遼寧省高速公路典型路面結(jié)構(gòu)路面病害調(diào)查與分析研究

邵傳恒

(遼寧省高速公路運營管理有限責任公司 沈陽市 110003)

0 引言

遼寧省高速公路瀝青路面技術發(fā)展大致經(jīng)歷了四個階段：建設探索期，屬于摸索階段沒有成熟施工特點；技術發(fā)展期，即路面基層采用雙基層的結(jié)構(gòu)形式，基層厚度達到40cm左右，施工工藝逐漸從路拌法轉(zhuǎn)為廠拌機攤，瀝青面層設計厚度為15cm，分三層瀝青混凝土施工；技術提升期，即根據(jù)設計交通量的不同，路面基層采用雙基層或三層基層的結(jié)構(gòu)形式，基層厚度達到40～55cm，考慮層厚和最大公稱粒徑的匹配關系，瀝青面層總厚度較上一階段有所增加，瀝青面層設計厚度一般為15～18cm，分三層施工[1]；技術多樣化時期，即該階段逐漸形成了具有遼寧特色的技術規(guī)定，初步體現(xiàn)了各層按功能設計，提出了SMA-13L、AC-20L和AC-25L型級配要求和最低瀝青用量的要求，同時在遼開、桓永等交通量較小的高速公路采用了三層設計兩層修建的路面設計策略。

雖然遼寧省在高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設計方面嘗試了多種改變，但瀝青路面破損是受環(huán)境、交通、管理、施工等因素的影響，病害產(chǎn)生的機理和原因也各不相同，可能是一種因素或者幾種因素共同作用的結(jié)果[2]。因此為分析路面病害產(chǎn)生原因，選取典型路段，對路面凍脹、裂縫進行了跟蹤觀測，并鉆取芯樣，初步分析病害產(chǎn)生原因、發(fā)展趨勢和可利用程度，為進一步提出針對性的瀝青路面病害維修方案奠定基礎。

1 路面凍脹觀測

1.1 觀測路段

西開、桓永高速公路位于遼寧省北部和東部山區(qū)，氣候分區(qū)屬于2-1、2-2，西豐冬季極端最低氣溫為全省最低，達-43.4℃，開原-33.2℃；新賓永陵地區(qū)為-34.1℃，桓仁為-29.2℃，同時桓永高速位于遼寧省東部，屬于省內(nèi)多雨地區(qū)，路面受低溫凍脹作用在省內(nèi)屬于較嚴重地區(qū)。由于該兩條高速公路修建時路面面層只鋪筑了兩層，瀝青面層相對較薄，經(jīng)過7年運行，路面破損技術指標衰減較嚴重，路面出現(xiàn)大量縱、橫向裂縫等病害。為分析路面病害產(chǎn)生原因，選取典型路段，對路面凍脹、裂縫進行了跟蹤觀測，路段匯總見表1。

表1 路面凍脹、裂縫觀測路段匯總

1.2 觀測方案

表面凍脹觀測點1組共計30個，采用6×5布置，沿道路縱向間隔2m布置一個，共布置5個點，在道路行車道與硬路肩內(nèi)橫向等間距布置6個，對于橫縫、縱縫的觀測布置示意圖分別如圖1、圖2所示?？拷^測者的6個點為第一行，靠近路緣石的5個點為第一列，從第一行第一列開始，先沿行后沿列按照蛇形順序依次立尺，利用水準儀測量各點高程。對于每處裂縫的觀測，均選擇了天橋橋墩、通道壁板或公鐵立交橋上的合適部位立尺作為校核基點，將其高程作為基點高程。對于基點與布置的觀測點距離較遠的情況，難以通過水準儀一次性讀出標尺讀數(shù)的，在基點與觀測點中間選取一點，進行高程的傳遞，從而保證數(shù)據(jù)的可讀性與準確性。

圖1 橫向裂縫觀測布置圖

圖2 縱向裂縫觀測布置圖

2 路面裂縫觀測

選取雙層、三層、四層瀝青層路面結(jié)構(gòu)高速公路典型代表路段，對路面裂縫進行了現(xiàn)場調(diào)查，裂縫調(diào)查按橫向貫通縫、橫向非貫通縫和縱向裂縫每公里條數(shù)進行統(tǒng)計，并結(jié)合2017年觀測情況分析不同瀝青面層厚度路面結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展情況。

3 路面鉆芯取樣試驗

先后通過遼開、桓永、沈四、撫通和鶴大五條高速公路瀝青路面雙層、三層、四層瀝青路面結(jié)構(gòu)代表路段中觀測凍脹段的不規(guī)則裂縫處、橫向貫通裂縫處、長大縱縫處等病害位置進行取芯觀測，同時在行車道和硬路肩無病害位置進行取芯對比。

4 調(diào)研結(jié)果整理分析

4.1 凍脹觀測結(jié)果分析

通過凍脹前、凍脹中兩次路面高程觀測，整理數(shù)據(jù)分析：遼開K32+400(半填半挖)，本路段前后兩次測量路面高程發(fā)生了較大變化，各個測量點高程升高范圍在1～2.5cm之間，有可能發(fā)生了凍脹導致的高程變化。如圖3所示。

圖3 遼開K32+400測量點高程變化示意圖

永桓K15+850(挖方)，本路段前后兩次測量路面高程發(fā)生了較大變化，路面高度平均抬升了1cm，有可能發(fā)生了凍脹產(chǎn)生的高程變化。如圖4所示。第一列觀測位置是在路緣石附近，考慮可能受雪的影響，有測量誤差。

圖4 永桓K15+850測量點高程變化示意圖

永桓K27+700(填方)，本路段前后兩次測量路面高程發(fā)生了較大變化，部分點高程升高了近2.3cm，初步分析是路面凍脹所致。如圖5所示。

圖5 永桓K27+700測量點高程變化示意圖

4.2 路面裂縫觀測結(jié)果分析

4.2.1典型結(jié)構(gòu)路面通車5年、7年裂縫情況

將所調(diào)研的路段按兩層、三層、四層瀝青面層典型結(jié)構(gòu)進行分類，按通車5年、7年對各個典型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的路面橫向貫通縫、橫向非貫通縫、縱向裂縫進行統(tǒng)計，分析結(jié)果如圖6。初步得出如下結(jié)論：

圖6 裂縫數(shù)量統(tǒng)計

(1)橫向貫通縫兩層、三層路面結(jié)構(gòu)通車5年大致相當，每公里30條左右，四層瀝青路面結(jié)構(gòu)明顯較少，每公里10條左右；通車7年后，橫向貫通縫隨瀝青面層增大呈現(xiàn)逐漸減少趨勢。

(2)橫向非貫通縫兩層路面結(jié)構(gòu)通車5年較多，通車7年二層、三層結(jié)構(gòu)相當(其中三層結(jié)構(gòu)的鶴大觀測段中面層為橡膠瀝青路面結(jié)構(gòu)，通車7年橫向非貫通縫較多，但橫向貫通縫較兩層結(jié)構(gòu)明顯減少)，四層路面結(jié)構(gòu)橫向非貫通縫較少。

(3)縱向裂縫，這里統(tǒng)計的大多是縱向不規(guī)則溫縮裂縫，對于半剛性基層瀝青路面的低溫開裂除瀝青面層的縮裂外，還包括半剛性基層溫度縮裂的反射裂縫，這也是半剛性基層瀝青路面低溫裂縫較柔性基層瀝青路面多的原因。當瀝青路面結(jié)構(gòu)成為連續(xù)整體時，層間接觸阻力可減緩瀝青面層開裂，但基層的溫度收縮會導致面層出現(xiàn)溫縮反射裂縫[3]。由圖6可知，兩層、三層路面結(jié)構(gòu)通車5年大致相當；通車7年后，兩層結(jié)構(gòu)最多，四層結(jié)構(gòu)最少。因此瀝青路面低溫開裂與結(jié)構(gòu)組合、層間接觸狀態(tài)密切相關，與此同時，產(chǎn)生溫縮裂縫的最主要的因素是瀝青材料的性質(zhì)，改善瀝青性能對減小溫縮裂縫能起到90%的貢獻[4]。

4.2.22017年到2019年典型路面結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展情況分析

(1)對比分析2017年和2019年不同瀝青面層結(jié)構(gòu)高速公路橫向貫通裂縫數(shù)量變化情況，和圖7可知，三層、四層瀝青面層結(jié)構(gòu)的橫向貫通裂縫發(fā)展速度明顯低于兩層瀝青面層結(jié)構(gòu)的永桓高速。

圖7 2017年和2019年不同瀝青面層結(jié)構(gòu)高速公路橫向貫通裂縫數(shù)量變化圖

(2)對比分析2017年和2019年不同瀝青面層結(jié)構(gòu)高速公路橫向非貫通裂縫數(shù)量變化情況，如圖8可知，除鶴大的兩條路段，其他調(diào)研路段內(nèi)三層瀝青面層結(jié)構(gòu)的橫向非貫通裂縫發(fā)展速度明顯低于兩層瀝青面層結(jié)構(gòu)的永桓高速。

圖8 2017年和2019年不同瀝青面層結(jié)構(gòu)高速公路橫向非貫通裂縫數(shù)量變化圖

(3)對比分析2017年和2019年不同瀝青面層結(jié)構(gòu)高速公路縱向裂縫數(shù)量變化，如圖9可知，三層瀝青面層結(jié)構(gòu)的縱向裂縫發(fā)展速度明顯低于兩層瀝青面層結(jié)構(gòu)的永桓高速。

圖9 2017年和2019年不同瀝青面層結(jié)構(gòu)高速公路縱向裂縫數(shù)量變化圖

4.3 路面鉆芯結(jié)果分析

(1)遼開高速K80+260(下行)和K59+900(下行)

K80+260(下行)處病害位置上的芯樣和芯孔上可以看出，橫向貫通縫是自下而上的開裂形式，短縱縫處的開裂形式基本表現(xiàn)在表面層，未開裂至下面層。本路段在無病害位置取芯共計9個，其中有2個芯樣層間結(jié)合狀態(tài)呈現(xiàn)分離狀態(tài)，路面病害處，芯樣層間結(jié)合狀態(tài)均為分離狀態(tài)。

K59+900(下行)處病害位置上的芯樣和芯孔上可以看出，橫向貫通縫是自下而上的開裂形式，硬路肩非貫通橫向裂縫處層間斷開但裂縫開裂是自上而下的形式。

(2)桓永高速K15+850(上行)

K15+850(上行)處病害位置上的芯樣和芯孔上可以看出，橫向貫通縫是自下而上的開裂形式，短縱縫和短橫縫的開裂形式基本表現(xiàn)在表面層，未開裂至下面層。該路段1個橫向貫通縫處和1個縱向裂縫處層間斷且橫向貫通縫處3個芯樣全部破碎。

(3)沈四高速K799+244(上行)和K822+200(上行)

K799+244(上行)路段取芯處路面結(jié)構(gòu)為：3.5cmSMA-13L+6cmLAC-20高模量+7cmLAC-25+11cm廠拌冷再生瀝青混合料。從病害位置上的芯樣和芯孔上可以看出，橫向貫通縫是自下而上的開裂形式，其中層間斷開處有2個，分別為硬路肩橫向貫通縫處和硬路肩良好處(可能敲擊芯樣操作導致)，且橫向貫通縫處芯樣破碎，由于面層厚度的原因，并未鉆取到基層部位。

K822+200(上行)路段取芯處路面結(jié)構(gòu)為：3.5cmSMA-13L(硬路肩位置無面層)+7cmLAC-20高模量+11cmATB-25。從病害位置上的芯樣和芯孔上可以看出，橫向貫通縫是自下而上的開裂形式且所有芯樣并無層間斷開，但橫縫位置芯樣中3個呈破碎狀，由于面層厚度的原因，并未鉆取到基層部位。

(4)撫通高速K42+200(下行)

K42+200(下行)路段從病害位置上取出的3個芯樣可以看出，芯樣懸浮密實結(jié)構(gòu)明顯，無骨料缺失，粒徑合理且級配良好，取出的芯樣均為瀝青層，開裂程度較為輕微，芯樣完整，在芯樣上能觀測到微裂縫且未導致芯樣斷開，同時沒有破碎的情況發(fā)生，但芯樣面層之間的連接較差，層間基本全部斷開。

(5)鶴大高速K970+200(上行)

K970+200(上行)路段病害位置取芯分別位于硬路肩不規(guī)則橫向裂縫處1個、短縱縫處2個，無病害位置取芯位于硬路肩上3個。其中硬路肩良好處芯樣層間斷開，但所有芯樣均無破碎，短縱縫位置裂縫開裂明顯為自上而下的方式，但裂縫開裂深度較淺，僅停留在面層，開裂深度在3cm左右。

5 總結(jié)

(1)以雙層瀝青路面結(jié)構(gòu)為代表的遼開、桓永高速公路：遼開、桓永高速凍脹觀測表明個別路段，尤其是半填半挖路段，存在輕微路面凍脹，高程升高范圍在1～2.5cm之間，這也是造成路面裂縫的原因之一，但凍脹程度較輕，暫不需要對凍脹進行特殊處理。

通車7年后，遼開、桓永高速公路路面橫向不規(guī)則裂縫、網(wǎng)裂、塊裂以及不規(guī)則縱向裂縫，多為Top-down裂縫，在冬季發(fā)展也不明顯，此種裂縫在維修時可以不做處理，只對表面層老化、脫粒進行銑刨處理即可，路面規(guī)則長大縱向裂縫，鉆芯取樣觀測也多數(shù)只有路面面層開裂，此種裂縫可根據(jù)實際開裂深度，確定處理方案。

(2)綜合分析雙層、三層、四層瀝青路面層結(jié)構(gòu)：高速公路雙層路面典型結(jié)構(gòu)(遼開和桓永)在通車5年左右，橫向貫通縫與三層路面結(jié)構(gòu)相當，但發(fā)展較快，到通車7年要比三層結(jié)構(gòu)多；橫向非貫通縫兩層路面結(jié)構(gòu)通車5年較多，通車7年二層、三層結(jié)構(gòu)相當；縱向裂縫，這里統(tǒng)計的大多是縱向不規(guī)則溫縮裂縫，兩層、三層路面結(jié)構(gòu)通車5年大致相當，但發(fā)展較快，通車7年后，兩層結(jié)構(gòu)明顯比三層結(jié)構(gòu)多。高速公路三層路面典型結(jié)構(gòu)(鶴大和撫通)，對于輕中交通等級路段，表現(xiàn)較好，裂縫呈現(xiàn)穩(wěn)定增長趨勢。高速公路四層路面典型結(jié)構(gòu)(沈四)，在抗路面開裂能力上最優(yōu)，對于輕中交通等級路段，具有良好的耐久性。

對于已經(jīng)通車5年的鶴大和撫通高速，建議1～2年內(nèi)對路面實施預防性養(yǎng)護措施，抑制瀝青老化，防止路面溫縮裂縫快速增多。

(3)瀝青路面低溫開裂與結(jié)構(gòu)組合、層間接觸狀態(tài)密切相關。與此同時，產(chǎn)生溫縮裂縫的最主要的因素是瀝青材料的性質(zhì)，改善瀝青性能對減小溫縮裂縫能起到90%的貢獻。

(4)無論是兩層、三層還是四層瀝青面層結(jié)構(gòu)，為延長道路的使用壽命，在預防性或大中修養(yǎng)護維修方案制定時還應根據(jù)科學的病害調(diào)研分析結(jié)果，針對不同病害和病害程度給出合理、經(jīng)濟的維修方案。