（道路与铁道工程专业论文）沥青路面水稳定性评价方法研究.pdf

t h er e s e a r c ho nw a t e rs t a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d so f a s p h a l t p a v e m e n t w e i y a n p i n g b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m r o a da n d r a i l w a ye n g i n e e r i n g m c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y p r o f e s s o rl i uz h a o h u i a p r i l ，2 0 1 1 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：a 矿1 1 年了月“日 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：葱公孢降 翩虢剀嘶 日期：扣i f 年r 月铅日 日期：年s 月飞日 摘要 沥青路面因其具有良好的行车舒适性、抗滑性能、振动小且其表面平整、环 保效益高等优势，在高等级公路中占有相当大的比例。但因现行沥青路面结构设 计方法、设计理论及经验的相对滞后，以及当前交通向重型化、多轴化的发展， 导致公路在通车后不久，便出现了各种早期病害现象，如坑槽、内部松散、唧浆、 车辙、裂缝等，严重影响了道路的使用寿命，降低了其长期使用性能。据国内外 调查研究，在各种类型的沥青路面早期破坏现象中，有近8 0 的病害与沥青路面 的水稳定性相关，其他各种破坏都会间接的引发水损坏或由水损坏引起。因此深 入分析水损坏的产生、发展机理以及其破坏形态，综合评价研究当前沥青路面抗 水损坏性能的主要试验，并找出与路面长期使用性能的相关性较好的控制指标， 有效的控制因水损而造成的沥青路面结构性破坏、延长高速公路沥青路面的使用 性能具有重要的意义。 当前室内试验主要用于评价沥青路面抗水稳定性以及间接反映沥青路面长期 性能。但因其模拟的条件、试件选择以及控制要素上存在一定的局限性，导致与 实际路面存在差距。面对众多的试验方法，各国普遍开始关注其合理性并不断的 改进完善，以便能更真实反映路面实际使用过程中的性能。 本文主要从三个方面来研究沥青路面的水稳定性的长期性能评价方法。一是 通过分析水损坏破坏的特点，找出引发水损坏的外部原因，为室内试验的条件模 拟提供依据。并根据水损坏的发育发展过程，认识水损坏常见的几种破坏类型， 找出引发其产生的内部原因。二是对现有常见的评价沥青路面的水稳定性的试验 方法从试验原理、试验条件、试验所达到的效果以及与实际的吻合程度等方面进 行对比，推荐能较好的反映水稳定性试验的试验方法；三是通过室内试验来验证 所选试验方法的可靠性，并针对其缺陷进行适当的改进，另外分析现有的冻融劈 裂试验的改进方法，找出其不能反映水稳定性的根源所在，并提出适当的建议， 以便后续研究。 关键词：长期性能；水稳定性；粘附性试验；冻融劈裂试验；对比评价；改进的 冻融劈裂试验 a b s t r a c t b e c a u s eo fe x c e l l e n tr i d ec o m f o r t ，h i g hm e c h a n i c a ls t r e n g t h ，v i b r a t i o nr e s i s t a n t ， m o r ef l a ts m o o t h ，h i g h e re n v i r o n m e n t a lb e n e f i t sa n ds 0o n ，a s p h a l tp a v e m e n ti n h i g h w a yo c c u p i e s al a r g ep r o p o r t i o n h o w e v e r ，s h o r t l ya f t e rt h eo p e n i n go ft h e h i g h w a y ，i tw i l lp l a c eav a r i e t yo fd a m a g e ，s u c ha sp i t s ，l o o s e ，j a c kp u l p ，r u t t i n g ， c r a c k se t c i m p a c t i n gt h eu s eo fr o a ds a f e t ys e r i o u s l y , a n dr e d u c i n gi t sl o n g 。t e r m p e r f o r m a n c e t h i sp h e n o m e n o ni s n o tb e c a u s eo ft h eh y s t e r e t i ed e s i g nm e t h o d s ， d e s i g nt h e o r ya n de x p e r i e n c e ，b u ta l s od u et ot h ed e v e l o p m e n to ft h et r a f f i c t ot h e h e a v yd u t ya n dm u l t i a x i s a c c o r d i n gt or e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d ，t h e r eh a s8 0 r e l e v a n c ew i t hw a t e rs t a b i l i t yd u r i n gt h ev a r i o u se a r l yd a m a g e o t h e rd a m a g e sw i l lb e c a u s e db yw a t e ro ri n d i r e c td e s t r o yc a u s e db yw a t e r s oi t sv e r yi m p o r t a n tt or e s e a r c h t h ep r o d u c t i o no fw a t e rd a m a g e ，d e v e l o p m e n tm e c h a n i s ma n df a i l u r em o d e s ，a n d c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t eo c c u r r i n ge x p e r i m e n t a lm e t h o d sc o m m o n l yu s e d ，f i n d i n gt h e g o o dc o n t r o lt a r g e t sw i t hl o n g - t e r mp e r f o r m a n c ei no r d e rt oc o n t r o lt h ew a t e rd a m a g e a n dp r o l o n gt h es e r v i c el i f eo fa s p h a l tp a v e m e n t l a b o r a t o r ye x p e r i m e n t sa r et h eb a s i cm e a n st oe v a l u a t et h ew a t e rs t a b i l i t ya n d i n d i r e c t l yr e f l e c t st h el o n g t e r mp e r f o r m a n c eo fa s p h a l tp a v e m e n t h o w e v e r , b e c a u s e o ft h el i m i t so fe x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，d i m e n s i o no ft h es p e c i m e na n dc o n t r o l e l e m e n t se t s i tc a nn o tw e l lr e f l e c tt h ea c t u a lr o a dc o n d i t i o n s f a c i n gl a r g en u m b e r s o fe x p e r i m e n t a lm e t h o d s ，e v e r yc o u n t r i e sb e g a nt of o c u so ni t sr a t i o n a l i t ya n dt o r e s e a r c ht h ei m p r o v e dm e t h o d s ，i no r d e rt ob e t t e rr e f l e c ti t sa c t u a lu s ei nt h ep r o c e s s o fp a v e m e n tp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , i tw i l lt a k et h r e es i d e st os t u d yt h ee v a l u a t i o no fw a t e rs t a b i l i t yo f a s p h a l tp a v e m e n tb a s e do nt h el o n g - t e r mp e r f o r m a n c eo fa s p h a l tp a v e m e n t f i r s t l y , b y a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rd a m a g et of i n de x t e r n a lc a u s e sc a u s i n gw a t e r d a m a g e ，a n dp r o v i d i n gt h e b a s i so fl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s a c c o r d i n gt ot h e d e v e l o p m e n to fw a t e rd a m a g e ，s e v e r a lc o m m o nt y p e so fd a m a g e w i l lb eu n d e r s t o o d ， a n di t si n t e r n a lr e a s o n sw i l lb ef o u n d s e c o n d l y , t of i n dt h er e c o m m e n d e dw a t e r s t a b i l i t yt e s tb yc o m p a r i n gt h et e s tt h e o r y ，t e s tc o n d i t i o n s ，t e s tr e s u l t sa c h i e v e da n d t h ed e g r e eo fa g r e e m e n tw i t ht h ea c t u a lc o m p a r i s o n f i n a l l y ，t ov e r i f yt h er e l i a b i l i t y o ft h es e l e c t e dt e s tm e t h o d sb yl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s a n da p p r o p r i a t ef o rt h e i m p r o v e m e n to fi t ss h o r t c o m i n g s i na d d i t i o n ，t h ei m p r o v e df r e e z e t h a ws p l i t t i n gt e s t w i l lb ea n a l y s i s e d t of i n di t sd i s a d v a n t a g e sa n dm a k ea p p r o p r i a t er e c o m m e n d a t i o n s f o rf u t u r er e s e a r c h k e y w o r d s ：l o n g t e r mp e r f o r m a n c e ；w a t e rs t a b i l i t y ；a d h e s i o nt e s t ；f r e e z e - t h a w s p l i t t i n gt e s t ；c o m p a r a t i v ee v a l u a t i o n ；i m p r o v e df r e e z e t h a w s p l i t t i n gt e s t 同三量 目爿 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 课题提出及研究意义l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 沥青路面水损坏产生机理分析3 1 2 2 沥青与矿料间的粘附性作用机理分析一3 1 2 3 提高和改善沥青路面水稳定性的措施研究4 1 2 4 室内试验方法的研究7 1 3 主要研究内容与技术路线9 1 3 1 主要研究内容9 1 3 2 技术路线1 0 第二章沥青路面水损坏分析 2 1 水损坏的破坏特点1 1 2 2 水损坏的发育发展过程一1 3 2 2 1 水损坏孕育期13 2 2 2 水损坏发展期1 4 2 2 3 病害恶化期1 5 2 3 沥青路面的水损坏的主要类型1 6 2 3 1 网裂、变形和坑洞。1 6 2 3 2 坑槽松散类17 2 3 3 唧浆类18 2 3 4 引起冻胀破坏1 9 2 4 其他早期损害现象与水损坏的相关性2 0 2 5 水损坏原因分析一2 1 2 5 1 外因分析一2 2 2 5 2 内因分析2 3 2 6 本章小结2 6 第三章水稳定性试验方法的对比评价 3 1 试验方法筛选原则：2 7 3 2 沥青与矿料粘附性试验方法对比一2 8 3 2 1 各试验方法简介2 8 3 2 2 各试验方法优劣性比较3 0 3 3 沥青混合料水稳定性试验方法对比一3 2 3 - 3 1 沥青混合料水稳定性试验方法简介3 2 3 3 2 各试验方法优劣性比较3 6 3 4 本章小结3 7 第四章沥青路面抗水损坏试验综合分析 4 1 原材料性能试验3 9 4 1 1 沥青的性能指标j 3 9 4 1 2 矿料4 l 4 2 沥青与矿料的粘附性试验一4 1 4 3 沥青混合料水稳定性试验。4 4 4 3 1 浸水马歇尔试验一4 4 4 3 2 冻融劈裂试验4 5 4 4 改进的冻融劈裂试验探讨一4 7 4 4 1 现有冻融劈裂试验的相关改进4 7 4 4 2 对现有改进的冻融劈裂试验的建议5 0 4 4 本章小结一5 l 第五章主要结论与展望 5 1 主要结论5 3 5 2 研究展望5 4 参考文献5 5 蜀【谢5 9 附录a 攻读学位期间公开发表的论文6 0 附录b 攻读学位期间参与的科研项目6 1 1 1 课题提出及研究意义 第一章绪论 随着我国公路交通事业的快速发展，在进入2 1 世纪以来，我国公路事业特别 是高速公路事业发展更为迅猛。据调查，截止2 0 1 0 年底，我国公路通车总里程已 达3 9 8 4 万多公里，其中高速公路总里程达7 4 万公里。在已建的高速公路中， 沥青路面作为一种无接缝的连续式路面，因其具有良好的行车舒适性、抗滑性能 好、振动小且其表面平整、环保效益高等优势，在高等级公路中占有相当大的比 例【1 2 1 。通过近十几年的探索及努力，我国沥青路面的设计、施工及管理水平都有 了相当大的提高，形成了以路面结构、材料、设计、施工、检测为核心的成套技 术。但由于我国高速公路建设起步较晚，现行沥青路面结构设计方法、设计理论 及经验相对滞后，其基本是建立在二十世纪七十年代大量低等级公路使用经验的 基础上的【3 l 。尽管经过逾三十几年的不断改进和完善，但仍然停留在室内材料力 学性能与使用性能评价的阶段，无法对沥青路面的长期使用性能进行有效预估和 验证。加之，目前交通轴载向重型化、多轴化的渐变，车辆轴载与轮压远远超过 标准轴载( 1 0 0 k n 、o 7 m p a ) ，交通量的增加及汽车平均行车速度的提高等使得已 建高等级公路超负荷运行。沥青路面使用性能的衰减导致其使用年限往往达不到 设计年限。这种衰减会通过可见的、不同形式的损坏表现出来，反过来不同形式 的损坏对公路使用性能也有不同程度的影响。 通过大量的调查得出，部分高等级公路在通车后不久，服务水平就显著减低， 更有甚者通车后才几个月，其沥青路面便出现了大面积的早期破坏现象。1 9 9 9 年， 交通部公路科学研究所对当时我国已建的1 万多公里高速公路沥青路面进行了调 查，指出水损坏、车辙、开裂、平整度衰减较快、泛油、松散等为主要的破坏形 式。2 0 0 3 年1 0 月，中国公路学会道路分会对全国1 3 个省区的早期损坏情况进行 了汇总，得出高速公路沥青路面的水损坏、车辙和开裂是其主要的破坏形式。这 些早期破坏现象严重影响了道路的使用安全，降低了道路的使用寿命，同时也带 来了巨大的经济损失卜5 1 。有关研究表明，在各种类型的沥青路面早期破坏现象中， 有近8 0 的与沥青路面的水稳定性相关，即水损坏是最普遍的的损坏类型1 6 1 。其 他各种破坏都会间接的引发水损坏或由水损坏引起。 在国外，沥青路面的水损破坏也是亟待解决的关键性问题【7 1 ，早在2 0 世纪末 期，美国就统计出有逾3 6 个州的沥青路面发生了水损坏，更有甚者，水损路面面 积达5 0 以上。日本等发达国家亦存在沥青路面的水损现象。因此，如何解决沥 青路面的水损坏，一定程度上提高路面的服务质量，延长沥青路面的使用寿命， 提高沥青路面的使用性能已经成为路面设计、施工和管理中十分重要的任务。这 不仅具有重大的社会意义，也会产生不可估量经济效益【8 】。 目前室内材料性能试验是高等级沥青路面水稳定性研究的基础，也是预测路 面长期使用性能的基本手段。但因试验条件的限制，无法模拟现场的多种复杂因 素影响，且试件尺寸与实际路面相差较大，从而导致沥青路面的各项性能在满足 规范、标准要求后，仍然发生了水损坏【9 1 。由于缺乏系统的研究和试验验证，对 沥青路面水损坏的破坏模式、设计指标和标准的选择没有深入的了解，更无法对 路面结构型式的长期使用性能进行评价。 在这种情况下，深入分析水损坏的产生、发展机理以及其破坏形态，综合评 究当前高等级公路沥青路面抗水损坏性能的主要试验，并找出与路面长期使 能的相关性较好的控制指标，有效的控制因水损而造成的沥青路面结构性破 延长高速公路沥青路面的使用寿命具有重要的意义。 国内外研究现状 针对沥青路面的早期破坏现象，我国交通部公路可行研究所进行了“高速公 期病害预防措施的研究课题，指出“质量是工程建设的永恒主题 。在国外， 2 0 世纪6 0 年代就着手水损坏的研究。如1 9 8 7 年的美国s h r p 研究计划，其 5 年研究了沥青、路面性能、混凝土与结构和公路运输4 个领域的内容， 沥青路面的水损坏就是一个子题。加拿大运输协会也对此进行过研究【1 0 】。 针对沥青路面的水损坏问题，各国都投入了相当大的人力、物力、财力，从 坏产生的机理专水损坏影响因素分析专试验手段的探索j 水稳定性评价指 确定等各方面都进行了细致的研究，并发表了大量的论文，形成了各种书籍 金安的沥青及沥青混合料路用性能以及各类试验规范如公路工程沥青 青混合料试验规程、公路沥青路面养护规程等，但因研究有限、技术条 足以及其他各方面原因，水损坏问题依旧未得到根本的解决。 沥青路面的水损破坏，严重影响了道路的服务质量，使其使用寿命远远达不 计年限，且在维修养护时耗资巨大。面对沥青路面早期水损破坏的严峻性， 各国学者的研究方向，归结起来，有以下几个方面：第一，从沥青路面水损 产生和作用机理上分析引发水损坏的外部原因；第二，通过研究沥青与矿料 附性和吸附作用，从内在材料选择上，得出抑制或减免水损坏产生的方法； ，从外在因素上，如沥青路面的设计、施工上等，对水稳定的防治进行研究； ，通过室内试验手段进行测试，对沥青路面的水稳定性进行必要的预测。 2 1 2 1 沥青路面水损坏产生机理分析 所谓水损坏是指沥青路面在有孔隙水存在的情况下，经车辆动荷载、温湿胀 缩以及冻融循环的反复作用，一方面水进入沥青内部，使其乳化，降低了自身的 粘结力使得沥青混合料的强度下降；另一方面，路面孔隙中的水在车辆动荷载的 作用下，产生动水压力或经受真空负压抽吸的反复循环作用，逐渐渗入沥青与矿 料的界面上，由于水更容易浸润集料的表面，从而造成沥青与矿料的粘附性降低， 沥青膜逐渐从集料表面剥离，最后脱落，形成了诸如坑槽、内部松散、推挤变形 的破坏现象【l 。 由上分析可知，水和汽车动荷载是造成沥青路面水损坏产生的重要因素。 1 ) 在我国南方地区，气候湿润，降雨较多，因水及车辆荷载的共同作用，导 致沥青剥落而产生早期水损坏现象。在北方，尤其是冰冻地区，虽然降雨较少， 一旦水侵入路面在冻融循环作用下，也同样会产生水损坏，甚至比南方地区更为 严重【1 2 州1 。 2 ) 通过对多条道路的交通流进行调查，如湖南境内的g 3 2 0 国道莲易公路、 河南境内的郑州一常平路，广州省的珠北、粤赣、广清、佛升及深汕西等高速公 路等，发现目前货运汽车普遍存在超载现象，超载车重一般在4 0 7 0 t 之间。此导 致路面实际承受的当量轴载和估算的交通标准轴载差异很大，重载的重复碾压作 用越强，该地区的水损坏的现象就更为严峻【1 5 _ 16 1 。 t a y l o r 和k h o s l s 将沥青与集料粘结力损失归结为以下几种模式：沥青膜为达 到热力学平衡和尽可能降低自身的表面能而沿集料表面的收缩与移动、沥青膜由 于水分渗入到沥青膜与集料表面的界面而从集料表面分离、沥青膜在集料的棱角 与粗糙等薄弱处破裂、沥青在高温低粘作用下，遇降雨产生的沥青膜起泡以及荷 载作用下产生的水力冲刷以及孔隙动水压力导致沥青膜的剥离等几个明显的过 程，实际上+ ，水分进入到沥青膜与集料界面之间后，其在沥青膜内外分别形成了 水膜，水分使集料表面带有负电荷从而排斥略带负电荷的沥青膜，导致沥青膜的 剥离与破坏，丧失粘结能力。 1 2 2 沥青与矿料间的粘附性作用机理分析 有研究认为，沥青与矿料的粘附性是影响沥青路面使用寿命的一个重要原因， 粘附性差，沥青路面就容易破坏。常见的粘附理论主要有5 种【1 7 】。具体如下： 力学理论认为沥青与矿料的粘附性主要来源于两者之间的物理吸附一 分子力作用。其认为沥青与矿料间有很好的粘附性，需具备三方面的条件：一矿 料的表面要粗糙增加粘合面积，二矿料表面存在孔隙和微裂缝，在以上两者条件 的支撑下，沥青在高温作用下的嵌入和锚固作用使得粘附性最大。 夺化学反应理论认为沥青与矿料两者接触表面的化学反应是粘附性的主 3 要来源。该理论提出，碱性石料与沥青的粘附性较好，是因为沥青中含有沥青酸 酐等酸性成分与碱性石料的碱性活化中心发生了中和反应生成了沥青酸盐。 表面能理论以经典的润湿理论为基础，指出粘附性主要由表面能决定。 分子定向理论认为粘附性来源于沥青中可能存在的活性物质，如o h 、 c o o h 、n h 2 等，与矿料表面形成定向吸附。 表面构造理论即认为，粘附性的形成于矿料的表面构造有关系。 美国有关研究认为，表面能理论( s f e ) 能很好的表征沥青混合料的粘附性， 方法切实可行，其水损坏的研究结果与力学试验结果又很好的相关性【1 8 l 。尽管如 此，这5 种方法不是相互独立的，其间互为补充。如力学理论其与表面构造理论 具有一定的相关性。即都认为沥青与矿料的粘附性与矿料本身的属性有一定的关 系。化学反应理论又与分子定向理论认识上有共性。即都是认为沥青与矿料的粘 附性是通过沥青中的酸性物质或活性成分与石料发生化学或物理反应而形成的。 另外化学吸附和物理吸附两个过程是可以同时进行的。如含极性物的沥青与碱性 石料，二者的粘附性，就是两者的共同作用及其他原因形成的。 具体分析见表1 1 。 表1 1粘附理论分析表 项目粘附性主要来源缺点提高粘附性的建议 矿料的表面要粗糙，以增加 粘附过程中机械 粘合面积，矿料表面存在孔 力普遍存在，认为 两者之间的物理吸附隙和微裂缝，在以上两者条件 力学理论只有机械结合力， ( 分子力作用)的支撑下，沥青在高温作用下 把问题看得过于 的嵌入和锚固作用使得粘附 简单 性最大。 两者接触表面的化学将粘附过程看得 化学反应理论优选碱性集料 反应简单化 主要由表面能决定，将粘附过程看得对于酸性集料掺加抗剥落剂、 表面能理论 与内部张力有关简单化合理选用沥青 沥青中表面活性物质 将粘附过程看得合理选择集料的种类及沥青 分子定向理论对集料表面的定向吸 简单化的类型 附 将粘附过程看得 表面构造理论集料的表面构造 与集料的性质有关 简单化 1 2 3 提高和改善沥青路面水稳定性的措施研究 沥青路面结构设计是保证沥青路面获得较好长期使用性能的基础，施工则是 4 实现沥青路面结构性能的关键。因此，为了提高路面的抗水稳定性，提高沥青路 面的使用性能，在沥青路面设计和施工阶段常见的防、排水措施主要有以下几种： ( 1 ) 半刚性沥青路面设计 在当前我国的高等级沥青路面中，普遍采用半刚性基层。由于其采用的细集 料较多，本身结构致密，基本上可认为是不透水的，或者渗水性能较差的。因此 当雨水通过路表面的各种孔隙裂缝渗入到基层时，因其不透水性，导致水分积聚。 这些水分，在车轮荷载的重复作用下，产生动水压力形成高压水流。沥青混合料 在高压水流的长时间冲刷下，沥青膜从集料表面剥离下来，导致沥青混合料的整 体强度降低，致使路面破坏。从沈大等多条高速公路路面水损坏调查分析可知， 其产生水损坏的原因就是沥青路面的上面层漏水，而基层却不透水，水在中下面 层积聚。有关专家提出，如果能在采用半刚性基层的沥青路面的设计和施工等方 面采取措施，尤其是路面防渗水方面，就可以最大限度的避免沥青路面的早期破 坏现象，延长其使用寿命【1 9 也0 1 。 为了排除积聚在层间的水，常见的处置措施是在沥青路面面层外侧设置碎石 盲沟以排除层间水，各盲沟间距1 0 m ；或在半刚性基层上设置级配碎石做过渡层， 其可以横向排除经沥青面层渗入的水，从而防止水对半刚性基层的冲刷；或者从 路面结构层着手，控制沥青面层各层的空隙率均为_ 1 0 注：a m 型开级配热拌沥青碎石仅用作联结层。现场孔隙率即保证压实度为9 6 时的孔隙率。 为了防止沥青路面发生水损坏现象，在沥青路面组合设计时，要求面层结构 中至少有一层为i 型密级配沥青混凝土( 见第3 点分析，在孔隙率为不大于7 时， 损害较小) ，以防止水分下渗。多碎石沥青混凝土面层( s a c ) 作为我国高等级沥 青路面常用的结构形式，其不仅有i 型密级配沥青混凝土小孔隙率和较小的透水 性的特点，而且用其做面层，测得的动稳定度较高，具有良好的抗变形能力。我 国的石安高速、安新高速等都采用了这种结构形式，且取得了良好的使用性能。 但也有研究发现，沥青路面面层结构中只设置一层i 型密级配沥青混凝土是不够 的，哪一层的孔隙率大，一旦水进入，变会产生水损坏破坏。 5 s m a 面层混合料是一种耐久性较好的沥青面层混合料，其发源了德国，近年 来也在我国广为使用。如9 3 年我国修建的机场高速、9 6 年建成的八达岭高速等。 其因沥青玛蹄脂的粘结作用，一定程度上改善了沥青路面的水稳定性。另外其具 有较好的高、低温性能，耐久性能好。 ( 3 ) 保证施工质量，选用合适的沥青混凝土孔隙率。 空隙率是反映沥青路面使用性能的重要指标，其过大会引起路面渗水，造成 究，目前沥青路面排水的主要方法为封堵、疏导。 封堵通常是在沥青路面的基层表面或表面层底部设置防水层或封层，从而隔 断雨水的冲刷和尽量避免雨水的下渗造成对面层结构内部层的冲刷，基层表面的 防水层用来阻断地下水等水源通过毛细作用上升至面层结构中。 疏导即设计合理的设置路面排水系统，将水尽快排除出路面。如在多雨潮湿 路段，路拱横坡尽量采用高值，防止水对路面内侧的冲刷；在硬路肩设置碎石排 水层，采用排水基层等。在沥青路面表面层采用开机配透水沥青混凝土如o f g c 等，中间层采用排水性土工织物，但造价较高，养活工作量大。美国曾对几种典 型排水结构层进行了长期的跟踪观测研究，认为最好的办法是在面层底部( 或底 面层) 设置多孔隙沥青混合料排水层，使水能尽快排出路外。但排水层的设置位 置值得研究。各种防、排水措施可同时使用。 1 2 4 室内试验方法的研究 沥青路面是否具有良好的长期使用性能直接反映出该路面结构设计使用效果 的好坏。预估沥青路面长期使用性能的手段主要有三种：室内试验( 较低水平) 、 加速加载试验( 较高水平) 以及长期性能观测( 高水平) 。这三者是相辅相成的。 各种手段的优缺点见下表1 3 ： 表1 3沥青路面长期性能方法评价对比表 方式 方法特点 我国国外 投入较少，常规手段， 室内试验成果与路面实际使用沥青与矿料的粘附性试验 ( 低水平)性能有一定差距，需改 及沥青混合料水稳定性试验 进 投入中等，方法较先 加速加载环道式加速加载( 存在环道轮侧向离心力较大， 进，成果与路面使用性 试验无法模拟实际交通荷载条件等问题) 和 能的相关性较好，效益 ( 较高水平)直线式加速加载( 轴载可控制等较为先进) 一般 s h r p 计划中的l t p p 计划， 长期使用投入大，方法先进，修建试验路， 研究荷载、环境、材料性能 性能观测成果与路面使用性能短期观测高速公路 和变异性、施工质量和维修水平对 ( 高水平)关联性好，效益高早期破坏问题 公路病害和性能影响 目前我国沥青路面长期性能研究尚处于起步阶段，在路面长期性能观测中采 用的主要手段是修建试验路段，并对这些试验路段进行短期的观测，如各地相继 修建了半刚性基层、柔性基层、全厚式沥青路面、排水性沥青路面试验段等，但 7 观测时间较短，另外各试验路侧重点不同，难以形成高层次研究成果；对于加速 加载试验，因其投资费用高，在没充足的经费支持下，无法开展系统持续的研究。 在我国应用较少。藉于当前的实际情况，室内材料力学参数及性能试验在我国应 用最多，其作为路面结构设计的基础，研究其有重要的意义。针对沥青路面的水 稳定性试验方法，国内外相继展开了研究。 在国外，早在2 0 世纪3 0 年代，s a v i l l e 和a x o n 就用水煮法研究了沥青与矿料 的粘附性，1 9 4 3 年h v e e m 指出，在选择沥青材料时需检测沥青的抗水损坏能力 2 3 - 2 4 1 ，1 9 5 0 年g o o d e 提出用浸水压缩试验来检验沥青混合料的水稳定性。在2 0 世纪6 0 年代到8 0 年代出现令人瞩目的水稳定性试验l o t t m a n 试验【2 5 屯6 1 。1 9 8 7 年 美国s h r p 在水稳性研究中提出了5 种预测沥青混合料水敏感性的试验方法，如 n a t ( n a ta d s o r p t i o nt e s t ) 法、f t i r ( f o u r i e rt r a n s f o r mi n f r a r e dt e s t ) 法、sw k u n 车辙法、o s u 车辙试验法以及e c s 法等。随着研究的进一步深入，沥青混合料 的水稳定性试验方法层出不穷，如改进的l o t t m a n 试验，t u n i c l i f 卜r o o t 试验， 德克萨斯承台冻融试验以及浸水车辙试验、通过超声波来预测剥落率的试验等。 针对各种试验的可行性可靠性等方面的评比也在不断的进行。 我国在“八五”期间，对沥青混合料的水稳定性进行了较为系统的研究，在 借鉴国外研究的基础上，通过对不同沥青与各种石料的粘附性试验，提出了粘附 等级划分表【2 7 】，见表1 4 。对于沥青混合料的水稳性提出用冻融破裂强度比和马 歇尔残留稳定度作为水稳性的评价指标，九十年代，贾渝介绍了美国常用的水稳 性试验方法，并对其适用条件作了比较【2 8 l 。 表1 4 “八五”专题粘附等级划分表 年降雨量( m m ) 粘附等级不低于 1 0 0 04 - 5 5 0 0 l0 0 04 2 5 0 5 0 03 4 2 5 03 目前国内外常用的试验方法有表征沥青与矿料粘附性的水煮法、水浸法等试 验等，以及沥青混合料试验，如模仿车辆动荷载和水的作用的浸水车辙试验，模 仿冻融循环作用的冻融劈裂试验，另外还有浸水马歇尔试验等。这些试验都是在 浸水条件下，测定沥青混合料某些物理力学指标的衰变来表征其水稳性1 2 9 1 。 室内试验作为预测路面长期使用性能的主要手段，其存在以下问题： ( 1 ) 现有的力学性能试验不能直接反映或无法反映沥青路面的长期使用性能。 目前的力学性能试验仅仅能够反映材料在室内试验某一特定条件下的某一个方面 的特性，且大多为力学特性指标，而对沥青路面结构长期使用性能的预估只能在 此基础上类推，尽管这些指标和路面的长期使用性能有一定的关联，但无法全面 8 表征材料的实际路用性能，不能直接反映( 全面或部分) 沥青路面的长期使用性 能，甚至根本没有反映长期性能；或者说在室内通过试验认为很好的材料，但在 现场路用性能不一定就好。 ( 2 ) 现有试验体系所考虑的试验条件与实际的路用条件不相符。沥青路面所处 的实际环境条件是多变的，如温度的变化、湿度的变化、行车荷载的变化( 轴重、 重复作用) ，可以说沥青路面材料在现场承受各种条件大范围变化的考验，这和室 内试验相差很大。 ( 3 ) 受室内试验条件和试件尺寸的影响，现有性能检验试验的结果也不能完全 反映现场沥青路面结构和材料的情况。 因评价水稳性的试验方法种类繁多，国内外开始普遍关注各种试验方法的合 理性，并针对其不合理的地方在试验条件及控制要素上等进行适当的改进，以使 其更能真实反映路面实际使用过程中的性能。 1 3 主要研究内容与技术路线 1 3 1 主要研究内容 本文采取理论分析、常用试验对比以及试验验证三种手段相结合的方式，来 研究基于长期性能的沥青路面的水稳定性评价方法，具体研究内容如下： ( 1 ) 理论分析部分 通过分析水损坏破坏的特点，找出引发水损坏的外部原因，为室内试验的条 件模拟提供依据。根据水损坏的发育发展过程，认识水损坏常见的几种破坏类型， 找出引发其产生的内部原因。 ( 2 ) 现有试验方法对比分析 通过对当前常用沥青与矿料的粘附性试验以及沥青混合料水稳性试验两大方 面从试验原理、试验条件、试验所达到的效果以及与实际的吻合程度等方面进行 对比，推荐能较好的反映水稳定性试验的试验方法。 ( 3 ) 室内试验验证 通过室内试验来验证所选试验方法的可靠性，并针对其缺陷进行适当的改进， 如静态一动态、原样试件一老化试件等，以使其能更好的反映沥青路面的长期使 用性能。 另外通过系统总结当前相关的冻融劈裂试验的改进方法，分析其差异性，找 出其不能反映水稳定性的根源所在，并提出适当的改善沥青路面使用性能的指导 意见，以便后续研究。 9 1 3 2 技术路线 图1 2技术路线图 1 0 第二章沥青路面水损坏分析 高速公路沥青路面长期使用性能要求：结构整体须满足承载能力的要求、使 用性能在设计和使用规定的期限内须具有良好的适应交通荷载作用与环境条件变 化的能力( 包括具有良好的抗疲劳性能、抗车辙性能、抗水损坏能力和抗开裂性 能) 、良好的抗滑性能和平整度、具有较长的使用寿命等。有研究指出1 3 0 ，沥青 路面的结构性破坏、水损坏、车辙等对沥青路面的长期使用性能有重大的影响。 而对于沥青路面的水损坏，其又可以间接的诱发沥青路面其他破坏。因此研究沥 青路面的水损坏具有重要意义。 本章节从水损坏的破坏特点、发育发展过程出发，来了解水损坏的基本形成 过程及产生水损坏的外部原因，并结合常见的水损坏破坏类型，找出影响沥青路 面水损坏内在材料方面上的原因。 2 1 水损坏的破坏特点 沥青路面的水损坏在其破坏时间和类型上，有以下几种情况： ( 1 ) 常发生在雨季，尤其是表面粗糙、孔隙率大的表面层或底面层，其长期受 水的浸泡，以及行车荷载的重复碾压，沥青膜便开始剥离一首先从沥青层中薄弱 的部位开始，尤其是从车辆轮迹带开始。水损坏的恶化程度与公路沿线降雨量的 大小及密集程度有重要的联系。据调查研究，我国南方的多雨潮湿地区较北方的 干旱或半干旱区域，沥青路面的水损坏在范围及程度上都大得多。对于降雨较少 的地区，在沥青混合料透水性较大或基层排水不良的情况下，偶然的降水也会造 成水损坏。 ( 2 ) 发生在春融季节，这种现象常见于冰冻及季冻区。当路基土中细粒土含量 较多时，其内部会有许多细小的微孔隙。在冬季，水通过毛细作用积聚在路基中 从而导致春融期路基土的过分饱和，使得其内水分进入沥青混合料的下面层中， 在车轮荷载的重复碾压作用下，下面层中的沥青混合料产生剥离现象，从而造成 水损坏。即春融期，沥青路面的下面层的抗水损坏能力最差。 ( 3 ) 发生在冰雪季节。冰雪融化的水进入沥青混合料内部，一时难以排出在车 载和冻融循环的反复作用下产生破坏。 “) 发生水损坏的地方多为排水不畅或透水性差的地方1 3 。图2 1 为昌樟、昌 泰高速路面结构的开挖后图片，可发现挖开后有明显的积水或浮浆。路面的水损 坏并不是在道路全线范围内发生，这与沥青混合料的离析有重要关系，离析造成 粗集料集中，使局部孔隙过大，从而导致渗入发生水损坏。 图2 1水损坏发生处的被挖路面 ( 5 ) 水损坏的产生与车载有重要的联系，其多发生在行车道上，该处交通量较 大且重车行驶频率高。而在超车道上较为少见，或水损坏程度不严重。0 9 年5 月 曾对昌泰高速公路的路面病害进行了全线调查，水损坏病害统计情况如表2 1 表 2 2 ： 表2 1左幅路面坑槽松散类病害统计数量表 损坏名称损坏程度单位行车道破损数量超车道破损数量合计 轻m 22 3 4 5 11 1 8 0