（道路与铁道工程专业论文）沥青路面初期损坏机理分析与对策研究.pdf

摘要 近年来 随着交通量的急剧增长 车辆轴载的增大以及高等级道路上行车速度的提高 许多沥青路面在通车仅1 2 年内就出现了严重的损坏现象 相关部门虽采取了多种措施加 以防治却收效甚微 我国现行的路面技术遇到了强有力的挑战 本文为此进行了系统的调 查研究 通过野外调查和试验分析 本文提出了5 种新的损坏现象 即新泛油 内部松散 泛 浆 沉陷和剥落现象 由于这些新损坏现象的出现的时间早 产生和发展机理也不同于以 往的道路病害 因此本文将它们定义为沥青路面的初期损坏 对路面芯样的试验分析确定了一些与初期损坏密切相关的内在因素 其中 沥青面层 的空隙率对初期损坏的影响最为显著 沥青面层的耐久性 强度 水稳定性都随着空隙率 的增大而下降 7 8 可能是初期损坏的临界空隙率范围 当面层空隙率大于8 时 路面 易发生初期损坏 而小于7 时的路面不易损坏 研究表明 面层级配并不是影响路面初 期损坏的主要原因 粒径大的混合料容易离析 较小粒径的混合料表现了更为均匀的施工 性能 进一步研究表明 高速行车引起的动水压力 轮胎与路面接触压力的非均布效应以及 车辆超载已成为初期损坏重要肇因 作用于路面上的动水压力是十分可观的 它随着车速 的增加呈几何级数增长 轮胎与路面实际荷载的非均匀分布效应非常显著 非均布荷载在 面层内引起的最大剪应力比均布荷载时增加2 4 当然 超载的影响也是十分严重的 它 不但大大降低了路面的疲劳寿命 甚至交疲劳损坏为一次性破坏 而且使轮胎与路面的接 触压强大大增加 引起面层内的剪应力增大 造成面层的剪切破坏 这三方面的综合作用 是造成路面初期损坏乃至早期损坏的主要原因 大空隙率 动水压力 荷载的非均布 超载以及气候条件与路面材料的相互作用造成 了沥青与集料粘附性的相对不足 面层内部沥青膜剥落后向上部迁移 这是新泛油 内部 松散的产生机理 更为严重的情况下 外界水直接贯穿沥青面层对基层顶面的冲刷将诱发 泛浆和沉陷 为了克服路面的初期损坏 在路面设计中对结构 材料 环境作为与交通同样的要素 进行一体化考虑是有益的 因此 本文对高等级沥青路面各结构层的功能提出了原则性要 求 即除通常所考虑的弯拉疲劳 车辙和低温开裂外 还应具有抗非均布接触压力引起的 剪切疲劳能力 面层顶部 以及抗动水损坏的能力 本文据此提出一些初期损坏的防治对 策 包括密级配抗滑表层以及提高沥青面层水稳定性的措施 工程试验中这些对策收到了 良好的效果 关键词 沥青路面 初期损坏 早期损坏 动水压力 非均布荷载 空隙率 沥青迁移 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n gt r a f f i cv o l u m e v e h i c l e st r a v e l l i n gs p e e da n da x l el o a di nr e c e n ty e a r s s e r i o u sd a m a g eo c c u r r e do nt h eh e a v y d u t ya s p h a l tp a v e m e n t sw i t h i n1 2y e a r sa f t e ro p e n i n gt o t h et r a f f i c m u c he f f o r t sh a db e e np u tt op r e v e n ti t so c c u r r i n g b u ti ts e e m sd o e sn o tw o r k t h e c u r r e n tp a v e m e n tt e c h n i q u ei sf a c i n gaf i e r c ec h a l l e n g e t h u sas y s t e m i cr e s e a r c ho nt h ep r o b l e m w a su n d e r t a k e ni nt h ea r t i c l e t h r o u g hi n v e s t i g a t i o na n da n a l y s i s 5n e wf a i l u r e sw e r ea d d r e s s e dh e r e i n n a m e l y n e wb l e e d i n g i n s i d er e v a l i n g p u m p i n g s e t t l e m e n t a n db o t t o ms t r i p p i n g b e c a u s eo ft h e i ru n i q u em a c h e s i a m t h e yw e r ed e f i n e da si n i t i a lf a i l u r e s t e s tr e s u l t so nt h ec o r e si n d i c a t et h a tt h ea i rv o i d so fa s p h a l tl a y e rs i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h ei n i t i a l f a i l u r e s t h ed u r a b i l i t y s t r e n g t h p e r m e a b i l i t y a n dw a t e rs t a b i l i t yo f t h ea s p h a l tl a y e rd e c l i n ea st h e a i rv o i di n c r e a s i n g 7 8 m a yb et h et h r e s h o l dv a l u eo ft h ei n i t i a lf a i l u r e s e x c e e d i n g8 m e a n s m o r ef e a t h e r b i l i t yo fd e t e r i o r a t i o n w h i l el e s st h a n7 o u to ft h eq u e s t i o n t h ea g g r e g a t e g r a d a t i o ni sn o tt h em a i nf a c t o ro f t h ei n i t i a lf a i l u r e sf a rb e y o n do u ru s u a lt h o u g h t a n dg r a d a t i o n w i t hl a r g e rt o ps i z ei si n c l i n e dt os e g r e g a t e f u r t h e rr e s e a r c hi m p l i e dt h a tt h ed y n a m i ch y d r a u l i cp r e s s u r ec a u s e db yt h em o v i n g v e h i c l e s t h e n o n u n i f o r m l yd i s t r i b u t e dl o a d a n dt h eo v e r l o a d a r em a i nf a c t o r so ft h ei n i t i a lf a i l u r e s t h e d y n a m i ch y d r a u l i cp r e s s u r ea p p l i e do nt h ep a v e m e n ti sac o n s i d e r a b l ef a c t o r i ti n c r e a s e si ng e o m s i r e sw i t ht h ev e h i c l e s t r a v e l l i n gs p e e d t h en o n u n i f o r m l yd i s t r i b u t e dl o a da r o u s eu n w a n t e d s h e a rs t r e s s2 4 m o r et h a nt h eu n i f o r m l yd i s t r i b u t e d1 0 a d t h eo v e r l o a di sa n o t h e ri m p o r t a n t f a c t o rw h i c hn o to n l yr e d u c et h el i f es p a no fp a v e m e n tb u ta l s oc a u s es h e a rf a t i g u e t h e i n t e g r a t i o no ft h et h r e ef a c t o r sc a u s e dt h ei n i t i a lf a i l u r e st o g e t h e r t h ei n t e r a c t i o n sa m o n gl a r g ea i rv o i d s t h ed y n a m i ch y d r a u l i cp r e s s u r e t h en o n u n i f o r m l y d i s t r i b u t e dl o a d t h eo v e r l o a d t h ee n v i r o n m e n tc o n d i t i o na n dt h em a t e r i a ll e a dt 0t h ed e f i c i e n c yo f t h ea d h e s i o nb e t w e e na s p h a l ta n da g g r e g a t e t h ei m m i g r a t i o no ft h ea s p h a l tl e a d st ot h en e w b l e e d i n ga n di n s i d er a v e l i n g t h ep u m p i n ga n ds e t t l e m e n to c c u r r e do n c et h ew a t e rp e n e t r a t e st h e w h o l ea s p h a l tl a y e r i ti sm o r er e a s o n a b l et ot a k et h es t r u c t u r e m a t e r i a la n de n v i r o n m e n ti n t oa c c o u n tj u s tt h es a m ea s t r a f f i cp a r a m e t e r t h u s t h ep r i n c i p l er e q u i r e m e n t so ft h ef u n c t i o no f e a c hl a y e rw e r eg i v e ni nt h e a r t i c l e m o r ep r i o r i t yw e r eg i v e nt ot h er e s i s t a n c et os h e a rf a t i g u ea n dw a t e rd a m a g e s e v e r a l c o u n t e r m e a s u r e sw e r ep r o p o s e dt h e r e b y i n c l u d i n gd e n s eg r a d e df r a c t u r ec o u r s ea n da n t i s t r i p p i n g a g e n t s a n ds a t i s f i e dr e s u l t sw e r er e a c h e do nt h et e s tr o a d k e y w o r d s a s p h a l tp a v e m e n t i n i t i a lf a i l u r e s p r e m a t u r ef a i l u r e s t h ed y n a m i ch y d r a u l i cp r e s s u r e t h en o n u n i f o r m l yd i s t r i b u t e dl o a d a i rv o i d a s p h a l ti m m i g r a t i o n 第一章前言 1 研究的必要性和意义 第一章前言 沥青路面早期损坏 p r e m a t u r ef a i l u r e s 是一种在未达到设计使用寿命之前发生的非 正常损坏 虽然国内外曾就其开展了多方面的研究 但始终没有明确的定义 近年来 随 着交通量和车辆荷载的激增以及平均行车速度的提高 沥青路面的早期损坏又出现了一些 变化和新趋势 其突出特点是损坏期提前 往往在道路建成通车后1 2 年甚至更短的时间 内就产生大面积的破坏 本文把这类过早的损坏定义为初期损坏 i n i t i a lf a i l u r e s 较之早 期损坏 初期损坏的危害有过之而无不及 它的发生不仅降低了道路使用性能 而且增加 了路面寿命周期成本 给道路建设和养护造成了巨大的经济损失 初期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查f 调查表明 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 p 4 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已 1 p l 町 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初期损坏的威胁 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 在我国的路面实践中采用了许多新的技术 如采用s h r p 沥青评价技术1 6 1 s u p e r p a v e 的混合料设计技术 7 l s m a 路面嗍 聚合物改性沥青 9 l 和纤 维改性沥青 t 0 1 等 这些技术的应用虽然在一定程度上改善了路面质量 但是路面初期损坏 依然存在甚至更加严重 国外也同样存在严重的初期损坏 如美国维吉尼亚州和德克萨斯州的多条高速公路刚 建成后不久就大面积破坏i n 1 2 在其它州发生的初期损坏更是不胜枚举 国外的研究者笼 统地将未达到设计寿命前出现的非正常损坏都归为早期损坏 并未注意到初期损坏与早期 损坏的区别所在 因而在过去几十年的研究中始终未能找到有效的措施从根本上来防治初 期损坏 国外所称谓的早期损坏泛指非正常损坏 而初期损坏则是在当前日益苛刻的交通 环境下迅速发生的损坏 初期损坏有明确的时间界限和外部环境条件 国内外之所以至今 都未能充分认知的原因在于 1 缺乏系统的路面调查资料 导致了研究的无针对性 2 忽视初期损坏产生的外部环境条件一交通和气候条件 近年来车辆荷载和轮胎 内压的增大 交通量和行车速度的持续增长以及普遍的超载现象是初期损坏的外 部交通条件 初期损坏在潮湿多雨地区的多发显示了其与水损坏的相关性 3 由于上述原因 初期损坏的产生和发展机理无从着手分析 以至于无法提出有效 的防治措施并加以验证 鉴于沥青路面初期损坏形势严峻而又未能被正视的现状 为了有效的开展研究并加以 防治 有必要首先从路面调查着手对初期损坏现象进行系统的调查 并通过试验和力学分 析方法进一步分析初期损坏的产生机理和发展规律 在此基础上有针对性的提出一套综合 考虑了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 初期损坏的研究 不仅具有非常重要的理论价值 而且更具现实意义 同济大学博士学位论文 第一章前言 2 沥青路面初期损坏国内外研究现状 作为本文研究对象的初期损坏特指沥青路面建成通车后1 2 年内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平均行车速度的提高而出现的一类新型 的非正常损坏 实际上 在本文之前并没用明确的涉及此类损坏的研究 所以关于此类损 坏的文献资料均不能直接获得 任何事物都是个性与共性 也就是特殊性和一般性的统一 沥青路面的初期损坏也不 例外 虽然初期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 损坏的属性却是它与早期损坏的共同之处 因此 关于沥青路面早期损坏的各种研究文献 可为本文借鉴之用 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早期 损坏 在上世纪七十年代对早期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初期损坏来得更早 有些路面刚剐建成就发生严重的大面积损坏 由 此看来 早期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 开展初期损坏的研究大有裨益 自1 9 8 8 年1 0 月我国第一条高速公路一上海沪嘉高速公路建成通车以来 我国的高 等级道路建设得到了迅速的发展 迄今为止 全国建成通车的高速公路里程已超过了 1 9 0 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 术问题也十分严重 引起了广泛关注 国内关于高等级沥青路面的损坏研究也就此展开 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 故本节中将主要着重于国外关于早期损坏的 研究现状 多年来 国外的道路工作者从不同的方面以不同的方式对沥青路面早期损坏进行了大 量的研究工作 本文将这些研究工作概括为以下几方面 1 早期损坏的现象及成因 2 关于早期损坏的评价方法及评价指标 3 早期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早期损坏的主要类 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早期损坏的研究现状 1 沥青路面早期损坏具有普遍性和严重性 2 早期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早期损坏的主要肇因 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 t t 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因素 并据以提出了一些防治措施 但是这些措施 的防治效果不一而足 同济大学博士学位论文 第一章前言 2 1 早期损坏现象 国内外许多调查研究都曾发现并列举了多种早期损坏现象d 1 3 1 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 国外习惯上按照损坏现象将早期损坏分为裂缝 修补和坑洞 变形 表面损坏及其它 损坏 水损坏则作为早期损坏的主要现象单独讨论 国内的相关研究很少 仅有的几篇文 献按照损坏的成因把早期损坏分为十余种 即软土地基继续沉降产生的路面沉陷 路基压 实不够导致的损坏 基层质量不好造成的破坏 水损坏 车辙 泛油 松散 横向裂缝 反射裂缝 平整度迅速衰变等 国外的习惯分类虽然综合性较好 但是这种分类割裂了现 象与其成因的联系 而国内的分类过于散乱 有些损坏的成因在不能确定的情况下不足以 作为损坏现象分类的依据 综合归纳了这些早期现象及其成因后 本文将1 2 种基本的沥青路面早期损坏分为裂 缝 变形 表面损坏和水损坏四大类 并逐一分述 表1 1 列出了这些损坏现象及其度量 单位 表1 1 沥青路面早期损坏现象 损坏现象 度量单位 a 裂缝c r a c k i n g 1 纵向裂缝l o n g i t u d i n a lc r a c k i n g 米 2 横向裂缝t r a n s v e r s ec r a c k i n g条 米 3 反射裂缝r e f l e c t i n gc r a c k i n g 横向反射裂缝t r a n s v e r s er e f l e c t i n gc r a c k i n g 条 米 纵向反射裂缝l o n g i t u d i n a lr e f l e c t i n gc r a c k i n g 米 4 网裂a l l i g a t o rc r a c k i n g 平方米 b 变形d e f o r m a t i o n 1 沉陷s e t t l e m e n t 平方米 2 车辙r u t t i n g 毫米 3 推挤s h o v i n g 数量 平方米 c 表面损坏s u r f a c ed e f e c t 1 泛油b l e e d i n g 平方米 2 磨光p o l i s h e da g g r e g a t e平方米 d 水损坏m o i s t u r ed a m a g e 1 松散r a v e l i n g 平方米 2 坑洞p o t h o l e s个 平方米 3 唧浆w a t e rb l e e d i n g p u m p i n g个 平方米 同济大学博士学位论文 第一章前言 2 1 1 裂缝 裂缝是沥青路面早期损坏的一种常见病害 按照裂缝的方向和成因 可分为纵向 横 向 反射裂缝和网状裂缝 简称网裂 纵向裂缝方向基本上平行于道路中心线 一般发生在距路边缘3 5 m 的车道内 裂缝 形状有两种 一种是直线形 另一种是纵向弧形且两端向路堤边缘延伸 地基的不均匀沉 降是纵向裂缝的主要原因 横向裂缝是沥青路面最常见的一种裂缝 通常被看作是早期损坏的现象之一 横向裂 缝的方向垂直于道路中心线 裂缝间隔不等且数量逐年增加 横向裂缝的主要成因是温度 变化和地基的纵向不均匀沉降 半刚性基层沥青路面的横向裂缝绝大部分是温度裂缝 反射裂缝是指由于下卧层的不连续向上层传播 直至上层的沥青混凝土面层出现裂缝 反射裂缝一般发生在旧路面的沥青加铺层中 原道路面层加铺后成为下卧层 其上的各种 横向或纵向的裂缝向上传播 在沥青加铺层中形成与之对应的横向或纵向反射裂缝 网裂是在路面局部区域内 裂缝纵横交错形成网状裂缝 网裂常伴有沉陷和唧浆现象 网裂的主要原因在于局部的结构性损坏或是由于唧浆引起的局部沉陷 2 1 2 变形 沥青路面的变形也是一种主要的早期损坏现象 沉陷 车辙和推挤所导致的路面变形 极大地降低了路面平整度和道路服务水平 严重的病害甚至还会影响行车安全 沉陷是指路面大面积或局部的凹陷 由于地基未充分固结造成的继续沉降或地基压实 不足造成的不均匀沉降往往引起路面的大面积沉陷 这种沉陷的发生都伴有贯穿整个路面 的结构性破坏 所以修补过后还会继续发展 造成补丁破坏 此外 唧浆引起的基层脱空 也是造成局部沉陷的主要原因 车辙是指轮迹带上出现的辙槽 随着渠化交通程度的提高和车辆荷载作用次数的增加 行车道轮迹处由于沥青层的再压密或剪切变形而逐渐形成不同程度的车辙变形 车辙变形 的外因是渠化交通和荷载作用次数的增加 内因是沥青混凝土的高温稳定性和抗塑性变形 能力差 在车辆荷载的碾压下产生横向剪切变形流动 因此 辙槽的两侧由于这种剪切流 动而局部隆起 在交叉路口 匝道进出口等处 因车速变化频繁 经常刹车与启动 致使路面承受着 很大的水平剪力 当沥青混合料高温稳定性较差时 就会在高温和水平剪力的作用下产生 搓板状的推挤变形 2 1 3 表面损坏 泛油是指沥青面层中的自由沥青受热膨胀 直至沥青混凝土空隙无法容纳 溢出到路 表的现象 泛油可造成路表构造深度逐渐减小 抗滑性能降低 从而影响行车安全 设计 过程中 沥青用量过多和设计空隙率过小都会使沥青混合料的饱和度过高 也就是混凝土 内没有足够的空间容纳自由沥青热涨时的体积变化 引起泛油 而混合料拌和 摊铺过程 中 离析促使细料过于集中也是导致泛油的重要原因 磨光是指路表外露的集料颗粒在行车轮胎的摩擦作用下逐渐被琢磨光滑的现象 有研 究表明1 1 j 车辆低速行驶时的摩阻力主要由路表构造纹理提供 而高速行车的摩阻力则主 要来源于集料表面的细纹理 一旦路表集料颗粒被磨光 细纹理和构造纹理都将大大降低 路面的抗滑性也将随之下降 成为交通安全的一大隐患 磨光的主要成因是集料的硬度和 同济大学博士学位论文 第一 前肓 耐磨性较差 选朋村质较好的榘料可有效加以防治 2 l4 水揠坏 在早期损坏的各种现霉中 水损坏是虽主要也是危害最大的一凳 报多现场调查研究 部证实了这一点陋1 i i 于是在最近十几年内中 国内外都不约而同的将研究重点置丁水损 坏的研究与防治 通过这些调查 且前认定了三种较为普遍的水损坏现尊 即辁敞 坑洞 和唧浆 松散f 1 是指沥青面层摧台料中的集 料由于矗失相互问的粘结而逐渐酥软直 至格垮的现象 如图l i 所示 整条道 路爆发梧艘病害的沥青砸层支离破碎 犹如碎砾石铺筑的低等级道路 只能铲 除后重新铺筑面层 在局部栓敞娃 松 敬的榘料颗粒逐渐流失而形成大小不一 的坑橱t 如图i2 所示 松散和坑橱的 成因是沥青 集料粘附性差导致的混合科 水稳定性不足 在路面裂缝处 外界承可咀不断的 港 井积存于基层顶面 此处的基层绪 台辩 侵入的水融合成泥浆 在行乍荷 载的反复挤压f 掘浆从裂缝中被挤压 而出 这种现象称为呻浆 如图i3 所 示 硅着基层结台科的运渐流失 面层 也将随着底部的脱空而最终塌陷形成沉 陷 基层的不耐冲刷和路面裂缝是唧浆 的根本雁困所在 因此 只要提高基层 的耐冲剧性 并减少路面裂缝就可有效 的加以防治 21 4l 水损坏危害的严重性 虽然挫艘 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 危害不仅限下上述三种现象 更在于沥 青混凝士结构的破坏 邕i3 目浆 简而言之 沥青混凝士依靠谢青梅集料轱结在一起 彤成具有一定强度的结构 根据 m o h r l c o n l t t m b 强度理论 沥青混凝土的抗剪强度由两都分组成 其一是摩擦阻力部分 主 要来源于集料颗粒问的内摩阻力 另 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枯附力 即 r c 口 g 妒公式 式中 c 为混凝土的拈结力 为内摩阻角 同崭大学博 学n 论i 第一章前言 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 样一类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 不可不察 2 1 4 2 水损坏的必然性 顾名思义 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物化过程 至今尚未未被完全了解和掌握 目前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 为 集科 沥青 1 机械粘附力 约5 k c a v m o l 因温度而异 一般不超过此值 2 范德华力 约5 k c a l m o l 集料 水 1 氢键力 约l o k c a l m o l 2 范德华力 约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 h 的粘附所取代 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 竺 业 7 舅溶刀霎蔫 完全不浸润部分浸润完全浸润 图1 4 沥青在矿科表面的浸润情况 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与沥青的表面张力和 浸润角口的大小 在完全不浸润的条件下 口为钝角 趋近于1 8 0 0 部分浸润时 矽为锐 角 而完全浸润时 口趋近于0 0 图5 a 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2 同济大学博士学位论文 第一章前言 0m 瀛 漏 7 二 赫 一 一 o0 o l 0 o0 a b 豳l5 没润时的盎力平衡 这些力的平衡条件为 q 1 一q 一q b c o s o 0 q h 一q 一 一q l s 日 0 式中 口6 日为矿料 空气甜表面张力 口 为矿抖一沥青的表面张力 口 为沥青一空气的表面张力 口m 为沥青一水的表陋张力 d 为矿料一水的表面张力 公式 i a 公式 2 b 公式2 a 中如果新形成的两个表面能量小于初始的同 气界面能量 即4 一m n 4 m 剐口趋近于零 沥青将完全浸润固体表面 若 4 0 日 则口 l 柏o 沥青完 全不短洞矿料 通常情况下 由于届 液界面上未满足的结合键较步 因此经常处于崮 液 表面能小于相应于固 气或液 气表面能 即e 0 7 的沥青混合料被认为不会发生水损坏 而t s r 0 7 则被认为水稳定性不足 易于水损坏 有人曾质疑冻融循环的有效性和相关性 然而p a r k e r m 认为洛特曼试验结果与实际路 用效果有较好的相关性 一般情况下 t s r 0 7 5 的具有较好的水稳定性 此外 劈裂强度比t s r 和模量比m r 可作为评价指标 易于对不 同沥青混合料的水稳定性进行横向比较 洛特曼试验并非十全十美 它并未考虑混合料老化对水稳定性的影响 在实际自然环 同济大学博士学位论文 第一章前言 境中混合料的老化是不可避免且十分重要的影响因素 其次 由于劈裂强度和劈裂模量与 混合料的空隙率关系密切 随空隙率的变化而变化 所以劈裂强度比t s r 和劈裂模量比m r 不便于不同空隙率的混合料之间进行比较 2 2 8t u n n i c l i f f r o o t 试验 n c i t p2 7 4 该试验同样以劈裂强度比t s r 为评价指标 试验中先成型空隙率6 8 的痧1 0 2 6 4 m m 圆柱体试件6 只 然后将试件平均分为2 组 并使其平均空隙率相同 一组试件直接进行 劈裂试验 试验条件是2 5 c 下5 i m m m i n 加载速率 另一组试件在5 1 8 m m h g 饱水压力下 饱水5 分钟 并务必保证饱水率界于5 5 8 0 再在6 0 热水中水浴2 4 小时后测定劈裂 强度 两组劈裂强度的比值即为评价指标t s r 试验对试件的饱水率有严格的要求 绝对不能大于8 0 t u r m i c l i f f 和r o o t 认为试件 的饱水率如果大于8 0 试件内的饱和水在温度变化时产生的附加应力导致了劈裂强度的 降低 而并非水损坏的结果 因此应严加控制 此外 他们认为水损坏的临界t s r 值应取 在o 7 珈 8 之间 尽管该方法考虑了温度变化时饱和水产生的附加应力并予以去除 但是仍然存在与洛 特曼方法相似的缺陷 即老化的朱加考虑和不同孔隙率混合料的评价 此外 在6 0 热水 中水浴2 4 小时的似乎不够充分 试验结果与实际路况的相关性也有待研究 2 2 9m o d i f i e dl o t t o m a n 试验 a a s h t ot 2 8 3 美国学者k a n d h a l t 3 2 1 在水损坏的研究中 在洛特曼试验和t u n l l i c l i f r r o o t 试验的基 础上提出了m o d i f i e dl o t t o m a n 试验方法 实际上 它是前两种试验方法的有机结合 试验中 先成型空隙率 6 的吐 1 0 2 1 0 2 m m 圆柱体试件6 只 后将试件平均分为2 组 并使其平均空隙率相同 一组试件直接在2 5 和5 1 m m m i n 加载速率的条件下测定劈 裂强度 另一组试件在5 1 8 m m h g 的负压下饱水5 分钟 并确保使饱水率达到6 0 一8 0 再经历冻融循环后测定劈裂强度 以两组试件的劈裂强度比t s r 为评价指标 冻融循环的 过程是先在0 或 1 8 下冷冻1 5 小时 后在6 0 热水中水浴2 4 小时 该方法继承了前两种试验的基本框架 把洛特曼试验的冻融循环和t u n n i c l i f f r o o t 试 验的饱水率控制综合在一起 并对冻融循环的温度和时间 试件的尺寸和饱水压力进行了 调整 k a n d h a l 本人认为 这种综合避免了前两种试验各自的缺陷 尺寸为 1 0 2 1 0 2 m m 的试件更有利于保持试验结果的稳定性 而饱水压力和冻融循环调整后可以与野外调查建 立更好的相关性 t s r 界于0 7 o 8 之间为水损坏临界值 2 2 1 0 浸水轮辙试验 i m m e r s i o nw h e e l t r a c k i n gt e s t 浸水轮辙试验是各种水下轮辙试验的总称 其中比较著名的有汉堡轮辙试验 h a m b u r g w h e e l t r a c k i n gt e s t 诺丁汉轮辙试验 n o r t i n g h a mw h e e l t r a c k i n gt e s t 普杜轮辙试验 p u r d u eu n i v e r s i t yl a b w h e e l 以及k o c h w h e e l d 等等 这些轮辙试验的设备结构 操作 流程和评价指标大同小异 本节以汉堡轮辙为例作简要介绍 汉堡轮辙仪是汉堡h e l m u tw i n d 公司的产品 并因此而得名 如图1 7 所示 两个试 件同时进行平行试验 试件是尺寸为2 6 0 3 2 0 4 0 m m 的板块 空隙率控制在7 1 范围内 试验时 试件浸没于5 0 恒温热水中 荷载7 0 5 n 的钢轮在其上以3 4 c m 秒的速度和5 0 次 分钟的频率往复运动2 0 0 0 0 次 或者直至形成2 0 m m 深的辙槽为止 辙槽深度与往复次数的关系如图1 8 所示 一条正常的轮辙试验曲线应该包括蠕变阶 同济大学博上学位论文 第一章前言 段和剥落阶段 并且有明显的剥落拐点 h i n e s l 3 认为蠕变阶段辙槽深度的线性增长是混合 料经历了初始压密后的塑性流动 而剥落阶段是混合料剥落引发的变形加速阶段 而辙槽 深度的发展速度有赖于水损坏的验中程度 汉堡市规定经历2 0 0 0 0 往复后辙槽深度不大于 4 r a m 的标准 而m a m e v 3 3 和币耐 以为这一标准过于苛捌 应该以剥落拐点次数作为混 合科水稳定性指标 田l7 汉堡轮辙忮 往复次数 1 0 田l j 轮黼验纪录曲线 有研究表明 搠 重交通道路的水损坏和浸水轮轻试验的相关性较好 而对于使用石灰 石集料的混台料 其试验结果的再现性很差 另外 由于没有统一的标准试验程序 不同 轮辙仪的试验结果之问不可比 2 2 l l e c s e n v i r o n m e n t c o n d n i o l m g s y s t e m s h r p 0 0 3 a 作为s h r p 研究计划的一部分 e c s 的建立旨在更加精确地模拟自然条件下环境和变 通造成的水损坏 然而 它从建立之初就受到了种种质疑 环境箱的冻融过程 加载方式 及回弹模量的测量精度等都成为争论的议题 而更多的研究则提出了一些改进意见 e c s 试验过程中 成型孔隙率为7 j 0 5 的口1 0 2 1 0 2 m m 圆柱体试件 试件成型前 必须根据a a s h t op p 2 9 4 标准进行短期老化 并使用s h r p 旋转压实仪压实 成型的试 件侧面甩薄膜和硅胶封闭 然后将试件安置于环境箱中 加载0 1 秒卸截0 9 秒的动荷载下 测量回弹模量h 恨 并在5 1 0m m h g 的负压f 测量试件的透永性 试件在负压下饱水3 0 分 钟后进入6 0 6 小时 一拎却 2 小时 一1 8 6 小时 的冻融循环 冻融的过程中 始终对试件旖加9 0 0 n 的动荷载 冻融结束后再次测量回弹模量和透水性 回弹模量比小 于0 7 者被认为水稳定性不足 最后将试件被一劈为二 直观视觉评价断面上混台料的剥 落程度 e c s 系统可以说是对此前各种评价方法的综合 姑且不论其评价效果到底如何 就其 考虑的因素而言是比较全面的 它不仅考虑了饱水率控制以及同期旃加动荷载 而且还采 用了s h r p 研究的最新成果 混台料短期老化和旋转压实 从理论上看 e c s 兼具m a r r i e d l o n o m a n 和浸水轮辙试验的优点 并且雠把混台科老化纳入评价内容 弥补了其它方法 的不足 但是v i v c kt a n d o n l 嘴人的研究认为e c s 存在两点缺陷 一是冻融循环过程造j 藐 的破坏程度太低 二是回弹模量m r 的测量精度不足 由此导致了它的评价结论经常与其 它方法得出的结论存在很大的差异 同济大学博 学位论立 第一章前言 2 2 1 2 小结 上述11 种评价方法各具优缺点 h i c k p 町曾经对其中的6 种评价方法就评价效果和适用 范围进行了一番对比和评分 笔者参照其标准对他的评价进行了扩充 如表1 2 所示 表 中概括了不同方法的评价指标及标准 适用的损坏程度 指水损坏程度 以及其有效性 1 0 分制 得分高者为优 表1 2 评价方法对比表 评价方法评价指标及标准有效性适用损坏程度 水煮法剥落等级术4 级 5 轻一中 浸水法剥落度 术9 5 4 轻 示踪盐法示踪盐浓度比 6 轻 n a t 法 替代量 6 轻一中 磨耗试验 质量损失 术9 5 3 轻 残留马歇尔试验残留稳定度 术8 5 3 轻一中 洛特曼试验 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 0 8 5 轻一中 m o d i f i e dl o t t o m a n 试验t s r 0 87 5 中一重 浸水轮辙试验辙槽深度 牛4 r a m 7 5 重 e c s 模量比 术7 0 7 轻一重 2 3 早期损坏的主要影响因素及防治措施 沥青路面早期损坏的影响因素很多 如沥青和集料的性质 环境条件 设计和施工等 等 实际上 这些因素也是影响路面质量的关键 一般认为 原材料的性质 路面设计 环境条件以及施工控制是与早期损坏相关的主要影响因素 2 3 1 路面材料 沥青的性质对于路面的质量有着举足轻重的作用 尤其是沥青的耐久性及其与集料的 粘附性 老化是不可避免的 沥青在拌和过程中的老化以及长期暴露于自然环境下的自然 老化都会使其韧性下降 脆性增强 易在冲击荷载和水侵蚀下遭到破坏 因此 沥青本身 的耐久性 耐老化性 对沥青面层的质量至关重要 沥青规范也为此作出了一些规定 如 薄膜烘箱老化试验等 沥青粘附性的好坏直接影响着沥青混凝土的强度形成 沥青中含有的表面活性物质按 其活性由强到弱排列顺序为 地沥青酸 地沥青酸酐 地沥青质 树脂 油分 沥青 的酸性愈强 稠度越低 它与矿料的粘附就愈好 遇水剥落的概率也愈小 沥青 集料的粘附性除了与沥青的酸碱性和稠度有关外 与集料的性质也同样密切相 关 一般认为 碱性集料与沥青的粘附性较好 酸性集料与沥青的粘附性较差 矿料的酸 碱性则是由岩石中s i o 的含量来确定的 如图1 9 所示 s i 0 2 含量高于6 5 的矿料为酸性矿料 低于5 2 的矿料为碱性 介于5 2 6 5 之间 的为中性 s i o 含量越高 酸性越大 与沥青的粘附性就越差 酸性集料的粘附性较差 但是其强度和硬度都较高 如坚硬的花岗岩等 碱性集料粘附性虽好 但较为软弱 易在 车辆荷载的作用下破碎或磨光 石灰岩是比较典型的碱性石料 对于道路工程而言 中性 石料是最为适合的 尤其是用于表面抗滑磨耗层时 它不但具有良好的粘附性 而且坚硬 同济大学博士学位论文 第一章前言 耐磨 相对于酸性和碱性矿料 中性矿料在我国储量少且分布极不均匀 再加上道路建设 长期受到就地取材原则的限制 很多高等级道路不得不采用酸性石料修筑表面磨耗层 造 成沥青层的水稳定性较差 产生各种初期损坏 5 2 6 5 j s i 0 2 含量 碱性矿料 中性矿料 斗 酸性矿抖 j 酸性 弱强 e 一一一一一一 一一一一一 一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一 粘附性 强弱 图1 9 集料性质图 集料表面纹理的粗细不但直接影响路面的抗滑性能 而且对矿料与沥青的粘附性能也 有很大的影响 有研究表明 l l 车辆低速行驶时的摩阻力主要由路表构造纹理提供 而高 速行车的摩阻力则主要来源于集料表面的细纹理 此外 表面纹理粗糙的集料表面积比表 面光滑的大 与沥青的粘附面积随之增大 粘附力也随之增强 因此 表面纹理粗糙的矿 料不但能提供较好的磨阻力 而且能与沥青结合更为牢固 不易剥离 2 3 2 路面设计 对路面设计的最基本要求是耐久 平整 抗滑 从防止路面过早损坏的角度来看 耐 久是最基本的要求 耐久指有足够长的使用寿命 这就要求整个路面结构具有足够的强度 和抗变形能力 要做到路面耐久 就必须有正确的厚度和层次组合设计 正确的材料设计 和正确的施工方法 目前的路面结构设计都是根据几种主要设计方法进行的 如a a s h l d s h e l l a i s u p e r p a