對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)的思考

劉賢生

（1.東北林業(yè)大學(xué)；2.黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院）

近年來,隨著黑龍江省交通事業(yè)的飛速發(fā)展,高等級(jí)瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)和修建里程越來越多,在高等級(jí)路面設(shè)計(jì)中有成功的經(jīng)驗(yàn)也有相應(yīng)的教訓(xùn),目前黑龍江省瀝青路面出現(xiàn)的主要病害為車轍和低溫橫向裂縫以及縱向裂縫。

黑龍江省瀝青混凝土路面最早開始于1988年設(shè)計(jì)的綏滿公路哈爾濱至大慶段起點(diǎn)的13 km,之后為1993年設(shè)計(jì)的同三公路賓縣至哈爾濱段。高速公路采用瀝青混凝土路面的是1997～1998年設(shè)計(jì)的哈雙及呼綏高速公路,哈雙及呼綏高速公路于2001年交工通車。之后黑龍江省開始在高速、一級(jí)公路及二級(jí)公路中采用瀝青混凝土的路面結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)采用的規(guī)范為《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ014-97,瀝青采用重交通石油瀝青AH 110#,哈雙呼綏改性瀝青采用現(xiàn)場(chǎng)摻加3％SBS改性劑的制作方式。哈爾濱繞城高速公路西段路面面層瀝青混凝土開始采用廠家生產(chǎn)的成品改性瀝青。瀝青面層的級(jí)配除表面層采用交通部公路科研所為黑龍江省研究設(shè)計(jì)的黑龍江調(diào)整型的AC-16Ⅰ,其余均采用規(guī)范給定的級(jí)配。設(shè)計(jì)在基層頂面灑鋪透層油,瀝青面層之間灑鋪粘層油。

1 車轍產(chǎn)生的原因

黑龍江省主要公路的交通量增長雖不大,但公路建成通車后載重貨車的增長明顯高于可研預(yù)測(cè)的比率,并且一般的載重貨車均處于超載狀態(tài)。相關(guān)調(diào)查情況表明,超限超載車輛夜間明顯多于白天,特別是四軸以上的超載車輛,這就造成交通量不是均勻分布的,即某一時(shí)段的車道上通行的全部是重載,造成路面的疲勞損壞,瀝青路面出現(xiàn)龜裂和嚴(yán)重的車轍。另外黑龍江省通車的瀝青混凝土路面均采用1997版的《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》,瀝青只在表面層進(jìn)行改性,并對(duì)表面層 AC-16Ⅰ的級(jí)配曲線進(jìn)行了調(diào)整,而中、下面層均采用普通瀝青,級(jí)配采用了規(guī)范規(guī)定的中值,配合比沒有針對(duì)車轍問題進(jìn)行研究與調(diào)整。此外,施工過程中瀝青混凝土的壓實(shí)度不足亦是產(chǎn)生車轍的原因。

2 橫向裂縫

橫向裂縫主要為低溫橫向裂縫及半剛性基層的溫縮裂縫及干縮裂縫而產(chǎn)生的反射性裂縫。黑龍江省處于高緯度地區(qū),冬季時(shí)間漫長,晝夜溫差大,路面受凍脹的影響較大,所以黑龍江省路面的凍害較重。瀝青路面的主要病害是低溫縮裂。由于路面基層多采用水泥穩(wěn)定砂礫的半剛性基層,此類半剛性基層不可避免地會(huì)產(chǎn)生溫縮裂縫及干縮裂縫,在行車荷載與環(huán)境條件的反復(fù)作用下,這些裂縫逐漸反射到面層上,加速路面裂縫的發(fā)展。

3 縱向裂縫

縱向裂縫主要是土基的不均勻沉降產(chǎn)生的。

這幾年,特別是三年決戰(zhàn)項(xiàng)目中,為了較好地解決瀝青混凝土的主要病害問題,黑龍江省高等級(jí)瀝青路面設(shè)計(jì)中,對(duì)路面結(jié)構(gòu)做了以下幾個(gè)方面調(diào)整。（1）將瀝青標(biāo)號(hào)由110#調(diào)整為90#。（2）三層結(jié)構(gòu)面層普遍采用雙層改性,交通量小的高速公路及一級(jí)公路采用雙面層結(jié)構(gòu),均采用改性瀝青。（3）個(gè)別項(xiàng)目中采用SMA表面層。（4）將基層由20 cm單層厚度調(diào)整為36 cm雙層結(jié)構(gòu),底基層由30 cm厚度調(diào)整為20 cm。（5）上面層強(qiáng)制要求采用機(jī)制砂,中、下面層有條件的亦應(yīng)全部使用。這些措施主要是提高了半剛性基層的強(qiáng)度和路面結(jié)構(gòu)層有效抗車轍的作用,但在提高路面整體使用壽命上仍存在不足之處。

黑龍江省瀝青路面的結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)幾乎千篇一律地采用半剛性基層。對(duì)瀝青路面的力學(xué)模式,國際上都采用瀝青層的彎拉應(yīng)變和土基模量作為設(shè)計(jì)指標(biāo),而我國是采用表面彎沉這個(gè)指標(biāo),其他指標(biāo)實(shí)際上都沒有作用。

黑龍江省許多公路竣工驗(yàn)收階段時(shí)的彎沉很小,幾乎接近于零,但通車后經(jīng)過軸載的累計(jì)作用,基層開裂比較嚴(yán)重或路面離析嚴(yán)重,從路表裂縫和孔隙進(jìn)去的水不能很快從基層排走,基層與瀝青面層的層面成為不連續(xù)的狀態(tài),在重載交通的作用下,出現(xiàn)大的拉應(yīng)變,出現(xiàn)裂縫,產(chǎn)生唧漿、龜裂、坑槽,這些水損壞如果得不到有效的維修和控制,將很快發(fā)展成為大面積的損壞,為此許多路面普遍達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的年限,10年左右就必須進(jìn)行大修,不僅成本很高,而且對(duì)工程所在地的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響都很大。

這種情況與黑龍江省幾乎千篇一律地使用半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)有一定關(guān)系。國際上在20世紀(jì)70年代以前,半剛性基層瀝青路面也曾經(jīng)用得很普遍,后來,柔性基層和全厚式路面得到了很大發(fā)展,逐漸成為主流,被大量應(yīng)用于高速公路和重交通公路。其原因是半剛性基層在其優(yōu)點(diǎn)的背后,也有不少缺點(diǎn),有些無法克服。

（1）半剛性基層的收縮開裂易引起瀝青路面的反射性裂縫。發(fā)現(xiàn)裂縫后如不及時(shí)進(jìn)行封縫,裂縫中進(jìn)水,導(dǎo)致瀝青層和基層界面條件發(fā)生變化,使基層底基層路基的狀況惡化,承載力迅速降低,表面產(chǎn)生水力沖刷,出現(xiàn)灰漿,繼而形成裂縫處唧漿、坑槽。

（2）半剛性基層瀝青路面的內(nèi)部排水性能差是其致命的弱點(diǎn)。半剛性基層非常致密,它基本上是不透水或者滲水性很差的材料。水從各種途徑進(jìn)入路面并到達(dá)基層后,不能從基層迅速排走,只能沿瀝青層和基層的界面擴(kuò)散、積聚。界面上水的存在改變了界面連續(xù)的邊界條件,使路面的受力狀態(tài)變得十分不利,成為導(dǎo)致路面破壞的直接原因。

（3）半剛性基層有很好的整體性,但是在使用過程中,半剛性基層材料的強(qiáng)度、模量會(huì)由于干濕和凍融循環(huán)（尤其在黑龍江省）,在反復(fù)荷載的作用下因疲勞而逐漸衰減。

（4）半剛性基層瀝青路面對(duì)重載車來說具有更大的軸載敏感性。

（5）半剛性基層損壞后沒有愈合的能力,且無法進(jìn)行修補(bǔ)。一旦破壞,只能挖掉重建。這將對(duì)瀝青路面的維修養(yǎng)護(hù)造成很大的困難。

根據(jù)以前的室內(nèi)疲勞方程和力學(xué)設(shè)計(jì)程序,無論瀝青結(jié)構(gòu)層多厚,結(jié)構(gòu)都必然會(huì)產(chǎn)生疲勞開裂、車轍。而最新的理論發(fā)現(xiàn)當(dāng)瀝青層超過一定厚度時(shí),良好施工的路面結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生源于層底的疲勞開裂和結(jié)構(gòu)性車轍。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)軸次超過一定次數(shù)后,瀝青層厚度無須增加。也就是說,瀝青路面的下部將可以無限期地使用下去,表面層的損壞只需通過預(yù)防性養(yǎng)護(hù)、加鋪瀝青層得以補(bǔ)救,這種方式具有不封閉交通、大量節(jié)約費(fèi)用、立即通車等優(yōu)點(diǎn)。

值得一提的是,我國現(xiàn)行的《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》仍采用彎沉這個(gè)惟一的設(shè)計(jì)指標(biāo),甚至成為施工質(zhì)量檢驗(yàn)的指標(biāo)。但值得欣慰的是,新規(guī)范增加了柔性基層方面的內(nèi)容,這對(duì)黑龍江省今后高等級(jí)瀝青路面設(shè)計(jì)柔性基層的采用提供了很好的理論依據(jù)。

鑒于我國的實(shí)際情況,由于全厚式路面的瀝青層要求很厚,短期內(nèi)在我國應(yīng)用尚不現(xiàn)實(shí),引進(jìn)發(fā)展柔性基層瀝青路面和混合式基層瀝青路面是重要的。由于黑龍江省對(duì)半剛性基層有豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),當(dāng)前應(yīng)該首先發(fā)展混合式基層路面。即以瀝青混凝土作面層,瀝青穩(wěn)定碎石作基層,無機(jī)結(jié)合料穩(wěn)定集料作底基層這種結(jié)構(gòu)型式,也可以在半剛性基層上加鋪級(jí)配碎石過渡層,以防止反射性裂縫產(chǎn)生并有利于排水。不應(yīng)對(duì)半剛性基層瀝青路面全盤否定,但是需要認(rèn)真總結(jié)和吸取國內(nèi)外成功的經(jīng)驗(yàn)與失敗的教訓(xùn),結(jié)合黑龍江省的具體情況,完善它的設(shè)計(jì)與應(yīng)用,明確它的適用范圍,揚(yáng)長避短,最大限度地減少半剛性基層瀝青路面早期損壞,延長瀝青路面的使用壽命。