高速公路沥青路面水损害及其防治分析

2013-04-17刘中礼

交通运输研究 2013年6期

刘中礼

（沧州路桥工程公司，河北沧州 061000）

0 引言

以前的公路路面在投入使用以后出现的一些病害，大多是承重基层的水稳性不良所致。所以后来的基层便逐渐由当时的以粘土作为结合料的泥结碎（砾）石、级配碎（砾）石材料转向了以石灰、水泥等无机结合料稳定的碎（砾）石、二灰碎（砾）石、石灰土等半刚性基层方面的发展。在大量修建沥青路面的同时，先后进行了一些粗糙抗滑等新型结构的试验与探索，并进行了大面积应用性铺筑，其中有些在通车之后的头几年就出现了早期水损害性病变，而且病变仍有继续发展的趋势，成为高速公路修建、养护中一个亟待解决的问题。

1 沥青路面结构

高速公路的路面结构与厚度在经过几年的调整、摸索后已逐渐趋向定型。如河北省等地的高速公路大多为15cm 沥青面层（前期采用过12cm）、16～20cm水泥稳定碎石、18～20cm二灰稳定碎石、20cm石灰或石灰、粉煤灰稳定土。也可根据当地取材情况，取消二灰碎石而加厚石灰土底基层等做法。15cm的沥青路面，通常采用4cm+5cm+6cm三层式的上（表）、中、下（底）面层结构。结构选型中的问题主要是在沥青面层上，而沥青面层又主要集中在这4cm的表面层上。通过优化组合，选定结构类型和矿料级配组成。高速公路的上、中面层，采用的是传统连续级配型密实结构。此后，为了寻求解决高速行车、沥青面层的粗糙抗滑问题，在正定试验路面的基础上，开始在4cm厚的表面层上探索性铺筑了SAC—16断级配型多碎石沥青混凝土结构。然而有的公路竣工之后，仅仅经过了一个冬季的通车营运，来年的初夏就出现了大范围的“析油”现象，沥青软层向表层浮（聚）集，形成一层光亮的油层。

在对这种病害调查研究的基础上，由“析油”现象到结构的透水现象进行分析，进而对这种断级配结构的矿料级配组成进行调整。在当时追求粗糙抗滑的前提下，这种调整是谨慎的、逐步细化的。在以后的新建工程项目中，就以4.75mm筛孔通过量（中值）作为一个特征指标来衡量，由最初的33%逐步调整到47%，向着连续级配方向靠拢。随着指标的调整，路面质量亦有了好转。

2 沥青路面水损害分析

沥青路面水损害发生的主要原因是透水，而透水又是由于空隙率偏大导致的。病害的发生、演变大体可分为以下几种现象和过程。

2.1 析油

析油，习惯上也称作“泛油”。实际上，析油与泛油的含义截然不同。“泛油”一般是指沥青表处、贯入式路面在铺后的形成期，行车自然碾压下的沥青遇热上泛，再分布，矿料压实、挤实的一个正常泛油的成型过程。而析油则是沥青面层由于透水、水膜的长期浸入，油、石逐渐剥离，结构失稳之后，在行车荷载的反复作用下，结构层内部的沥青油膜携同一部分细、粉颗粒向上浮（聚）集、离析的结果。这是一种假象的泛油，实属水损害病变的初期。仔细观察，可在行车轮迹（车辙位置）的侧缘附近看到一些极轻微的细发状裂纹。

病变的发生虽然与汽车严重超载、轴载轮压的增加、大量行车重载的反复作用以及冬冻春融，大气降水、夏季烈日高温等不利因素条件直接有关，但根本的原因还是透水，是透水引发了一系列水损坏病害。

与连续密级配相比，粗集料断级配的空隙率偏高，因而雨、雪水就得以下渗并滞留于沥青面层内。常年的滞留与积累，使得水膜容易沿着矿料颗粒与沥青油膜界面之间的空隙而入。近于饱和的空隙水在行车瞬间荷载的动水压力的反复冲刷作用之下，逐渐侵蚀剥离。特别是当沥青表面层使用了一些带有酸性的硬质岩石料，粘附力就更差。初期，当沥青面层尚具一定的嵌锁能力，这些细微的裂隙只是在隐约地逐渐发展，在油、石之间形成一些微小的脱节与错动，结构强度开始出现衰降和失稳。由于冬季冻融侵害的潜在危害，到了夏季高温下，在行车荷载的不断挤压、揉搓下，沥青油膜只能是向上浮（聚）集。实际上，析油现象是病害发生的前兆。

2.2 车辙

车辙是“泛油”的继续。正常情况下的车辙主要是行车荷载作用下的压密与形变的积累。一般当车辙超出了10～15mm之后就需要处理，以防积水，影响行车舒适与安全。早期水损害性车辙，是由于结构内部沥青混合料的粘聚力、内摩阻力已出现不同程度的衰减，剪应力超出了自身所有的抗剪强度。所以其“W”型车辙断面的变形也大，出现得早，发展也快。有的两年之后就出现了车辙，三年之后25mm以上深度的车辙已达到了12%以上，最大深度为34mm。五年之后，车辙深度发展到15～25mm，严重的达到30～45mm，最深可达60mm以上，实际上已趋于结构性破坏阶段。

从荷载受力分析看，15cm厚的沥青面层，上部0～5cm压应力最大，大约在4～9cm处的中面层部位剪应力最大，是产生剪切形变从而发生辙槽的主要深度范围。但也不全是这样，因为水损害病变的发生又与水损害的程度极为相关，往往是病变发展到哪层，车辙变形层厚的变化就出现在哪层。如有的仅发生于表面层，而有的则是深入到中面层，甚至可以见到一些水平状剪切层理，说明早期车辙的发生与水损坏性病变直接相关。

2.3 网裂

路面上存在各式各样的裂缝，如收缩反射性的裂缝，横向的、纵向的以及程度不一的网裂、龟裂、块裂等。收缩反射性裂缝往往是上下连通的（非重合），这是半刚性基层的特性，这一弊端相比之下还是比较好处理的。目前采用密封胶、改性乳化沥青、软膏等开槽封堵的做法还是比较成功的，只要处理得当，收缩反射性裂缝基本上可以得到抑制。难以处理的病变类型是网裂。网裂基本上是水损害已发展到了后期阶段，路面结构已失去原有强度和稳定性，回弹弯沉明显超出原设计允许值，路表呈现出多向的网状裂缝，同时伴有较大的垂直形变和凹陷起伏。此时的雨后渗水危害将会进一步加剧，继续向中、下面层甚至基层扩渗。有些纵向裂缝，除了填方自身的滑坡失稳这一原因外，还与透水后基层材料的水稳性不良直接有关。

病变的发展往往是零散地、程度不一地穿插交汇在一起，说明了道路铺筑本身存在着极大的不均匀性的特点。在一些明显的横、纵裂缝或网状裂隙处结构层内滞留的空隙水，可能在行车轮荷瞬间的压弹动水压力作用下沿裂缝、裂口发生泵吸唧浆，往上冒白浆，这些白浆并非全是来自基层的灰浆，有些是沥青面层矿料自身在行车轮荷揉搓作用下磨损下来的细粉颗粒。石料虽有色泽之分，但磨耗下来的粉末“条痕”多是白色的。在严重唧浆病害的下面，可以看到油石离析，骨料露白，几乎看不到原来裹覆的沥青。

2.4 桥面沥青面层的水损害

同样条件下，桥面沥青面层的水损害要比路基上严重得多。因为桥梁上部结构是直接悬置于大气之中，对气候的变化相对敏感。汽车轮荷对沥青面层的损伤相当大。此外，施工中，沥青面层与其下水泥混凝土的结合层位不像整体沥青混凝土结构上下层间那样能够借助摊铺后的高温和熔烫，起到上下紧密结合的效果，因而在这个结合层位上空隙率一般偏大，也容易透水且存水。

另外，也不排除原水泥混凝土桥面施工本身就存在如强度不足、松散夹层或残留浮浆等内在缺陷和弊端。此外，也可能有上部结构自身的横向连结刚度不足、单板受力，挠曲变形过大等原因。一般来说，桥面上出现水损害是个前兆，表明结构本身存在透水隐患。随后1～2年，路基上沥青路面的水损害也就相继发生，仍然是沥青面层自身透水所致。