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沥青路面水损害及其治理措施分析

发布时间:2021-03-04 09:56 人气:

  摘要:随着我国高等级公路的迅速发展,沥青路面作为一种高级路面被广泛采用,然而沥青路面却易出现早期损害现象,水损害是其中首要的也是最严重的现象之一。在对路面破坏现象广泛调查、统计的基础上,各国道路科研工作者通过反复分析、论证发现,沥青路面的早期破坏现象大多与水有关。“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”。

  所谓沥青路面水损害,是指沥青路面在有孔隙水的工作条件下,由于交通动荷载和温湿胀缩的反复作用,进入路面孔隙的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的循环作用,致使水分逐渐侵入沥青与集料的界面,造成沥青膜从集料表面剥落、沥青混合料内部逐渐丧失粘结力、路面结构使用性能下降,并伴随麻面、松散、掉粒、坑洞或唧浆、网裂、辙槽等病害发生,同时诱发其他路面病害的损坏现象。

  针对水损害这个世界性难题,国内外道路科研工作者对其形成机理、影响因素,评价水损害的试验方法、指标及水损害的控制、防治等各个方面都进行过系统研究。

  一、水损坏现象的类型及其作用机理沥青路面较为普遍的水损害现象有麻面、松散、掉粒、坑洞、唧浆、网裂、辙槽等。

  1.松散类:路表麻面、松散、掉粒、坑洞沥青面层在孔隙水压力的反复作用下,使沥青膜从集料表面剥落、混合料中的集料相互之间丧失粘结力而逐渐变软直至松垮,导致麻面、松散现象;在局部松散处,松散的集料颗粒逐渐掉粒、流失进而形成大小不一的坑洞。

  2.裂缝类:唧浆、网裂、坑洞半刚性基层基顶结合料与从路表连通孔隙及裂缝处下渗的水混合,在行车荷载的反复作用下,产生的高速动水压力冲刷基顶形成灰浆并从裂缝中被挤压而出形成了唧浆现象;随着基层结合料的逐渐流失,面层也随着底部脱空现象的产生而形成沉陷、网裂,进而发展成坑洞。

  3.变形类:辙槽在行车荷载作用下,滞留在面层内的水使集料特别是粗集料表面裹覆的沥青膜逐渐剥落,沥青混合料强度不断损失直至完全松散。行车轮迹带下不仅出现了压缩变形现象,而且产生了严重的剪切破坏现象,轮下松散的沥青混合料向两侧挤出并鼓起,在轮迹带下形成车辙。辙槽内有时还伴随着唧浆和网裂现象。

  4.冻融循环破坏在冰冻地区或季节性冰冻地区,由于水凝聚结冰时体积增大,在沥青混合料内部会产生很大的膨胀力,致使混合料内部粘结力下降;而当其融化时,又滞留于路面层内,在行车荷载作用下加速沥青膜的剥落。在路表,冰雪融水进入沥青混合料内部,在行车荷载和冻融循环的反复作用下产生破坏。而在下面层,当基础有较多的细粒土和孔隙时,冬季特有的毛细水使水分逐渐积聚在基层顶面,春融期过饱和的水进入下面层孔隙,在荷载反复作用下产生剥落现象和基顶冲刷。

  总的来说,水损害的根本原因在于水的作用致使沥青对集料的粘附性能丧失,沥青膜从矿料表面脱落,而造成这种结果的两个关键性因素是水和外力的作用。

  二、水损坏产生的原因及影响沥青路面水稳定性的因素导致沥青膜剥落产生水损坏的原因可从以下几方面进行分析。

  1.沥青与集料的粘附性能沥青与集料的粘附性主要受自身性质的影响。如沥青与矿料的化学成分,沥青与矿料表面的界在张力,沥青的粘性,矿料的空隙率,矿料的含水量和含泥量等。研究表明,若粘附性不足4级以上,沥青膜容易脱离,造成路面水损害。

  2.沥青路面施工时的孔隙率美国Zube对密级配沥青混合料孔隙率与透水性的研究以及Brown和Collins等在乔治亚州对离析混合料的研究表明,当沥青路面的孔隙率在8%(相当于设计孔隙率为4%而压实度为96%的情况)以下时,混合料的透水性很小,几乎不透水。

  而在我国,高等级沥青路面施工时普遍存在以下问题:现场孔隙率普遍偏大,多分布在8%~15%的范围内;路面压实不足,孔隙率加大;沥青混合料离析导致路面局部压实不均匀,即细集料集中的部位往往沥青含量偏多,孔隙率过小,而粗集料集中的部位则孔隙率过大。这都为水的渗入提供了条件。

  3.沥青路面结构层内部排水在道路工程中,人们比较重视路基和路界地表范围内的排水,采取的措施也很多。但是对于路面结构层内部的排水则重视不够,甚至基本没有考虑。我国高等级公路普遍采用半刚性基层,路面设计时一般不考虑路面结构层内部排水,普遍设计了埋置式路缘石、砌筑式路肩、浆砌挡墙,这些都妨碍了由各种途径侵入路面结构内部的水分排出。

  4.评价沥青路面水损害指标不合理

  (1) 用水煮法试验评价集料与沥青之间的粘附性存在不合理现象。一方面,集料与沥青的粘附性等级与路面水损害之间的关系没有建立,水煮法试验结果受人为主观因素影响很大;另一方面水煮法只使用了9.5~13.2 mm的粗集料。事实上,部分细集料为砂,与沥青粘附性较差,没有得到评价。  (2) 沥青混合料残留浸水马歇尔稳定度也存在致命的弱点。经过75次马歇尔击实,试件孔隙率已达到设计的3%~5%,水很难进入,没有足够的水,检验不出沥青混合料的实际耐久性。

  5.其它方面的原因路面开裂、老化加速水损害的发生,并形成恶性循环;道路交通超载严重;温度变化时产生的冻融循环作用;酸雨、车辆渗油对路面的腐蚀;在冬季、雨季气候条件下施工。

  从以上分析可看出,影响沥青路面水稳定性的因素有:(1) 沥青混合料的性质:包括集料性质与沥青性质。

  (2) 沥青混合料类型:密级配沥青混合料结构密实、空隙率小,矿粉及沥青用量较大,沥青膜较厚,一般水损害较小。断级配和开级配沥青混合料粗颗粒较多,沥青用量较少。

  (3) 施工条件:沥青混凝土路面在施工时,如天气寒冷潮湿,建成的路面就易发生水损害;另外如压实不充分或压实不及时,成型的路面内部存在较多的孔隙,水分易浸入沥青路面结构而导致水损害。

  (4) 施工后的环境条件:施工后的环境条件包括气候及交通荷载情况,温度、降雨量、冻融及干湿循环等,都将影响水损害;其它条件相同时,交通荷载繁重可加速水损害的发生和发展。

  (5) 路面下的排水情况:路面下排水状况不良,进入路面的水不能及时排除,也将加速路面水损害的发生和发展。

  三、沥青路面抗水损害技术措施

  1.路面结构层均采用水稳定性好的密实型沥青混凝土实践证明,沥青路面结构层中仅有一层是密实型(I型)的沥青混凝土或仅设一层沥青砂来防止水损害远不能满足要求。一旦水通过各种途径进入到空隙率较大的结构层中,便会滞留于其中,使强度显著降低,并随着交通量的增加,出现水损害现象。

  2.改善沥青与矿料之间的粘附性为了减轻沥青路面的水损害,改善与提高沥青混合料的水稳定性与耐久性,需要增加沥青与矿料之间的粘附性。经验证明,我国目前所使用的表面层石料与沥青的粘附性都比较差,不能满足技术要求,必须采取抗剥落措施,以改善矿料与沥青之间的粘附性。目前我国常用的抗剥离措施主要是添加抗剥落剂。

  3.提高沥青混凝土压实度标准,增加现场空隙率指标国内外大量研究表明,7%的现场空隙率是沥青路面是否产生早期水损害的分水岭,美国SHRP研究成果也提出4%的设计空隙率是最佳的选择。若仍按96%的压实度予以控制,其现场空隙率将达到8%,无法满足水稳定性的要求,应提高压实度标准;而且在提高压实度标准的同时,增设现场空隙率作为施工的控制指标。

  4.设置路面结构内部排水系统设置良好的路面结构内部排水系统,迅速排除渗入路面结构内的水分,避免自由水在路面结构层中积滞的时间过长,从而改善路面的使用性能的措施能够从根本上解决沥青路面的水损害问题。

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