解決瀝青路面水損害早期損壞的技術(shù)途徑

..一、簡介1980年代至今，我國公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)取得了快速發(fā)展，其標志是公路里程的增加，不僅體現(xiàn)在公路設(shè)計上，也體現(xiàn)在建設(shè)上。為我國國民經(jīng)濟發(fā)展作出了突出貢獻。瀝青混凝土路面在全國高速公路建設(shè)中占比較大，而瀝青混凝土路面具有其他路面無法比擬的優(yōu)勢。例如，由于瀝青路面是柔性路面，具有良好的減震效果、良好的駕駛舒適性和低噪音；柔性路面對路基不均勻沉降的適應(yīng)性強；平整度好；維修方便等優(yōu)良性能。隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，高速公路的主通道作用日益凸顯。但是，隨著車流量的不斷增加，很多瀝青混凝土路面都出現(xiàn)了一定的早期破壞，尤其是水害比較嚴重。早期破壞的原因十分復(fù)雜，可歸納為瀝青混合料孔隙率過大、路面滲水、排水設(shè)施建設(shè)不完善、壓實不足、瀝青混合料抗水破壞能力不足、厚度薄等。本文通過總結(jié)施工經(jīng)驗，對公路瀝青路面早期水害的防治方法進行了詳細的探討。2高速公路瀝青性能及路面破壞機理瀝青路面應(yīng)具有堅固、光滑、防滑、耐用的特性。同時還應(yīng)具有抗高溫車轍、抗低溫開裂、抗水害、防止雨水滲入基層等功能。這就要求瀝青具有高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、耐久性、防滑性、抗?jié)B性等性能。下面簡要介紹受這些因素影響的瀝青路面的破壞原理。2.1瀝青路面溫度開裂損傷機理溫度越低，瀝青對混合料性能的影響越大。瀝青是一種溫度敏感的粘彈性材料。在正常使用條件下，瀝青可以松弛路面因溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力。在低溫下，所有瀝青不再具有粘性流動并且是純彈性的。瀝青硬度最大的溫度隨瀝青等級、油源、年齡和應(yīng)變率而變化。在考慮溫度開裂時，應(yīng)變率與路面的溫度變化率有關(guān)，因此當(dāng)瀝青遭受低溫和溫度突變的危險組合時，溫度變化引起的應(yīng)變可以通過粘性緩和流動。當(dāng)產(chǎn)生的應(yīng)力超過瀝青的抗拉強度時，瀝青路面會開裂。對于同等級的瀝青，感溫性能越強，低溫開裂的可能性就越大。2.2瀝青路面疲勞開裂損傷機理疲勞是由瀝青混凝土路面的反復(fù)加載引起的。原因是：施加的載荷超過結(jié)構(gòu)設(shè)計標準；實際車流量超過設(shè)計車流量；降低每個結(jié)構(gòu)層的承載力；環(huán)境因素造成的額外壓力。2.3車轍對瀝青路面的破壞機理車轍是路面結(jié)構(gòu)各層永久變形的總和，由材料固結(jié)或塑性流動引起，在高溫季節(jié)更為嚴重。瀝青性能對車轍的影響低于瀝青混合料和施工質(zhì)量。在一定溫度下，增加瀝青混凝土的剛度會增加路面的抗車轍性能，增加瀝青的粘度也會提高瀝青混合料的抗車轍性能。同樣，如果使用的粘合劑內(nèi)容混合物在受壓后有更大的彈性恢復(fù)，它也將提高其抗車轍性能。瀝青的物理性質(zhì)對路面車轍有一定的影響。在給定的溫度和加載速率下，高粘度瀝青會產(chǎn)生堅硬的瀝青混合物，而較高的剛度會導(dǎo)致較高的車轍阻力。2.4瀝青路面水害破壞機理在潮濕條件下，瀝青和骨料之間的結(jié)合力會減弱或損壞，而這種損壞會因道路荷載和水分的共同作用而顯著加劇。水漬會導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)車轍、剝落、油污和局部結(jié)構(gòu)損壞。高粘度瀝青比低粘度瀝青受水的影響更小，任何改善混合料壓實前瀝青和骨料表面濕潤狀態(tài)的措施都會提高混合料的抗水破壞性。2.5瀝青老化對瀝青路面的破壞機理路面中瀝青的老化可以通過路面的外觀來判斷，如干燥、顏色深，并常伴有表面礦物剝落。在大多數(shù)情況下，粘合劑的老化會導(dǎo)致粘度和脆性增加。高孔隙率瀝青混合料加速瀝青的氧化老化，而在密級配混合料中，老化主要發(fā)生在路面。三、高速公路早期損壞的類型近年來，我國高速公路建設(shè)速度非?？臁５?999年底，高速公路通車里程超過1萬公里。有些部分的質(zhì)量很好，但有些高速公路在建成通車后的幾個月或2-3年內(nèi)就需要進行大規(guī)模的維修。.我國比較常見的公路路基和路面早期損傷可以歸納為以下六大常見問題：瀝青面層早期破壞：車轍、油淹、松散、坑洼、水漬破壞；水泥混凝土路面碎板、拐角、接縫跳動；橋面鋪裝部分損壞；結(jié)構(gòu)連接不順暢，橋頭、接縫跳動；路基沉降，如軟土路段、高填路堤、半填半挖路段的沉降和開裂；3.1高邊坡崩塌。這些損失在很大程度上是由于施工管理混亂，沒有嚴格遵守規(guī)定造成的。但也有其他的原因，比如：法規(guī)本身的原因，設(shè)計的原因，汽車嚴重超載，而且通常發(fā)生在雨季，基本上和水有關(guān)，道路損壞斷面經(jīng)常存在壓實不足和排水不暢的問題。本文僅對瀝青路面水害早期破壞的技術(shù)原因進行分析，并對防治方法提出一些膚淺的看法，以期引起反思。4公路瀝青路面水害早期破壞特征現(xiàn)在普遍擔(dān)心公路瀝青路面早期破損嚴重，尤其是近年來，部分瀝青路面出現(xiàn)大面積水害，雨季來臨之際，更是令人擔(dān)憂。這些損害具有以下特點：水害和破壞發(fā)生在雨季，也可能是冰雪融化的季節(jié)。有時一場大雨會對大面積的路面造成嚴重破壞；行車線破損嚴重，超車道一般沒有破損，明顯與重型車輛、超載有關(guān)；破壞之初，一般有小塊網(wǎng)裂、白漿（擠漿），然后松散成坑；發(fā)生水害的地方一般是滲水比較嚴重、排水通暢的部位。如果你挖掘，你可以看到下面有死水或浮漿；一般不會同時損壞整條道路，這顯然與瀝青混合料不均勻有關(guān)，其中一些不平整。嚴重的斷面可能同時發(fā)生油淹和水害。5、公路瀝青路面水害早期破壞原因分析及預(yù)防措施調(diào)查表明，瀝青路面早期損壞的原因十分復(fù)雜，可歸因于瀝青混合料孔隙率過大、路面滲水、排水設(shè)施不完善、壓實度不足、抗力不足等。對瀝青混合料和瀝青表層的水損害。厚度薄等5.1關(guān)于表層的孔隙率和級配仔細選擇表層礦石的級配非常重要，最重要的指標是混合料的設(shè)計孔隙率和路面的實際孔隙率。據(jù)研究，當(dāng)瀝青路面的孔隙率小于8%時（相當(dāng)于壓實度為96%時的設(shè)計孔隙率4%），瀝青層中的水在荷載作用下一般不會產(chǎn)生動壓，并且不容易造成水害。破壞。當(dāng)排水混合料的路面孔隙率大于15%時，一般采用改性瀝青，水可以在縫隙中自由流動，不易造成水害。當(dāng)路面實際孔隙率在8%-15%范圍內(nèi)時，水很容易進入混合料部分，在荷載作用下，很容易產(chǎn)生很大的毛管壓力變成動力水，造成水害到瀝青混合料?；仡櫸覈缙诮ㄔO(shè)的京津唐高速公路，采用的是歐美、日本等多個國家常用的I型密實瀝青混凝土。路面滲水少，未發(fā)生水害。但結(jié)構(gòu)深度較小，擔(dān)心不利于防滑。后來根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果，將結(jié)構(gòu)深度作為抗滑性能的主要指標，將摩擦系數(shù)與不小于0.55mm的要求并列?？⒐ず蟮谝粋€夏天測，交貨驗收時結(jié)構(gòu)深度要求進一步提高，一般達到0.7-1.0mm以上，導(dǎo)致面層不得不改為AK型“防-滑面層”漸變，逐漸從AK-13變成AK-16。隨著結(jié)構(gòu)深度的增加，空隙率也隨之增加。設(shè)計空隙率常在6%以上，路面空隙率一般在10%以上，成為滲水嚴重的半開放結(jié)構(gòu)。雖然后來對級配進行了各種調(diào)整，但一些間歇級配的混合物在理論上有很多優(yōu)點，但施工難度大，而且對級配和油石比的波動比較敏感，容易造成不均勻的混合物。結(jié)果路面要么是油性的，要么是透水的，實際效果并不理想。國外一般是在路面摩擦系數(shù)下降到一定限度后才加防滑耐磨層，很少有新路面有這么厚的耐磨層。為了解決空隙率與結(jié)構(gòu)深度之間的矛盾，提高耐久性，使路面具有更好的表面功能，理想的是同時使用瀝青膠凝集料（SMA）和改性瀝青。水損壞會很好地工作。但SMA勢必會增加相當(dāng)大的成本。除了少數(shù)重要項目和交通量特別大的項目外，短期內(nèi)不太可能成為普遍采用的結(jié)構(gòu)。為此，應(yīng)重點抓好普通密級配瀝青混合料的礦物級配。仔細對比現(xiàn)行法規(guī)的地表水平分布，充分參考美國Superpave的研究成果，是目前很多項目采用的技術(shù)手段。Superpave方法推薦的表層礦物級配如表1所示，分別命名為AC-13K和AC-16K。繪制的礦物級配曲線如圖1和圖2所示。建議的級配呈扁平S形，具有5個特征：表1建議表層礦物材料級配與現(xiàn)行標準級配比較瀝青下列篩孔的百分比/%(mm)191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-13I型AC-13IIAK-13A型AK-13B型推薦AC-13K10010010010010095-10090-10090-10085-10095-10070-8860-8060-8050-7062-7648-6834-5230-5318-404-5536-5322-3820-4010-3028-4024-4114-2815-308-2215-2518-308-2010-235-1510-1912-225-147-183-127-158-103-105-103-96-124-82-64-82-64-8AC-16IAC-16IIAK-16AAK-16B推薦AC-16KAK-16C10010010010010010095-10090-10090-10090-10095-10093-10075-9065-8570-9060-8270-8476-8658-7850-7050-7045-7058-7261-7342-6330-9030-5025-4540-5440-5032-5018-3522-3715-3527-3728-3622-3712-2616-2810-2516-2418-2616-287-1912-238-1810-1513-1911-214-148-186-137-1410-167-153-96-134-106-127-124-82-54-93-74-84-84.75mm以上接近Superpave的最大密度線，與原I型基本相似；0.3mm-2.36mm位于Superpave禁區(qū)下方，Superpave內(nèi)容但不建議在禁區(qū)上方混合級配；Superpave控制區(qū)通過率2.36mm；由于生產(chǎn)水平的提高，分級圓周比現(xiàn)行規(guī)定更窄，粗骨料主篩孔通過率由20%降低到14%。在考慮不同的最大粒徑時，圖中繪制了兩條最大密度線以供參考。美國AC-13最大粒徑為19mm，歐洲AC-16最大粒徑為22.4mm。讓16mm和19mm為最大粒徑。但需要注意的是，由于這個推薦的分級并沒有在實踐中得到驗證，所以應(yīng)該謹慎使用。確定評分圈的標準是一項嚴肅的工作。不宜隨意設(shè)置漸變，在工程中大面積使用。建議想嘗試項目的人先建一條測試路，確認是否可行。同時，將作為防滑面層的馬歇爾設(shè)計指標改為標準I型標準，壓實75次，空隙率控制在4%左右。該省實際上已經(jīng)采用了這種做法，表1列出了該省建議的AK-C型分級，與建議的AC-16K非常相似。在修改表層配置時，結(jié)構(gòu)的深度與現(xiàn)行規(guī)定肯定會出現(xiàn)矛盾。建議在調(diào)整高速公路瀝青面層防滑指標、鋪裝后行駛時，重點保證面層骨料的拋光值。以過程中的摩擦系數(shù)作為綜合指標，就足夠了。對結(jié)構(gòu)深度的要求應(yīng)適中。過大的結(jié)構(gòu)深度將不可避免地增加空隙率并犧牲耐用性。高速公路與一般高速公路的交通事故特點有顯著差異。高速公路上的交通事故大多發(fā)生在惡劣的天氣條件下，如冰霧和疲勞駕駛、爆胎等，是雨天常見的濕滑事故。高速行駛的水漂主要是車轍堆積造成的，瀝青路面的初始壓實很快就會引起超過結(jié)構(gòu)深度的變形。結(jié)構(gòu)深度主要對水霧和水膜的厚度有顯著影響，結(jié)構(gòu)深度應(yīng)以路面不被水破壞為宜。過高的結(jié)構(gòu)深度要求可能會影響路面的壓實度。5.2加強壓實，降低孔隙率一些單位對壓實的重要性認識不足，壓實不足是比較突出的問題。例如：(1)對平整度的追求和對結(jié)構(gòu)深度的關(guān)注會影響壓實。壓實度的測量數(shù)據(jù)盡可能是合格的，但真實性值得懷疑。部分工程未按規(guī)定要求的方法測量壓實度（標準密度值不合適），或隨意調(diào)整標準密度；由于功利思想和相互比較的影響，提出了一些不切實際的平整度要求和獎懲措施，導(dǎo)致片面追求平整度，放松壓實控制。這些工程的共同點是通車后平整度衰減迅速，表層壓實變形明顯。一些工程單位擔(dān)心振動壓路機的滾動會影響平整度和結(jié)構(gòu)深度，輪胎壓路機噸位太輕。應(yīng)該清楚，平整度很重要，但壓實更重要，必須在保證壓實的前提下提高平整度。(2)現(xiàn)行法規(guī)對壓實度的要求存在缺陷。例如，在美國，要求滿足三個或一個壓實度標準：a)96%的實驗室馬歇爾密度；b)92%的實際測量的相對密度%；c)99%的試驗道路鉆孔密度。事實上，前兩個標準可以相互轉(zhuǎn)換。如果最大密度DmaxMarshall試件密度Dms,以小數(shù)表示的空隙率Vdesign=1-Dms/Dmax,如果鉆孔試件的實測密度是D巖心樣品的實測密度,則有以下關(guān)系K1=D核心樣本測量值/Dms或K2=D核心樣本測量值/Dmax=K1×（1-V設(shè)計）或K1=K2/（1-V設(shè)計），其中關(guān)鍵是混合料設(shè)計空隙率V。K1=96%，K2=92%兩個標準等效條件為Vdesign=4.17%。表2比較了這兩個標準。控制壓實度的不同方法對比表2設(shè)計空隙率(%)馬歇爾密度控制鉀1(%)大多數(shù)密度標準控制K2(%)道路的實際空隙率(%)29696%/(1-0.02)=94.085.9249696%/(1-0.04)=92.167.844.179696%/(1-0.0417)=92869696%/(1-0.06)=90.249.7689696%/(1-0.08)=88.3211.68292/(1-0.02)=93.87928492/(1-0.04)=95.839284.1792/(1-0.0417)=96928692/(1-0.06)=97.87928892/(1-0.08)=100928也就是說，當(dāng)孔隙度小于4.17%時，所需壓實度為Marshall密度的96%，即高于控制理論密度的92%。反之，當(dāng)孔隙率大于4.17%時，所需壓實度為Marshall密度的96%，即低于控制密度的92%。例如，當(dāng)空隙率為8%時，達到了馬歇爾密度的96%，但實際上只達到了最大理論密度的88.3%。如果要求達到最大理論密度的92%，則應(yīng)達到馬歇爾密度的100%。因此，對于設(shè)計空隙率大于4%的層，現(xiàn)行法規(guī)規(guī)定96%馬歇爾密度的壓實標準偏低?，F(xiàn)在省內(nèi)部分高速公路已開始采用理論最大密度92%同時進行雙控。還有一些項目將壓實標準從96%提高到97%或98%。（3）有些工程，出于平整度的考慮，采用攤鋪機全幅面攤鋪方式是不現(xiàn)實的，容易造成離析，振動力小，壓實不均勻。建議一臺攤鋪機的攤鋪寬度不超過6-8mm，高速公路一般采用兩臺攤鋪機梯隊攤鋪。5.3采用合理的骨料粒度和適當(dāng)?shù)臑r青面層壓實層厚度目前瀝青面層的骨料粒度一般較粗，與之相匹配的壓實層厚度略薄，不利于壓實。美國此前規(guī)定，結(jié)構(gòu)層的厚度不應(yīng)小于最大粒徑的2倍。NCAT認為，從施工的角度來看，最大骨料粒徑不應(yīng)超過松散厚度的一半?，F(xiàn)在Superpave建議應(yīng)該是標稱最大粒徑的3倍。澳大利亞2.5x是必需的?，F(xiàn)在面層一般采用標稱最大粒徑16mm，厚度4cm，相當(dāng)于2.5倍，略??；如果是3次，應(yīng)該是5cm，4cm面層如果粒徑13mm可能會更好。由于骨料的產(chǎn)量和價格的關(guān)系，16mm粒度是我國常用的粒度。它最初是從LH-20轉(zhuǎn)移而來的。按照歐洲分級系列，公稱粒徑16mm的最大粒徑是22.4mm，不是19mm。中下層的厚度為5-6cm，比26.5mm的粒徑要薄。我國建筑法規(guī)規(guī)定面層骨料最大粒徑不大于層厚的1/2，中下層不大于2/3，顯然不適合高速公路配套適當(dāng)厚度的設(shè)計規(guī)定。集料粒徑過大引起的瀝青混合料離析是普遍存在的問題。不僅是表層，中下層也比較嚴重。底層混合料一般采用孔隙率較大的AC-30或AC-25II瀝青混凝土。粗骨料粒徑過大，無法避免偏析。，水和漿料積聚的地方，容易引起瀝青和骨料的剝落。當(dāng)然，聚合隔離還有另一個更重要的原因。建筑所用材料的可變性太大。砂石來源雜，質(zhì)量不穩(wěn)定，使級配變化太大，往往不能滿足配合比設(shè)計要求。砂石材料占混合料總量的90%以上，要注意瀝青的質(zhì)量。還需要根據(jù)骨料粒度采用合理的瀝青面層設(shè)計壓實厚度。隨著時代的發(fā)展，我們不能簡單地過分追求瘦身。如果考慮驗證效果，設(shè)計層厚一般不應(yīng)小于公稱最大粒徑的3倍。例如骨料粒徑為13mm，表層厚度為4cm。若骨料改為16mm粒徑，面層不應(yīng)小于4.5cm；中間面層為AC-20I型，厚度不小于6cm；25I型，厚度不小于8cm等。三層瀝青面層的總厚度一般需要達到18cm。如果一定要減薄，也可以考慮雙層結(jié)構(gòu)，下層為AC-25I型，厚度可達8-10cm，也可在表面做更薄的耐磨層。5.4做好路面排水和封水工作水是瀝青路面水害的根源，而對水的處理方法只有兩種，一種是密封（堵），即阻止水進入瀝青層的一部分；水的來源是雨水、地下水和毛細水，將水與瀝青表面隔離是最基本的措施。首先，將水從面層密封起來，讓水從地表排出道路；如果表面不能密封，則從中間層密封，讓水從瀝青層或?qū)娱g排出；與基層表面密封，防止地下水從下面上來；水浸透半剛性基層，使水從瀝青層或?qū)娱g排出；如果水進入底座，底座必須能夠排水。無論如何，只要瀝青混合料中或基層表面長期存在水分，就很難避開泥漿和坑坑?？梢哉f，長時間浸泡在水中的瀝青路面壽命肯定不長。目前我國的瀝青路面大多是瀝青面層本身不能封水，基層不透水，透油或下封層不能封水。更不用說許多表面具有很大的孔隙率并且是透水的；即使具有非常密集的漸變，它們也不可避免地不會部分滲透。規(guī)定要求面層至少有一層防滲I型密級配瀝青混凝土，一般布置在中間面層。但是，雖然很多高速公路使用AC-25I型，但骨料粒度大，離析嚴重，厚度薄，實際上不能封水。下層多為AC-30或25II型，不僅氣孔率過大，而且層厚過薄，偏析嚴重。我國一般采用半剛性基層作為道路的基層，也是不透水的。凍區(qū)春季解凍時滲入路面并融化的水容易積聚在基層表面，成為浮漿。近年來，半剛性基層的強度標準越來越高，混合料越來越致密，特別是石灰石碎石的透水性比水泥穩(wěn)定碎石差。因此，在雨季，水進入瀝青層是不可避免的。不幸的是，路面設(shè)計通常不考慮路面結(jié)構(gòu)層的排水。相反，嵌入式路緣石和砌石路肩通常設(shè)計用于防止?jié)B入路面的水的排放。此外，部分路段縱坡不平整，嵌入的路緣石阻礙了地表水從邊緣快速排出，導(dǎo)致局部積水。這個問題在橋面上尤為嚴重。因此，保證路面的通暢排水非常重要，排水設(shè)計應(yīng)該是路面設(shè)計的重要組成部分，引起了人們的高度重視。有關(guān)部門在審查路面結(jié)構(gòu)時，不僅要審查厚度和強度，還要審查排水情況。為此，建議從以下幾個方面考慮排水問題：做好中央分隔帶的排水，避免綠水橫向滲入路基。如果不能保證排水，最好將綠化帶改為水泥混凝土或瀝青密封。擋水路緣石可能會導(dǎo)致水留在路上并變成水坑。最好把路緣弄平，或者根本不做路緣，讓水流到路外，但路肩和斜坡必須經(jīng)受住水的沖刷。路面設(shè)計必須考慮混合部分夾層水和縫隙水的排放，以始終保證滲入路面表面的水能夠排放到路面外。有的工程在中下層邊緣設(shè)置15cm寬的礫石層盲溝進行垂直排水，并在其上覆蓋面層。礫石層縱向每隔5m有一個排水口，用于將路面的水排出。有的工程表層只鋪行車道，不鋪應(yīng)急停車帶。將改性乳化瀝青密封層灑在中間面層上，使?jié)B入面層的水從界面流出。埋入式路緣石會阻礙結(jié)構(gòu)層排水，不宜使用；瀝青路緣更好。開挖路段的排水往往是一個薄弱環(huán)節(jié)。應(yīng)特別注意邊溝的深度，既能排掉路面的地表水，又能排掉結(jié)構(gòu)層的水，使路面的水排入邊溝。當(dāng)路基有地下水或裂隙水時，路基的含水量會過大，承載力會嚴重降低，因此開挖路段的縱向盲溝也很重要。關(guān)于基層的排水，我國幾乎全部采用半剛性基層，強度越來越高，有利于整體承載力。水分會長時間停留在瀝青面層與半剛性基層的界面上，在荷載作用下形成砂漿，形成泵送漿液，最終導(dǎo)致瀝青面層水損?；鶎邮欠駪?yīng)考慮透水性，是否限制4.75mm以下的細料含量，是否限制基層強度上限，是一個值得研究的問題。我國非常有必要研究和應(yīng)用具有透水性的級配碎石柔性基層。瀝青面層下設(shè)置排水層，可以是級配礫石層，也可以是埋入良好的瀝青或水泥穩(wěn)定礫石層，孔隙率應(yīng)達到15%以上。但在施工期間，不得污染路面，防止縫隙堵塞。如果這是不可能的，排水層將不起作用。這方面的做法在我國道路排水條例中已有規(guī)定，必須在積累經(jīng)驗后加以研究和推廣。加強瀝青層與瀝青層之間的粘結(jié)。目前，很多項目的建設(shè)順序安排不妥。瀝青面層鋪設(shè)過程中或鋪設(shè)后，開挖中央分隔帶，埋設(shè)路緣石，開挖的土壤污染瀝青面層，影響上下層的粘結(jié)。和協(xié)同作用。施工規(guī)范對粘層油的要求不嚴也