从空隙率谈我国高速公路路面的早期破坏

从空隙率谈我国高速公路路面的早期破坏 来源/作者： 发表日期：2005/07/21 阅读次数：189

摘 要：空隙率是沥青混凝土性能的主要影响因素。针对我国高速公路沥青路面早期破坏严重的实际情况提出了空隙率的概念，阐述了其对我国高速公路沥青路面的重要性，从空隙率的角度分析了我国高速公路早期破坏的原因，并提出了相应解决措施，具有重要经济和社会价值，可供高速公路沥青路面设计、施工参考。 关键词：高速公路；路面；早期破坏；空隙率 1 前 言 近年来我国高速公路得到了飞速发展，截止到2004年底，我国的公路总里程达185．6万公里，位居世界第三，其中高速公路总里程已超过3．4万公里，仅次于美国，位居第二。由于沥青路面具有无接缝、低噪音、易维修等优点，因此在已建成的高速公路中有90％以上采用的是沥青混凝土路面。伴随着沥青路面结构在高速公路中广泛使用的同时，其耐久性和路面结构的早期破坏问题也日益突出。许多高速公路通车1—2a以后，甚至不到1a，就开始大面积破坏，有的使用2—3a就开始明显破坏。路面的早期破坏，既影响公路的交通运输，又造成巨大的经济损失，已引起人们的高度重视。实际上，我国高速公路的早期破坏与路面的空隙率有极为密切关系。 2 早期破坏 习惯上将早期破坏分为裂缝、修补和坑洞、变形、表面损坏及其他损坏，而水损坏则作为早期损坏现象单独讨论。与国外早期破坏相比，我国的早期破坏出现得更早，许多仅为l—3a，即路面在设计寿命期前l／4至l／3期间内。所发生的过早的各种形式的路面破坏，主要有车辙、开裂、卿浆、泛油、松散、坑槽等几种形式。 3 空隙率 空隙率是指压实沥青混合料试件内除矿料毛体积和有效沥青体积之外的间隙体积占试件毛体积的百分比，是沥青混合料各项体积指标中的核心，根据试件实测密度与最大理论密度比值求得。yy＝(1—P／／Pz)x100，式中yy为试件空隙率，P／为试件实测密度，F2为沥青混合料理论最大密度。 空隙率是沥青混凝土性能的主要影响因素，它的大小与沥青混凝土的透水性、耐久性、高温稳定性和强度密切相关。 3．1 空隙率与透水性的关系 沥青混合料的空隙率是影响沥青路面透水性的主要因素，混合料空隙率越大，透水性也越大。沥青混凝土的空隙率过大，降水容易透入结构层中，使沥青路面产生各种各样的水破坏。 zube(修比)专家的研究表明，密级配热拌沥青混凝土的空隙率约为8％时，路面的透水性很大。 Brown(布朗)、C011ins(柯林斯)等专家在美国乔治亚州对离析混合料的研究也表明，热拌沥青混凝土的空隙率小于8％时，混合料的透水性很小，空隙率大于约8％时，混合料的透水性增加很快。 国内最近研究表明，粗型密级配沥青混凝土路面的现场渗水性和现场空隙率的相关性较大，集料的最大公称尺寸对路面的渗水特性影响很大，大公称尺寸集料混合料路面的渗透性大，粗级配混合料明显比细级配混合料渗透性大，集料最大公称粒径在20mm以上时，路面空隙率大于5％，开始渗水过多。 3．2 空隙率与耐久性的关系 沥青混合料的耐久性主要体现在老化过程中，老化将导致混合料的脆性升高，韧性下降，过早出现疲劳开裂和其他形式破坏。沥青在使用过程中受空气、紫外线、水的作用而老化，其原因可以归结为轻质油的挥发、氧化缩合、结构位阻硬化，所有这些变化都是在沥青直接接触空气的条件下发生的。空隙率大意味着沥青接触空气的表面积大，老化也就越快，使沥青更容易氧化变跪，从而导致沥青混凝土容易产生裂缝和松散，直接影响路面的使用寿命，沥青老化越严重，开裂也越严重。 Santucci(桑塔西)等专家的研究表明，沥青的残留针人度直接受沥青面层空隙率的影响。沥青混凝土的空隙率大于8％时，沥青针入度的损失显著增加。 美国的研究表明，热拌沥青混凝土的空隙率，7％时，空隙率每增加1％，沥青面层的使用寿命要降低10％。 3．3 空隙率与车辙的关系 车辙试验发现，对相同的级配及沥青用量，空隙率大的变形速率也大。随着试验继续，空隙率达到某一最小值以后，空隙率再变小，变形速率又有所增加。这是因为，过多的沥青成为流动变形的润滑剂使车辙加大。因此当矿料级配决定后，沥青用量适当减少，可使极限空隙率变大，从而使流动变形造成的车辙减少。相反沥青用量过多，空隙率过小，反而使车辙增大。 Huber(休伯)专家在加拿大的研究考虑一系列引起辙槽的因素后。指出产生车辙的主要原因之一是沥青混凝土的空隙率小于3％。 3．4 空隙率与强度的关系 试验研究表明，无论是抗压强度还是劈裂强度，也无论是否浸水和是否经过冻融，沥青混凝土的空隙率对其各种不同情况下的强度都有显著影响。空隙率对Ak—16C沥青混凝土劈裂强度的影响。可以看出空隙率超过临界值，试件强度急剧下降。 空隙率对强度的影响与混合料本身的材料设计、骨架结构等因素密切相关。根据一般经验，空隙率越大，混合料的强度越低，其原因在于空隙率大，混合料的实际有效厚度越小，其整体抗力越低。 由此可见，空隙率不能太大，也不能太小，对于密实沥青混凝土，应控制路面初始空隙率不大于7％，开放交通后的最终空隙率应不小于3％，否则易造成路面早期破坏。 4 空隙宰与我国高速公路的早期破坏 研究表明，沥青路面的空隙率在8％以下时，沥青层中的水在荷载作用下一般不会产生动水压力，不容易造成水损害破坏；空隙率大于15％时，水能够在空隙中自由流动，也不容易造成水损害破坏。而当路面实际空隙率为8％。15％的范围内时，水容易进入混合料内部，且在荷载作用下易产生较大的毛细压力成为动力水，易造成沥青混合料的水损害破坏。大量路况调查发现，我国高速公路路面的空隙率较大，一般在5％—15％范围内，不少地段路面现场空隙率高达10％以上，处于最危险范围，易产生早期破坏。更为重要的是，空隙率在该范围，水很容易进入路面内，加上我国路面设计结构不合理，习惯上不考虑路面结构层的排水和不设置有效防水层，进入路面的水不易排出，进而诱发路面的早期破坏。 我国高速公路的大多数早期破坏实际上都是通过水损害破坏表现出来的，主要发生在雨天特别是雨季。主要表现为：(1)雨水渗人表面层，使沥青混合料长期处于饱水状态，在行车荷载的反复抽吸作用下，使得集料表面的沥青薄膜被剥落松散，产生坑洞。(2)自由水透人表面层后较长时间滞留路面内，使沥青与碎石的粘结力减弱。在行车荷载作用下，滞留在面层下部的水使矿料、特别是粗粒碎石表面裹覆的沥青膜逐渐剥落，使沥青混凝土的强度逐渐损失，产生松散，坑洞、网裂。轮下松散的沥青混凝土产生压缩形变和剪切形变，向两侧挤出，使轮迹带下陷，两侧鼓起，形成严重车辙。(3)水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，形成灰白色浆，继而产生唧浆、坑洞、网裂和变形。(4)雨水浸入各结构层的层间，破坏路面结构层间接触条件，使路面结构的受力状况恶化，最终导致松散、坑槽和唧浆等早期破坏。 此外，我国高速公路集料离析严重，即在路面一定的区域内，粗、细集料不均匀，偏离了设计级配，沥青含量不均匀，偏离了设计的最佳沥青用量，从而使该区域内的沥青混合料实际配合比与设计的配合比严重地不一致。粗集料集中的部位空隙率过大、沥青含量偏小，混合料的拉伸强度低，抗裂性能差，易导致开裂、坑槽；细集料集中的部位则沥青含量偏多，空隙率过小，易导致车辙、泛油。 5 我国高速公路空隙宰不台理的原因 造成我国高速公路路面实际空隙率不合理的原因很多，大致可归纳为设计和施工两个方面。 5．1 设计原因 (1)现行规范对压实度控制有缺陷，用马歇尔密度作为检测标准不能真实地反映路面的实际压实状况。路面压实度计算公式R=P/Pd；试中：式中P为现场取芯密度，Pd为施工当天取样的马歇尔试验标准密度。Pd受温度影响显著，稍微降低一点拌和温度和压实温度就可得到较低的马歇尔密度，以这样的密度作为标准密度，即使达到了96％ 的压实度，实际路面的密度仍偏低，空隙率偏大。 (2)现行规范马歇尔密度96％的压实标准偏低，加上部分高速公路表面层采用H型沥青混凝土，其设计空隙率偏大。规范规定室内标准密度马歇尔空隙率VV，则现场路面实际空隙率，VV’＝Kx VV十(1—K)xloo按压实度计算，则对于设计空隙率为3％—6％I型沥青混凝土，现场路面实际空隙率为6．88％—9．76％；设计空隙率为4％。10％H型沥青混凝土，现场路面实际空隙率为7．84％。13．6％。 (3)沥青混合料类型与路面结构层厚度不匹配，由于集料最大粒径过大，大粒径集料偏多，造成混合料容易离析、压实困难、空隙率偏大。 (4)混合料设计采用马歇尔法，试件的空隙率与路面的空隙率不一致。例如没有考虑施工中混合料老化，用计算法计算理论密度没有考虑集料对沥青的吸收等。美国对不同老化时间的集料做过试验，证明老化时间的长短对沥青混合料的理论密度有较大影响。据美国MS—2计算，是否考虑集料对沥青的吸收，试件空隙宰相差1．5％—2％。 (5)对影响空隙率计算结果准确性的最大理论密度和试件实测密度没有统一规定，而采用不同的测量和计算方法得到的空隙率的计算值相差0—4％。 5．2 施工原因 (1)施工单位对压实度的重要性认识不够，只注重路面平整度要求，导致沥青混合料压实度不够，使原本空隙率较大的II型沥青混凝土的现场空隙率更大，也使I型沥青混凝土空隙率偏大。 (2)路面施工技术和管理水平不高，离析严重，压实温度偏低，使路面混凝土不均匀，局部空隙率过大，局部空隙率过小。 6 结 论 空隙率是沥青混合料一个非常重要的体积指标，适宜的空隙率至关重要。由于设计、施工等原因造成我国路面实际空隙率大都处于5％。15％不利范围，加上我国路面设计结构不合理，形成了上面层渗水，中、下面层存水，基层不透水的不利局面，造成路面早期破坏严重。空隙率不合理是造成我国高速公路早期破坏的主要原因，也是我国高速公路早期破坏比国外出现更早的重要原因。针对这种情况，提出以下建议： (1)我国现行马歇尔设计法应借鉴Superpave等国外最新研究成果，进行改进。设计中应考虑施工中的混合料的老化、集料对沥青的吸收对空隙的影响，采用空隙率指标标准作为设计控制标准，先确定试件的空隙率，以改变击实次数来达到目标空隙率。此外，马歇尔的成型方法与道路施工中碾压成型方法相差甚远，对空隙率的影响须进一步研究。 (2)高速公路的沥青面层，无论是一层、二层还是三层，都采用密实沥青混凝土，并提高压实标准，上面层压实度不小于98％，中面层和底面层压实度不小于97％，以减小路面空隙率，并在半刚性基层上设置下封层，底面层下设沥青碎石或级配碎石排水层，完善路面排水系统。施工中为准确控制路面空隙率，增加现场空隙率指标，并统一计算‘空隙率’标准，理论密度采用真空法实测，试件密度采用蜡封法测定。现场空隙率标准：表面层小于或等于6％，中面层或底面层小于或等于7％。 (3)5upe叩ave研究表明，沥青结构层厚度要求大于集合料最大公称尺寸的3倍，当粗集料含量高时，这个比值应更高。我国的沥青路面结构层偏薄，应结合美国Su2peIpave的经验，从我国实际出发，适当加大沥青面层的厚度。 (4)采用先进施工设备如混合料再拌转运车、HIPAC压路机等改进施工工艺，加强施工管理，控制压实温度，加强压实，减少离析，保证路面混凝土的均匀性。