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摘要：介紹了高速公路路基路面的破壞類型，概述了病害的產生機理，最后提出了相應的防治措施．對路基路面的修建和養護有一定的理論和實際意義層，使基層表面軟化、膨脹，在車輛荷載的連續作用下，基層產生泥漿并通過面層空隙(或裂縫)噴射而出的現象。...

高速公路路面病害分析

孫  陽1，錢忠運l，劉  拮2，田  軍2

(1．長安大學公路學院，陜西西安710054；

2．陜西省高速公路建設集團公司，陜西西安710054)

1.病害類型與分析

    1.1沉  陷

    沉陷是路面在車輪荷載的作用下，其表面產生的較大的凹陷變形，有時凹陷兩側伴有隆起的現象。當路面結構的變形能力不能適應這樣大的變形量，便產生以縱向為主的裂縫，并逐漸發展為網裂(或龜裂)。

    引起沉陷的主要原因是路基水文條件很差而過于濕軟，不能承受通過路面傳給路基的輪載應力便產生較大的豎向變形，導致路面的沉陷和開裂。

    1.2車轍

    車轍是路面在車輪荷載的重復作用下，沿著縱向產生的帶狀凹陷，也常伴有以縱向為主的裂縫。這種破壞是在行車荷載重復多次的作用下，路基和路面產生永久變形而逐步積累形成的。即使路基和路面具有足夠的剛度，每一次行車荷載的作用所產生的永久變形量極小，但多次重復作用后所產生的累計變形量是相當可觀的，足以使路面破壞。特別是在高溫時瀝青面層變軟，蠕變量比低溫時大，更易出現車轍。車轍常常伴有裂縫產生，而出現裂縫的路面，其車轍形成的速率將大大加快，兩者互相促進，將加速路面的破壞。

    1.3泛油

    泛油是指過量的瀝青在高溫作用下膨脹，充滿瀝青混凝土中的空隙后溢出到路表的現象。由于設計或施工原因造成的瀝青混凝土配比不當是泛油病害的主要原因。設計空隙率過小和瀝青填隙率過高(存在過量的瀝青)都可能導致泛油，熱膨脹的瀝青充滿十分局促的空隙后溢出到路表。可以說該種形式的泛油病害發生的內因是設計或材料不當，而誘發的直接外因是高溫。

    還有另外一種形式的泛油病害，它發生的范圍僅限于在輪跡帶上，表現為點狀的油斑由小到大發展或沿輪跡帶分布的帶狀泛油。這種泛油的主要原因在于路壓實不足或集料質量較差(形狀、紋理)，骨料易在車輛荷載的作用下發生錯動而擠壓瀝青上泛，形成泛油。由這種原因發生的泛油常伴有車轍變形類病害。造成這種現象的原因除壓實和集料因素外，混合料設計標準相對實際交通流量而言，偏低也是鶯要因素。

    1.4開  裂

    開裂是指路面出現裂縫的現象，這是比較常見的路面損壞現象。開裂的種類和原因很多，如以上三種破壞常伴有裂縫的出現。這里的開裂是指路面在正常使用的情況下，路表無顯著的永久變形而出現的裂縫——疲勞開裂。其特點是首先出現較短的縱向裂縫，繼而逐漸發展而形成網狀裂縫，開裂面積不斷擴大。發生疲勞開裂的主要原因：在車輪荷載的反復作用下，瀝青結構層底面產生的拉應力(或拉應變)超過材料的疲勞強度，底面便發生開裂，并逐漸擴展到面層。

    1.5臃  包

    在行車水平力作用下，瀝青面層材料的抗剪強度不足易產生推擠臃包，其高度低則2～3 cm，高則10 cm左右。臃包破壞了路面的平整度，降低了路面行車的舒適性和安全性，容易損傷車輛機件，此外增加了車載的沖擊力，加劇路面的破壞。

    瀝青混合料含油量過大或運輸路程過遠，油分沉淀，致使局部油量過大，或在底層上灑布的粘層油量過大，當氣溫升高時，粘層油泛至瀝青混合料中。上述情況致使瀝青混合料中存有較多“自由瀝青”，成為混合料中的潤滑劑，在行車水平力作用下，瀝青混合料因抗剪強度低而臃推成油包或波浪。瀝青混合料級配不合理，嵌固能力低，高溫穩定性差，也是造成臃包病害的原因之一。

    1.6松散和坑槽

    松散是路表面的集料松動、散離現象；而坑槽是松散材料散失后形成的凹坑。

    當面層材料組成不當或施工質量差，結合料含量太少或粘結力不足，使面層混合料中的集料失去粘結而成片散開。若松散材料被車輪后的負壓吸力及風和雨水帶離路面，或者各種裂縫的進一步發展，會使松動碎塊脫離面層，便形成大小不等的坑槽。

    1.7唧  漿

    唧漿病害是路表水通過瀝青面層空隙(或裂縫)滲入基層，使基層表面軟化、膨脹，在車輛荷載的連續作用下，基層產生泥漿并通過面層空隙(或裂縫)噴射而出的現象。產生瀝青路面唧漿病害的原因，除了受氣候條件影響外，主要還與路面結構類型(面層碎石級配)、路基路面排水設施和超載車輛通行等因素有關。

    基層局部強度不足或剛度較大時，引起瀝青面層開裂，雨水從裂縫浸入，并滲入到基層表面，使基層表面被泡軟，在汽車荷載反復作用下，粉漿通過面層裂縫及空隙被壓到表面產生唧泥，基層表面被逐步淘空，產生網裂，使基層與面層處于滑動狀態，從而加速瀝青路面的水損害。

    基層局部強度不足或剛度較大時，引起瀝青面層開裂，雨水從裂縫浸入，并滲入到基層表面，使基層表面被泡軟，在汽車荷載反復作用下，粉漿通過面層裂縫及空隙被壓到表面產生唧泥，基層表面被逐步淘空，產生網裂，使基層與面層處于滑動狀態，從而加速瀝青路面的水損害。

2.病害機理分析

    通過以上分析可以知道，水是路基路面病害發生的重要原因。從靜水和動水壓力作用機理兩方面進行分析，結合瀝青混合料的粘附一剝落理論，可以為路基路面水損害防治技術的提出提供依據。

    2.1靜水作用機理

    瀝青路面的水損壞與軟化和剝落兩個過程有關。首先，水進入瀝青中使瀝青粘附性減小；其次，水進入瀝青和集料之間，阻斷瀝青與集料的相互粘結。由于集料表面對水的吸附力比對瀝青的吸附力強，致使瀝青與集料表面的接觸面減少，結果瀝青從集料表面剝落。剝落破壞有兩種形式，即自身的剝落破壞和交通荷載作用下的路面破壞，這些都可導致坑洞、裂縫、啃邊等。

    2.2動水壓力作用機理

    動水壓力不僅可以導致瀝青混合料的軟化和剝落，并且高的動水壓力可以加速對混合料的軟化和剝落。高能量的水分子與集料的粘附力比瀝青與集料的粘附力要大，會在集料表面加速與瀝青分子的置換，使瀝青混合料的品質迅速變壞。靜的孔隙水壓力不影響介質的強度和變形，但是當面層中存在多余的自由水時，路面上車輪附近的點在行車荷載經過的瞬時，重載在該點產生的孔隙水壓力會達到峰值，并與鄰近各點形成壓力差，這個壓力差將引起自由水滲流，使水流的大小和方向將隨著外荷載的變化而變化。這個壓力差還會對介質產生剪力，從而對混合料的強度和變形產生影響。同時孔隙水壓力的存在降低了混合料的抗剪強度，在初次荷載作用時可能引起初步剪切，在行車荷載的反復作用下，這種剪切逐步積累并導致較大的變形。在局部強度和整體強度不足的裂縫處，如果存在較多的自由水，高的孔隙水壓力會產生高速水流，大小和方向不斷變化的水流會對瀝青混合料產生直接的沖刷作用，一旦其中細料被水流帶走，反復的沖刷作用會使路面逐漸形成空洞和凹陷，進一步破壞結構的整體性，使破損范圍不斷擴大，嚴重降低路面的使用性能。故孔隙水壓力越大，對路面的損害越嚴重。

    雖然降落路面的雨水大部分經路面的橫坡和縱坡排走，但亦有相當一部分通過路面的孔隙、接縫和和裂縫等處滲透人面層與半剛性基層交界面。由于半剛性基層瀝青路面排水條件差，滲入路面結構內部的自由水便無法滲出，形成滯留水，長期浸泡和沖刷基層材料中的結合料。在大量車輛荷載(特別是載重貨車)高速行駛時，都會產生相當大的動力水壓力和抽吸力，這兩種力的瞬時先后作用能將滯留在基層頂面的漿水唧出表面而形成唧漿。漿水在唧出的過程中，又會對上面層產生影響，對瀝青路面而言，會使顆粒表面的瀝青膜逐漸剝落，瀝青混凝土面層向下變形并形成網裂或很快形成坑洞。盡管每次沖刷量比較小，但多次沖刷累積就造成了各種明顯的水破壞現象。更為嚴重的是，滯留水在車輛荷載及行車速度日益增大的情況下，形成的孔隙水壓力直接對周圍的瀝青混合料施加沖刷壓力，擴張裂縫及加大表面空隙率，降低瀝青路面結構的整體強度，從而產生各種形式的破壞。

    2.3瀝青混合料的粘附——剝落理論

    水損壞的作用機理，主要依據是粘附理論。粘附是指一種物體與另一種物體粘結時的物理作用。一般認為瀝青混凝土面層水損壞的原因可歸結為粘附力的損失和粘結力的損失。粘附力的損失是指水進入瀝青和集料之間的界面上使瀝青膜脫落(造成瀝青剝落)。粘結力的損失是指瀝青混凝土內部的水使瀝青軟化和瀝青與集料之間的粘結力減弱。這兩種現象往往是同時存在和相互影響的。影響瀝青與集料之間粘附力的因素包括瀝青與集料的界面張力、瀝青與集料的化學組成、瀝青的粘性、集料的表面構造、集料的孔隙率、集料的清潔度和干濕程度以及瀝青與集料的拌和溫度。 瀝青與集料表面的粘附——剝落機理有多種理論解釋。

    (1)機械粘附理論。認為瀝青與集料之間的粘附性主要是由于其問分子力的作用。集料的表面通常是粗糙的或都有一定的紋理深度。它增加了集料表面的表面積，使瀝青與集料的粘附面積增大，提高了兩者之間的總粘結力。此外，集料的表面有各種形狀、各種去向和大小的孔隙和微裂縫，都會增加瀝青與集料之間的粘結力。當瀝青在高溫時呈液相，由于吸附和毛細作用，瀝青滲入上述孔隙和微隙縫中增加了兩者結合的總內表面積，當溫度下降時瀝青則在孔隙中發生膠凝硬化。這種楔入與錨固作用，形成了瀝青與骨料之間的機械粘合力。

    (2)化學反應理論。認為瀝青中的酸性成分與集料表面堿性活性成分會發生化學反應，從而使堿性集料與瀝青的粘附性較好。瀝青的酸性越大，集料的堿性越強，瀝青與集料的粘結性能就越好，抗剝落能力也就越強。堿性集料與瀝青的粘附性較好，而酸性集料則相反，遇水易剝落。集料的酸性是以其中Si02含量來評價的，Si02含量越高，集料的酸性越強，則與瀝青的粘附性就越差。

    (3)表面能理論。認為瀝青與集料之間的粘附性是由于能量作用原理即瀝青潤濕集料表面而形成的。瀝青的潤濕能力是指瀝青與集料表面的緊密接觸能力，與自身的粘附力有關。在無水且溫度較高的情況下，瀝青一集料界面張力小于集料一空氣界面張力和瀝青一空氣界面張力，所以瀝青可以在集料表面鋪展為薄層。當遇水時，瀝青一集料界面張力總是大于集料一水界面張力，從而導致瀝青易于剝落。

    (4)極性理論。表面活性物質的分子是由極性基和非極性基組成的不對稱結構。極性基帶有偶極矩，故能表現出力場。瀝青可被看作是表面活性物質在非極性碳氫化合物中的溶液，隨所含表面活性物質數量的不同，瀝青具有不同的特性。瀝青粘附于石料表面后，在石料表面首先發生極性分子定向而形成吸附層。同時，在極性力場中的非極性分子由于得到極性的感應而獲得額外的定向能力，從而構成致密的表面吸附層。瀝青在礦料表面的吸附可以分為物理吸附、化學吸附和選擇性擴散吸附。由于水是極性分子，且有氫鍵，因此水對石料的吸附力很強。如果石油瀝青是低極性的，它與親水性石料粘附時基本上只有物理吸附，故瀝青易為水所剝落。含極性物的石油瀝青與憎水性石料粘附時，不僅有物理吸附，同時還有化學吸附，故瀝青不易被水剝落。

    (5)表面構造理論。表面構造理論認為一種指定的瀝青在一種指定的平的、干凈的、均勻的集料理想表面上，其平衡接觸角應為定值。但在實踐中由于集料是粗糙不平和不均勻的，因此接觸角產生滯后現象。特別是粗糙表面，其真實表面比理想表面大，可使接觸角減少。因此瀝青與粗糙表面集料的平衡接觸角總比平滑表面集料的接觸角小，按三相平衡方程則粗糙表面可使粘附性提高。

3.防治措施

    (1)嚴格控制瀝青混合料的空隙率，對于密級配瀝青混凝土來說，目標空隙率應該控制在4％左右。

    (2)盡量選擇與瀝清粘附性好的集料，并應通過試驗確定是否應該進行防剝落處理。對于要求較高的高速公路，可以采用橡膠乳液預處理等新技術，或改性瀝青。

    (3)做好路面排水的同時，應防止水從路緣進入瀝青層內。減少混合料的持水時間。

    (4)提高壓實標準。增加現場空氣率控制指標。

    (5)超重車對瀝青路面的損害非常大，應嚴格予以限制。

4.結束語

    高速公路路基路面的病害產生原因很多，分析和防治相當困難。我國對路面損害的研究還比較落后，應該努力借鑒國外先進經驗，認真找出路基路面產生病害的確切原因，因地制宜地采取處治措施。

參考文獻

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(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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