公路瀝青路面水損害分析

胡其峰

(安徽省安慶市公路局樅陽分局,安徽樅陽 246700)

公路瀝青路面水損害分析

胡其峰

(安徽省安慶市公路局樅陽分局,安徽樅陽 246700)

水損害是瀝青路面的早期病害之一,這種病害會(huì)造成路面的松散、龜裂、掉粒等損壞現(xiàn)象。介紹道路水損害的研究現(xiàn)狀,分析病害產(chǎn)生的主要因素和作用機(jī)理,總結(jié)水損害的防治措施及有待解決的問題。

公路瀝青路面;瀝青混合料;水損害分析

瀝青路面的應(yīng)用越來越廣,但是在推廣使用的過程中也出現(xiàn)了一些道路病害,較為常見的有車轍、裂縫、唧漿、鼓包、坑洞、麻面等。路面的早期破壞降低了道路的服務(wù)水平,縮短了其使用壽命,影響了正常的生活秩序,耗費(fèi)了人力、財(cái)力,加重了國民經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān),多數(shù)早期損害都和水有密切聯(lián)系。

水損害是指水由瀝青路面孔隙、裂縫進(jìn)入路面內(nèi)部后,在凍融、車輛輪胎動(dòng)荷載產(chǎn)生的動(dòng)水壓力或真空負(fù)壓抽吸的反復(fù)作用下[2]749-753,水分逐漸滲入瀝青與礦料的界面或?yàn)r青內(nèi)部,使瀝青與礦料之間的粘附性降低并逐漸喪失粘結(jié)能力,瀝青膜逐漸從礦料表面剝離,瀝青混合料掉粒、松散,造成瀝青路面結(jié)構(gòu)整體性的破壞。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外關(guān)于這方面的研究主要針對抗剝落劑與集料性質(zhì)、評價(jià)方法、粘附剝落理論及混合料的均勻性等方面展開了研究。其中美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(簡稱SHRP)項(xiàng)目歷時(shí)五年,耗資1.5億美元,是公路研究史上最大的研究項(xiàng)目之一,取得了130多項(xiàng)科研成果。近幾年關(guān)于水損害的研究仍在深入:2002年Anderson在瀝青協(xié)會(huì)春季會(huì)議報(bào)告了瀝青混合料抗水損害能力的評價(jià)方法;2003年圣地亞哥National Moisture Damage Workshop研究了水損害對瀝青膠的影響;2004年Randy C.West,Jing na Zhang,Allen Cooley Jr評價(jià)分析了瀝青路面水敏感性的試驗(yàn)方法; 2005年Rajib B Mallick等人研究了利用加速的荷載裝置測熱瀝青混合料水敏感性;2008年 Ericw Kalberer等人主要從瀝青的分子結(jié)構(gòu)方面考慮了水損害的影響。[3]

在我國的高等級(jí)公路建設(shè)中,人們逐漸對排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)越來越重視。設(shè)計(jì)方面主要通過路拱橫坡、最小縱坡、邊溝設(shè)縱坡來控制,但也沒有確定的方法,對路基路面排水的研究僅限于路面排水(包括路肩排水)、中央分隔帶排水和路基盲溝排水,而在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水材料防水方面所做的研究工作不多。1997年8月《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》頒布,使排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有據(jù)可依。然而,該規(guī)范對路面內(nèi)部排水系統(tǒng)只是在結(jié)構(gòu)和材料方面做了一些規(guī)定,沒有提出具體的設(shè)計(jì)方法,需要做進(jìn)一步的研究和積累修筑經(jīng)驗(yàn),使之細(xì)化和完善。

近幾年,一些科研工作者開始將有限元分析方法運(yùn)用到水穩(wěn)定性研究中[4]77-80。同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程系和長安大學(xué)在1999年做了路面內(nèi)部排水系統(tǒng)的相關(guān)研究,對多空隙率水泥和瀝青穩(wěn)定碎石排水基層的排水能力作了初步探討,通過對實(shí)際路用性能進(jìn)行長期觀測,提出了水泥和瀝青穩(wěn)定碎石排水基層材料的建議級(jí)配,并在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和水力計(jì)算方面取得一定的突破。長沙理工大學(xué)公路學(xué)院對瀝青路面水損害疲勞破壞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬分析[5],將有限元理論運(yùn)用在了道路分析中,從以前局限于試驗(yàn)研究逐漸開始了數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)研究,數(shù)值模擬需要在不影響結(jié)果的前提下對現(xiàn)實(shí)的情況做一些假設(shè),保證分析結(jié)果準(zhǔn)確性。

2 水穩(wěn)定性影響因素及評價(jià)指標(biāo)

對于瀝青混合料水穩(wěn)定性能的影響因素是多方面的,主要包括以下幾方面:

(1)環(huán)境條件。環(huán)境因素包括一個(gè)地區(qū)的氣候降水、溫度變化、季節(jié)交替等。地區(qū)降雨較多,氣候潮濕,路面就容易積水,易發(fā)生水損害。在冰凍地區(qū),冬春季節(jié)白晝溫差大,容易產(chǎn)生凍融循環(huán),氣溫降低時(shí)水由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài),體積的增大對混合料內(nèi)的孔隙有膨脹擠壓作用,加速混合料顆粒間的離散。

(2)施工條件。瀝青的拌和、運(yùn)輸、攤鋪、碾壓的過程中施工質(zhì)量的保證。瀝青混合料的拌和要選擇最佳油石比,攪拌充分而且均勻,拌和設(shè)備、拌和時(shí)間及拌和地至施工地點(diǎn)的距離都要加以考慮,運(yùn)輸?shù)倪^程中不發(fā)生離析、燒焦及粘結(jié)成塊;攤鋪要緩慢、均勻、而且連續(xù)不斷;碾壓要連續(xù)、密實(shí)。在施工的過程中,要注意溫度的控制,因?yàn)闉r青對于溫度的變化比較敏感,溫度升高時(shí)粘度降低,嚴(yán)重時(shí)會(huì)被燒焦。

(3)酸堿度影響[6]137-139。集料的酸堿性是按二氧化硅的含量劃分的,二氧化硅含量越多,集料酸性越強(qiáng),與瀝青的粘附性越弱,水穩(wěn)定性越差,所以在施工時(shí)盡可能選擇堿性集料,對增強(qiáng)集料與瀝青的粘附性非常有利。

一般情況下，造成“豆腐渣”工程的原因主要在于材料選擇與質(zhì)量監(jiān)控方面把關(guān)不嚴(yán)。小型農(nóng)田水利現(xiàn)代化建設(shè)多是在相對落后地區(qū)實(shí)施，經(jīng)濟(jì)保障和技術(shù)支持相對落后，導(dǎo)致很多工程隊(duì)伍在施工過程中技術(shù)上得不到正確科學(xué)的指導(dǎo)。盲目按照主觀判斷和工程材料的質(zhì)量問題，導(dǎo)致了水利工程質(zhì)量不合格和使用壽命降低等情況。

(4)表面特性。集料拌和時(shí)要處于干燥狀態(tài),表面潔凈不含塵土或其他雜質(zhì),集料的表面盡可能粗糙,增大瀝青與集料的接觸面積,增大二者的粘附力。如果含有灰塵或其他雜質(zhì),瀝青與集料的粘附性會(huì)很快下降。

(5)級(jí)配類型。級(jí)配類型不同組成的混合料的水穩(wěn)定性也不同。密級(jí)配形式形成的結(jié)構(gòu)比較密實(shí),空隙率小,一般情況下選擇密級(jí)配集料要比開級(jí)配集料的抗水損害能力強(qiáng),混合料的水穩(wěn)定性由密級(jí)配到開級(jí)配是逐漸降低的,因而在施工的過程中盡量選擇密級(jí)配形式的集料。此外,影響混合料水穩(wěn)定性的因素還有礦粉的含量、油石比、小粒徑集料所占的百分含量及抗剝落劑或纖維的添加等。

(6)空隙率因素?？障堵室蛩貙τ谒€(wěn)性的影響不是簡單的直線關(guān)系,通過研究將孔隙率劃分為如下幾個(gè)區(qū)間:瀝青混合料空隙率小于8%時(shí),水不容易進(jìn)入混合料內(nèi)部,不會(huì)造成水損害;當(dāng)路面空隙率大于15%時(shí),粒徑大滲入到內(nèi)部的水能夠及時(shí)排出,只有在空隙率為80%～15%之間時(shí)水易進(jìn)入而且不能迅速排出,所以在設(shè)計(jì)施工的過程中應(yīng)該控制空隙率不要落在滲水而又不排水的區(qū)域。

(7)瀝青性質(zhì)。瀝青的性質(zhì)主要有粘度、延度、針入度、表面能等自身特性。其中影響瀝青混合料水穩(wěn)定性能的主要因素是瀝青的粘度,瀝青的粘度值越大,粘性越好,與集料的粘附性越好,延度越大,抗變形能力越強(qiáng)。

(8)其它因素。設(shè)計(jì)對水穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面,如路面結(jié)構(gòu)層的選擇,結(jié)構(gòu)層厚度的擬定,瀝青混合料設(shè)計(jì)孔隙率的確定及排水設(shè)施的設(shè)計(jì)(路緣石,路肩橫坡,擋土墻泄水孔,盲溝,邊溝縱坡等)。目前道路的結(jié)構(gòu)層比較單一,結(jié)構(gòu)材料形式簡單,地區(qū)性不強(qiáng),設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮實(shí)際情況,靈活多變,保證道路的排水順暢。

在特殊的路段還應(yīng)注意采取必要的措施增強(qiáng)排水能力[7]422-426,杜絕積水由橫坡進(jìn)入道路基層,路拱橫坡將水排到路緣石邊,及時(shí)匯聚排出,同時(shí)路肩也應(yīng)具有一定的抗水能力,在凹形豎曲線最低點(diǎn)處的排水設(shè)計(jì)要注意先將水匯集在邊溝再通過設(shè)置管道使水依靠地勢高低排出。此外,當(dāng)設(shè)置的邊溝達(dá)到一定的長度時(shí),設(shè)法將溝內(nèi)的水排出,避免流速隨距離的增長而增大形成沖刷,對于彎道處向內(nèi)側(cè)的單坡匯聚的積水也應(yīng)采取相應(yīng)的措施迅速排出。

為了保證混合料水穩(wěn)定性達(dá)到要求,相應(yīng)的規(guī)范規(guī)程也提出了一些瀝青混合料水穩(wěn)定性的評價(jià)方法,常見的評價(jià)指標(biāo)及方法見表1。

表1 水穩(wěn)定性評價(jià)方法及比較

3 水穩(wěn)定性理論分析及防治措施

3.1 理論分析

目前,關(guān)于瀝青混合料粘附性的理論解釋沒有一個(gè)統(tǒng)一的說法,科研工作者針對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響因素及評價(jià)指標(biāo)提出了不同理論。主要有:機(jī)械粘附理論、化學(xué)反應(yīng)理論、表面能理論、極性理論,這些理論主要側(cè)重于化學(xué)及物理方面。機(jī)械粘附理論認(rèn)為粘附性是有分子間力形成的;而極性理論則認(rèn)為分子間形成氫鍵而形成的,化學(xué)反應(yīng)理論認(rèn)為分子間力是由于酸堿反應(yīng)形成的,在表面能理論中,表面張力之間的平衡狀態(tài)是主要因素,這些理論都比較微觀,從不同的方面入手,就得到了不同的解釋理論。

3.2 水穩(wěn)定性防治措施

根據(jù)這些理論,可以從不同的方面入手制定防治水損害的措施。在設(shè)計(jì)及施工的過程中要控制瀝青路面的空隙率,使?jié)B入混合料的水能夠及時(shí)排出,必要時(shí)添加抗剝落劑,或一定比例的可耐高溫的纖維提高瀝青的低溫抗裂能力和高溫抗車轍變形能力;對車輛進(jìn)行限速,因?yàn)樾熊囁俾试酱?水動(dòng)力作用越大;設(shè)計(jì)的過程中考慮道路的排水系統(tǒng)設(shè)置;選擇粘性好的瀝青與集料的組合[8];采用合理的結(jié)構(gòu)層及級(jí)配形式;提高路線的平縱線性指標(biāo);施工時(shí)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān),保證符合施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4 結(jié)束語

通過對瀝青路面水穩(wěn)定性能的討論,得到了提高路面抗水損害能力的方法。但還存在一些問題需要進(jìn)一步研究:①水穩(wěn)定性能的評價(jià)指標(biāo)需要進(jìn)一步改進(jìn);②混合料的水穩(wěn)定性與路面的水穩(wěn)定性建立直接的聯(lián)系;③同時(shí)考慮多個(gè)因素對水穩(wěn)性能的影響。試驗(yàn)的研究方法要盡量與實(shí)際狀況相近,得到的結(jié)果才能更好的反應(yīng)實(shí)際,才能得到進(jìn)一步推廣。

[1] 高小剛,孫閱兵,陳秀英.瀝青路面水損害作用機(jī)理及防治對策[J].北方交通,2008(6).

[2] 楊若沖,梁錫三,賴用滿.瀝青路面水損害典型原因與對策[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,36(6).

[3] 張肖寧,瀝青與瀝青混合料的粘彈力學(xué)原理及應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社,2006.

[4] 張艷,袁軍,田盛鼎,瀝青路面水損害分析和現(xiàn)有評價(jià)方法對比[J].公路工程與運(yùn)輸,2006(8).

[5] 沈金安,李福普,陳景.J TG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

[6] 楊成忠.瀝青混合料水穩(wěn)定性分析[J].科技情報(bào)開發(fā)與經(jīng)濟(jì),2004,14(6).

[7] 張宏超,孫立軍.瀝青混合料水穩(wěn)定性能全程評價(jià)方法研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,30(4).

[8] 沈金安,李福普.J TJ052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[M].北京:人民交通出版社,2000.

責(zé)任編輯:文 月

U416.217

A

1671-8275(2010)03-0016-03

2009-04-16

胡其峰(1976-),男,安徽樅陽人,安慶市公路局樅陽分局工程師。研究方向:路橋施工與管理。