張偉國，杜惠榮

(濰坊市公路勘察設(shè)計(jì)院，山東 濰坊 201031)

瀝青路面水損害的因素分析及預(yù)防對策

張偉國，杜惠榮

(濰坊市公路勘察設(shè)計(jì)院，山東 濰坊 201031)

分析了瀝青路面水損害的主要病害存在形式和特征，并總結(jié)了造成瀝青路面水損害的主要機(jī)理和影響因素，說明：降雨是水損害的直接原因，瀝青混合料材料本身特性是內(nèi)在因素，而車輛荷載作用是病害形成的直接誘因。為了進(jìn)一步降低瀝青路面水損害的發(fā)生，提高瀝青路面結(jié)構(gòu)的長期使用性能和行車安全性能，可以從優(yōu)化路面排水設(shè)計(jì)和改善瀝青混合料材料選擇兩個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防。

瀝青；路面工程；水損害；因素分析；預(yù)防對策

0 引言

瀝青路面因其行車噪聲小、抗老化、耐高溫和平整度易控制等優(yōu)點(diǎn)，在我國道路工程建設(shè)中廣泛應(yīng)用。然而，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速增長，交通基礎(chǔ)設(shè)施大力發(fā)展，早年建設(shè)的道路工程廣泛面臨大面積交通流和重載貨車作用，部分已經(jīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的病害，其中，水損害是瀝青路面典型病害型式，直接影響了車輛的行車安全和道路使用的長期性能[1]。

水損害是瀝青路面結(jié)構(gòu)在水的誘因下，出現(xiàn)路面材料的退化、結(jié)構(gòu)的損傷破壞等現(xiàn)象，水損害在溫暖潮濕區(qū)域特別顯著，因水損害進(jìn)一步引發(fā)的路面沉陷、橋頭跳車、坑蝕等病害，進(jìn)一步對道路與交通安全造成影響[2,3]。論文將系統(tǒng)分析瀝青路面水損害的主要存在型式和特性，并剖析造成水損害的機(jī)理，厘清水損害的主要影響因素和影響特征，最后，提出降低瀝青路面水損害的預(yù)防措施，提升瀝青路面的運(yùn)營質(zhì)量。

1 瀝青路面水損害存在型式和特性

瀝青路面水損害根據(jù)其程度和發(fā)展，主要存在型式是路面麻面、唧漿和唧泥、松散和坑槽。

1.1 路面麻面

壓實(shí)的瀝青路面不可避免存在部分孔隙，當(dāng)自由水停留在孔隙中時(shí)，水中富含的化學(xué)物質(zhì)一方面與瀝青混合料發(fā)生微弱的相互作用，降低瀝青的力學(xué)強(qiáng)度和粘度，另一方面自由水的存在會鼓障孔隙，降低了瀝青混合料之間的粘結(jié)性能。如此，在外界車輛作用下就會出現(xiàn)路面掉粒、剝離和麻面等病害，這些病害還僅僅是發(fā)生在路面層，損害主要是在路面層，見圖1。

圖1 瀝青路面的麻面病害

1.2 唧漿和唧泥

隨著瀝青麻面的產(chǎn)生，當(dāng)自由水進(jìn)一步投入表面層而滯留在內(nèi)部層時(shí)，在水與瀝青混合料長期的作用及外界車輛作用下，瀝青路面內(nèi)部的結(jié)構(gòu)粘性越來越差，會發(fā)生從內(nèi)而外的剝落和形變，路面麻面會進(jìn)一步演化為肉眼可見的網(wǎng)狀裂縫和龜裂病害，見圖2。

圖2 瀝青路面網(wǎng)狀裂縫及唧漿

而外部灰層及雨水在裂縫間的停留，加上裂縫的出現(xiàn)破壞了瀝青混合料的粘結(jié)，瀝青本身的材料與裂縫水的作用，再加上外界車轍和疲勞作用，裂縫處出現(xiàn)泥漿，而這些物質(zhì)的出現(xiàn)進(jìn)一步漲大裂縫，使得裂縫更加顯著，出現(xiàn)唧漿和唧泥病害特征。

1.3 松散和坑槽

隨著唧漿和網(wǎng)狀裂縫的擴(kuò)展，區(qū)域內(nèi)的瀝青路面已經(jīng)失去了整體的協(xié)同受力特性，在車輛作用下會出現(xiàn)路面沉陷、坑槽和顯著的松散，這些病害顯著地導(dǎo)致行車不穩(wěn)定，甚至引發(fā)交通安全事故?？焖傩熊囅?，甚至部分瀝青顆粒被拖出來，導(dǎo)致瀝青與集料之間的粘附效應(yīng)急劇下降甚至完全消失，見圖3。

圖3 瀝青路面松散和坑槽病害

2 瀝青路面水損害因素分析

水作用下瀝青路面的損害的根源是：水作用下瀝青與集料之間的粘結(jié)平衡被打破，導(dǎo)致其整體性差，在外界車輛和環(huán)境作用下，瀝青路面才會發(fā)生破壞而呈現(xiàn)出病害。

2.1 水損害的粘結(jié)機(jī)理

瀝青的破壞從微觀角度，就是外界作用力打破了瀝青與集料的粘結(jié)效應(yīng)，導(dǎo)致骨料和瀝青剝離。雖然瀝青和骨料的粘結(jié)粘附機(jī)理至今尚無法用一個(gè)簡單的理論進(jìn)行闡述，但總體而言，以分子力為主導(dǎo)的機(jī)械性粘附、以化學(xué)活性分子為主導(dǎo)的化學(xué)粘附、以表面能量作用吸附或者分子極性理論等，都是認(rèn)為存在內(nèi)在作用機(jī)制使得瀝青和骨料在一定受力程度下能夠完整地保護(hù)好其整體性和變形性能。多數(shù)研究表明，瀝青與骨料之間的粘結(jié)力可以通過穩(wěn)定性試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)或者彈性模量試驗(yàn)測取，且粘結(jié)力與瀝青膜厚度高度相關(guān)[4]。

水損害的基本機(jī)理是：自由水通過侵入瀝青膜或者水中化學(xué)物質(zhì)與瀝青膜進(jìn)行作用反應(yīng)，降低了瀝青膜的厚度和性質(zhì)，導(dǎo)致瀝青與骨料之間的連接性能受到影響，大大削弱其粘結(jié)力。這樣，在車輛荷載的外界機(jī)械作用下，當(dāng)粘結(jié)力尚不能抵抗外界作用力，就會發(fā)生瀝青與骨料的相對變形，產(chǎn)生縫隙。縫隙在水的作用下，其周圍介質(zhì)的粘結(jié)力進(jìn)一步降低，導(dǎo)致縫隙變大，路面瀝青結(jié)構(gòu)受到破壞。

2.2 水損害影響因素分析

根據(jù)瀝青水損害的機(jī)理，可以明確，影響瀝青水損害的基本因素包括：交通荷載等級、降雨量、設(shè)計(jì)材料和施工質(zhì)量四個(gè)方面。

（1）交通荷載等級

交通荷載是導(dǎo)致瀝青路面結(jié)構(gòu)的最主要外因，車輛對于路面的作用不僅包含豎向的彎曲效應(yīng)，還有豎向剪切、縱向剪切效應(yīng)，導(dǎo)致路面彎曲、車轍等，這些作用都是對瀝青與骨料粘結(jié)作用的考驗(yàn)。根據(jù)道路損傷的累積準(zhǔn)則，小噸位的車輛對于瀝青的損傷貢獻(xiàn)不大，而大噸位大軸載的車輛作用下，瀝青路面的損傷累積呈現(xiàn)指數(shù)增長，非常顯著，這也是目前多數(shù)道路結(jié)構(gòu)的病害源自于大比例超載重車的運(yùn)營。

水損害中，自由水傾入瀝青縫隙或者膜中，當(dāng)車輪作用時(shí)，產(chǎn)生很大的擠壓力；當(dāng)車輪駛離該作用位置時(shí)，產(chǎn)生很強(qiáng)的抽吸力。這種循環(huán)作用，將滯留在基層和面層孔隙中的水?dāng)D出表面，從而初始瀝青與骨料的粘結(jié)位置發(fā)生重組，這樣就降低了粘結(jié)力，導(dǎo)致骨料脫落、局部松散甚至破壞。

（2）降雨量

水損害的根源是自由水進(jìn)入瀝青結(jié)構(gòu)層，如果雨水在路面停留的時(shí)間越長，自由水傾入的機(jī)會就越大，滲入量也越大，容易在瀝青和集料之間以水汽或者水膜型式存在，從而產(chǎn)生水損害。因而，降雨是水損害的直接誘因，根據(jù)資料調(diào)研和文獻(xiàn)記錄，我國西南多雨的潮濕區(qū)域，其瀝青混凝土路面的水損害現(xiàn)象會顯著大于北方干旱區(qū)域。

（3）設(shè)計(jì)材料性能

瀝青路面的使用材料，是影響瀝青力學(xué)性能的根本，也是決定其物理性質(zhì)的關(guān)鍵。采用級配良好的瀝青混合料，施工完成后孔隙率較低，且若摻入防水性質(zhì)好的材料，可以降低雨水的侵入，提高瀝青路面的水穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)表明，當(dāng)瀝青路面的孔隙率低于4%時(shí)水滲透的概率很小，路面水穩(wěn)定性好；當(dāng)孔隙率超過6%時(shí)，則很容易產(chǎn)生水損害現(xiàn)象[5]。

（4）路面施工質(zhì)量

施工質(zhì)量對路面使用性能具有重要影響，特別是我國早先建設(shè)的道路結(jié)構(gòu)，以及鄉(xiāng)村道路結(jié)構(gòu)，路面的施工質(zhì)量不注重，施工過程不規(guī)范，導(dǎo)致路面成型質(zhì)量差，也會加大水損害的概率。因此，施工過程中，一方面需要嚴(yán)格按照瀝青路面的施工順序進(jìn)行，另一方面要保障瀝青壓實(shí)度和孔隙率，保障質(zhì)量。

3 水損害預(yù)防對策

根據(jù)瀝青路面水損害的基本原理和影響因素，可以從優(yōu)化路面排水設(shè)計(jì)和提高瀝青混合料設(shè)計(jì)質(zhì)量兩個(gè)方面進(jìn)行改善。

3.1 優(yōu)化路面排水設(shè)計(jì)

降雨過程中，雨水作用于路面層，其滲流途徑主要有三種：（1）直接通過道路路面滲流，路面基層設(shè)有滲流排放；（2）通過路面斜坡將水流集散到兩邊排水溝進(jìn)行排水，這種排水方式需要設(shè)置雙向的橫坡，也可以采用單向橫坡將水流集中到一側(cè)排放；（3）通過中央分離帶進(jìn)行排水，可以設(shè)置向內(nèi)側(cè)的橫坡，將水流集中到中央分離帶進(jìn)行排放。圖4是典型瀝青混凝土路面的排水滲流路徑，所采用的瀝青面層具有部分排水特性。

圖4 典型瀝青路面排水滲流路徑

進(jìn)行路面排水設(shè)計(jì)，需要遵循如下設(shè)計(jì)原則：第一，道路路基與路面連接層，需要保證具有一定的橫向坡度，方便路面滲水順暢排除，通過孔隙水流傳遞排放到兩側(cè)的盲溝或者排水渠道中。同時(shí)，還需要在路面與路基連接部位做好防水處理，可采用乳化瀝青下封，使得縫隙向下滲透的水流沿封層表面向兩側(cè)道路邊緣排除。第二，設(shè)置排水層，在雨流較為豐富區(qū)域，可以考慮將排水層設(shè)置在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，使得滲入路面的水流經(jīng)過排水層有效排除。排水層的設(shè)計(jì)應(yīng)不妨礙道路的基本功能，同時(shí)需要對排水層下部進(jìn)行防水處理，避免路面滲水進(jìn)入路基結(jié)構(gòu)中。排水層的設(shè)置同樣需要一定的橫向坡度，以方便水流的順利排出，排水層選擇透水性好的粒料材料效果更佳，例如砂、礦渣和碎石等，這些材料一方面促進(jìn)路面水的排除，另一方面還可以防止路基地下毛細(xì)水的向上蒸發(fā)，使得路面結(jié)構(gòu)保持干燥，增強(qiáng)其行車性能。

3.2 優(yōu)化瀝青路面材料設(shè)計(jì)

根據(jù)水損害的機(jī)理，容易造成水損害的主要是瀝青混合料里面的酸性物質(zhì)如二氧化硅，以及吸附性差和吸水性強(qiáng)的集料。因此，建議采用堿性骨料作為瀝青混合料，同時(shí)設(shè)計(jì)良好的顆粒級配，保證集料本身的性能。

其次，瀝青與集料之間的粘結(jié)性是抵抗水損害的重要因素，粘性越好，水損害的可能性越低。瀝青與混合料之間的粘性與煉制瀝青的原油相關(guān)，我國大部分煉制瀝青的是采用環(huán)烷基原油，這種原油雖然煉制瀝青含量高，但粘性卻較差，不適合高等級道路路面的建設(shè)。另外，在選擇瀝青稠度時(shí)，采用針入度小的瀝青往往粘度較大，有利于水穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

水損害一直是瀝青道路路面的主要病害型式，特別是多雨潮濕地區(qū)。論文分析了水損害的主要存在類型和特性，從病害的程度主要是路面麻面、唧漿和唧泥、松散和坑槽，這些病害也說明了水損害的發(fā)展過程。其次，系統(tǒng)歸納了水損害的產(chǎn)生機(jī)制和影響因素，最后提出了從優(yōu)化路面排水設(shè)計(jì)和優(yōu)化瀝青材料選擇兩個(gè)方面，進(jìn)行水損害的預(yù)防管理。以保障瀝青路面的使用安全性和長期性。

[1]王鑫.瀝青混凝土路面病害分析及防治[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2016(1):132-135.

[2]丁天銳.瀝青混凝土路面水損害的分析與預(yù)防對策[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2014(8):16.

[3]陳成,冷鵬.瀝青混凝土路面水損病害原因及防治策略[J].交通科技,2014(6):76-78.

[4]任毅，李宇峙.一種新型的瀝青路面水損害特征分析及處治對策[J].華東公路,2008(1):8-10.

[5]侯偉.瀝青路面水損害成因分析與防治對策[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

張偉國（1966-），男，山東濰坊人，高級工程師，從事路橋設(shè)計(jì)工作。