动水压力作用下沥青路面水损坏研究

2022-10-23

正文:

在目前的沥青路面早期损坏中, 水损坏是其最主要的原因, 但目前对其的作用机理尚不明确。以往人们通过化学以及物理的角度对其静水的沥青膜剥离情况进行研究, 但是在道路使用的过程中, 除了静水的作用以外, 包括了很多复杂的外部因素, 其中主要是动载荷过程中的动孔隙水压力以及雨水等冲刷力都是属于沥青路面的水损坏外因, 尽管前人对水损坏的这些发展规律以及水作用的驱动以及作用机理进行了总结, 但是仍不够深入, 多以经验性的总结, 缺乏理论知识的定量以及定性分析。所以在对其合理假设的前提下, 根据理论知识, 反复研究其动载荷以及冲刷力等水力驱动作用下的水损坏因素, 是最为科学以及具有重要意义的研究。

1 动载荷作用下动水压力影响因素

1.1 车速

所谓动水压力就是经过降雨或是降雪之后, 车轮对路表面的挤压导致水膜产生瞬间压力, 并认为它是引起路面水损坏的最主要原因。在实际的水压力中, 车载荷下路面内部的动力水损坏才是最根本的原因, 相较外水压力对路面的损坏作用更大, 在进行建模过程中, 动水压力以路面作为边界条件, 将外水压力称之为路表动水压力, 路面以内为内动水压力。

1.2 车载

目前, 在我国的公路中, 重型货车较多, 并且存在严重超载的现象, 所以车辆的载荷较大, 这就导致路面弯沉值非常高, 也会因为路面材料发生较大的形变, 路面内部的孔隙水在重载荷的强力积压下, 动水压力非常大, 对路面的损害也就随之增大。

1.3 路面材料

路面材料也是较为重要的一个因素, 根据不同材料的刚度、渗透系数以及孔隙率、连通度等各方面的不同, 动水压力的大小也就会发生变化。比如:材料的孔隙率较大, 孔隙连通的效果较好, 那么混合料的渗透系数就较大, 孔隙中的水量就会越小;材料的刚度较大, 那么在车载作用下其体积的形变量就越小, 动水压力也就随之减小;当沥青混合料的渗透系数较小时, 一方面降水不容易渗透到路表内部, 另一方面进入内部的水又不能通过表面蒸发掉, 这就导致路面内部的水长时间滞留, 在动力载荷的诱因下, 就会产生较大的路表动水压力以及内部动水压力, 使得水损坏的作用加剧。

1.4 路面结构

路面结构这方面的因素对动水压力的影响也很大, 在设计过程中由于环境需要或者人为原因而设计了很多种路面结构, 比如:排水基层路面以及上封下排路面因为隔水排水方式的不同, 其动水压力也是不同的;或者刚性路面与柔性路面由于其整体刚度的差异性, 其内部动水压力也是有差异的。

2 动水压力作用下的沥青路面水损害

2.1 沥青路面“内水损坏”

当前, 由于大多数的研究都是路表水通过路面孔隙进入到路面内部, 经过载荷等原因导致动水压力, 产生路面水损坏的。然而在实际过程中, 由于材料在进行拌合前经过淋雨或者是水洗等因素, 粗细集料的孔隙中都含有一定量的水, 这些水分并不能够经过日晒、高温拌合等干燥作用下完全去除, 在拌合过程中, 沥青混合料中的含水量就会相对增加, 会产生较大的负面效果。施工人员在施工中, 经常混发现高温沥青混合料出现冒泡现象, 这就导致了沥青拌合料的生产质量下降, 甚至会出现沥青拌合料在摊铺过程中与集料无法形成很好的粘结, 降低了路面的摊铺质量, 这就是所谓的内水损坏, 目前这方面的研究较为贫乏。

2.2 沥青面层水损坏

多雨的夏季, 在车辆荷载作用下, 饱水沥青路面面层的动水冲刷导致沥青与集料剥离, 使得面层材料松散、结构强度降低, 累积的冲刷作用导致了沥青面层坑槽的产生。车速越大, 孔隙水压力越大, 相应的路面承受水流的作用力也就越大, 但是车辆经过任何一个横向截面的时间较短, 动水压力的冲刷时间也就较短;车速越低, 孔隙水压力越小, 水流对路面的冲刷作用越弱, 但冲刷时间越长。这两种情况下, 对沥青混合料受到的损伤程度进行比较发现, 大冲刷力对应的曲线在相对较小的冲刷力所对应的曲线之上, 说明其他条件一样的情况下, 冲刷力越大, 形成的坑槽深度越大, 材料剥落量越大, 对沥青路面的损坏越严重。也就是说, 车速越大, 饱水沥青路面受到的水流冲刷作用也严重。

3 沥青路面水损防治措施研究

3.1 沥青路面材料控制

若是将基层设计成完全不透水的结构, 那么在雨水等长期滞留表面以及基层表面的作用下, 就会对基层材料的混合料产生长时间的浸泡以及冲刷作用, 就形成了基层材料的灰装, 这层灰装在动载荷的作用下, 就会通过沥青路面的孔隙或者是裂缝被挤压到路面上, 造成了沥青路面的大面积泛滥。并且在灰装向上被挤压过程中, 基层的结合料也就会越来越少, 路面基层与沥青表面就会形成空隙, 造成沥青表面下降, 甚至是大面积的剥离, 这就是造成沉陷以及大面积剥落的原因。因此, 在流体动力学的研究角度, 要尽量将路面材料孔隙率有效的控制在一定的范围, 既不能完全不透水, 也不能孔隙率较大。在沥青混合料进行级配设计时, 其好坏对路面的后期应用有着非常总要的作用。另外, 沥青路面的表层, 其不但直接承受过往车辆直接的载荷作用, 更是直接与大气接触, 受到气温以及雨水等多方面因素的作用, 所以对其材料的要求非常高, 其中最重要的几个性能是抗水损坏、高强度以及抗滑性等等。

3.2 改善路面结构排水系统

一般改善路面结构的方法有两种, 首先, 在沥青路面的上下部结构中, 为了防止水分进入到内部, 要对其进行密封, 但是这种密封也会组织水分的正常蒸发, 一旦水进过裂缝等结构缺陷进入路面就很难被排除。其次, 在沥青路面大幅度增加厚度的改善下, 能够很好的减少动水压力的影响以及破坏, 但是却会造成路面的造价大幅上升。以上这两种方法, 不论是从性能或者是造价上都不适合于我国目前的国情, 那么如何有效的对动水压力的损坏进行防治有能够不提高造价, 也就是第三种方法, 就是设计良好的路面与基层的内部排水系统, 从而将进入路面表层的水合理的导流出来, 减少路面的水损坏, 如何改善内部排水系统就需要更多更好的研究, 来改善路面的使用性能。

3.3 完善施工与养护

首先是严防离析。施工质量要进行动态管理, 要从原材料进行把关, 必须是满足施工配合比级配要求的合格集料, 还要提高沥青混凝土面层摊铺和碾压施工水平, 以此来减少粒料离析、控制材料空隙率、提高压实度, 从而减少水损坏的程度。其次是严控超载。超载现象在我国是非常普遍的不良现象, 其是造成基层内部应力增加的主要原因, 会产生较大较多的反射裂缝, 并且会增加路面内水压力, 使得水损坏的影响量增加。因此, 严控超载现象是防治水损坏出现的最重要的手段之一。最后是要做好预防性养护。在水损坏作用下, 一旦达到一定的规模就会形成联锁反映, 会造成更大面积的路面破坏, 所以要及时有效的对路面进行预防性养护, 避免出现更大面积的路面损坏, 造成养护成本的增加。

综上所述, 结合本文的基础性研究成果, 本文从路面材料、结构, 以及施工与养护管理等方面提出了筋青路面水损坏防治策略和措施, 具有重要的工程意义。

摘要：动态水作用是沥青路面产生水损坏的重要原因, 动态水作用分为路表存在漫流水膜时, 动载作用下水膜对沥青上面层的动水冲刷作用以及路面结构空隙中的自由水受迫产生的空隙水压力对沥青混合料的冲刷、挤压和泵吸作用。路表的动水冲刷导致路面受荷处的沥青膜剥离、矿料颗粒剥落, 是导致渠化交通下产生辙槽的重要原因。在内部孔隙水压力的冲刷、泵吸、挤压作用下, 自由水不断地进入路面结构的内部, 并增大路面结构的空隙率, 降低结构强度, 破坏结构的整体性。

关键词：动水压力,沥青路面,水损坏