瀝青路面水損害的研究

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　1、概述

　　瀝青路面的破壞形式主要表現為車轍、低溫開裂和疲勞開裂，從60年代以來，幾乎大多數與瀝青路面研究有關的課題也集中在這三大破壞形式上。近年來，另外兩種破壞形式——水損害和反射裂縫也逐漸引起人們的注意，也已形成世界性范圍的問題。我國在這方面的研究還很少，還沒有引起人們足夠的重視。直至最近，一些高等級公路發(fā)生了較為嚴重的水損害問題，也到了重視水損害問題的時候了。

　　滬寧高速公路自1996年9月通車，1998年有些路段出現了泛油現象，開始時顏色較淺，并拌有輕微沉陷。隨著時間的推移，特別是長期下雨后，路面的顏色愈來愈黑，并出現輪跡處路面向兩邊推擠而隆起，輪跡處繼續(xù)沉陷，再發(fā)展，靠近輪跡的隆起部分破損，很快就出現松散、坑洞。松散的集料表面光溜溜的，瀝青膜已剝落貽盡。這是典型水損害現象。

　　通常水損害產生的原因有下列幾種：——路面排水系統(tǒng)不健全；

　　——路面壓實度不足；

　　——路面離析；

　　——其它：集料表面粉塵太多。

　　滬寧高速公路江蘇段瀝青路面上面層級配采用AC-16B型，其級配比部頒規(guī)范中AC-16I型粗，上面層空隙率大，易滲水。而原路面沒有設計排水結構層，只是希望在上面層和中面層之間排水，同時在路肩上設置了碎石盲溝，通過碎石盲溝將上、中面層間的水排出。事實上，由上面層滲入的水，無法從碎石盲溝排出，而長期滯留在路面中（天晴后數日，仍可看到在車輪的作用下，從路面縫中冒出水）或通過中、下面層空隙以及裂縫滲到中、下面層。在車輪荷載作用下，部分路面水變成有壓水，特別在夏季，溫水加劇了集料上瀝青膜的剝離，造成路面松散脫落。

　　壓實度不足是早期水損害最普遍的原因。研究表明，熱拌瀝青混合料4%～5%的空隙率就認為是不透水的，也就是說與水損害無關。大多數瀝青混合料設計空隙率為3%～5%，當施工完畢，大多數要求達到92%的最大理論密度，也就是說，空隙率為8%，2～3年后，可以認為是達到了設計空隙率。路面沒有壓好，空隙率高于8%，就易滲水，就會引起路面松散。研究表明：空隙率在8%～12%之間的路面是水損害最容易發(fā)生的區(qū)域，小于8%水不容易進去，而大于12%水很容易流走，但必須要設置排水的結構層。

　　滬寧路路面壓實度按馬歇爾密度控制，所檢驗的若干試驗段的數據如表1所示。從這些數據可看出，壓實度普遍不足，這是由于馬歇爾密度控制路面壓實度所造成的。

　　兩種壓實度標準合格率比較表　　　　　　表1

　 　 馬歇爾密度
96% 　 最大理論密度
92% 　 馬歇爾密度
97% 　 最大理論密度
93% 　 常州段上面層 　 100 　 33 　 0 　 0 　 蘇州A標（一） 上面層 　 100 　 100 　 43 　 43 　 蘇州A標（二） 上面層 　 80 　 80 　 50 　 50 　 蘇州A標（三） 上面層 　 100 　 80 　 40 　 20 　 南京G標下面層 　 100 　 100 　 100 　 93 　 南京G標中面層 　 100 　 100 　 100 　 100 　 鎮(zhèn)江F標上面層 　 83 　 50 　 17 　 17 　 鎮(zhèn)江F標下面層 　 100 　 94 　 94 　 44 　

　　從表1中可以看出，常州段路面壓實度盡管均滿足交通部標準96%，無一不合格，但如果用最大理論密度92%去衡量，有67%的密度不合格；若要用93%的最大理論密度去衡量，則100%不合格。

　　表1中蘇州A標第三試鋪段也表明，96%的馬歇爾密度無一不合格；若用92%的最大理論密度作標準，仍有20%的路段密度不合格；如用93%的最大理論密度作標準，則有80%的路段不合格。

　　除了上述原因外，我們在“滬寧高速公路瀝青和瀝青混合料路用性能評估”課題研究中發(fā)現，滬寧路瀝青混合料的水敏感性指標，雖完全滿足我國瀝青路面施工規(guī)范JTJ032的關于水損害技術指標，但滿足不了美國Superpave規(guī)范的要求，仍不能防止水損害的破壞。現將研究的主要內容介紹給大家，希望能引起注意。

　　2、我國現行規(guī)范

　　關于瀝青混合料水損害的技術指標我國瀝青混合料技術指標不足以防止水損害，滬寧路在施工時，嚴格按照交通部行業(yè)標準《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》（JTJ032）執(zhí)行，即：

　　（1）按水煮法試驗所有的集料與瀝青的粘附性都大于4級；

　?。?）按馬歇爾試驗所有的瀝青混合料殘留穩(wěn)定度均大于80%.

　　為什么都滿足了交通部技術規(guī)范，仍發(fā)生了水損害，除了上面論述的一些原因之外，還有一個原因是規(guī)范本身的關于粘附性指標以及混合料殘留馬歇爾穩(wěn)定度的指標，與路面水損害并沒有建立起很好的關系。

　　對于集料與瀝青的粘附性指標來說，這個指標存在著三個致命的缺陷：

　　（1）是否有不同粘附性等級與路面水損害關系的長期性能觀測資料，這些資料是否已表明粘附性大于等于4級就不會產生水損害，事實上這種關系沒有建立。

　?。?）粘附性等級用水煮法試驗評價，水煮法試驗結果受人為主觀因素影響太大，省高速公路指揮部曾請兩家較為權威的單位測試玄武巖，結果是一個3級，一個5級，充分說明這種試驗結果作為規(guī)范技術指標是不科學的。

　?。?）水煮法只使用了9.5～13.2的粗集料，事實上，部分細集料為砂，與瀝青粘附性較差，但并沒有評價。

　　美國材料與試驗協(xié)會 ASTM D 3625-96“水煮法評定水對瀝青裹復集料影響的標準實踐”是一個值得推薦的方法， ASTM D 3625-91名稱為“水煮法評定水對瀝青裹復集料影響的標準試驗方法”，而ASTM D3625-96則改成“水煮法評定水對瀝青裹復集料影響的標準實踐”。 這里有重要差別，試驗方法是對一種材料、一個產品、 一個體系或一種服務的一個或多個性質、特征的確認、測量與評價，會產生試驗結果。 而實踐就不同了，它是對一種操作、一種功能給出一種明確的方法，并不產生試驗結果。從標準試驗方法改變成標準實踐，對水煮法的作用也更明確了，它不產生定量試驗結果，ASTM D3625-91“水煮法評定水對瀝青裹復集料影響的標準試驗方法”，將裹復程度與標準剝落率相比較分為0-100％ 10等，業(yè)主們有的將95％、有的將90％作為接收標準，新版方法已去掉這些敘述。因而也不能作為拒絕或接收混合料的標準。

　　美國ASTM D3625-95水煮法用廠拌混合料，進行煮沸用于現場肉眼判斷兩種集料與瀝青的粘附性。D3625-95并不是一種試驗方法，而是一種標準實踐，它本身并不產生試驗結果，D3625明確表明，水煮法與路面現場水損害的關系尚未建立。

　　再拿瀝青混合料殘留浸水馬歇爾穩(wěn)定度技術指標來說，也存在著致命的弱點。

　　75次馬歇爾擊實儀雙面擊實，試件空隙率已達到設計空隙率為3%～5%，水很難浸入，也更難浸入瀝青膜與集料之間，沒有足夠的水，談何水損害？如果要用殘留馬歇爾穩(wěn)定度技術指標，也得讓空隙率接近現場空隙率，也就是說試件空隙率應在6%～8%之間。

　　最近，在“公路瀝青路面設計規(guī)范”（JTJ014-97）中已增加了使用簡化的洛特曼試驗方法作為瀝青混合料水穩(wěn)定性指標。

　　水損害主要是發(fā)生在我國南方多雨潮濕地區(qū)，而氣溫低于-21.5℃的北方，降雨量較少，水損害不應是一個嚴重問題，倒是南方多雨潮濕地區(qū)再加上冰凍的地區(qū)，十分需要一個更能反映混合料水損害特性的技術指標，這個指標就是用AASHTO T283試驗的結果——間接抗拉強度比來表征。

　　3、美國Superpave關于水損害的技術指標美國公路戰(zhàn)略研究計劃（SHRP）瀝青課題的主要研究成果——Superpave，產生了一個膠結料規(guī)范、一個混合料設計方法和瀝青混合料性能評估。

　　Superpave混合料設計方法中關于瀝青混合料水敏感性評價，應用于AASHTO T283“壓實瀝青混合料水損害試驗方法”，并要求間接抗拉強度比（TSR）≥80%作為瀝青混合料水敏感性評價指標。

　　事實上Superpave的指標不是新東西，它完全挪用了美國在八十年代進行的全國公路聯合攻關項目（NCHRP）的研究成果，雖然AASHTO T283不是一個十全十美的方法，但在九十年代初期已是全美國普遍接受的試驗方法。初期TSR各州規(guī)范不一，有的州要求TSR≥70%，有的州TSR≥80%，目前Superpave統(tǒng)一規(guī)范為TSR≥80%.

　　下面將AASTHO T283的試驗方法簡述如下：用SGC旋轉壓實儀成型6個試件，試件的孔隙率控制在（7±1）％之內。6個試件按空隙率大致相等分成二組，每組三個，其中一組采用非條件試驗，另一組采用條件試驗。非條件試驗是將試件放在塑料袋里封好，放入25℃水浴中至少2h后進行試驗。條件試驗是先將試件放在水中加真空（254～660mmHg）5～10min，然后讓試件在常壓下使試件飽水率達到55％～80％，在（-18±2）℃條件下冷凍處理16h后，放在（60±1）℃的水浴中24h，最后再放入25℃水浴中2h后進行試驗。所有試件均采用50mm/min的加荷速率測定間接抗拉強度。當兩組試件的劈裂強度比＜80％時，便認為瀝青混合料水敏感性不合格，則應添加抗剝落劑并重新進行上述試驗，直至TSR≥80%時為止。

　　采用AASHTO T 283方法進行制件與試驗，試驗結果如表2所示。

　　滬寧路瀝青混合料抗水剝落試驗結果計算表　　　　表2

結果
集料 　 間接抗拉強度 　 平均值 　 標準差 　 偏差系數 　 TSR比 　 東陽 　 1 　 1.2500 　 1.3547 　 1.1736 　 1.2594 　 0.0742 　 5.9 　 88.8 　 2 　 1.5150 　 1.3929 　 1.3492 　 1.4190 　 0.0702 　 4.9 　 金壇 　 1 　 0.5279 　 0.5159 　 0.6315 　 0.5584 　 0.0519 　 9.3 　 58.2 　 2 　 1.1278 　 0.8475 　 0.9031 　 0.9595 　 0.1212 　 12.6 　 天王寺 　 1 　 0.5240 　 0.5312 　 0.5312 　 0.5288 　 0.0034 　 0.6 　 91.9 　 2 　 0.5768 　 0.5875 　 0.5625 　 0.5756 　 0.0102 　 1.8 　 * 　 1 　 0.4821 　 0.4995 　 0.4995 　 0.4937 　 0.0082 　 1.7 　 89.4 　 2 　 0.5668 　 0.5450 　 0.5450 　 0.5522 　 0.0101 　 1.8 　

　　從表2試驗結果發(fā)現，一致認為質量最好的金壇玄武巖集料的抗水損害能力最差，而且不滿足Superpave TRS≥ 80%的要求。為此，我們又重新對金壇玄武巖進行了試驗，其結果如表3所示，抗水損害能力仍不合格，與凈吸附試驗結果比較，也是金壇玄武巖與瀝青粘附性最差，其結果也是吻合的。

　　滬寧路和Superpave瀝青混合料抗水損害試驗結果計算表　　　　表3

結果
集料 　 間接抗拉強度 　 平均值 　 標準差 　 偏差系數 　 TSR比 　 金壇滬寧路 　 1 　 0.3981 　 0.4027 　 0.3732 　 0.3913 　 0.0224 　 5.7 　 64.0 　 2 　 0.6513 　 0.5590 　 0.6197 　 0.6111 　 0.0664 　 10.9 　 金壇Superpave 　 1 　 0.5257 　 0.5629 　 0.5089 　 0.5325 　 0.0391 　 7.3 　 70.5 　 2 　 0.7401 　 0.7842 　 0.7413 　 0.7552 　 0.0355 　 4.7 　

　　滬寧路混合料平均TSR為64%，Superpave 混合料的TSR 為70.5%，但也不滿足要求。

　　因此，我們認為滬寧路將來可能的路面損壞主要為水損害破壞。

　　在SHRP研究期間，開發(fā)了一種凈吸附試驗方法，用來評價瀝青-集料的兼容性。SHRP研究計劃中評價瀝青-集料兼容性采用的是用紫外分光光度計來量測瀝青與集料的粘附性。此方法是基于在瀝青-水-礦料體系中，礦料表面對瀝青有吸附作用以及遇水后水對瀝青的置換作用使瀝青薄膜剝落這一特性，將一定粒級的礦料放入瀝青-甲苯溶液中一段時間，則會有一部分瀝青吸附在礦料表面上，之后向瀝青-甲苯溶液中加入一定量的水，那么水就會對吸附在礦料表面上的瀝青進行置換。這一系列的過程會使瀝青甲苯溶液中瀝青的濃度改變，用分光光度計測出濃度，即可算出礦料對瀝青的吸附量及加水后瀝青的剝落量，從而可以計算出礦料表面上的瀝青的剝落率或吸附率，以表征瀝青與礦料的粘附性。

　　凈吸附試驗方法簡述如下：——準備瀝青膠結料甲苯溶液，分出一部分溶液，稀釋，然后用紫外分光光度計測定初始吸附讀數。

　　——將一定量的瀝青甲苯溶液加入小于4.75mm的集料中，并在振動臺上振動約6h.——從燒瓶中倒出一部分溶液，稀釋，測定其6h吸附讀數。

　　——向燒瓶中加水，再振動至少8h，使其充分解吸。

　　——從燒瓶中取出一部分溶液，稀釋，測定水解吸后的吸附讀數。

　　——計算并得出凈吸附百分率。

　　我們對滬寧路所用的東陽、金壇、天王寺、*四種玄武巖與新加坡殼牌瀝青分別進行凈吸附試驗，試驗結果如表4所示。

　　滬寧路不同集料凈吸附試驗結果計算表　　　　　表4

結果
集料 　 初始吸附性
（mg/g） 　 凈吸附值
（mg/g） 　 凈吸附百分率
（%） 　 平均值 　 標準差 　 偏差系數 　 東陽 　 0.9210 　 0.8052 　 87.43 　 87.09 　 0.35 　 0.4 　 0.8595 　 0.7455 　 86.74 　 金壇 　 0.6226 　 0.5184 　 83.27 　 83.87 　 0.6 　 0.7 　 0.6819 　 0.5760 　 84.47 　 天王寺 　 0.7991 　 0.7161 　 89.68 　 89.81 　 0.13 　 0.1 　 0.8298 　 0.7463 　 89.94 　 * 　 0.8224 　 0.7068 　 85.94 　 85.94 　 0.0 　 0.0 　 0.8224 　 0.7068 　 85.94 　

　　對于滬寧高速公路上所使用的殼牌、埃索和加德士三種瀝青，用同一種玄武巖與其分別進行凈吸附試驗，試驗結果如表5所示。

　　滬寧路不同瀝青凈吸附試驗結果計算表　　　　　　表5

結果
瀝青 　 初始吸附性
（mg/g） 　 凈吸附值
（mg/g） 　 凈吸附百分率
（%） 　 平均值 　 標準差 　 偏差系數 　 殼牌 　 1.0384 　 0.9209 　 88.69 　 88.29 　 0.40 　 0.5 　 1.0642 　 0.9354 　 87.89 　 埃索 　 1.2217 　 1.1260 　 92.16 　 91.05 　 1.35 　 1.5 　 1.1961 　 1.0756 　 89.93 　 加德士 　 0.8325 　 0.6874 　 82.57 　 84.09 　 1.52 　 1.8 　 0.8327 　 0.7128 　 85.61 　

　　分析以上試驗結果可知：滬寧高速公路所使用的瀝青與礦料的粘附性均能滿足凈吸附百分率大于80%的要求。

　　在四種玄武巖中凈吸附百分率最大的為天王寺玄武巖，其次分別為東陽、*和金壇，也就是說天王寺玄武巖瀝青-集料兼容性最好，東陽次之，金壇的瀝青-集料兼容性最差。

　　對于同一種礦料，不同瀝青的凈吸附百分率由大至小分別為埃索、殼牌、加德士，也就是說，埃索與此種礦料的兼容性最好，殼牌次之，加德士最差。

　　由以上試驗結果可以看出，此種評價礦料-瀝青兼容性的方法是一種將兼容性量化了的方法，受外界因素干擾較小，同傳統(tǒng)的水煮法、水浸法等方法相比，更具有客觀性，因此是一種較為科學的評價方法，值得推廣使用。但同時更應注意試驗條件和試驗操作的嚴格性和統(tǒng)一性，以保證試驗結果的精確。

　　4、結論

　　（1）瀝青混合料和瀝青路面施工質量及一些外部因素可能會導致瀝青路面剝落，這些因素主要是：路面排水系統(tǒng)不健全，路面壓實度不足，路面離析以及集料表面粉塵太多等。

　　（2）現行瀝青路面施工技術規(guī)范關于水損害的三個指標，即粘附性大于4級強度、浸水馬歇爾穩(wěn)定度大于80%，以及簡化洛特曼法間接抗拉強度比TSR≥70%，存在一些缺陷，還控制不了水損害。

　　（3）AASHTO T 283利用空隙率為7%的試件來進行試驗，模擬剛施工好的路面空隙率，更為科學合理，真空飽水條件更為嚴密，加上凍融循環(huán)，適合作為南方多雨有冰凍地區(qū)抗水損害的指標。

　?。?）添加抗剝落劑能改善和提高瀝青混合料抗水損害能力，但抗剝落劑（液體和石灰添加劑）對集料和瀝青有選擇性。因此，不能輕易得出某種抗剝落劑不好或是劣質產品的結論，應通過周密的試驗設計來進行篩選。石灰是一種很有效的抗剝落劑，但使用比較困難。

　?。?）即使通過了AASHTO T283的TSR≥80%的要求，也只表明這種混合料水損害潛在的危險較小，還要有健全的排水系統(tǒng)、通過良好的壓實等其它措施來保證。