沥青路面水损坏研究要点Word格式.docx

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改革开放之前，我国公路，尤其是高等级公路建设规模不大。

改革开放以来，中国公路发展速度很快。

1988年10月31日我国大陆第一条高速公路——沪嘉高速公路建成通车，中国的公路事业进入了崭新的发展期，且新的公路建设以高速公路、一级公路等高等级公路为主。

1998年以来，中国以每年超过2000亿元的投资用于公路建设。

2002年公路建设投资更是达到3211.73亿元。

大陆高速公路通车里程1989年全国仅为271公里，到1999年突破1万公里，2003年达到29745公里。

至2007年底，我国高速公路通车总里程已经超过5万公里，根据交通部的规划，到2010年，将建成国家骨架公路网。

全国高速公路总里程预计将达到8.5万公里【1】。

我国用短短的十几年时间走完了发达国家半个多世纪的发展历程。

沥青混凝土路面由于平整度好，行车平稳舒适，噪音低，许多国家在建设高速公路时都优先采用。

而半刚性基层具有强度刚度大，稳定性好等特点，被广泛用于修建高等级公路沥青路面的基层或底基层。

在我国已建成的高速公路中，90%以上是半刚性基层沥青路面。

但在已建成通车的高速公路中，由于沥青面层水稳定性不足造成的水损害，常使得高速公路在通车后不久，短的仅仅几个月，长的2—3年，就出现了明显的坑槽、松散等破坏现象，直接影响了行车速度、行车安全和通行能力【2】。

沥青路面的这种早期水损害破坏已成为我国高速公路沥青路面最严重的病害之一。

沥青路面的水损害，是指沥青路面在有水存在的条件下，经受交通荷载和温度胀缩的反复作用，一方面水分对沥青起乳化作用，导致沥青混合料强度下降，同时水分逐步侵入到沥青与集料界面上，由于水动力的作用，沥青膜渐渐的从集料表面剥离，导致集料之间的粘结力丧失而发生的路面破坏过程。

常见的水损害破坏形式有：

坑洞、网裂、龟裂、车辙；

沥青和粗细集料粘结力降低，结构强度变小。

沥青路面的水损害在我国具有普遍性，水损害破坏不仅发生在多雨炎热的南方，即使在东北地区如吉林、辽宁等地也出现了沥青路面的早期水损害现象。

因此应该认识到无论是在南方多雨潮湿地区还是北方半干旱地区都会出现沥青路面的水损害。

此外据资料表明，在我国已建成并使用一年以上的高速公路中，无论是采用半刚性路面、刚性组合式还是刚性路面，无论是对酸性石料还是碱性石料，无论是采用重交通石油沥青还是改性沥青和加抗剥落剂的SMA，都出现了不同程度的水损害现象。

水损害的破坏速度快，性质严重，己成为路基路面的主要破坏因素之一。

沥青路面的水损害不仅大大增加了公路养护管理部门的养护工作量和养护费用，还带来了不良的社会影响。

由于沥青路面早期水损害来得比较快，会对高速公路的服务水平产生较大的影响，而且直接间接经济损失巨大，因此系统的研究沥青路面早期水损害的机理，对现有路面沥青混合料级配使用效果进行评价和分析，提出路用性能优良的新型沥青混合料级配，对沥青路面水损害的防治有着重大的经济和社会意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

沥青路面水损坏是一个世界性的问题。

美国从二十世纪三十年代就开始重视研究沥青路面水损害问题并取得了一系列成果，尤其是在评价沥青混合料水损害的试验方法上。

在1949年颁布了水对压实沥青粘结性的影响的试验方法（ASTMD1075），该方法于1988年进行了修订。

新的试验方法是采用残留强度来评价水对压实沥青粘结性的影响[8]。

1959年颁布了沥青一集料混合料裹覆和剥落试验方法（ASTMD1664），1985年进行了修订。

该方法用来评价有水存在的条件下，沥青膜保留在集料表面的能力。

由于该方法试验精度较差，一般只用于评价沥青——集料是否合格。

二十世纪七十至八十年代期间，美国对水损害问题进行了深入广泛的研究，包括美国全美公路合作研究计划（NCARP）、美国公路规划和研究计划（HP&

R）、美国公路战略研究计划（SHRP）和联邦公路局的研究合同。

对水损害形成的机理、影响因素，评价水损害的试验方法和水损害的控制等各方面进行了系统的研究，提出了许多研究报告。

如Lottman试验方法，采用试验前后的劈裂强度比和回弹模量比作为水损害的评价指标。

评价准则有两个，一个是短期标准，相当于4年路龄；

另一个是长期标准，反映4～12年的情况。

该方法试验室混合料、现场混合料或路面岩心间相关性较好，为许多国家采用或改进采用。

1985年制订了压实沥青混合料抵抗水损害能力的试验方法即改进的Lottman法（AASHTOT283）。

该方法试验的结果既可用来预测沥青混合料长期剥落敏感性，也可用来评价液体抗剥落剂的抗剥落效果。

是目前世界各国广泛采用或借鉴的水损害试验方法[9]。

20世纪60年代德国首次采用了大孔隙排水型路面。

随后法国陆续修建了多孔隙贫混凝土路面试验路。

但美国道路专家认为最可靠的排水措施是在整个路面宽度下采用开级配排水层。

现在美国在路面结构设计方法中把路面结构的排水系统作为一项重要环节考虑。

路面结构内部设置排水系统在美国已成为一项经常性措施。

1.2.2国内研究现状

随着我国高速公路的飞速发展，国内对沥青路面的水损害问题也越来越重视。

在“八五”期间我国对沥青混合料水稳定性指标进行了比较系统的研究。

推荐用冻融劈裂强度比和浸水马歇尔残留稳定度来评价沥青混合料的抗水损害能力。

九十年代初，交通部重庆公路研究所的贾渝较为详细的介绍了美国常用的九种沥青混合料水损害的试验方法，并分析了各个试验方法适用范围、优缺点及与沥青混合料的实际使用性能的关联程度。

经比较后认为AASHTOT-283和ASTMD4867与路面现场性能有较好的相关关系，值得我国借鉴。

此外，同济大学道路与交通工程系和长安大学在1999年对路面内部排水系统进行了相关研究，他们对多空隙率水泥或沥青稳定碎石排水基层的排水能力作了初步探讨，而且试验路的实际路用性能需要进行长期观测，提出了水泥稳定和沥青稳定碎石排水基层材料的建议级配，并在路面结构内部排水系统的结构设计和水力计算方面取得一定的突破，但在排水基层材料组成设计方面上的研究不多，一般采用的是经验级配，缺少排水基层材料性能与混合料组成的定量关系，不能有效指导排水基层材料的组成设计[6]。

国内对沥青路面水损害的防治主要采取的措施有以下几方面:

一是研究新型级配，提高沥青混合料的水稳定性，通过模拟路面实际浸水条件提出试验指标来评价沥青混合料的水稳定性；

二是设置路面防水层或路面内部排水系统；

三是在施工方面，提高压实标准以及减少沥青混合料的不均匀离析。

此外还有掺加抗剥落剂提高沥青与集料的粘附性等措施。

由此可见，产生沥青路面水损害的原因是多方面的，在实际工程中，应具体分析水损害成因及发生机理，采取有效的措施来防治沥青路面的水损害。

1.3研究内容

针对上述现状，利用实际调查勘察情况和理论分析，本文的研究内容主要包括以下几个方面:

对沥青路面水损害产生的原因进行调查分析。

在研究调查的基础上，分析产生沥青路面水损害的破坏机理与成因。

结合实际工程分析了沥青混合料产生离析的原因，提出了相应对策。

根据现有级配类型研究新型表面层沥青混合料级配设计。

在分析目前常用级配的基础上，借鉴superpave混合料级配组成方法，提出一种水稳定性高，其它路用性能又好的级配组成。

水损害防治措施的研究。

从目前常采用的其它方面提出防治水损害的各项措施。

根据以上分析，提出适合本课题实体工程的沥青路面水损害综合处治措施以及级配组成设计，并提出相应的质量控制方法和施工工艺。

为防治沥青混凝土路面早期水损坏提供一定技术支持。

1.4研究思路

本课题采用理论和室内试验相结合的方法，以试验和资料为依据，分析水损害的成因，提出防治沥青路面水损害的措施，以指导实际工程。

第二章沥青路面水损害现象及成因分析

2.1沥青路面水损害类型

水损害是沥青路面的主要病害之一。

水损害，是指沥青路面在有水存在的条件下，经受交通荷载和温度胀缩的反复作用，一方面水分对沥青起乳化作用，导致沥青混合料强度下降，同时水分逐步侵入到沥青与集料界面上，由于水动力的作用，沥青膜渐渐的从集料表面剥离，导致集料之间的粘结力丧失而发生的路面破坏过程。

沥青路面的水损害破坏主要表现为:

（1）路面出现麻面、剥离、掉粒松散、坑槽；

（2）路面基层受到损害，发生唧泥，路面出现网裂、龟裂等；

（3）路基变形，发生沉降、开裂等；

（4）硬（土）路肩坍塌。

一般沥青路面发生水损害破坏在其开始阶段，先是水分浸入沥青与集料的界面，降低沥青与集料的粘附性，此时水分以水膜或水气形式存在；

在外部荷载及环境的作用下，沥青混合料的性能开始降低，沥青与集料开始剥离，水分开始下渗并以自由水的形式存在；

此后会出现龟裂、网裂、唧浆、松散、坑槽等等现象，水分可能以动水形式存在。

半刚性基层沥青路面是我国已建高速公路沥青路面的主要路面结构形式。

即由半刚性基层作为主要承重层，沥青面层为结构层。

这种结构形式的沥青路面常见的水损害破坏形式有以下几种:

唧浆

当水进入沥青面层或基层的空隙和裂缝中时，如果排泄不畅就会使这些空隙和裂缝中充满了自由水，在行车荷载作用下，自由水会变成有压水，向四周冲击，将基层表面和空隙中的细料冲下来并随水带走，而行车荷载的瞬间消失，又使有压水变成自由水，冲击作用即刻消失，细料随水流慢慢停下来而沉淀，占据了空隙或裂缝中的空间，这就是水对基层的冲刷过程。

如果基层的空隙或裂缝一直延伸到路基，则该冲刷过程也对路基产生同样的影响。

而行车荷载在行车道上的周而复始作用，使空隙和裂缝不断扩大，最终细料或泥沙随水挤出路面，形成唧浆（图2-1）。

这是沥青路面浸水破坏的初期症状。

通常发生在雨后或雪融后且基层采用二灰类、水泥类半刚性基层上。

图2-1唧浆

龟裂和网裂

沥青混凝土路面的这两破坏是比较常见的，数量多危害大。

龟裂是在路面上成块的不规则的、破碎性的、相互交错的疲劳裂缝。

大多形成一系列多边形小块组成的网，其形状似龟背。

龟裂是行车荷载反复作用的结果，其初始形态是在沿轮迹带出现单条或多条平行的纵缝。

在平行的纵缝间出现横向和斜向连接缝，形成裂缝网。

裂块的尺寸一般在50mm～500mm。

如图2-2。

出现龟裂的路面，可能伴随出现沉陷变形。

龟裂的产生，主要是路面的强度不足以承受行车荷载的作用。

此外，基础排水不良，低温时沥青混合料变硬或变脆等，也可能造成龟裂。

网裂是相互交错、呈网状格形的疲劳裂缝，呈现多边形小块组成的网状开裂，其间距大小相近，它先沿轮迹带出现单条或多条平行的纵缝，此后，在纵缝间出现横向和斜向连接缝，形成网状。

网裂主要是由于路面的整体强度不足而引起的。

主要和设计和施工有关；

另外也可能是水分从横缝渗入下层，使基层表面被泡软，在车辆荷载反复作用下，基层表面泥浆被挤出，形成唧浆，基层表面逐渐被淘空产生网裂，如图2-3。

图2-2龟裂图2-3网裂

这种类型的水损坏基本过程是这样的:

路表水从空隙进入路面结构层，并最终到达基层表面；

而半刚性基层致密，不能迅速将水排除，形成蓄水区；

在车辆荷载反复作用下，下面层沥青混合料对基层产生较大挤压，并形成灰浆。

灰浆从贯通的孔隙中被挤出，形成唧泥；

沥青层和基层的界面条件恶化，由连续转化为滑动，沥青层底部承受很大的拉应力，有可能超过极限抗拉强度而产生开裂。

由此看到，这类水损坏有以下的特点:

水损坏多发生在多雨季节、季冻区的春融季节。

透水严重且排水又不畅的路段容易发生此类破坏。

发生此类破坏最终会导致路面松散形成坑槽。

现场调查表明，超车道这种破坏发展较轻，行车道这种破坏发展严重，说明这种破坏与超载超限、渠化作用有关。

松散和坑槽

滞留在面层的水分浸入到沥青与集料的界面，由于水的剥离作用使得沥青和集料之间的粘结力和粘附作用下降甚至完全丧失，导致强度急剧下降甚至完全丧失，混合料中的碎石成松散状（图2-4）。

沥青混凝土一旦松散，在大量的快速行车荷载作用下，松散的石料被车轮甩出或被雨水带走，就会产生坑洞。

一旦产生坑洞，洞上侧和前后层内的水就会渗流到坑内。

从坑洞中甩出的多数（甚至全部）碎石上都没有沥青裹覆。

而且坑洞一旦产生，很快就会发展成大的坑槽（图2-5）。

图2-4松散图2-5坑槽

松散大多发生在沥青混凝土路面使用的初期，产生的直接原因主要是:

沥青稠度小，粘结力差；

局部沥青用量偏少；

沥青加热温度过高造成沥青老化；

或者是矿料含水量较大以致和沥青粘结不牢。

坑槽产生主要是裂缝类病害未及时养护，逐渐发展形成的；

另外，局部区域半刚性基层的强度不足也会产生类似病害。

如果早期修补及时，路面性能可以较大程度恢复；

否则这些坑槽会迅速扩大延伸，并最重连接成片，给道路的使用带来更大危害。

这种水损坏的本质是:

水使沥青膜从集料表面脱落失去附着作用。

沥青和集料的界面上被水饱和，经受行车反复泵吸作用，很快造成沥青膜剥离。

其次，由于某些原因沥青混合料产生了离析或者结构层之间粘层油处理的不好，结构层之间产生滑动现象，也会导致这样的破坏。

纵向裂缝、横向裂缝

纵向裂缝多为纵向条带状，一般出现在行车道部分，有时在路肩和路面之间。

后一种情况危险性很大，地面横向坡度较大时，这种裂缝容易使路基发生滑移。

纵缝的产生主要原因是:

工程地质、水文地质条件不良，路基含水量高，地基承载力不足，产生不均匀沉降，导致路面纵向开裂；

路基内埋置的构造物，使路基边缘不能超宽碾压，致使路基边缘压实度不够，或者沥青混合料摊铺时纵向施工搭接质量不好，造成纵向裂缝；

中央分隔带、路表、边坡等处渗水，使局部路基受水浸泡后，承载力值降低，在动静荷载的作用下，路基沉降变形产生裂缝，如图2-6。

图2-6纵向裂缝

横向裂缝是与路面中线近于垂直的裂缝，裂缝起初大多出现于路面两侧的硬路肩，逐渐发展而贯通全路幅。

贯通裂缝沿路面纵向大致呈均匀分布。

如图2-7。

图2-7横向裂缝

横向裂缝通常不是由于荷载作用引起的，主要和道路的半刚性基层有关。

半刚性基层低温收缩或者干缩产生裂缝是面层产生横向裂缝的主要原因，特别是当沥青面层较薄时。

裂缝起初大多出现于路面两侧，逐渐发展而贯通全路幅。

旧水泥混凝土路面接缝的反射作用，也会使沥青面层出现横向反射裂缝。

另外，在压缩性差别较大的两种土交界处，或新老路基，或构造物台背与路基交接处，因路基与构造物差异沉降导致基层开裂，并反射到沥青面层，形成横向裂缝。

车辙

车辙是在行车荷载重复作用下，由于道路的面层、基层、路基逐渐被压密，产生沉降，路面产生永久性变形积累，形成沿轮迹的带状凹槽，在车道横断面方向多呈现W形，如图2-8。

车辙降低了路面平整度，同时也降低了行车的舒适性，特别是当车辙较深时辙槽内容易积水，极易发生水分下渗，加速了纵向裂缝的形成。

图2-8车辙

车辙形成的主要原因:

车辆的的渠化作用；

基层的厚度较薄或因基层材料、施工、养生不当导致基层整体强度不足；

沥青面层高温稳定性差，抗变形能力差。

2.2沥青混凝土路面结构水损坏原因分析

2.2.1产生水损害破坏的外因

沥青路面产生水损害的外因是降水量、交通量和交通组成，以及行车速度。

通常降水量大的多雨潮湿地区，水损害现象较降水量小的半干旱和干旱地区为严重。

交通量大的和载重车辆多的高速公路较交通量小的和载重车辆少的高速公路为严重。

降水量次数多和降水量大，特别是降水延续时间长，自由水可能进入沥青面层的机会就多，产生水损害的频率可能就大。

自由水渗透进沥青面层的量也可能大，水损害可能就严重。

近几年来，行驶在高速公路上的车辆组成产生了很大变化，重型货车的数量显著增加，而且货车普遍超载。

在部分高速公路的一些路段上，货车中比例较多的是轴载140～150kN的车辆，最大轴载达240kN以上。

多数货车的轮胎充气压力从0.7MPa增加到0.9MPa，少数超过1.0MPa，甚至高达1.2MPa。

这些货车是促使沥青路面产生早期破坏的重要外因。

在面层沥青混凝土的空隙中或面层与基层的交界面上滞留有自由水时，每一辆高速行驶的车辆通过时都会产生相当大的水压力和抽吸力。

在交界面上的这种压力水会冲刷基层顶面半刚性材料中的细料，一次冲刷的量虽然很小，但上万次甚至几万次冲刷的积累足以将冲刷下的细料形成灰白色浆（水泥稳定集料和石灰粉煤灰稳定集料基层）。

载重货车通过时产生的水压力比小汽车或小货车通过时产生的水压力要大得多，也就容易产生冲刷现象。

每辆高速车辆通过时，轮下的压力会将轮下结构层中的水压挤，而同时车轮驶离时又产生相当大的抽吸力，这两种力的瞬时先后作用能将滞留在基层顶面的浆水唧出表面。

在浆水唧出过程中首先是沥青混凝土中较大颗粒上的沥青膜逐渐剥落，沥青混凝土面层向下变形并形成网裂或很快形成坑洞。

压力和抽吸力的反复作用还会使沥青混凝土孔隙中的自由水往复运动并促使沥青首先从较大颗粒上剥落，逐渐使沥青混凝土强度大幅度下降直至松散。

水损害与大量车辆（特别是重载货车）的高速行驶密切相关，故水损害通常发生在行车道上。

尽管某些高速公路行车道上补坑累累，但超车道上却仍与刚开放交通时相似。

只是在个别交通量相对大的高速公路上，超车道也有较多车辆行驶的情况下，超车道沥青路面也产生一些水损害，但其数量比行车道上要少很多。

同样的道理，一些交通量较小的高速公路，其沥青路面水损害现象明显少，有的甚至没有。

2.2.2产生水损害破坏的内因

沥青混合料空隙率过大

有研究表明，沥青路面的空隙率在8%以下时，沥青层中的水在荷载作用下一般不会产生动水压力，不容易造成水损坏破坏。

而排水性沥青混合料的路面空隙率大于15%时，一般都采用改性沥青，水能够在空隙中自由流动，从而排除掉，也不容易造成水损坏。

只有路面实际空隙率为8%～15%的时，水容易进入混合料内部，且在荷载作用下易产生较大动水压水，易造成沥青混合料的水损坏。

片面强调平整度，忽视压实度

有些单位对压实度的重要性认识不足，压实不足是一个比较突出的问题。

施工单位为追求平整度担心构造深度过大，使压实度受到影响，不敢用重型振动压路机碾压，振捣力较小，压实不均匀。

道路通行后，平整度迅速降低，面层压实变形比较明显。

有些工程只重视平整度而忽视了压实度，采用一台摊铺机全幅摊铺的方法，容易造成离析，振捣力较小，压实不均匀，达不到压实度要求，这样的沥青混凝土面层避免不了要产生水损害坑洞。

应当明确，平整度固然重要，但压实度更重要，必须在确保平整度的情况下提高压实度。

沥青混凝土的不均匀性大

由于矿料质量、施工技术要求和工程管理等多方面的原因，我国高速公路面层所用沥青混凝土的离析现象和不均匀性较大，在面层表面随机分布着数量不一的薄弱点位。

在降雨过程中，雨水在一些薄弱点位被快速行驶车辆轮胎下产生的较大动水压力压入表面层。

据同济大学研究，动水压力随车速增加而增大。

理论计算得到，车速120km/h时的动水压力约为40km/h时动水压力的9倍。

试验得出，车速120km/h时的动水压力大致相当于40m高的水头。

在中、底面层沥青混凝土不是很密实的情况下，自由水会被一直压到底面层的底部。

如基层顶面没有良好的防水层，自由水就滞留在基层顶面，在行车反复作用下，压力水首先冲刷基层顶面的水泥砂或二灰砂细料，接着往下冲刷，在基层顶面形成白浆。

快速行车将白浆泵吸到面层表面，形成圆形白浆块。

破坏程度随交通量大小而变，在降雨过程中，表面水被继续通过薄弱点位压入面层中，基层顶面的白浆也被行车经过相同的通道继续泵吸到表面。

这种压入水和泵出浆的反复作用使通道附近沥青混凝土产生沥青剥落，继而变得松散，并形成圆形积水坑洞。

车辆通过时，将洞中的碎石甩到硬路肩上，散落在硬路肩上的碎石被冲洗干净，坑洞中余留的碎石同样被冲洗干净。

一些开放交通一年左右的高速公路，沥青混凝土路面产生的水损害常是这种类型，此时沥青混凝土路面还没有产生裂缝，水损害坑洞与裂缝无关。

沥青混凝土面层的裂缝

由于沥青混凝土是一种热胀冷缩材料，它的温缩系数是半刚性基层材料的4倍左右。

在北方冰冻地区，此种材料的抗拉强度又常小于实际产生的低温收缩应力。

所以在冬季大风降温过程中，沥青混凝土面层就会产生低温裂缝。

新铺沥青混凝土面层刚产生的裂缝，往往仅深入表面层的上部。

过一个冬季或一定时间后，裂缝又会