SMA路面渗水性的研究.docVIP

题目 SMA路面渗水性的研究 学生姓名 丛鑫 摘 要随着我国经济建设的快速发展，公路建设也得到了长足的发展。但是，很多沥青路面产生了严重的早期损害，造成了很大的经济损失。大量的研究表明，水损害是造成沥青路面早期破坏的一个主要原因，水分对于沥青路面的使用质量有重要影响，渗水系数已经成为评价路面性能的一个重要指标。准确的、快速的测定沥青路面的渗水系数是工程实践中一个难点问题，提出沥青路面的渗水系数的控制指标对于沥青路面质量具有重要意义。SMA是近年大力推广的路面结构形式。我省1992年立项进行研究，1996年通过省科委组织的鉴定，随后公路管理部门有计划的在全省推广应用，取得了显著的经济效益和社会效益。各等级公路SMA已经成为首选和普遍应用的结构形式。为积极稳妥地推广这项技术，除了必须的组织措施和技术措施外，还需要科学严谨的检测方法，其中渗水性能是重要的一项。SMA表面粗糙而内在结构却很密实，但是常规的渗水试验方法不能测出SMA的渗水系数，因此选择适合SMA路面的渗水情况的仪器十分必要。本论文介绍了一种适合SMA路面渗水仪，进行了系统的试验研究，分析了渗水系数与空隙率的相关关系，提出了渗水系数的控制指标。分析出了沥青路面透水的主要原因，总结了影响沥青路面水稳定性的因素，提出了减小沥青路面水害的技术措施 。关键词沥青路面；SMA；渗水系数；控制指标目 录第1章 前 言11.1课题来源及研究的目的和意义11.2沥青玛蹄脂路面渗水评价技术现状及发展趋势21.2.1 主要研究内容21.2.2 国内外现状及发展趋势21.3本章小结5第2章 适合SMA路面渗水仪介绍及使用说明62.1 JJYS1型渗水仪介绍62.1.1渗水仪原理62.1.2 JJYS-1型渗水仪的设计构想62.2 JJYS1型渗水仪使用说明82.2.1适用范围82.2.2仪器与材料82.2.3试验步骤82.2.4计算92.2.5注意事项102.3本章小结10第3章 SMA路面渗水系数试验与控制指标分析113.1取芯试件与路面渗水试验113.2实际路面渗水试验153.3室内击实试件渗水试验173.3.1 SMA试件渗水试验173.3.2 AC25I试件渗水试验183.4结果分析183.5渗水系数控制指标分析213.6沥青混凝土不均匀性加重渗水程度223.7本章小结23第4章 减少路面渗水的技术措施244.1 影响沥青路面水稳定性的因素244.2 减小沥青路面水害的技术措施254.3 本章小结27致 谢31摘 要32第1章 前 言1.1课题来源及研究的目的和意义大量的工程实践表明，水分对沥青路面的使用质量有重要影响。水分的来源有两种情况：一种是常见的雨季降雨，从路表面逐渐向下渗入混合料内部，由于路面空隙率大，充满水分成为破坏的主要原因；另一种是雨水及融化雪水从路面裂缝渗入到基层，或者冬季基层、下面层的积聚水分在春季融化，水分一时蒸发不出去（特别是空隙率大的沥青路面），集中在下面层的空隙中，在荷载反复作用下由下而上渗入混合料内部造成水损害1。在北方季节性冰冻地区，由于水分的存在，对沥青混合料的冻胀破坏更是典型的破坏形式。对于整个路面结构层的破坏作用主要表现在水透过面层进入面层同基层的交接面上，导致路面的冲刷、唧泥等早期损坏现象。同时，一旦造成面层与基层的脱离，路面同基层之间的抗剪切的能力急剧降低，导致整个路面的强度很难保证，此时的路面结构也不再符合路面设计时的层状理论。并且水到了基层，还会降低基层的承载能力19。目前，混合料的早期破坏中，由于路面的渗水导致基层承载能力下降发生的破坏占有相当大的比重。1.2沥青玛蹄脂路面渗水评价技术现状及发展趋势1.2.1 主要研究内容SMA表面粗糙而内在结构却很密实，具有抗滑耐磨、密实耐久、抗疲劳、抗高温车辙、减少低温开裂的优点，是近年大力推广的路面结构形式。但是常规的渗水试验方法公路路基路面现场测试规程规定的方法，却不能测出SMA的渗水系数，其原因是SMA表面粗糙，边缘难于用密封材料封住，同时，水可能从连通的空隙返到路面上，根本没有渗入到结构层中，因此无法确认路面是否渗水4。因此研制评价SMA路面的渗水情况的仪器十分必要，另外以前无法对取芯沥青混凝土试件进行渗水试验，是一个很大的遗憾，本项目的研究可解决以上公路工程中急需的问题，主要包括以下内容：1、现有渗水仪与JJYS1型渗水仪性能介绍。2、取芯试件与室内击实成型试件渗水试验及分析。3、渗水系数控制指标的研究。4、影响沥青路面渗水因素分析。5、减少沥青路面水损害的对策。1.2.2 国内外现状及发展趋势沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA），于二十世纪六十年代在德国研制成功并开始使用，取得了较好的效果。70年代初欧洲经历两个炎热的夏季，后来人们发现许多沥青路面都出现了严重的车辙，而使用了SMA的路面几乎没有车辙变形。从此道路工程师对SMA的抗磨损、抗车辙、抗开裂、防水耐久等优良路用性能有了全面的认识，在欧洲很多国家得到应用并迅速发展起来，并成为风靡欧洲的高等级沥青路面结构型式。目前欧洲许多国家，尤其是北欧的国家已把SMA作为一种标准的沥青混合料写入规范，用于铺筑道路的上面层。从九十年代开始，美国从欧洲引进了SMA技术，铺筑了一批试验路段并开始了大规模的系统研究，根据自己的自然条件和工程特点，对德国的技术做了许多改进和进一步的发展，推动了SMA技术在美国的应用，1994年FHWA就提出了SMA设计施工规范并继续研究，对SMA设计施工规范逐年进行修改。美国道路工程师对SMA的理解逐渐加深，来制定适合美国本土的SMA规范。吉林省是国内研究和使用SMA较早的省份。1991年我省从德国引进该项技术，1992年正式立题研究，并于1994年在国道202线梅河口草市公铁立交桥面坡道铺筑了试验路段，取得了较好的效果。1996年该课题通过了省科委的鉴定，并于1998年获省科技进步二等奖，课题成果在全省得到迅速推广。随后，我省公路管理部门有计划地在新、改建工程和养护工程中推广使用这种技术。沥青玛蹄脂碎石混合料技术的推广应用，提高了公路工程的质量。在雨天行车不产生水滑现象，减少了交通事故；提高了路面的平整度，使行车更加舒适、安全，并减少了车辆的磨损；减少了噪声，提高了声学环境质量。因此，几年来在推广沥青玛蹄脂碎石混合料技术的过程中取得了巨大的经济效益、社会效益和环境效益。无论是沥青混凝土路面的质量管理还是课题研究，准确获得沥青混凝土路面的渗水系数都是十分重要的，可以直观、准确、定量的评价沥青混凝土的渗水情况，对沥青路面的质量进行评价。沥青路面按照粗糙程度可以分为四种情况：宏观、微观均光滑；宏观光滑、微观粗糙；宏观、微观均粗糙；宏观粗糙、微观光滑5。见图1-1。SMA路面属于宏观、微观均粗糙，边缘难于用密封材料封住，同时，水可能从连通的空隙返到路面上，根本没有渗入到结构层中，因此无法确认路面是否真正第2章 SMA路面渗水仪路面之所以透水，就是因为在沥青混合料路面里面出现了连通的空隙，使之成为了“连通器”，水从一个口进去，从另外一个出口或者几个出口出来，根据空隙的走向，可以将路面的透水情况具体分成以下几种形式。（1）上下联通式的透水。主要是指空隙上下联通，水从表面的空隙直接通过表面层进入下一级的表面层，甚至直接进入基层。这种情况在做渗水试验时的表现为液住下降很快。（2）水平方向的渗水。主要是指空隙水平连通，或者如同一个U形管一样，水从表面的空隙进入，在路面结构层里面蜿蜒行进，最后又从表面的空隙中出来。（3）复合式的透水。既有上下联通式的渗水也有水平方向的渗水，相当一部分路面属于这种情况，一般说来，完全的水平方向的渗水情况很少，更多的是通过上下联通的渗水方式进入下一个结构层中3。2.1 JJYS1型渗水仪介绍2.1.1渗水仪原理渗水仪测定单位时间内通过SMA取芯试件的水量，单位是ml/min。要求水不能在边缘或侧壁通过，只能从试件的空隙通过。外形如图2-1所示。2.1.2 JJYS-1型渗水仪的设计构想以尽可能简便的方法解决渗水系数检测问题。设计该仪器可以一机三用：可以对SMA路面的取芯试件及其他沥青路面取芯试件进行渗水试验；该仪器可以在沥青混凝土配合比设计时进行渗水试验；可以对密实悬浮结构的沥青路面进行渗水试验2.2 JJYS1型渗水仪使用说明该仪器测定沥青路面或取芯试件在单位时间内通过的水量，即渗水系数，间接反映沥青路面的空隙率大小与透水情况。要求水必须从试件的空隙通过，而不能从边缘通过。通过实际操作证明，本仪器较好的解决了上述问题，方法可靠、操作简便。 2.2.1适用范围可以对SMA路面的取芯试件及其他沥青路面取芯试件进行渗水试验。可以对密实悬浮结构的沥青路面进行渗水试验。可以在沥青混凝土配合比设计时进行渗水试验。2.2.2仪器与材料（1）SMA路面渗水仪:结构为，上部盛水量筒由透明有机玻璃制成，容积600毫升，上面有刻度，在100毫升和500毫升处有粗标线，下方通过10mm的细管与底座相接，中间有一个开关。量筒通过支架联结，底座下方开口内径150mm，外径165mm。底座下方有一个单独模具，内有一个可以冲气轮胎。（2）水桶、大量筒、打气筒（3）秒表（4）密封材料：腻子、凡士林2.2.3试验步骤测定取芯试件的渗水系数（1） 将取芯试件周围清理干净涂上凡士林放入充气轮胎内；（2） 给轮胎充气，使轮胎与试件及外壁紧密接触，盖上盖子，倒置后放上密封圈（如果取芯试件高度太低，加上高度补偿块），把组合好的渗水试验仪底座压上并固定；（3）关闭细管下放的开关，注入水，总量为600毫升；（4）迅速将开关全部打开，水开始从细管下部流出，待水面下降至100毫升时，立即开动秒表，每间隔60秒，记录刻度一次，至水面下降500毫升时为止。测试过程中，如果水从底座与密封材料间渗出，说明底座与路面密封不好，应该移动到附近干燥路面出重新操作，如果水面下降很慢，从100毫升开始，测定3分钟的渗水量即可停止；如果水面下降到一定程度后基本保持不动，说明路面基本不透水或根本不透水，在报告中注明。测定一般沥青路面的渗水系数 （1） 将清扫后的路面用粉笔按测试仪器底座大小画好圆圈记号；（2）在路面上沿底座圆圈涂一层密封材料，边涂边用手压紧，使密封材料嵌满缝隙并且牢固的粘结在路面上，密封料圈的内经与底座内径相同，大约150毫米，把组合好的渗水试验仪底座用力压在路面密封材料圈上；（3）关闭细管下放的开关，注入水，总量为600毫升；（4）迅速将开关全部打开，水开始从细管下部流出，待水面下降至100毫升时，立即开动秒表，每间隔60秒，记录刻度一次，至水面下降500毫升时为止。测试过程中，如果水从底座与密封材料间渗出，说明底座与路面密封不好，应该移动到附近干燥路面出重新操作，如果水面下降很慢，从100毫升开始，测定3分钟的渗水量即可停止；如果水面下降到一定程度后基本保持不动，说明路面基本不透水或根本不透水，在报告中注明。2.2.4计算渗水系数按下式计算，计算时以水面从100毫升下降至500毫升所需时间为标准，如果渗水时间过长，也可以采用3分钟通过的水量计算：Cw=(V2V1)/(t2t1)60Cw：路面的渗水系数（ml/min）；V1：第一次读数时的水量（ml）V2：第二次读数时的水量（ml）t1：第一次读数时的时间（s）t2: 第二次读数时的时间（s）2.2.5注意事项 1、试件侧壁应该处理干净，去掉粘结的沥青与集料，有利于增强密封效果。2、给轮胎充气时，应该比较小心进行。防止充气过猛，使轮胎爆裂；同时，充气尽量饱满，保证良好的密封效果。3、如果取芯试件比较薄，在水面下降到100毫升时仍未稳定下降，可以选取稳定并且有规律下降时的刻度为初读数，同时，室内成型试件如果在100毫升以内即非常稳定，也可以选取此时进行初读数。2.3本章小结 本章分析了沥青路面渗水的几种主要情况，介绍了一种适合测定SMA路面渗水系数的渗水仪，介绍了其设计构想、技术解决方案；在实际操作过程中，对于测定取芯试件渗水系数和实际路面渗水系数使用说明分别进行了规定，提出了注意事项。第3章 SMA路面渗水系数试验与控制指标分析3.1取芯试件与路面渗水试验为分析路面的渗水情况，在长余高速公路和一级公路取了大量芯样进行渗水试验，同时测定其空隙率，以探讨渗水系数与空隙率的关系。我国现行规范对于压实沥青混合料的测定方法有表干法、水中重法、蜡封法和体积法，其中体积法主要适用于大空隙的开级配沥青混合料，而表干法、水中重法和蜡封法的适用范围并不十分明晰。美国AASHTO规定吸水率小于2%时采用表干法，大于2%时采用蜡封法；日本铺装协会规定除开级配沥青混合料采用蜡封法测定外，其余混合料均采用表干法测定毛体积密度计算空隙率。由此可见，国外基本方法是采用表干法测定的毛体积密度6。蜡封法是用蜡把开口空隙封闭起来成为假想的饱和面干状态，当沥青混合料空隙较大的时候，采用表干法测定的话，试件从水中取出时，开口空隙的水会跟着流出，用毛巾擦时，也会将开口空隙中的水吸出，因此提出蜡封法用蜡将沥青混合料包裹。在用蜡封法测定的时候既要把空隙封住，又不能吸入空隙中，因此，需要将试件在冰箱中冷却后，用稍高于熔点的蜡封上薄薄的一层。这种操作方法对操作人员也提出了较高的要求，如何能够恰到好处的使蜡发挥作用而不影响实际结果，是比较有难度的一件事情。水中重法是在考虑到很多密级配沥青混凝土试件浸水时基本不吸水，即试件表面基本没有连通外部的开空隙时，用表观密度来代替毛体积密度，将表干法简化为水中重法。3.7本章小结 本章通过在高速公路和一级公路取了大量的取芯试件进行试验，测定了渗水系数和空隙率，同时室内成型了一批试件，测定了渗水系数和空隙率，对于渗水系数和空隙率进行回归分析，并对数据的离散性进行了分析， 认为空隙率大和空隙分布不均匀是渗水系数偏大的主要原因。在此基础上，提出了渗水系数的控制指标。为控制路面的渗水提供了理论依据。吉林省地方标准沥青玛蹄脂碎石混合料设计与施工技术规范采用了本项研究所提出的渗水系数控制指标。第4章 减少路面渗水的技术措施4.1 影响沥青路面水稳定性的因素影响沥青路面水稳定性的因素主要包括以下四个方面9；(1) 沥青混合料的性质，包括沥青性质和混合料类型；(2) 施工期的气候条件；(3) 施工后的环境条件；(4) 路面地下排水。影响因素汇总于下表4-1：表4-1 影响沥青混合料水稳定性因素总结26因 素期 望 性 质1) 集料a. 表面构造b. 孔隙率c. 矿物成分d. 尘土覆盖e. 表面潮湿f. 表面化学组成g. 矿物填充粗糙依赖于孔隙大小碱性集料更抗剥落洁净干燥能从氢结合中夺取电子增加沥青粘性2）沥青a. 粘性b. 化学性质c. 膜厚高极性基团厚3）混合料类型a. 空隙b. 级配c. 沥青含量很低或很高很密或很开高4）气候条件a. 温度b. 施工期降雨c. 施工后降雨d. 施工后冻融作用热没有最小最小5）交通荷载最低1） 沥青混合料性质 集料性质的影响10：集料是由矿物质所组成的，每一种矿物质均有其独特的化学特性和晶体结构。岩石类型主要取决于矿物组成和岩石的形成过程。对于剥落来说，关键问题是集料对水吸附能力的大小，亲水性集料对水的吸附能力比沥青大，憎水性集料则恰好相反。通常亲水性集料呈酸性并有较高的硅含量，憎水性集料呈碱性，硅含量低。憎水性集料比亲水性集料有较大的抗剥落性能。 矿料性质如表面化学特性、表面积、孔隙大小、粒径对混合料水稳定性的影响与矿物成分相比要大的多。 集料表面含有铁、钙、镁、铅对于抗剥落是有利的，含尘土是有害的，因为集料表面需要接受或传递电子，形成氢键、酸碱或纯盐。 沥青性质的影响13：粘性高的沥青抗水剥落能力粘性低的沥青要好，这是由于在粘性高的沥青中存在有比较多的极性物质，并且具有良好的润湿性。如果沥青的粘性相同，则沥青的化学组成就会对粘附剥落产生不可忽视的影响。 混合料类型：对于热拌密级配沥青混合料，除有比较大的空隙率外，一般讲不产生剥落现象。含有比较大的空隙率、比较多水分以及沥青用量不足的密级配沥青混合料均会导致剥落12。2） 施工期气候条件影响11：沥青路面施工时的气候条件对沥青路面水稳性的影响是很敏感的，如果天气冷、潮湿、那末水敏感性破坏容易发生。其次压实不完全，由于含有比较多孔隙，从而使水分容易进入混合料中导致剥落。3） 施工后的环境条件：施工后的环境条件包括气候条件和交通荷载作用。温度、冻融循环以及干湿循环都对剥落产生影响。显然，水分是沥青混合料产生破坏的根源。在所有条件相同时，交通荷载加重水损害14。4） 路面排水15：路面排水能力差，也加速水损害发生；路面内部水分导致水害加重。4.2 减小沥青路面水害的技术措施对于如何提高沥青混合料的抗剥离性能，可以从防止水对沥青混合料侵蚀和防止水进入后使沥青膜脱开两个途径来寻求对策。（1） 路面结构措施17 水的来源包括雨水、地下水、毛细水，将水与沥青面层隔离开是最根本的措施。可以采取如下方法隔水： 在沥青面层的下封层用沥青含量高的沥青砂作下封层，其厚度为施工最小厚度2厘米2.5厘米； 在沥青面层的下层或连接层使用孔隙率很大、集料相互嵌挤作用好的沥青碎石或贯入式结构层。 （2） 材料选择对策从集料本身及沥青性质来考虑可以采取以下的措施：引起剥落的概率大约80%来自于集料。通常为了减少剥落发生，应该使用孔隙率小的粗糙、洁净集料。将粗铺的粗集料压实后，可以形成比较粗糙的表面构造，表面覆盖的集料也应该经过处理使其洁净后使用16。碱性集料比酸性集料具有好的抗水害性能。沥青与集料之间的粘附性主要依赖于沥青本身的粘度，粘度越大，抗剥落性能越好27。经过橡胶或者树脂改性的沥青由于粘度大大增加，所以抗剥离效果得到很大改善。（3） 掺加抗剥落剂21 当沥青与集料之间的粘附性不合格或者沥青混合料的水稳性达不到要求时，必须采取掺加抗剥落剂的措施。 消石灰消石灰是最常用、也是最经济的抗剥落剂。消石灰可以提高沥青的粘性，使集料表面性质改善。这是由于消石灰粉比一般石灰石矿粉比表面积大得多，使得沥青与集料之间的分子力增加。同时，由于消石灰粉使酸性石料表面的负电荷减少，石料表面电位降低，对水作用减少28。一般情况下消石灰用量约为混合料总量的2%左右。 有机高分子材料抗剥落剂这类抗剥落剂均为表面活性剂，利用其极性与集料结合，加强与沥青的粘附。由于集料本身的属性不同，应该使用不同的抗剥落剂29。使用之前，应该进行薄膜烘箱老化试验，确认其耐久性。（4）沥青混合料配合比设计对策22为使沥青混合料的抗水剥离能力提高，应该使水浸入的可能性减少，密级配沥青混凝土比大空隙的开级配透水性差，水浸入也困难些。按照马歇尔试验配合比设计决定沥青用量时，应该使用高限，这个措施将使混合料抗剥离能力得到改善。不过可能使高温稳定性降低，所以各项指标必须兼顾。（5）施工注意事项18 从施工角度考虑，提高抗剥离能力的潜力也不小，不能忽视。 集料干燥和良好的拌和，是加强沥青与矿料粘附性的主要措施。潮湿集料不能与沥青有充分的粘结，拌合不好甚至有花白料则不能防止水分进入而造成剥离。所以在雨后集料潮湿时，必须提高加热温度，延长拌和时间。 材料中含有杂质、尘土则会影响沥青与石料粘结。土壤大都带有负电荷，它是亲水性物质，一定要除去。 压实度不足使空隙率增大，将明显降低抗剥落性能。混合料空隙率为3.5%的马歇尔试验残留稳定度95%的材料，当空隙率增大到7%时，残留稳定度降到72%30。 因此，提高沥青混合料的抗剥离能力是一个比较复杂的问题，应该从各个反面采取综合措施才能够达到目的。4.3 本章小结本章系统地分析了影响路面渗水的因素，包括混合料类型、施工期的气候条件、施工后的环境条件、路面地下排水。有针对性的提出了减小沥青路面水害的技术措施，包括路面结构措施、材料选择对策、掺加抗剥落剂、配合比设计对策、施工注意事项各个方面。对于沥青路面在设计、施工、质量控制等环节减少水损害的产生具有一定的参考价值。结 论SMA路面作为一种新的路面形式，近几年得到了广泛应用，但是如何控制工程质量，特别是水损害的发生是一项普遍关注的问题，本项研究针对水损害问题开展研究，对于普遍发生的沥青路面早期破坏具有重要的参考价值。通过介绍一种适合SMA路面的渗水仪，并且在实体工程取芯进行试验研究，提出了渗水系数的控制指标，得出如下结论：1、介绍了一种新型仪器，可以用简洁、可靠的方法对SMA路面的取芯试件测定渗水系数，解决了工程实践中的一个热点难点问题。2、该仪器可以一机三用：在沥青混凝土配合比设计时进行渗水试验；可以沥青路面取芯试件进行渗水试验；可以对密实悬浮结构的沥青路面进行渗水试验。3、通过对大量取芯试件和室内击实试件的渗水试验，分析了渗水系数与空隙率的相关关系，提出了渗水系数的控制指标。建议规定室内击实试件渗水系数小于10 ml/min；施工质量检验取芯试件渗水系数规定为宜不大于80 ml/min；在评定和验收中取芯试件建议暂规定渗水系数宜不大于170 ml/min。4、由于本项研究具有创新性，而且研究成果翔实可靠，渗水系数控制指标写进了吉林省地方标准沥青马蹄脂碎石混合料设计与施工技术规范。5、分析出了沥青路面透水的主要原因。为了减少路面透水现象，首先要控制空隙率，同时注意矿料的均匀性；空隙率过大与矿料分布不均匀都会导致透水。6、 总结了影响沥青路面水稳定性的因素。7、 提出了减小沥青路面水害的技术措施 。参考文献1、徐林祥.高速公路沥青混凝土路面水损害现象分析及防治.浙江交通科技.2002，(3).-23-242、高建虹.沥青路面水的损害.城市道桥与防洪.2002，(2).-24-253、陈春.许志鸿.陈兴伟.沥青混合料空隙率影响因素研究.公路.2003，(4).-111-1134、 志鸿.刘加进.路面强化剂防水性能试验研究.上海公路.2001，(B12).-2-65、何旭燕.刘志鸿.沥青路面防渗剂应用研究. 华东公路.2001，(6).-56-576、杨惠德.刘厚平.沥青路面初期损坏原因分析及对策.浙江交通科技.2001，(3).-6-97、王端宜.邹桂莲.对沥青路面水损害早期破坏的认识.华东公路.2001，24(1).-23-258、沈微.浅谈沥青