提高沥青路面耐久性的技术对策

刘东 

摘  要：沥青路面早期病害的产生严重影响沥青路面的使用寿命，沥青路面早期病害主要表现为局部坑槽、内部松散和车辙，本文就沥青路面早期病害产生的原因进行了阐述，重点从沥青路面原材料的选取、沥青混合料配合比设计、沥青路面的防排水设计及沥青路面的结构形式等方面分析防治沥青路面早期病害的对策，以提高沥青路面耐久性。

关键词：坑槽；车辙；沥青路面耐久性 

 我国目前已建成或在建沥青路面几乎都是密级配沥青混凝土路面，由于沥青层透水，渗入到基层的水又不易排出，积存在基层表面，不仅使沥青层与基层之间的连续状态遭到破坏，而且很容易产生沥青膜剥落、坑槽等水损坏破坏。沥青路面采用的路面结构形式多数是半刚性基层沥青混凝土，半刚性基层无机结合料稳定粒料的强度和刚度都很高，对车辙的影响很小，故半刚性基层的沥青混凝土路车辙产生的原因主要取决于沥青混合料的性质。因此，就沥青路面早期病害产生的原因，重点从沥青路面原材料的选取、沥青路面配合比设计、沥青路面的防排水设计及沥青路面的结构形式等方面对沥青早期病害进行防治，以提高沥青路面的耐久性。

1沥青混合料原材料的选取

为了防治沥青路面早期所出现的坑槽、车辙等病害，需提高沥青混合料的水稳性和高温稳定性。

① 沥青

沥青材料本身的特性对沥青混合料水稳性和高温性能的影响是不容忽视的，沥青的粘度越大，劲度越高、与石料的粘附性越好，相应的沥青混合料水稳性和抗高温变形能力越强。

采用改性沥青是改善沥青混合料水稳性非常有效的途经。众多室内试验和配合比试验表明，采用普通沥青粘结力不符合要求时，只有采用改性沥青一般都能够满足要求，而且通常不需要添加抗剥落剂和掺加消石灰，与各种集料的粘附性基本上都能达到4级以上。

采用改性沥青的沥青混凝土路面抗车辙能力比较强。在1989年～1998年,澳大利亚在卡林顿试验路上做了五种沥青混凝土路面的加速加载试验，其中用改性沥青的四种路面的抗永久变形明显优于普通沥青路面，原因是改性沥青增加了沥青与沥青之间及沥青与矿料之间的粘结力。

因此，在条件容许的情况下，尽可能选用改性沥青来增加沥青与矿料之间的粘结力，提高沥青混合料的水稳性和高温稳定性。

② 粗集料

集料质量差是目前公路建设中特别严重的问题，突出的表现是：材料脏、粉尘多、针片状颗粒含量高、级配不规格等，经常不能达到规范要求，使用时离析严重，导致实际级配与配合比设计有很大的差距，使路面在使用过程中过早的出现早期病害。

沥青混合料的高温稳定性，要求混合料内部有足够的内摩阻力以抵抗高温条件下的变形。这就要求尽量采用粒径较大、接近立方形、有尖锐棱角和粒糙表面的碎石且碎石含量较多的矿料，以加大沥青混合料的内摩阻力，增强矿料颗粒间的嵌锁作用，阻止颗粒间的相互移动，从而提高沥青混合料的抗变形能力。

沥青混合料的水稳性，要求集料与沥青有好的粘附性，规范要求高速公路沥青路面沥青与石料的粘结力不小于4级，选择SiO2含量低的碱性石料与沥青的粘附性较酸性石料好，在选用酸性石料时，需要掺加消石灰等抗剥落剂来提高沥青混合料水稳性。在注重石料品质的同时也需注重石料的加工，减小集料的含泥量，使生产的集料保持干燥、洁净。

③细集料

对于细集料的选取，石屑的质量必须符合规范要求，减小含泥量，控制天然砂的使用量，尽量使用机制砂。机制砂具有尖锐棱角、粒糙表面和良好的级配，能增加内摩阻力，减少车辙，尽管机制砂有可能是酸性石料，但含粉量很少，与天然砂和石屑相比仍具有独特的优势。

④矿粉

矿粉的用量对沥青混凝土的性质影响很大，一定量的矿粉可减少起润滑作用的游离沥青、减小沥青膜的厚度、调整矿料的级配，尤其是满足0.075ｍｍ筛孔的良好级配，可改善沥青混凝土抗剥落能力，增加沥青胶砂的强度。但矿粉也具有增加混合料的比表面积、增加沥青用量、减少表面构造深度、减少摩擦系数等缺点。试验证明，矿粉与沥青用量之比宜控制在1 0～1 2。

⑤ 抗剥落剂

在许多情况下，沥青路面的表面层采用质地坚硬的酸性石料，为了防止集料表面的沥青受到水浸泡过早的剥落，在沥青中掺加抗剥落剂，提高集料与沥青粘附性。可选用的抗剥落剂有消石灰粉或生石灰粉、水泥，要求抗剥落剂应该具有耐热性和长期的使用性能效果。

2沥青混合料配合比设计

①采用合理的S型矿料级配

沥青混凝土的耐久性(抗水损害、高温稳定性)设计要求混合料的空隙率适宜，密水性强。若沥青混凝土空隙率过小会产生车辙和推挤，过高会让水和空气进入路面，产生水损害、剥落和内部松散。因此，在沥青路面配合比设计时，即要保证沥青路面密实性，又要保证沥青路面的高温稳定性，尤其在沥青表面层设计时对密水性和高温温度性要求更高。

在对表面层级配进行调整时，以居于设计范围中值为目标，将最粗集料数量和最小的细集料数量适当减少，级配曲线调整成S型（密实嵌挤型级配），提高高温抗车辙能力，并且在S型曲线中，大粒径颗粒适当的减少，在施工过程中可以有效减少离析，提高施工和易性，利于压实及压实度提高，减少空隙率，提高水稳性。

② 严格控制设计空隙率

沥青混合料配合比设计中，空隙率是影响沥青路面水损坏的主要因素。对于如何确定设计孔隙率，各国都有不同的做法。大部分国家是规定一个范围，而且普遍为3%～5%，美国以前采用马歇尔方法设计时也是这样规定的，后来采用Superpave方法后，统一采用空隙率为4%，即当施工压实度达到97%时，沥青路面竣工的空隙率≤7%，这是为防止渗水的界限。

大量资料已经证明，当空隙率>8%，特别在8%～12%间，渗水严重。因此设计空隙率为4%是防止早期损坏的关键要求，同时也是提高沥青路面耐久性，减少沥青老化的需要，有关资料证明，在空隙率<5%时，沥青老化很轻微，而空隙率>7%后，沥青老化则急剧增大。如设计空隙率太小，例如<3%，甚至2.5%，则在高温时，由于沥青膨胀而造成泛油或车辙，因此，合理的选取设计空隙率是至关重要的，由于我国目前仍采用马歇尔试验进行配合比设计，对设计空隙率要求：一般情况为3%～5%，对重交通是4%～6%。

③ 渗水系数检验

在沥青路面使用过程中，只有渗入到沥青路面内部的水才能造成沥青膜和集料剥落，使路面发生早期损坏。沥青路面的渗水情况与沥青路面空隙率的大小存在很好的相关关系，其中美国资料中空隙率与渗水系数的关系如下图所示：

 

图1  沥青混凝土透水系数Pe－空隙率图

在图1中，空隙率8%时的渗入系数为96×10－5cm/s。按照NCAT的试验方法和研究结果，对于细级配的沥青混合料确定为100×10－5 cm/s，对于粗级配的沥青混合料确定为150×10－5 cm/s。

2005年7月对已通车19个月的江西省泰赣高速公路的硬路肩进行渗水系数检验，检验数据如表1所示：

表1                        渗水系数检验

桩号	东/西线	渗水系数Cw（mL/min）
		第一次	第二次	第三次	平均值
K150+000	东线	23	27	25	25
K150+000	西线	16	16	27	20
K158+100	东线	3	10	2	5
K158+100	西线	23	33	39	32
K165+580	东线	245	158	102	168
K165+580	西线	4	9	1	4
K176+600	东线	5	10	8	8
K176+700	西线	27	92	62	60
K182+340	东线	170	88	59	106
K182+340	西线	97	95	97	96
K196+000	东线	15	5	39	20
K196+000	西线	6	1	1	2
K198+580	东线	1	5	42	16
K198+580	西线	11	17	3	10
K200+025	东线	14	2	3	6
K201+700	西线	8	17	7	11

我国现行规范中提出了渗水系数的指标，在配合比设计阶段，密级配沥青混合料应不小于120 mL/min，在施工质量检测时要求路表渗水系数不大于300 mL/min，按照此标准，对江西省泰赣高速公路的渗水系数检验的16个点都符合要求，如按其他地区经验，渗水系数按60 mL/min评定，不合格点为3个，合格率为81.25%。

3沥青路面防排水设计

虽然我国大多数沥青路面采用的密级配沥青混合料，但要完全防止沥青路面进水是不可能的，因此我们需要尽可能快地把流入路表和路面内的水排出，减小沥青路面的水损坏。

①路表排水

    路表排水常用两种排水方式：一种是让路面表面水以横向漫流形式向堤坡面分散排放；另一种是在路肩外侧边缘放置拦水带，将路面表面水汇集在拦水带，通过一定间距设置的泄水口和急流槽把水排出。根据现有高速公路使用情况，发现当路面纵坡较小，或者纵坡不顺、平整度不好时，拦置式路缘石不仅不能使路表水迅速排出，反而阻挡排水形成局部积水。因此，建议采用漫流的方式将路表水排出，但路肩及边坡必修经得起冲刷。

②中央分隔带排水

我国绝大部分公路的中央分隔带都是开放式的，绿化树木、草地的浇水灌溉往往会造

成部分水下渗到路基路面，使的路基路面内含水量过高，路面整体结构强度降低，路面过早的出现病害。

参考国外的经验，为了保证路基路面的稳定，不宜在中央分隔带植树绿化，将原有的开放式中央分隔带改为封闭式的沥青结构层，消除中央分隔带渗水的隐患。对现有的开放式中央分隔带，为了减轻中央分隔带向路基路面渗水，应做好路基路面内横向排水设施。

③路面结构内排水

大量的路面损坏状况调查和路面使用经验表明，进入路面结构内的自由水是造成或加

速路面损坏的重要原因。当沥青层下方有排水式的沥青碎石或者级配碎石时，进入路面内部的自由水能很快的排走，但是当沥青层直接铺筑在非常致密的无机结合料稳定集料基层上时，迅速排水就比较困难。因此，对于多雨潮湿地区，应在沥青路层与半刚性基层之间设置排水性基层来排出渗入路面内的自由水。除了以往的级配碎石结构排水外，国外已经较多地采用排水式沥青稳定碎石基层(ATB)和沥青处置排水基层（ATPB）。

4沥青路面结构形式

对于沥青路面结构形式，长期以来我国遵循“强基薄面”的方针，将薄的沥青层直接铺筑在强度高的半刚性基层上。根据对我国现有半刚性基层沥青路面的调查，沥青路面的厚度基本上不超过15～16cm，其使用寿命不能令人满意，早期损坏严重，达不到设计年限的情况十分普遍。由于沥青面层较薄，通过裂缝和孔隙进入路面的水不能通过基层迅速排出，停留在基层顶面，一方面在行车荷载的作用下，沥青结构层与基层之间发生相对滑移，破坏了路面结构的整体连续状态，使得沥青层底拉应力增大，发生疲劳破坏。另一方面使得基层表面容易产生浮浆，沥青混合料内部松散，而导致唧浆、坑槽等水损坏。

① 采用柔性基层对沥青路面水损坏的影响

纵观国际上的沥青路面结构，越是重交通路段，越倾向于全厚式路面、柔性基层沥青路面或组合式基层沥青路面，沥青路面结构层厚度普遍在20～30cm之间。如表2所示，日本高等级公路结构型式。

表2           日本道路公团的高速公路路面结构型式

高速公路名     称	名神	东  名 冈琦段	东  名 丰田段	东  名 小牧段	北陸	札樽	道央
修建年份	1963	1967	1968	1968	1974	1973	1982
路面结构及厚度（cm）	A(4) + C(6) + E(20) + F(20)	A(4) + C(6) + D(15) + E(15)	A(4) + C(6) + D(18) + E(22)	A(4) + C(6) + D(20) + H(20)	A(4) + C(6) + D(10) + H(30)	A(5) + C(5) + D(20) + G(50)	B(5) + C(5) + D(15) + F(20～25)
注：表中A为密式沥青混凝土；B为中粒式沥青混凝土；C为粗粒式沥青混凝土；D为沥青稳定碎石；E为级配碎石；F为天然级配砂砾；G为充货碎石；H为水泥稳定碎石

日本最早的名神高速公路，为了节省投资采用了4cm＋6cm的薄沥青面层，但使用不久便显著开裂。因此从第二条东名高速公路开始全面采用沥青稳定碎石基层。70年代以后结构型式基本上定下来了，成了标准结构：即4＋6cm沥青混凝土下设15～20cm沥青碎石，沥青面层总厚度为25～30cm。

在沥青层下设置级配碎石或沥青稳定碎石层作为排水基层，使得进入沥青层的水分在达到半刚性基层前先进入排水基层，把渗入的水横向排走，不会损伤半刚性基层表面，产生浮浆。同时采用柔性基层增加了沥青层自身较厚，进入路面的水的路径加长，进入基层的水量也大为减少。这样将有效地防止自下而上的水损坏发生。因此，建议设置柔性基层作为沥青路面的排水基层。

② 沥青路面厚度对车辙的影响

长期以来，认为沥青路面的车辙与沥青层的厚度关系很大，沥青层越厚，车辙越大。为

了防止车辙，采用薄的沥青层，甚至把减薄沥青层作为抵抗重交通的一种技术措施，而对柔性基层沥青路面的车辙问题比较担忧。针对沥青层厚度与车辙的关系，壳牌沥青设计手册提出了车辙计算模式，其计算公式为：

                    

 式中：——动载作用修正系数；      ——沥青面层各层的厚度；

       ——沥青层各层的平均应力；——沥青各层粘性部分的劲度模量。

     在上式中，车辙量并不简单地随的增加而增加，因为也是的函数，且随的增加而减小。车辙与厚度的关系，在其他条件不变时，在小于某一临界厚度时，随着沥青层的厚度增加车辙增大，是增函数，在超过此临界厚度时，沥青层的增加不会使车辙无限制地增大。此临界厚度与路面结构、材料有关，一般在15～25cm之间。1997年TRL【Design of long-life flexible pavements for heavy traffic】报告中对英国的干线公路和高速公路进行了开挖调查，调查发现：当沥青层厚度小于180mm时，增加沥青层厚度会使车辙显著增加，而沥青层厚度超过180mm再增加厚度对车辙增大的影响就很小了。同时，在对45条密级配沥青稳定碎石基层的柔性路面调查后认为，沥青层厚度在180～360mm时，车辙深度与沥青层厚度关系不大。沥青稳定基层的柔性路面与半刚性基层沥青路面的车辙并无多大差别，对厚的沥青路面，车辙主要发生在沥青层的上部10余厘米范围内。

从我国的沥青路面使用情况来看，采用沥青层最厚的两条高速公路：京津塘高速公路（沥青层厚20～25cm）、广东省广深珠高速公路(4ｃｍ抗滑表面层ＡＣ-16Ⅱ+8ｃｍＡＣ-25Ⅰ+10ｃｍＡＣ-30Ⅱ+10ｃｍＡＭ-30,总厚度为32ｃｍ)，其车辙情况也并不严重。

广深高速公路是我国最早建成的少数几条高速公路之一,在运营8年后，路面状况呈逐年恶化之势。主要表现为坑洞、麻面等表面层损坏及平整度、抗滑、排水等表面功能衰减。根据有关规定,在2002年对广深高速公路进行全线罩面处理，对维修路段Ｋ1+733～Ｋ20+900、Ｋ40+539～Ｋ58+009、Ｋ62+269～Ｋ68+212进行南北向弯沉测试，全线平均弯沉值南行线为12.91(0.01ｍｍ)、北行线为12.75(0.01ｍｍ),代表弯沉值平均南行线为21.53(0.01ｍｍ)、北行线为21.45(0.01ｍｍ)；南行维修段全线代表弯沉小于20(0.01ｍｍ)的占41%，北行维修段全线代表弯沉小于20(0.01ｍｍ)的占44%〔设计弯沉值为21.9(0.01ｍｍ)〕，测试结果表明，路面结构强度较好。

由此可见，采用柔性基层较厚的沥青路面结构形式对车辙的影响与薄的半刚性基层沥青路面相差不大，但就沥青路面的耐久性而言，选用柔性基层的沥青路面结构层较好。

②推荐沥青路面结构

综合考虑防止沥青路面过早的产生坑槽、内部松散和车辙等早期病害，对于高等级公路，建议采用沥青稳定碎石、级配碎石等结构层来解决沥青路面内部排水问题，上面层采用SMA提高沥青路面的抗车辙能力。

表3                    推荐沥青路面结构组合形式

结构一	结构二	结构三
改性SMA－16  4cm	改性SMA－16  4cm	改性SMA－16  4cm
AC－20   6cm	AC－20    6cm	AC－20    6cm
AC－25   8cm	ATB－25   12cm	ATB－25   10cm
级配碎石    15cm	级配碎石     24cm	水泥稳定碎石  30cm
水泥稳定碎石  20cm	水泥稳定碎石  20cm	石灰稳定土    18cm
石灰稳定土    15cm

5结语

提高沥青路面的耐久性，防止沥青路面过早的产生早期病害，除了考虑沥青路面原材料的选取、配合比设计、防排水设计和沥青路面结构形式的选择来提高沥青路面的水稳性和高温稳定性之外，还需要进行预防性养护，对早期损坏要加强巡查，及时发现，立即采用措施，进行补救，

   沥青路面发生早期损坏，一开始是局部的，如果不及时修补，损坏情况将会迅速发展，造成更大的损坏。为了提高沥青路面的耐久性，延长沥青路面使用寿命，需加强预防性养护的理念，

参考文献：

[1]  沈金安.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策.人民交通出版社.2004年

[2]  沈金安.沥青与沥青混合料路面性能.人民交通出版社.2001年

[3] 《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40－2004）.中华人民共和国交通部发布.2004年

[4]  武和平.高等级公路路面结构设计方法.人民交通出版社.1999年