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【摘 要】 随着公路等级的提高，车速不断提高，尤其在南方多雨地区，由高速行驶的车辆产生的动水压力导致的水损害层出不穷，使人们逐渐认识到动水的破坏作用，但是对动水压力的大小、作用过程以及动水压力的产生机理都不甚了解。本文从集料与沥青的粘附–剥离机理出发，分析了沥青混凝土路面水损害的产生机理，研究影响水损害的主要因素。
【关键词】 动水压力;水损害;机理;影响因素
1 概述
沥青路面水损害是世界各国道路工作者面临的一个共同难题，水是导致路面早期损坏的首要外部因素早已成为共识。水损害的本质是水进入到沥青路面后，在行车荷载和温度胀缩的交变作用下产生超孔隙水压，对沥青面层内的孔隙产生冲刷作用，促使集料与沥青剥离，程度不断加深导致沥青面层出现剥落和松散，从而使整个路面结构的使用性能迅速变坏[1]。
2 集料与沥青粘附–剥离理论
国内外对集料与沥青的粘附–剥离机理进行了大量的研究分析，提出了不同的看法，主要形成了六种理论：机械粘附理论、化学反应理论、表面能理论、极性理论、表面构造理论、胶浆理论[2]。
1.机械粘附理论
该理论认为沥青与集料之间的粘附性主要来源于一种分子力：机械粘合力的作用。从微观上看，集料表面粗糙不平、多微空隙、裂隙，这增加了集料与沥青接触的粘合面积。此外，高温时呈液相的沥青胶结料，渗入集料空隙与微隙縫中，胶凝硬化后楔入与锚固在集料表面，形成了沥青与骨料之间的机械粘合力。
2.化学反应理论
该理论认为，沥青中的酸性成分与集料表面碱性活性成分发生化学反应是粘结力的主要来源。由于酸性集料缺乏这种碱性活性中心，所以粘附性较碱性集料差，易发生剥离。该理论还认为粘结面上的粘结物和粘结剂之间发生化学反应产生新生成物而产生粘结。
3.表面能理论
该理论应用润湿理论来解释沥青膜在集料表面的“铺展”或被水所置换而“剥落”的过程。该理论认为：当遇水时，沥青–集料界面张力总是大于集料–水界面张力，所以沥青易于剥落。
4.极性理论
该理论认为：表面活性物质分子是由非极性基和极性基构成的不对称结构，极性基带有偶极矩，能表现出力场。沥青中的极性基，如–OH、–COOH、–NH2等，在集料表面发生极性分子定向移动而形成致密的表面吸附层。所以，沥青极性是粘附的本质，是导致集料吸附沥青的根本原因。但是由于水是有氢键的极性分子，对石料的吸附力很强。所以当沥青与亲水性石料粘附时，水进入时后，沥青易被水所剥落;当沥青与憎水性石料粘附时，不易被水剥落。
5.表面构造理论
该理论从集料表面构造角度出发，认为沥青与粗糙表面石料的平衡接触角总比平滑表面石料的接触角小，所以粘附性提高
6.胶浆理论
该理论从胶浆理论出发，认为沥青混合料是一种多级空间网状结构的分散系，它是由粗、细集料和填料按一定比例配成的密实矿物骨架，该矿物骨架表面分布有稠度较稀的沥青结合料，将它们胶结成一个具有强度的整体。
表1 集料与沥青的粘结–剥离理论比较
理论 粘附–剥离机理 优缺点
机械粘附理论 机械粘合力、楔入和锚固 认为其间只有机械粘合力，过于简单
化学反应理论 碱性活性成分、酸碱反应 新生成物质无法确定，有待于进一步发展完善
表面能理论 润湿理论、表面张力、置换 仅考虑表面张力没考虑沥青与集料的粘粘力
极性理论 沥青极性、力场 提出了物理吸附与化学吸附的概念
表面构造理论 平衡接触角 从集料表面构造方面阐述机理，便于实际应用
胶浆理论 胶浆理论、分散系 没有考虑影响强度的内、外因，过于笼统
这六种理论分别从不同角度对沥青与集料的粘附–剥落的机理予以阐述，各有优劣，但由于影响沥青与集料粘附力的因素很多，机理也十分复杂，只有六种理论互相补充，才能相得益彰。
3 动水压力破坏机理
路面上动水作用有两种形式，一是路表面的积水在行车荷载作用下产生表面动水压力，另一种是进入路面裂缝或空隙内的水在行车荷载作用下产生的内部动水压力-孔隙水压力，两者共同作用，相互影响，加速路面破坏。只有弄清了两种类型动水作用的产生机理、作用方式及影响因素，才能对症下药，提前预防和解决路面的水损害问题。
3.1表面动水压力
3.1.1机理分析
在降雨天或路表面积水时，高速行驶的车辆经过水膜覆盖的路面，轮胎和路面之间的水被挤压，就会在路表产生表面动水压力。车辆在水膜覆盖的路面上行驶时，轮胎–水膜–路面三者的接触状态如图1所示。
图1 路表面动水压力产生原理图
表面动水压力是不容小觑的，可以利用流体力学的理论对表面动水压力进行理论分析和计算[3]。假设轮胎的胎面为平面，且与路面接触前端倾斜角很小，则由伯努利方程知，胎前水流停滞点处的动水压力满足：
（1）
式中：-动水压力，Pa;
-水的密度，Kg/m3;
-车速，m/s。
由式1计算所得不同车速下的表面动水压力如图2所示。
图2 车速与动水压力关系
有上述可知，表面动水压力随车速级数增长，当车速为120Km/h时表面动水压力接近0.6MPa，150Km/h时表面动水压力已经达到0.9MPa，路面在这么大的压力作用下透水性大大增强，尤其在降雨丰富的广东地区，路面长期经受如此大的表面动水压力。
因此，车辆在有水的路面上行驶时，轮下强大的表面动水压力是如影随行、无时不在的，当遇到空隙率偏大处，就将水强制压入路面内部，重复作用下此处的空隙率就会越来越大，而且范围逐渐扩展。同时由于设计、施工等原因，沥青路面上面层和下面层底部存在软弱夹层，空隙率较大，而上部空隙率较小，水分就会滞留在内部，一旦水分排不出去，存于内部的水就会成为水损害产生的隐患。 3.1.2影响因素
表面动水压力的产生是一个复杂的过程，它除了与车速有关外，还有很多影响因素，比如：道路的表面功能特征、水的性质、深度、温度以及轮胎的结构、材料、花纹、胎压等。
3.2孔隙水压力
3.2.1机理分析
由以上分析可知，巨大的表面动水压力可以强制将路表水压入路面内部，却不能直接对路面产生破坏作用，压入路面内部的水在车辆荷载作用下产生的孔隙水压力才是路面破坏的肇事者。孔隙水压力有由微观和宏观两种作用方式，且同时进行、相互影响，使破坏逐步加深。
从宏观上看，高速行驶的车辆经过路面空隙率过大或含裂缝的区域时，轮胎前方产生的正孔隙水压力将水压入孔隙或裂缝内，车辆驶离时，胎后的负孔隙水压力又降水吸出，如图3。每次车辆经过时都会产生一次泵吸作用，高压水的反复泵吸作用对孔隙或裂缝不断冲刷，加速集料与沥青剥离，并将冲刷界面两侧的材料从缝隙中带出，促使沥青面层出现剥落、松散和坑槽，影響整个路面的使用性能。
图3 宏观孔隙水压力作用机理
从微观上看，水进入到沥青铺装层材料内部微孔隙或微裂缝，存在于微裂缝中的水在行车荷载的作用下也会产生孔隙水压力，特别是在高温季节由于沥青胶结料粘聚力降低，难以抵抗孔隙水压的重复作用，导致集料与沥青在薄弱位置首先剥离，于是水分逐步浸入到集料与沥青的接触界面或沥青胶结料内部，使沥青胶结料自身粘聚力降低，对集料的粘附性下降，加上宏观孔隙水压力的重复泵吸作用，集料就会整个从沥青胶结料剥离。
3.2.2影响因素分析
影响路面内孔隙水压力的主要因素有车速和荷载，国内外学者基于多孔介质理论对路面内孔隙水压力进行了大量的研究和探讨[4，5，6，7]。
（1）车速
图4 不同车速条件下上、中面层界面孔隙水压力时程变化曲线
由上图4可以看出，随着车速的增加，孔隙水压力增加显著，车速120Km/h时孔隙水正压力最大可以达到0.4Mpa。这是由于车速增加，荷载作用的时间减少导致孔隙内部水分不易及时排出，较大比例的荷载传递到了孔隙内的流体上，导致孔隙水压力增大。
（2）荷载
不同荷载条件下孔隙水压力的时程变化曲线如图5所示，由图中可以看出，荷载由0.7MPa增加到1.3MPa，正、负孔隙水压力的增幅都很大，荷载为1.3MPa时最大孔隙水压力可以超过0.6Mpa。这说明车辆荷载增加，增大了加大了传递到了孔隙内的流体上的应力，导致孔隙水压力增大。
图5 不同荷载条件下上、中面层界面孔隙水压力时程变化曲线
4 结论
通过对动水压力的破坏机理分析可以看出，水是各种病害产生的诱因，一旦水进入沥青路面沥青混合料内部，进入孔隙内的自由水在行车荷载下，会成为高孔隙水压力和高流速的水流，将沥青从集料表面剥离，促使沥青面层出现剥落和松散，在荷载作用下产生的孔隙水压力对混合料的破坏将是不可避免而且十分严重的。因此，对车辆荷载作用下沥青路面内饱水裂缝产生的超孔隙水压力进行分析，不仅有一定的理论价值，而且对认识影响水损害的因素，寻找评价水稳性的优良办法，控制水损害的发生，促进我国高速公路的发展具有十分重要的现实意义。
参考文献：
[1]沙庆林.高速公路沥青路面的水破坏及其防治措施[J].国外公路，2000，20（4）：1-5
[2]王德强.湿热地区桥面铺装内部动水行为及材料组成设计优化研究[D].西安，长安大学，2011
[3]庄继德.汽车轮胎学[M].北京：北京理工大学出版社，1997
[4]董泽蛟，谭忆秋，曹丽萍等.水-荷载藕合作用下沥青路面孔隙水压力研究[J].哈尔滨工业大学学报，2007，39（10）：1614-1617
[5]傅搏峰.沥青路面水损害疲劳破坏过程的数值模拟分析[D].长沙：长沙理工大学，2005
[6]蔡云梅.沥青路面水损害一孔隙水压力影响因素的研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2010
[7]丛波日，张晓春，李春勇.动载下沥青路面超孔隙水压力分析[J].交通科技，2007，（5）：51-53
【关键词】 动水压力;水损害;机理;影响因素
1 概述
沥青路面水损害是世界各国道路工作者面临的一个共同难题，水是导致路面早期损坏的首要外部因素早已成为共识。水损害的本质是水进入到沥青路面后，在行车荷载和温度胀缩的交变作用下产生超孔隙水压，对沥青面层内的孔隙产生冲刷作用，促使集料与沥青剥离，程度不断加深导致沥青面层出现剥落和松散，从而使整个路面结构的使用性能迅速变坏[1]。
2 集料与沥青粘附–剥离理论
国内外对集料与沥青的粘附–剥离机理进行了大量的研究分析，提出了不同的看法，主要形成了六种理论：机械粘附理论、化学反应理论、表面能理论、极性理论、表面构造理论、胶浆理论[2]。
1.机械粘附理论
该理论认为沥青与集料之间的粘附性主要来源于一种分子力：机械粘合力的作用。从微观上看，集料表面粗糙不平、多微空隙、裂隙，这增加了集料与沥青接触的粘合面积。此外，高温时呈液相的沥青胶结料，渗入集料空隙与微隙縫中，胶凝硬化后楔入与锚固在集料表面，形成了沥青与骨料之间的机械粘合力。
2.化学反应理论
该理论认为，沥青中的酸性成分与集料表面碱性活性成分发生化学反应是粘结力的主要来源。由于酸性集料缺乏这种碱性活性中心，所以粘附性较碱性集料差，易发生剥离。该理论还认为粘结面上的粘结物和粘结剂之间发生化学反应产生新生成物而产生粘结。
3.表面能理论
该理论应用润湿理论来解释沥青膜在集料表面的“铺展”或被水所置换而“剥落”的过程。该理论认为：当遇水时，沥青–集料界面张力总是大于集料–水界面张力，所以沥青易于剥落。
4.极性理论
该理论认为：表面活性物质分子是由非极性基和极性基构成的不对称结构，极性基带有偶极矩，能表现出力场。沥青中的极性基，如–OH、–COOH、–NH2等，在集料表面发生极性分子定向移动而形成致密的表面吸附层。所以，沥青极性是粘附的本质，是导致集料吸附沥青的根本原因。但是由于水是有氢键的极性分子，对石料的吸附力很强。所以当沥青与亲水性石料粘附时，水进入时后，沥青易被水所剥落;当沥青与憎水性石料粘附时，不易被水剥落。
5.表面构造理论
该理论从集料表面构造角度出发，认为沥青与粗糙表面石料的平衡接触角总比平滑表面石料的接触角小，所以粘附性提高
6.胶浆理论
该理论从胶浆理论出发，认为沥青混合料是一种多级空间网状结构的分散系，它是由粗、细集料和填料按一定比例配成的密实矿物骨架，该矿物骨架表面分布有稠度较稀的沥青结合料，将它们胶结成一个具有强度的整体。
表1 集料与沥青的粘结–剥离理论比较
理论 粘附–剥离机理 优缺点
机械粘附理论 机械粘合力、楔入和锚固 认为其间只有机械粘合力，过于简单
化学反应理论 碱性活性成分、酸碱反应 新生成物质无法确定，有待于进一步发展完善
表面能理论 润湿理论、表面张力、置换 仅考虑表面张力没考虑沥青与集料的粘粘力
极性理论 沥青极性、力场 提出了物理吸附与化学吸附的概念
表面构造理论 平衡接触角 从集料表面构造方面阐述机理，便于实际应用
胶浆理论 胶浆理论、分散系 没有考虑影响强度的内、外因，过于笼统
这六种理论分别从不同角度对沥青与集料的粘附–剥落的机理予以阐述，各有优劣，但由于影响沥青与集料粘附力的因素很多，机理也十分复杂，只有六种理论互相补充，才能相得益彰。
3 动水压力破坏机理
路面上动水作用有两种形式，一是路表面的积水在行车荷载作用下产生表面动水压力，另一种是进入路面裂缝或空隙内的水在行车荷载作用下产生的内部动水压力-孔隙水压力，两者共同作用，相互影响，加速路面破坏。只有弄清了两种类型动水作用的产生机理、作用方式及影响因素，才能对症下药，提前预防和解决路面的水损害问题。
3.1表面动水压力
3.1.1机理分析
在降雨天或路表面积水时，高速行驶的车辆经过水膜覆盖的路面，轮胎和路面之间的水被挤压，就会在路表产生表面动水压力。车辆在水膜覆盖的路面上行驶时，轮胎–水膜–路面三者的接触状态如图1所示。
图1 路表面动水压力产生原理图
表面动水压力是不容小觑的，可以利用流体力学的理论对表面动水压力进行理论分析和计算[3]。假设轮胎的胎面为平面，且与路面接触前端倾斜角很小，则由伯努利方程知，胎前水流停滞点处的动水压力满足：
（1）
式中：-动水压力，Pa;
-水的密度，Kg/m3;
-车速，m/s。
由式1计算所得不同车速下的表面动水压力如图2所示。
图2 车速与动水压力关系
有上述可知，表面动水压力随车速级数增长，当车速为120Km/h时表面动水压力接近0.6MPa，150Km/h时表面动水压力已经达到0.9MPa，路面在这么大的压力作用下透水性大大增强，尤其在降雨丰富的广东地区，路面长期经受如此大的表面动水压力。
因此，车辆在有水的路面上行驶时，轮下强大的表面动水压力是如影随行、无时不在的，当遇到空隙率偏大处，就将水强制压入路面内部，重复作用下此处的空隙率就会越来越大，而且范围逐渐扩展。同时由于设计、施工等原因，沥青路面上面层和下面层底部存在软弱夹层，空隙率较大，而上部空隙率较小，水分就会滞留在内部，一旦水分排不出去，存于内部的水就会成为水损害产生的隐患。 3.1.2影响因素
表面动水压力的产生是一个复杂的过程，它除了与车速有关外，还有很多影响因素，比如：道路的表面功能特征、水的性质、深度、温度以及轮胎的结构、材料、花纹、胎压等。
3.2孔隙水压力
3.2.1机理分析
由以上分析可知，巨大的表面动水压力可以强制将路表水压入路面内部，却不能直接对路面产生破坏作用，压入路面内部的水在车辆荷载作用下产生的孔隙水压力才是路面破坏的肇事者。孔隙水压力有由微观和宏观两种作用方式，且同时进行、相互影响，使破坏逐步加深。
从宏观上看，高速行驶的车辆经过路面空隙率过大或含裂缝的区域时，轮胎前方产生的正孔隙水压力将水压入孔隙或裂缝内，车辆驶离时，胎后的负孔隙水压力又降水吸出，如图3。每次车辆经过时都会产生一次泵吸作用，高压水的反复泵吸作用对孔隙或裂缝不断冲刷，加速集料与沥青剥离，并将冲刷界面两侧的材料从缝隙中带出，促使沥青面层出现剥落、松散和坑槽，影響整个路面的使用性能。
图3 宏观孔隙水压力作用机理
从微观上看，水进入到沥青铺装层材料内部微孔隙或微裂缝，存在于微裂缝中的水在行车荷载的作用下也会产生孔隙水压力，特别是在高温季节由于沥青胶结料粘聚力降低，难以抵抗孔隙水压的重复作用，导致集料与沥青在薄弱位置首先剥离，于是水分逐步浸入到集料与沥青的接触界面或沥青胶结料内部，使沥青胶结料自身粘聚力降低，对集料的粘附性下降，加上宏观孔隙水压力的重复泵吸作用，集料就会整个从沥青胶结料剥离。
3.2.2影响因素分析
影响路面内孔隙水压力的主要因素有车速和荷载，国内外学者基于多孔介质理论对路面内孔隙水压力进行了大量的研究和探讨[4，5，6，7]。
（1）车速
图4 不同车速条件下上、中面层界面孔隙水压力时程变化曲线
由上图4可以看出，随着车速的增加，孔隙水压力增加显著，车速120Km/h时孔隙水正压力最大可以达到0.4Mpa。这是由于车速增加，荷载作用的时间减少导致孔隙内部水分不易及时排出，较大比例的荷载传递到了孔隙内的流体上，导致孔隙水压力增大。
（2）荷载
不同荷载条件下孔隙水压力的时程变化曲线如图5所示，由图中可以看出，荷载由0.7MPa增加到1.3MPa，正、负孔隙水压力的增幅都很大，荷载为1.3MPa时最大孔隙水压力可以超过0.6Mpa。这说明车辆荷载增加，增大了加大了传递到了孔隙内的流体上的应力，导致孔隙水压力增大。
图5 不同荷载条件下上、中面层界面孔隙水压力时程变化曲线
4 结论
通过对动水压力的破坏机理分析可以看出，水是各种病害产生的诱因，一旦水进入沥青路面沥青混合料内部，进入孔隙内的自由水在行车荷载下，会成为高孔隙水压力和高流速的水流，将沥青从集料表面剥离，促使沥青面层出现剥落和松散，在荷载作用下产生的孔隙水压力对混合料的破坏将是不可避免而且十分严重的。因此，对车辆荷载作用下沥青路面内饱水裂缝产生的超孔隙水压力进行分析，不仅有一定的理论价值，而且对认识影响水损害的因素，寻找评价水稳性的优良办法，控制水损害的发生，促进我国高速公路的发展具有十分重要的现实意义。
参考文献：
[1]沙庆林.高速公路沥青路面的水破坏及其防治措施[J].国外公路，2000，20（4）：1-5
[2]王德强.湿热地区桥面铺装内部动水行为及材料组成设计优化研究[D].西安，长安大学，2011
[3]庄继德.汽车轮胎学[M].北京：北京理工大学出版社，1997
[4]董泽蛟，谭忆秋，曹丽萍等.水-荷载藕合作用下沥青路面孔隙水压力研究[J].哈尔滨工业大学学报，2007，39（10）：1614-1617
[5]傅搏峰.沥青路面水损害疲劳破坏过程的数值模拟分析[D].长沙：长沙理工大学，2005
[6]蔡云梅.沥青路面水损害一孔隙水压力影响因素的研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2010
[7]丛波日，张晓春，李春勇.动载下沥青路面超孔隙水压力分析[J].交通科技，2007，（5）：51-53