高温、潮湿地区的沥青路面破坏的原因分析

来源：职称驿站所属分类：车辆论文发布时间：2012-10-08 09:10:08浏览：次

　　摘要：通过对云南省沥青路面破坏现象的调查，分析了云南特殊气候环境条件下沥青路面破坏的原因，指出现阶段我省应在施工质量控制及新技术的应用方面加强研究，以提高我省沥青路面的质量，延迟使用年限。
　　关键词：水损害，车辙，施工控制，SMA技术
　　
　　1沥青路面在云南的使用和破坏情况
　　沥青路面具有行车平稳、舒适、噪音低、养护方便、易于回收再生利用等优点，在国内外公路中作为路面的主要结构类型被广泛采用。在我省的公路路面结构中90％以上也是采用沥青路面。90年代后我省开始大力发展高等级公路，十多年来，在高等级公路沥青路面修筑及养护中在路面结构、材料、设计、施工和检测技术研究方面都取得了较好的成绩，施工质量和工艺水平也有了较大提高，多种改性沥青混合料的推广应用也使得路面的耐久性能得到了较大的提高。但是，路面的早期破坏仍然是沥青路面铺筑和养护过程中急需解决的一个难题。我省沥青路面早期破坏现象集中表现为水损害和车辙。省内多条公路铺筑完面层后，通车不久路面就产生了程度不同的水破坏。随着时间的推移，特别是长期下雨后，水透入表面层后滞留在表面层的下部与下层的交界面上，沥青剥落从面层的底面开始并逐渐向上扩展。一旦下部较大碎石上的沥青被剥落下来，下部沥青混凝土就失去强度，在大量行驶车辆作用下，面层产生网裂和形变。在我省沥青路面另一严重的破坏现象表现为车辙，随着交通量不断增大以及车辆行驶的渠化，沥青路面在行车荷载的反复作用下产生竖向永久变形的积累而导致表面出现车辙。
　　2我省沥青路面发生早期破坏的原因分析
　　2.1早期破坏现象调查
　　省内某公路全长25km，是昆曼公路云南境内的其中一部分，于1998年改造完工投入使用，总投资2亿元，按汽车二级专用线设计，路面设计年限12年。该路位于我省西双版纳傣族自治州，属热带向亚热带过渡地带，气候终年温暖湿润，年平均降雨量达1700毫米以上，而每年5月至10月的雨季期间降雨量占全年的85%以上。多雨、潮湿的气候环境加速了路面的破坏，在交付后使用两年多的时间开始出现路面早期破坏现象，使用不到5年的时间该段路路面出现了大面积破坏。图2.1-1是该二级公路典型的水损害现象，沥青膜已剥落贻尽。这是在降雨过程中，雨水进入并留在表面层沥青混凝土的孔隙中，在大量快速行车的作用下，一次一次产生的动水压力使沥青从碎石表面剥落下来。
　　
　　图2.1-1沥青被水剥落
　　某高速公路主要通过我省“滇西红层”地质山岭重丘区，工程及水文地质情
　　况十分复杂。由于沿线地质条件差，公路超限运输严重，通车后约2年左右的时间就出现了严重的病害。该路在许多大纵坡的爬坡路段车辙相当严重，部分路段车辙超过7cm，严重影响了路面平整度，已经不能满足高速公路的使用要求。图2.1-4和图2.1-5是该公路相当普遍的车辙现象。
　　
　　图2.1-2爬坡车道多次修补后仍有较大车辙
　　2.2病害原因分析
　　水损害是沥青路面较为常见的早期破坏，指的是沥青路面在水或冻融循环的作用下，由于汽车车轮动态荷载的作用，进入路面孔隙的水不断产生动水压力成真空负压抽吸的反复循环作用，水分逐渐渗入沥青与集料的界面上，使沥青粘附性降低，逐渐散失粘结力，沥青膜从石料表面脱落,沥青混合料松散导致沥青路面出现破坏。唧浆、网裂、坑洞现象就是普遍和典型的水破坏现象。从调查路段看，使用了一年以上的公路都产生了程度不同的水破坏现象，差别仅仅是有的水破坏现象较严重、有的水破坏现象较轻。水破坏经常发生在潮湿多雨地区的沥青路面上，这些破坏几乎都是由于自由水浸入并滞留在沥青混凝土的孔隙中，在行车荷载反复作用下，沥青从沥青混合料中剥离下来，导致路面结构层松散，表面出现裂缝、坑洞、形变。一旦沥青面层有了裂缝、坑洞水就更易透过沥青面层滞留在半刚性基层顶面，在大量高速行车作用下，自由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表层的细料，形成灰白浆且沿面层裂缝上冒出来，就是我们所看到的唧浆现象。路面在多次的降雨过程中恶性循环，最终导致路面破坏。
　　从我省多条路发生水破坏的情况分析，沥青路面产生水破坏的外因是降水量、交通量和交通组成，以及行车速度。按年降雨量来划分，云南大多数地区为湿润区，还有一部分地区处于潮湿区。我们调查了发生严重水破坏几条公路，这几条公路所处地区的年降雨量均在1500mm以上，远远大于潮湿地区的分界线(1000mm)。在这些地区的沥青路面基本不可避免的发生了严重的水破坏，有的路段沥青路面通车后仅仅经过了一个雨季就发生了水破坏现象。从交通量和交通组成来看，交通量大和载重车较多的高速公路较交通量小和载重车少的高速公路破坏的更严重，对同一条高速公路来说，重车或超重车行走的车道较其他车道发生了更为严重的破坏，双向四车道的高速公路尤其明显。从行车速度来分析，行车速度较快的高速公路虽然路面结构本身要比行车速度较低的三、四级好得多，却发生的破坏现象更严重。
　　产生水破坏内因有：①沥青混合料孔隙率的大小，沥青混合料的孔隙率大小由两方面决定，一是路面面层的结构形式。按原《公路沥青路面施工技术规范》，沥青混凝土分为密实式（I型）或半开式（Ⅱ型）沥青混凝土，I型沥青混凝土的孔隙率通常在4％左右，Ⅱ型沥青混凝土基本上在8％以上。沥青面层三层均采用I型沥青混凝土结构的路面水损害明显比仅采用一层或是两层是I型沥青混凝土的路面要少。我省多数高速公路为使面层有良好的防滑性能，设计为Ⅱ型沥青混凝土AK类型，中、下面层采用I型粗粒式沥青混凝土。调查中我们发现采用这种面层形式的路面很多路段刚过一个雨季，表面层甚至到中、下面层出现了明显的水破坏现象，这是因为上面层是半开级配的Ⅱ型沥青混凝土，设计孔隙率大于8％，施工控制不好时现场孔隙率更大，是最易产生水破坏的。从上面层渗入的水滞留在两层沥青混凝土之间无法排除，中、下面层沥青混凝土在这些自由水的浸泡中强度逐渐减弱。二是施工碾压后压实度的影响，压实度越大孔隙率就越小，施工时压实度如果小于98％，即使是I型沥青混凝土，也同样有较大孔隙率，将来必然要发生水破坏。前述某二级汽车专用公路面层结构形式是3cmLH-15I沥青混凝土+5cmLH-25I，两层均为密实的I型沥青混凝土，但调查结果是该路面发生的破坏基本上是水破坏，分析原因我们认为该路面发生严重水破坏的外因是该路面处于年降雨量1700毫米以上，每年雨季期达半年以上的潮湿地区，内因是施工时压实度不够，现场孔隙率未达到马歇尔试验所达到的孔隙率，或施工中可能产生离析现象，沥青混凝土不均匀，有的位置的孔隙率较大，下雨后水就从孔隙率较大的位置下渗引起水破坏。②沥青和碎石的粘结力大小或有无剥落剂，一般要求做中面层和下面层的沥青与矿料的粘结力不小于4级，用于上面层的沥青混凝土要求沥青与矿料的粘结力不小于5级，达不到要求时，应加入抗剥离剂改善沥青与矿料的粘结力。我省用于高速公路路面表面层的石料多为玄武岩或花岗岩，这些石料石质坚硬、耐磨、耐冲刷，是非常好的表面层石料。但这些石料最不好的就是和沥青的粘附性不好，虽然可以采用加入抗剥落剂来改善与沥青的粘附性能，但从我们做的多组试验来看，并不是粘附性提高到了5级，沥青混合料的水稳性就好，特别是长期性能基本没有改善。也就是说，加入抗剥落剂提高了集料与沥青的粘结能力，一、两年内有明显效果，但时间一长，抗剥落剂就不起作用了。③没有路面防排水设计。包括I型沥青混凝土在内的任何一种形式的沥青混凝土都不可能完全不透水，所以在路面结构设计时要考虑路面结构水进得去也要出得来，然而近年来我省的路面结构设计各结构层均没有做防、排水设计，仅仅做了路表水和部分中央分隔带的排水设计。④施工质量控制不好是发生水破坏最普遍的原因。首先为表现原材料质量较差：材料脏，粉尘多，针片状颗粒含量高，级配不规格等，经常不能达到规范要求。路面用集料多半取自社会料场，国有企业、乡镇企业、个体生产都有，几个料场质量、规格参差不齐，使用时离析严重，导致实际级配与配合比设计有很大的差距，这是造成沥青路面早期损坏的重要原因。购买集料首先要讲究规格，但施工往往不够重视，尤其是对较细的集料，细粉含量控制不严，很可能是含泥量大，而这是保证路面质量的重要一环。另一方面是重视了集料的“资源特性”，却忽略了集料的“加工特性”。在规范关于集料的技术要求中，按其性质可分为两类：一类是反映材料来源的“资源特性”，或称为料源特性、天然特性，它是石料产地所决定的，如密度、压碎值、磨光值等。另一类是反映加工水平的“加工特性”，如石料的级配组成、针片状颗粒含量、破碎砾石的破碎面比例、棱角性、含泥量、砂当量、亚甲蓝值、细粉含量等。属于“资源特性”的指标往往受到产地和成本的制约，可选择和变更的余地不大。但是一些工程对石料的资源特性要求很严，不惜跨省到数千公里外远运，但对加工特性，尤其对规格、含泥量、针片状颗粒含量却不重视。细集料最基本的要求就是洁净，然而往往就是控制不好，使得细集料含泥量过大，严重沥青影响混合料的性能。矿粉在沥青混合料中起到重要的作用，矿粉要适量，少了不足以形成足够的比表面吸附沥青，矿粉过多又会使胶泥成团，致使路面胶泥离析，同样造成不良的后果。在我省的沥青路面施工中，沥青混凝土的生产中普遍存在矿粉不够的情况，这是我省沥青路面水损害严重的一个重要原因。施工质量控制不好的另一原因是机械设备落后，我省沥青混合料拌和设备产量均较小，多为120t/h，另外拌和、摊铺设备质量较差，施工中经常发生故障，难以组织连续的机械化施工，最终影响路面的整体质量。
　　我省多数地区年降雨量在1000mm以上，从设计、施工两方面都在加强水损害的防止，水损害现象得到一定程度控制，但近几年却是新铺筑的沥青面层出现了严重的车辙，我省高速公路多在山岭重丘区，陡坡较多，在爬坡路段、重车及超重车较多路段，持续高温的作用下沿车道轮迹带的路面出现车辙或推拥变形。分析原因，外因是近年来超重车辆过多、夏季持续高温的气候所致。内因则是沥青混合料设计或施工不当。沥青混合料的级配中细料偏多，空隙率小，沥青用量过大，沥青稠度偏稀。我省除少数地区外，冬季气温在0℃以下，大部分地区冬季有较高温度，部分地区冬季温度达20℃以上，夏季高温在30℃以上，且持续时间较长，但已建成的高速公路按原规范的划分基本上选用的是AH-90，这是导致沥青路面发生车辙的主要原因。施工质量控制不好同样是沥青路面发生车辙的重要原因。无论是沥青路面破坏的哪种类型，都和施工质量有非常大的关系，因此抓好施工质量是减少和防止沥青路面破坏的最关键因素。
　　SMA是近年来在国际上出现的一种引人注目的新型沥青混合料，以其优良的抗车辙性能和抗滑性能而闻名于世。第一条SMA路面始建于60年代中期的德国，经过了近四十年至今仍然良好地使用着。进入90年代，SMA几乎成了德国唯一的路面结构形式，而取代了原来传统的浇注式沥青混凝土和密级配沥青混凝土。从80年代起，SMA在北欧的瑞典、芬兰等国得到了广泛的应用，并很快推广到欧洲。90年代，美国在引进德国SMA技术后，经过国内研究应用，近年来已有相当规模。我国1992年在首都机场高速公路建设过程中首次采用改性沥青和SMA技术，一些省市已经开始组织SMA技术研究与推广应用，而云南省目前对SMA技术的研究与应用仍处于空白状态。另外值得提出的是，无论是欧洲还是美国，由于高速公路网已经建成，SMA主要使用在沥青路面的表层罩面层，而我国正处在高速公路大量新建的时期，SMA主要用在沥青路面的新建表面层上，这一点是不同的。由于我国惯用密级配沥青混凝土，无论是机械设备还是材料，都与德国的浇注式沥青混凝土不一样，对引进德国的SMA技术应结合国情进行研究应用后予以改进和发展。而且我省气候复杂、交通、材料和经济条件也迥然不同，应结合当地具体情况，开展SMA的试验研究、验证、选用，解决我省车辙严重的问题。
　　参考文献
　　[1]沈金安编，改性沥青与SMA路面，人民交通出版社，1999。
　　[2]中华人民共和国交通部，公路沥青路面设计规范（征求意见稿），2003。
　　[3]人民共和国交通部，公路沥青路面施工技术规范（JTGF40-2004）。