壓力分布規(guī)律。

2011年，任瑞波［27］基于多孔介質(zhì)理論，對于兩種典型路面結(jié)構(gòu)——半剛性瀝青路面、具有柔性基層的半剛性瀝青路面分別建立了軸對稱三維有限元模型，計算分析了動態(tài)荷載作用下路面結(jié)構(gòu)在兩種不同流體邊界條件下的的豎向應(yīng)力、豎向應(yīng)變和孔隙水壓力分布規(guī)律。結(jié)果表明，由于流體邊界條件的不同，瀝青面層內(nèi)孔隙水壓力的分布規(guī)律不同，有柔性基層的半剛性瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)具有較好的抗水損害性能，半剛性瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)則表現(xiàn)出較差的抗水損害性能。瀝青路面的材料剛度也是孔隙水壓力值的重要影響因素。

4 結(jié)語

考慮到瀝青路面水損害的現(xiàn)象與產(chǎn)生機理，預(yù)防瀝青路面水損害的出現(xiàn)應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)和材料，并通過設(shè)計和施工等方面采取相應(yīng)的措施來解決。

(1)綜合分析試驗研究的各種方法，都是分別采用不同的方法(添加外加劑)、手段(評價指標(biāo))、設(shè)計參數(shù)或?qū)Ｓ脙x器來科學(xué)有效地評價瀝青混合料的路用性能，以提高瀝青路面的抗水損害能力。在今后的實際工程應(yīng)用中，如能針對實際的原材料性能，把上述幾種方法進(jìn)行合理的綜合利用，采用適合的外加劑，可行的設(shè)計參數(shù)，合理的評價指標(biāo)，輔以專用有效的儀器來綜合設(shè)計、評價以及指導(dǎo)施工，將是今后的發(fā)展方向。

(2)在理論分析計算方面，各學(xué)者采用不同的理論、一定的假設(shè)條件下，通過有限元模擬和理論分析來計算瀝青路面的孔隙水壓力的大小及其分布規(guī)律，進(jìn)而評價其抗水損害的能力，但分析得出的不同基層類型的瀝青路面結(jié)構(gòu)與抗水損害性能的相關(guān)性，都具有一定的局限性。

(3)應(yīng)用高頻、高壓動水壓力發(fā)生器對瀝青混合料進(jìn)行沖刷試驗將開辟瀝青路面水損害試驗研究的新途徑。進(jìn)行單軸或三軸試驗，研究瀝青混合料在循環(huán)動水壓力作用下力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，可以評價材料的抗水損害的性能，并為考慮水損害的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)的選擇及材料設(shè)計提供理論依據(jù)，具有很好的應(yīng)用前景。

(4)瀝青路面的水損害一直是道路養(yǎng)護(hù)和維修人員十分關(guān)注的問題，理論分析和試驗研究方法很多，如何把理論研究的成果和試驗研究的數(shù)據(jù)很好的匯總、結(jié)合起來，通過定性和定量分析研究，并在實際工程中得到驗證，做到兩者的統(tǒng)一，將是今后需要重點解決的問題。

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