（交通运输工程专业论文）沥青混凝土路面早期病害分析及防治措施研究.pdf

摘要 沥青混凝土路面早期病害分析及防治措施的研究 摘要 随着我国经济的快速增长，高等级公路得到了迅速的发展。沥青路面在道路建设 中被广泛应用，特别是半刚性基层沥青路面已成为我国高等级路面的典型路面结构形 式。现阶段，道路运输在国民经济中占有很大的比重，交通量及运输量越来越大，对 沥青路面的结构要求和施工质量水平提出了更高的要求。近年来，我国的沥青路面结 构设计和施工控制技术水平取得了长足的进步，但由于研究领域更多的局限于结构和 材料范畴，对施工工艺研究不够重视，许多方面仍停留于依靠经验的阶段，各地根据 多年来对施工过程和建成路段路况变化的观测，发现我国目前高等级沥青路面在使用 一定年限( 小于设计年限) 后普遍出现一些比较明显的问题。 作者根据多年来从事高等级公路沥青路面监理及施工中遇到的实际问题及经验， 通过比较高速公路的使用状况，详细分析了高等级公路沥青路面结构组成、使用状况、 早期病害及其原因等。参考有关文献资料并结合高速公路结构组成、交通量大小及组 成、气象和自然环境、路基状况、施工及维修养护能力，环境保护等因素，提出高等 级路面早期病害的防治措施，旨在加强沥青路面早期病害防治措施的适用性和可操作 性，最大限度地减少质量控制中可能存在的随意性和人为倾向性，减少路面的早期破 坏，避免不必要的经济损失，延长路面的使用年限。 关键词：沥青路面早期破坏原因防治措施研究 a b s t r a c t a b s t r a c t a s p h a l tp a v e m e n te a r l yd a m a g ec a u s ep r e v e n t i o na n dc u r em e a s u r er e s e a r c h h i g h - t y p eh i g h w a y sh a v eb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yw i 廿lt h eq u i c ki n c r e a s i n go fc h i n e s ee c o n o m y a s p h a l tp a v e m e n t sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nh i g h w a yc o n s t r u c t i o ne s p e c i a l l yf o rw h o s eb a s ec o u r s ei s s e m i - r i g i dt y p et h a th a v eb e c o m et y p i c a lp a v e m e n ts t r u c t u r eo fc h i n e s eh i g h t y p eh i g h w a y i np r e s e n t , h i g h w a yt r a n s p o r t a t i o ns h a r eab i gp r o p o r t i o ni nn a t i o n a le c o n o m yd e v e l o p m e n t , a n dt r a f f i ca n da x l e w e i g h ta r el a r g e ra n dl a r g e rw h i c hp u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n tt ot h es t r u c t u r a lr e q u i r e m e n to fa s p h a l t p a v e m e n ta n dc o n s t r u c t i o nq u a l i t yl e v e l a l t h o u g ht h ea s p h a l tp a v e m e n ts t r u c t u r ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n c o n t r o l l i n gt e c h n i q u eh a v em a d eb i gp r o g r e s si nc h i n af o rm a n yy e a r s ，s e v e r a la s p e c t ss t i l lr e t a i ni n p e r i o dd e p e n d i n go ne x p e r i e n c ea n di n t r o d u c i n ge q u i p m e n tb e c a u s er e s e a r c ha r e ai sm o r el i m i t e di n s t r u c t u r ea n dm a t e r i a la n dt h er e s e a r c ho fc o n s t r u c t i o np r o c e s sa n dt h er o a dc o n d i t i o nc h a n g i n go fb u i l t h i g h w a ys e c t i o n ，s o m eo b v i o u sq u e s t i o n sh a v eb e e nd i s c o v e r e dc o m m o n l yi na s p h a l tp a v e m e n ti nh i g h g r a d eh i g h w a ya f t e ru s e df o rc e r t a i ny e a r s ( s h o r t e rt h a nd e s i g nl i f e ) t h r o u g hc o m p a r i n gw i t ht h eu s a g ec o n d i t i o no fr u nh i g h - t y p eh i g h w a y ，a u t h o ra n a l y z e st h e p a v e m e n ts t r u c t u r ec o m p o s i n g ，u s i n gc o n d i t i o n ，e a r l yd a m a g ea n di t sr e a s o n si nd e t a i lo nt h eb a s i so f h e r e x p e r i e n c ea n dp r o b l e m st r e a t e dd u r i n ge n g a g i n gi nt h ec o n s t r u c t i o na n dm a n a g e m e n to fa s p h a l t p a v e m e n tf o rm a n yy e a r s c o n s u l t i n gr e l a t e dl i t e r a t u r ea n dc o m b i n i n g 诵lt h eu s a g er e q u i r e m e n t ，t r a f f i c m a g n i t u d ea n dc o m p o s i n gf o rh i g h - t y p eh i g h w a ya sw e l la sw e a t h e r ，n a t u r a le n v i r o n m e n t ，s u p p o r t i n g c o n d i t i o nf o rs u bg r a d e ，m a t e r i a ls u p p l e m e n t ，c o n s t m c f i o na n dm a i n t e n a n c ec a p a b i l i t y ，f i n a n c i n g ， e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n ds oo n , t h ea u t h o rp r e v e n t ss o m em e a s u r ea n dp o i n t sf o ra t t e n t i o nt o r a t i o n a l l yp r e v e n ta n dc u 托e a r l yd a m a g eo na s p h a l tp a v e m e n ta n de n h a n c et h ea p p l i c a b i l i t ya n d m a n e u v e r a b i l i t yo fp r e v e n t i o na n dc u r em e a s u r e so nh i g h - t y p eh i g h w a y t h u sp o s s i b l er a n d o ma n d f a c t i t i o u so r i e n t a t i o nc a nb ef u r t h e s td e c r e a s e ds oa st or e d u c et h ee a r l yd a m a g eo fp a v e m e n t , p r e v e n t u n n e c e s s a r ye c o n o m yl o s s e sa n de x t e n dt h eu s i n gl i f eo f p a v e m e n t k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t , e a r l yd a m a g e ，c a u s e ，p r e v e n t i o na n dc u r em e a s u r e ，r e s e a r c h 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：西生翊日期：童盟：z 三呈 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名：匀益通导师签名：姆期：弛驰7 第一章绪论 1 1 1 1 研究背景 第一章绪论 随着道路建设规模的不断扩大，路面研究越来越被重视。沥青路面又以其众所周 知的优异性能受到普遍青睐。它作为一种无接缝的连续式路面，以其良好的力学强度、 平整耐磨的表面、平稳舒适的行车性能、无扬尘、振动小、噪音低、施工工期短以及 养护维修方便等特点在高速公路中占很大比重。通过十几年的探索，沥青路面设计、 施工技术及管理水平有了很大的提高，并取得一系列富有成效的成果。但由于我国高 速公路的建设起步较晚，技术力量和储备较少，经济基础较为薄弱，加之长期的历史 原因和交通荷载条件恶劣，车辆超载严重，优质的道路石油沥青等原材料缺乏等诸多 因素，沥青路面使用的年限，远远达不到设计年限，普遍出现一些病害，大大降低了 路面的使用寿命，同时也带来巨大的经济损失。因此，开展高速公路早期破坏研究， 找到一系列防止和解决沥青路面早期病害的对策与技术措旌，对于加快我国经济发展 具有重大意义。 交通部公路科学研究所承担的交通部西部大开发研究项目“高速公路早期病害 预防措施的研究 课题对高速公路沥青路面的早期病害发生的原因、如何预防进行了 认真的研究。通过研究认为，高速公路沥青路面的早期损坏有两种不同的类型。 一种是在沥青路面建成不久，在当年或者2 - 3 年沥青路面就发生程度不同的车 辙、坑槽、网裂等损坏，许多属于水损害或伴随着疲劳产生的损坏。这些损坏最直接 的原因是施工质量不到位及离析造成。在重载交通的作用下，出现大的拉应变发生裂 缝，产生唧浆、坑槽，这些水损坏如果得不到有效的维修和控制，将很快发展成为大 面积的损坏；另外有些路段，尤其是大的上坡路段，在高温状态下，很低的劲度模量 不能抵抗重载交通很大的剪切变形而出现车辙。 另一种类型的早期损坏是指普遍达不到路面设计要求的设计年限( 大部分是 1 5 年，少数是2 0 年) ，更不能与国际上更长的设计年限2 0 年乃至3 0 - 4 0 年相比，充 其量7 - 8 年，或者1 0 年左右就必须进行大修。这种大修经常是“开膛破肚”式的， 不仅仅对沥青面层维修，还必须同时维修基层甚至底基层。这种大修不仅成本很高， 而且对工程所在地的社会影响很大。 总之，路面早期病害已成为沥青路面的主要危害之一，引起了各级公路管理部门 的高度重视，并根据其成因，从路面设计、原材料进场到具体施工，有针对性的采取 了一系列预防和改善措施。同时，建立健全质量保证体系，从管理部门、设计部门到 施工部门，层层重视、层层控制、层层落实，做到事前事中控制。只有这样，才能从 根本上减少沥青路面的早期病害现象的发生，减小经济损失。 1 2 国外沥青路面早期病害研究 随着道路建设规模的不断扩大，各国对路面早期破坏的问题越来越重视，从原因 到防治措施，专家们积极投入到该课题的研究中，为延长沥青路面的使用寿命和保证 沥青路面良好的路用性能提供有力的技术支持。 1 2 1 水稳性 早在2 0 世纪6 0 年代，国外发达国家就开始了对沥青路面早期病害的研究。从早 期病害的形成机理、影响因素，评价其损害的试验方法到控制、防治等各方面都进行 1 东南人学工程硕士学位论文 了研究，并取得了相应的成果。但由于沥青路面早期破坏所涉及的因素非常复杂，至 今许多问题都没有得到很好的解决，因此还在不断研究中。 在国外，评价沥青混凝土水稳定性或水敏感性的试验方法很多，一般可分为两大 类h 1 ：一类是以未经压实的松散沥青混合料为研究对象进行定性的试验；一类是以沥 青混合料试件或芯样为研究对象进行定量的试验。前者通过视觉观察或仪器检查来主 观评价裹覆在集料表面的沥青膜剥离程度，并据此作为判定沥青和集料粘附性及混合 料水稳定性的依据，这类方法常见的有水煮法、静态浸水法等。后者是通过测试试件 在浸水条件下的某些物理力学指标，如马歇尔稳定度、劈裂强度、径向回弹模量等的 衰变程度来表征沥青混合料的水稳定性，这类方法包括马歇尔试验、劈裂试验、浸水 抗压试验、德克萨斯承台冻融试验、洛特曼试验、改进的洛特曼试验、t u n ec l i f fa n d r o o t 试验、浸水车辙试验等。如s h r p 在水稳定应用性研究中提出了自己的四种预测 沥青粘结料水敏感性的试验方法： 1 ) n a t 法( n a ta d s o r p t i o nt e s t ) ； 2 ) f t i r 法( f o u r ie rt r a n s f o r mi n f r a r e dt e s t ) ； 3 ) s w k u n 车辙法： 4 ) o s u 车辙试验法。 随着各种评价沥青混合料水稳性试验方法的出现，关于他们的可靠性、可行性以 及评价等方面的研究也不断深入。但是由于试验室与现场有一定的区别，到目前为止 还没有一种试验方法可以得到广泛的认可。为此，美国s h r p 开发了 e c s ( e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o ns y s t e m ) ，其目的就在于更好地模拟工程现场，以缩 小试验室与现场之间的差距，从而能有效评价混合料水敏感性。但美国科罗卡多州运 输部在将其与两种常用方法，即改进的洛特曼试验方法和水煮法进行研究比较后指 出，e s c 的方法与试验过程在其作为常规试验推广之前都需要进一步改进暖1 。u t e p ( u n i v e r s i t yo ft e x a sa te 1p a s o ) 在研究中指出，e c s 应在以下两方面改进：1 ) e s c 回弹模量测定装置；2 ) 剥落百分率及空气、水的渗透系数的测量精度。 沥青混合料的离析和路面在局部压实的不均匀是造成路面局部病害的根源所在。 离析一般包括两种类型：集料( 级配) 离析和温度离析。1 9 9 6 年夏季美国s t e v er e a d 在研究华盛顿沥青路面的周期性离析问题的原因和可能地解决方案时，首先提出了温 差引起的破坏问题瞳1 。他指出，周期性离析问题与从沥青混凝土拌合厂将混合料运送 至铺筑现场的过程中混合料的温度差别有关。在铺筑之前，热拌沥青混合料的温度差 别导致了施工过程中铺筑层产生的潜在破坏。美国奥本大学的美国国家沥青技术中心 ( n c a t ) 开展了国家联合项目n c h r p9 - i1 “热拌沥青混合料的离析 的课题研究， 其研究内容包括离析的定义、测定离析的方法和步骤、离析对沥青混合料性质和路面 使用性能的影响和评价等。通过研究，n c a t 提出了两种可供研究混合料离析的方法： 1 ) 采用红外线温度探测器测定温度离析；2 ) 采用构造深度测定仪发现离析区域，确 定离析程度。 1 9 6 0 年德国首次采用了大孔隙排水型路面。1 9 7 4 年和1 9 7 6 年法国修建了多孔隙 贫混凝土路面试验路。1 9 7 9 年1 9 8 1 年在戴高乐机场水泥混凝土路面结构中将l o c m 厚的多孔隙贫混凝土层铺设于面板和水泥处治层之间，以增加基层的排水功能。贫混 凝土的多孔性是靠砂量达到的，一般为2 0 0 k g m 3 , - 一3 0 0 k g m 3 ，孔隙率可达1 0 2 8 。 这种多孔贫混凝土排水基层在欧洲的其他国家也广泛地适用于硬路肩下。长期观测表 明，未处治多孔隙材料基层，大大促进了路面结构内部渗入水的排出，减少了路面唧 浆、错台等损坏现象发生n 】。 2 第一苹绪论 对于其他西方国家及日本，则大多采用多孔沥青碎石作面层。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。美国早在2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代初通过调查和经验总结，就认识到了路面内部排水的重要性。1 9 7 3 年 联邦公路局制定了路面结构内部排水系统设计指南，以引导和推动公路部门采用路面 内部排水系统。到1 9 8 6 年，经过1 0 多年的使用经验与研究成果积累，美国又进一步 在路面结构设计方法中把路面结构的排水质量作为一项设计因素考虑入内口1 。 现在，路面结构内部排水系统在美国已成为一项常用的措施。1 9 8 9 年，h a g e nm g 等在美国明尼苏达州修建了设置四种路面排水设施共长1 8 2 4 m 的试验路段，并在1 9 9 0 年1 9 9 4 年期间进行了表面水的渗入及排放量检测试验。四段路面结构为：第一段 是透水基层；第二段是横向排水管：第三段仅有纵向边缘排水；第四段采用横向复合 土工排水带。试验结果表明，采用横向复合土工排水带的排水量最大，其次是沥青透 水基层，横向排水管的排水量最小。 此外，为了判别当时表面水是否通过水泥混凝土路面和沥青路面路肩问的纵向接 缝( 缝隙宽6 r a m ) 渗入路面结构，对接缝进行了填封处理，并在填封前后测量出水口 处的深入水排放量。测试结果表明，接缝填封仅能在短期内起到阻止表面水下渗的作 用。因此，设置路面排水系统是非常必要的，这可以使积滞在路面及结构内的水迅速 排除到路基和路面结构外，大大地提高路面的使用寿命。 对于抗剥落剂的应用，国外常用的抗剥落剂种类一般有3 种：1 ) 水泥；2 ) 液体 化学类；3 ) 化学石灰( 主要是熟石灰) 。液体化学类是通过降低沥青和集料界面的 表面张力来改善混合料水稳定性的，一般以毛一电位作为其预选标准。它可分为两类： 聚胺类化合物和酰胺脂类。前者主要用于新拌沥青混合料，后者主要用于稀释沥青粘 结料及沥青乳液。对这种抗剥落剂有两点应予以注意：1 ) 有些液体化学类抗剥落剂 的热稳定性差，在高温下易分解而不能发挥效用；2 ) 如果用量过多，反而会促使沥 青的剥落。对于抗剥落剂的剂量，认为存在一个最佳剂量，此时，抗剥落剂才能有效 地改善集料表面的物理化学性能及其与沥青的胶结性能。至于化学石灰类抗剥落剂， 大量研究表明，它能有效提高沥青混合料的抗剥落性能、水稳性及改善沥青的龄期老 化性能。再加上石灰价格较便宜，施工也简单，为此普遍推荐使用。 1 9 9 2 年美国国家沥青路面协会( n a p a ) 曾出版了一本关于沥青混合料水稳性 的专著，尽管n a p a 在对许多化学抗剥落剂进行评价之后明确指出许多抗剥落剂在 长期性能方面尚有疑问，但多方详细比较后仍认为效果最好、最稳定的还是掺加 石灰。用石灰处治集料的方法一般有以下几种：1 ) 用干的消石灰与干的集料掺和； 2 ) 用石灰浆或石灰水涂覆；3 ) 将干的消石灰与潮湿的集料拌合；4 ) 用热的生石 灰。另外，有两种比较有发展前景的副产品抗剥落剂水泥窑灰( c e m e n tk i i n d u s t ) 和妥尔油焦油沥青( t a l lo i lp i t c h ) 。有研究表明，高百分率的水泥窑 灰可以达到与消石灰同样的抗剥落效果。对于妥尔油焦油沥青，据英国哥伦比亚 交通运输部的研究，它能够成为液体抗剥落剂的一种替代品h 1 。 一般说来，常见的粘附理论有以下几种： 1 ) 力学理论( 或机械粘附理论) ，认为沥青与集料的粘附性主要来源于其间分 子力； 2 ) 化学反应理论，认为沥青与集料的粘附性主要是因为两者接触表面发生的化学 反应； 3 ) 表面能理论，其以经典的润湿理论为基础，认为沥青与集料的粘附性主要由表 面能决定； 3 东南大学工程硕士学位论文 4 ) 分子定向理论( 或极性理论) ，认为沥青与集料的粘附性是由沥青中表面活性 物质对集料表面的定向吸附形成的； 5 ) 表面构造理论，认为集料的表面构造是决定沥青与集料粘附性的主要因素。 这几种理论中，表面能理论方面的研究发展较快。美国德克萨斯a & m 大学 d r l y t t o n 等人的研究表明晦1 ，s f e ( s u r f a c ef r e ee n e r g y ) 能够较好地用来表征混 合料的粘附性能，根据它来预测沥青的剥落是可行的。自由表面能可以用u s d ( u n i v e r s a ls o r p t i o nd e v i c e ) 按t w p m 试验方法( t h ew i l h e l mp l a t em e t h o d ) 较 准确地测定，且基于表面能理论的水损害研究结果同力学试验结果体现了良好的一致 性。 1 2 2 裂缝 对于沥青砼裂缝的研究，第十八届世界道路会议上，认为沥青面层厚度取2 0 c m 或2 0 c m 以上，则可很少出现表面裂缝。壳牌沥青路面设计方法在概括各国的观点和 使用经验时指出，水泥底基层上沥青路面面层厚度取决于允许产生裂缝的程度，常变 化在1 5 c m - 2 5 c m 之间。在德、法、英、比利时、西班牙、奥地利等国家是采用典型 结构法，并通过适当增加面层的厚度等措施来减少反射裂缝圆。 1 2 3 高温稳定性 沥青混合料抵抗车辙能力是沥青混合料设计和质量控制过程中重要的性能。有多 种试验方法用于预测沥青路面出现车辙的可能，现有的试验方法中a p a 、t f f t d 以及 f r t 共3 种轮碾试验方法最有可能被广泛采用作为评价沥青混合料抗车辙性能的标准 试验方法。选择这3 种试验方法主要是基于以下几点考虑：设备的可操作性；试验成 本；试验周期；q c q a 标准的适用性：历史经验数据以及试验评价标准的可靠性等。 表1 - 1 列出了推荐的可以采用的试验方法，但是在使用这些试验方法之前还需要先确 定一些适合当地沥青路面材料特性的经验控制标准。 表1 - 1 沥青混合料永久变形推荐试验方法及标准 性能试验方法推荐的试验控制标准试验温度 撇 8 m m 8 0 0 0 次 沥青p g 分级对应的 ( 第一选择)轮轴循环加载高温温度 h w t d l o m m 2 0 0 0 0 次 5 0 ( 第二选择)轮轴循环加载 f r tlo m m 3 0 0 0 0 次 6 0 ( 第三选择)轮轴循环加载 表卜1 按照推荐试验方法的优劣顺序列出3 种试验方法。实际试验结果显示3 种试验方法都提供相似的试验结论，因此排列优劣顺序更多的是考虑试验设备的可利 用性。表1 - 1 所提供的试验标准都是基于有限的路面现场试验结果和一定的室内试验 操作方法给出的。如果试验条件发生变化则相应的试验控制标准也应该随之变化。表 1 - 1 所推荐的这些标准都是针对大交通量道路提出的，因此对于交通量较小的道路不 一定采用这些标准。 在采用表1 - 1 所列标准之前应该先用当地的沥青混合料进行试验以确定什么 样的数值是可以接受的。所采纳的合理试验标准应该基于当地的沥青混合料已有的相 4 第一章绪论 关试验结果。目前基于轮碾试验的车辙试验数据比其他任何类型的预测车辙性能试验 方法的试验数据都要多，因此虽然其他试验方法( 如沥青混合料蠕变试验以及重复加 载试验等) 都有望用于评价沥青混合料的抗车辙能力，但在这些试验方法被广泛采用 之前还需做大量的工作。 1 3 我国沥青路面早期病害研究 相对而言，我国汽车工业起步较晚，轴载轻，高等级路面在改革开放以后才得到 广泛发展，在早期病害方面的认识相对滞后，理论研究起步较晚。无论是在对病害的 机理认识，还是在对防治沥青路面病害的应用性研究方面，其深度、广度都与国外有 相当大的差距。 1 3 1 水损害的研究 二十世纪八十年代，由于高等级公路建设刚起步，水损害问题并不突出，因此国 内对此还不是很重视，研究较少。“八五”期间我国对沥青混合料的水稳性进行了比 较系统的研究，目的是针对我国沥青路面的实际，通过大量实验并借鉴国外较为成熟 的试验方法及指标，提出适合国情的试验方法和指标。最后推荐用冻融劈裂强度比和 残留马歇尔稳定度来评价沥青混合料的抗水损害能力。对于沥青与集料粘附性能的研 究，国内多是从改善沥青在温度、老化方面的路用性能着手的，而在集料的性质对沥 青与集料之间粘结性能的影响方面研究较少。 九十年代，交通部重庆公路研究所的贾渝较为详细地介绍了美国常用的几种路面 混合料水损害试验方法，并分析了各自适用范围，优缺点与混合料的实际使用性能的 关联程度，经比较后认为a a s h t o t 一2 8 3 和a s t 旧4 8 6 7 与路面现场性能有较好的相关关 系。，值得借鉴。 沙庆林院士对半刚性基层沥青路面的早期水损害进行了较为系统的研究。在对我 国多条高速公路调查分析的基础上，归纳了水损害现象，并对半刚性路面产生水损害 的内因和外因进行了分析。最后从设计和施工的角度出发，提出了半刚性路面减少早 期破坏的主要措施：一是沥青面层的各层都用孔隙率不大于5 的密实沥青混凝土； 二是提高沥青与矿料的粘结力要求；三是提高压实标准；四是路面结构中设排水层或 防水层7 1 。 沈金安对解决高速公路早期水损害的技术途径进行了探讨，总结了高速公路沥青 路面水损害的特点，对破坏原因进行分析，提出了相应防治措施。认为造成沥青路面 水损害的原因非常复杂，主要有沥青混合料的孔隙率过大，路面渗水、排水设施不完 善、压实不足、沥青混合料抗水害性能不足及厚度偏薄等陋1 。 华南理工大学的王瑞宜等人对沥青路面水损害进行了机理分析并提出了相应的 防治措施。认为水分进入沥青路面结构层内削弱了沥青与石料之间的粘结力甚至使其 完全剥落，在汽车荷载作用下很快导致破坏。在分析了沥青混合料空隙率对水敏感性 的影响及空隙率和渗透之间的关系后，提出用吸水率指标来评价沥青混合料的设计空 隙率和水敏感性，并用数字图像技术加轮迹试验预测沥青路面的水损害及其程度阳1 。 在对沥青混合料的水稳定性评价指标与评定方法研究方面，国内结合“八五国 家科技攻关专题“道路沥青与沥青混合料的路用性能 做了不少工作。对于沥青与集 料粘附性的评价，专题建议以静态水浸法作为评定沥青与集料粘附性的标准方法，并 以剥落率为评定指标将沥青粘附性分为5 个等级。n 们对于沥青混合料的水稳定性评 价，则选取了浸水马歇尔试验以及双面击实5 0 次的冻融劈裂试验作为水稳定性的标 准试验方法，水稳定性指标定为马歇尔残留稳定度。随着研究的深入，国内开始关注 5 奎堕奎堂三壁堡兰兰篁丝奎 各种试验评定方法的合理性。 交通部在以多处路面内部排水系统试验路为依托的基础上，综合国外修建路面结 构排水设施的经验和研究成果，颁布了公路排水设计规范( j t j 0 1 8 - 9 8 ) 。随着 路面排水结构在国内道路工程中的推广应用，许多科研单位在结合具体实体工程的基 础上对路面排水进行了更迸一步的研究，一些高校在大量试验的基础上，通过对透水 材料的孔隙率与渗透系数、孔隙率与强度、结合料含量与渗透系数等诸多关系的试验 结果分析，提出了满足排水基层使用性能要求的多孔隙水泥碎石和多孔隙沥青碎石混 合料组成，并研制了两种测试多孔隙排水混合料渗透系数的渗透仪。在沥青路面的水 渗透性和排水基层的排水性能方面也做了大量试验，指出对于所含细料无塑性的处治 碎石，其渗透系数主要取决于粒径分配与空隙率，并对水泥碎石排水混合料的组成设 计方法进行了深入研究1 。 1 3 2 车辙研究 我围的车辙试验采用3 0 0 r e x3 0 0 m i n x5 0 m m 的车辙试模，按试验规程的标准方法 用轮碾机成型。使用直径2 0 0 r a m 、宽5 0 r i o n 的包橡胶实心轮胎，轮压0 7 m p a 试验温度 6 0 ，加载轮运行速度为4 2 次m i n 。车辙试验通常进行6 0 m i n 或最大变形到2 5 m m 为止，动稳定度d s ，( 次咖) 按式( 1 ) 计算： d ：( t 2 - t 1 ) x 4 2 1 畋一4 ( 1 ) 式中：d 。为荷载轮作用时间；t 。( 一般为4 5 m i n ) 时的永久变形，姗；d 2 为荷载 轮作用时间；t 2 ( 一般为6 0 r a i n ) 时的永久变形n 叭。 河北省交通厅公路管理局尚志远利用东南大学李一鸣教授推导出的车辙预估方 程，计算二级沥青混凝土公路典型路面结构的车辙量，得出的结论为：轴载1 2 0 k n 的超载车，路面在第三年末就已超过标准轴载在1 2 年末累计车辙量；若标准轴载中 含有3 0 轴载为1 8 0 k n 的超载车，则路面在第一年末产生的车辙就已超过使用标准h 羽。 可见超载车辆是产生车辙的一个重要原因。行车速度越低、荷载作用时间越长，相同 交通量所引起的路面变形越大。车辙调查数据也表明，在行车速度较慢的地方，如停 车场、车站、交叉路段、长大纵坡路段、收费站以及其他交通拥挤的地方，都具有较 大的车辙深度。 1 4 研究内容 ( 1 ) 总结部分已建高速公路路面病害的状况； ( 2 ) 分析产生路面早期病害的原因； ( 3 ) 从原因入手，对路面早期破坏的防治措施进行探讨； ( 4 ) 提出典型路段的防治案例，对s b s 改性沥青及s m a 路面在高速公路上的应 用进行阐述。 本文针对沥青混凝土路面施工和使用过程中遇到的实际问题及经验，并结合已运 行高速公路的使用状况，比较详细地分析了公路早期病害及其产生的原因等。通过综 合考虑高等级公路的使用要求、交通量大小及组成、地区的气候和自然环境、路基支 承条件、路面结构形式、材料供应、施工及维修养护能力等因素，提出合理的防治早 期病害的措施，旨在加强路面早期病害防治的适用性和可操作性，最大限度地减少施 工控制中可能存在的随意性与人为倾向性。 6 第一章绪论 1 5 研究目标 本文通过对沥青砼路面路用性能及运行状况的调查、对比，从设计、施工、监理 及通车后运营管理等环节分析现阶段公路建设存在的一些弊端，以提高公路建设人员 的警觉；再从原材料、混合料性质以及施工工艺、相关的排水设施、结构形式等客观 原因分析，结合已建公路项目，找出防治措施，为有效解决沥青路面早期病害提供一 定的技术支持，延长路面使用寿命，降低养护费用，以收到良好的社会效益和经济效 益。 1 6 技术线路 , i v、 我国高速公路 发展现状 lj i ，、 沥青混凝十路面 典型病害情况 l i i l_l ，、 钕性沥青及s 凇路蕊水损害 车辙其它病害 在防治路面病害中的 jlj l。 应用 胭 f ，原因1f 原因1f r 应用1 1jlj1j f ，措施、f 措施、r 措施、 f ，经济性、 一l u 1。 一比较 ljlj 7 东南犬学r 程聊i ：学位论文 第二章沥青混凝土路面早期病害状况 我凼白t 9 8 8 年实现岛速公路零突破以来，高等级公路建设速度交飞猛进。到2 0 0 5 年已经突破4 万公罩，l i 阿仍以每年4 0 0 0 5 0 0 0 公里的速度增蚝。我们川短短十几年 的时f i i j 走过r 发达崮家半个多世纪的发履历程，发展速度之快和建设规模之人，存 世界公路史上都是阿所未有的。在高速公路人幅度增长的同时，高速公路的建设质量 总体来说也向世界先进水平前进了一大步。托高速公路的建设中，我国的绝大部分高 速公路都采用沥青混凝_ 十路面。沥青混凝i ：i f j i 层且有良好的力学性能和较好的耐久性 以及行牛舒适性，适合于各种下辆的通行，并具有良好的力学强度、平整耐磨的表面， 平稳舒适的行车性能、无扬尘、振动小、噪音低，施t 工期短以及维修养护容易等优 点，在高速公路中占有很大的比重。但是随着交通量的迅速增长，车辆犬型化、超载 严重、行驶渠道化等，许多已经建成的沥青路面都受到严峻考验。很多高速公路沥青 路丽均呈现出一定的早期破坏，如开裂、泛油、水损害、车辙等现象，有的高速公路 甚至通车当年即发生了捕害，正常维修期大火提前，直接影响了车辆的运行，也增大 了养护管理资金的投入。些高速公路建成通乍后短的23 年、k 的56 年就不得 不进行人面秘维修，与设计年限有棚当大的距离。从许多= r = 程实例来看，同前沥青路 面早期损坏现蒙丰要有以f 儿种： 2 1 水损害破坏 在多阿地区的阿季或季节性冰冻地区的备融季节，路表面常常出现局部唧浆、松 散、脱粒最终导致出现大嘶积坑槽。这就是水破坏。若沥青面层混合料透承和蓄水， 这种病害就会普遍存在成为路面最严重的早期损坏形式。 幽2 一i 劬青路咖觫曲病害 第乖“青键凝1 路面早期蜗害状m 罔2 - 2 沥青路【i l 坑槽 图2 - 3 沥青路面松敞病害 表2 1j ! 面水损；k 病；# 调古表 踏段路嘶结构路而土要稿害现霉 6 e m j 擘a c 2 5 i i 型下面层 南京绕城高速6 c m 厚a c 2 5i 趔中面层坑柄、麻面 45 e mj r ，a c l 6 i i 上面层 4 c m 中牲止浙青魁凝十 ( a c l 6 i i ) + 5 c m 翱粒式沥青混 凝f ：( a c 3 0 ) + 6 c m 沥青碎4 1 + l e m 配合比控制不严格 排水不良 j 一连公路淮阴段 铷肯丧处封崖 + 2 0 e m 灰碎石上基层 + 2 8 c m l 2 灰底基层 明足龟裂 4 c m t j 粒式沥青混凝十( a c l 6 ) 多处路段沉陷 浙江0 3 省逆请暨段 + 5 e m 粗粒式测青混凝十 ( a c 2 5 1 ) 翻攘 东南大学l ：程瑚i 学位论文 3 0 c m t 压级配碎t i 垫层+ 2 0 c m 坑洞、麻由 m 台潞高速 碎t l ：面层巾粒式谢岢泄凝士 上而屡 5 c m 巾i = 4 _ 式铆青抛凝十而层 + 8 c m 铷青碎4 i 联结层+ 1 5 c m 康泥稳 松散、坑捐 r 九高速( 南吕至九汀) 定租粒料基层+ 基l s 层c m 水泥稳定细科 4 c m a c l 6 沥青泥凝十面层 + s c m a c 2 5 i 沥青挂凝十一”面层 深汕高速唧浆、觫面 + 6 c r e a m 3 0 浙青碎7 j + 1 5 c m _ 二灰稳定 碎4 i 蕈层+ 4 0 c r o c i 灰稳定1 + 垫层 4 c m a c l 6 1 沥青混凝i 湎层 + 5 c m a c 2 5 1 1 沥青掘凝土中面层 商j 高速+ 6 c r e a m 3 0 沥青碎“f 面层+ l5 c m 一坑捐，麻面 灰稳定碎石基层+ 4 0 c m “灰稳定= _ i = 垫层 2 2 高温车辙及变形 这种摘寄在高温地区、变通量大发超载、重载路段是最，重的沥青蹄而破坏形式 表2 - 2 路面车辙病害情况调查 路段 路【瓶结构路而土要捕害现象 6 c m 租粒式沥青抛凝土 f 面层( a c 2 5 1 1 ) 沪j 高述江苏段 + 6 c m 租粒式沥青挂箍土中面 1 ：辙 麒 c 2 5 1 ) 泛油 + 4 c m 柑粒式沥青泄凝土 上面层c a c l 6 i i ) 4 c m 中粒式沥肯混凝f ( a c l 6 i ) 午辙、拥包、 雨台温高述 + s c m 粗粒式沥青棍凝l ( a c 2 5 1 ) 第一章涮青挂稚f 路d n ”解“* 状m 3 0 c m 下j k 级配碎j i 垫层+ 2 0 c m 水泥粉煤灰稳定碎f l 基层+ 6 c m 浙青 浅度乍辙 凸九高速( 南吕至九n ：) 碎f if 面层+ 4 c m 巾粒式沥青混凝十 上面层 4 c m a c l 6 1 沥青挂凝 ：面层 + 5 c m a c 2 5 1 1 沥青混凝l 中砸层 乍辙 商洛高速恤m m 3 0 沥青碎t if 面层+ 1 5 e m 二 灰稳定碎打墓胫+ 4 0 c m 4 i 灰稳定士 垫层 4 c m a k l 6 1 l 沥青泥凝上面层 + s c m a c 2 0 1 沥肯抛凝t 巾面层 商开高速午辙 + 7 c m a c 2 5 1f 呵层+ 3 4 c m 水泥稳定 井 1 基层+ 3 4 c m ；f i 荻稳定十垫层 25 c m 表面处治+ 7 c m 沥青清油稳 定碎石+ 2 0 c m 石灰砂砾+ i s c m 石灰i ： ( 1 9 8 2 ) + 2 0 c m 一敷砂砾+ 5 c m 洳卉午辙严难 11 0 国道昌平至延扶段 砰打( 1 9 8 6 ) + s 1 0 c m 测肯碎4 i + 5 c m 柚粒 式沥青抛凝t ( 1 9 9 2 ) 2 3 裂缝 沥青路而的开裂普遍存在，这些开裂包括沥青路弧本身的温缔裂缝和由于半刚性 牡层歼裂引起的反射裂缝。在阿季及春融季节，大量的水从裂缝中渗入路面基层，使 路面的承载能力逐渐f 降，反过来又会造成蹄表面早期破坏。 蹦2 - 5 沥青路面横向裂缝 东南大学t 程确i - 学位论盅 罔2 - 6 沥青路面网裂 表2 - 3 路i 断裂缝病害情况调查 路段路面结构踏面士要病害现象 6 c m 租粒式谢青滟凝土 f 面层( a c z s h ) 4 6 c m 粗粒式沥青棍凝i ：中面 纵横裂缝 自”j 高速扎= 苏段 层f a c 2 5 1 ) + z l c , 1 3 1 粗粒式沥青混凝士 上面层( a c l 6 1 1 ) 4 c m 中粒式沥青棍凝土 ( a c l 6 1 d + s c m 租粒式沥青混 凝土( a c 3 0 1 ) 慨m 沥青碎石+ l c m + j 连公路淮阴段 沥青收灶封层 裂缝 + 2 0 c m 二敏碎石上基层 + 2 8 c m 二反底基层 4 c m 中粒式沥青混凝土( a c l 6 1 ) 龟裂、沉皓 m 台温高述 + 5 c m e 粒式沥肯抛凝土 软基路段不均匀沉 降 ( c 2 5 d 2 5 c m 石灰渣掺经配砂砾垫层 + 1 5 c m 水泥稳定级配碎石基层明显龟裂 + 6 c r e a m 2 5 沥青碎秆 浙江0 3 省道请营段多处路段沉陷 + 4 c m a c l 61 i 沥青澍凝土面层 以全k 9 7 k i n 路段 第一二章沥青混凝土路面早期病害状况 4 c m 中粒式沥青混凝土+ s c m 粗 粒式沥青混凝土+ 6 c m 沥青碎石 一龟裂，沉陷等 广佛高速+ 2 5 c m 水泥稳定石屑+ 2 8 c m 水泥稳 定土( 1 9 8 9 ) + 4 c m 改性沥青罩面层 ( 1 9 9 3 ) 3 0 c m 干压级配碎石垫层+ 2 0 c m 水泥粉煤灰稳定碎石基层+ 6 c m 沥青 裂缝、 昌九高速( 南昌至九江) 碎石下面层+ 4 c m 中粒式沥青混凝土 上面层 5 c m 中粒式沥青混凝土面层 + 8 c m 沥青碎石联结层+ 1 5 c m 水泥稳 裂缝 深汕高速 定粗粒料基层+ 1 5 c m 水泥稳定细料 基层 2 5 c m 表面处治+ t c m 沥青渣油稳 定碎石+ 2 0 c m 石灰砂砾+ 15 c m 石灰土 ( 19 8 2 ) + 2 0 c m 二灰砂砾+ 5 c m 沥青 裂缝普遍 i1 0 国道昌平至延庆段 碎石( 1 9 8 6 ) + 5 io c m 沥青碎石+ 5 c m 粗粒 式沥青混凝土( 1 9 9 2 ) 2 4 路表面服务功能降低 目前，驾乘人员对道路交通安全和舒适性的期望越来越高。表面服务功能良好的 路面必须要有很好的抗滑性能，在潮湿状态下行车没有水雾，没有眩光，噪音要小。 许多沥青路面由于泛油、石料磨光等，会引起表面服务功能降低，尤其是抗滑性不足， 导致恶性交通事故的发生。 以上调查资料表明，沥青路面早期破坏已成为各条高速公路的通病，在公路建设 蓬勃发展的今天，总结以往公路设计及施工建设的经验，汲取破坏路段原因的教训， 研究沥青路面早期破坏并对病害进行防治成为当前道路研究的重中之重。 以下就通过国内部分高速公路的路面状况调查，对沥青混凝土路面的早期病害情 况进行统计分析，重点对沥青路面病害极为普遍的水损害及车辙进行分析研究。 1 3 东南