高速公路路面改建工程沥青路面早期水损坏原因分析

 引言
高速公路沥青路面的早期水损坏一直是困扰着研究者和建设者的问题，交通部针对这一问题还专门印发了《关于防治高速公路沥青路面早期损坏的指导意见》，足以凸显国家层面对这一问题的高度重视。随着我国高速公路新建高峰的渐渐退幕，维修养护高峰的到来，对高速公路路面改扩建施工，尤其是“白加黑”施工，控制好沥青砼路面施工质量、减少水损害，显得尤为重要。由于几乎所有的高速公路维修养护期间仍需要保证通行，维修养护工作只能在封闭的半幅路面或者一个车道的情况下进行，这就成倍地增加了另外半幅路面或者其他车道的交通量，又加上我国绝大多数高速公路都是以重载交通为主，在多雨季节沥青路面容易导致水损坏，特别是在这些条件和效应的叠加作用下，沥青路面早期水损坏防治工作显得任务更加艰巨。通过大量的现场调查及室内试验对比分析，认为造成沥青路面早期水损坏的原因是多方面的。
1 沥青路面水损坏机理
沥青路面水损坏的发生和发展，一方面是在水或冻融循环条件下，由于汽车荷载动态作用，进入路面空隙中的水不断承受动水压力的反复循环作用，逐渐渗入沥青与集料的界面，使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结力，沥青膜从集料表面脱落，沥青混合料出现松散现象，继而形成沥青路面的坑槽、松散等损坏；另一方面则依赖沥青混合料自身的水损坏抵抗能力，主要取决于矿料的性质，沥青与矿料之间相互作用，沥青混合料的空隙率及沥青膜的厚度等，如果是沥青混合料自身的水损坏抵抗能力差则容易发生沥青路面的水损坏。所以分析沥青路面的水损害机理，必须从以下两个关键方面予以考虑：一、水分渗入道路沥青混合料内部，使水分侵入到沥青-集料界面上；二、沥青与集料粘附性不足[1]。
2 沥青路面水损坏原因分析
2.1 路面空隙率过大 沥青路面渗水，混合料的空隙率过大是主要原因，雨水通过空隙渗入到沥青路面中，在行车荷载的作用下，产生动水压力，在动水压力的作用下，水不断冲刷沥青混合料，使得沥青从集料表面上剥落。因此防止渗水，关键是控制空隙率。
造成沥青路面空隙率过大的原因多方面的，例如：原材料的规格不符、混合料的级配变异、摊铺离析、碾压功不足、碾压温度不足、摊铺机挡板缺失导致混合料漏洒、自卸车剩余少许尾料温度严重下降后不按要求废弃又倾倒在作业面上、芯洞处理不规范等。
2.1.1 无核密度仪均匀性检测。采用无核密度仪这一新型检测仪器对某高速公路改建后的沥青路面上面层进行均匀性检测，检测频率为纵向2米一个断面、横向间隔每米1点进行路面密度测试，检测结果见表1。
表1的检测结果显示：①路面的边缘空隙率过大，远远大于一般认为的7%这个临界空隙率。②路面中间有局部空隙率大于7%。
2.1.2 路面坑槽调查。对某高速公路改建完成后路面坑槽病害进行调查，调查结果见表2。
表2的调查结果显示：坑槽只出现在行车道和路肩上。由于本条高速公路为国家高速公路网的主干线，在最近的一次交通量组成调查中，货车占65.7%，中大型货车和拖挂车比例高达42.3%。这样的交通量组成对行车道路面的抗水损坏能力是极大的考验，行车道上的坑槽和重载车辆所形成的巨大的动水压力关系密切。结合表1，路面边缘过大的空隙率和表2中路肩上的坑槽关系密切。
2.1.3 自卸车剩余尾料倾倒的地方压实度检测。在某高速公路路面改建工程的施工过程中，笔者针对承包人在进行沥青砼路面施工过程中随意将自卸车车厢的角落无法全部卸完（自卸车与摊铺机料斗之间角度导致）的剩余尾料倾倒在下承层上并直接摊铺至路面中的情况，在8个倾倒尾料的地方做下了标记，随后取芯测试压实度，检测结果见表3。
表3的检测结果显示：在测试的8个点上有7个点的空隙率过大。结合表1，路面中间局部空隙率过大和尾料倾倒在下承层上并直接摊铺至路面造成的局部离析有着密切的关系。
2.2 集料含泥量或泥块含量过高 若集料中含有较多的泥灰，再加上堆放不规范，未采用标准化大棚覆盖，使得土粒、泥灰雨后牢牢粘结在石料表面，虽经干燥筒烘干吸尘器也难以排走，即便除尘效果好也难以避免粉尘含量超标，结果影响到沥青混合料的品质。粉尘或者叫泥灰含量超标后，一方面粉尘裹附集料能力强从而减小了沥青与集料之间的接触面积，降低了粘附性；另一方面集料中的泥灰阻断了沥青与集料的接触，为水的渗透提供了通道，使沥青很容易从集料上剥落。
下面通过试验来说明石料中粉尘对沥青混合料水稳定性的影响。试验中使用的粉尘是从拌和楼热料中筛分出来的，矿粉为石灰岩矿粉，在亲水系数试验中粉尘占填料的比例分别为0%，20%，40%，60%，100%，试验结果见表4。
从表4的试验结果可以看出：0%的粉尘+100%的矿粉作为填料试验方案的亲水系数为0.62，表明填料与沥青结合料的粘附性能良好；40%的粉尘+60%的矿粉作为填料试验方案的亲水系数为0.69，表明填料与沥青结合料的粘附性能有所下降；之后，随着粉尘含量的进一步提高，亲水系数急剧增大。
从图1可以看出：当拌和楼热料的粉尘占填料的比例超过40%以后，填料与沥青结合料的粘附性能急剧下降。也就是说在高速公路沥青路面施工中，应当把拌和楼热料的粉尘占填料的比例控制在40%以下。按我省高速公路路面上面层沥青砼通常配合比设计AC-13来说，混合料的油石比一般在5%左右，根据最佳粉胶比在1.2-1.4这个范围，矿料中0.075mm筛孔的通过率一般应设定在6%左右，矿粉的用量应保证在4%以上，拌和楼热料的粉尘占矿料的质量百分数应控制在2%以下为宜。
2.3 路面油类污染 路面施工过程中，摊铺机、压路机、运料车等工程机械都可能存在柴油或者机油滴漏的情况，如机械设备加油不慎、设备损毁造成的漏油，胶轮压路机上涂抹的隔离剂也有可能会污染路面。在桥梁伸缩缝、路面边缘护栏的施工中，所使用的工程机械多数用大功率柴油机提供动力，如果没有严格的防范措施，即存在交叉施工中工程机械滴漏的柴油或者机油造成污染路面的情况。
2.4 摊铺离析、芯洞处理不规范 摊铺机熨平板在使用过程中，由于操作不当或加热变形易导致摊离析、熨平板初始加热温度不足会导致开始摊铺阶段离析、停机待料或碾压跟不上会导致温度离析。另外，层间处理不到位，雨后下层层面未晒干而盲目施工、取芯后的芯洞处理不规范等均是诱发沥青路面早起水损坏原因之一。
3 结论
①路面的压实度整体不足会给沥青砼路面的水损坏留下隐患，应从混合料级配设计、碾压温度、碾压功率等多个方面保证路面整体的压实度，在压实度的控制中尤其重视最大理论密度控制办法，把路面空隙率控制在4%-6%范围内。
②路面局部离析或者压实不足造成局部空隙率过大，容易引起水损坏，应通过对摊铺机性能的改进（螺旋布料器增加反向叶片、摊铺机料斗及熨平板前缘增加挡板）、温度控制、摊铺机收斗频率的控制、压实工艺控制、自卸车尾料的集中废弃处理、加强路面边缘的碾压等保证路面局部不出现空隙率过大的情况，在离析的控制中可以考虑采用无核密度仪和激光纹理仪等无损检测设备。
③集料的生产及储存造成的粉尘含量超标、拌和楼除尘系统差也是引起路面出现水损坏的重要原因。路面用的进场集料要保证清洁，粗集料的含泥量不能超过1%，机制砂0.075mm筛孔的通过率不能超过12.5%，集料储存的时候要注意防水和排水，要不折不扣执行交通部推行的标准化料场，不仅仅是要对机制砂实行大棚遮雨，粗集料同样实行大棚覆盖储存，保证料场排水顺畅，确保集料干燥清洁，拌和楼热料仓中的粉尘占填料的比例宜控制在40%
以下。
④工程机械的柴油、机油滴漏以及隔离剂使用不当也是出现水损坏的重要原因。参建各方要加强管理，防止施工过程中或交叉施工时出现柴油、机油污染路面以及涂刷轮胎压路机的隔离剂配制不当（使用废机油）造成的污染。
⑤不断改进施工工艺，杜绝混合料离析。加强对拌和、摊铺、碾压温度的控制，提高摊铺机的性能，通过料位器的调整，熨平板的调整、防漏撒挡板的增设以及实现连续不间断摊铺严控离析发生，尽量减少靠人工补撒混合料改善或消除离析的现象。其次是按项目作业指导书要求进行芯洞处理，即芯洞冲洗-烘干-内壁涂刷乳化沥青-混合料击实，以有效减少离析的发生。