一、瀝青路面水損壞的特性
瀝青路面水損壞是一個普遍存在的問題,也決不是一個過時的話題,特別是在中國南方地區。瀝青路面水損壞問題的本質是瀝青與集料在靜、動水壓力作用下的持續粘附能力,這也是該問題的核心。瀝青混合料水損壞的作用機理,主要依據是瀝青對集料的粘附理論,包括力學理論、化學反應理論、表面能理論和分子定向理論。(一)瀝青特性
瀝青一般帶負電荷,由于含有少量羧酸和亞楓而呈弱酸性;而集料的巖性決定了集料表面電荷的性質和酸堿特性。所以,按照化學反應理論,瀝青對集料的粘附性決定于集料的巖性。(二)集料特性
某些集料過分堅硬致密,破碎后表面光滑不利于瀝青粘附。潮濕的集料與瀝青的粘附性大大降低。滯留在混合料內部的水分夏季遇高溫會變為水蒸汽,使瀝青膜從集料表面撐開。而有些吸水率稍大的集料,只要施工時徹底干燥,瀝青將會被吸入集料內部一部分,反而有良好的水穩定性。集料中含有泥土對瀝青混合料得水穩定性的影響很大,土壤都帶有負電荷,它是強親水物質。單從材料本身的角度而言,水滲入路面中的途徑還是很多的,例如施工時集料本身是含水的,而生產混合料時又不可能完全烘干,又例如施工時由于石料本身壓碎值較大或壓路機振幅過大,路面表面露白,給水進入瀝青與集料之間的界面提供了條件,還有開放交通后集料表面瀝青的磨耗、集料本身的損失等,都造成路面內部實際上是長時間處于潮濕狀態的,如果瀝青與集料粘附性不良,剝落也是不可避免的。排水不良、路面滲水是我國高速公路瀝青路面水損害的重要原因,但并非根本原因,根本的原因是瀝青與集料的粘附性不良。要防止或減輕瀝青路面水損害,最好是能提高瀝青與集料的粘附性。但是,消石灰和水泥的添加不可能完全攪拌均勻,抗剝落劑的性能參差不齊,目前國內抗剝落劑的添加工藝的不成熟導致添加效果差,都給瀝青與集料的粘附性留下了隱患。因此,在改善瀝青對集料粘附性的同時,對路面結構和排水進行研究改善顯然是十分必要的,國內、外對透水基層、抗滑密實的上封層和排水設施等進行了研究與應用,這是疏導的方法。
二、現行設計規范對瀝青路面水損壞的考慮
我國現行瀝青路面設計規范針對瀝青路面水損壞現象作了如下規定: 1.粗集料與瀝青應具有良好的粘附性,對年平均降雨量1000mm以上的高速公路和一級公路,表面層所用集料與瀝青的粘附性應達到5級;其他情況粘附性不宜低于4級。
2.當粘附性達不到要求時,應通過摻入適量的消石灰、水泥或抗剝落劑等措施,提高粘附性等級及混合料的水穩定性。
3.礦粉必須采用石灰石等堿性石料磨細的石粉,不得使用酸性巖石等其他礦物的礦粉。
4.為防止雨雪下滲,浸入基層、土基,瀝青面層應選用密級配瀝青混合料。當采用排水基層時,其下均應設防水層,并設置結構內部的排水系統,將雨水排除路基外。
5.為排除路面、路基中滯留的自由水,確保路面結構處于干燥或中濕狀態,下列情況下的路基應設置墊層:(1)地下水位高,排水不良,路基經常處于潮濕、過濕狀態的路段;(2)排水不良的土質路塹,有裂隙水、泉眼等水文不良的巖石挖方路段;(3)季節性冰凍地區的中濕、潮濕路段,可能產生凍脹需設防凍墊層的路段;(4)基層或底基層可能受污染以及路基軟弱的路段。
6.現行瀝青路面設計規范還規定瀝青混合料的空隙率較大、路面滲水嚴重時宜設上封層。可以看出,現行規范對瀝青路面水損壞的防治還停留在給出設計原則階段,因而是粗線條的,對于中央分隔帶、路緣石如何設計、路面結構組合應選用哪些類型的混合料還不夠詳盡,不能很好地指導建設、施工。
三、影響瀝青路面水損壞的路面結構因素分析
路面結構組合和路面排水設計合理時,路面排水通暢,路面結構內部基本無積水或不至于產生動水壓力,有利于瀝青混合料的水穩定性,反之則不利于瀝青混合料的水穩定性。 (一)路面結構組合設計
1.材料——瀝青混合料類型。瀝青混合料為全開式結構或密實式結構時,路面不易發生水損壞;瀝青混合料為半開式結構時,路面易發生水損壞。隨著公稱最大粒徑的增大,滲水系數將增加,所以為了做到密水,減小公稱最大粒徑是有效的。施工失敗時以上關于瀝青混合料類型對路面水損壞的影響的分析不適用。瀝青路面密實度小,則孔隙率大,路面結構內部積水,在車輛荷載作用下易產生動水壓力。
2.結構組合。路面結構組合設計包括給路面不同層位選擇恰當的材料類型,保證路面結構的整體承載力和水穩定性。這包括選擇密實而具有良好骨架結構的瀝青混合料,使得路面不至于發生表面型水損壞;選擇良好的透層和粘層材料,使得路面整體強度足夠,不至于發生內部型水損壞;處理好接縫,避免縫邊級配離析和壓實不足。
例如,近年來廣泛采用的三層式瀝青路面結構中,上面層普遍設計為AK類瀝青混合料,是一種半開式結構,再加上施工離析等原因,路面水損壞嚴重,在排水不暢的橋面情況更嚴重;下面層普遍設計為AC-25I型,而實際使用效果該層由于施工離析嚴重,導致透水嚴重,大量發生內部型水損壞,使得路面疲勞耐久性差,有時甚至中面層AC-20I型瀝青混合料也存在相同的問題。湖北省和廣東省就提出將下面層設計為AC-20I型瀝青混合料,這一建議顯然具有進步性。但是,由于加工更小粒徑的碎石工藝流程更繁雜、產量更低和單價較高等原因,這一建議一直沒有得到采納。
對于瀝青面層的厚度與公稱最大粒徑的關系一定要引起注意,必須保證厚度不小于公稱最大粒徑的3倍,對SMA要求甚至更高。然而,國內一些高速公路建設忽視了這個問題,例如有些公路由于造價的原因減薄了路面結構厚度,卻沒有相應調整瀝青混合料類型,導致兩者不相匹配。厚度與公稱最大粒徑不相匹配一般是厚度偏薄,其后果是級配離析嚴重,表面缺粒嚴重,導致壓實離析,路面滲水。相反的例子是,施工單位私自調整級配,名義是按設計混合料類型施工,實際調細級配甚至將公稱最大粒徑減小一個篩孔,使得上述不良現象大大減輕甚至基本消失。
由于國內長期以來注重路面平整度等原因,路面結構設計的主流一直是半剛性基層瀝青路面,對于柔性基層結構使用較少,在瀝青下面層和上基層之間采用碎石層作排水層的做法自然就難以實施。許多國家在水泥穩定碎石集料上面設置級配碎石層作為過渡層,以減少路面的開裂和有利于排水,成為倒裝結構,如南非、法國和德國等。我們經常說有些國家也使用半剛性基層,實際上是組合式基層瀝青路面。
過去較多地使用乳化瀝青類、稀釋瀝青類材料作為透層、粘層,但實際使用效果較差,不僅層間脫空,而且水容易滲透進入路面結構,或積存在上基層表面,造成瀝青路面唧漿等。稀釋瀝青類材料作為透層、粘層存在的問題是,我國工程建設往往工期十分緊張,特別是新建公路,有時存在作為稀釋劑的煤油還沒有揮發就攤鋪上一層混合料,影響了路面質量。近年來較多地使用熱瀝青類材料作為透層、封層,層間結合加強的同時,路面結構防水能力也得到加強。
近年來越來越注重施工縫的設置,這也是結構方面的很好的考慮,例如,相鄰兩幅及上下層的橫向接縫均應錯位1m以上,上面層應采用垂直的平接縫。上、下層的縱縫應錯開150mm(熱接縫)或300~400mm(冷接縫)以上。這些措施有利于防止集料離析上下重疊或左右緊鄰,防止形成聯通的透水面積。
(二)路面排水設計
路面排水設計與瀝青路面水損壞密切相關,適當的路面排水設計與路面結構設計組合可以極大地減緩路面水損壞。路面排水設計應遵循幾個原則,使得路面降水盡快通過路表逕流排走,進入路面結構內部的水以盡量快的速度通過路面結構內部排水系統排走。1.中央分隔帶排水。在我國,中央分隔帶植樹防眩而不加封閉帶來的水損壞現象一直以來沒有得到改善,但近年來,一些公路特別是改擴建的公路開始將植樹以外的面積采用漿砌片石等措施進行封閉。遭受抱怨的還有反濾土工布被立柱打穿,造成中央分隔帶滲水,但可從設計上檢查立柱尺寸是否足以穿透土工布。
2.硬路肩排水。擋水式的路緣石使路面表面排水滯留在路面上成為水坑,也妨礙了具有一定透水能力的表面層的內部積水從硬路肩排出。近年來較多采用了平放的路緣石,不至于使水滯留在路面上。
3.路面結構內部排水。挖方路段的排水往往是薄弱環節,尤其要注意邊溝的深度,不僅能排路表水,還應能排結構層的水,使路面內部的水能排入邊溝。路基中有地下水或裂隙水冒出時,將使路基含水量過大,承載能力嚴重降低,所以挖方路段的縱向排水盲溝也是很重要的。在瀝青層下設置排水層,可以是級配碎石層,也可以是嵌擠良好的瀝青或水泥穩定碎石(或貫入式結構層),空隙率應達到15%以上。但施工期間必須保證路面不被污染,以防止將空隙堵住。
(三)施工質量和工藝
施工質量和工藝的可靠、合理是一切設計得到體現的保證,是工程建設的生命。沒有施工質量和合理的工藝作保障,任何完美的設計都只是一紙空文。以上路面材料、結構組合和路面排水系統等幾個影響因素都對瀝青路面水損壞存在影響,相互之間一方面普遍存在聯系,另一方面又存在相對獨立性。它們是通過瀝青與集料在靜、動水壓力作用下的持續粘附能力這一內部影響因素而相互聯系的,故屬于內部聯系、本質聯系。
四、瀝青路面水損壞的室內試驗研究方法簡介
一般而言,瀝青路面水損壞研究以瀝青路面在車輛荷載和路面結構內部水的雙重作用下的損壞為研究對象。沒有車輛荷載的作用,動水壓力無從產生;沒有路面結構內部水的存在,即使有車輛荷載,也不會產生動水壓力,故車輛荷載和動水壓力對瀝青路面的水損壞研究缺一不可。目前,有關水對瀝青混合料性能影響的研究大部分集中在分析瀝青混合料的水敏感性和抗水損壞材料的開發上,而有關水的作用對瀝青混合料長期性能的影響,以及路面在此條件下的疲勞壽命衰減等方面的研究工作進行得較少。
常規的描述水對瀝青混合料性能影響的試驗方法大致可分為兩類:
一類是將未經壓實的松散瀝青混合料浸于水中一段時間后,主觀評價或利用試驗儀器檢查集料裹覆瀝青膜的剝蝕程度,并據此作為判定瀝青混合料水穩定性的依據。這類方法以水煮法、浸水法和光電分光度法為代表,美國SHRP研究內容中還發展了一種攪動水凈吸附法。目前有研究改變這類試驗的試驗參數如試驗溫度、試驗時間等進行試驗,取得了初步效果。
另一類評價方法是將瀝青混合料試件或芯樣置于一定的水浸蝕環境條件下,以某些物理力學指標的衰減程度來表征混合料的水穩定性。這類方法有馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、洛特曼試驗、改進的洛特曼試驗以及浸水輪輒試驗等。
也有過一些研究從一定角度模擬了水對瀝青混合料的動態作用,如Jimenez在亞利桑那大學提出重復孔隙水壓力的作用。為了能夠模擬孔隙水壓力,將試件浸入水中,同時施加一個能夠產生35~217kPa的孔隙水壓力的循環應力作用。Jimenez認為這個水壓力范圍與飽和狀態瀝青路面在車輛荷載作用下產生的孔隙水壓力范圍是相吻合的。
工欲善其事,必先利其器。恰當的試驗方法是通向研究成功的第一步,也是關鍵的一步。在目前瀝青路面水損壞普遍嚴重存在的情況下,研究有效評價瀝青混合料或瀝青路面水穩定性的室內試驗方法,是十分有必要的,也是十分緊迫的。
五、瀝青路面水損壞的現場試驗研究方法
為了使瀝青混合料水穩定性研究符合實際、接近實際,光憑室內試驗分析是不夠的,有必要在實體工程中開展現場試驗研究。然而到目前為止,國內外還沒有完整地提出過進行瀝青路面水損壞現場試驗研究的思想,已有的研究還只限于在路況調查階段對瀝青路面水損壞進行分類、歸納、統計和分析查明原因。瀝青路面水損壞現場試驗研究方法的提出,無疑將成為本課題研究的一個1.比較研究不同結構組合瀝青路面的水穩定性,如半剛性基層與瀝青穩定基層瀝青路面,又如表面層設計為AK-13A、SAC-13的和SMA-13A的進行比較,中、下面層設計為AC類結構的和FAC類的結構進行比較,層間結合采用乳化瀝青的和采用熱瀝青的進行比較,下封層采用應力吸收層的與采用熱瀝青上撒布瓜米石的進行比較。比較的具體方法可以采用現場病害調查(反映表面水損壞情況),也可以采用路表彎沉檢測分析(反映內部水損壞情況),既能調查得到需要的數據,又不對路面造成破壞。2.利用TBR儀等無損檢測手段檢測路面結構內部實際含水情況,比較不同路面結構表面和內部排水設計的瀝青路面的水穩定性,例如對是否設置排水墊層的路面進行對比,對是否封閉中央分隔帶除植樹以外部分的路面進行對比,對是否設置硬路肩路緣石的路面水穩定性進行對比。
3.利用動水壓力測試系統,對車輪荷載作用下動水壓力進行測試,為路面結構受力分析提供更多參數。
4.利用公路改擴建的機會,進行開挖試驗,檢驗不同路面結構組合、不同路面排水設計情況時的瀝青路面水穩定性。