动水压力对沥青路面的损害研究
摘要:动水压力是高速公路沥青路面水损害的主要原因,受车速、空隙率、重载交通量和环境因素的影响,其引起的水损害形式表现为唧浆、松散、坑槽和网裂,可采取控制车辆速度和交通量等多种措施进行动水压力引起的水损害防治。
关键词:高速公路沥青路面动水压力水损害
近年来,我国高速公路迅猛发展,沥青路面成为主要的路面形式。
然而由于交通运输量的日益增大,沥青路面面临着严峻的考验,路面早期损害现象普遍发生,其中动水压力作用造成的损害最为突出,是目前研究工作的重点。
1 动水压力作用机理
降雨时,雨水通过路面的空隙或裂缝进入路面结构,如果路基及路面下层透水性较低时,渗入路面的自由水无法渗出而形成滞留水,路面横坡或平整度不足时易导致雨水的集聚。
当高速车辆驶过有滞留水或路表积水的路面时,轮胎与路面间的水不断地被高速运转的轮胎挤压而形成了动水压力,加速了沥青混合料的软化和剥落。
高能量的水分子与集料的粘附力较大,会加速与沥青分子的置换,使沥青混合料的品质变坏[1]。
2 动水压力的影响因素
2.1 车速
刘中一[2]认为高速公路上的行车速度可以达到120km/h以上,所造成的动水压力可达普通道路的2.5～3.0倍。
张博辉等[1]认为路面积水在行车轮胎作用下产生的最大动水压力随车速的增加呈几何级数增长,发现车辆车速为80～120km/h时的动水压力,是车速为40～60km/h时的4倍左右。
张勇等[3]认为动水压力与行车速度的平方成正比,车速越高,对路面的破坏就越大。
2.2 空隙率
当空隙率在8%～15%范围内时,水容易进入并滞留在混合料内部,在行车荷载反复作用下形成强大的动水压力,而造成沥青剥落[4]。
因路面铺装而产生的裂缝或裂隙的大小及疏密不一致,在一些空隙率较大和蜂窝多孔的层位,水易渗入使结构层的水稳性发生恶化,在大量行车载荷作用下产生较大的动水压力,导致滞留水沿着层间薄弱区四处扩渗、冲刷,最终使颗粒状的水浆沿隙唧出路表。
2.3 重载交通量
近些年,经济的快速发展和交通需求的提高,高速公路上重载、超载的情况已不罕见(载荷达到额定荷载的2～3倍),加剧了沥青路面的水损害。
在高速重载交通作用下,积于路面中的水形成局部高压、高速水流和真空负压作用,不断剥蚀集料表面的沥青料,将细小集料颗粒带出路面,严重破坏了路面结构[3]。
2.4 环境因素
在高温多雨地区,由于半刚性基层的密水性,水易渗入路面结构内导致水滞留于基层,行车荷载的作用使得基层表面产生动水压力,冲刷了基层表面而导致其强度下降[5]。
加之寒冬、炎夏等诸多不利因素相互作用,加剧了沥青油膜与矿料颗粒间的剥离,加剧了高速公路的病害[2]。
3 动水压力引起的水损害
3.1 松散和坑槽
降雨过程中,雨水会渗入并滞留在沥青路面中,在行车荷载作用下,产生动水压力,水分进入到沥青和集料的界面上,使得沥青从集料表面剥落而使得局部混合料丧失粘结力,产生松散现象(图1)。
当沥青混合料产生松散后,在车辆载荷的作用下,碎石被车轮甩出而使路面出现坑槽等现象[1]。
同时,在冬季冰冻的过程中,水分通过毛细作用向上聚积,到春融时节,水经融化后滞留于底层混合料空隙中,滞留水在冬季冻胀力和动水压力的反复作用下,沥青膜与集料间发生剥离而使路面呈现松散结构。
此外,集料与沥青的粘附性不好,也易导致沥青路面的掉粒、松散、坑槽等水损害现象[6]。
3.2 唧浆
当路面层混合料出现松散后,水易渗入基层和路基,降低路基的强度。
当下封层和沥青下面层的施工质量较差时,在基层裂缝附近先发生脱空,进而因动水压力的作用使沥青路面的抗疲劳性降低,同时下面层也会出现疲劳破坏;如果底基层和基层强度较差,会加速这种破坏,在动水压力对基层表面和裂缝深度范围内的重复冲刷和抽吸作用,基层材料被挤压、冲刷的细小颗粒会沿沥青混合料的空隙上流形成唧泥(图2),故有些路面在搓板凹处出现连续的唧浆现象[2]。
3.3 网裂
在高速行驶时产生的动水压力下,冲刷基层混合料表层的空隙被行车压唧到路面,随着基层结合料的逐渐流失,面层也随着底部脱空现象的产生而形成沉陷、网裂(图3)。
此类水损害多发生在重车交通量较大的行车道上。
4 结语
动水压力对沥青路面水损害的作用最为突出,受到车速、空隙率、重载交通和环境因素的影响,其水损害形式表现为唧浆、松散、坑槽和网裂,可采取控制路面孔隙率、提高沥青与矿料的粘结力、防排水设施、车辆速度和重载交通量等措施进行动水压力引起的水损害防治,延长高速公路的使用寿命。
参考文献
[1] 张博辉,王希良,单立成．高等级沥青路面水损害分析与防治[J]．国防交通工程与技术,2007(1):80～82．
[2] 刘中一．多雨地区沥青路面水损害分析及对策[J]．交通标准化,2007(1):144～147．
[3] 张勇,刘春艳．沥青路面水损害产生原因分析及预防措施[J]．北方交通,2010(2):22～24．
[4] 刘梅．高速公路沥青路面水损害的原因及预防[J]．中国新技术新产品,2010,(12):97．
[5] 陈健．高温多雨地区沥青路面早期破坏的原因及防治[J]．山西建筑,2007,33(30):295～296．
[6] 钟传芬．沥青路面水损害的成因分析及预防措施[J]．青海交通科技,2006(4):42～44．。