瀝青路面水損害機理分析及對策研究

王強

(中交一公局集團有限公司,北京 100000）

1 引言

各地自然環境不同，超車現象嚴重，導致路面出現車轍、坑槽等病害，對路面損害較為嚴重的為水損害[1]。水損害主要是瀝青路面上的積水導致的。積水主要來自大氣降水，淺層地下水通過骨料間的空隙進入瀝青混合料的結構層中，因為車輛行駛產生的荷載增加了內部的水壓力，這樣削減了瀝青和骨料間的黏結性，降低了瀝青混合料的強度[2]。同時，車輛行駛會對路面產生擠壓，加快了瀝青混合料的剝離速度，使路面快速受損。水損害嚴重影響道路使用功能，對交通安全產生了較大影響。本文針對該病害進行研究，能有效提高道路的服務水平和使用年限。

2 路面水損害調查

2.1 水損害定義

水損害的主要原因是瀝青路面上的積水通過骨料間的空隙進入瀝青混合料的結構層中，在行車荷載的作用下產生使瀝青混凝土內部產生水壓力，降低瀝青與骨料間的黏結性，當荷載達到一定程度時，瀝青路面開始發生剝落，加重受損程度，最終縮短路面的使用壽命[3]。瀝青混凝土水損害主要表現為松散、坑洞、唧泥等。

2.2 水損害調查

本文依托于某高速公路進行路面水損害程度調查，并分析病害形成原因，同時對路面結構內部情況進行了分析研究。

2.2.1 松散

路面水通過孔隙進入混凝土內部，降低混凝土的水分透過瀝青面層進入瀝青結構內部，降低瀝青和骨料間的黏結性，降低了瀝青混合料的強度，在行車荷載的作用下發生松散。

2.2.2 坑洞

瀝青混凝土結構松散后，集料被行車的輪胎帶走，使粒料減少，路面形成坑洞。

2.2.3 唧泥

唧泥主要是路面排水不暢導致的。進入瀝青混凝土內部的水分長期存積，會對基層產生沖刷作用，形成泥漿。在車輛荷載作用下，泥漿通過瀝青混凝土的孔隙被壓到路面上，等水分蒸發掉，帶出來的基層混合料就會形成唧泥[4]。

對高速公路進行調查發現：該道路瀝青路面水損害較為嚴重，主要病害特征為病害面積大、延伸到整個路面結構，降雨時間較長，降雨量較大，對路面的累計破壞次數較多。

2.3 水損害原因分析

通過對路面的水損害情況進行調查并分析該地的氣候條件，本文認為導致路面處現水損害的原因如下。

1）該地區的降水量大，因此，路面與水之間的接觸面積較多，接觸時間較長。降雨量集中導致水進入路面后無法及時排出，造成水損害的概率增大[5]。

2）瀝青路面在施工過程中壓實度控制不滿足要求，導致孔隙率不符合規定要求。當孔隙率較小時，水分進入瀝青混凝土結構內部無法排出，在動水壓力的作用下產生水損害現象；當孔隙率較大且不具備排水功能時，雨水進入瀝青混凝土結構層內部使瀝青膜剝落，形成水損害。

3）瀝青路面出現裂縫后，水分會沿裂縫進入結構內部，對瀝青進行沖刷，造成集料減少出現唧泥、坑洞等病害。

4）該地區屬于山區，路基邊坡級數較多，且邊坡高度較高，路面水通過急流槽或攔水帶進行排泄。但路拱橫坡不滿足要求，導致雨水在路面滯留時間較長，影響道路使用功能。

3 瀝青混合料水敏感性分析

3.1 混合料設計

3.1.1 原材料

本試驗采用的瀝青為SBS 改性瀝青，經過對瀝青各個指標進行檢測滿足技術要求。10～15 mm、5～10 mm 粒徑的集料均采用玄武巖，0～3 mm 集料采用破碎礫石。本文采用的剝落劑為石灰、水泥和胺類（同下文中的BAⅢ）3 種抗剝落劑。

3.1.2 配合比設計

本文采用馬歇爾試驗確定最佳瀝青用量為6.1%，最佳級配為10～15 mm 集料∶5～10 mm 集料∶0～3 mm 集料∶礦粉=52∶24∶13∶11，拌和溫度為170～175 ℃，擊實溫度為160～165 ℃。水泥抗剝落劑添加量占混合料比重的1%、1.5%、2%的試件定義為試件A、B、C；石灰抗剝落劑添加量占混合料比重的1%、1.5%、2%的試件定義為試件D、E、F；胺類抗剝落劑添加量占混合料比重的0.2%、0.4%、0.6%試件定義為試件G、H、I。對各類試件進行凍融劈裂試驗和馬歇爾穩定度試驗。

3.2 馬歇爾穩定度試驗結果分析

3.2.1 浸水殘留穩定度分析

添加水泥抗剝落劑的試件的抗剝落能力排序為：A＞B＞C；添加石灰抗剝落劑的試件的抗剝落能力排序為：E＞D＞F；添加胺類抗剝落劑的試件的抗剝落能力排序為：G＞H＞I；與對照組相比較發現：添加抗剝落劑的試件的浸水殘留穩定度指標均有所提高，水泥提高了14.6%、石灰提高了11.9%、胺類提高了8.3%。結果如圖1 所示。

圖1 浸水殘留穩定度分析圖

通過對圖1 進行分析可知：試件抗剝落能力試件排序為：A＞G＞H＞E＞B＞D＞I＞C＞F。

3.2.2 穩定度分析

通過對穩定度的數據進行整理得到結果如圖2 和圖3所示。

圖2 馬歇爾穩定度試驗圖

圖3 浸水馬歇爾穩定度試驗圖

通過圖2 和圖3 對比發現：添加抗剝落劑的試件的穩定度指標均有所提高，水泥提高了14.5%、石灰提高了11.9%、胺類提高了5.4%。添加水泥和石灰的試件在劑量為1.5%時，浸水馬歇爾穩定度最高。

3.2.3 試驗結果分析

瀝青混合料中添加3 種抗剝落劑均能提高穩定度；通過兩個指標綜合分析可知水泥添加量為1%時為最佳摻量，石灰添加量為1.5%時為最佳摻量，胺類添加量為0.4%時為最佳摻量；對3 種剝落劑相比較可知，添加水泥和石灰的瀝青混合料穩定度比添加胺類瀝青混合料的穩定度提高程度大。通過對3 種抗剝落劑進行詢價可知，最經濟有效的抗剝落劑為1.5%的石灰。

4 抗水損害措施

4.1 工程概況

本文依托工程為某高速公路，設計速度為80 km/h，車道數為雙向4 車道，荷載等級為公路Ⅰ級，瀝青混凝土的設計使用壽命為15 a，路面結構層組合為：

上面層：SMA-13 改性瀝青，厚度為4 cm；

中面層：AC-20 中粒式改性瀝青混凝土，厚度為6 cm；

下面層：AC-20 中粒式基質瀝青混凝土，厚度為6 cm；

基層：水泥穩定碎石，厚度為20 cm；

底基層：水泥穩定碎石，厚度為30 cm；

墊層：級配碎石，厚度為15 cm。

4.2 氣候及地理位置概況

本文依托項目位于山區，公路建設過程中存在長大縱坡，路基挖方較多，地形條件排水困難，導致山谷段公路長期積水。該地區氣候特點：降水量較大且時空分布不均，夏季多雨，且存在較長汛期，年降水量大于1 000 mm[5]。沿線氣候特點如表1 所示。

表1 沿線氣象表

4.3 水損害預防措施

4.3.1 混合料設計

1）集料。集料中由于二氧化硅含量不同，將集料分為酸性、堿性、中性集料。路面上面層直接承受車輛荷載作用，應具有較高的強度和抗滑性。因此，上面層粗集料采用弱酸性的玄武巖，填充的細集料采用堿性的石灰巖，能夠與瀝青較好地結合；浸入瀝青混凝土內部的水會對瀝青膜產生剝落作用，為使瀝青和集料緊密結合，中下面層采用堿性的花崗巖[6]。

2）瀝青。上面層瀝青采用SBS 改性瀝青，基質瀝青采用黏度較大的90#A 級瀝青。

3）抗剝落劑。抗剝落劑采用占混合料比重1.5%的石灰，當水分進入瀝青混凝土的內部，對瀝青膜產生影響時，石灰與水產生水化作用，將水吸收掉，提高瀝青混凝土的抗水損害能力。

4）采用合理級配。經過馬歇爾試驗進行配合比設計，最終得到混合料級配為：10～15 mm 集料∶5～10 mm 集料∶0～3 mm 集料∶礦粉=52∶24∶13∶11，瀝青最佳用量為6.1%。

4.3.2 路面施工

相關研究表明瀝青路面孔隙率7%～15%時，路面的水損害最嚴重[7]。本文通過配合比試驗及穩定度試驗表明：上面層孔隙率在4.5%時，穩定度和凍融劈裂強度指標最優。因此，在路面施工時應采用大于11 t 的鋼輪壓路機進行碾壓，保證壓實度滿足設計要求[8]。

5 結語

本文通過對瀝青路面的水損害進行分析，得到以下結論:瀝青路面水損害主要表現形式為松散、坑洞、唧泥等。通過試驗對瀝青路面的水敏感性進行分析結果表明：抗剝落劑應采用占瀝青混凝土總質量1.5%的石灰最佳。對路面進行施工時，應保證壓實度的要求。