广东省高速公路沥青路面水损害原因分析以及处理措施

广东省高速公路沥青路面水损害原因分析以及处理措施

杜猛

引言：广东省地处亚热带和热带气候，受海洋气候的影响，具有降雨丰富和空气十分潮湿的特点。同时广东地区高速公路交通量大，重载超载现象严重，加上交通渠化和施工质量控制等多方面的原因影响，广东高速公路沥青路面出现了一些典型的水损害现象。

1水损害的原因

1.1自然原因

水是造成沥青路面水损害的主要原因。广东省的自然环境的主要特点之一就是潮湿多雨。这对广东地区高速公路沥青路面水损害产生了促进作用。总的来说，广东地区对沥青路面水损害产生影响的自然因素原因主要包括以下几点：

1.1.1年降水量大

广东是全国降水量最丰富的省份之一，降水空间分布呈南高北地的趋势各地年平均降水量在1350~2600毫米之间。全省有三个多降水中心和四个少降水区域，三个多降水中心分别位于恩平、普宁和佛山附近，年平均降水量分别达到2500、2300、2200毫米；四个少降水区域是罗定盆地、兴梅盆地、南澳和雷州半岛南部，年平均降水量都在1500毫米以下。

表1-1全国所有省会城市1971~2000间的累年年降水量

由表可以看出，在全国所有省会城市中，广州市累年年降雨量排名第一，超过全国省会城市累年年降水量的平均值1倍以上。即便是广东省降水量最少的韶关地区也超过了全国省会城市累年年降水量的平均值。

很明显，在同等的条件下，降雨量越大的地区，当地沥青路面发生水损害的可能性就越大，广东地区丰富的降水为水损害的发生创造了自然条件。

1.1.2暴雨次数多

我国气象规定24小时降水量为50毫米或以上的强降雨称为“暴雨”。由于集中的强降雨会对路面、路基等产生较大破坏，因此，暴雨次数增多会增大沥青路面发生水损害的概率。

表1-2全国所有省会城市1971~2000间的累年年暴雨日数

由表可知，在全国所有省会城市中，广州市累年年暴雨日数排名第二，是全国省会城市累年暴雨日的平均值两倍多，仅次于海口市。因此，与年降雨量相似，广东全省的暴雨日数都很多。

1.2交通状况

由于沥青路面的水损害主要是沥青路面受交通荷载和动水压力的反复作用造成的，因此水损害与交通状况密切相关，广东地区交通状况的某些特点对当地沥青路面的水损害的发展有重要的影响。

1.2.1交通量大，接近或超过了高速公路的设计流量

通过对广东省内五条高速公路的交通流量进行了调查，调查路段为：京珠北、粤赣、广清、佛开及深汕西。佛开高速公路日混合交通流量最大，基本达到饱和状态，其余高速饱和程度在20%~70%左右。过大的交通流量加快了沥青路面的疲劳破坏，同时也加速了动水压力下集料与沥青的剥离，是造成当地沥青路面水损害的重要交通因素之一。

1.2.2超载现象

调研表明，广东高速公路货车比例偏高，而且货车超载现象普遍存在。在实行计重收费之前有数据记录显示广清高速货车超载比例高达92.5%，超载车平均超载率54.6%，最大超载率为134.8%。粤赣高速曾出现过最大超载率达414.3%的情况。超载现象一方面增大了作用于沥青路面的行车荷载，另一方面增大了浸水沥青路面内部的动水压力。较大的行车荷载会加重沥青路面的疲劳开裂，而较大的动水压力则会加剧集料与沥青的剥离。因此，广东地区的超载现象是造成高速沥青路面水损害的重要因素之一。

1.3设计因素

广东地区的降雨量和暴雨次数均排在全国前列，因此与全国其他省份相比，广东地区应采用更为先进的路面设计和排水设计，以保证高速公路沥青路面可以经受当地强降雨的考验。

①防排水设计考虑不足

广东地区高速公路沥青路面基本采用了半刚性基层，并没有考虑路面内部排水层的设置。研究表明，不设排水基层的路面结构排出入渗雨水的50%所需要的时间远大于设有排水层的路面结构。广东地区降雨量大，路面结构又很少设置排水基层，导致渗入路面的水分难以排出，延长了路面中水分滞留的时间，不利于广东地区高速公路沥青路面水损害的预防。

②沥青混合料配合比设计有待提高

调查表明，出于抗车辙的考虑，广东地区高速公路沥青路面使用的集料粒径偏大，部分高速公路表面层也使用中粒式沥青混凝土。但是，由于集料粒径偏大，广东地区高速公路面层容易出现压实不足、空隙偏大的情况，造成路面密水性差。因此有必要针对广东地区高温多雨的特点，平衡抗车辙与抗水损的沥青路面配合比设计。

1.4施工方面原因

施工质量是影响高速公路沥青路面使用寿命的关键因素。广东地区部分高速公路沥青路面的施工存在一定的问题，是路面病害产生的重要因素。其中，对水损害的产生有明显的施工因素主要包括以下几点：

①施工压实不足

调查和试验表明，广东地区高速公路部分路段的沥青路面存在压实不足的情况。压实不足的沥青混凝土路面空隙率大，密水性较差，路表水能够很快地渗入路面结构。

②层间粘结不良

在广东高速公路上的钻芯试验表明，钻芯路段沥青层与半刚性基层之间的粘结较弱，部分路段沥青层之间的层间粘结也较弱。如果沥青层是整体，即使沥青层下成为滑动界面条件，沥青层也应该迟于基层发生疲劳破坏。而如果沥青层间脱开，相当于每一层独立受力，完全有可能首先在哪表层最早破坏，然后依次向下发展，导致沥青层早于基层先破坏。这种情形与设计的假定不符合，从而成为半刚性基层沥青路面出现早期损害的重要原因。

③施工不均匀性较大

对出现早期水损害的高速公路路段钻取芯样的观察与量测表明，广东地区部分路段各面层厚度的变异性较大。试验分析指出，上面层厚度的变异系数对路表开裂的影响较大，变异系数越大，路面越容易开裂。这主要是因为路面厚度的变异性使路面内部某些部位出现了应力集中，并在应力集中部位率先产生破坏。

1.5材料方面的原因

原材料的性质决定了沥青路面抗水损的能力。广东地区高速公路沥青路面所用材料的一些不良特性严重影响了沥青路面的抗水损能力。主要包括以下几点：

①当地石料大部分为偏酸性

调查表明，广东省除少部分地区出产玄武岩外，绝大部分地区主要出产花岗岩。花岗岩属于酸性矿料，沥青也属酸性，与碱性矿料相比，花岗岩与沥青的化学粘结力相对较弱，在动水压力下，更容易发生剥离，从而造成水损害。

②沥青选择不当

沥青与集料的粘附性对高速公路沥青路面的抗水损能力非常重要。调查表明，广东地区高速公路沥青路面所使用的沥青大部分仍为普通70号沥青，50号沥青和改性沥青的使用比例仍然不是很高，由于广东省常年路面温度较高，沥青混凝土在高温下会变软，更容易与骨料矿物剥离。因此应多增加50号沥青和改性沥青的使用比例，增强沥青与骨料的粘结能力，达到预防水损害的目的。

1.6养护方面的原因

目前，高速公路整体情况存在重建设轻养护的现状，预防性养护措施不到位、不及时，广东地区高速公路同样存在此类问题。路面早期损害得不到快速的处治，特别是对于水损害引起的高速公路路面病害，如果不及时养护，即便是很小的唧浆，也可能在大雨、重载作用之后快速形成为大面积的坑槽。

另外，路面修补不到位也是一个不容忽视的问题。广东地区部分路面病害发生在已经修补的位置，有些出现修补过后的损害面积大于修补之前的情况。这种情形往往与路面修补不到位有关，即没有从根本上解决路面病害。例如部分路段水损害已经到达基层，导致基层产生了破损，在养护时养护人员只是挖除了原路面，用沥青混合料修补面层，但基层损坏没有进行维修。这种短时间内恢复正常，但不久之后又会出现水损害，甚至随着基层损坏扩大而扩大。因此，在高速公路养护过程中，必须从根本上找出路面损坏的原因，有针对性的进行养护处理。

2减少高速公路沥青路面早期水损害的措施

2.1沥青面层的各层都用空隙率不大于百分之五的密实沥青混泥土

实践证明，沥青面层结构中仅有一层时密实式Ⅰ型沥青混凝土或仅设计一层沥青砂来防水破坏是远远达不到要求的。实际情况是沥青面层中哪一层空气率大，一旦水进去，那一层就会产生水损害。因此，不管沥青面层是一层、二层还是三层，各层都应该采用密实式沥青混凝土，但专门设计的排水层不包括在内。抗滑表层也应该是空气率不大于5%的密实式沥青混凝土。用密实式沥青混凝土来显著减少表面水透入面层结构。在具体选择某层的矿料级配时，除考虑不透水性外，还要考虑混合料的高温抗永久变形能力，对表面层混合料则还要考虑抗滑性和增强抗裂缝能力。

2.2根据需要进行适当的排水设计

即使把路面几层结构层都设置为空隙率较小的密实型沥青混凝土，也不能完全保证水不会浸入路面结构内部，为了防止水对沥青路面破坏，使浸入路面的表面水降至最小程度及迅速的排除路表水、已浸入路面结构的水以及中央分隔带的水。路面内部排水系统与外部排水系统应能组成一个有机整体，并保证路面内外部排水系统不因环境、人为等因素造成堵塞。

路表水的排除：降落在路面上的雨水，应通过路面横坡向两侧排流，避免行人车道路面范围内出现积水。排到路面两侧的水挖方路段可直接通过两侧的边沟排到路基范围外。

路面结构层内部排水及边缘排水：设置路面内部排水系统，将滞留在路面结构内的水迅速排除到路面和路基结构以外，有利于改善路面的使用性能，大大减少水损害的发生。

2.3提高压实标准，降低现场空隙率

提高沥青混凝土的压实度能显著降低路面现场孔隙率。我国现行质量检验评定标准中沥青混凝土以生产配合比设计时的马歇尔密度为标准密度。要求压实度为96%，这是一个很低的要求。例如配合比设计时空气率为4%的同一种沥青混凝土，在压实度为96%时，现场孔隙率将接近8%，在压实度为98%时，现场孔隙率接近6%。美国学者Zube的研究表明，密集配热拌沥青混凝土的孔隙率约为8%时，路面的透水性很大，前者的渗透系数将明显大于后者。

近年来，我国高速公路施工工地所用的压路机品种、吨位和技术性能都显著多于、高于和优于十多年前的状况，客观上早已具备了提高压实标准的条件。实践证明，只要严格要求、加强管理，完全可以达到压实度不小于98%的要求。为了提高沥青混凝土面层的不透水性，我们完全有必要，也有可能提高沥青面层的压实度。

2.4提高沥青与矿料的粘结力

沥青与矿料的粘结力不足，沥青混合料在水的浸泡下很容易剥落下来。对于用做表面层的沥青混合料粗集料，要求既有较高磨光值的硬质岩石料，又要和沥青有较好的粘附性。然而，广东地区高速公路路面上使用的多数玄武岩和花岗岩等与沥青粘结力较差的矿料。因此要考虑添加适当的抗剥落剂或采取切实有效的措施来提高沥青与集料的粘结力。

2.5优化混合料级配设计

混合料的级配设计是沥青路面设计的重要环节，混合料级配的好坏直接影响到混合

料的路用性能。对水损害防治而言，防止水分渗入沥青路面各结构层是至关重要的，这就首先要求所设计的表面层混合料级配是致密的。要同时达到这些要求是很不容易的，间断级配是一个新的发展方向。从工程实践上来看，表面层混合料采用间断级配也显示出明显的优势，比如目前常采用SMA，既不透水，对表面层下面的沥青面层和基层起到很好的保护作用和隔水作用，又具有较高的高温稳定性和抗滑性能。在世界各国沥青路面表面所采用的沥青混凝土通常有两种类型：一是密实式的沥青混凝土，另一个是采用多孔的沥青混凝土，其中又以密实式的沥青混凝土更为普遍些。就水损害的防治而言，想方设法防止水分进入沥青面层结构是至关重要的，从这个层面上讲表层采用密实式沥青混凝土要优于多孔的。从另一方面说，即使表层采用大孔隙沥青混凝土如OGFC，仍然要在其下面设置至少一层的密实式沥青混凝土来阻止水分进入结构层。所以为了减少高速公路沥青路面早期水损害的发生我们建议沥青路面表面层采用密实式沥青混凝土。

2.6严把路面各结构层施工质量关，提高路面质量

施工工艺控制对沥青面层的使用寿命有决定意义，路面基层或面层施工各工序控制不严，致使基层或面层质量不好是导致沥青路面发生早期破坏最直接的原因。为避免此类问题出现，从准备基层和沥青混合料的原材料开始严格按适宜的规范或所制定的施工技术方案要求控制好所选用材料的品质，认真进行混合料的配合比设计，严格按设计配合比进行混合料的拌制，注意各阶段施工的工艺和质量控制，防止矿料级配和碾压温度变异性大以及混合料产生离析，使基层及竣工的沥青面层从颗粒组成、沥青含量到孔隙率较均匀，最大限度地消除混合料的生产和铺筑中潜在引起路面破坏的因素，铺筑优质的路面结构层，使沥青面层发生早期破坏的可能降到最低。

2.7加强交通管理

近年来各级交通部门已经认识到超载超限车辆对公路使用寿命的严重威胁，相应的采取了一系列超限超载车辆的违规治理，但在短时间内从源头上解决超载车辆问题是不可能的。靠短期行为改变其现状是不现实的，治超的关键就在于立法和长效的治超措施与理念，同时也需要全社会共同努力才能得以解决。

2.8加强养护管理

加强路面养护管理，路面出现水损害时应及时采取有效的养护处治措施。主要应做到：取路面试样检验，确定谁损害类型、范围及可能原因；调查排水系统，是否设置或堵塞，进行必要的现场和室内试验，包括渗透性试验；在试验基础上，分析水损害的原因，修复排水系统，加强覆盖层或翻修路面

3结论

总结了广东地区高速公路沥青路面发生早期水损害的原因：降雨量大、暴雨等极端天气多，交通量大、超载车辆多，设计、施工、养护方面考虑不充分不及时等原因，材料方面偏酸性。提出了具体措施来减少广东地区高速公路沥青路面的早期水损害的发生：沥青面层的各层都用空气率不大于5%的密实沥青混凝土、根据需要进行适当的排水设计、提高压实标准，降低现场孔隙率、提高沥青与矿料的粘结力、严把路面各结构施工质量关，提高路面质量、加强交通管理、加强养护管理。

参考文献：

[1]朱梦良，鲁正兰.沥青混合料路面水损害机理与防护措施[J].湖南交通科技,2003,（1）：32-33.

[2]杨成忠，邹启贤.沥青路面水损害机理与防治措施的研究[J].筑路机械与施工机械化,2003,（4）：7-9.

[3]孙长新，金青.轮载作用下饱水沥青路面的动力响应[J].山东大学学报（工学版）,2008,38（5）：19-24.

[4]孙长新，金青.轮载作用下饱水沥青路面的动力响应[J].山东大学学报（工学版）,2008，38（5）：19-24.

[5]崔新壮，赵毅强，叶燕呼，等.广东省公路沥青路面气候影响分区[J].西安公路交通大学学报，2000，1（20）：16-19.

[6]高速公路丛书编委会.高速公路设计与施工[M].北京：人民交通出版社，2001.