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沥青路面的分析

浏览次数: 更新时间:2021-06-21 17:31:32来源:沥青施工
导语:一、沥青路面水损害的类型与危害 沥青路面由水引起的破坏统称“沥青路面的水损害”,沥青路面水损害是沥青路面最常见的破坏现象之一。沥青路面的水损害发生通常是
、沥青路面水损害的类型与危害
沥青路面由水引起的破坏统称“沥青路面的水损害”,沥青路面水损害是沥青路面最常见的破坏现象之一。沥青路面的水损害发生通常是由水渗入并滞留在沥青里面中引起,交通荷载外力的反复作用,加速了沥青路面水损害的破坏。沥青路面水损害一般有以下一些类型及特点:                    
1.破坏多发生在雨季,也可能是梅雨季节,有时一场几天的大雨就可导致严重破坏。
2.行车道破坏严重,超车道一般没有破坏,显然与重车、超载交通有关。
3.破坏之初一般都先有小块的网裂冒白浆,然后松散成坑槽。
4.发生水损害破坏的地方一般是透水较严重且排水又不畅的部位,如挖开可见下面有积水或浮浆。一般不会全路同时破坏,显然一沥青混合料摊铺不均匀有关,有些严重不均匀的路段可能是泛油与水损害同时发生。
二、沥青路面水损害形成原因及机理分析
调查表明,造成沥青路面早期水损害破坏的原因非常复杂,可以归结为沥青混合料空隙率过大、路面渗水、排水设施不完善、压实度不足、沥青混合料抗水损害能力不足和厚度偏薄等。沥青路面的水损害发生通常是由水渗入并滞留在沥青路面中引起交通荷载外力的反复作用, 加速了沥青路面水损害的破坏。
三、沥青路面水损害的防治措施
1.关于表面层的空隙率与级配认真选择表面层矿料级配非常重要,最重要的指标是混合料的设计空隙率和路上的实际空隙率。据研究,沥青路面的空隙率在8%(相当与设计空隙率 4%压实度 96%时)以下时,沥青层中的水在何载作用下一般不会产生动水压力,不容易造成水损害破坏。而当路面实际空隙率为8-15% 的范围内时,水容易进入混合料内部,且在何载作用下易产生较大的毛细压力成为动力水,易造成沥青混合料的水损害破坏。
2.按照美国最近对superpave 和 sma 的综合研究,对高速公路高速开放性交通要求目标空隙率应为4%左右。对慢速及静止交通要考虑石料压碎问题,如果环境条件许可,目标空隙率对搓揉压实机可提高至4.5-5% ,对马竭尔试验可提高为5-5.5% ,并要求粉胶控制在 0.8— 1.6 范围内,且严格统一按现行规范规定的方法测定空隙率。回顾我们国家初期修建的京津塘等高速公路,采用了在欧美,日本等许多国家常用的i 型密实式沥青混凝土,路面渗水很少,并没有发生水损害的破坏的现象。但构造深度较小,则对抗滑不利。
3.设计规范根据有关研究成果将构造深度作为抗滑性能的一项主要指标与摩擦系数并列,要求不小于 0.55mm ,有些工程考虑到设计规范规定构造深度是在竣工后第一个夏季测定,交工验收时的构造深度要求又进一步提高,一般达0.7— 1.0mm 以上,导致表面层不得不都改用ak 类“抗滑表层 ”级配,并逐步从ak---13 变为 ak---16 ,随着构造深度的增大,空隙率也跟着增大,设计空隙率往往在 6%以上,路面空隙率一般在10%以上,成为渗水严重的半开结构。后来许多人对级配作了各种调整,有些间断级配混合料尽管理论上有许多优点,但施工难度较大,受级配和油石比的波动影响比较敏感,稍有变化容易造成不均匀,致使路面不是泛油就是透水,实际效果并不理想。而在国外,抗滑磨耗层一般是在路面摩擦系数下降到一定界限之后加铺的,很少有新路铺如此厚的磨耗层。为了解决空隙率与构造深度的矛盾,既提高耐久性又使路面具有较好的表面功能,采用沥青玛碲脂碎石混合料或同时改性沥青是比较理想的,它对解决水损害将会有良好的效果。但sma 必然要增加相对的成本,除了少数重要的工程和交通量特别大的工程外,它不可能成为普遍采用的结构。
4.加强压实度,减少空隙率有些单位对压实度的重要性认识不足,压实不足是一个比较突出的问题。例如:
(1)追求平整度和担心构造深度使压实度受到影响。尽管压实的测定数据都合格,但准确性令人怀疑,有些工程不按规范要求的方法测定压实度(标准密度取值不合适 ), 或随意调整标准密度;个别工程主管出于功利思想和互相攀比风气的影响,提出了一些不切实际的平整度要求和惩罚措施,导致片面追求平整度,放松了对压实度的控制。这些工程的共同点是通车以后平整度迅速下降,面层压实变形明显。有的工程担心影响平整度和构造深度而不用振动压路机,但轮胎压路机的吨位又偏轻。应该明确的是平整度固然重要, 但压实度更重要,必须在确保压实度的前提下提 高平整度。
(2)现行的规范对压实度的要求规定有缺陷。在美国要求符合3个或其中1个压实标准:(a)实验室马竭尔密度的96%;(b)实测最大理论相对密度的92%;( c)试验路钻孔密度的99%。实际上前两个标准可以互相换算,若最大理论密度 dmax 和马竭尔试件密度dms ,则以小数表示的空隙率v设计 =1---dms/dmax 若钻孔试件的实测密度d 芯样实测,则按马竭尔密度计算的压实度 k1 与按最大理论密度计算的压实度k2 之间有下列关系k1=d 芯样实测/dmsk2=d芯样实测/dmax=k1 ⅹdms/ dmax=k1 ⅹ (1---v 设计 )。其中关键上混合料的设计空隙率vk1=96% ,k2=92%两个标准等效的条件是v设计=4.17% 。也就是说,当空隙率小于 4.17% ,要求压实度为马竭尔密度的 96% ,意味着比控制最大理论密度的92%要高,相反当空隙率大于4.17% 时,要求压实度为
马竭尔密度的96%,意味着比控制最大理论密度的92%要低。
(3)有些工程出于平整度的考虑,不切实际的采用一台摊铺机全副摊铺的方法,容易造成离析,振捣力较小,压实不均匀。国外普遍采用两台摊铺机梯队式的摊铺方法, 这种特别加长的摊铺机是国外厂商专门为中国特制的。建议公路一般采用两台摊铺机梯队式的摊铺方法。
 5.采用合理的集料粒径和适宜的沥青面层压实层厚度
现在沥青面层的集料粒径普遍偏粗,与其相匹配的压实层厚稍偏薄,不利于压实。美国以前规定结构层厚度应不小于最大粒径的2 倍,现  superpave 提出宜为公称最大粒径的3 倍,澳大利亚要求 2.5 倍。现在表面层普遍采用公称最大粒径16mm ,厚度4cm,相当于2.5  倍,显得稍薄,如按 3 倍宜采用5cm 。4cm 表面层如果采用13mm 可能会好一些。由于集料生产和价格的关系,16mm 的最大粒径是我国常用尺寸,当初是由lh---20 转过来的,按欧洲的级配系列,公称粒径16mm 的最大粒径是22.4mm ,不是  19mm 。中下面层的厚度5— 6cm 与粒径  26.5mm 相比就更薄。我国施工规范规定表面层集料最大粒径不大于层厚的1/2 ,中下面层不大于2/3,以及设计规范对适宜厚度的规定对高速公路有些不合适。沥青混合料的集料粒径大产生的离析是普遍存在的问题。不仅表面层,中下面层更严重。底面层混合料普遍采用空隙率较大的ac- 25 型沥青混凝土,粗集料粒径偏大(全幅摊铺离析更甚),离析无法避免,层后越薄,越易导致局部区域空隙过大,成为透水、积水和积浆的场所,容易导致沥青与集料剥离。 当然集料离析还有另一个更重要的原因是施工所使用材料的变异性太大,砾石料料场水平低,来源杂、不稳定,使级配变化太大,往往不能达到配合比设计的要求。我们应该象重视沥青质量一样重视混合料总量90%以上的砾石材料的质量。我国原来的规范对集料最大粒径与最大公称粒径的定义不明确,使用较混乱,   今后应该注意在此基础上根据集料粒径选用合理的沥青面层的设计压实厚度,随着时代的发展和认识的提高,不能单纯过分地追求减薄。
6.做好路面排水和封水
水是水损害之源,对付水的办法,一是封,二是排。从表面层封,让水从表面排走;表面封不住则从中面层封,让水从表面层内排走;从基层表面封,不让水从下面上来,不让水泡半刚性基层,让水从沥青层内或层间排走;如果水进入基层,基层必须能排水。若是水长期泡在沥青混合料中或基层表面,唧浆和坑槽就难以避免了,可以说长时间泡水的沥青路面的寿命肯定是长不了的。沥青面层本身是封不住水的,基层又不透水,透层油或下封层也封不住水。规范要求至少有一层不透水的i型密级配沥青混凝土,一般安排在中间层。我国路面基层普遍采用半刚性基层,也是不透水的,上面渗水路面和冰冻地区春融期融化的水容易积聚在基层表面,成为浮浆(有的工程在雨季挖开可看到浮浆有10mm 厚),近年来对半刚性基层的强度越来越高,越来越致密,尤其是二灰碎石比水泥稳定碎石透水性更差。因此在雨季水进入沥青层内部是不可避免的,但是我们通常在路面设计一般不考虑路面结构层内部排水问题,相反普遍设计了埋置式路缘石、砌筑式路肩、浆砌挡墙,阻碍了渗入路面内部的水排出; 而且有的路段纵坡不顺,拦置式路缘石使路表水不能从边缘迅速排出,反而阻水导致局部   积水,这个问题在桥面板上特别突出。在设计时我们从以下几个方面考虑排水问题:
(1)切实做好中央分隔带的排水,避免绿化浇水横向渗入路基。如果不能保证排水,不如改绿化带为表面用水泥混凝土或沥青层封住。
(2)保证路表水排水顺畅,挡水式的路缘石有可能使水滞留在路面上成为水涵,不如做成平的, 或者干脆不做缘石,让水漫流至路外,但路肩及边坡必须经的起水的冲刷。
(3)路面设计必须考虑混合料内部层间的水和缝隙水的排水问题,保证渗入路面内部的水能排出路外。有的工程在中下面层边缘设置15cm宽的碎石层(有的加设土工布) 盲沟纵向排水,上面覆盖表面层,碎石纵向每 5m 有一个出口(有的中间设排水管) 通到路外。也有的工程表面层只铺行车道,紧急停车带不铺,中面层上洒布改性乳化沥青封层,使渗入表面层的水从界面上流出。埋置式路缘石会挡住结构层水的排出,不宜采用,沥青路缘石的效果较好。
(4)挖方路段的排水往往是薄弱环节,尤其要注意边沟的深度,不仅能排路表水,还应能排结构层的水,且路面内部的水能排入边沟。
(5)考虑排水性能 ,开展对半刚性基层和级配碎石柔性基层的研究。现在我国几乎全部采用半刚性基层,且强度越来越高, 这对整体承载能力是好的。但当沥青面层不能完全封住水时,下渗的水分及从裂缝进入的水分就长时间滞留在沥青面层和半刚性基层的界面上,在何载作用下形成灰(泥)浆,并形成唧浆,最后导致沥青面层的水损害破坏。基层要不要考虑透水性能 ,要不要限制4.75mm 以下细料含量,要不要限制强度的上限,是一个值得研究的问题。我国对级配碎石柔性基层的研究和应用已经很有必要了。
(6)在沥青面层下设置排水层,可以是级配碎石层,也可以是沥青或水泥稳定碎石层,空隙率应达到 15% 以上。但施工期间必须保证路面不被污染,将空隙堵住,如果做不到则起不到作用。关于这方面的做法必须加以研究,取得经验后推广。
(7)加强沥青层与沥青层之间的黏结。现在许多工程的施工顺序安排不当,在沥青面层铺筑过程中或铺筑后,开挖中央分隔带、埋置管道、埋设路缘石,挖出的土污染了沥青面层,即使清扫也扫不干净,有的甚至不洒粘层油,土影响了上下层的黏结和协同作用。施工规范对粘层油的规定要求不严格也是缺陷。以后应该强化施工组织计划, 所有开挖、 埋设、绿化等工序应该在基层施工过程中同步完成,最后铺筑沥青层。要求合理安排施工顺序,严格禁止在沥青面层铺筑过程中或铺筑后将挖开的土堆放在沥青面层上造成污染。北京的做法是只要沥青层不是在第二天接着铺,就必须洒粘层油。河北省京秦高速公路在中间层上洒布改性乳化沥青封层,表面层渗入的水绝对进不了中面层。
(8)改进透层油或下封层,使其真正起到作用。在半刚性基层上洒布乳化沥青透层油时经常透不
下去,以及施工前运输车辆及施工过程中将透层破坏,透层油起不到将沥青面层与基层连接成为一体的作用,更起不到封住水的作用。有些工程设计的下封层只是在喷洒乳化沥青后洒石屑或沙  子,厚度太薄,实际上还是透层油的做法。为了做好透层游,在半刚性基层上一般宜采用煤油稀释的中凝液体沥青,为了使透层油好透一些,并减少唧浆,上基层最好采用水泥稳定碎石,少用二灰碎石,要求至少透下去不少于5mm。另外沥青路面施工技术规范规定可以采用稀释沥青,但基层规范只规定采用乳化沥青是不合适的。
7.提高沥青混合料的水稳定性
沥青路面上面层水主要是下雨是渗入,过去在路面设计时,为减少水的渗入选择密级配的沥青混合料,这样沥青路面的水损害问题解决了,可带来了另一个问题,沥青路面构造深度降低了,摩擦系数减少了,严重地妨碍了交通快速和安全。为保证沥青路面既有足够的构造深度和摩擦系数又不破坏沥青路面抗水损害能力,国内外成功的方法之一就是在沥青中添加抗剥落剂改善沥青矿料的黏附能力,提高沥青路面在水侵入后的稳定性。沥青混合料的水损害主要是水侵入沥青混
合料引起了两个方面的破坏作用:一减少了沥青对矿料的黏附力,二破坏了沥青混和料相互之间  的黏结力。基于这个理论,评价沥青混合料抗水害的能力的试验方法,可以分为两大类:一类是沥青和矿料的黏附性试验,这类试验方法主要是用于测定沥青和集料(不包括矿粉)的黏附性。这类试验方法研究的对象都是个别的裹覆有沥青的矿料。这类试验方法有:(1) 我国水煮法(2)美国水煮法 (3) 美国净吸附法。
第二类试验方法是沥青混合料的水稳定性试验。这类试验方法适用于级配矿料与适量沥青经拌和而成的沥青混合料,制成圆柱状试件,然后测定沥青混合料在水作用下力学性质发生变化的   程度, 作为抗水稳定性指标,以表征沥青与矿料的黏附性和黏结力,这类方法中的试件受力情况与沥青混合料在路面中的实际使用情况较为接近,主要有(1)浸水马竭尔试验,(2) 真空饱水马竭尔试验,(3)简化的洛特曼试验,(4),aashtot283 试验。其中浸水和真空马竭尔稳定度试验及简化的洛特曼试验方法,已纳入我国沥青混合料试验规范,作为检验沥青混合料抗水害能力的试验方法。要提高沥青混合料的抗水害的能力,就必须选择合适的沥青和矿料来制作沥青混合料。经过国内外大量的研究发现沥青和缄性大的石料有较好的黏附性,与酸性石料的黏附性较差。但由于缄性大的石料强度低,而高速公路交通量大,对石料的强度耐磨耗等能力要求很高,所以一般不能用于沥青路面的上面层,而玄武岩具有高度的强度,其耐磨能力很强,因此可用于沥青路面上面层,但玄武岩属中性或弱碱性,与沥青的粘附性具有一定的选择性,所以在多雨地区选用玄武岩石料作为矿料,一般较为稳妥的做法是在矿料中加入抗剥落剂来铺筑具有强度、抗水害能力强的沥青路面。目前国内外有各种各样的抗剥落剂供应市场,在我国市场上有数十种之多。造成沥青从集料表面剥离是一个非常复杂的问题,至今并没有一致的认识,沥青混合料的强度来 自于沥青本身的黏结力、集料之间的嵌锁作用及内摩擦力,以及沥青与集料的黏附作用,黏附作用是保证前两个因素发挥强度作用的条件,一旦失去了黏附作用, 混合料也就失去了强度。影响  沥青与集料附着力的因素可归纳为沥青、集料等内因、交通负荷等外因的作用。在造成剥离的各个阶段上,各个因素都发挥不同的作用,而且它不仅是石料,沥青, 水三者的作用,还与配合比, 环境条件及荷载有关。目前,关于黏附--- 剥落的机理有五种理论:
(1)机械黏附理论
矿料的表面通常是粗糙的与多孔的,这种粗糙增加了骨料的表面积,使沥青与矿料的粘和面积增大, 提高了两者之间的总的黏结力。 此外,矿质骨料的表面存在着各种形状、各种方向与各种大小的空隙、微裂值。由于吸附与毛吸作用,沥青渗入上述空隙与裂隙,增加了两者结合的总的内表面积,从而提高了总的黏结力。沥青在高温状态以液相渗入骨料空隙与微隙缝中。当温度下降时, 沥青则在空隙中发生胶凝硬化。 这种契入与锚固作用形成了沥青与骨料之间的机械黏结力。
(2)化学反应理论该理论认为碱性矿料与沥青有较好的黏附性。这是因为沥青中的酸性成分与矿料表面碱性活性中心发生了反应。酸性矿料则缺乏这种碱性活性中心,故较少有化学反应发生,所以与沥青黏附性差,易发生剥离。
(3)表面能理论
表面能理论通常认为由于沥青在石料表面铺展时,由于沥青与石料表面的接触较大, 所以沥青在石料表面不易铺展开,而使沥青薄膜在石料表面铺展后,当遇水时,水对沥青的置换作用使沥青薄膜从石料表面剥落。加抗剥落剂后,沥青向矿料表面铺展的过程中所需的外力减少了许多, 使沥青在拌和过程中更易于均匀分布在矿料表面,并在更大程度地进入矿料表面的空隙中,使相互接触面积大大增加,这将大大加强沥青混合料的抗水剥离作用。极性理论 
表面活性物质的分子是由极性基与非极性基组成的不对称结构,极性基带有偶极距, 故能出现力场。石油沥青由其元素组成可知,碳和氢的含量为 90— 95%,其余部分为氧、硫、氮。沥青可
视为表面活性物质在非极性碳氢化合物中的溶液。根据所含的表面活性物质数量的不同而具有不同的极性。沥青黏附于石料表面后,沥青在石料表面首先发生极性分子定向而形成吸附层;与此同时, 在极性力场中非极性分子由于得到极性的感应,而获得额外的定向能力,遂而形成致密的表面吸附层,所以认为沥青极性是黏附的本性,上导致矿料吸附沥青的根本原因。 沥青在矿料表面的吸附可分为物理吸附、化学吸附和选择性扩散吸附。由于水是极性分子且有氢键, 因此水对石料的吸附能力很强。 当低极性石油沥青与亲水性石料黏附时,由于沥青与石料基本上仅有物理吸附,故易为水剥落,当含极性物的石油沥青与憎水性石料黏附时,由于沥青与石料不仅有物理 吸附,同时还产生化学吸附,故不易被水剥落。添加抗剥落剂后,由于抗剥落剂带有碱性的氨基  活性基团,在沥青/矿料界面上抗剥落剂的非极性碳氢链伸入沥青中,带正电的氨基碱性基团与酸性矿料表面负电中心作用作为联结桥加强了沥青与矿料的结合,从而增强了沥青在矿料表面的黏附性。
(4)表面构造理论
一种指定的沥青在一种指定的平的、干净的、 均匀的石料理想表面上,其平衡接触角应为一定值。但是实践中由于石料是粗糙不平的,表面是不均匀的,因此接触角产生滞后现象。 特别是粗糙表
面,其真实表面较表现表面大,可使接触角减小。因此沥青在粗糙表面石料的平衡接触角总比平滑表面石料的接触小,则粗糙表面可使黏附性提高。以上这些理论,从各个不同的角度对沥青与矿料的黏附、剥落机理给予了解释,每一理论均有其独特作用,但由于影响沥青与矿料黏附力的因素很多,造成黏附--- 剥落的机理十分复杂,涉及到沥青、矿料等内因及水、交通负荷等外因的作用,每一个理论都不能完全概括说明其作用机理、只有综合作用才能行之有效。
国外普遍采用消石灰改善沥青与石料的黏附性,美国、日本及我国的规范都规定把掺消石灰1~ 2%作为第一项措施,但由于比使用抗剥落剂麻烦,我国只有少数工程得到了有效应用。因此在采用与沥青黏附性不好的酸性集料时,首先应考虑采用消石灰作为改善沥青黏附性的措施,如果采用抗剥落剂时,必须公开招标,采用证明确实有长期效果的抗剥落剂。
 

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