解决沥青路面水损害早期损坏的技术途径

1、1.引言从上世纪八十年代开始到现在，我国公路的基础设施建设实现了突飞猛进的发展，其突出标志是高速公路里程的增加，不仅在高速公路设计方面有飞跃式的提高，而且在建设方面也达到了一定的水平，为我国国民经济的发展作出了突出贡献。在全国各地高速公路的建设中沥青混凝土路面占了很大的比重，沥青混凝土路面有很多其他路面无法比拟的优点。如沥青路面由于属于柔性路面，减震效果好、行车舒适性好、噪音小； 柔性路面对路基的不均匀沉降适应性强；路面成型快，修完碾压后马上就能通车；沥青路面的平整度好；养护维修方便等优良性能。 随着我国经济的不断发展，高速公路日益发挥主通道的作用，但随着交通量的不断增长，很多沥青混凝土路面出

2、现了一定的早期破坏，尤其水损坏比较严重，高速公路沥青混凝土路面水损害早期损坏原因是非常复杂的，可以归纳为沥青混合料空隙率过大、路面渗水、排水设施施工不完善、压实度不足、沥青混合料抗水损害能力不足、厚度偏薄等原因。本文通过对施工中经验的总结对高速公路沥青路面早期水损坏的防治途径进行了详细的论述。2.高速公路沥青性能与路面的损坏机理沥青路面应具有坚实、平整、抗滑、耐久的品质，同时，还应有高温抗车辙、低温抗裂、抗水损害以及防止雨水渗入基层的功能。这就要求沥青具有高温稳定性、低温抗裂性、耐久性、抗滑性、防渗性等性能，下面就简述一下沥青路面受这些因素的影响而产生的损坏原理。2.1沥青路面由于温度开裂而产

3、生的损坏机理 温度越低，沥青对于混合料性能的影响越大。沥青是一种感温性、粘弹性材料，在正常使用条件下，沥青能够使路面内由于温度变化而产生的应力松弛。 在低温下，所有的沥青均不再有粘滞流动而具有纯弹性。沥青劲度最大时的温度随沥青等级、油源、龄期和应变速率而变化。当考虑温度开裂时，应变速率与路面内温度变化的速率有关，因此，当沥青经受到低温和温度突变这种危险的综合作用时，由于温度变化引起的应变有能通过粘滞流动得到松弛。当由此产生的应力超过沥青的抗拉强度时，沥青路面就开裂。对于同一等级的沥青，感温性能越强，低温开裂的可能性越大。2.2沥青路面由于疲劳开裂而产生的损坏机理疲劳是沥青砼路面在重复荷载的作用

4、下产生的。其原因是：施加的荷载超过了结构设计标准；实际交通量超过了设计交通量；各结构层承载能力的降低；环境因素引起的附加应力。2.3沥青路面由于车辙作用而产生的损坏机理车辙是路面结构各层的永久变形之和，这些变形由材料的固结或塑性流动引起，并且在高温季节较为严重。沥青性能对车辙的影响低于沥青混合料以及施工质量对车辙的影响。在一定温度下，提高沥青混凝土的劲度会增加路面的抗车辙能力，增加沥青的粘度也会改善沥青混合料的抗车辙能力。同样，如果所用的结合料能使混合料在受力后产生较大弹性恢复，那么也会改善其抗车辙性能。沥青的物理性质对路面车辙有些影响，在给定的温度和加载速率下，高粘度的沥青会产生劲度高的沥青

5、混合料，而较高的劲度会产生较高的抗车辙能力。2.4沥青路面由于水害作用而产生的损坏机理 沥青与矿料之间的粘结在潮湿的条件下会被削弱或损坏，而在行车荷载及水分的联合作用下，这种损坏会明显加剧。水害会导致沥青路面产生车辙、剥落、泛油及局部的结构性破坏。高粘性沥青比低粘性沥青受水的影响小，并且任何在混合料压实之前改善沥青和矿料表面潮湿状态的措施都会提高混合料的抗水害能力。2.5沥青路面由于沥青的老化而产生的损坏机理 路面中沥青的老化可以通过路面的外观来判断，如干涩，色发暗，常常还伴有表面矿料剥落。大多数情况下，结合料的老化会导致粘度和脆性的增加。沥青的氧化性老化，在高空隙率沥青混合料中会加速进行，在

6、密级配混合料中老化主要发生在路表面。3.高速公路早期损坏的类型近年来我国高速公路的建设速度很快，到1999年底，通车里程已超过1万km。其中大部分的质量是好的，但也有一些高速公路建成通车后不久，短的几个月，长的2-3年，就不得不进行大面积维修，路基路面的早期损坏问题引起了广泛的关注。我国高速公路路基路面存在的较为普遍的早期损坏现象，可以归纳为以下6种通病：沥青面层早期损坏：车辙、泛油、松散、坑槽、水损害破坏；水泥混凝土路面断板、折角、接缝跳车；桥面铺装局部破损；结构物连接不顺畅、桥头及接缝跳车；路基沉降，如软土路段、高填方路堤、半填半挖路段的沉降和开裂；3.1高边坡滑塌。造成这些损坏，在很大程

7、度上是由于施工管理混乱，不严格按照规范施工造成的。但也有其它原因，如：规范本身的原因，设计的原因，汽车的严重超载重载，而且一般都发生在雨季，基本上都与水有关，损坏路段还往往存在压实不足和排水不良问题。本文仅对引起沥青路面水损害早期损坏的技术原因进行分析并对防治途径提出一些粗浅的看法，以图引起反思。4.高速公路沥青路面水损害早期损坏的特点现在普遍对高速公路沥青路面的早期损坏严重感到忧虑，尤其是近年来一些沥青面层发生大面积的水损害破坏，一到雨季，就提心吊胆。这些损坏有以下特点：水损害破坏发生在雨季，也可能是冰雪融化的季节，有时一场大雨就导致路面大面积严重破坏；行车道破坏严重，超车道一般没有破坏，显

8、然与重车、超载有关；破坏之初一般都先有小块的网裂、冒白浆（唧浆），然后松散成坑槽；发生水损害破坏的地方一般是透水较严重且排水又通畅的部位，如挖开可见下面有积水或浮浆；一般不会全路同时破坏，显然与沥青混合料不均匀有关，有些不均匀严重的路段可能是泛油与水损害同时发生。5.高速公路沥青路面水损害早期损坏的原因分析及防治途径调查表明，造成沥青路面早期损害破坏的原因非常复杂，可以归结为沥青混合料空隙率过大、路面渗水、排水设施不完善、压实度不足、沥青混合料抗水损害能力不足、沥青面层厚度偏薄等原因。5.1关于表面层的空隙率与级配认真选择表面层矿料级配非常重要，最主要的指标是混合料的设计空隙率和路面的实际空隙

9、率。据研究，沥青路面的空隙率在8%（相当于设计空隙率4%压实度96%时）以下时，沥青层中的水在荷载作用下一般不会产生动力压力，不容易造成水损害破坏。排水性混合料的路面空隙率大于15%时，一般都采用改性沥青，且水能够在空隙中自由流动，也不容易造成水损害破坏。而当路面实际空隙率在8%-15%的范围内时，水容易进入混合料内部，且在荷载作用下易产生较大的毛细压力成为动力水，造成沥青混合料的水损害破坏。回顾我国早期修建的京津塘高速公路，采用了在欧美、日本等许多国家常用的I型密实式沥青混凝土，路面渗水很少，并没有发生水损害破坏现象。但构造深度较小，担心对抗滑不利，后来设计规范根据有关研究成果将构造深度作为

10、抗滑性能的一项主要指标与磨擦系数并列，要求不小于0.55mm，有些工程考虑到设计规范规定构造深度是在竣工后第一个夏季测定，交工验收时的构造深度要求又进一步提高，一般达0.7-1.0mm以上，导致表面层不得不都改用AK类“抗滑表层”级配，并逐渐从AK-13变为AK-16，随着构造深度的增大，空隙率也跟着增大，设计空隙率往往在6%以上，路面空隙率一般在10%以上，成为渗水严重的半开结构。虽然后来对级配作过各种调整，有些间断级配混合料尽管理论上有许多优点，但施工难度较大，受级配和油石比的波动影响比较敏感，极易造成混合料不均匀，致使路面不是泛油就是透水，实际效果并不理想。而是国外，抗滑磨耗层一般是在路

11、面磨擦系数下降到一定界限之后加铺的，很少有新路铺如此厚的磨耗层的。为了解决空隙率与构造深度的矛盾，既提高耐久性又使路面具有较好的表面功能，采用沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA）和同时采用改性沥青是比较理想的，它对解决水损害将会有良好的效果。但SMA必然要增加相当的成本，除了少数重要的工程和交通量特别大的工程外，在短期内不可能成为普遍采用的结构。为此，我们主要还是应该在普通的密级配沥青混合料的矿料级配上下功夫。对现行规范的表面层级配进行认真的对比，并充分参考美国Superpave的研究成果，是目前许多工程采有的技术途径。表1是参照Superpave的方法推荐的表面层的矿料级配，姑且命名为AC-13K

12、和AC-16K，绘制的矿料级配曲线如图1、图2所示。所建议的级配呈扁S形，有5个特点：表1 建议的表面层矿料级配与现行规范级配的比较沥青混合料通过下列筛孔（mm）的百分率/%191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC-13I型AC-13II型AK-13A型AK-13B型建议AC-13K10010010010010095-10090-10090-10085-10095-10070-8860-8060-8050-7062-7648-6834-5230-5318-404-5536-5322-3820-4010-3028-4024-4114-2815-308-22

13、15-2518-308-2010-235-1510-1912-225-147-183-127-158-103-105-103-96-124-82-64-82-64-8AC-16IAC-16IIAK-16AAK-16B建议AC-16K江苏AK-16C10010010010010010095-10090-10090-10090-10095-10093-10075-9065-8570-9060-8270-8476-8658-7850-7050-7045-7058-7261-7342-6330-9030-5025-4540-5440-5032-5018-3522-3715-3527-3728-3622

14、-3712-2616-2810-2516-2418-2616-287-1912-238-1810-1513-1911-214-148-186-137-1410-167-153-96-134-106-127-124-82-54-93-74-84-84.75mm以上接近Superpave的最大密度线，基本上与原I型相仿；0.3mm-2.36mm位于Superpave的限制区下方，Superpave容许但不推荐位于限制区上方的混合料级配；2.36mm通过率在Superpave的控制区范围内；由于生产水平的提高，级配范围比现行规范规定的要窄，粗集料主要筛孔通过率范围从20%降为14%。图中绘入了两条最

15、大密度线，供考虑不同最大粒径时参考，在美国AC-13的最大粒径是19mm，在欧洲AC-16的最大粒径是22.4mm，在我国习惯上分别把16mm、19mm作为最大粒径。不过应该特别注意，由于此建议级配尚未经过实践验证，使用时应该慎重。确定一个级配范围的标准是很严肃的工作。随随便便定一个级配就在工程上大规模使用是不合适的。建议有志试用的工程先铺筑试验路，以确认是否可行。同时，作为抗滑表层的马歇尔设计指标应改为规范的I型标准，击实75次，空隙率控制在4%左右。江苏省在实际上采用了这种做法，表1中列出了江苏省的建议级配AK-C型，与本建议的AC-16K很相近。在修订表面层级配时，肯定会遇到与现行规范构

16、造深度之间的矛盾，建议在调整高速公路沥青面层抗滑指标时重点保证表面层集料的磨光值，并以铺筑后行车过程中的摩擦系数作为综合指标，这就足够了。对构造深度的要求要适度，过大的构造深度势必使空隙率跟着变大，并以牺牲耐久性为代价。高速公路与一般公路的交通事故特点有明显的不同，高速公路上的交通事故绝大部分发生于冰雾等恶劣气候条件下以及汽车的疲劳驾驶、爆胎等情况，很少有中低级公路上常见的雨天滑溜事故。高速行车水漂主要是车辙积水，而沥青路面的初期压密很快会产生超过构造深度的变形。构造深度主要是对水雾及水膜厚度有明显影响，构造深度应以路面不受水损害为度。过高的构造深度要求很可能影响路面的压实。5.2加强压实，减

17、少空隙率有些单位对压实度的重要性的认识不足，压实不足是一个比较突出的问题。例如：（1）追求平整度和担心构造深度使压实受到影响。尽量压实度的测定数据都合格，但其真实性有怀疑，有些工程不按照规范要求的方法测定压实度（标准密度取值不合适），或随意调整标准密度；个别工程主管部门出于功利思想和互相攀比的影响，提出了一些不切实际的平整度要求和奖惩措施，导致片面追求平整度，放松了对压实度的控制。这些工程的共同点是通车以后平整度迅速衰减，面层压实变形明显。有的工程单位担心振动压路机碾压影响平整度和构造深度而轮胎压路机的吨位又偏轻。应该明确，平整度固然重要，但压实度更重要，必须在确保压实度的前提下提高平整度。（

18、2）现行规范对压实度的要求规定有缺陷，如在美国要求符合3个或其中1个压实度标准：a)实验室马歇尔密度的96%；b)实测最大理论相对密度的92%；c)试验路钻孔密度的99%，实际上前两个标准可以互相换算，若最大理论密度Dmax马歇尔试件密度Dms，则以小数表示的空隙率V设计=1-Dms/Dmax，若钻孔试件的实测密度为D芯样实测，则按马歇尔密度计算的压实度K1与按最大理论密度计算的压实度K2之间有下列关系K1=D芯样实测/Dms或K2= D芯样实测/Dmax=K1×（1-V设计）或K1=K2/（1-V设计），其中关键是混合料的设计空隙率V 。K1=96%，K2=92%两个标准等效的条件

19、是V设计=4.17%。表2对这两个标准进行了对比。 不同方法控制压实度的比较 表2设计空隙率（%）马歇尔密度控制K1（%）最大理论密度标准控制K2（%）路面实际空隙率（%）29696%/（1-0.02）=94.085.9249696%/（1-0.04）=92.167.844.179696%/（1-0.0417）=92869696%/（1-0.06）=90.249.7689696%/（1-0.08）=88.3211.68292/（1-0.02）=93.87928492/（1-0.04）=95.839284.1792/（1-0.0417）=96928692/（1-0.06）=97.87928892

20、/（1-0.08）=100928也就是说，当空隙率小于4.17%，要求压实度为马歇尔密度的96%，意味着比控制最大理论密度的92%要高。相反，当空隙率大于4.17%时，要求压实度为马歇尔密度的96%，意味着比控制最大理论密度的92%要低。例如当空隙率为8%时，达到马歇尔密度的96%，实际上只达到最大理论密度的88.3%，要求达到最大理论密度的92%，则应该达到马歇尔密度的100%。所以对设计空隙率大于4%的层次，现行规范规定马歇尔密度的96%的压实标准是偏低的。现在江苏省的一些高速公路已经开始同时采用理论最大密度92%进行双控。也有些工程已经将压实度标准从96%提高到97%或98%。（3）有些

21、工程出于平整度的考虑，不切实际地采用一台摊铺机全幅摊铺的方法，容易造成离析，振捣力较小，压实不均匀。建议一台摊铺机的铺筑宽度不大于6-8mm，高速公路一般应采用两台摊铺机梯队式的摊铺方式。5.3采用合理的集料粒径和适宜的沥青面层压实层厚度现在沥青面层的集料粒径普遍偏粗，与其相匹配的压实层厚度稍偏薄，不利于压实。美国以前规定结构层厚度应不小于最大粒径的2倍，NCAT认为从施工角度出发，最大集料粒径不宜超过松铺厚度的一半，现Superpave提出宜为公称最大粒径的3倍，澳大利亚要求2.5倍。现在表面层普遍采用公称最大粒径16mm，厚度4cm，相当于2.5倍，显得稍薄；如按3倍宜采用5cm，4cm

22、表面层如果采用粒径13mm可能会好一些。由于集料的生产和价格的关系，16mm粒径是我国常用尺寸，当初是由LH-20转过来的，按欧洲的级配系列，公称粒径16mm的最大粒径是22.4mm，不是19mm。中下面层的厚度5-6cm与粒径26.5mm相比就更薄。我国施工规范规定表面层集料最大粒径不大于层厚的1/2，中下面层不大于2/3，以及设计规范对适宜厚度的规定对高速公路显然是不合适的。集料粒径大造成沥青混合料离析是普遍存在的问题。不仅表面层，中下面层更严重。底面层混合料普遍采用空隙率较大的AC-30或AC-25II型沥青混凝土，粗集料粒径偏大，离析无法避免，层厚越薄，越易形成局部区域空隙过大，成为透

23、水、积水和积浆的场所，容易导致与沥青与集料剥离。当然集料离析还有另一个更重要的原因是施工所使用材料的变异性太大，砂石料来源杂、质量不稳定，使级配变化太大，往往不能达到配合比设计的要求。我们应该象重视沥青质量一样重视占混合料总量90%以上的砂石材料的质量。还应该根据集料粒径采用合理的沥青面层的设计压实厚度，随着时代的发展，不能单纯过分地追求减薄。如果考虑到核实效果，设计层厚一般不宜小于公称最大粒径的3倍。例如集料粒径13mm，表面层厚度4cm，如集料改为16mm粒径，则表面层应不小于4.5cm；中面层宜采用AC-20I型，厚度不宜小于6cm；下面层采用AC-25I型，厚度不宜小于8cm等等。这样

24、三层组合的沥青面层的总厚度一般需达18cm。如果必须减薄，也可考虑采用双层结构，下面层采用AC-25I型，厚度可达8-10cm，或者在表面做一个更薄的磨耗层。5.4做好路面排水和封水水是沥青路面水损害之源，而对水的处理无非两种办法，一是封（堵），即防止水进入沥青层的内部；二是排，即将进入到路面内的水排除出去。水的来源有雨、地下水和毛细水，将水与沥青面层隔离开是最根本的措施。首先从表面层封水，让水从表面排出路外；表面封不住则从中面层封，让水从沥青层内或层间排走；从基层表面封，不让地下水从下面上来；不让水浸泡半刚性基层，让水从沥青层内或层间排走；如果水进入基层，基层必须能够排水。反正只要水长期存在

25、于沥青混合料中或基层表面，唧浆和坑槽难以避免了。可以说，长时间泡水的沥青路面的寿命肯定是长不了的。现在我国大多数沥青路面是沥青面层本身封不住水，基层又不透水，透层油或下封层也封不住水。不要说现在许多表面本身空隙率甚大，是透水型的；就是很致密的级配，也难免不会局部透水。规范要求面层至少有一层不透水的I型密级配沥青混凝土，一般安排在中面层。但由于许多高速公路虽然采用AC-25I型，但集料粒径较大，离析比较严重，且厚度较薄，实际上起不到封水作用。下面层现在大都采用AC-30或25II型，不仅空隙率过大，而且层厚太薄，离析严重，非但不能封住水，相反成了积水及积浆的场所。我国路面基层普遍采用半刚性基层，

26、也是不透水的，上面渗入路面和冰冻地区春融期融化的水容易积聚在基层表面，成为浮浆。近年来对半刚性基层的强度标准越来越高，混合料越来越致密，尤其是二灰碎石比水泥稳定碎石透水性更差。因此，在雨季，水进入沥青层内部是不可避免的。遗憾的是路面设计一般不考虑路面结构层内部的排水。相反普遍设计了埋置式路缘石、砌筑式路肩，阻碍了渗入路面内部的水排出。而且有的路段纵坡不顺，埋置式路缘石使路表水不能从边缘迅速排出，形成局部积水。这个问题在桥面上尤其突出。因此，确保路面排水顺畅变得十分重要，排水设计应成为路面设计的重要内容，而引起高度重视。有关部门审查路面结构时不仅审查厚度和强度，还必须审查排水。为此，建议从以下几

27、个方面考虑排水问题：切实做好中央分隔带的排水，避免绿化浇水横向渗入路基。如果不能保证排水，不如改绿化带为水泥混凝土或沥青封层。挡水式的路缘石有可能使水滞留在路面上成为水坑，不如将路缘石做成平的，或者干脆不做路缘石，让水漫流至路外，但路肩及边坡必须经得起水的冲刷。路面设计必须考虑混合料内部层间水和缝隙水的排水总是保证渗入路面内部的水能排出路外。有的工程在中下面层边缘设置15cm宽的碎石层盲沟纵向排水，上面覆盖面层，碎石层纵向每5m有一个出口将水排到路外。也有的工程表面层只铺行车道，紧急停车带不铺，中面层上洒布改性乳化沥青封层，使渗入表面层的水从界面上流出。埋置式路缘石会挡住结构层水的排水，不宜采

28、用；沥青类平铺路缘石的效果较好。挖方路段的排水往往是薄弱环节，尤其要注意边沟的深度，不仅能排路表水，还应能排结构层的水，使路面内部的水能排入边沟。路基中有地下水或裂隙水冒出时，将使路基含水量过大，承载能力严重降低，所以挖方路段的纵向排水盲沟也是很重要的。关于基层排水问题，现在我国几乎全部采用半刚性基层，且强度越来越高，这对整体承载能力是好的，但当沥青面层不能完全封住水时，下渗的水分及从裂缝进入的水分就会长时间滞留在沥青面层和半刚性基层的界面上，在荷载作用下形成灰浆，并形成唧浆，最后导致沥青面层的水损害破坏。基层要不要考虑透水性能，要不要限制4.75mm以下细料含量，要不要限制基层强度的上限，是

29、一个值得研究的的问题。我国对能够透水的级配碎石柔性基层的研究和应用已经很有必要了。在沥青面层下设置排水层，可以是级配碎石层，也可以是嵌挤良好的沥青或水泥稳定碎石层，空隙率应该达到15%以上。但施工期间必须保证路面不被污染，以防将空隙堵住，如果做不到，则排水层不起作用。关于这方面的做法我国路面排水规范已经有所规定，必须加以研究，取得经验后推广。加强沥青层与沥青层之间的粘结。现在许多工程的施工顺序安排不当，在沥青面层铺筑过程中或铺筑后，再开挖中央分隔带、埋设路缘石、挖出的土污染了沥青面层，影响了上下层的粘结和协同作用。施工规范对粘层油的规定要求不严格也是缺陷，以后应该强化施工组织计划，所有开挖、埋设、绿化等工序应该在基层施工