1、浅谈如何应对沥青混凝土路面中的水损害浅谈如何应对沥青混凝土路面中的水损害 刘 军 （内蒙古宏晨路桥建设有限责任公司） 【摘 要】水损害是沥青混凝土路面最常见的损害之一，本文对水和沥青之间的微观影像模式进行充分研究，并运用土力学中的模拟计算模型进行等效推演，进而在沥青混凝土设计、路面宏观排水、微观排水、混凝土封水等工作中切实阻断水损害的发生。 【关键词】沥青混凝土； 水压力；方法 1、引言 水损害是当前沥青路面最主要的损害形式之一，进入沥青路面结构内部的水分长期滞留在其空隙之间，在行车荷载的作用下便会产生孔隙水压力。孔隙水压力是沥青路面水损坏机理研究中普遍承认的重要因素。孔隙水压力的存在，加剧水
2、向沥青胶结料内部的扩散，并且会引起局部的高速水流，产生动水冲刷，宏观上导致剥落、坑洞、泛浆等沥青路面的新型损坏形式。孔隙水压力的研究引起了很多道路工作者的注意。这种损害形式往往伴随着沥青路面的剥落、坑槽、翻浆等病害表征形式，极大地影响了沥青混凝土路面的使用性能。以上表现形式仅仅是此类病害的宏观表现，真正想了解水损害的本质，必须深入对水和沥青之间的微观影像模式进行充分研究，才能深刻掌握水损害的本质，进而找到减少水对沥青混合料影响的最有效途径。运用土力学中的模拟计算模型进行等效推演，摸索出一条探究沥青混凝土微观力学性能的新路。 2、以往经验 曾有研究人员通过埋设渗压计对沥青路面内部孔隙水压力的实测
3、进行了尝试，但由于试验难度较大和设备采集频率较低，效果不理想。笔者曾经应用有限元软件对静载作用下的沥青路面孔隙水压力进行了分析和计算，并证明孔隙水压力对沥青混合料的确存在不利影响，该类计算通过有限元建模，采用 Biot 固结理论得到行车荷载作用下的路面结构内部孔隙水压力的弹性和粘弹性解，并对其影响因素进行了分析。从过去的研究来看，所求解的孔隙水压力差异较大，最大值为 2.008MPa，最小值为 50kPa，其他大多介于 200600kPa 之间。还有研究人员分别得出了轴对称条件下弹性和粘弹性层状体下沥青路面孔隙水压力的解析解，但并没有对其正确性进行检验。总的来讲，孔隙水压力的计算方法各有差异，
4、结果难以统一，而且都没有对孔隙水压力的产生机理进行阐述，也没有对其计算过程进行理论推导。基于此，本文对沥青路面孔隙水压力的产生机理进行阐述，并对饱水状态下沥青路面的孔隙水压力计算进行理论推导。 3、研究过程 虽然目前大部分沥青路面均采用密集配设计，但是实际上根本无法做到绝对的封水，水仍然可以渗透进入沥青混凝土内部。而当水进入混凝土内部之后，就会出现混凝土气水联合和缝隙饱水两种状态。 3. 1 气水联合状态下孔隙水压力的计算 气水联合状态下孔隙水压力的计算应遵循有效应力原理，这一原理在计算过程中可以利用土力学的“有效应力原理”进行解释，表现形式上稍有不同。有效应力的分析图示如图 1。 取土体中某
5、脱离体，上表面作用总应力为 ，面积为 A。沿 a - a 截面对其进行分割，则 a-a 界面上存在土颗粒之间承担的法向力 s、孔隙内的水压力 uw 及气体压力 ua，对应的作用面积依次为 As、Aw 和Aa。根据平衡条件建立方程： （1） 对于饱和土体，式 （ 1） 中 ua、Aa 均为等于零。则上式改写为： （2） 对于土体而言，土颗粒间的接触面积很小，因而可以忽略 AsA，则式 （2）变化为， （3） 式中： 为土颗粒间的接触应力在截面上的平均应力，即有效应力，记作 则为孔隙水压力。而对于密级配沥青路面材料而言，空隙率一般介于 4%8%之间，集料-胶结料单元间的接触面积很大，因而 不能忽略
6、。假定沥青混合料内部空隙均匀分布，则固体颗粒间的接触面积比等于（1-） ，其中 为空隙率。式（2）则转变为， （4） 式（4）便是沥青混凝土材料的有效应力计算形式，与土体材料略有不同。 3. 2 饱水状态下沥青混合料水压力方程 在行车荷载的作用下，沥青路面产生压缩变形，空隙体积变小； 对于饱和状态下的沥青路面，由于水分短时间内无法排出，便会因为体积压缩而产生孔隙水压力。然而，荷载作用下，沥青混合料空隙体积的变化规律仍无法获知。此外，沥青混合料是多孔介质材料，其内部空隙分布特征目前也无法确定。针对以上现有的问题，为求解孔隙水压力提出以下基本假定： （1）沥青混合料饱水，且在荷载作用时水无法排出。
7、 （2）沥青混合料满足弹性假设。 （3）沥青混合料空隙均匀分布。 （4）荷载作用时空隙率保持不变。 饱水状态下沥青混合料水压力方程推导： 忽略沥青混合料和水的自重，根据上述假定，从沥青路面中取一代表性单元，如图 2 所示。单元体未受力前高为 h，半径为 r；上表面作用应力 p 后，单元体高度变为 h，半径为 r；下表面混合料有效应力为，孔隙水压力为 uw。沥青混合料弹性模量为 E，泊松比为 v；水的体积模量为 E，如表 1 所示，工程上常取 1961.3MPa。 上表面作用应力 p，单元体稳定后，分析其形变和受力： 孔隙水压力： 则 f（0）=（p- E）/E-1，对于实际路面工程，pE，即
8、f（0）0；根据连续函数特征可知，必至少存在一实数 x（ 0、1） ，使得f（x）=0，即必有 h/h 满足原方程。 4、孔隙水压力同外界应力 p 的关系 孔隙水压力的产生与外界应力有直接的关系。根据工程中常用材料参数，取 E = 1200MPa，v=0.35，E=1961MPa，VV= 6%，p 从 0.5MPa 变化到 1.2MPa，uwp 曲线如图 3 所示。 从图 3 可以看到，孔隙水压力 uw 随外应力 p 的增加而增大，近似呈线性关系。当 p=0.5MPa 时，uw=0.238MPa；p = 1.2MPa 时，uw= 0.572MPa。正常轴载作用下饱水沥青路面产生的孔隙水压力是很
9、可观的，不容忽视；超载将会使得孔隙水压力进一步增大。 用同样的思路进行演算，我们还可以得出“孔隙水压力随空隙率的增大而减小，也近似呈线性关系” ，以及“模量对孔隙水压力的影响十分显著，提高混合料的模量可以使孔隙水压力大大降低”的结论。 5、模拟演算结论 （1）孔隙水压力随着外界应力 p 的增大而迅速增加，呈近似的线性递增关系，由此可见超载对路面结构十分不利。 （2）孔隙水压力随沥青混合料空隙率呈近似的线性递减，但变化幅度不大。 （3）沥青混合料模量对孔隙水压力的影响十分显著，随着模量的增加孔隙水压力迅速减小。 本文中计算所得孔隙水压力同以往的研究成果相比，大致在同一范围内，说明本文的假设和计算
10、是合理的，有助于和数值模拟解作对比。 6、未来研究方向 在以后的研究中，我们将把以上偏向于理论计算的研究模式和实际应用情况中的沥青混凝土受力情况以及使用环境进行紧密的关联，找到微观情况下孔隙水压力和实际路面运营状态下车辆荷载作用瞬间之间的对应关系，进而在沥青混凝土设计、路面宏观排水、微观排水、混凝土封水等工作中切实阻断水损害的发生。 参考文献： 1姜旺恒. 沥青混凝土的动水压力模拟试验J.公路交通科技，2011. 2李之达，沈成武，周增国，等.超孔隙水压力对沥青混凝土的影响J.湘潭大学自然科学学报，2003，25（ 4） ： 98 -109. 3崔新壮，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.
