淺析瀝青路面水損害成因及防治措施

馮 鐸

（甘肅省交通科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，甘肅 蘭州 730000）

瀝青路面水損害現(xiàn)象影響路面使用性能及行車安全，近年來(lái)受到越來(lái)越多的關(guān)注。瀝青路面早期破壞大多與水有關(guān)，在各種早期破壞類型中，水損害是最主要也是危害最大的。瀝青路面的水損害，是指瀝青路面因孔隙及水的交互作用及交通荷載和氣候因素的反復(fù)作用下，使進(jìn)入路面孔隙的水不斷產(chǎn)生水壓力或積水的循環(huán)作用，致使水分逐漸侵入瀝青與粒料的接口，造成瀝青膜從粒料表面剝落，從而導(dǎo)致瀝青混凝土內(nèi)部黏結(jié)力逐漸衰退，路面結(jié)構(gòu)功能下降。此外，由于瀝青膜剝落進(jìn)一步誘發(fā)唧漿、結(jié)構(gòu)松散、坑洞等次生病害發(fā)生。因此，采取有效措施減輕并解決水損害問(wèn)題，是當(dāng)前瀝青路面早期病害研究所面臨的主要問(wèn)題[1-3]。

1 瀝青路面水損害成因分析

水侵害對(duì)瀝青路面影響中最具代表性的表現(xiàn)是剝落，所謂剝落是瀝青混合料在受外力作用（如水分、溫度、交通量、空氣）下，使得瀝青黏結(jié)料界面與礦料之間的粘附性損失或?yàn)r青膠結(jié)料本身的凝聚力降低，造成瀝青與礦料分離，進(jìn)而降低瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而瀝青混合料的強(qiáng)度主要來(lái)自瀝青與礦料之間的粘附性與礦料之間的嵌擠作用，若發(fā)生剝落現(xiàn)象則會(huì)使瀝青與礦料間喪失黏結(jié)力，對(duì)路面的結(jié)果、使用性能及服務(wù)年限會(huì)產(chǎn)生極大的負(fù)面影響。造成瀝青路面水損害的因素很多，且不是單一成因或機(jī)理可以解釋，通常由多種不同因素構(gòu)成，主要成因分述如下：

1.1 材料因素

1.1.1 瀝青

瀝青膠結(jié)料的吸附特性及抗剝能力受到瀝青等級(jí)、質(zhì)量、化學(xué)成分、黏度、酸性物質(zhì)含量、蠟含量及與粒料的接觸面積等因素，這些性質(zhì)會(huì)影響瀝青和粒料在拌合中的吸附能力及裹附能力。就化學(xué)成份來(lái)說(shuō)，瀝青本身的化學(xué)組成及瀝青與粒料表面所產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)的狀況會(huì)影響瀝青與粒料表面的吸附或剝落行為，水份比瀝青成分中的羧酸、亞砜更容易與粒料結(jié)合，當(dāng)水壓力大于瀝青與粒料間結(jié)合力時(shí)，瀝青便從粒料表面脫落。就瀝青物理性質(zhì)而言，黏度和剝落現(xiàn)象關(guān)系最大，黏度高的瀝青其抵抗置換作用的能力也較高，因?yàn)楦唣ざ鹊臑r青對(duì)粒料的黏結(jié)力較大，較能抵抗空氣與水界面所產(chǎn)生的拉力，而不發(fā)生剝脫。

1.1.2 礦料

礦料的成分對(duì)瀝青混合料的松散剝落有重要影響。礦料一般分為親油性和親水性兩種。一般認(rèn)為，在水、空氣與礦料相接處，自由液面的形狀與液體分子間的凝聚力及液體與礦料分子間的附著力有關(guān)。在附著力大于凝聚力時(shí)，礦料表面將被濕潤(rùn)，則此礦料表面具有親水性；反之，若凝聚力大于附著力，則礦料表面不被潤(rùn)濕，此礦料表面呈現(xiàn)親油性[4]。

一般而言，親油性礦料的抗剝落能力較親水性礦料好。親水性礦料一般呈酸性且含有較高含量的SiO2，因其對(duì)水的親和力大于瀝青材料，遇水后其表面的瀝青薄膜容易被水所取代而發(fā)生剝落現(xiàn)象；反之，具有親油性的堿性粒料，其對(duì)瀝青材料的親和力較水強(qiáng)，不易被水侵入而發(fā)生剝落現(xiàn)象。具有多孔性、表面粗糙的粒料在拌和中更容易讓瀝青灌入其縫隙內(nèi)，而有助于提升與瀝青間的內(nèi)聚力，進(jìn)而提升其黏結(jié)力。經(jīng)由觀察許多路面發(fā)現(xiàn)，雖然石灰石的抗剝落能力最高，但經(jīng)受交通荷重作用后表面會(huì)產(chǎn)生磨光損耗的現(xiàn)象，不建議使用。

1.1.3 級(jí)配

就級(jí)配類型而言，密級(jí)配瀝青混合料空隙率較小，水分不容易滲透，不容易形成連續(xù)的水流路徑，所以有較好的抗剝落的能力，但是當(dāng)水分一旦侵入瀝青混合料中時(shí)，密級(jí)配瀝青混合料的排水相當(dāng)困難，水分長(zhǎng)期停留于瀝青混合料內(nèi)部，會(huì)加速剝落的發(fā)生。開(kāi)級(jí)配瀝青混合料因?yàn)榭紫遁^高，容易形成連續(xù)路徑，水分宜滲入，所以抗剝落能力較差。

瀝青混合料的礦料最大公稱粒徑越大，防水性較差，且影響路面的耐久性及抗水損害能力[5，6]。

1.2 施工因素

壓實(shí)度和氣候狀況是路面鋪筑過(guò)程中最重要的兩個(gè)因素，鋪筑時(shí)的溫度和濕度對(duì)于剝脫有極重要的影響；壓實(shí)度不足會(huì)使路面空隙率變大從而提供了水分及空氣進(jìn)出的路徑。瀝青路面在施工時(shí)，低溫條件下鋪筑的路面就更容易發(fā)生水損害。

壓實(shí)度不足或壓實(shí)不及時(shí)（如鋪筑溫度過(guò)低、未按施工鋪筑程序完成碾壓等等），易使鋪筑的路面內(nèi)部存在較多的孔隙，提供水分侵入路面結(jié)構(gòu)的途徑且導(dǎo)致水損害的發(fā)生。當(dāng)壓實(shí)度越大時(shí)，礦料間填充料分布較為均勻密實(shí)，使水滲透系數(shù)降至最低，以確保路面水滲入而導(dǎo)致破壞。

1.3 交通量及環(huán)境因素

施工后的通車環(huán)境條件包括受氣候、交通荷載、溫度、降雨量、低溫及唧水作用等，都是產(chǎn)生水損害的因素。干濕交替、凍融循環(huán)、溫度變化等環(huán)境因素對(duì)路面抵抗水分侵害有很大的影響，另外，水分也有可能經(jīng)基層、底基層、路基滲入，而造成剝落。

交通因素是剝落中最直接的水力沖刷作用，交通量對(duì)路面的影響，除了造成路面磨損外，也對(duì)路面結(jié)構(gòu)施加循環(huán)載重，因此交通因素在剝脫過(guò)程中的角色是使瀝青膜與粒料表面完全脫離，同時(shí)也由于交通荷重的壓密，使得水分受到重載后形成高的孔隙壓力而產(chǎn)生松散剝落現(xiàn)象[7，8]。

此外，路面下排水狀況不良（窨井、排水溝）導(dǎo)致進(jìn)入路面的水不能及時(shí)排除，也會(huì)加速鋪面水損害的發(fā)生。

2 瀝青路面水損害形成機(jī)理

瀝青路面水損害可從以下幾方面解釋：

2.1 離析現(xiàn)象

由于水分浸入，使得瀝青薄膜與礦料發(fā)生離析；從界面能量觀點(diǎn)而言，當(dāng)?shù)V料、水與瀝青共同存在時(shí)，其界面間作用情形如圖1 所示，如果瀝青要取代水，則見(jiàn)下式：

圖1 瀝青混合料界面作用情況

式中：Tbw為瀝青與水之間的作用能量；

從式1 可知瀝青膠結(jié)料取代水所需的能量和瀝青與水界面的作用能量Tbw成正比，另外和接觸夾角有關(guān)。若Tbw愈小或愈大，則所需的功愈小。正常的瀝青膠結(jié)料θ 總是小于90°，故（1+cosθ）＞1，由此可知瀝青在取代礦料表面的水分時(shí)必須有外力作功。根據(jù)Tbw及θ 對(duì)做功的影響，在瀝青混合料中添加外加劑可改變Tbw及θ 的大小。如在混合料中加少量的氫氧化鈣，則Tbw可由1.85Pa 降至0.3Pa，這就是抗剝落劑的作用原理，其影響情況如圖2 所示。

圖2 抗剝落劑作用原理

2.2 置換作用

置換作用是剝落的另一種形式，由于水分穿透瀝青膠結(jié)料薄膜到達(dá)礦料表面，而破壞了瀝青膠結(jié)料與礦料的結(jié)合。由于瀝青混合料在拌合時(shí)，在礦料在棱角或棱線處瀝青膠結(jié)料無(wú)法完全裹附，這些地方成為薄弱面，張力強(qiáng)度較低，因此在交通荷重作用下容易在棱角或棱線處產(chǎn)生開(kāi)裂，此外，由于礦料表面不干凈整潔也是使瀝青膠結(jié)料薄膜發(fā)生開(kāi)裂的原因之一。

2.3 乳化作用

當(dāng)水分進(jìn)入瀝青混凝土內(nèi)部與瀝青膠結(jié)料接觸后，瀝青呈連續(xù)性路徑，而水分至該連續(xù)處，會(huì)產(chǎn)生一種轉(zhuǎn)化性乳化劑，此種乳化劑一旦穿透瀝青膠結(jié)料薄膜到達(dá)礦料表面時(shí)，將導(dǎo)致瀝青混合料出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，此時(shí)若有土或其他瀝青附加劑存在時(shí)，則可能產(chǎn)生進(jìn)一步的惡化情形；而瀝青混凝土產(chǎn)生乳化的程度，則視瀝青膠結(jié)料的種類、外加劑的成分而定；一般而言水對(duì)瀝青膠結(jié)料所產(chǎn)生的乳化作用會(huì)導(dǎo)致瀝青表面顏色改變，由觀測(cè)產(chǎn)生剝落的瀝青混合料斷面顯示，經(jīng)乳化后的瀝青膠結(jié)料其顏色呈褐色。

2.4 孔隙水壓力

瀝青混合料路面在開(kāi)放交通初期具有較高的空隙率，此階段水分容易在某些連續(xù)的空隙中自由流動(dòng)，在開(kāi)放交通中承受交通荷載壓密后，這些連續(xù)的空隙將會(huì)被隔絕獨(dú)立，路面孔隙水分無(wú)法再自由流動(dòng)，此時(shí)路面再受到車輛荷重作用，則內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生高的孔隙水壓，造成瀝青薄膜自礦料表面剝落。作用機(jī)理如圖3 所示。

圖3 孔隙水壓力作用機(jī)理示意圖

2.5 沖刷作用

沖刷屬于產(chǎn)生剝落的力學(xué)行為，僅發(fā)生于路面表層；當(dāng)車輛輪胎在路面飽和面層通過(guò)時(shí)，前軸先將水分壓入路面中，隨即由后軸將路面內(nèi)部的水帶離，如此反復(fù)作用，不斷地沖刷瀝青膠結(jié)料薄膜，造成路面松散剝落。

產(chǎn)生上述任意一種或幾種作用共同作用都會(huì)導(dǎo)致路面松散剝落。

3 瀝青路面水損害防治措施

一般情況下，瀝青路面水損害模式是水分進(jìn)入瀝青與礦料的界面，并以水膜的狀態(tài)存在，直接影響瀝青與礦料的黏附性，在反復(fù)荷載的作用下，瀝青膜與礦料間開(kāi)始剝離，進(jìn)一步造成剝落、結(jié)構(gòu)松散。瀝青路面水損害的成因復(fù)雜，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況綜合分析，采取有效措施。

3.1 添加抗剝落劑

截至目前，研究結(jié)果表明大約有100 多種化學(xué)外加劑具有抗剝落的效果，但大多數(shù)的外加劑是基于經(jīng)濟(jì)與實(shí)用方面的考量而未被實(shí)際采用。抗剝落劑的功能是減小瀝青膠結(jié)料與礦料之間的表面張力，使瀝青膠結(jié)料能充分裹附礦料并增加黏結(jié)力。石灰是最常用的抗剝落劑。此外，添加石灰的瀝青混合料能夠有效地減緩瀝青的老化現(xiàn)象，并增加老化前及降低老化后瀝青在高溫下勁度，提升低溫時(shí)的延展性，因此能夠增加路面抵抗剝落、疲勞破壞及低溫龜裂的能力，減少路面發(fā)生車轍、擁包及沉陷，進(jìn)而維持路面的服務(wù)水平。

3.2 材料選擇

盡可能選擇堿性粗集料，與瀝青的粘附性較好，且粗集料公稱粒徑不宜過(guò)大，粒徑越大，防水性越差，影響路面的耐久性及抗水損害能力；細(xì)集料要干凈，嚴(yán)格控制含泥量；宜選擇堿性集料軋制的礦粉；可采用改性瀝青、高粘瀝青、橡膠改性瀝青等于集料粘附性好的瀝青。

3.3 配合比設(shè)計(jì)

瀝青混合料礦料級(jí)配宜采用S 形，同時(shí)嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)空隙率，空隙率越大，防水性越差。且工后現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)時(shí)嚴(yán)格把控構(gòu)造深度和滲水系數(shù)指標(biāo)。

3.4 施工工藝

加強(qiáng)施工過(guò)程控制，減少混合料在生產(chǎn)、運(yùn)輸、攤鋪等過(guò)程的離析；瀝青混合料

生產(chǎn)嚴(yán)格控制油石比，瀝青含量太多，瀝青泡水后易軟化變質(zhì)，太少黏結(jié)性不足容易松散；嚴(yán)格保證壓實(shí)度，做好壓實(shí)度實(shí)時(shí)監(jiān)控，足夠的壓實(shí)度可以保證粒料間有充足的填充料，從而降低滲透系數(shù)；采取相關(guān)措施減少施工污染，強(qiáng)化噴灑黏層油透層油施工工藝，改善層間黏結(jié)效果。

3.5 路面排水狀況

路面排水狀況不良或者進(jìn)入路面的水不能及時(shí)排除，也會(huì)加速路面水損害的發(fā)生。因此，完善路面排水系統(tǒng)，同時(shí)做好道路限速限載控制是避免、減輕水損害的有效措施之一。

4 小結(jié)

瀝青路面水損害危害大，成因復(fù)雜，需要從原材料、配合比設(shè)計(jì)、路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工工藝、路面防排水系統(tǒng)等方面著手。隨著我國(guó)公路建設(shè)項(xiàng)目發(fā)展，瀝青路面的水損害問(wèn)題也日趨突出，受到越來(lái)越多的關(guān)注。在掌握路面水損害的成因基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際情況選擇匹配的防治措施，切實(shí)改善因?yàn)r青路面水損害造成的路面使用性能不佳。