沥青路面初期损坏的分析与研究

沥青路面初期损坏的分析与研究

随着经济的快速发展，我国的高等职业道路建设蓬勃发展。到目前为止，已经建成的高速公路距离超过1900公里，其中大部分为沥青路面。尽管高速公路距离同步，但施工期间暴露的技术问题也非常严重。在施工1-2年或更短的时间内，许多道路都遭到了严重损坏，造成了巨大的经济损失。道路损坏引起了中国道路部门的重视。许多研究人员对道路损坏进行了调查，并提出了一些改进。为了改善路面的质量，在中国的道路实践中采用了许多新技术，如超级混合料设计技术、sma路面、聚合物屋顶和绿色屋顶。这些技术的应用在一定程度上提高了路面的质量，但长期以来，路面仍然存在。随着交通量的增加和轴重的增加，导致了许多新的损坏。许多研究人员研究并提出了相应的解决方案，这为这项工作系统的调查和评价提供了有益的借鉴。根据之前对路面性能的研究，结合中国的技术习惯，本文提出了一种基于性能的道路设计方法。因此，首先，对于重交通条件的特点，这是非常必要的。1新时期路面调查的主要特点沥青路面的损坏,尤其是早期损坏在潮湿多雨的中国南方地区常见、多发,随着近年来交通量、车辆荷载的持续增长以及高速公路的大量修筑,路面早期损坏又出现了一些新的变化,其突出特点是损坏期提前,通常在路面刚刚建成后的1~2年内就发生大面积损坏,本文将这类损坏定义为初期损坏.为了有效地加以防治,就必须找出早期损坏和初期损坏的原因和发展机理,所以本文进行了较为系统的路面调查.中国南方潮湿多雨地区的9条国道和城市主干道被列入调查范围,路面结构为40~45cm半刚性基层加15cm沥青面层,通车时间为0.5~4年不等.调查发现了6种新损坏现象,它们损坏的原因和发展规律也明显不同于以往的道路病害,具有一些新的特征.1.1理论分析和现场测定与传统的泛油不同,新泛油病害只发生在轮迹带上,与温度和交通量无明显关系,而且泛油路段的沥青用量正常.新泛油现象有两种:一是点状的油斑由小到大逐渐发展,另一种是轮迹带泛油,如图1和图2所示.路表形成油斑的主要原因在于:在车辆荷载和动水压力的综合作用下,混合料中的沥青从集料表面剥离,并逐渐向上迁移.路面积水在高速行驶的汽车轮胎下所产生的动水压力非常可观,足以贯穿沥青面层的空隙而深入沥青层内部.作者对动水压力进行了理论分析和现场测定,结果如图3所示.可以看出,动水压力随车速的提高呈几何级数增长.高等级公路上的平均行车速度往往是一般道路的两倍,其上行驶车辆所造成的动水压力也比一般道路大3倍左右.当沥青面层的空隙较大时,动水压力可以促使路表积水穿透沥青面层而蓄存在沥青层内部;这些蓄存在沥青面层空隙内的水在行车荷载的反复挤压作用下使沥青膜不断地从集料表面剥落;剥落的沥青又在动水压力的作用下逐渐迁移至路表而形成油斑.轮迹带泛油的原因在于沥青面层压实不足或集料质量(形状、纹理)较差,在轮载的反复作用下集料发生位移,路面再压密,挤压沥青上泛形成泛油,如图2所示.造成这种现象的原因除压实和集料因素外,相对交通量而言混合料设计标准较低也可能是一个重要因素.1.2抗起毛面为基础的散射膜的散射内部松散是伴随着新泛油病害同时发生的.在水和高速行车的作用下,面层底部的沥青膜从集料表面剥落,使面层底部集料丧失粘结而发生松散.这种结构层内部的松散现象此前从未发现过.1.3基层灰浆的形成泛浆是指因沥青面层透水及结构内部排水不畅,水渗入并长期滞留在基层顶面,冲刷基层材料中的结合料而形成灰浆,在行车荷载的挤压作用下,灰浆透过面层空隙被挤压上泛,残存在路表形成大块泛浆.1.4新沉降新沉陷与新翻浆损坏同时发生.随着基层结合料的流失,面层不断下陷,直至因变形过大而破裂.1.5沥青离析机理沥青混合料在生产和施工环节中发生的粗细分离现象称为离析.离析直接导致了沥青面层的级配和沥青用量局部失调,难以实现设计意图.造成离析的原因除了施工因素外,混合料设计不当也是重要原因.1.6动水压力稳定性.沥青与集料粘附性差是导致新泛油、内部松散等多种病害的主要肇因.习惯上认为沥青与酸性集料的粘附性差,与碱性集料的粘附性好.而调查表明,在动水压力的反复作用和长期浸泡下,碱性集料同样会发生严重的剥落.可以说,没有一种集料能保证永远不剥落,也同样没有一种集料总是剥落,集料与沥青是否剥落有赖于其所处的外部环境条件.2试验分析2.1路面孔隙率的变化调查过程中,在路面损坏部位钻取了芯样并进行了抽提试验.从试验结果看,发生初期损坏路面的空隙率一般都比较大,空隙率一般大于8%,而在路面状况良好的路段的空隙率一般小于7%.由此看来,7%~8%的空隙率可能是路面初期损坏的临界范围.2.2混凝土的级配在所有的芯样中,几乎没有一个芯样的抽提级配完全处于设计级配范围内.本文对所有芯样的抽提级配按照偏离程度和偏离的区域分别进行了统计,如表1和表2所示.从表1和表2中数据不难看出,绝大部分抽提级配都不同程度地偏离了设计级配,而底面层的粗粒式沥青混凝土更是完全偏出了设计级配范围.这种偏离呈现出一个趋势,即混合料的级配愈粗(或粒径越大),偏离的程度愈甚.考察不同粒径区域的偏离次数可知,0.30~4.75mm的中粒区偏离次数比较少,呈现出相对稳定状态;而小于0.30mm的细粒区和大于4.75mm的粗粒区偏离次数较多,而且偏离的方向呈对称状态,也就是级配在粗粒区超出设计上限的同时,必然伴随着细粒区向下超出设计下限.实际上,有些芯样的级配与设计级配范围几乎完全不一致,说明了实际级配与设计级配间的偏离非常严重.但从另一方面来看,路面状况的好坏与级配的偏离并不像人们想象的那样密切.可以说,就路面的初期损坏而言,级配可能不是一个非常关键的因素.2.3沥青迁移的估计调查中在对油斑泛油处取样时,发现表面层内积聚了大量的沥青,而中面层和底面层的沥青结合料却剥蚀严重.将芯样的表面层从深度方向上一切为二,再分别采用抽提试验测量沥青含量,试验结果如表3和表4所示.表面层中,上层的沥青含量明显高于下层,由此推断油斑泛油处中面层和底面层的沥青剥落后,向上部迁移至表面层,从而导致了中、底面层的内部松散和表面层形成油斑,这种上部高、底部低的沥青分布是沥青在整个面层内的迁移造成的结果.为了说明沥青在混合料中的迁移现象,可以作一个简单的估算.对于道路A而言,正常路段各层次的沥青含量与设计值相同,所以可以假设其中的沥青没有发生迁移.与正常路段相比,泛油路段中、底面层部分沥青迁移到了表面层.因为中面层厚度为5m,以中面层1.1个百分点的沥青迁移到表面层后,表面层沥青的质量分数为5.7%+1.1%×5cm÷4cm=7.075%,可见与实测值7.0%吻合得非常好.对于道路B而言,其正常路段各层次的沥青含量与设计值基本相符,只是底面层略少了0.1个百分点.假设正常路段内沥青没有发生迁移,则泛油路段中、底面层的沥青迁移至表面层后,表面层沥青的质量分数为5.2%+0.2%×5cm÷4cm+0.1%×6cm÷4cm=5.6%,与实测值5.5%基本吻合,所以本实测结果证实了这种迁移过程.无论是油斑泛油还是内部松散现象都与沥青的剥落有关,而剥落的发生又与沥青和集料的粘附性密切相关.沥青和集料的粘附性除了受自身材料性质的影响外,还受到混合料空隙率大小的影响.当混合料空隙率较大时,沥青面层的通透性增大,外界水易侵入结构内部,在高速行车造成的动压水的冲刷下发生剥落.反之,水侵蚀的程度相对较轻,沥青与集料的粘附较好.因此,在混合料设计上对不同空隙率的混合料要求相同的粘附性标准并不恰当,对粘附性的要求应根据混合料空隙率的不同而适用不同标准.3路面结构应力分析造成路面损坏的原因是多方面的,除了上述调查显示的损坏因素外,不合适的路面结构设计和超载影响也是重要的因素.在我国,目前的路面结构设计片面地强调了路面结构的整体强度,尤其是片面地强调了基层的强度,没有考虑路面的使用性能,以致于虽然所设计的路面结构整体强度很高,但使用性能依然不好,不能满足重交通的要求.为了分析重车荷载的影响,作者开发了一个沥青路面非线性三维有限元程序NAAPS(non-linearanalysisforasphaltpavement),分析了实际分布荷载作用下的路面结构应力.3.1承载体的荷载模型我国传统的路面结构力学分析都采用圆形均布的轮胎荷载模式.实际上,轮胎与路面间的接触压力远非圆形的形式,接触压力的非均布效应已变得十分显著,如果接触面上的压力分布形式都不准确,那么计算出的路面内部的荷载应力也很难准确,从而不能正确解释路面的某些损坏现象.据调查,路面的初期损坏往往与路面结构的整体承载力没有直接关系,而通常体现为裂纹等从道路表面开始出现的局部损坏.应用笔者编制的沥青路面非线性三维有限元程序NAAPS,可以分析复杂荷载作用下路面结构的力学响应,可以考虑路面材料粘性、塑性、粘弹性、粘塑性等性能的影响,其线弹性计算已经用多层弹性体系的理论解进行了验证.在分析大量轮胎与路面接地压力的实测规律的基础上,笔者假设了几种典型的非均匀荷载分布形式,其横断面如图4所示.假设在这些荷载模型中,其接触面形状均为同样大小18.9cm×18.9cm的方形,每个轮胎上作用的轴载均为25kN.图4a为方形均布荷载形式;图4b所示鞍形分布荷载用于模拟胎压相对较低而荷载较大时的轮胎压力,这里假设轮胎边缘的荷载集度是中部荷载集度的两倍,鞍形中部的宽度为总宽度的3/7;图4c所示凸形分布荷载用于模拟胎压相对较高而荷载较小时的轮载压力分布形式,本文假设轮胎中部的荷载集度是边缘荷载集度的两倍,凸形中部的宽度为总宽度的3/7;图4d所示锯齿形断面分布的荷载用于模拟轮胎表面存在花纹时的接地压力形式,各个锯齿的宽度一致.可以看出,本文所假设的非均匀分布荷载模式与实际情况也有所区别,但它比圆形均布荷载更符合实际,所以能更准确地反映路面结构在某些特定的轮胎接触形式下的力学响应规律.在不同荷载分布形式下,荷载接触区域附近处应力的分布有明显的不同.由图5a可以看出,方形均布荷载下,τmax较均匀地分布在接触面的底部一定深度处,在接触面的边缘附近达到最大值,这与在边缘处荷载集度的急剧变化有关.图5b所示鞍形分布荷载作用下,接触面底部τmax的分布形式也呈现出明显的鞍形,接触面横向两侧的应力峰值是中部应力值的两倍左右,而且最外侧出现的应力峰值在所有荷载假设中是最高的;与均布荷载相比,增大了约23.6%.图5c所示的凸形荷载的最大应力峰值出现在接触面的正下方,即是在荷载集度最大值的正下方,而且它的应力峰值出现的范围很小但量值很大.图5d所示锯齿形分布荷载在接触面附近τmax的分布非常复杂,一般来说,每个凸起的面力集度对应一个τmax的高值,从x-z断面上也可以看出,应力在横向出现与接地压力类似的锯齿形分布.而在远离荷载处,应力分布的规律是基本相同的,这说明远离荷载处的应力分布规律不受接触压力分布形式的影响.从以上有限的分析可以看出,采用常规的多层弹性体理论分析路面层底面或路基顶面的应力或变形是合理的,但在不同荷载分布形式下,路面表面层内出现的应力分布是明显不同的.实际情况中,由于轮胎接地压力分布形式的复杂性,使得用传统的均布荷载假设得出的应力分布很难准确描述路面表面层的力学反应.可以看出,复杂的接触压力导致了路面表面层内的剪应力大幅度增加,荷载的反复作用在路面结构层底面产生弯拉疲劳的同时,在路面表面产生了剪切疲劳,而为了满足抗滑的需要往往表面层混合料的空隙率较大,强度较低,有可能后者更早地导致路面的损坏.3.2车辆不同工况下的接地压力南非学者Beer研制了专门的轮胎接地压力的测试仪器VRSPTA,并对不同轮胎形式、不同胎压、不同轴载下轮胎接地压力的分布形式进行了大量的实测研究.他发现,轮胎中部的接触压力集度随着轮胎气压的变化而变化,轮载对它的影响不大;而轮胎边缘的接触压力集度主要受轮载的控制,与胎压无关.在实际情况中,轮胎的气压通常是保持不变的,而轮载却经常变化.而汽车载重的大小、车辆的振动、不同的运行状态等因素均能影响轮载的大小.在轮胎气压一定的情况下,车辆轮胎的接地压力随轮载的增加而从凸形分布逐渐呈现出明显的鞍形分布.某些场合,即便是半载(接触压力呈凸形分布),它对路面的损伤(表面剪应力)很可能不亚于标准荷载(方形分布);由于鞍形分布荷载在边缘两侧出现的高应力大大加速了路面的损坏,所以小吨位车辆的超载尽管其轴重不大,但对路面的损伤可能会大大超过标准荷载.因此,有必要重新研究不同车辆之间的等效换算关系.运用三维有限元法和本文建立的轮载假设,就可以对超载对路面结构的影响进行定量分析.标准100kN轴载下的接地压力可以采用图4a的方形均布荷载形式进行模拟;在超载的情况下,若胎压保持不变,接地压力的分布可看为鞍形,鞍形中部荷载集度为0.7MPa,鞍形两边的荷载集度q根据超载量的不同而变化,如图6所示.图7为不同轴载作用下路面产生的最大剪应力,从图中可以看出,最大剪应力的变化幅度要大于轴载的变化幅度.例如,当轴载增加一倍时,最大剪应力增加了约3倍,由此可见超载对路面的严重影响.4路面结构的力学分析通过调查发现了一些新的损坏现象,并将其定义为初期损坏,对现场获取芯样的试验分析揭示了初期损坏产生的机理和发展规律:①大空隙率、高速行车和水的综合作用是路面在短时间内就发生初期损坏的主要原因;②这种综合作用造成了沥青与集料粘附性的相对不足,面层内部的沥青极易发生剥落,剥落的沥青继而向上迁移造成了新泛油、内部松散等病害;③沥青面层的空隙率对路面初期损坏的影响是十分显著的,8%的空隙率可能是路面初期损坏的临界值,所以当路