水损害按其产生过程一般可以划分为自上而下的水损害和自下而上的水损害。自上而下的水损害主要表现为麻面、松散、坑槽、辙槽。而自下而上的水损害主要表现为唧浆、沉陷等病害。
1.自上而下的水损害
自上而下的水损害往往局限于表面层,如果及时修补,路面性能可以很快恢复。在降雨过程中,雨水首先渗入并滞留在表面层沥青混凝土的空隙中,当下层的沥青混合料密水性好,且沥青层层厚较大,向下渗透相对比较困难时,在大量高速行驶的车辆经过时,局限于路面表面层混合料中的水,在反复的动水压力作用下逐渐使沥青从集料表面剥离,局部沥青混凝土出现松散,碎石被车轮甩出,路面产生坑槽。这种水损害是最常见的水损害。它是水使沥青膜从集料表面脱落,失去附着力的过程。
水分渗入路面混合料中,在汽车荷载的压应力与高速行驶产生的真空吸力形成的剪应力的反复泵吸作用下,使沥青膜从剥离发展到松散、掉粒、坑槽。通常情况下,产生这种水损害的条件如下。
(1)水是产生水损害的先决条件。在沥青路面材料中,沥青作为结合料或胶结剂将各种粗细集料黏结在一起,成为一个整体。水的存在将降低沥青与集料之间的黏附性,甚至使沥青丧失黏结力。连续降雨或路表有积水,会使沥青路面材料长时间被水浸泡;或水从路表面的裂缝或表面材料空隙率较大的地方渗入路面结构层内,若水不能被及时、有效地排出,则路面结构层材料将会长时间处于水的包围之中,水分就会很容易浸润到沥青和集料的界面上,使沥青从黏附的集料表面剥离,导致集料之间失去黏结力,造成沥青面层材料呈松散状态(即粒料分离状态),在车辆荷载的反复作用下形成沥青路面坑槽破坏。对沥青膜从石料表面剥落的过程,美国地沥青协会进行了更深入的研究,道路研究者Taylor及Khos等还把沥青膜剥离的机理归纳为撕裂、置换、瞬间乳化、间隙压力、水力冲刷几种情况。
(2)交通荷载是产生水损害的重要条件。一方面,在交通荷载的反复作用下,沥青与矿料间的界面上要发生剪切作用、矿料间也要发生剪切作用,界面一旦形成剪切破坏,水分就会很快浸入,使得黏结力丧失而产生水损害。另一方面,在交通荷载的作用下,进入路面中的水变成动水,动水不但加速水分浸入沥青和矿料界面,而且加速界面间的剪切破坏。当沥青路面上有水时,车辆的通过会形成一种水力冲刷现象。轮胎前面的水受轮胎挤压而进入路表面的空隙中,形成水压力;轮胎通过后,在轮胎后方与路面之间形成暂时的真空而产生真空吸力,又将空隙中的水吸出,这样挤入和吸出反复循环,便形成了水力冲刷,并逐渐将沥青膜从集料表面脱离。
对空隙率较大的沥青表面层,空隙中充满了水,甚至是封闭时,在车辆荷载作用下会在空隙中产生压力和负压,这种压力也会导致沥青膜的剥离。在水和交通荷载的共同作用下,沥青表面层材料受到不间断的水力冲刷(对连通空隙)或空隙水压力(对封闭空隙),最终导致沥青膜从集料表面剥落,沥青膜随之发生收缩和移动,沥青与集料成为互不相干的分离物。由于沥青与集料间黏附性丧失,导致沥青混合料的内部黏结力下降,造成沥青路表面出现麻面、松散、掉粒等现象。而散落的路面材料不断被行驶车轮带离破损处,则会在沥青路表面逐渐形成一个坑槽。此类坑槽通常是从上向下扩展,一般其初期都较浅,破碎面积较小。由于沥青路面材料的不均匀性,坑槽破损首先出现在局部面层材料压实度不足、空隙率大、油石比偏小、沥青老化等区域。
由此可见,自上而下的沥青路面的水损害主要是表面型坑槽,它的形成条件是水能够渗入表面层,但继续往下渗比较困难,同时表面有大的空隙。
2.自下而上的水损坏
当半刚性基层沥青路面的沥青层较薄时,沥青路面的水损害经常表现为自下而上发展的水损害。一般情况下,刚开始是一处唧浆,长度为不超过2 cm的小孔,唧浆逐渐发展,而后成为坑槽,进入路面结构内部的水分是产生自下而上水损害的根本原因。水分的来源有:雨水、雪水、中央分隔带的绿化浇水、冬季因冰冻引起的水分积聚等。水分通过路面裂缝、接缝、路面表面空隙及路肩进入路面结构内部。半刚性基层沥青路面易出现反射裂缝,使水分进入路面的可能性增大,而密实的半刚性基层表面,水分难以下渗,积滞在基层表面,导致以下两种破坏现象。
(1)在行车荷载作用下,积水变成有压动水冲刷基层表面形成灰浆,并沿裂缝缝隙唧出路面之外,产生唧浆现象,继而发展为坑槽。
(2)沥青层与基层之间的界面条件在有水的情况下,将从理想的连续状态变为滑动状态或半滑动状态。路面结构内的应力分布与状态发生变化,沥青路面层内部将产生较大的剪应力和拉应力,并随轴载增加,所产生的应力大小及作用位置对沥青路面使用状态更为不利,导致路面产生网裂等。
另外,表面层与中面层之间有严重的层间污染是水损害发生的诱因。层间污染对路面的寿命有直接影响。界面上的泥在遇水后成为泥浆,界面条件就由设计时假定的连续变为半连续,甚至滑动,严重影响疲劳寿命。有相当一部分的表面坑槽,是因为某个地方先进水,成为滑动的界面条件,在表面层独立承受交通荷载的作用下,表面层底部就出现大的弯拉应力,从而在短期内损坏。(www.xing528.com)
自下而上的水损害基本过程如下。
(1)表面的水从裂缝和较大的裂隙中进入路面。沥青路面存在薄弱环节,例如由于离析造成上下有连通的孔隙,或者是半刚性基层缩裂引起的反射裂缝,水在这些地方比其他地方更容易进入路面内部,并很快进入基层表面。
(2)由于半刚性基层过分致密,不能迅速将水排除,水滞留在沥青层和基层的界面上。
(3)在汽车荷载的作用下,下面层沥青混合料的粗集料对基层造成损伤,并形成灰浆。如果基层表面存在薄弱环节,如铺筑沥青层前的浮灰、修补的薄层等遇水很快就成为灰浆。
(4)灰浆从上下连通的空隙中被荷载挤出成为唧浆。观察唧浆部位可见,开始发生唧浆的孔一般都很小,肉眼看只有1~2 cm,被挤出的灰浆可能喷射到数米之外,尤其是有重载车高速通过时,冲击力很大。
(5)与此同时,沥青层和基层的界面条件恶化,可能很快转变为滑动的界面条件,沥青层底部承受很大的拉应力,反复荷载的疲劳作用也同时发生,导致拉应力超过极限而开裂。
(6)下面层的公称最大粒径较大,离析也比较严重,并存在一些空隙较大的部位。水在空隙中承受很大的高速汽车荷载的抽吸作用,空隙率较大的下面层将很快出现沥青从集料表面剥离,沥青膜逐渐被水乳化而丧失,集料松散的情况。这种情况逐渐向上发展,最后顶破表面,成为坑槽。
总结以上的各种情况,第二类水损害有以下特点。
(1)水损坏发生在雨季、季节性冰冻地区的春融季节,有时一场持续几天的大雨就导致严重破坏。
(2)行车道破坏严重,超车道一般没有破坏,显然第二类水损害与重车、超载有关。
(3)水损害之初一般都先有小块的网裂、唧浆,然后松散成坑。
(4)发生水损害破坏的地方,一般是透水较严重且排水又不畅的部位,如挖开可见下面有积水或浮浆。一般不会全路同时破坏,显然与沥青混合料不均匀有关。有些严重不均匀的路段,泛油与水损害可能会同时发生。
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