浅析沥青路面水损害成因及防治措施

冯 铎

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

沥青路面水损害现象影响路面使用性能及行车安全，近年来受到越来越多的关注。沥青路面早期破坏大多与水有关，在各种早期破坏类型中，水损害是最主要也是危害最大的。沥青路面的水损害，是指沥青路面因孔隙及水的交互作用及交通荷载和气候因素的反复作用下，使进入路面孔隙的水不断产生水压力或积水的循环作用，致使水分逐渐侵入沥青与粒料的接口，造成沥青膜从粒料表面剥落，从而导致沥青混凝土内部黏结力逐渐衰退，路面结构功能下降。此外，由于沥青膜剥落进一步诱发唧浆、结构松散、坑洞等次生病害发生。因此，采取有效措施减轻并解决水损害问题，是当前沥青路面早期病害研究所面临的主要问题[1-3]。

1 沥青路面水损害成因分析

水侵害对沥青路面影响中最具代表性的表现是剥落，所谓剥落是沥青混合料在受外力作用（如水分、温度、交通量、空气）下，使得沥青黏结料界面与矿料之间的粘附性损失或沥青胶结料本身的凝聚力降低，造成沥青与矿料分离，进而降低沥青混合料的结构强度，而沥青混合料的强度主要来自沥青与矿料之间的粘附性与矿料之间的嵌挤作用，若发生剥落现象则会使沥青与矿料间丧失黏结力，对路面的结果、使用性能及服务年限会产生极大的负面影响。造成沥青路面水损害的因素很多，且不是单一成因或机理可以解释，通常由多种不同因素构成，主要成因分述如下：

1.1 材料因素

1.1.1 沥青

沥青胶结料的吸附特性及抗剥能力受到沥青等级、质量、化学成分、黏度、酸性物质含量、蜡含量及与粒料的接触面积等因素，这些性质会影响沥青和粒料在拌合中的吸附能力及裹附能力。就化学成份来说，沥青本身的化学组成及沥青与粒料表面所产生的化学反应的状况会影响沥青与粒料表面的吸附或剥落行为，水份比沥青成分中的羧酸、亚砜更容易与粒料结合，当水压力大于沥青与粒料间结合力时，沥青便从粒料表面脱落。就沥青物理性质而言，黏度和剥落现象关系最大，黏度高的沥青其抵抗置换作用的能力也较高，因为高黏度的沥青对粒料的黏结力较大，较能抵抗空气与水界面所产生的拉力，而不发生剥脱。

1.1.2 矿料

矿料的成分对沥青混合料的松散剥落有重要影响。矿料一般分为亲油性和亲水性两种。一般认为，在水、空气与矿料相接处，自由液面的形状与液体分子间的凝聚力及液体与矿料分子间的附着力有关。在附着力大于凝聚力时，矿料表面将被湿润，则此矿料表面具有亲水性；反之，若凝聚力大于附着力，则矿料表面不被润湿，此矿料表面呈现亲油性[4]。

一般而言，亲油性矿料的抗剥落能力较亲水性矿料好。亲水性矿料一般呈酸性且含有较高含量的SiO2，因其对水的亲和力大于沥青材料，遇水后其表面的沥青薄膜容易被水所取代而发生剥落现象；反之，具有亲油性的碱性粒料，其对沥青材料的亲和力较水强，不易被水侵入而发生剥落现象。具有多孔性、表面粗糙的粒料在拌和中更容易让沥青灌入其缝隙内，而有助于提升与沥青间的内聚力，进而提升其黏结力。经由观察许多路面发现，虽然石灰石的抗剥落能力最高，但经受交通荷重作用后表面会产生磨光损耗的现象，不建议使用。

1.1.3 级配

就级配类型而言，密级配沥青混合料空隙率较小，水分不容易渗透，不容易形成连续的水流路径，所以有较好的抗剥落的能力，但是当水分一旦侵入沥青混合料中时，密级配沥青混合料的排水相当困难，水分长期停留于沥青混合料内部，会加速剥落的发生。开级配沥青混合料因为孔隙较高，容易形成连续路径，水分宜渗入，所以抗剥落能力较差。

沥青混合料的矿料最大公称粒径越大，防水性较差，且影响路面的耐久性及抗水损害能力[5，6]。

1.2 施工因素

压实度和气候状况是路面铺筑过程中最重要的两个因素，铺筑时的温度和湿度对于剥脱有极重要的影响；压实度不足会使路面空隙率变大从而提供了水分及空气进出的路径。沥青路面在施工时，低温条件下铺筑的路面就更容易发生水损害。

压实度不足或压实不及时（如铺筑温度过低、未按施工铺筑程序完成碾压等等），易使铺筑的路面内部存在较多的孔隙，提供水分侵入路面结构的途径且导致水损害的发生。当压实度越大时，矿料间填充料分布较为均匀密实，使水渗透系数降至最低，以确保路面水渗入而导致破坏。

1.3 交通量及环境因素

施工后的通车环境条件包括受气候、交通荷载、温度、降雨量、低温及唧水作用等，都是产生水损害的因素。干湿交替、冻融循环、温度变化等环境因素对路面抵抗水分侵害有很大的影响，另外，水分也有可能经基层、底基层、路基渗入，而造成剥落。

交通因素是剥落中最直接的水力冲刷作用，交通量对路面的影响，除了造成路面磨损外，也对路面结构施加循环载重，因此交通因素在剥脱过程中的角色是使沥青膜与粒料表面完全脱离，同时也由于交通荷重的压密，使得水分受到重载后形成高的孔隙压力而产生松散剥落现象[7，8]。

此外，路面下排水状况不良（窨井、排水沟）导致进入路面的水不能及时排除，也会加速铺面水损害的发生。

2 沥青路面水损害形成机理

沥青路面水损害可从以下几方面解释：

2.1 离析现象

由于水分浸入，使得沥青薄膜与矿料发生离析；从界面能量观点而言，当矿料、水与沥青共同存在时，其界面间作用情形如图1 所示，如果沥青要取代水，则见下式：

图1 沥青混合料界面作用情况

式中：Tbw为沥青与水之间的作用能量；

从式1 可知沥青胶结料取代水所需的能量和沥青与水界面的作用能量Tbw成正比，另外和接触夹角有关。若Tbw愈小或愈大，则所需的功愈小。正常的沥青胶结料θ 总是小于90°，故（1+cosθ）＞1，由此可知沥青在取代矿料表面的水分时必须有外力作功。根据Tbw及θ 对做功的影响，在沥青混合料中添加外加剂可改变Tbw及θ 的大小。如在混合料中加少量的氢氧化钙，则Tbw可由1.85Pa 降至0.3Pa，这就是抗剥落剂的作用原理，其影响情况如图2 所示。

图2 抗剥落剂作用原理

2.2 置换作用

置换作用是剥落的另一种形式，由于水分穿透沥青胶结料薄膜到达矿料表面，而破坏了沥青胶结料与矿料的结合。由于沥青混合料在拌合时，在矿料在棱角或棱线处沥青胶结料无法完全裹附，这些地方成为薄弱面，张力强度较低，因此在交通荷重作用下容易在棱角或棱线处产生开裂，此外，由于矿料表面不干净整洁也是使沥青胶结料薄膜发生开裂的原因之一。

2.3 乳化作用

当水分进入沥青混凝土内部与沥青胶结料接触后，沥青呈连续性路径，而水分至该连续处，会产生一种转化性乳化剂，此种乳化剂一旦穿透沥青胶结料薄膜到达矿料表面时，将导致沥青混合料出现剥落现象，此时若有土或其他沥青附加剂存在时，则可能产生进一步的恶化情形；而沥青混凝土产生乳化的程度，则视沥青胶结料的种类、外加剂的成分而定；一般而言水对沥青胶结料所产生的乳化作用会导致沥青表面颜色改变，由观测产生剥落的沥青混合料断面显示，经乳化后的沥青胶结料其颜色呈褐色。

2.4 孔隙水压力

沥青混合料路面在开放交通初期具有较高的空隙率，此阶段水分容易在某些连续的空隙中自由流动，在开放交通中承受交通荷载压密后，这些连续的空隙将会被隔绝独立，路面孔隙水分无法再自由流动，此时路面再受到车辆荷重作用，则内部会产生高的孔隙水压，造成沥青薄膜自矿料表面剥落。作用机理如图3 所示。

图3 孔隙水压力作用机理示意图

2.5 冲刷作用

冲刷属于产生剥落的力学行为，仅发生于路面表层；当车辆轮胎在路面饱和面层通过时，前轴先将水分压入路面中，随即由后轴将路面内部的水带离，如此反复作用，不断地冲刷沥青胶结料薄膜，造成路面松散剥落。

产生上述任意一种或几种作用共同作用都会导致路面松散剥落。

3 沥青路面水损害防治措施

一般情况下，沥青路面水损害模式是水分进入沥青与矿料的界面，并以水膜的状态存在，直接影响沥青与矿料的黏附性，在反复荷载的作用下，沥青膜与矿料间开始剥离，进一步造成剥落、结构松散。沥青路面水损害的成因复杂，应结合现场实际情况综合分析，采取有效措施。

3.1 添加抗剥落剂

截至目前，研究结果表明大约有100 多种化学外加剂具有抗剥落的效果，但大多数的外加剂是基于经济与实用方面的考量而未被实际采用。抗剥落剂的功能是减小沥青胶结料与矿料之间的表面张力，使沥青胶结料能充分裹附矿料并增加黏结力。石灰是最常用的抗剥落剂。此外，添加石灰的沥青混合料能够有效地减缓沥青的老化现象，并增加老化前及降低老化后沥青在高温下劲度，提升低温时的延展性，因此能够增加路面抵抗剥落、疲劳破坏及低温龟裂的能力，减少路面发生车辙、拥包及沉陷，进而维持路面的服务水平。

3.2 材料选择

尽可能选择碱性粗集料，与沥青的粘附性较好，且粗集料公称粒径不宜过大，粒径越大，防水性越差，影响路面的耐久性及抗水损害能力；细集料要干净，严格控制含泥量；宜选择碱性集料轧制的矿粉；可采用改性沥青、高粘沥青、橡胶改性沥青等于集料粘附性好的沥青。

3.3 配合比设计

沥青混合料矿料级配宜采用S 形，同时严格控制设计空隙率，空隙率越大，防水性越差。且工后现场检测时严格把控构造深度和渗水系数指标。

3.4 施工工艺

加强施工过程控制，减少混合料在生产、运输、摊铺等过程的离析；沥青混合料

生产严格控制油石比，沥青含量太多，沥青泡水后易软化变质，太少黏结性不足容易松散；严格保证压实度，做好压实度实时监控，足够的压实度可以保证粒料间有充足的填充料，从而降低渗透系数；采取相关措施减少施工污染，强化喷洒黏层油透层油施工工艺，改善层间黏结效果。

3.5 路面排水状况

路面排水状况不良或者进入路面的水不能及时排除，也会加速路面水损害的发生。因此，完善路面排水系统，同时做好道路限速限载控制是避免、减轻水损害的有效措施之一。

4 小结

沥青路面水损害危害大，成因复杂，需要从原材料、配合比设计、路面结构设计、施工工艺、路面防排水系统等方面着手。随着我国公路建设项目发展，沥青路面的水损害问题也日趋突出，受到越来越多的关注。在掌握路面水损害的成因基础上，根据实际情况选择匹配的防治措施，切实改善因沥青路面水损害造成的路面使用性能不佳。