史亞峰
(北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司,北京100037)
自改革開(kāi)放以來(lái),我國(guó)城市路面建設(shè)發(fā)展迅速。“十三五”期間,城市路面建設(shè)相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步提高,通達(dá)水平與通行能力都得到有效提高[1]。瀝青材料鋪就的路面是一種連續(xù)式無(wú)接縫路面,具有行車平穩(wěn)舒適、平整穩(wěn)當(dāng)、抗滑耐久、防滲防漏等優(yōu)點(diǎn),是目前路面建設(shè)的主要形式。在我國(guó)城市建設(shè)中,瀝青路面占據(jù)極大建設(shè)比例,據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示,我國(guó)城市90%以上都是瀝青路面,與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展水平相當(dāng)[2]。但是由于瀝青材料自身的特殊性,隨著時(shí)間的推移,在環(huán)境和汽車行駛的雙重作用之下,瀝青材料路面易發(fā)生強(qiáng)度降低、老化破碎等情況,會(huì)導(dǎo)致瀝青層出現(xiàn)破碎、毀壞等幾率增加。城市路面中的瀝青材料會(huì)在路面使用的各個(gè)時(shí)期發(fā)生損壞,為杜絕城市路面出現(xiàn)損壞,需要在設(shè)計(jì)和施工階段就解決瀝青材料中所含有的缺陷。
無(wú)論何種地理環(huán)境,都會(huì)普遍存在路面瀝青材料早期損壞現(xiàn)象,尤其是我國(guó)東南沿海地區(qū),全年雨水量較大,瀝青路面損壞情況尤為嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì),一般瀝青路面的使用年限是15年,但是如果經(jīng)常有重量較大的交通工具壓過(guò),會(huì)造成瀝青路面僅使用兩、三年就出現(xiàn)大范圍損壞的現(xiàn)象,受到環(huán)境或自然等因素的影響,部分瀝青路面鋪設(shè)完成后僅幾個(gè)月就發(fā)生大面積損壞,此時(shí)不得不將原有損壞的瀝青路面銑刨清除后,重新將新的瀝青材料鋪設(shè)在破損路面上,這種反復(fù)修補(bǔ)的工程,嚴(yán)重影響交通工具正常運(yùn)行,對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)效益發(fā)展也帶來(lái)不利影響。瀝青材料鋪設(shè)而成的城市路面最常見(jiàn)的損壞形式便是水損壞,但是由于水泡浸漬導(dǎo)致瀝青路面呈現(xiàn)許多種形式,主要為車轍變形、坑洞、疲勞裂縫、松散等,如果路面表象展現(xiàn)出這種形式的破損,說(shuō)明在路面瀝青內(nèi)里已經(jīng)出現(xiàn)更加嚴(yán)重的損壞[3]。雖然絕大多數(shù)瀝青路面水損壞有可能突然發(fā)生,但是大多數(shù)情況都是由漸進(jìn)過(guò)程導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)損壞,破損程度越嚴(yán)重其所引發(fā)的交通事故便越嚴(yán)重。
目前已有研究中對(duì)于改進(jìn)瀝青材料損壞多使用添加劑改進(jìn)的方式,本文從多個(gè)角度開(kāi)展具體研究,為瀝青路面今后的改進(jìn)探明方向。
(1)混合料因素
集料性質(zhì)影響:瀝青材料的性質(zhì)由集料的性質(zhì)決定,集料本身所具有的表面狀況和化學(xué)性質(zhì)都會(huì)對(duì)瀝青路面中的含水情況造成直接影響。假如高價(jià)陽(yáng)離子存在于集料的表面中,瀝青材料的表面會(huì)形成一種吸附層,如果是低價(jià)的陽(yáng)離子存在于集料的表面時(shí),瀝青材料表面形成的吸附層是極不穩(wěn)定的,這種不穩(wěn)定就會(huì)直接導(dǎo)致瀝青材料鋪就的城市路面出現(xiàn)嚴(yán)重的水損害,所以為了避免這種水損害,需要保證集料表面具有高價(jià)陽(yáng)離子。
礦物質(zhì)材料的表面粗糙度也會(huì)直接影響瀝青材料的水穩(wěn)性。由于礦物質(zhì)材料表面具有很多孔隙且粗糙,在瀝青材料中使用礦物質(zhì)材料會(huì)增大瀝青材料的表面積,同時(shí)也增大礦物質(zhì)材料和瀝青材料之間的粘合面積[4];如果礦物質(zhì)材料內(nèi)的孔隙中滲入瀝青材料,或者表面粗糙的礦物質(zhì)材料與瀝青材料混合,就會(huì)出現(xiàn)激烈的化學(xué)嵌擠反應(yīng),導(dǎo)致增大兩種材料之間的作用力;由于礦物質(zhì)材料表面具有較多不規(guī)則孔隙,這些孔隙具有一定吸附作用,能夠把瀝青材料中的輕質(zhì)油分吸附進(jìn)去,增大瀝青界面上的粘稠性和粘附性。瀝青材料和集料之間的粘附性還關(guān)系到集料表面的潔凈程度,如果有粉塵或者泥土混入集料表面和瀝青之間,會(huì)造成二者表面出現(xiàn)隔離,導(dǎo)致瀝青路面容易出現(xiàn)剝落的情況。
瀝青質(zhì)因素:瀝青路面的水穩(wěn)定性主要受到瀝青粘結(jié)力的影響。反復(fù)仔細(xì)調(diào)研發(fā)現(xiàn),瀝青材料內(nèi)存在高含量的瀝青酸,這種瀝青酸使得瀝青表面具有極強(qiáng)活性而且造成瀝青pH值呈現(xiàn)酸性,這種酸性還能中和集料中物質(zhì)所呈現(xiàn)的堿性,提升城市路面鋪設(shè)過(guò)程中瀝青的粘結(jié)力,這種粘結(jié)性能力可以降低路面瀝青外部水分的滲漏和內(nèi)部水分的分散,該變化能夠有效提升城市路面的水穩(wěn)定性,使得路面中的瀝青始終保持較高濕潤(rùn)性[5]。
混合料類型因素:鋪設(shè)在城市道路中的瀝青材料一般為高溫?zé)釘嚢杳芗筒牧?,具有較小透水性,一旦冷卻成型水分很難滲入到瀝青內(nèi)部,通常情況下不容易出現(xiàn)水損害情況。如果鋪設(shè)城市道路的瀝青使用的是改性瀝青混合料,水分就會(huì)自由流動(dòng)在瀝青材料的孔隙中,雖然存在這種現(xiàn)象,但是水損害同樣不容易發(fā)生在這種瀝青材料之中[6]。如果城市鋪設(shè)道路所使用的瀝青材料孔隙情況介于以上兩種材料之間,水分進(jìn)入瀝青材料內(nèi)部以后,受到荷載作用影響,瀝青材料會(huì)比較容易出現(xiàn)毛細(xì)壓力較大的情況,這種情況造成瀝青路面反復(fù)出現(xiàn)水損害。
(2)環(huán)境因素
城市路面瀝青材料受到環(huán)境因素影響情況也較為嚴(yán)重,外部環(huán)境的急劇變化直接對(duì)瀝青路面的水穩(wěn)性造成影響。例如我國(guó)華南地區(qū),常年空氣潮濕降水量較大,即使在晴朗的天氣下,空氣中也蘊(yùn)含較多水分子,這些水分子入滲到路面瀝青中之后,會(huì)造成城市路面出現(xiàn)水敏感性破壞情況。任何地區(qū),如果出現(xiàn)極端天氣變化,或者連續(xù)不斷的惡劣天氣,都會(huì)對(duì)城市路面造成不同程度的破壞影響。
無(wú)論是何種材料鋪設(shè)完成的路面,其本身都有能夠承受的最大負(fù)荷值,如果由于各種因素影響導(dǎo)致路面所承受的負(fù)荷超過(guò)這個(gè)最大值,就會(huì)使路面中的材料發(fā)生破壞。車輛在行駛過(guò)程中造成的荷載是路面所承受荷載的主要來(lái)源,如果存在眾多超載車輛行駛在瀝青材料鋪就的路面上,會(huì)嚴(yán)重破壞瀝青材料與集料之間存在的剪切力,這種破壞會(huì)進(jìn)一步散失路面中的水分,對(duì)應(yīng)的降低瀝青材料粘結(jié)力,造成瀝青材料城市路面出現(xiàn)水損害情況。
(3)工程因素
城市路面在施工建設(shè)過(guò)程中先要壓實(shí)路面再開(kāi)展后續(xù)工作,而路面水穩(wěn)情況也會(huì)直接受到這種壓實(shí)工程的影響而發(fā)生變化。假如施工過(guò)程中壓實(shí)工作不足,就會(huì)導(dǎo)致路面瀝青材料孔隙率增大,較大孔隙率加速水分滲入到路面內(nèi)部,導(dǎo)致城市路面出現(xiàn)水損害的情況。由此可以得出結(jié)論,在建設(shè)城市路面的過(guò)程中,不但要嚴(yán)格控制路面鋪設(shè)時(shí)的平整度,還需要著重考慮路面壓實(shí)過(guò)程中的壓實(shí)密度。確保城市路面施工時(shí)壓實(shí)密度符合相關(guān)規(guī)定之后再保證路面鋪設(shè)的平整度。除此之外,城市路面鋪設(shè)使用的材料是混合材料和瀝青結(jié)合的一種集料,如果二者之間的配比出現(xiàn)嚴(yán)重失調(diào)情況也會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞問(wèn)題[7]。在配比瀝青材料時(shí),如果富含礦物質(zhì)材料的粗集料使用過(guò)度就會(huì)提升瀝青材料的孔隙率,造成水分容易滲入路面之中,導(dǎo)致城市路面水穩(wěn)情況被破壞。如果瀝青材料中,瀝青成分較少,會(huì)直接降低城市路面的強(qiáng)度,嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)開(kāi)裂,對(duì)汽車運(yùn)行造成安全隱患,此種情況也會(huì)加快水分進(jìn)入路面內(nèi)部,出現(xiàn)水分增多,影響路面水穩(wěn)定性。
(4)排水因素
水分直接作用也會(huì)影響城市路面瀝青材料水穩(wěn)定性。大量水分直接進(jìn)入路面瀝青內(nèi)部,最直接的影響就是降低路面的承載能力。通常情況下,如果車輛運(yùn)輸給路面造成極大荷載力,此時(shí)就會(huì)導(dǎo)致城市路面出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞,例如塌陷或深坑,這些損害會(huì)在密集降雨時(shí)期形成積水,這種積水形成的另一個(gè)原因就是路面排水系統(tǒng)不暢[8]。我國(guó)城市道路中,普遍將排水井設(shè)置在路面上方,用以實(shí)現(xiàn)路面排水,但是這種排水方式只能實(shí)現(xiàn)路面上積水排放,瀝青材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲入的水分卻沒(méi)有相應(yīng)解決措施。近年來(lái)瀝青材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲水問(wèn)題才逐漸得到關(guān)注,通常情況下采取的解決措施是將路基混合料的密度提升或者把半剛性基層強(qiáng)度增強(qiáng),通過(guò)這種方式把路面透水性降低。但是盡管使用這種方法卻不能完全封住路面自身的面層,如果遇上連續(xù)降雨天氣或者春季凍融天氣,大量密集水分同時(shí)向路面內(nèi)部滲透,造成路面基層大量水分堆積,破壞路面瀝青材料水穩(wěn)定性。
城市路面由于水穩(wěn)性破壞導(dǎo)致出現(xiàn)的損壞情況分為許多種,圖1是幾種比較具有代表性的路面損害示例。
圖1 路面損壞示例Fig. 1 An example of road damage
城市路面出現(xiàn)松散損壞主要是由于大量集中降水之后,一部分水分滲入到混凝土材料中,并且長(zhǎng)期滯留在混凝土材料的孔隙中。瀝青材料內(nèi)部的孔隙率較小,僅為10%,同時(shí)存在較大瀝青層厚,這種厚度導(dǎo)致水分需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)路徑才能滲透到下部。由于流動(dòng)水壓力,瀝青與集料受到持續(xù)不斷的沖刷與侵蝕作用,集料表面的瀝青逐漸剝離,導(dǎo)致路面出現(xiàn)松散損壞。路面坑槽損害則是由于路面早期損害發(fā)生后沒(méi)有及時(shí)修復(fù)和養(yǎng)護(hù),車輛等交通工具不斷碾壓而導(dǎo)致的;部分路段由于半剛性基層強(qiáng)度較低也會(huì)出現(xiàn)路面坑槽損壞。如果能夠及時(shí)修補(bǔ)早期坑槽損害,可以極大程度恢復(fù)路面性能,杜絕坑槽進(jìn)一步延伸擴(kuò)展,發(fā)展成大片坑槽損害。
龜裂與裂縫是最常見(jiàn)的路面損害情況,發(fā)生龜裂和裂縫損害的路面呈現(xiàn)出不規(guī)則破碎性多邊形裂網(wǎng),呈現(xiàn)龜背型,這種損壞情況多是由于車輛行駛反復(fù)發(fā)揮荷載,龜裂與排水不良相互作用,使得瀝青混合料變脆變硬,最初裂縫是沿著車輛行駛的方向顯示出的多條或者單條縫隙,多條縱橫交錯(cuò)的縫隙連接出現(xiàn)龜裂路面[9]。路面上的積水從瀝青材料的孔隙中進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)層之內(nèi),直至抵達(dá)基層表面。半剛性基層質(zhì)地致密,一旦積水就不能實(shí)現(xiàn)迅速排除,造成路面內(nèi)部形成蓄水區(qū)。城市路面上行駛車輛眾多,發(fā)生反復(fù)荷載作用,下層瀝青材料對(duì)基層材料大力擠壓,出現(xiàn)灰漿,這些擠壓出的灰漿從瀝青材料的孔隙中被擠壓出來(lái)形成唧泥。由于界面條件惡化,瀝青層底部受到較大拉應(yīng)力,這種拉應(yīng)力超過(guò)極限抗拉強(qiáng)度,導(dǎo)致路面出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象。
基于以上城市路面由于瀝青水穩(wěn)定性遭受破壞出現(xiàn)的路面損害,導(dǎo)致路面不能正常使用,由此顯示出水穩(wěn)性改造的重要性以及深刻意義。
使用有關(guān)措施改造城市路面瀝青材料,有效控制城市路面瀝青材料質(zhì)量,保證瀝青材料與集料混合之后的攪拌效果,有效澆筑和養(yǎng)護(hù)城市路面,同時(shí)還能將路面路基的可靠性與穩(wěn)定性適當(dāng)提高,防止瀝青與集料混合結(jié)構(gòu)的受損情況出現(xiàn),杜絕路面發(fā)生龜裂、裂縫、坑槽和松散的情況,防治路面瀝青材料結(jié)構(gòu)層被破壞出現(xiàn)更加嚴(yán)重的路面損壞情況[10]。
城市路面在實(shí)際使用過(guò)程中,由于天氣原因影響經(jīng)常出現(xiàn)水損害的情況,長(zhǎng)期水損害影響導(dǎo)致路面工程質(zhì)量受到損傷,影響城市路面可靠性與穩(wěn)定性,路面出現(xiàn)損害后,車輛無(wú)法在路面上安全行駛。詳細(xì)分析城市路面,考慮路面綜合情況,改造瀝青材料水穩(wěn)性,加強(qiáng)路面質(zhì)量控制,改善目前已有路面排水設(shè)施,鋪設(shè)現(xiàn)代科學(xué)改進(jìn)的排水設(shè)施,有效排除由于天氣原因?qū)е碌穆访娣e水,降低地表水入滲概率,保證城市路面工程質(zhì)量。
養(yǎng)護(hù)城市路面時(shí),提升城市路面施工工程質(zhì)量管理,重新設(shè)計(jì)鋪設(shè)合理排水系統(tǒng),降低水損害對(duì)路面造成的傷害,提升城市路面工程質(zhì)量。只有提升城市路面工程質(zhì)量才能保證路面建設(shè)的安全性與穩(wěn)定性。良好的城市路面條件為車輛行駛創(chuàng)造良好條件,杜絕車輛行駛的交通意外發(fā)生,確保車輛能夠在瀝青鋪設(shè)的城市路面上安全駕駛。
考慮到氣候因素影響,部分地區(qū)存在多風(fēng)、日照時(shí)間長(zhǎng)、干燥、多雨雪、晝夜溫差大等氣候,在這種影響因素之下,城市路面瀝青材料很容易出現(xiàn)老化現(xiàn)象,水穩(wěn)定性也受到極大程度影響,因此參考國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果,結(jié)合大部分城市綜合路面情況,初步設(shè)定兩種瀝青材料配置改進(jìn)方案,第一種配比中瀝青:抗脫落劑:粗骨料:消石灰的比例是1:1:0.2:0.2,第二種配比中瀝青:抗脫落劑:粗骨料+細(xì)骨料:消石灰的比例是為1:0:0.34:0.2。第1種配置方案中使用抗脫落劑但是沒(méi)有使用細(xì)骨料,第二種配置方案中未使用抗脫落劑但是使用細(xì)骨料與粗骨料混合,各制備方案的填料用量均使用礦料合成級(jí)配合曲線計(jì)算獲得。每個(gè)制備方案制備試件設(shè)置為3組,統(tǒng)計(jì)水穩(wěn)定性能變化情況。
本次研究主要是測(cè)試經(jīng)過(guò)改進(jìn)方案之后粗集料表面和瀝青之間的粘附性能,同時(shí)還需要驗(yàn)證使用改進(jìn)方法之后集料的抗水剝離性能情況[11]。方法參考《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011),粗集料選取13~17 mm粒徑,使用清水洗凈后浸泡在消石灰水中2h,將烘干箱溫度設(shè)定為106℃,把粗集料置于烘干箱中烘干30min,統(tǒng)計(jì)不同制備方案方法下瀝青材料粘附性能。
經(jīng)分析顯示,使用第二種制備方案后,瀝青材料的粘附等級(jí)達(dá)到4~5級(jí),6個(gè)試件中2個(gè)4級(jí)4個(gè)5級(jí),而第一種方案的瀝青材料粘附等級(jí)為2~4級(jí),其中僅有兩個(gè)試件達(dá)到3級(jí)粘附。由此可以看出,單加抗脫落劑并不能提升瀝青材料的粘附性能,而是需要處理粗骨料的同時(shí)結(jié)合細(xì)骨料,才能獲得較好的瀝青材料粘附性能。只有提升瀝青材料的粘附性能,才能降低水分滲入路面的情況,提升瀝青材料的水穩(wěn)定性,以此提升城市路面工程質(zhì)量,有效預(yù)防瀝青路面剝離情況,提升路面耐久性能。城市路面設(shè)計(jì)與建設(shè)工程中,提升質(zhì)量控制意識(shí),保證集料與基層瀝青之間的粘附性。對(duì)于城市路面建設(shè)過(guò)程中使用的瀝青材料,應(yīng)該保證集料和瀝青之間的粘附性等級(jí)大于或者等于4級(jí),其中路面表層瀝青和集料的粘附性應(yīng)該大于等于5級(jí)。經(jīng)過(guò)分析能夠看出,嚴(yán)格控制集料的質(zhì)量,保證粗骨料和細(xì)骨料的堅(jiān)韌程度、鑲嵌性能以及耐磨性能,才能保證城市路面的使用質(zhì)量[12]。為提升路面施工過(guò)程中使用的瀝青材料粘附性,傳統(tǒng)方法多為添加抗脫落劑,但是單純使用抗脫落劑不如優(yōu)化集料質(zhì)量后瀝青材料粘附性能好,未來(lái)研究中可以一方面提升瀝青材料集料的質(zhì)量,一方面繼續(xù)探索抗脫落劑的選擇,以此確保城市路面瀝青材料具有更加優(yōu)異的水穩(wěn)定性。
目前城市道路建設(shè)時(shí)對(duì)于抗滑性能和平整度均有較高要求,所使用的混合料孔隙率一般在6%左右,路面殘留孔隙率高于8%,路面水損害情況時(shí)常發(fā)生。本文改進(jìn)方法中,按照中值配置調(diào)整瀝青材料配合比,依據(jù)S型級(jí)調(diào)整集料,降低瀝青材料孔隙率,獲得良好的瀝青水穩(wěn)定性效果。
在混合瀝青材料時(shí),最需要注意的就是瀝青材料的孔隙率,國(guó)際上設(shè)定孔隙率范圍應(yīng)該在3%~6%之間[13]。我國(guó)實(shí)際建設(shè)過(guò)程中,綜合考慮交通荷載和氣候因素將空隙范圍調(diào)整為3%~5%[14]。
調(diào)整瀝青材料壓實(shí)情況也可以控制孔隙率,假如經(jīng)過(guò)加熱攪拌的瀝青材料孔隙率在4%~5%之間,被認(rèn)為透水率合格,但是眾多施工單位都會(huì)在施工過(guò)程中忽略壓實(shí),只注重路面平整度,造成瀝青透水性較差的情況,在改進(jìn)瀝青材料水穩(wěn)性時(shí),需要將壓實(shí)過(guò)程考慮進(jìn)去,實(shí)現(xiàn)良好的瀝青材料透水性。
城市道路在施工建設(shè)過(guò)程中,道路橫波與路線縱波時(shí)常沒(méi)有達(dá)到預(yù)定的規(guī)定值,經(jīng)常出現(xiàn)路面坡面不平順的情況,部分路面還會(huì)設(shè)置攔水帶與路緣石,這些設(shè)施的建設(shè)會(huì)使路面邊緣形成凹陷處和蓄水坑,如果雨雪多發(fā),這些凹陷和水坑常常導(dǎo)致路面積水時(shí)間過(guò)長(zhǎng),路面長(zhǎng)時(shí)間泡在水里,水分大量滲入到路基下層。為改變這種情況,建議取消道路中的攔水帶,使得下雨的積水能夠流淌到道路外面,但是這種排水方法需要路面邊坡和路肩能夠經(jīng)受住雨水的沖刷。邊坡位置可以選擇種植質(zhì)量較高的草皮,也可以使用混凝土或者漿砌塊石制作排水溝,優(yōu)化排水措施[15]。
發(fā)生降水情況后,路面內(nèi)部難免會(huì)滲入大量水分,為防止路面發(fā)生水損害,需要盡快將路面的積水排除,正是由于這種特點(diǎn),美國(guó)機(jī)構(gòu)制定排水性能表(表1)用以判斷路面排水性能。
表1 排水性能表Table 1 Drainage performance table
根據(jù)排水性能表,對(duì)照路面排水情況,采取改進(jìn)排水措施,最直接的方法就是不在瀝青層附近設(shè)置排水阻擋設(shè)施,直接使用土路肩和碎石,但是考慮到城市的美觀性,在排水設(shè)施的改進(jìn)上還需要進(jìn)一步研究改進(jìn)。
瀝青作為城市道路建設(shè)中最常使用的原材料,其水穩(wěn)定性改造具有深遠(yuǎn)影響。由于交通荷載與氣候因素影響,城市路面經(jīng)常出現(xiàn)各種情況的水損害,部分損害情況是不可逆的,只有在道路鋪設(shè)過(guò)程中注重瀝青材料水穩(wěn)定性提升,改造瀝青材料的水穩(wěn)定性,才能提升路面的穩(wěn)定性與安全性,便于車輛能夠在路面上長(zhǎng)久安全地運(yùn)行。改進(jìn)瀝青材料配合比,主要需要注重集料和瀝青的配合比,以及粗骨料與細(xì)骨料的使用,提高我國(guó)城市路面的建設(shè)質(zhì)量,避免今后路面建設(shè)中出現(xiàn)水損害問(wèn)題。