沥青路面水稳定性研究现状

张景君 潘宝峰 时红玉

(大连理工大学交通运输学院，辽宁大连 116023)

0 引言

沥青路面因其施工方便快捷、舒适度高等优点在我国各等级公路中应用广泛，但伴随着速度的提高、交通量的增加和超载现象等因素，沥青路面早期破坏现象日益突出，沥青路面使用寿命逐年降低。国内许多高等级公路通车一至两年其沥青面层就出现了麻面、松散、掉粒等破坏现象，随时间增长发展成为网裂、坑洞等严重破坏类型，道路结构基层也破坏严重。这些破坏现象的出现严重影响了沥青路面的使用性能，阻碍了沥青路面应用技术的推广，给我国国民经济和人民的生活带来了极坏的影响。面对沥青路面的早期破坏，世界各国道路科研工作者纷纷进行了大量的调查研究，研究结果表明这些病害的出现都与水有关，即道路发生了水损害［1-6］。所谓沥青路面的水损害，是指在一定孔隙率的条件下，当水进入到沥青路面结构中且不易排出时，经过汽车车轮动态荷载和温度胀缩的反复作用，路面内部产生动水压力，在动水压力作用下，水分侵入到沥青与集料的界面上，冲刷沥青与集料使沥青膜从沥青表面剥离，导致集料之间的粘结力丧失，最后引起路面结构破坏的损伤过程［7］。沥青路面水损害是一个缓慢的过程，这种损坏往往最早产生于下面层甚至基层，然后逐渐反射到上面层，导致沥青路面被破坏，破坏形式主要有网裂、唧浆、掉粒、松散及坑槽等。最为严重的是水降低沥青与集料间粘结力，导致集料与沥青分离，使原本完整的具有较高强度的路面结构变为一层松散的集料，最终导致道路路用性能完全丧失。因此，深入研究沥青路面水损害的产生机理、影响因素、评价方法，增加沥青混合料的抗水损害能力，提高沥青路面的水稳定性，对于改善路面质量、延长路面的使用寿命、降低道路的养护维修成本、提高道路服务水平具有巨大的现实意义。

1 沥青混合料水损害机理

综合国内外研究，沥青混合料水损害机理主要可概括为三种，即静水作用机理、动水压力作用机理和粘附—剥离机理。

静水作用机理主要是从静水与沥青膜之间的物理化学作用分析沥青膜的剥落机理。首先，水进入沥青中降低沥青的粘附性，导致沥青混合料的强度和劲度变小，渐渐的水渗入到沥青薄膜和集料之间，阻断沥青和集料的相互粘结作用，同时，由于集料表面对水的吸附力比沥青强，使得沥青与集料表面的接触面逐渐减少，最终导致沥青从集料表面剥落，集料间粘结力丧失。

动水压力作用机理主要从动水压力(包括动孔隙水压力与冲刷力)在水损坏过程中的驱动作用分析。水的驱动作用主要表现为两个方面:一个是动水压力的冲刷导致沥青膜软化和剥落;一个是动水压力的劈裂作用加快了原有裂缝和薄弱接触面的扩展和贯通。粘附—剥离机理主要依据是粘附理论，粘附是指一种物体与另一种物体粘结时的物理作用。影响沥青与集料之间粘附力的因素主要包括沥青与集料的界面张力、沥青与集料的化学组成、沥青的粘性，集料的表面构造、孔隙率、清洁度和干湿程度以及沥青与集料的拌和温度等。沥青与集料的粘附性可以用四种理论解释，即力学理论、化学反应理论、表面能理论［8］和极性理论。由于影响沥青与集料粘附性的因素很多，造成粘附剥落机理亦十分复杂，各种理论都未能完全概括说明其作用机理。对于改善沥青与集料的粘附性，主要是添加抗剥落剂，例如水泥石灰以及其他化学试剂［9］，但各种抗剥落剂的效果不尽相同，其长期性能有待进一步研究。

2 沥青混合料水稳定性评价方法

自20世纪60年代以来，世界各国研究人员通过对沥青路面水损害大量的调查研究，提出了许多试验方法来评价沥青混合料的水稳定性，这些试验方法大致可分两个研究方向:一个研究方向是研究沥青混合料中粗集料，主要手段是对松散的沥青混合料进行定性试验，依靠视觉观察或仪器检测等手段，针对粗集料与沥青的相互作用，将裹覆在集料表面沥青膜的损伤程度作为评价沥青和集料粘附性与沥青混合料水稳定性的依据，主要方法有示踪盐法、水煮法、静态浸水法等，但这类试验忽略了细集料与填充材料的相互作用，其评价指标不能很好反映混合料的整体性能;另一个方向是以沥青混合料试件为研究对象进行定量试验，主要手段是将实验室制备的标准试件浸水，然后通过试验测定试件的某些力学指标，如马歇尔稳定度、劈裂强度、径向回弹模量等，经过数据分析处理后，根据其力学衰减规律来评价沥青混合料的水稳定性，主要方法有浸水马歇尔试验、浸水劈裂试验、浸水抗压试验、德克萨斯承台冻融试验、洛特曼试验、改进的洛特曼试验、Tunnicliff-Root试验、浸水车辙试验等，这些方法主要通过水循环或冻融循环方式来实现水损害过程中动水压力的冲刷作用，不能模拟实际道路结构水损害过程中荷载和动水压力共同作用下道路材料的受力环境。

为了能充分模拟水损害过程中道路材料的受力环境，客观反映道路材料在荷载和水共同作用下的力学损伤状况，研发了一种利用可调频调压动水压力发生器与三轴试验仪结合评价沥青混合料水稳定性的新方法。具体实施方案是将成型试件置于三轴试验仪压力室中，施加轴向应力和围压，利用动水压力发生器能产生可变压强、频率的动水压力对压力室内试件进行冲刷试验，并对冲刷后试件进行三轴或单轴试验，根据试验数据，分析研究道路材料的力学性能衰减规律［10］。

3 提高沥青路面水稳定性方式

要提高沥青路面抗水损害能力，提高沥青路面水稳定性，必须从引起水损害的成因出发，水损害的成因可概括为内因和外因两个方面。内因可主要基于粘附理论进行研究，防治措施主要是增加沥青与集料的粘结力;水损害的外因主要是降水量、交通流量、超限超载等，大量试验研究表明，路面的孔隙率小于7%时，路面不透水，不产生动水压力，当沥青路面的孔隙率大于15%时，水能在沥青混合料中自由流动，易透水，也不产生动水压力，防治措施主要是防治路面渗水和完善路面排水。因此，沥青路面水损害主要有如下几个防治措施:

1)通过加抗剥落剂等增加沥青与集料间的粘结力。

2)提高压实度，减小孔隙率，防止路面渗水。

3)设计大孔隙率道路，完善路面排水系统，及时排出道路中的水分。

4)加强路面养护。

4 结语

伴随着超速超载等现象的出现，沥青路面的水损害问题越来越突出，是造成国内外许多高等级公路破坏的主要原因，严重影响了道路的使用寿命和服务水平，同时带来了巨大的经济损失。导致沥青路面水损害的原因复杂，影响因素繁多。因此为了避免或减轻沥青路面的水损害，应认真找出其确切原因，因地制宜地采取措施，解决水损害问题。

［1］贾 渝，张全庚.沥青路面水损害的研究［J］.石油沥青，1999，13(1):22-27.

［2］沙庆林.高速公路沥青路面的水破坏及其防治措施(上)［J］.国外公路，2000，20(3):1-4.

［3］沙庆林.高速公路沥青路面的水破坏及其防治措施(下)［J］.国外公路，2000，20(4):1-5.

［4］沈金安.解决高速公路沥青路面水损害早期破坏的技术途径［J］.公路，2000(5):71-75.

［5］王端宜，皱桂莲，韩传岱.对沥青路面水损害早期破坏的认识［J］.东北公路，2001，24(1):23-25.

［6］沙庆林.高速公路沥青混凝土路面的早期破坏［J］.公路，2004(11):76-83.

［7］梁祖昌.沥青覆盖层水侵害实测［J］.黑龙江交通科技，1995(2):42-45.

［8］Ronald L，Terrell，Saleh al-swailmi.Water sensitivity of asphaltaggregate mixes［R］.Test Selection，SHRP，1994.

［9］郭长新，宁爱民.高等级道路沥青材料的研究［J］.石油沥青，1999(4):44.

［10］潘宝峰.动水压力作用下路面材料损伤的评价方法研究［D］.大连:大连理工大学，2010.