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【摘 要】本文首先对进入路面不同水源产生水损害的原因进行分析,提出了相应解决措施,供大家参考。
【关键词】高速公路;沥青路面;水损害;防治措施
Asphalt Pavement Analysis and Prevention of Water Damage
Tang Ding,Du Zhen-ning
(Shandong Highway Testing Center Shandong Jining 272000)
【Abstract】This article first into the pavement produced with different water sources to analyze the causes of water damage is proposed to solve this problem, for your reference.
【Key words】Highway; Asphalt pavement; Water damage; Control measure
1. 前言
近几年来,随着国家对高速公路建设投资力度的加大,我国的公路工程建设十分迅速。沥青混凝土路面以其力学强度高、行车平稳舒适、噪音低、施工期短、维修方便等众多优点越来越受到青睐,我国90%以上的路面为沥青混凝土或改性沥青混凝土路面。但大部分高速公路在建成通车后不久,短的几个月,长的不超过两年,就出现了水损害破坏。沥青路面的这种早期水损害,既是我国高速公路沥青路面最严重的病害之一,也是一个世界性的难题。因此研究高速公路沥青路面水损害机理及防治措施显得非常必要,并具有重大的现实意义。
2. 沥青路面水损害的特点及形成机理
按照其形成过程的不同,可以分为自上而卞的表面层水损害和自下而上的水损害,下面分别对这两种水损害类型加以阐述和说明。
2.1 自上而下表面层水损害。
许多初期的路面水损害都是从上往下发生的,它往往局限于在表面层发生松散和坑槽,如果及时维修,路面性能可以很快恢复。在降雨过程中,雨水首先渗入并滞留在表面层沥青混凝土的孔隙中。当下层的沥青混和料密水性好,且沥青层层厚较大,向下渗透比较困难,在大量高速行车的作用下,反复产生的动水压力逐渐使沥青从集料表面剥离,局部沥青混凝土变得松散,碎石被车轮甩出,路面产生坑槽。
这种水损害是国际上通称的经典的水损害,它是一个水使沥青膜从集料表面脱落,失去附着力的过程。水损坏的先决条件是水的存在,同时存在外力作用环境。汽车荷载的压应力和高速行驶产生的真空吸力形成剪应力的反复泵吸作用,使沥青膜从剥离发展到松散、掉粒、坑槽。损坏的进程与荷载的大小、频度有关。在初始价段,集料与集料之间发生剪切滑移,伴有沥青膜移动和脱离,当剪应力超过沥青与集料之间的粘附力导致附着力丧失,这个过程很短暂,一条公路在长时间干燥少水的情况下可以稳定的使用,一旦有充足、大量的水从裂缝和大的孔隙中迅速渗入并达到饱和,经行车反复泵吸就很快造成沥青膜剥离的环境,并形成表面型坑槽。
2.2 自下而上水损害。
当表面的水从裂缝和孔隙较大的裂隙中进入路面。当沥青路面存在薄弱环节,例如由于离析造成上下有连通的孔隙,水在这些地方比其它地方更容易进入路面内部,并很快进入到基层表面。由于半刚性基层过分致密,不能迅速将水排除时,水滞留在沥青层和基层的界面上,在汽车荷载的作用下,下面层沥青混和料的粗集料对基层造成损伤,并形成灰浆。如果基层表面存在薄弱,如铺筑沥青层前就有浮灰、修补的薄层等:遇水很快就成为灰浆,灰浆从上下连通的孔隙中被荷载挤出,成为唧浆。通过唧浆部位可见,开始发生唧浆的孔一般都很小,肉眼看只有1~2cm,被挤出的灰浆可能喷射到数米以外,尤其是有重载车高速通过时,这种集中的冲击力很大。在发生唧浆的路段,两侧的护栏几乎都被泥浆所污染。与此同时,沥青层和基层的界面条件恶化,可能很快转变为滑动界面条件,沥青层底部承受很大的拉应力,反复荷载的疲劳作用同时发生,并发生拉应力超过极限而开裂。下面层的公称最大粒径较大,离析也比较严重,并存在一些孔隙较大的部位。水在孔隙中承受很大的高速汽车荷载的抽吸作用,孔隙率较大的下面层将很快出现沥青从集料表面剥离,沥青膜逐渐被水乳化而丧失,集料松散,这种情况逐渐向上发展,最后顶破表面,成为坑槽。
这种水损害多发生在雨季、季节性冰冻地区的春融季节,有时一场几天的大雨就导致严重破坏。水损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。发生水损害的地方一般是透水较严重且排水又不畅的部位,如挖开可见下面有积水或浮浆。一般情况下行车道破坏严重,超车道没有破坏,显然与重车、超载车有关。
3. 沥青路面水损害预防措施
通过对沥青路面水损害的机理分析,我们知道造成水损害的主要原因是水,但由于水损害产生的数量及速度与沥青混凝土密实度及空隙率大小、沥青与粗集料的粘附力大小或有无使用抗剥落剂、交通量大小及重(超)载车辆的多少也有一定的关系,所以,有效防治水损害发生,应从以下几方面考虑。
3.1 合理设计,健全道路防、排水系统。
降落或汇流到中央分隔带或路肩上的雨水,会下渗进入分隔带或路肩部分的土体中,并会沿路面边缘侧向渗入路面结构内部,甚至会渗透侵入路基内,而影响到行车道路基路面的稳定。另一方面,路表水和渗入路面结构内部的水分,都要通过中央分隔带或路肩向外排泄。因此,设置好分隔带和路肩的防、排水设施,是防治高等级沥青路面雨水侵渗破坏的一个重要方面。 设置下封层可有效阻止水分向基层及其以下侵渗。对于高等级半刚性基层沥青路面,尽量考虑设置下封层,改变以往那种靠浇洒透层沥青兼起防水作用的不正确的做法。由于这类路面一般情况下采用半刚性材料稳定碎石基层,基层顶面往往存积粉尘,很难清扫干净而完全露出碎石。透层沥青可以渗入碎石间隙,但在粉尘上无法牢固粘结,施工车辆行驶时会出现起皮和卷带,致使透层不完整,起不到防水作用。下封层可采用拌和法或层铺法施工的单层式沥青表面处治,也可采用乳化沥青稀浆封层等。
3.2 控制沥青路面空隙率,防止或减少水分进入内部。
据有关研究表明,当路面实际空隙率为7%~14%时,水容易渗入沥青混合料内部,并在行车荷载作用下产生较大毛细压力而形成动力水,是发生水损害的最危险孔隙率,而4%～5%的空隙率就认为是不透水的,也就是说与水损害无关;大于12%的空隙率,水很容易流走,但必须要设置排水的结构层。据美国战略公路研究计划的调查,沥青路面最合理的残留空隙率为4%。所以必须提高对空隙率重要性的认识,迅速改变因片面追求平整度和担心构造深度而忽视对空隙率控制的现象。
3.3 提高沥青与集料的粘附性,提高集料之间的粘结力。
提高沥青与集料的粘附性和抗剥离性能,是很久以来道路和沥青制造部门共同研究的课题。例如用一部分石灰、水泥代替矿粉,或在沥青中添加少量环烷类高分子有机酸,可以改善沥青与集料的粘附性。尤其是添加钙、铅、锰等各种类型的金属皂,能够有效地提高沥青与集料的粘附性。近年来,随着表面化学科学的发展,各种表面活性材料的开发,使各种抗剥落剂应运而生。添加抗剥落剂能改善和提高沥青混合料抗水损害能力,但抗剥落剂(液体和石灰添加剂)对集料和沥青有选择性。因此,不能轻易得出某种抗剥落剂不好或是劣质产品的结论,应通过周密的试验设计来进行筛选。石灰是一种很有效的抗剥落剂,但使用比较困难。
3.4 提高施工质量。
施工前原材料的选用必须规格、均匀,配合比设计必须严密,而且注意防止集料的污染。在施工过程中必须注意沥青混凝土拌合的均匀性以及摊铺的宽度,防止粗细集料离析。严格控制沥青混合料拌合温度、出场温度和碾压温度,混合料拌合温度过高容易造成沥青老化,沥青与集料的粘附性也会明显降低,严重时会造成面层局部色泽不一致或路面过早老化破坏等现象。据国外有关试验数据表明,沥青混合料的温度低于90℃,实际上已不可能再被进一步压实。再者,尽量通过使用高效配套的碾压设备、增加碾压遍数等提高压实度以减小空隙率,空隙率大的位置滞留水越多破坏现象越严重。
3.5 严格控制超载车辆。
公路管理部门应该按照《公路法》及交通部《超限运输车辆行驶公路规定》的要求对超载车辆进行强制卸载,并在入口处设卡不让超载车辆进入高速公路。
4. 结束语
高速公路沥青路面早期水损害的产生原因很多,分析和防治相当困难。我国对路面水损害的研究还比较落后,应该努力借鉴国外先进经验,认真找出沥青路面水损害的确切原因,因地制宜地采取处治措施。
参考文献
[1] 沈金安.沥青及沥青混合料的路用性能[M],北京:人民交通出版社,2001.
[2] 沙庆林.公路压实与压实标准[M].北京:人民交通出版社.2001.
[3] 沙庆林. 高速公路沥青混凝土路面的水破坏及防治措施[J].国外公路,2000,20(3): [4] 林绣贤.柔性路面结构设计方法[M].北京:人民交通出版社,1988.
[5] 东南大学交通学院.高等级公路柔性路面设计优化研究报告[R].1994.
[文章编号]1006-7619(2010)04-13-286
[作者简介]唐丁(1985.10.16-),女,工作单位:山东省公路检测中心,职称:助理工程师。
【关键词】高速公路;沥青路面;水损害;防治措施
Asphalt Pavement Analysis and Prevention of Water Damage
Tang Ding,Du Zhen-ning
(Shandong Highway Testing Center Shandong Jining 272000)
【Abstract】This article first into the pavement produced with different water sources to analyze the causes of water damage is proposed to solve this problem, for your reference.
【Key words】Highway; Asphalt pavement; Water damage; Control measure
1. 前言
近几年来,随着国家对高速公路建设投资力度的加大,我国的公路工程建设十分迅速。沥青混凝土路面以其力学强度高、行车平稳舒适、噪音低、施工期短、维修方便等众多优点越来越受到青睐,我国90%以上的路面为沥青混凝土或改性沥青混凝土路面。但大部分高速公路在建成通车后不久,短的几个月,长的不超过两年,就出现了水损害破坏。沥青路面的这种早期水损害,既是我国高速公路沥青路面最严重的病害之一,也是一个世界性的难题。因此研究高速公路沥青路面水损害机理及防治措施显得非常必要,并具有重大的现实意义。
2. 沥青路面水损害的特点及形成机理
按照其形成过程的不同,可以分为自上而卞的表面层水损害和自下而上的水损害,下面分别对这两种水损害类型加以阐述和说明。
2.1 自上而下表面层水损害。
许多初期的路面水损害都是从上往下发生的,它往往局限于在表面层发生松散和坑槽,如果及时维修,路面性能可以很快恢复。在降雨过程中,雨水首先渗入并滞留在表面层沥青混凝土的孔隙中。当下层的沥青混和料密水性好,且沥青层层厚较大,向下渗透比较困难,在大量高速行车的作用下,反复产生的动水压力逐渐使沥青从集料表面剥离,局部沥青混凝土变得松散,碎石被车轮甩出,路面产生坑槽。
这种水损害是国际上通称的经典的水损害,它是一个水使沥青膜从集料表面脱落,失去附着力的过程。水损坏的先决条件是水的存在,同时存在外力作用环境。汽车荷载的压应力和高速行驶产生的真空吸力形成剪应力的反复泵吸作用,使沥青膜从剥离发展到松散、掉粒、坑槽。损坏的进程与荷载的大小、频度有关。在初始价段,集料与集料之间发生剪切滑移,伴有沥青膜移动和脱离,当剪应力超过沥青与集料之间的粘附力导致附着力丧失,这个过程很短暂,一条公路在长时间干燥少水的情况下可以稳定的使用,一旦有充足、大量的水从裂缝和大的孔隙中迅速渗入并达到饱和,经行车反复泵吸就很快造成沥青膜剥离的环境,并形成表面型坑槽。
2.2 自下而上水损害。
当表面的水从裂缝和孔隙较大的裂隙中进入路面。当沥青路面存在薄弱环节,例如由于离析造成上下有连通的孔隙,水在这些地方比其它地方更容易进入路面内部,并很快进入到基层表面。由于半刚性基层过分致密,不能迅速将水排除时,水滞留在沥青层和基层的界面上,在汽车荷载的作用下,下面层沥青混和料的粗集料对基层造成损伤,并形成灰浆。如果基层表面存在薄弱,如铺筑沥青层前就有浮灰、修补的薄层等:遇水很快就成为灰浆,灰浆从上下连通的孔隙中被荷载挤出,成为唧浆。通过唧浆部位可见,开始发生唧浆的孔一般都很小,肉眼看只有1~2cm,被挤出的灰浆可能喷射到数米以外,尤其是有重载车高速通过时,这种集中的冲击力很大。在发生唧浆的路段,两侧的护栏几乎都被泥浆所污染。与此同时,沥青层和基层的界面条件恶化,可能很快转变为滑动界面条件,沥青层底部承受很大的拉应力,反复荷载的疲劳作用同时发生,并发生拉应力超过极限而开裂。下面层的公称最大粒径较大,离析也比较严重,并存在一些孔隙较大的部位。水在孔隙中承受很大的高速汽车荷载的抽吸作用,孔隙率较大的下面层将很快出现沥青从集料表面剥离,沥青膜逐渐被水乳化而丧失,集料松散,这种情况逐渐向上发展,最后顶破表面,成为坑槽。
这种水损害多发生在雨季、季节性冰冻地区的春融季节,有时一场几天的大雨就导致严重破坏。水损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。发生水损害的地方一般是透水较严重且排水又不畅的部位,如挖开可见下面有积水或浮浆。一般情况下行车道破坏严重,超车道没有破坏,显然与重车、超载车有关。
3. 沥青路面水损害预防措施
通过对沥青路面水损害的机理分析,我们知道造成水损害的主要原因是水,但由于水损害产生的数量及速度与沥青混凝土密实度及空隙率大小、沥青与粗集料的粘附力大小或有无使用抗剥落剂、交通量大小及重(超)载车辆的多少也有一定的关系,所以,有效防治水损害发生,应从以下几方面考虑。
3.1 合理设计,健全道路防、排水系统。
降落或汇流到中央分隔带或路肩上的雨水,会下渗进入分隔带或路肩部分的土体中,并会沿路面边缘侧向渗入路面结构内部,甚至会渗透侵入路基内,而影响到行车道路基路面的稳定。另一方面,路表水和渗入路面结构内部的水分,都要通过中央分隔带或路肩向外排泄。因此,设置好分隔带和路肩的防、排水设施,是防治高等级沥青路面雨水侵渗破坏的一个重要方面。 设置下封层可有效阻止水分向基层及其以下侵渗。对于高等级半刚性基层沥青路面,尽量考虑设置下封层,改变以往那种靠浇洒透层沥青兼起防水作用的不正确的做法。由于这类路面一般情况下采用半刚性材料稳定碎石基层,基层顶面往往存积粉尘,很难清扫干净而完全露出碎石。透层沥青可以渗入碎石间隙,但在粉尘上无法牢固粘结,施工车辆行驶时会出现起皮和卷带,致使透层不完整,起不到防水作用。下封层可采用拌和法或层铺法施工的单层式沥青表面处治,也可采用乳化沥青稀浆封层等。
3.2 控制沥青路面空隙率,防止或减少水分进入内部。
据有关研究表明,当路面实际空隙率为7%~14%时,水容易渗入沥青混合料内部,并在行车荷载作用下产生较大毛细压力而形成动力水,是发生水损害的最危险孔隙率,而4%～5%的空隙率就认为是不透水的,也就是说与水损害无关;大于12%的空隙率,水很容易流走,但必须要设置排水的结构层。据美国战略公路研究计划的调查,沥青路面最合理的残留空隙率为4%。所以必须提高对空隙率重要性的认识,迅速改变因片面追求平整度和担心构造深度而忽视对空隙率控制的现象。
3.3 提高沥青与集料的粘附性,提高集料之间的粘结力。
提高沥青与集料的粘附性和抗剥离性能,是很久以来道路和沥青制造部门共同研究的课题。例如用一部分石灰、水泥代替矿粉,或在沥青中添加少量环烷类高分子有机酸,可以改善沥青与集料的粘附性。尤其是添加钙、铅、锰等各种类型的金属皂,能够有效地提高沥青与集料的粘附性。近年来,随着表面化学科学的发展,各种表面活性材料的开发,使各种抗剥落剂应运而生。添加抗剥落剂能改善和提高沥青混合料抗水损害能力,但抗剥落剂(液体和石灰添加剂)对集料和沥青有选择性。因此,不能轻易得出某种抗剥落剂不好或是劣质产品的结论,应通过周密的试验设计来进行筛选。石灰是一种很有效的抗剥落剂,但使用比较困难。
3.4 提高施工质量。
施工前原材料的选用必须规格、均匀,配合比设计必须严密,而且注意防止集料的污染。在施工过程中必须注意沥青混凝土拌合的均匀性以及摊铺的宽度,防止粗细集料离析。严格控制沥青混合料拌合温度、出场温度和碾压温度,混合料拌合温度过高容易造成沥青老化,沥青与集料的粘附性也会明显降低,严重时会造成面层局部色泽不一致或路面过早老化破坏等现象。据国外有关试验数据表明,沥青混合料的温度低于90℃,实际上已不可能再被进一步压实。再者,尽量通过使用高效配套的碾压设备、增加碾压遍数等提高压实度以减小空隙率,空隙率大的位置滞留水越多破坏现象越严重。
3.5 严格控制超载车辆。
公路管理部门应该按照《公路法》及交通部《超限运输车辆行驶公路规定》的要求对超载车辆进行强制卸载,并在入口处设卡不让超载车辆进入高速公路。
4. 结束语
高速公路沥青路面早期水损害的产生原因很多,分析和防治相当困难。我国对路面水损害的研究还比较落后,应该努力借鉴国外先进经验,认真找出沥青路面水损害的确切原因,因地制宜地采取处治措施。
参考文献
[1] 沈金安.沥青及沥青混合料的路用性能[M],北京:人民交通出版社,2001.
[2] 沙庆林.公路压实与压实标准[M].北京:人民交通出版社.2001.
[3] 沙庆林. 高速公路沥青混凝土路面的水破坏及防治措施[J].国外公路,2000,20(3): [4] 林绣贤.柔性路面结构设计方法[M].北京:人民交通出版社,1988.
[5] 东南大学交通学院.高等级公路柔性路面设计优化研究报告[R].1994.
[文章编号]1006-7619(2010)04-13-286
[作者简介]唐丁(1985.10.16-),女,工作单位:山东省公路检测中心,职称:助理工程师。