瀝青路面病害成因分析及處治研究

郝財(cái)國(guó) 郝才平 嚴(yán)國(guó)全 張振良 郝 麗 吳大勇

(1.湖北省路橋集團(tuán)公司 武漢 430050; 2.武漢交通技術(shù)職業(yè)學(xué)院 武漢 430060; 3.黃石大冶市交通投資公司 大冶 435100; 4.湖北交投翻壩江北高速公路有限公司 宜昌 443000)

黃石市鐵山區(qū)黃石(鐵山)至鄂州(東溝)公路路面采用了路面結(jié)構(gòu)為 12 cm普通瀝青混凝土(4 cm AC(重交)-13C+8 cm AC(重交)25C)下設(shè)16 cm+18 cm水泥穩(wěn)定碎石基層、18 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層。該段建成通車不久后半年路面出現(xiàn)較為嚴(yán)重的車轍，局部高差部分達(dá)到8 cm，部分路段出現(xiàn)的沉陷病害尤為突出，嚴(yán)重影響了路面的使用性能，造成了交通安全隱患。

1 路段現(xiàn)狀

1.1 病害調(diào)查結(jié)果

該路段長(zhǎng)20 km，主要病害為車轍，現(xiàn)場(chǎng)照片圖略。

該路段瀝青面層厚12 cm，右幅超、行車道上存在嚴(yán)重車轍(大于25 mm)，從外觀看：車轍斷面輪跡處下凹(見圖1)，輪跡間隆起，呈W形，是典型的由于剪切形變引起的失穩(wěn)性車轍。具體調(diào)查統(tǒng)計(jì)見表1、表2。

圖1 車轍斷面輪跡處下凹示意圖

表1 行車道車轍統(tǒng)計(jì)

表2 超車道車轍統(tǒng)計(jì)

該路段瀝青路面施工日期為2016年12月-2017年1月，施工完成至今半年多，局部路段出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的車轍病害，見圖2。試驗(yàn)選取了該路段典型病害的26個(gè)斷面并進(jìn)行鉆芯取樣，共取59芯樣，典型芯樣情況見圖3～5。

圖2 下面層不密實(shí)

圖3 表面空洞

圖4 黏結(jié)層污染

圖5 路面典型病害圖

1.2 動(dòng)穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果

選取未出現(xiàn)病害的位置，現(xiàn)場(chǎng)切割路面，進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果

2 病害成因分析

2.1 交通荷載的影響

根據(jù)施工單位提供的調(diào)查資料，該路段在通車后主要以運(yùn)輸石方、礦料車為主，設(shè)計(jì)極限荷載為300 kN，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量滿載貨車凈重640 kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過極限使用工況。重載、超載、慢速和嚴(yán)重的渠化交通共同作用下造成該路段形成早期嚴(yán)重車轍。

2.2 氣候條件

2018年進(jìn)入夏季以來(lái)，7月份高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，7月6日-8月7日最高氣溫持續(xù)超過35 ℃。極端最高溫度39.9 ℃。

施工單位在道路現(xiàn)場(chǎng)于14∶00左右，氣溫為39 ℃時(shí)測(cè)得瀝青路面路表溫度為67 ℃。根據(jù)美國(guó)SUPERPAVE瀝青路面性能分析，要求瀝青應(yīng)滿足的等級(jí)為PG76，但該路段設(shè)計(jì)文件對(duì)所用瀝青要求僅為普通的A-70號(hào)道路石油瀝青。顯然不能滿足使用要求[1]。

2.3 路面彎沉結(jié)果分析

針對(duì)病害現(xiàn)場(chǎng)勘查情況，對(duì)瀝青路面出現(xiàn)較大車轍的K10+000—K20+422，選取典型斷面及位置進(jìn)行彎沉試驗(yàn)，結(jié)果見表4。

表4 實(shí)測(cè)彎沉值 0.01 mm

左幅抽樣的行車道和超車道彎沉代表值均小于路面設(shè)計(jì)彎沉，說明路基和基層承載力足夠。右幅抽樣的行車道和超車道彎沉代表值局部略大于路面設(shè)計(jì)彎沉，局部路段彎沉值超標(biāo)，檢查發(fā)現(xiàn)瀝青面層水損害，芯樣多空隙，層間黏結(jié)較差,雨水極易滲入基層。

2.4 路面厚度及空隙率分析

2.4.1厚度分析

本次調(diào)查共取芯59處，其中完整芯樣58個(gè)，右幅 K15+160超車道芯樣破損。所有芯樣平均總厚度10.9 cm，上面層平均厚度3.6 cm，結(jié)構(gòu)層厚度偏低(設(shè)計(jì)值上面層4 cm，合格值3.2 cm；總厚度12 cm，合格值10.8 cm)，具體分析如下[2]。

1) 右幅同一斷面上，超、行車道位置與停車道位置芯樣的總厚度已經(jīng)發(fā)生了較大改變。除去橋面及橋頭搭板的鋪裝，右幅K18+260斷面病害處車轍峰、谷處芯樣最大高差達(dá)到2.8 mm；超車道位置芯樣的總厚度為8.9～12.4 cm，平均厚度為10.7 cm；行車道位置芯樣的總厚度為6.5～12.7 cm，平均厚度為10.7 mm；停車道位置的芯樣為10.4～12.7 cm，平均厚度為11.1 cm，可見超、行車道輪跡位置路面結(jié)構(gòu)的厚度平均被擠壓了40 mm。

2) 對(duì)右幅超、行車道與停車道芯樣上、中、下面層的厚度分別進(jìn)行比較，超車道上面層的厚度為3.1～4.1 cm，平均厚度為3.6 cm；下面層的厚度為5.8～8.4 cm，平均厚度為7.0 cm。行車道上面層的厚度為1.2～4.7 cm，平均厚度為3.4 cm；下面層的厚度為5.3～9.0 cm，平均厚度為7.3 cm。停車道上面層的厚度為3.1～4.8 cm，平均厚度為3.7 cm；下面層的厚度為6.5～8.1 cm，平均厚度為7.5 cm。見圖6。

圖6 右幅芯樣上面層厚度

2.4.2空隙率分析

對(duì)同一斷面超車道和行車道輪跡位置上、下面層的空隙進(jìn)行檢測(cè)：

右幅超、行車道上面層的空隙率為1.3%～6.2%，平均空隙率為3.0%；下面層的空隙率1.3%～8.8%，平均空隙率為3.7%。下面層的空隙率2.9%～7.9%，平均空隙率為4.9%。

以上統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，瀝青路面施工后的部分路段(主要是右幅路段)，由于下面層的空隙率太小，下面層部分只有2%～3%，給車轍的產(chǎn)生帶來(lái)了隱患。對(duì)比超、行車道輪跡位置，路面的空隙率更小，這說明瀝青混合料在交通荷載的作用下進(jìn)一步壓密。在高溫及重載交通的作用下，路面壓密到了一定程度后，由于混合料的空隙率太小，將導(dǎo)致瀝青混合料抗剪能力的降低，在重載交通作用下易發(fā)生剪切流動(dòng)變形，產(chǎn)生推移及車轍。

2.5 級(jí)配及油石比

選取典型位置的級(jí)配及油石比進(jìn)行檢測(cè)，并結(jié)合原路面的設(shè)計(jì)及施工資料進(jìn)行分析和對(duì)比。各面層級(jí)配篩分匯總見圖7～8。

圖7 上面層級(jí)配篩分匯總

圖8 下面層級(jí)配篩分匯總

由圖7～8可見，各結(jié)構(gòu)層級(jí)配和油石比基本在規(guī)定的范圍內(nèi)，普遍存在0.075 mm通過率實(shí)測(cè)值偏低(上面層設(shè)計(jì)值7.9%、下面層設(shè)計(jì)值6.4%)可能是施工中集料含泥量偏大所致。(泥土通過率經(jīng)過燃燒試驗(yàn)后小于0.075 mm)上面層級(jí)配關(guān)鍵篩孔通過率2.36 mm為21.1%～38.1%變化大，小于設(shè)計(jì)值37%；下面層級(jí)配關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過率為24.4%～35.3%，變化大且基本小于設(shè)計(jì)值35%。面層級(jí)配總體趨勢(shì)表現(xiàn)為粗集料偏少，中間檔篩孔集料過多，整體離析嚴(yán)重、多孔，起不到設(shè)計(jì)C型級(jí)配所要求的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)的作用[3]。

2.6 劈裂強(qiáng)度

對(duì)典型路段的行車道及停車道的強(qiáng)度進(jìn)行分析，采用設(shè)計(jì)規(guī)范中的15 ℃的劈裂強(qiáng)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果表明：左幅上面層劈裂強(qiáng)度平均值0.85 MPa，下面層劈裂強(qiáng)度平均值0.84 MPa；右幅上面層劈裂強(qiáng)度平均值0.84 MPa，下面層劈裂強(qiáng)度平均值0.77 MPa；左右幅瀝青混合料各層劈裂強(qiáng)度小于設(shè)計(jì)值。強(qiáng)度較低是由于路面壓實(shí)不足，施工時(shí)空隙率較大造成的。

3 調(diào)查結(jié)論

該路段主要病害形式為車轍，綜合以上分析結(jié)果表明，路面車轍主要發(fā)生在下面層，面層抗剪強(qiáng)度不足[4]。根據(jù)病害特征和檢測(cè)結(jié)果對(duì)病害原因初步分析如下。

1) 新建成的路面，在開放交通初期車輛超載嚴(yán)重，重載車比例大。特別是右幅路段路面承受的豎向和車輛走向的剪應(yīng)力都比左幅路段要大得多，承受輪胎荷載的作用時(shí)間也翻了幾倍，從力學(xué)響應(yīng)時(shí)間的角度相當(dāng)于累計(jì)軸載次數(shù)翻了幾倍，加上持續(xù)高溫一并產(chǎn)生了早期嚴(yán)重車轍。

2) 該路段超載、重載車多，這是設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)法預(yù)見的。原路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有采用改性瀝青，不能適應(yīng)如此特殊的交通量需要。路面切割試塊的動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果也表明該段落若在正常交通量行車作用下，不會(huì)發(fā)生如此嚴(yán)重的車轍病害。

3) 面層級(jí)配整體不良，關(guān)鍵篩孔通過率變化大，粗集料太少，中間檔集料過多，不能形成設(shè)計(jì)要求的骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，引起抗剪強(qiáng)度不足，致使路面出現(xiàn)車轍。瀝青混合料由于細(xì)料或礦料的含泥量過大，導(dǎo)致瀝青混合料的勁度模量過大，路面也容易在交通荷載作用下產(chǎn)生剪切形變。這是影響瀝青混合料的高溫抗車轍能力的一個(gè)重要原因。

4) 由于施工中壓實(shí)度控制不足，空隙率變化大。雨水滲入基層，引起超、行車道局部路段彎沉值超標(biāo)。

4 處治方案建議

4.1 處治原則及總體思路

處治遵循技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、使用安全、合理選材、施工方便、利用環(huán)保的原則在保證各項(xiàng)技術(shù)方案可靠的基礎(chǔ)上，以全壽命周期養(yǎng)護(hù)成本最小化的理念進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較和技術(shù)可行性比選，最終確定切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)合理的路面技術(shù)方案[5]。

4.2 養(yǎng)護(hù)路面設(shè)計(jì)方案

擬定2種路面結(jié)構(gòu)方案供業(yè)主考察，根據(jù)結(jié)構(gòu)層最小施工厚度、材料、交通量以及施工器具的功能等因素，初步確定路面結(jié)構(gòu)組合與各層厚度見表5。

表5 瀝青路面結(jié)構(gòu)一覽

4.3 方案說明

基于以上試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，方案一選擇的是部分路段銑刨后產(chǎn)生廢棄瀝青類材料，由于材料的變異性和強(qiáng)度，再生后直接恢復(fù)AC-25C依然會(huì)存在問題。而EME2 0/14高模量瀝青混凝土對(duì)石料的要求更為寬容，高模量瀝青混合料的模量高，能減少荷載作用下瀝青混合料的應(yīng)變，因具有減少車轍病害，延長(zhǎng)路面使用壽命；提高路面高溫穩(wěn)定性[6]；減薄路面厚度，節(jié)約資源等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用[7]。

4.4 經(jīng)濟(jì)比選

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣勢(shì)比對(duì)見表6。

表6 方案比對(duì)

5 結(jié)語(yǔ)

瀝青路面的病害貫穿于道路整個(gè)使用過程，做好病害預(yù)防和處理工作，是路面正常使用的保障。瀝青路面的病害受設(shè)計(jì)、材料、環(huán)境、施工等因素影響，本文在分析鐵東線瀝青路面病害及產(chǎn)生機(jī)理基礎(chǔ)上，提出瀝青路面的病害處理及處治養(yǎng)護(hù)措施，為此類路面病害的預(yù)防和治理提供參考。業(yè)主通過比選和專家咨詢最后選取了方案二。由于時(shí)間緊迫和檢測(cè)設(shè)備上的要求較高未做高溫抗車轍試驗(yàn)，對(duì)極端高溫天氣路面抗車轍能力還需進(jìn)一步分析。本次調(diào)查不足之處：未對(duì)路面基層性能進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)查，后續(xù)可對(duì)廢棄類瀝青材料再生利用進(jìn)行評(píng)價(jià)。