刍议沥青路面早期损坏原因及防治

　　1. 引言
　　近年来,高等级道(公)路沥青路面的损坏出现了一些新的变化,主要表现为:通常在路面建成通车后一年左右即发生泛油、车辙、开裂、唧浆、坑槽等损坏,这类现象可以统称为早期损坏。沥青路面早期损坏现象在我国乃至国外都是一种多发、常见的路面病害。此前,很多道路工作者凭经验对早期损坏的起因和发展提出了很多看法和推测,但是真正的基础研究并未展开。而只有对早期损坏的真正原因了解透彻,才能使早期损坏的防治研究有的放矢。
　　2. 车辙形成原因及防治对策
　　车辙是沥青路面在外力作用下发生永久变形的一种破坏形式,路面表现为凹凸变形。车辙产生的原因简单来说是由于路面结构抵抗外力变形能力的不足,即混合料抗剪强度不足,导致在外力作用下发生永久变形,这是车辙发生的内因,也是根本性原因。外因则是超载超限运输,实际交通量远远超出设计交通量,导致路面长期处于超负荷运营状态,路面结构不可避免的出现变形破坏,此外,由于沥青混合料中的沥青胶结料属感温性材料,在高温时,沥青胶结料变软,模量降低,抗变形能力下降,在外力作用下,更容易出现流动变形。车辙根据形成原因可分为以下三种:高温稳定性不足(抗剪强度不够)而出现的剪切流动性车辙、混合料抗磨耗能力不足或超期行驶履带车而形成的磨耗性车辙、由于施工阶段压实度不足,在后期运营过程中车辆荷载作用下产生二次压密而形成的追密型车辙。以上三种类型的车辙在我国均有见到,其中90%以上的车辙是由于混合料高温稳定性不足和路面长期处于超载超限运输所造成的。在我国已经建成的高速公路沥青路面中,发生早期严重车辙破坏,已经有许多惨痛教训。许多运煤干线公路山西省太旧高速公路等首当其冲,在通车后短短的一个星期内局部路段就发生了3～4cm的车辙;京沪高速公路的江苏段和山东段,都有短短几天发生严重车辙的实例;甚至于在东北地区的京沈高速公路上,也发生了1年内出现3cm以上车辙的情况。我国有相当多的高速公路沥青路面不得不因为车辙而进行大面积铣刨修补。现在,仍然有许多高速公路发生了源于表面层及中面层的车辙变形破坏。
　　车辙成因十分复杂,外因主要为交通荷载与道路所处地区的自然环境温度,内因主要为沥青混合料的性能。对于特定的原材料,沥青面层的抗车辙能力取决于级配、油石比、粉胶比、混合料密度和压实度等因素,它们却又是特定的配合比设计方法的产物。工程实践一再证明,按照马歇尔方法设计出的混合料其抗车辙能力差,主要原因在于沥青用量偏大,密度偏小。马歇尔方法尤其不适合于骨架嵌挤密实型混合料的设计。
　　通过以上分析可知,要改善我国沥青路面早期车辙损坏问题,需要从内外因两个方面入手。内因主要是通过改善混合料的级配设计,如采用骨架嵌挤结构,提高混合料的抗变形能力;采用改性沥青、硬质沥青等高模量高劲度高粘度的沥青胶结料,提高混合料的粘结强度进而提高其模量和抗变形能力,此外,采用适宜的油石比可以显著提高其高温稳定性。外因,主要通过限制超载超限运输,减少过重的车辆荷载对路面结构产生的破坏,对于城市市政道路,还可以在夏季高温季节,及时对路面进行洒水降温,最大限度的减少路面在高温下的抗变形能力。近年来,以重庆交通大学凌天清教授为代表的半柔性路面研究取得了诸多有实用价值的成果,王火明也提出了将水泥灌浆半柔性沥青混合料用于中面层以提高我国沥青路面结构的抗车辙性能的设想。
　　3. 松散形成原因及防治对策
　　在水和高速行车的综合作用下,沥青膜从集料表面剥落,集料间丧失粘结而发生松散,这种破坏属于材料结构性破坏。当某一层位的沥青层底部的空隙偏大时(离析或压实度低,或配合比设计不当),松散往往首先发生在结构层联结处,但集料颗粒仍然可以依靠嵌锁作用维持相当时间。随着松散逐渐从底面向顶面发展,面层的结构强度逐渐下降,直到在行车荷载的作用下发生整层局部碎裂。这种病害的范围是大面积的。因局部离析导致的松散、坑洞多发生在表面,具有随机性和多发性。人们习惯上认识的因集料粘附性差,而产生的剥落、松散,都是从结构层的表面开始,主要发生在粘附性不好的酸性集料铺筑的沥青路面上。
　　就混合料性能而言,空隙率过大和沥青集料粘结力相对不足是重要原因;就结构组合和施工方面而言,主要原因则是结构层体系防水不力,层间处于滑动状态。设计不当或施工不当都能导致此类病害。例如,某高速公路大修改建工程中,在旧路表面层之上未设计粘层油而新铺表面层的压实度不足,路面渗水严重,一场大雨过后,新铺的表面层发生推移,下层(旧路表面层)则出现松散。
防治沥青路面出现早期松散破坏有以下两个方面途径:一是增强沥青混合料的粘结强度,即沥青与集料的粘附性,采用高粘度的改性沥青或是添加抗剥落剂：可以提高集料与沥青的粘附性,减少松散显现发生;其次,是要做好级配设计,好的级配不易离析,且容易碾压密实,骨架结构好,抗变形能力好。此外,级配设计一个关键的指标是空隙率,适宜的空隙率是路面结构非常关键的因素,是减少松散发生的重要内在原因。最后,便是加强施工质量的控制,尽量减少路面离析,离析是造成路面局部松散和泛油的重要的直接原因。
　　4. 泛油形成原因及防治对策
　　与传统的泛油不同,早期损坏中的泛油现象只发生在轮迹带上。泛油路段沥青用量正常(对马歇尔方法设计的最佳沥青用量而言)。目前的新泛油现象有两种,一是点状的油斑由小到大发展。首先是某段轮迹带上开始出现轻度小块油斑,紧接着小块油斑逐渐增多、增大,直径1～5cm不等,发展到严重阶段时,油斑的直径、面积和爆发密度进一步增大,直至各块油斑逐渐联通成片,与温度和交通量无明显关系。第二种新泛油现象是由于压实不足或集料质量(形状、纹理)较差,在轮载的反复作用下集料发生位移,路面再压密,挤压沥青上泛,形成泛油。
　　一般来讲,发生车辙的路段常常伴随有泛油现象,所以,两者的成因有大部分是相同的。相对于马歇尔设计方法的最佳沥青用量而言,沥青用量正常而发生泛油的情况,显然是因为沥青混合料设计方法本身存在缺陷造成的。所以,研究并采用能适应新情况的沥青混合料设计方法是解决早期损坏的根本途径。
　　5. 水损坏发生原因及防治对策
　　早期损坏中的水损坏主要有以下表现:唧浆,沉陷,沥青从集料表面脱附等。
　　唧浆现象是指由于沥青面层透水和路面结构内部排水不畅,降水或路表积水通过面层中的空隙渗入路面并长期滞留,浸泡和冲刷基层材料中的结合料而形成灰浆,在行车荷载的作用下,灰浆透过沥青面层空隙被挤压到路表,形成大面积泛白。
　　传统唧浆病害,水进入结构层的途径是透过水泥混凝土板接缝或沥青路的裂缝,唧浆的范围仅限于接缝或裂缝周围。而在早期损坏中的唧浆现象中,水的侵入途径是透过结构完整的沥青面层,新唧浆的范围是所有的透水沥青面层。唧浆现象产生的主要原因是,沥青混合料设计密度小,空隙率大,以及施工压实度不足等。水损坏的结果是路面出现坑槽,具有随机性和多发性。通过改变材料设计方法,减小路面空隙率,保证或提高压实度标准,尽量减少离析等措施,可以有效地避免这类病害。
　　综上所述,早期损坏的原因、发展规律和产生机理具有如下特点:
　　(1)大空隙率、高速行车和水的综合作用是路面在短时间内就发生早期损坏的主要原因,而这种相互作用造成了沥青——集料粘附性的相对不足。
　　(2)面层空隙率对路面早期损坏的影响是十分显著的,6～7%的空隙率是路面早期损坏的临界值。
　　(3)较小的沥青混合料的空隙率可提高沥青与集料的粘附性,减少和防止雨雪水下渗。
　　(4)混合料离析现象普遍存在,离析致使沥青路面的级配和沥青用量虽然整体正确,但局部失调,难以达到设计要求,在偏粗区域难以压实,空隙率大、易透水;在偏细区域,易产生高温变形。
　　(5)传统马歇尔方法所设计的沥青混合料标准偏低,不能适应如今的高速重载交通要求,主要表现在:马歇尔方法所设计的沥青混合料密度较低,空隙率较大,沥青用量偏大。沥青用量较大是产生早期泛油车辙的主要原因。因此,研究新的沥青混合料设计方法以克服现行方法之不足,并以此提高材料性能和沥青路面质量,对于城市快速路、高速公路建设而言是十分必要的,也是十分紧迫的。
　　6. 结语
　　公路作为国家重要的基础设施建设项目,投资大,影响面广,路面质量的好坏直接影响公路使用寿命和运营成本,因此,路面质量是整个公路建设的重中之重,而沥青路面早期损坏现象在我国仍十分普遍,造成了极坏的社会影响,作为道路工作者,我们有责任有义务对沥青路面早期损坏现象进行分析和研究,提出切实可行的解决沥青路面早期损坏的相应对策,而解决沥青路面的早期损坏对于提高我国沥青路面的整体修筑水平和延长路面使用寿命有着重大的现实意义。