（道路与铁道工程专业论文）山东省沥青路面初期水损坏现象及防治措施研究.pdf

长安人学硕士学位论文 摘要 山东省已建成通车的高等级公路路面结构形式大多为半刚性基层沥青路面。近年 来，随着交通量的不断增长及轴载的加大，部分沥青路面在通车两年甚至半年就出现出 了如裂缝、变形、表面损坏及水损坏等初期破坏，其中水损坏是最为普遍的损坏形式， 其严重影响了路面的使用品质，因此对沥青路面的初期水损坏产生的原因及防治问题进 行研究，意义重大。本文在对山东省九条沥青路面调查的基础上，从材料、路面结构及 施工工艺等方面分析了初期水损坏产生的原因及发展机理，提出了预防沥青路面初期水 损坏的措施。研究结果表明通过掺加抗剥落剂、优化级配和路面结构组合设计、严格控 制空隙率和施工质量等手段能显著提高沥青路面的抗水害能力，延长沥青路面使用寿 命。 关键词：沥青路面路况调查初期水损坏防治措施 a b s t r a c t a b s t r a c t s e m i r i g i db a s ea s p h a l tp a v e m e n ti su s e dw i d e l yi nh i g h g r a d eh i g h w a yw h i c h h a v eb e e n b u i l tc o m p l e t e l ya n do p e n e dt ot r a f f i ci ns h a n d o n gp r o v i n c ea tp r e s e n t i nr e c e n ty e a r s ， a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n go ft r a f f i cv o l u m ea n da x i a ll o a d s ，s o m ee a r l yd a m a g es u c ha sc r a c k ， d e f o r m a t i o n ，s u r f a c ed a m a g ea n dw a t e rd a m a g ee t c o c c u r r e do nt h ea s p h a l tp a v e m e n t si nt w o y e a r s o p e r a t i o np e r i o d a sac o m m o nd a m a g es t y l e ，w a t e rd a m a g es e r i o u s l yi n f l u e n c e so n p a v e m e n tq u a l i t y s o ，i ti s o fi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et os t u d yt h ec a u s e sa n dp r e v e n t i v e c o u n t e r m e a s u r e so fe a r l yw a t e rd a m a g eo fa s p h a l tp a v e m e n t o nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i n gi n a na l l r o u n dw a ya n da n a l y z i n gs y n t h e t i c a l l yt os h a n d o n ga s p h a l tp a v e m e n t ，t h i sp a p e r a n a l y z e so nt h ec a u s e sa n dd e v e l o p m e n tm e c h a n i s mo ft h ee a r l yw a t e rd a m a g ef r o mm a t e r i a l ， p a v e m e n ts t r u c t u r ea n dc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ye t c t h em e a s u r e st op r e v e n te a r l yw a t e r d a m a g eo fa s p h a l tp a v e m e n th a v eb e e np u tf o r w o r di nt h i sp a p e r t h er e s u l t si m p l i e dt h a tt h e m o i s t u r er e s i s t a n c ec a nb ei m p r o v e dm a r k e d l yt ol e n g t h e nl i f eb ya d d i n ga n t i s t r i p p i n ga g e n t ， o p t i m i z i n gg r a d i n ga n ds t r u c t u r a lc o m p o s i t i o nd e s i g n ，c o n t r o l l i n ga i rv o i da n dc o n s t r u c t i o n q u a l i t y k e yw o r d s ：a s p h a l tp a v e m e n t ；p a v e m e n tb e h a v i o ri n v e s t i g a t i o n ；e a r l yw a t e rd a m a g e ； p r e v e n t i v ec o u n t e r m e a s u r e i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： d 7 年乡月7 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：狄茜诞肆口7 年f 月尹日 铷一彳办社阳夕日 长安大学硕士学位论文 1 1 研究的必要性和意义 第一章绪论 随着交通事业的蓬勃发展，沥青路面作为高级路面的主要形式之一，由于其良好的 力学强度和耐久性、养护费用低等优点，沥青路面越来越受到重视和广泛应用。但近年 来因为交通量大幅度增加和汽车载重量的急剧增长，许多早期、甚至是近期修建的沥青 路面结构破坏较为严重，国内外研究均发现并列举了路面的多种损坏现象【l 1 3 】，比如松 散、坑槽、车辙等，这些损坏现象中有的单独出现，有的与其它损坏相互交织、同时出 现，因而对损坏现象的分类也是多种多样，至今仍然没有系统、权威的分类和统计方法。 山东省是国内公路发展比较发达的省份，在省内高速公路建设中，绝大部分高速公 路都采用沥青混凝土路面。自1 9 9 2 年l o 月山东省第一条高速公路济青高速公路建 成通车以来，山东省的高等级公路建设得到了迅速的发展。迄今为止，全省建成通车的 高速公路里程已超过了3 6 0 0 k m ，其中大部分为沥青混凝土路面。随着高速公路建设里 程的增加，所暴露出的技术问题也较为严重，引起了广泛关注，然而，由于起步晚、研 究基础薄弱等原因，关于沥青路面非正常损坏方面的研究至今仍未形成框架性研究思 路，所开展的研究较为零散，而且都是借鉴国外早期损坏的研究成果提出一些看法和建 议，缺乏基础性研究的支持。 水损坏现象在我国高速公路上时有发生，只是轻重程度和破坏程度不同而己。水损 坏的频繁发生引起了我国道路部门的普遍重视，许多研究人员对沥青路面的损坏状况进 行了一些调型1 5 1 。通车仅2 3 年的高速公路沥青路面都已经大面积破坏，有些高速公 路通车仅9 个月就开始出现破坏迹象，不到一年就由于大面积破坏严重而不得不将原沥 青面层铣刨后重新铺筑。由于我国大部分高速公路都是新建沥青路面，这就使逾万公里 的新建高速公路面临着水损坏的威胁，现行的路面技术也同样遇到了强有力的挑战。为 了提高沥青路面的质量，在我国的路面工程中采用了许多新技术，如采用s h r p 评价沥 青技术 6 1 、s u p e r p a v e 的混合料设计技术【7 】、s m a 路面【8 】、聚合物改性沥割9 】和纤维改 性沥青【lo 】等。这些技术的应用虽然在一定程度上改善了路面质量，但是路面水损坏依然 存在。 鉴于沥青路面水损坏形势严峻而又未能被很好解决的现状，有必要首先从路面调查 着手对水损坏现象进行系统的调查，并通过试验和力学分析方法进一步分析水损坏的产 第一章绪论 生机理和发展规律，在此基础上有针对性的提出一套综合考虑路面结构和材料设计以及 施工技术的系统的防治措施。由此看来，水损坏的研究不仅具有非常重要的理论价值， 而且更具现实意义。 1 2 国内外研究现状 沥青路面的水损坏是指沥青路面建成通车后由于水的作用而产生的大面积破坏现 象，它是随着近年来交通量和车辆荷载的激增以及行车速度的提高而出现的一类新型的 非正常损坏。 任何事物都是个性与共性，也就是特殊性和一般性的统一，沥青路面的水损坏也不 例外。虽然水损坏在损坏期和损坏现象等方面明显不同于其它损坏模式，但是其非正常 损坏的属性是它与其他损坏的共同之处。 国外的道路工作者习惯上将未达到设计使用寿命前出现的各种非正常损坏统称为损 坏n 1 。在上世纪七十年代对损坏进行研究之初时，路面发生损坏的时间一般为路面建成 通车后的5 1 0 年，也就是整个路面寿命周期的一半左右。时过境迁，在近年来日益繁 重的交通环境下出现的损坏来得更早，有些路面刚刚建成就发生严重的大面积损坏。由 此看来，与损坏相关文献的整理对于把握沥青路面非正常损坏的发展规律和趋势，进而 开展水损坏的研究大有裨益。 相对而言，国内在水损坏方面的研究起步较晚。无论是在对水损坏的机理认识，还是在 对防治沥青路面水损坏的应用性研究方面，其深度、广度都与国外有相当大的距离。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。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，国内做了不少工作。对于沥青与集料粘附性的评价 方面，国内也作出了很大成果。 多年来，国内外的道路工作者从不同的方面以不同的方式对沥青路面水损坏进行了 大量的研究工作。可以将这些研究工作概括为以下几方面： ( 1 )水损坏现象及成因； ( 2 )水损坏的评价方法及评价指标； ( 3 )水损坏的主要影响因素及防治措施。 这些研究工作经历了一个逐渐积累和深化的过程。在起始阶段，研究专注于路面的 各种非正常损坏的调查和分析。随着研究的深入，更多的研究逐渐集中于损坏的主要类 2 k 安大学颈i 学论i 型水损坏，并围绕水损坏进行了损坏机理、试验评价方法、防治措施等一系列的研 究。以下的主要研究结论将有助于了解水损坏的研究现状。 ( 1 ) 沥青路面非正常损坏具有普遍性和严重性； ( 2 ) 非正常损坏的类型多种多样，水损坏是最主要的损坏类型； ( 3 ) 路面结构和材料设计不当、交通以及环境因素是非f 常损坏的主要肇因： ( 4 )沥青与集料的剥离是沥青面层水损坏的根本原因，但水损坏机理仍不明了： ( 5 )以l o r o m a n 试验为代表的沥青混合料水稳定性评价方法，可用来评价混合 料水稳定性和预测水损坏的发生，但试验结果的相关性和再现性欠佳； ( 6 ) 确定了水损坏的一些主要影响园素，井据以提出了一些防治措施。但是这些 措施的防治效果不一。 l2 l 水损坏现象 在早期损坏的各种现象中，水损坏是最主要也是 危害最大的一类，很多现场调查研究都证实了这一点 1 1 4 - e 8 。在最近十几年内，国内外都将沥青混凝土路 面水损坏的研究与防治作为研究的重点。通过调查。 目前认定了三种较为普遍的水损坏现象，即松散、坑 洞和唧浆。 松散是指沥青面层混合料中的集料由于谴失 相互间的粘结而逐渐酥软直至松垮的现象，如图1 1 所示。整条道路出现松散病害的沥青面层支离破碎， 犹如碎砾石铺筑的低等级道路，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流失而形 成大小不一的坑洞，如图l2 所示。松散和坑洞的成 因是沥青i 集料粘附性差导致的混合料承稳定性不足 。 在路面裂缝处，外界水可以不断的渗入并积存于 基层顶面，此处的基层结合料与侵入的水融合成灰 蹦13 删浆 浆，在行车荷载的反复挤压下，灰浆从裂缝中被挤雎而出，这种现象称为唧浆，如图l3 所示。随着基层结合料的逐渐流失，面层也将随着底部的脱空而最终塌陷形成沉陷。基 第一章绪论 层的不耐冲刷和路面裂缝是唧浆的根本原因所在。因此，只要提高基层的耐冲刷性，并 减少路面裂缝就可有效的加以防治。 1 2 1 1 水损坏危害的严重性 虽然松散、坑洞和唧浆都不同程度地降低了路面使用性能，然而水损坏的危害不仅 限于上述三种现象，更在于沥青混凝土结构的破坏。 沥青混凝土依靠沥青将集料粘结在一起形成具有定强度的结构。根据 m o h r - c o n l u m b 强度理论，沥青混凝土的抗剪强度由两部分组成。其一是摩擦阻力部分， 主要来源于集料颗粒间的内摩阻力；另一是混凝土的粘结力部分，同法向应力无关，主 要来自于沥青自身及其与集料的粘附力，即： f = c + 仃留矽 ( 1 1 ) 式中：c 为沥青混凝土的粘结力； 9 为沥青混凝土内摩阻角。 沥青混合料受剪时，既存在集料间的相互错位摩阻力，又有集料颗粒间沥青膜的粘 滞阻力。所以，沥青混合料的抗剪强度不仅同集料的级配组成、形状和表面特性有关， 也同沥青的性质有关。大量的试验结果表明，沥青混合料的粘结力主要取决于沥青的粘 度、用量及其与集料的粘附力。 与抗剪强度不同，沥青混合料的抗拉强度基本上全部来源于沥青与集料的粘附力。 因此，沥青与集料间的粘附力一旦遭到彻底破坏，就意味着抗剪强度的大幅度降低和抗 拉强度的完全丧失，沥青结构层在外力的作用下产生破坏将在所难免。即便沥青集料间 粘附力遭到部分破坏，沥青混合料的抗剪和抗拉强度也会因此下降，沥青结构层的实际 有效厚度大为减薄，难以承受原来的设计荷载而诱发其它诸如裂缝之类的道路病害。水 损坏正是这样由于沥青与集料粘附力遭到破坏而产生的损坏，它不但可以迅速导致路面 整体性破坏，亦可降低路面耐久性而诱发其它病害，危害极大。 1 2 1 2 水损坏的必然性 水损坏的发生与水的作用密切相关。外界水穿透涂敷于集料表面的沥青膜，侵入沥 青集料界面后取而代之是水损坏最根本原因，而矿质集料天然的亲水性决定了水损坏的 多发性和必然性。 沥青集料的粘附和剥落是一个非常复杂的过程，至今尚未被完全了解和掌握，目前 4 长安大学硕士学位论文 只能用几种理论来分析和解释，如机械粘附理论、表面能理论、极性理论等。理论上， 集料、沥青和水之间的热力学计算粘附值2 0 1 为： 集料沥青间的机械粘附力约为5 k c a l m o l ：范德华力约为5 k c a l m o l ；集料水间的氢 键力约为l o k c a l m o l ；范德华力约为5 k c a l m o l 。 由热力学计算的粘附力不难看出，集料沥青的粘附热力值较小，极易被热力值较高 的集料水的粘附力所取代，水一旦侵入集料沥青界面，必将取代沥青而使其发生剥离。 从表面能理论来看，沥青作为一种复杂的高分子溶液具有表面能，当沥青与矿料相 互接触发生浸润时会发生图1 4 所示的三种情况： 兰二迸7 舅溶刀霎；篇 完全不浸润部分浸润完全浸润 图1 4 沥青在矿料表面的浸润情况 在这一浸润过程中，相接触的三相矿料、沥青和空气在一定的温度下会发生体 系的表面能降低现象，并且最终达到平衡状态，而粘附情况的优劣取决于沥青的表面张 力和浸润角0 的大小。在完全不浸润的条件下，0 为钝角，趋近于1 8 0 0 ；部分浸润时， 0 为锐角；而完全浸润时，0 趋近于0 0 。 图1 5 a 、1 5 b 分别为沥青集料空气和沥青集料水界面平衡图，由图可得平衡公式 ( 1 2 a ) 。 沥青 o ( b a ) 7 赫， o ( s b ) 0 ( s a ) 图1 5 这些力的平衡条件为： o ( b w ) 沥青一一一 7 蔫i o ( s b ) 0 ( s w ) 浸润时的张力平衡 1 7 ( ，一。) 一q ，6 ) 一q 6 一。) c o s 0 = 0 q ，。) 一q ，一。) 一巳6 一，) c o s 0 = 0 式中： a ) 为矿料一空气的表面张力； 6 ( 。- b ) 为矿料一沥青的表面张力； 5 ( 1 2 a ) ( 1 2 b ) 第一$ 镕* 6 ( b 。，为沥青一空气的表面张力； 吼训为沥青一水的表面张力： a t , “为矿料一水的表面张力。 公式( 12 a ) 中如果新形成的两个表面能量小于初始的固气界面能量，即 + o ( b - a ) 。( ；a ) ，则0 趋近于零，沥青将完全浸润固体表面。若。( ；b ) b ) - 则0 = 1 8 0 。，沥青 完全不浸润矿料。通常情况下，由于固，液界面e 来满足的结合键较少，固液表面能小 于相应的固，气或液，气表面能，即0 0 7 的沥青混合料被认为不会发生水损坏，而t s r 0 7 57 5 重 t u n n i c l i f f & r o o t 试验 t s r o 85 轻一中 m o d i f i e dl o t t o m a n 试验t s r o 8 7 5 中一重 浸水轮辙试验辙槽深度丰4 m m7 5重 e c s 模量比 术7 0 7 轻一重 1 2 3 水损坏的防治对策 1 、国外水损坏防治对策 1 3 第一章绪论 长期以来，国外采用了许多措施来防治沥青路面的早期损坏，但并未取得明显的效 果。这些措施可有三类，即改善沥青集料的粘附性、改进路面设计和严格施工。这些 措施从影响路面质量的内因和外因两方面出发，一方面提高沥青集料的粘附性，增强混 合料的抗水损坏能力，另一方面减少外界侵蚀的可能，从而达到防治早期损坏的目的。 ( 1 ) 改善沥青矿料的粘附性 目前，抗剥落剂是用来改善沥青集料的粘附性的一般做法。抗剥剂是一类表面活性 物质，由于它具有在沥青集料界面的定向排列、降低界面张力的特性，因此可增进沥青 与矿料的粘附。抗剥落剂的发展曾先后经历了无机( i n o r g a n i c ) 、金属皂( m e t a ls o a p ) 、 季胺盐( a m i d o a m i n e ) 、聚胺类( p o l y a m i n e s ) 四代产品，目前仍在使用的主要是无机 类消石灰和聚酰胺类液体抗剥落剂。 m a r ys t r o u p g a r d i n e r 和j o ne p p s l 4 0 _ 2 1 对消石灰的试验评价结果显示，无论干燥矿料 还是湿润矿料，以消石灰水处理后，沥青混凝土的水稳定性均能得到一定程度地提高， 而直接用干石灰粉处理集料反而容易引发路面水损坏。t h o m a sk e n n e d y 4 3 娟1 等人曾对多 种聚胺类液体抗剥剂进行过试验评价，结果显示了较好的初期效果，而有研究显示【4 7 j ， 由于这些液体抗剥落剂的化学性质活泼、耐老化性能较差，因而损害了沥青混合料的耐 久性能，所以当前大量使用的抗剥落剂并不安全可靠。 ( 2 ) 改进设计 在路面设计实践中，曾采取了一些加强排水和保护措施来防止水损坏的发生，但是 这些措施的可靠性一直没有得到有效的验证。 适度增大路拱横坡是加强路面排水的有效途径。随着横坡的增大，降水停留于路表 的时间随之减短，渗透量也相应减少，从而起到保护作用。 加罩3 5 c m 的密水封层能有效的减小路面的透水性，拒水于路面结构之外，减少降 水的下渗。然而，加罩封层减缓或者切断了路面结构内外水循环的通路，在减少降水直 接下渗的同时，路面内的水分也难以蒸发排除，造成结构内湿度过大。因此，在加罩封 层时，应同时考虑减少路肩渗透量并加强内部排水。 铺设排水面层或排水基层可以加强路面的内部排水。排水面层或排水基层内，水沿 不透水层项面的横坡汇入路缘集水管，这样不但可以及时排除内部积水，而且可以解决 雨天水雾，车辆漂滑等问题，但对该结构层本身水稳定性的要求较高。 ( 3 ) 施工控制 施工过程中可以控制的环节主要是材料的选择以及混合料的生产和摊铺压实。在材 1 4 长安人学硕士学位论文 料选择时，宣采用粘附性较好且比较坚硬的中性集料，集料表面纹理宜比较粗糙；沥青 应选用极性较强的，不宜长时间高温储存。在混合料拌和过程中，应严格控制集料的含 水、含尘量以确保与沥青的良好粘附；由于沥青涂敷于表面积极大的集料表面，与空气 的接触面也因此而大增，所以拌和时间和拌和温度也应当严格控制，防止沥青迅速老化。 在摊铺压实过程中，应防止混合料发生离析，保证正常混合料的摊铺温度和压实功，确 保达到足够的压实度。 2 、国内水损坏防治对策 国内也采用了许多措施来防治沥青路面的早期损坏，取得了一些效果。这些措施大 致有四类，即合理选择材料；合理选择级配类型；控制施工质量与注意路表排水与防水。 ( 1 ) 合理的选择材料。 优先选择孔隙率小于o 5 的，表面干净、粗糙的非亲水性碱性集料，且与沥青拌和时 应保证集料质地干燥。有些地区为了满足表面层的抗滑性能，不得不采用坚硬、耐磨的酸 性石料，此时必须对其进行抗剥落处理。对不同属性的集料，必须使用不同的液体抗剥落 剂。对表面带正电荷的石料，应使用阴离子型表面活性剂；对表面带负电荷的石料( 酸性) ， 应使用阳离子型表面活性剂。鉴于大部分胺类表面活性剂高温下易分解，在使用过程中长 期效果欠佳，所以选用高温时稳定、难分解，且具有阳离子、阴离子两种极性的表面活性剂 是最理想的。目前，国内外普遍推荐采用消石灰来改善沥青和石料的粘附性。掺加消石灰 还有利于提高沥青混合料的高温稳定性，对其低温性质也不会产生较大的不利影响【3 1 1 。 ( 2 ) 选择合理的沥青面层级配类型。 沥青面层级配最主要的指标是沥青混合料的设计空隙率和路面实际空隙率。按照美 国最近对s u p e r p a v e 和s m a 的综合研究，对高速公路所用沥青混合料要求目标空隙率控 制在4 左右。但一般认为，沥青混合料的设计空隙率控制在3 5 的范围内是适宜的， 这可以同时兼顾混合料的高温性能和水稳定性。 ( 3 ) 控制施工质量 提高路面施工工艺水平，控制好路面压实度。雨天或寒冷、潮湿的气候条件下施工， 对沥青混合料的水稳定性是不利的。碾压时不应过多地向碾轮洒水。一定要保证路面压 实度，不能因追求平整度而牺牲压实度，因为施工工艺对混合料的水稳定性影响就集中体 现在压实上。 ( 4 ) 除注意路表排水外，还应在路面结构中设置合理的排水层或防水层。 路面结构中的排水层一般设在基层( 即透水性排水基层) ，用来排除面层渗水。透水 1 5 第一章绪论 性材料可以采用经水泥或沥青处治( 或未经处治) 的开级配碎石，并要同时满足渗水和反 滤要求，以防止空隙被堵塞。在排水基层下须设不透水层或反滤层；防水层可设在基层顶 面或面层中。前者是为了防止水冲刷基层，后者则是为了防止水透入中下面层。但如果水 是来自面层下部，则防水层会阻止水分从沥青混凝土内部蒸发，反而会使剥落加重。 1 3 本文研究的内容与技术路线 1 3 1 主要研究内容 ( 1 )沥青路面初期水损坏的典型特征。 ( 2 )找出沥青路面初期水损坏的主要肇因，分析初期水损坏的产生和发展机理。 ( 3 )在路面调查和分析的基础上，提出防治沥青路面初期水损坏的原则性措施。 1 3 2 技术路线 ( 1 ) 对沥青路面初期水损坏进行系统而又全面的野外现场调查。调查的范围应着 重于初期水损坏较为严重的地区；调查对象主要是新建的城市快速路和高等级公路；调 查的内容包括各种初期水损坏现象、损坏的范围以及损坏程度。 ( 2 ) 在研究初期水损坏的主要影响因素时，有必要对损坏路面钻取芯样，并对其 进行试验分析。所依据的试验手段包括： a 对各结构层芯样进行厚度测量。 b 采用水中重法测量沥青混合料的相对密度，采用抽提试验检测芯样理论最大密度、 空隙率、级配以及沥青用量等； ( 3 ) 现在的高等级路面所承受的荷载越来越复杂，研究分析路面在不利受力状态 下如何加剧路面初期水损坏，这主要表现在： a 高速行车作用下动水压力十分可观； b 轮胎接地压力的非均布效应非常显著 c 普遍的超载现象愈加严重，超载增大了路面初期水损坏程度； ( 4 ) 根据路面初期损坏的调查结果，结合本文的分析和已有的实践经验，提出沥 青路面初期水损坏的原则性防治措施。 长安大学硕上学位论文 第二章沥青路面初期水损坏的现场调查 近年来，随着交通量的增加、车辆轴载的增大以及高等级公路上行车速度的提高， 按照传统方法修建的沥青路面出现了严重的水损坏，新建的高等级道路在建成后3 年内 就产生大面积的破坏，尤其是在潮湿多雨的地区，损坏程度更为严重，有些路面建成通 车后仅一年左右即发生一些新形式的损坏，如翻浆、油斑等等。通过细致观察可以发现， 这些新损坏的特征明显不同于以往的病害，因此把这种建成初期发生的水损坏定义为初 期水损坏。 在国外，沥青路面的初期损坏同样严重。人们曾经对沥青路面的损坏现象作过很多 各种各样的调查，l o t t o m a n 为了验证他所提出的水稳定性评价方法，于1 9 8 2 年对美国 8 个州的多条道路进行了损坏调查【3 7 】，p r i t h v i 也有类似研究3 8 1 ，九十年代的s h r p l t p p t 3 9 】 也曾制定了路面损坏类型手册，这些调查所确认的损坏现象曾长期被认为是路面损坏的 基本类型。然而，这些调查工作已经年代久远，所调查的道路也通车多年，所以他们所 提出的损坏现象与近年来出现的初期损坏完全不同，不能生搬硬套。 引发初期水损坏的原因是多方面，涉及道路建设和使用中的各个环节，包括路面设 计、路面材料、路面施工、车辆荷载以及水和高速行车的复合作用等等。初期水损坏研 究必须首先从路面调查着手，对其主要的损坏现象进行系统的调查和合理的归类，然后 逐一开展试验分析，这样才能使研究有的放矢，更具针对性和系统性。 本文对沥青路面初期水损坏的调查分为现场调查和室内试验两阶段。第一阶段现场 调查的目的是确定初期水损坏的主要损坏现象及其典型特征，为了实现这一目标，在现 场调查的过程中，应首先确定调查的范围和调查的对象，并对被调查道路进行初步踏勘， 记录发生损坏的位置、特征、损坏区域和严重程度。在路面损坏部位，钻取芯样来观察 路面各结构层的状况，记录取样位置、路面状况、编号并拍摄照片后存档。为了便于比 较分析，还应确定同一道路的非损坏部位作为对比路段，供第二阶段试验分析之用。在 条件允许的情况下，还应针对每种损坏现象进行了跟踪观测，并收集与之相关的各种路 面原始设计资料，包括路面的路龄、结构层次组合及厚度，沥青混合料的设计空隙率、 原材料特性、级配、用油量等等。 第二阶段室内试验的目的是分析水损坏现象的显著影响因素，除了现场获取的第一 手观察资料，对芯样的室内试验是分析初期水损坏主要影响因素及其作用机理的重要手 段。 1 7 第二章沥青路面初期水损坏的现场调查 2 1调查的基本情况 随着中国经济的迅速发展，高速公路的建设也得到了迅猛的发展。我国新建高速公 路和城市快速路也相对较多，加之潮湿多雨的气候和繁重的交通，使有些地区成为初期 水损坏的多发区域。本文在调查准备阶段，充分考虑了水损坏现象的程度以及相关资料 收集的难易，选取了山东省的9 条沥青路面，于2 0 0 4 年7 月- 2 0 0 5 年1 2 月间进行了长 达一年半的调查和跟踪观测。 被调查的9 条道路分别是全封闭或半封闭的国道、城市主干道或快速路，路幅都在 双向六车道以上，行车速度也较高，可达8 0 公里d , 时以上。 这些道路的通车时间为半年至三年不等，年平均日交通量( a a d t ) 都在1 0 ，0 0 0 辆 以上，属于重交通道路，部分道路上超载现象比较普遍。 它们所处的环境气候条件基本相仿，夏季多雨，年平均降水量都在1 0 0 0 毫米以上。 夏季的气温较高，极端最高温度可达4 0 c ，路表的温度最高能达到6 0 。c 以上；而冬季 的平均气温在2 左右。 所有9 条被调查路面的结构基本相同，都是4 0 , - 4 5 厘米厚半刚性基层加1 5 厘米厚 沥青面层；沥青面层又分为表( 4 厘米) 、中( 5 厘米) 、底( 6 厘米) 三层： 表面层( 或称表面磨耗层) 的混合料类型比较多，包括细粒式抗滑磨耗层，s m a l 6 ， s u p l 3 ( s u p e ) a v e ) ，中粒式普通沥青混凝土等； 中面层一般采用了中粒式沥青混凝土或粗粒式沥青混凝土； 底面层一般采用了粗粒式沥青混凝土或粗粒式沥青碎石。 之所以9 条道路的结构基本相同，原因在于我国路面的结构组合设计都是根据经验 进行的，至今没有十分明确的设计原则，更没有定量的结构组合设计方法。发达国家的 重交通道路上路面结构层次组合与我国的类似，但因其基层也采用热拌沥青混合料，所 以沥青层厚度达2 5 - - - 4 0 厘米，属于厚面层的沥青路面，甚至有的国家干脆采用全厚式沥 青路面结构。而我国，由于以前交通量很小、沥青价格相对昂贵，加之沥青中含蜡量高， 高温稳定性能和低温抗裂性能差，出于节省投资和避免车辙的考虑，一直采用“强基薄 面”的路面结构组合设计思想。 半刚性材料以其强度高、刚度大、易施工的特点，加上它能充分利用当地材料以及 工业废渣的经济特性，使其成为倍受青睐的基层材料，广泛应用于各个等级公路和城市 道路建设中，我国的高速公路和城市快速路的修建多采用半刚性基层。而随着公路等级 1 8 长安大学硕士学位论文 的提高和交通量的增加，人们在实践中逐渐认识到，太薄的路面面层容易损坏，因而在 实践中根据经验自发地增加了路面的厚度。目前，在高速公路和城市快速干道上使用的 面层厚度一般在1 5 1 6 厘米左右，与传统的薄面已不可同日而语。在目前的实践中，面 层厚度仍有逐渐加厚的趋势。 沥青面层所选用的集料主要有石灰岩集料和石英砂岩集料，一般认为石灰岩属碱 性，与沥青的粘附性较好，但硬度和耐磨性较差，所以只用于中面层和底面层；石英砂 岩属于酸性石料，坚硬耐磨，但与沥青的粘附性较差，因此在用于表面抗滑磨耗层时， 都适量的掺加了抗剥落剂。由于这些道路都是高等级公路或城市快速主干路，所以沥青 的质量都使用了进口优质沥青，如s h e l l 7 0 # 和e s s 0 6 0 7 0 等。 在调查时，首先对被调查道路进行了初步踏勘，确定了每条路的损坏路段和路况较 好的对比路段，再分头进行调查和取样。在损坏路段调查中，对每一种异常的路面损坏 进行细致的勘查，对损坏的位置、特征以及损坏面积和严重程度作详细记录，并拍摄了 大量的照片作跟踪比较之用。 在有些路面损坏部位，钻取了直径为1 0 0 毫米的芯样以备试验分析之用，并通过样 洞来观察路面各结构层的状况；而在另一些损坏位置上，为了避免钻孔冷却水破坏损坏 的原始形态，因此使用了风镐将路面大面积挖开，并取得了非常好的效果。 2 1 1 芯样的测试与试验 将现场取芯试样在室内进行体积密度试验，测定各试样的空隙率；然后通过抽提试 验对试样沥青含量的测定。通过对比设计值，分析道路使用l 2 年后各种初期损害与沥 青混合料指标之间的关系。经调查和试验，各条路的基本路况和试验数据如下； 路段a ： 本路段通车仅一年，出现了新型泛油现象和内部松散现象，这些损害多发生在外侧 车道的轮迹带上。对泛油处我们进行了取样，发现大部分试样中下面层都发生了松散。 具体形式如图2 1 和图2 2 将采得的试样进行室内密度和抽提试验，所的结果如表2 1 ： 表2 1 道路a 的试验数据 上面层( 4 c m )中面层( 5 c m )下面层( 6 c m ) 路龄( 1 年) 级配空隙率用油量级配空隙率用油量级配空隙率用油量 设计值( ) 4 3 05 7 04 9 04 1 05 2 04 o o s 执1 6a c 2 5a c 3 5 检测值( ) 8 5 07 1 08 2 03 0 01 2 9 03 8 0 1 9 第：审青呵柳期 m g 垭场 一。掣_ 霸，_ k 删静曝 融 图2 1 泛油处出现的松散图z 2 泛油处出现的松散 由表中可以看出，沥青各面层的空隙率都远远大于设计值，虽然说表面层是普通的 抗滑磨耗层，空隙率可以接受但对于s m a 来说，空隙率还是明显偏大，且其他各层 现场实际的空隙率也部达到设计值的两倍多。空隙率有这么大的差异是不正常的，究其 原因欠压实和级配变异是罪魁祸首，这也反映了我国道路设计和施工水平有待于进一步 提高。另外，各结构层的厚度不一变化范围较大。造成这一现象的原因是施工过程控 制不严，基层项面的标高控制不准，然后通过沥青面层来调节，就造成了厚度变异性大。 从用油量来看，一年后面层的油量大于设计值，接近1 5 倍；而中下面层油量则明显的 减少，尤其中面层。说明通车后，中下面层的沥青发生迁移，集中到了上面层，这也是 泛油现象发生的原因。沥青含量的变化肯定与路面初期水损害有着必然的联系。 路段b 本路段为一半封闭的城市快速路，通车两年半左右，面层中还掺加了04 的抗剥 落剂。在调查过程中发现，有少量的贯穿整条道路的裂缝，外侧车道轮迹带上还有油斑， 如图23 、2 4 所示。 1 图2 3 道路外侧年道轮迹带上的油斑 取芯后芯样中下面层也多发生了松散现象 二f _ 。 一 图2 4 贯穿整条道路的裂缝 如图25 、图26 所示。所表现出的损害 ，l十i“f口l，kbpr*