國省干線公路病害原因分析與施工控制措施研究

羅波，朱乘，葛松

（1.貴州省遵義公路管理局，貴州遵義 563000；2.遵義公路建設(shè)養(yǎng)護有限公司，貴州遵義 563000）

0 引言

近年來，隨著我國交通量的逐年增加，國省干線公路的大修改造里程呈明顯上升趨勢，各種新工藝、新技術(shù)與新材料陸續(xù)投入使用，如何科學(xué)規(guī)劃國省干線公路的典型結(jié)構(gòu)成為亟須重視的問題。據(jù)調(diào)查，當(dāng)前國省干線公路主要存在病害包括：基層與面層的層間黏結(jié)不到位；路面結(jié)構(gòu)層并非完整的結(jié)構(gòu)體，從而對路面結(jié)構(gòu)使用壽命造成極大威脅。因此，研究關(guān)于基層層間以及面層層間的施工技術(shù)，期望通過設(shè)計典型結(jié)構(gòu)、更新施工技術(shù)，指明今后國省干線公路大修改造的發(fā)展方向，優(yōu)化國省干線公路瀝青路面結(jié)構(gòu)，提高公路性能、保證使用壽命，同時也能合理把控道路養(yǎng)護成本，提升資源使用效率，獲得理想回報。

1 國省干線公路路面病害原因分析

通過對國省干線公路病害現(xiàn)象的調(diào)查，路面主要表現(xiàn)為橫向裂縫、坑槽、車轍，結(jié)構(gòu)層主要表現(xiàn)為基層水平開裂、基層與面層層間分離、基層松散[1]。

1.1 路面材料因素

本文以幾條國省干線公路為例，選取公路A、公路B 以及公路C 等典型路段，在現(xiàn)場鉆取芯樣開展調(diào)查研究并完成室內(nèi)試驗。首先，在現(xiàn)場獲取芯樣，切割之后用于室內(nèi)試驗，試驗采用離心抽提法，將完成實驗之后的集料、瀝青等統(tǒng)一回收并用作試驗，試驗結(jié)果詳見表1。參照最終試驗結(jié)果，對瀝青路面的材料性能變化情況進行對比分析。在整個試驗項目中，主要分析判斷瀝青以及集料的相關(guān)指標(biāo)。

表1 國省干線公路面層瀝青指標(biāo)試驗結(jié)果

1.1.1 瀝青

從公路的使用年限來看，公路A 為4.6 年、公路B為4.2年、公路C為4.5年。分別對三條干線公路上下面層的瀝青指標(biāo)進行分析對比，發(fā)現(xiàn)其延度、針入度等指標(biāo)有明顯下降趨勢，預(yù)示低溫抗裂度欠佳，尤其道路延度大幅下降，甚至延度基本喪失，極易使路面產(chǎn)生裂縫或坑洞。軟化點指標(biāo)則有上漲趨勢，表明受到光照、溫度、降水、荷載以及其他外界環(huán)境條件影響，瀝青混合料存在老化現(xiàn)象，整體耐久度下降，性能弱化，增加了發(fā)生路面病害的潛在威脅?；诖耍O(shè)計國省干線公路大修工程的配合比時，最適合的瀝青混合料應(yīng)為改性瀝青，這樣能夠增強路面抗車轍能力，也能延緩老化，保證使用壽命[2]。

三條國省干線公路投入使用的年限相當(dāng)，其中公路B的各項指標(biāo)明顯比其他兩條公路更為理想，這除了受到使用年限的影響以外，還與瀝青混合料的配比設(shè)計有關(guān)。另外，采用三條干線公路鉆取的芯樣再次測定空隙率指標(biāo)，試驗結(jié)果詳見表2。試驗發(fā)現(xiàn)空隙率最小的為公路B，其中上面層空隙率僅有3.4%，外界光、水不易浸透，能夠保護公路不受侵蝕，延緩老化速度。因此，在設(shè)計公路路面的配合比時，對于面層空隙率的控制非常重要，著重考慮選用改性瀝青材料，強化路面抗老化性能。

1.1.2 集料級配

參照國外研究成果，級配組成水平對抗車轍能力的影響程度約為80%；同時我國的研究經(jīng)驗表明，適當(dāng)增強粗集料比例，對于瀝青混合料抗車轍性能的提升有很大影響[3]。通過對三條干線公路上下面層的現(xiàn)場取芯樣品進行室內(nèi)試驗和篩分分析，試驗結(jié)果詳見表3。試驗發(fā)現(xiàn)公路B上下面層的混合料級配組成對比其他兩條干線公路相對偏細，而現(xiàn)場也可看出公路B的車轍病害明顯更為嚴(yán)重?？傮w來看，國省干線公路使用的瀝青量并無明顯差異，多以普通基質(zhì)瀝青為主，混合料的級配組成比成為造成車轍現(xiàn)象的主要原因之一。

通過分析路面材料情況發(fā)現(xiàn)，國省干線公路的瀝青路面受到一段時間的外界環(huán)境影響，都會形成不同程度的破壞或老化，其延度、針入度等指標(biāo)開始有明顯下降，且軟化點數(shù)量有所上升，隨著瀝青混合料的耐久性以及其他性能降低，就會誘發(fā)路面裂縫。另外研究中發(fā)現(xiàn)，集料的力學(xué)性能基本不會影響混合料的性能，但是如果公路的瀝青混合料級配設(shè)計不當(dāng)，就會增加出現(xiàn)車轍問題的可能性。相關(guān)部門針對國省干線公路實行大修改造，應(yīng)優(yōu)先考慮采取改性瀝青原料，合理設(shè)計配合比，增強抗車轍能力[4]。

1.2 路面施工技術(shù)因素

對公路B 以及公路C 進行現(xiàn)場取樣，試驗結(jié)果表明，多數(shù)瀝青路面的面層層間黏合度良好，尚未發(fā)生脫離現(xiàn)象。這是因為公路的瀝青層主要采取上面層3cm與下面層5cm 的組合式厚度，薄厚得當(dāng)，材料性質(zhì)較好，便于控制施工質(zhì)量，只要確保連續(xù)性施工，且按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)保障壓實度達標(biāo)，就能使上下面層形成一個整體，減少由于層間不均而存在薄弱層現(xiàn)象。在少數(shù)基層和面層之間由于黏結(jié)不到位，存在脫離現(xiàn)象。由于不同基層和面層使用不同的材料，且這些材料性質(zhì)有一定區(qū)別，一旦封層施工不當(dāng)，就會影響施工質(zhì)量，公路投入使用之后留下質(zhì)量隱患[5]。

通過對比新修路段與即將大修的舊路段，在取樣部位發(fā)現(xiàn)舊路基層和面層的層間存在明顯脫離情況，在一些黏結(jié)良好的路段，所取芯樣則相對完整。進一步分析出現(xiàn)這種情況的原因，主要與施工控制不當(dāng)有關(guān)，影響了基層與面層之間的黏結(jié)度，包括滲透深度不達標(biāo)、透油層存在松散現(xiàn)象等。在選擇封層的種類時，如果選擇的集料粒徑不當(dāng)或者對油量控制不到位，也會影響整體施工質(zhì)量。

1.3 路面結(jié)構(gòu)因素

對于單薄的瀝青面層，在半剛性基層存在高剪應(yīng)力區(qū)，加之這一基層的抗剪強度較低，這些原因都有可能在干線公路基層導(dǎo)致水平開裂問題，或造成嚴(yán)重的車轍破壞[6]。在輪跡帶位置的水泥穩(wěn)定碎石基層底部出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象，這是受到荷載作用的影響，造成基層底部的拉應(yīng)力較小，進而導(dǎo)致疲勞破壞現(xiàn)象。在反復(fù)的荷載作用下，逐漸在整個基層都產(chǎn)生裂縫，半剛性材料開始喪失整體性能，黏結(jié)力變差，由此迅速降低強度，造成基層松散，最終形成車轍或裂縫。想要保證半剛性基層的壽命，降低發(fā)生早期病害的概率，可以考慮適當(dāng)增加重載交通瀝青路面的面層厚度。

2 國省干線公路施工控制措施

2.1 基層層間施工控制

在國省干線公路中，為了加強基層與面層間的黏結(jié)度，延長路面結(jié)構(gòu)使用壽命，減少由于基層層間黏結(jié)不到位而發(fā)生破壞的現(xiàn)象，根據(jù)當(dāng)前國省干線公路的施工技術(shù)及規(guī)劃方案，提出基層層間施工質(zhì)量改進方案如下：

（1）水泥穩(wěn)定碎石基層分層攤鋪施工技術(shù)

國省干線公路主要采取水泥穩(wěn)定碎石的基層形式，厚度約為30～36cm；如果使用傳統(tǒng)的機械設(shè)備，無法做到一次性攤鋪壓實，需要分兩次將基層攤鋪到位，且每層控制在20cm 以內(nèi)的攤鋪厚度。完成下基層的施工作業(yè)之后，需要經(jīng)歷7d 保養(yǎng)期，再進入上基層施工作業(yè)[7]。在道路保養(yǎng)期間，需將所有交通路段封閉；上基層施工作業(yè)之前要清掃干凈下基層并灑水保濕，如果下基層界面不夠干凈，就會影響二者的黏結(jié)性。因此，針對水泥穩(wěn)定碎石基層進行分層施工，清掃干凈下基層并且完成水泥凈漿撒布之后再攤鋪上基層，根據(jù)水泥質(zhì)量計算，以不超過1.0～1.5kg/m2為宜，確保上下基層整體性能良好。

（2）水泥穩(wěn)定碎石基層整體式施工技術(shù)

為了改善干線公路水泥穩(wěn)定碎石基層的層間黏結(jié)不到位問題，應(yīng)考慮采取整體式施工方案，對于30～36cm 的水泥穩(wěn)定碎石基層設(shè)計整體作業(yè)方式，即一次性攤鋪碾壓成型，這樣就能規(guī)避由于分層施工導(dǎo)致層間黏結(jié)不良的情況。要達到整體施工效果，就要對施工設(shè)備提出一定要求，一般需使用大噸位大激振力的壓路機、抗離析大功率攤鋪機等設(shè)備，由于攤鋪的厚度較大，適宜設(shè)計骨架密實型的混合料級配，粗骨料比例至少在65%[8]。

在進行碾壓施工時，根據(jù)試驗路段的結(jié)果反饋，考慮先用13t的雙鋼輪壓路機靜壓2遍，再用26t的單鋼輪壓路機振動碾壓5 遍，最后用膠輪壓路機碾壓1～2遍。經(jīng)過對現(xiàn)場壓實度情況的檢測，判斷壓實施工的效果，完成7d 養(yǎng)生期之后再次現(xiàn)場取樣，如果能取到上下基層完整一體的芯樣，則表明施工質(zhì)量達標(biāo)。

2.2 基層和面層層間施工控制

根據(jù)基層與面層的層間黏結(jié)試驗可知，透層油的種類、噴灑時間、噴灑量以及下封層的種類、溫度、油量等都對層間黏結(jié)強度產(chǎn)生影響。在基層和面層之間，以透層油達到過渡作用；恰當(dāng)?shù)耐笇佑褪褂昧磕艽_?；鶎优c面層之間黏結(jié)良好；如果超過標(biāo)準(zhǔn)用量，就會出現(xiàn)富油層，反而會導(dǎo)致層間薄弱問題；另外，噴灑透層油的時間決定了液體瀝青向基層滲透的深度，也會影響層間黏結(jié)的強度[9]。在公路施工時，透層油種類多為乳化瀝青。根據(jù)室內(nèi)試驗反饋結(jié)果，層間的黏結(jié)性能很大程度與下封層的種類、用油量及油溫有關(guān)，想要確保基層與面層層間的施工達標(biāo)，提高國省干線公路瀝青路面大修項目的耐久度，關(guān)鍵性的施工質(zhì)量控制技術(shù)如下：

（1）透層油

水泥穩(wěn)定碎石基層達到12h 成型效果之后，再均勻噴灑透層油，這樣才能使透層油完全滲透。一般透層油的用量約為0.3～0.5kg/m2。完成噴灑之后需要將道路交通封閉，進入養(yǎng)生期，只有乳化瀝青破乳并達到一定強度標(biāo)準(zhǔn)后，才能繼續(xù)完成下封層施工任務(wù)。

（2）下封層

在同步碎石封層施工中，應(yīng)控制為1.2～1.4kg/m2的用油量；稀漿封層則控制為1.0～1.2kg/m2的用油量。選擇5～10mm 粒徑的碎石集料，含量應(yīng)控制在0.075mm范圍內(nèi)，才能保證同步碎石封層的效果。

根據(jù)室內(nèi)試驗反饋，從力學(xué)性能角度來看，同步碎石封層明顯比稀漿封層效果好，只是用油量較大，在工程項目中，需結(jié)合實際情況綜合考慮，最終確定適合的下封層。完成下封層的施工任務(wù)之后應(yīng)封閉交通，進入養(yǎng)生期，達到一定強度才可恢復(fù)正常交通，日常過往的車輛反復(fù)碾壓下封層即可達到壓實效果。

3 結(jié)語

總之，造成國省干線公路的路面開裂最主要原因就是瀝青老化。同時也會受到瀝青混合料級配設(shè)計、路面空隙率等因素影響，如不加強控制可能產(chǎn)生車轍病害。為了改善這些狀況，需進一步優(yōu)化調(diào)控混合料級配、適當(dāng)提高路面空隙率，并選用改性瀝青原料，增強路面抗車轍性能。如果層間施工質(zhì)量管理不當(dāng)，可能發(fā)生層間黏結(jié)不到位、基層與面層之間相互分離等現(xiàn)象。另外，透層油的種類、用量以及灑布時間等都是需要關(guān)注的要素，國省干線公路主要采用乳化瀝青，今后應(yīng)考慮換成滲透性能更佳的煤油稀釋瀝青，注意把控透層油用量以及灑布時間。封層的類型、瀝青以及碎石用量的控制等也要加以重視。