高速公路沥青路面水损害及其防治措施综述
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摘要：我国沥青路面在高速公路中得到广泛使用，针对沥青路面水损害问题，分析了水损坏现象和产生机理，分析了路面水损坏的主要现象及其发生机理，阐述了产生水损坏的相关因素，提出了预防路面水损坏的相关对策。
关键词：沥青路面 水损坏 排水性能 预防措施
中图分类号：U416.217 文献标识码：A 文章编号：
引言：近年来我国采用了不少新技术，如SHAP沥青评价技术、SUPERPAVE沥青混合料设计方法、SMA路面、聚合物改性沥青和纤维改性沥青等。这些新技术的应用虽然一定程度上改善了沥青路面质量，但初期损坏依然存在。国外也同样存在这种严重的初期损坏现象。大量的调查结果表明，通车使用一年以上的高速公路面层混合料，无论是开级配的沥青混凝土、SMA，还是密实型沥青混凝土，几乎都产生不同程度的水损害。我国的JTJ014-1997《公路沥青路面设计规范》中增加了使用简化的洛特曼试验方法测定沥青混合料水稳定性指标，但从大量的工程现场发现，目前高速公路沥青路面满足规范指标后，仍然发生大面积剥落。
1 沥青路面水损害现象
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、车辙等病害发生，同时诱发其他路面病害的损坏现象。
路表麻面、松散、掉粒
麻面、松散是指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的现象。当整条道路发生松散病害以致沥青面层支离破碎，成为碎砾石铺筑而成的低等级道路时，只能铲除后重新铺筑面层。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。
唧浆、网裂、坑洞
我国高速公路一般采用半刚性基层，其透水性小，从路表连通孔隙及裂缝处下渗的雨水难以排除而逐渐积聚在基层顶面。在行车荷载的反复作用下，不断产生高速动水压力冲刷基层顶部，使基层顶部结合料和侵入的水混合成灰浆，并从裂缝中被挤压而出，这种现象称为唧浆。灰浆还可能通过沥青路面的局部裂缝或个别通道被挤到路表。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，使路表水更容易进入沥青面层，产生恶性循环，最终导致路面破坏，如图1所示。
图1 路面水毁、坑洞塌陷及脱空破坏
车辙
自由水侵入沥青面层后，减弱了沥青混合料的粘结力，在车载作用下，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，还产生了更为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。这种车辙主要出现在行车道上，通常外侧轮迹带上的车辙现象比内侧轮迹带严重。车辙不仅影响行车舒适与安全，还成为降雨后的积水槽，引起更为严重的水损害。
冻融循环破坏
冰冻地区或季节性冰冻地区，会出现路面结构层内水的冻融循环导致的水损害现象。由于水凝聚结成冰时体积增大，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。在下面层，当基础有较多的细粒土和孔隙时，毛细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。
2 沥青路面水损害产生机理
沥青路面产生水损害主要表现为沥青与集料之间的粘结性能丧失，沥青膜从集料表面脱落，其产生的根源在于水。雨水或施工时集料中未充分干燥而残留的水分，均是水损坏现象中水的来源。由于水具有较强的表面张力并对集料表面产生浸润，水可以进入并穿透沥青膜而侵入沥青与集料的结合面，并最终取代沥青；其次是在水已经存在的情况下，交通荷载反复作用对水所产生的动压力，增强了水分对沥青膜的侵害能力，使水损害不断发展，造成集料松散、掉粒，继而形成坑槽而导致路面破坏。
2.1 水的来源
研究路面结构的水损坏首先必须了解路面结构中水的来源。从图2可以看出，路面结构内部水的来源大致可以分成以下几种：
图2 路面内部水的来源图3暴雨连降路面毁坏与修补
(1) 路面渗透：降落在路表面的水，如果不能及时通过路面横坡或纵坡排走，会经由路面的纵、向接缝、裂缝或面层孔隙渗透到路面结构内部。表面水的渗透与许多因素有关：①接缝和裂缝的数量及密度，面层的空隙率大小；②缝隙的宽度和填塞情况；③降水的强度和历时；④基层的透水性和面层下的空隙等。通过渗漏进入路面结构内的水是引起路面结构水损坏的主要水量来源，现行路面排水规范主要设计排除这部分水；
(2) 路侧渗流：在路面排水沟较浅的地方，路面纵断面的坡度较平缓或零坡部位，水从高水位处向路面结构层中的渗流可能成为水的重要来源；
(3) 地下水位上升可能使进入路面结构层中的水显著增加；
(4) 毛细管作用可以将水位以上路基饱和区的水输送到路面结构层中。毛细管作用的典型数据是砂土可将水升高1.3～2.5m，粘土可升高6m以上。水的这种输送方式在冰冻地区会造成路面冻胀破坏。
此外，温度梯度能够引起水蒸发，存在于路面结构和路基空隙中，并由此引起水位和密度变化，由此造成的破坏必须进行修复，恢复交通，见图3所示。
2.2 导致沥青膜剥落的主要原因
(1) 沥青与集料的粘附性能，如沥青与集料的化学成分、沥青与集料表面的界在张力、沥青的粘性、矿料的孔隙率、矿料的含水量和含泥量等。若粘附性不足4级以上，沥青膜容易脱离。
(2) 沥青路面施工时的孔隙率在8%以下时，混合料的透水性很小，几乎不透水。在我国高等级沥青路面施工时孔隙率普遍偏大，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) 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。我国高速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，却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。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9.5～13.2mm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。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)其它原因：如道路交通超载严重，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，冬季、雨季气候条件下的施工，路面开裂、老化等加速水损害的发生，并形成恶性循环。
3 水损害破坏的原因
沥青路面建成以后，在荷载或环境的因素作用下产生裂缝。特别是横向缩缝是沥青路面的主要缺陷之一。在潮湿多雨地区，雨、雪等大气降水等将不可避免从路面裂缝和较大孔隙的沥青混合料中渗入路面结构中，排水性能不良的基层使得沥青混凝土面层长期浸泡在水中，沥青面层极易产生早期水损害。
3.1从设计角度分析。造成沥青路面水损害破坏的主要原因之一是沥青混合料空隙率过大。设计时，有时为了考虑沥青路面的抗滑性能、保证路面行车有一定的构造深度，混合料设计空隙率一般都在6％以上，而据有关资料介绍，空隙率在8％～12％之间，路面水最容易侵入面层混合料内部，一旦沥青面层内部含有一定的水分，水将在沥青混合料内部自由流动，再加上车辆荷载的反复作用，面层中的水产生压动力，这部分水逐渐侵入到沥青与集料的界面上，使沥青膜渐渐地从集料表面脱离，最终导致沥青与集料之间的粘结力丧失，造成水损害破坏。
3.2从排水设施分析。搞好路面排水设施，对保证道路的使用性能和使用寿命具有十分重要的作用，对防止路面水损害更有其特殊的功能。我们知道发生水损害的路面，多数都有内表排水不良的原因存在。及时排除侵入面层中的水分，减少路面积水停留时间对减少路面病害极为重要。
3.3 从集料规格分析。集料规格的好坏，直接影响到沥青与集料粘附性能、粘结力大小。沥青路面与其他水泥混凝土路面不同，它对集料的规格要求较高，因为它在相当程度上要依靠集料间嵌锁作用。但在实际施工中，人们往往对集料规格质量重视不够，材料把关不严，集料质量参差不齐，碎石针片状含量过高、含土量大，表面粉尘太多，直接导致沥青与集料之间粘结力下降，一旦水侵入沥青混合料内部，便会造成水损害破坏。
4 水损害的防治
对于路面水损坏的防治，首先应从路面材料自身与结构设计入手，尽量减小水进入路面的可能，并提高路面抵抗水损坏的能力；其次是利用路面排水设施，将路面结构范围内的水尽快排除。
4.1 控制设计指标
虽然目前对沥青路面水损害破坏还缺乏系统的定量研究，但是多年的经验和实践己使人们对这个问题具有足够的定性认识。基于这些定性的认识得出的沥青路面水损害破坏的防治途径如下。
(1) 严格控制混合料的空隙率，对于密级配沥青混凝土来说，目标空隙率应该控制在4%左右。
(2) 现行沥青路面施工技术规范关于水损害的三个指标：即粘附性大于4级强度、浸水马歇尔稳定度大于80%，以及简化洛特曼法间接抗拉强度比TSR ≥70%。还存在一些缺陷，仍控制不了水损害。
(3) AASHTO T283利用空隙率为7%的试件来进行试验，模拟刚施工好的路面空隙率，更为科学合理，真空饱水条件更为严密，加上冻融循环，适合作为南方多雨有冰冻地区抗水损害的指标。
4.2 合理的材料与结构设计
对于沥青路面，一是采用透水性小的密级配沥青混凝土，封闭路面各种接缝和裂缝，防止水分进入路面。但是高速公路沥青路面的表面层一般均采用抗滑混合料，设计规范中规定的抗滑表层马歇尔试验空隙率4 %～10 %的范围在实际应用中明显偏大，容易造成沥青路面水损害，需要进行调整，降低混合料的空隙率。根据路面施工实践，表层沥青混合料，当其实际空隙率在8%～13%时，水分容易渗入面层内部，存于结构层的空隙中，而且不能流动，这样对于路面抗水损害是非常不利的。因此希望成型后的路面，实际空隙率在8 %以下。二是提高沥青混合料的水稳定性，加强沥青与矿料的粘结力。三是修筑具有足够强度储备的路面结构，以便抵抗荷载和水的综合作用。国际上的经验是将沥青面层增厚至15～25cm，而不是按结构计算得出的12～15cm。调查表明，我国近几年建成的半刚性基层沥青路面高速公路的沥青面层大多在12～15cm以上，即使这样厚的面层仍不能有效减少路面的水损坏。
4.3 合理的排水设施
除去材料本身的因素，水损坏防治的有效措施是设置路面排水设施，主要包括路面表面排水，路面内部排水，或者设置排水沥青面层。
(1) 表面排水。路面表面排水是通过行车道和路肩的横向坡度，将降落到路表面的水排走。流向路肩边缘的表面水，可通过漫流形式沿路基坡面排到两侧路基范围以外。如果路基有可能受到冲刷，应在路肩外侧边缘设置拦水带，汇集表面水，后经有一定间隔的泄水口、边坡急流槽排至地面排水系统。表面排水一直以来都是路面必需的排水方式，虽然能迅速将水排走，但当降水历时较长时，路表面不可避免地长时间处于积水状态，水总会沿路面接缝或裂缝以及面层空隙等渗入路面结构内。
(2) 排水沥青面层。排水沥青面层在国外应用较多，这种面层是用大空隙率的多孔性沥青混合料铺筑而成的，能迅速排走路表雨水且具有防滑、抗车辙和消音等功效。近年来我国也进行了相关研究，西安咸阳国际机场高速公路即采用这种面层结构。这种排水面层虽然排水效果较好，但其空隙较大，暴露在大气中，容易污染，2～4年内下降到初期渗入能力的30%～50%，5年后排水能量和降噪效果就消失了。虽然荷兰、日本等许多国家开发了高压对流喷射方式清洁机或高压冲刷机械清除堵塞空隙的杂质，但效果不甚理想，且价格昂贵，养护维修费用很大。目前这种结构形式在我国的适用性尚需进行研究论证。
(3) 路面内部排水系统。一般说来，对于新建路面，加强材料自身的特性，采取防封的措施能起到一定的作用。但伴随使用过程，水泥混凝土路面会出现翘曲和挠曲及填缝料损失现象，沥青路面产生反射裂缝等。这些现象本身对路面不会造成大的危害，但由于水的浸入，加之车辆荷载的反复作用，将会加剧其发展，大大缩短路面的使用寿命。实践表明，在路面的使用期限内，将水彻底排除在路面结构外几乎是不可能的。有效防治或减轻路面水损坏应从路面内部排水入手，即设置路面结构内部排水系统，如图4所示。
图4 路面结构内部排水系统组成示意
组成整个路面结构内部排水系统的主要部分：排水基层、防水层、边缘排水系统(纵向边缘集水沟、横向排水管、反滤织物等)，如图2所示。通过修筑路面结构排水系统把路面结构中的自由水排除掉是非常必要的。国外的调查数据表明：设置内部排水系统能够提高沥青路面结构使用寿命的33%，可见其经济效益和社会效益都是非常可观的。
5 结语
通过以上分析，对于沥青的水损害现象，可采取如下技术措施。
(1) 路面结构层应采用水稳定性好的密实型沥青混凝土。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远不能满足防止水损害要求，一旦水通过各种途径进入到孔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) 改善沥青与集料之间的粘附性好。为了改善与提高沥青混合料的水稳定性与耐久性，需要增加沥青与集料之间的粘附性。
(3) 提高沥青混凝土压实度标准，增加现场孔隙率指标。
(4) 设置合理的路表排水系统。
(5) 设置路面结构内部排水系统。这是迅速排除渗入路面结构内的水分、避免水在路面结构层中积滞的有效措施，可从根本上解决沥青路面水损坏问题。
参考文献
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