瀝青路面水損害機理及防治措施研究
瀝青路面水損害是國內(nèi)外高等級公路普遍存在的現(xiàn)象, 也是一種嚴重的早期破壞形式。研究并解決這一問題對公路工程建設(shè)具有十分重要的現(xiàn)實意義。
水損害是瀝青路面在水或凍融循環(huán)作用下, 由于汽車車輪動態(tài)荷載的作用, 進入路面孔隙中的水不斷產(chǎn)生動水壓力或真空負壓抽吸的反復(fù)循環(huán)作用,水分逐漸滲人瀝青與集料的界面上, 使瀝青黏附性降低并逐漸喪失黏結(jié)力, 瀝青膜從石料表面脫落,瀝青混合料掉粒、松散, 形成瀝青路面的坑槽、推擠變形等的損壞現(xiàn)象。瀝青路面的水損害破壞主要表現(xiàn)為: 路面出現(xiàn)麻面、剝離、掉粒、松散、坑槽;路面基層受到損害, 發(fā)生唧泥, 路面出現(xiàn)網(wǎng)裂、龜裂; 路基變形, 發(fā)生沉陷、開裂; 路肩坍塌等。
1、瀝青路面發(fā)生水損壞的原因
調(diào)查表明, 造成瀝青路面早期水損害破壞的原因非常復(fù)雜, 可以歸結(jié)為8 類。
1） 壓實度不足, 空隙率過大, 路面滲水。
2） 瀝青混合料抗水損害性能差, 水穩(wěn)定性不足。
3） 混合料離析、粒徑偏大。
4） 面層厚度偏薄。
5） 排水設(shè)施不完善, 排水不暢。
6） 交通量大, 超載車多, 行車速度快。
7） 夏季高溫和春季凍融期間的溫度變化較大[3 ]。
8） 我國現(xiàn)行的路面設(shè)計方法沒有考慮路面結(jié)構(gòu)層排水, 沒有設(shè)置有效的排水層, 而且現(xiàn)有的試驗方法不能有效預(yù)測瀝青路面能否出現(xiàn)水損壞。
2、瀝青路面水損害機理
2.1 靜水作用機理[4 ]
瀝青路面的水損害與軟化和剝落兩種過程有關(guān)。
1） 水能進入瀝青中使瀝青黏附性減小, 導(dǎo)致混合料的強度和勁度減小。
2） 水能進入瀝青薄膜和集料之間, 阻斷瀝青和集料的相互黏結(jié)。
3） 由于集料表面對水的吸附力比瀝青的強, 使得瀝青與集料表面的接觸面減少, 結(jié)果瀝青從集料表面剝落。
4） 剝落破壞有兩種狀態(tài), 即自身的剝落破壞和交通載荷作用下的路面破壞。剝落可導(dǎo)致坑洞、裂縫、啃邊等。瀝青與集料的黏附性與瀝青和集料的物理化學(xué)性質(zhì)有關(guān), 一般親水集料比憎水集料更易引起剝落。
2.2 動水壓力作用機理
動水壓力不僅可以導(dǎo)致瀝青混合料的軟化和剝落。大小和方向不斷變化的水流會對瀝青混合料產(chǎn)生直接的沖刷, 一旦細料被水流帶走, 反復(fù)的沖刷作用會使路面逐漸形成空洞和凹陷, 進一步破壞結(jié)構(gòu), 使破損范圍不斷擴大, 嚴重降低路面的使用性能?？紫端畨毫υ酱? 對路面的損害越嚴重。
2.3 瀝青混合料的黏附—剝落理論
水損害的作用機理, 主要依據(jù)是黏附理論。黏附是指一種物體與另一種物體黏結(jié)時的物理作用。影響瀝青與集料之間黏附力的因素包括瀝青與集料的界面張力、瀝青與集料的化學(xué)組成、瀝青的黏性,集料的表面構(gòu)造、孔隙率、清潔度和干濕程度以及瀝青與集料的拌和溫度。瀝青與集料的黏附性可以用四種理論解釋, 即力學(xué)理論、化學(xué)反應(yīng)理論、表面能理論和極性理論。
1） 力學(xué)理論認為, 瀝青與集料之間的黏附性主要是由于其間分子力的作用。集料表面的粗糙多孔、高低不平, 以及集料表面的各種形狀、取向及各種大小的孔隙和微裂縫, 都會提高瀝青與集料之間的黏結(jié)力。此外, 瀝青在高溫時以液相滲入集料孔隙和微隙縫中, 溫度下降時瀝青在孔隙中發(fā)生膠凝硬化, 進而形成了瀝青與集料之間的黏合力。
2） 化學(xué)反應(yīng)理論認為, 礦料的巖性對瀝青與礦料之間的黏附性起關(guān)鍵作用。瀝青中的酸性成分與礦料表面的堿性活性中心發(fā)生了反應(yīng), 使得堿性礦料與瀝青有較好的黏附性。因此, 瀝青的酸性成分越
多, 集料的堿性越強, 瀝青與集料的黏附性越好，抗剝落能力越強。
3） 表面能理論認為, 瀝青對礦料的潤濕能力與其自身的黏附性有關(guān)。瀝青的表面張力越大, 其與礦料的黏附性就越好。
4） 極性理論認為, 表面活性物質(zhì)的分子是由極性基和非極性基組成的不對稱結(jié)構(gòu)。極性基帶有偶極矩, 能表現(xiàn)出力場。瀝青極性是黏附的本性, 是導(dǎo)致集料吸附瀝青的根本原因。瀝青分子的極性越強,
與礦料之間定向的吸附力就越大, 黏附性就越好。
3、瀝青路面水損害的防治措施
要解決瀝青路面水損害問題, 根據(jù)其產(chǎn)生的原因和損害機理, 考慮從以下幾方面采取措施。
1） 路面結(jié)構(gòu)層孔隙率設(shè)計。瀝青面層的各層采用設(shè)計孔隙率不大于5%的密級配瀝青混合料, 并適當(dāng)增加直徑為2.36 mm 的集料用量。防止面層本身透
水, 既可以減輕水損害, 又可以減少轍槽。
2） 排水層設(shè)計。路表排水最好采用硬化土路肩,雨水直接由路面橫坡排水。下面層底可采用瀝青含量高的瀝青砂做下封層和邊緣設(shè)置排水設(shè)施, 或者設(shè)置層間內(nèi)部排水系統(tǒng), 挖方路段和中央分隔帶也應(yīng)建立完整的排水系統(tǒng)。
3） 材料選擇。對于集料, 通常使用孔隙率小于0.5%且粗糙并潔凈的集料。堿性石料比酸性石料具有更好的抗水害的能力。建議瀝青上面層石料采用優(yōu)質(zhì)堿性巖石（ 如玄武巖） , 以增加瀝青路面抗水損害性能, 中下面層采用石灰?guī)r碎石。
瀝青與集料的黏附性與瀝青的黏度有關(guān)。黏度越大, 抗剝離性越好。在選擇瀝青稠度時, 應(yīng)選用針入度小的瀝青, 以增大黏度, 增加抗水損害的性能。此外, 還要防止瀝青污染。
4） 摻加抗剝離劑。當(dāng)瀝青與集料之間的黏附性不合格, 或瀝青混合料的水穩(wěn)定性達不到要求時, 必須摻加抗剝離劑。常用的抗剝離劑有以下3 種。
?。?1） 消石灰。消石灰是最常用、最經(jīng)濟的抗剝離劑, 可提高瀝青的黏性, 改善瀝青混合料的抗剝落性能、水穩(wěn)定性和抗老化性能。
?。?2） 有機高分子材料抗剝離劑。最好選用高溫時穩(wěn)定、難分解且具有陽離子、陰離子兩種極性的抗剝離劑。
（ 3） 水泥。水泥呈堿性, 可使酸性巖石與瀝青形成良好的黏結(jié), 提高瀝青路面抗水損害能力。
5） 施工、養(yǎng)護與管理。從施工角度考慮, 集料應(yīng)干燥、清潔并且拌和良好。若集料潮濕, 應(yīng)提高加熱溫度, 延長拌和時間, 并除去集料中影響瀝青與石料黏結(jié)的雜質(zhì)和塵土。壓實度不足會使孔隙率增大, 降低抗剝離性能, 建議提高壓實度標(biāo)準(zhǔn)值, 并要嚴格防止混合料離析引起水損害。
超重車對瀝青路面的損害非常大。應(yīng)加強管理,對超重車輛嚴格予以控制, 而且要加強養(yǎng)護管理,出現(xiàn)水損害時, 應(yīng)及時處理。
6） 建議制訂地方性路面設(shè)計指南。制訂地方性路面設(shè)計指南, 對于交通量超過104 pcu/d 的高速公路, 瀝青路面的上面層和中面層要求采用改性瀝青;對于上面層, 要求采用SMA 結(jié)構(gòu), 有效提高瀝青路面面層強度和耐久性。
綜上所述, 防治瀝青混合料的水損害, 必須從各個方面綜合采取措施才能夠達到目的。
4、結(jié)語
1） 瀝青路面水損害是國內(nèi)外高等級公路普遍存在的現(xiàn)象, 也是一種嚴重的早期破壞形式, 給公路交通運輸造成極其不利的影響。
2） 瀝青路面水損害的原因復(fù)雜繁多, 應(yīng)認真找出其確切原因, 因地制宜地采取措施, 解決水損害問題。
3） 從結(jié)構(gòu)層設(shè)計、材料選擇及施工控制、管理養(yǎng)護等多方面嚴格控制, 水損害問題是完全可以解決的。
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