沥青路面损坏机理【高等级沥青路面早期水损坏机理研究】

　　【摘 要】通过现场试验比较，认为粗集料表面附着的粉尘对粗集料与沥青的粘附性会产生十分不利的影响，会使粘附性等级至少降低1级；回收粉的使用将大大降低沥青混合料的水稳定性，增大沥青路面发生早期水损坏的可能性；标准密度的选取在很大程度上决定沥青混凝土路面的实际孔隙率。经过分析，认为应该采用最佳沥青用量对应的理论密度作为标准密度，这样才可以有效控制路面的实际孔隙率。
　　【关键词】早期水损坏；粉尘；回收粉；标准密度；实际孔隙率
　　近几年，我国高速公路沥青路面的质量较以往有了大幅度的提升。虽然这样，仍有相当部分沥青混凝土路面在修建之后少则1～2年，多则4～5年旧会发生一定数量的水损坏。这些早期水损坏多表现为坑槽、唧浆等局部破损。通过调查及试验分析，我们认为以下几个方面是造成沥青路面早期水破坏的主要原因。
　　1. 集料质量对路面早期水破坏的影响
　　1.1 粗集料。
　　在我国，路面施工企业一般不加工碎石，需要的碎石通常采用外购的方式进行。而进行碎石加工的多属小规模的私营企业。由于缺乏对沥青混凝土路面所需粗集料规格的了解，导致碎石无论在扁平状颗粒含量方面还是级配方面都很难达到规范要求。更为严重的是碎石加工企业一般没有清洗石料的习惯，因此加工出的成品石料表面经常会被粉尘裹覆。这些粉尘不是碎石颗粒相互碰撞产生的石粉，而是土或者岩石表面的风化碎屑。经过长时间的堆放，这些粉尘与碎石颗粒会很牢固的粘结在一起，就算经过干燥筒进行强力除尘也未必能有效将其排除。笔者利用MARINI和ASTEC沥青混凝土拌和楼对10～20mm碎石除尘前与除尘后的表面粉尘含量进行过对比试验，数据见表1。
　　
　　表1中的1号仓就是10～20mm碎石中较粗的部分经过干燥除尘后进入的仓位。表1 的数据表明经过除尘后集料表面附着的粉尘仍有大部分残留下来，而且与集料粘结紧密。而进一步的试验表明这些粉尘的亲水系数一般大于1。
　　为了验证残留粉尘对沥青与石料粘附性的影响，又进行了清洗后烘干的石料与沥青粘附性和经过干燥除尘后的石料与沥青粘附性的对比试验，见表2。
　　综合表1、2的数据不难看出，进场的粗集料表面粉尘附着量虽然满足现行规范的要求，即质量比小于1％，但是由于在拌和过程中除尘毕竟不如用水冲洗那么干净，因此在进入拌合仓的粗集料表面仍然会附着一定数量的粉尘，这些粉尘将导致粗集料与沥青的粘附性降低，从而大大增加沥青混凝土路面发生水损坏的可能。
　　这一点在实际养护施工中得到了验证。山东某高速公路沥青混凝土中面层AC25（I）使用了石灰石质的碎石以及Shell沥青。使用7年后，从铣刨出的沥青混凝土从外观来看，沥青与碎石粘附性极差，在较粗粒径的碎石表面仍然依稀可见粉尘附着的痕迹。路面芯样在60℃水浴箱中保存30min后几乎松散。而该段路面在使用期限内最常发生的病害就是龟裂、唧浆、坑槽等水破坏。
　　为此建议规范在对粗集料要求的规定中应该结合我国目前粗集料表面普遍附着相当数量的有害杂质这一事实，不但要控制进场粗集料中小于0.075mm颗粒含量，还要控制经过干燥鼓除尘之后粗集料表面裹附的小于0.075mm颗粒含量，以确保集料表面的粉尘大部分能被有效排除。
　　1.2 回收粉。
　　进口沥青混凝土拌合设备一般要求对从干燥筒中吸出的粉尘回收利用，用来充当部分矿粉。在西方国家，由于集料在出厂前都经过严格的筛选和冲洗，因此从干燥筒中吸出的是石料在撞击过程中产生的石屑或石粉与砂子中的一些细颗粒组成的混合物，用它来代替部分矿粉无论从经济或者路用性能方面来讲都是合适的。但是在我国，情况则大为不同。不但粗集料表面附着有相当数量的杂质，而且砂子、石屑都不能保证其泥土和杂质含量达到要求。因此，从干燥筒中吸出的部分物质是砂子、石屑和集料撞击产生的石粉，而另外的部分责是土与其它有害杂质的混合物。回收粉不但级配极不稳定，而且亲水系数、塑性指数等指标都达不到要求。表3为用回收粉代替部分矿粉的AC20I与用纯矿粉的AC20I的残留稳定度对比。
　　
　　表3说明用回收粉代替30％的矿粉对残留稳定度的影响相当大。可以预见如果采用回收粉代替50％的矿粉那么残留稳定度将更小。但是据了解，目前许多拌和楼都对回收粉全部利用，而且回收粉数量多到可以100％代替矿粉。回收粉数量多从侧面也反映出集料中杂质或者土含量过多这一实际情况。所以可以肯定在我国目前情况下，拌制沥青混合料时对回收粉利用越多，路面水损坏的可能性也越大。
　　2. 标准密度的确定方法对路面早期水损坏的影响
　　标准密度是确定沥青路面压实程度的基准。我国目前对沥青混凝土标准密度的确定方法有两种，见表4。
　　无论用何种方式确定标准密度，其目的都是有效控制沥青混凝土在最佳沥青用量范围内孔隙率达到要求。但是在实际施工中，这种控制方法往往无法有效控制压实后沥青混凝土的孔隙率，因为当天马歇尔试验的平均密度具有很大的事后性，即当天的马歇尔试件必须放置12小时以上，待完全冷却后方可测试密度，也就是说当天的马歇尔试验密度只对第二天的施工进行控制，无法控制当天的压实度。但是由于集料等不稳定的原因，用前一天的标准密度控制第二天的压实度显然是不合适的。以试验路钻孔试件平均密度作为标准密度在操作过程中随意性太大，对压实后的沥青混凝土的实际孔隙率也无法准确控制。表5是某工地AC20(I)型沥青混凝土中面层试验段钻孔试件密度与最大理论密度的比较。
　　表5可以看出，用试验段钻孔芯样平均密度平均值作为标准密度时，当压实度达到100％时，实际孔隙率已经达到5.6％。当压实度达到98％时，实际孔隙率将达到7.5％。因此在该控制方法下，即使压实度达到要求，仍然有相当部分路段路面的孔隙率超出要求，最终导致沥青混凝土的疲劳寿命减小，发生水损坏的可能性增大。
　　为此建议一般情况下不要使用试验段平均密度作为标准密度。如果集料级配不稳定或者拌和设施本身拌和质量不稳定时，也建议不要使用当天马歇尔试验密度作为标准密度。其实压实度本身的大小是没有意义的，有意义的是沥青砼的实际密度与孔隙率。所谓沥青混凝土的压实应该是指在最佳沥青用量范围内，沥青砼达到满要求孔隙率时的密度。因此标准密度应该采用最佳沥青用量所对应的混合料的理论密度。此时的理论密度可以实测，也可以采用计算值。为了满足实际压实后混和料的孔隙率达到要求，对于I型沥青混凝土来说，压实度应该控制在94％以上，对于II性沥青混凝土来说，压实度应该控制在90％以上。当沥青用量在最佳沥青用量的±0.3％范围内波动时，理论密度值的变化很小，几乎可以忽略。由于理论密度可以在路面施工前就进行计算，且数值稳定，不容易变化，因此具备作为标准密度的条件。而且实际操作中通过压实度的大小就可以很直观看出路面实际孔隙率的大小，从而方便施工人员进行现场决策。
　　3. 结论
　　影响沥青路面产生早期水损坏的原因是多方面的。人们通常把更多的注意力集中在沥青以及一些抗剥落剂的品质上，而忽视了集料品质以及路面压实度标准对路面产生早期水损坏的影响。但是实际情况表明：
　　3.1 粗集料表面附着的杂质或者粉尘对集料与沥青的粘附性影响是比较大的。
　　3.2 在目前情况下，回收粉中所含的物质以软弱颗粒和泥土为主。使用回收粉将会降低沥青混和料的水稳定性。
　　3.3 路面实际孔隙率的大小是影响路面产生早期水损坏与否的关键因素，目前常用的两种方法得出的标准密度通常离散性和随机性较大，无法有效控制沥青路面的实际孔隙率。因此，建议采用最佳沥青用量对应的理论密度作为标准密度。
　　
　　
　　参考文献
　　［1］中华人民共和国交通部 . 公路沥青路面施工技术规范（JTJ032-94）. 北京：人民交通出版社，1994.
　　［2］李闯民等 . 沥青混合料设计施工中的几个问题 . 公路交通科技，2002，4：12～15.
　　［3］沙庆林 . 高速公路沥青路面早期破坏现象及预防 . 北京：人民交通出版社，2001.