遼寧省高速公路縱向裂縫典型病害的調(diào)查分析與研究

周健楠

(1.沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院 沈陽市 110168； 2.遼寧省交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司 沈陽市 110015； 3.高速公路養(yǎng)護技術(shù)交通運輸行業(yè)重點實驗室 沈陽市 110015)

※基金項目：遼寧省交通科技重點項目(201708)

目前，遼寧省的高速公路路面性能處于穩(wěn)步提升的階段，已基本消除了坑槽、泛油、水損害等路面早期損壞現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)承載能力得到基本保證?？傮w而言，遼寧省高速公路路面性能狀態(tài)由多種損壞多發(fā)發(fā)展到單一損壞突出，裂縫問題依舊難以解決，其中縱向裂縫的發(fā)生更是嚴(yán)重影響路面的結(jié)構(gòu)性能和路用性能[1]。

因此，通過對遼寧省高速公路瀝青路面的縱縫進行跟蹤調(diào)查，對縱向裂縫較多的典型路段進行了裂縫產(chǎn)生原因的分析，同時結(jié)合現(xiàn)場芯樣和室內(nèi)試驗，對Top-Down開裂產(chǎn)生機理進行分析。從而進一步明確遼寧省高速公路瀝青縱向裂縫的發(fā)生發(fā)展特點，為進一步有效控制縱向裂縫的發(fā)生奠定基礎(chǔ)。

1 調(diào)查數(shù)據(jù)及分析

選取遼寧省高速公路縱向裂縫較為嚴(yán)重的西開高速、錦阜高速和永桓高速作為典型路段進行觀測，每公里的縱向裂縫統(tǒng)計結(jié)果見表1。

由表1可以看出，西開高速、錦阜高速和永桓高速的縱向裂縫均較為嚴(yán)重，且呈現(xiàn)出逐年增長的趨勢，并有逐漸發(fā)展成網(wǎng)裂的趨勢。除錦阜高速外，西開高速和永桓高速瀝青路面面層為雙層結(jié)構(gòu)，雙層瀝青路面在抗低溫開裂方面有其自身的弱勢，由于西開高速和永桓高速車流量均較小，不考慮路基沉降等因素，主要為低溫氣候條件和老化條件下的綜合影響，因此，建議在寒冷地區(qū)，應(yīng)適當(dāng)增加瀝青層的厚度，并且在表面層SBS改性瀝青選擇時，采用低溫條件下勁度模量較低的瀝青膠結(jié)料，滿足瀝青路面低溫抗開裂驗算和實際路用性能的要求。

表1 典型高速公路縱向裂縫統(tǒng)計結(jié)果

與此同時，由于瀝青膠結(jié)料在氣候條件作用下，不可避免地發(fā)生老化現(xiàn)象，造成路面由于膠結(jié)料老化所產(chǎn)生的裂縫，因此，在未來修筑雙層瀝青路面時，對于交通量較小且氣候條件不苛刻的地區(qū)，建議采用SMA瀝青瑪蹄脂碎石混合料作為上面層，由于SMA具有較好的抗低溫開裂、抗老化性能，可減少由于老化原因引起的瀝青層開裂，減少運營期養(yǎng)護費用的投入。

2 現(xiàn)場鉆芯取樣調(diào)查

路面鉆孔取芯是一種操作簡單而且費用較小的有效方法，通過鉆孔取芯可以觀察路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部真實狀態(tài)，對取回的芯樣可以進一步分析其力學(xué)性能或體積特性等，從而能夠評價該路段路面結(jié)構(gòu)的性能。

根據(jù)鉆芯和挖驗結(jié)果，將縱縫分為三種類型：路基不均勻沉降引起的結(jié)構(gòu)性開裂、車道中心縱縫和沿輪跡帶發(fā)展縱縫。調(diào)查分析結(jié)果表明，大部分縱縫發(fā)生在行車道，裂縫上寬下窄，自上而下發(fā)展，表現(xiàn)出典型的T-D(Top-Down)開裂的特點。其中，車道中心縱縫基本沿垂直方向自上而下發(fā)展，具有受拉開裂特征；輪跡帶縱縫則在一定深度以一定角度向下發(fā)展，具有剪切開裂特征。即輪跡帶的縱向裂縫主要由荷載引起的剪應(yīng)力導(dǎo)致，而車道中心的縱縫則主要是由拉應(yīng)力導(dǎo)致。

對遼寧省高速公路瀝青路面縱縫病害的發(fā)展趨勢進行分析，對不同運營年限的路面縱向裂縫進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖1所示?？梢钥闯觯瑢τ诳v向裂縫，在通車7～8年左右會發(fā)生突變，在行車荷載及瀝青老化的作用下，裂縫數(shù)量和面積會顯著增加。因此，在不考慮施工水平、結(jié)構(gòu)型式、路基沉降等因素，建議對于遼寧省高速公路瀝青路面，在通車6年、縱向裂縫發(fā)生突變之前，要進行一次例如薄層罩面等維修方式，避免產(chǎn)生大面積的龜網(wǎng)裂，造成下層瀝青層及基層的損壞。

圖1 縱向裂縫的發(fā)展特點

3 T-D開裂室內(nèi)試驗研究

目前，對于瀝青路面的橫向裂縫、車轍的原因相對比較明確，而TD形式的縱縫發(fā)生在通車十年之內(nèi)，對應(yīng)的路面結(jié)構(gòu)整體強度大部分仍處于良好水平，這與目前的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的理論基礎(chǔ)是不一致的。關(guān)于TD開裂的原因目前仍存在爭議。因此，有必要對TD形式的縱縫進行深入研究[2]。

分別在路肩和開裂附近位置表觀無損區(qū)域鉆芯，將芯樣按照材料類型分層切割，通過劈裂試驗進行對比分析。劈裂強度和彈性模量計算方法參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTGE20-2011)中T0716-2011進行，試驗溫度均為15℃[3]。

由于鉆芯得到的試件高度不一，與標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)試驗成型的試件厚度差距較大，為考慮試件厚度對試驗結(jié)果的可能影響，選擇90#基質(zhì)瀝青AC-13瀝青混合料，采用旋轉(zhuǎn)壓實方法，制備150mm×100mm試件，按照不同厚度進行切割。對切割得到的不同厚度試件分別進行劈裂試驗，分析厚度對試驗結(jié)果的影響，試驗結(jié)果見表2。

表2 AC-13劈裂試驗結(jié)果

表3是對劈裂試驗得到的強度和模量與厚度的相關(guān)性分析結(jié)果。由表可知，劈裂強度和彈性模量與厚度的相關(guān)分析均不能通過顯著性檢驗，因此可以初步認(rèn)為試件的厚度在一定范圍內(nèi)變化不會對劈裂試驗結(jié)果造成影響。張肖寧教授[4]研究結(jié)果表明，對于AC-13型瀝青混合料，厚度在40～75mm試件的間接拉伸動態(tài)模量基本保持一致，厚度30mm的試件模量值在5℃時明顯偏高，在20℃時差別不明顯。從而說明采用間接拉伸的方式對瀝青混合料芯樣進行評價是合理可行的。

表3 劈裂試驗與厚度相關(guān)性

4 代表路段試驗結(jié)果

以丹本高速為例，路面結(jié)構(gòu)形式為：4cmAK-13+5cmAC-20+6cm AC-25+36cm半剛性基層，交通荷載等級為中等。調(diào)查時間為通車后12年，主要病害類型為行車道沿輪跡帶發(fā)展的縱縫。不同層位芯樣劈裂試驗結(jié)果見表4～表6所示。

表4 上面層芯樣劈裂試驗結(jié)果

表5 中面層芯樣劈裂試驗結(jié)果

由表4～表6可知，行車道和路肩中下面層的強度和模量相當(dāng)，差別在10%以內(nèi)。而上面層對應(yīng)的模量和強度的差距比較突出。行車道上面層和路肩對應(yīng)的劈裂強度分別為1.49MPa和1.94MPa，對應(yīng)的彈性模量分別為900MPa和1490MPa。分析路肩強度和模量較大原因是因為隨著路齡的增長，發(fā)生了明顯的老化現(xiàn)象。根據(jù)設(shè)計文件，對該路段上面層瀝青混合料AK-13進行了復(fù)配，將復(fù)配后的上面層劈裂試驗結(jié)果與行車道和路肩對比，如圖2所示。

表6 下面層芯樣劈裂試驗結(jié)果

圖2 上面層芯樣彈性模量和劈裂強度關(guān)系

由圖2可以看出，與復(fù)配后的上面層瀝青混合料AK-13相比，在相同劈裂強度下，彈性模量排序為路肩>T-D開裂位置>新拌瀝青混合料。一般而言，瀝青混合料的模量在環(huán)境作用下，由于老化因素，隨著時間的增長，呈現(xiàn)增大的趨勢；在荷載作用下，由于疲勞因素，呈現(xiàn)減小的趨勢。而T-D開裂位置的彈性模量介于路肩和新拌瀝青混合料之間。因此，可以推斷，T-D開裂位置既存在老化，也存在荷載疲勞，并且該種疲勞現(xiàn)象發(fā)生在上面層輪跡帶，其主要原因是由于車輛荷載對路面的剪切作用造成的。由此可知，瀝青路面T-D開裂與荷載和環(huán)境作用密切相關(guān)。

5 結(jié)語

(1)遼寧省高速公路縱縫病害主要以T-D(Top-Down)形式為主，縱縫多發(fā)生在行車道輪跡帶或車道中心。輪跡帶的縱向裂縫主要由荷載引起的剪應(yīng)力導(dǎo)致，而車道中心的縱縫則主要是由拉應(yīng)力導(dǎo)致。

(2)行車道輪跡帶T-D模式的縱縫與交通荷載和瀝青混合料老化有密切關(guān)系，在重載交通路段混合料設(shè)計過程中，建議增加抗剪強度指標(biāo)，并適當(dāng)提高混合料抗剪強度。

(3)與橫向裂縫類似，縱縫的產(chǎn)生與磨耗層瀝青混合料類型存在密切關(guān)系。對于耐久性較好的SMA面層而言，其縱縫出現(xiàn)時間較晚。

(4)對于遼寧省高速公路瀝青路面，在通車6年、縱向裂縫和龜網(wǎng)裂發(fā)生突變之前，要進行一次例如薄層罩面等維修方式，避免產(chǎn)生大面積的龜網(wǎng)裂，造成下層瀝青層及基層的損壞。