舊路面加鋪SMA-13 罩面早期水損處置實(shí)例分析

■胡宇霖

（福建省高速公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，福州 350108）

SMA-13 通過間斷級配來形成骨料嵌擠結(jié)構(gòu)，與AC-13 相比，其高低溫性能、抗滑能力等更加出色，近年來隨著高速公路大量進(jìn)入養(yǎng)護(hù)期，SMA-13已被廣泛應(yīng)用于重載交通的高速公路罩面中。 雖然大量的研究表明SMA-13 是一種性能優(yōu)異且均衡的表面層材料，其殘留穩(wěn)定度大多高于90%，混合料水穩(wěn)定性良好[1-3]。 但也有少量文獻(xiàn)指出SMA-13表面層在一些夏季炎熱潮濕地區(qū)存在一定的水破壞的風(fēng)險[4-6]。 福建省為東南濕熱區(qū)中的過濕區(qū)，春夏多雨，本文針對福建省高速公路養(yǎng)護(hù)過程中加鋪SMA-13 罩面所出現(xiàn)的早期水損病害進(jìn)行了分析和總結(jié)，提出解決措施并加以驗(yàn)證，有望為濕熱地區(qū)舊路罩面養(yǎng)護(hù)技術(shù)的應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 水損病害實(shí)例及分析方法

1.1 工程概況

G15 沈海高速福建段于2002 年建成通車，已超出使用年限，路面出現(xiàn)了不同程度的病害。 為確保高速公路行車舒適、安全，降低養(yǎng)護(hù)成本，2019 年對該路段進(jìn)行罩面施工，施工內(nèi)容為原路面病害處理后加鋪4 cm 的SMA-13 罩面層，以提高路面使用性能，達(dá)到延長使用壽命的目的。 2020 年7-8 月在長期高溫后出現(xiàn)連續(xù)半個月的強(qiáng)降雨，該路段局部區(qū)域罩面出現(xiàn)了水損病害。當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)氣象資料如表1所示。 通過查閱高速公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，沈海高速相關(guān)路段2020 年6-12 月交通量月平均值為217054輛，屬于重交通。

表1 2020 年7-8 月沈海高速路段氣象資料

1.2 病害實(shí)例

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該病害基本位于主車道左右輪跡帶，中面層無病害，無明顯規(guī)律性，病害周邊部分存在輕微唧漿， 且病害輪跡帶處有泛油情況，現(xiàn)場病害發(fā)展多為從泛油位置開始，出現(xiàn)局部骨料外露，而后因坑洞內(nèi)雨水沖刷，造成石料與瀝青剝離，坑槽逐步擴(kuò)大，形成坑槽如圖1。為驗(yàn)證混合料級配及瀝青指標(biāo)，對病害發(fā)生位置泛油處和未發(fā)生病害處進(jìn)行了現(xiàn)場取塊，取塊后罩面與原路面層間存在較多水漬如圖2。

圖1 病害初期情況

圖2 病害后期發(fā)展情況

綜合福建省公路同類病害情況可以發(fā)現(xiàn)，SMA-13 加鋪路段水毀坑槽大多為橫向發(fā)展， 中面層基本完好。 應(yīng)急維修一段時間后，又在相距數(shù)米的位置出現(xiàn)了新的坑槽，其病害特征與普通AC-16路段存在較大差異。 在此路段對原路面病害處理（銑刨重鋪）后加鋪SMA-13 罩面段落（以下簡稱銑刨重鋪段）則未出現(xiàn)水損病害。 為有效解決SMA-13罩面段出現(xiàn)的早期水損問題，本文依托實(shí)例，對可能導(dǎo)致水損病害的各成因進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.3 病害分析方法

結(jié)合現(xiàn)場病害情況表現(xiàn)為水損病害的典型特征，提出了路面早期水損的分析方法和思路，其技術(shù)路線如圖3 所示。 即首先對原材料、混合料、瀝青路面3 個尺度開展性能檢測與分析，選取出現(xiàn)水損病害的SMA-13 加鋪路段，以及未出現(xiàn)此水損病害的SMA-13 的銑刨重鋪路段進(jìn)行全方面的指標(biāo)對比，綜合判定水損病害成因，接著提出病害處置方法，通過實(shí)踐加以檢驗(yàn)。

圖3 病害分析及處置的技術(shù)路線圖

2 水損病害分析

2.1 原材料分析

集料粘附性不足、瀝青性質(zhì)差均會導(dǎo)致瀝青路面的水穩(wěn)定性不足，水損分析時，首先應(yīng)對集料和瀝青性質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)。 SMA-13 加鋪路段與銑刨重鋪路段的集料采用凝灰?guī)r，粘附性5 級。 如表2、3 所示，集料、瀝青均滿足規(guī)范JTG F40-2004《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的技術(shù)要求，且各路段所用瀝青的三大指標(biāo)無明顯差異，因此，原材料不是導(dǎo)致此水損的主要原因。

表2 集料粘附性結(jié)果

表3 瀝青三大指標(biāo)

2.2 瀝青混合料分析

混合料空隙率過大、級配過粗、瀝青含量過低可能會導(dǎo)致瀝青路面的水穩(wěn)定性不足，水損分析時應(yīng)對瀝青混合料進(jìn)行分析。

（1）級配組成分析。 級配組成通過燃燒法試驗(yàn)確定，通過對發(fā)生水損和未發(fā)生水損路段的馬歇爾芯樣進(jìn)行燃燒試驗(yàn)和水洗篩分。 由芯樣級配（表4）可知，水損段和未水損段無明顯差異，均滿足設(shè)計級配偏差和級配上下限要求，可排除混合料級配組成不良導(dǎo)致水損的可能。

表4 礦料級配組成

（2）瀝青含量分析。 瀝青含量試驗(yàn)與級配組成同時完成。由燃燒試驗(yàn)結(jié)果（表5）可知，罩面段及銑刨重鋪段瀝青含量均接近設(shè)計要求， 滿足允許偏差，可排除混合料瀝青含量不足導(dǎo)致水損的可能。

表5 瀝青含量

（3）空隙率分析。 空隙率數(shù)據(jù)通過查閱各路段的試驗(yàn)室配合比數(shù)據(jù)獲取，最大理論密度由計算法確定，空隙率由表干法測定。由馬歇爾指標(biāo)（表6）可見，毛體積相對密度、空隙率及馬歇爾指標(biāo)無明顯差異，混合料空隙率均可成型至4%附近，滿足設(shè)計要求。 這說明水損不是由于材料不合理造成空隙率過大，最終導(dǎo)致水穩(wěn)定不足。 結(jié)合級配、瀝青含量結(jié)果，可認(rèn)為罩面段與銑刨重鋪段所用材料基本一致，可排除由于不同路段材料差異導(dǎo)致水損的可能。

表6 馬歇爾指標(biāo)

（4）水穩(wěn)定性分析

按配合比成型馬歇爾試件，通過浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)和動水沖刷試驗(yàn)，進(jìn)一步分析材料的水穩(wěn)定性是否滿足要求。 其中，浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)按規(guī)范進(jìn)行，動水沖刷試驗(yàn)采用上海昌吉SYD-0777 水熱敏感性試驗(yàn)儀進(jìn)行測定， 沖刷次數(shù)為2000 次，通過動水沖刷前后的劈裂強(qiáng)度比值來表征水穩(wěn)定性。 由馬歇爾指標(biāo)（表7）可知，動水沖刷劈裂強(qiáng)度比低于凍融劈裂強(qiáng)度比，這說明動水沖刷的水損環(huán)境最為嚴(yán)苛，但無論是哪種水損環(huán)境，SMA-13 的水穩(wěn)定性均＞80%，滿足要求，可排除由于材料水穩(wěn)定不足而導(dǎo)致本次水損的可能。

表7 馬歇爾指標(biāo)

2.3 瀝青路面分析

（1）路面壓實(shí)度分析

對罩面段和銑刨重鋪段的SMA-13 上面層進(jìn)行取芯，通過芯樣壓實(shí)度和空隙率對路面壓實(shí)度進(jìn)行分析。由壓實(shí)度數(shù)據(jù)（表8）可知，罩面段和銑刨重鋪段的壓實(shí)度無明顯區(qū)別， 且均滿足設(shè)計要求，可認(rèn)為水穩(wěn)定不足不是由于路面壓實(shí)不足所致。

表8 壓實(shí)度

（2）滲水系數(shù)分析

查閱現(xiàn)場試驗(yàn)檢測報告， 獲取滲水系數(shù)數(shù)據(jù)（表9）。對比相關(guān)數(shù)據(jù)可知，原路面在常年車輛荷載作用下壓密嚴(yán)重，磨光、摩擦系數(shù)較小，不滲水，構(gòu)造深度??；罩面與銑刨重鋪后，雖然路面各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求，但均有滲水的情況。 由于原路面基本不滲水，雨水滲入罩面段后，停留在罩面層底部，形成層間水，在車輛荷載的重復(fù)作用下，罩面層底部遭受劇烈的動水壓力作用，由上述水穩(wěn)定性試驗(yàn)可知，動水壓力作用下的水損環(huán)境最嚴(yán)苛，即使在常規(guī)水穩(wěn)定性指標(biāo)滿足要求時，也可能出現(xiàn)水損風(fēng)險。

表9 滲水系數(shù)

（3）路面結(jié)構(gòu)層分析

①原路面有病害而對原路面進(jìn)行銑刨重鋪后再實(shí)施罩面的路段相對直接加鋪罩面路段，病害明顯較少，分析為因銑刨重鋪后新鋪設(shè)的混合料透水性比原路面好，對比直接加鋪路段，層間儲水能力更強(qiáng)，且因結(jié)構(gòu)層整體加厚，層間水對銑刨重鋪后加鋪罩面路段的影響較小。

②SMA-13 相較于AC 混合料而言， 因其骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)與光滑的舊路面嵌合能力較弱，在舊路面上噴灑乳化瀝青作為粘層起不到很好的粘結(jié)作用，反而造成層間存在儲水空間。 因此在舊路面上加鋪SMA-13 時粘層是否可以采用碎石封層，以起到增加層間嵌合作用還需進(jìn)一步研究。

3 綜合分析及病害處治

（1）綜合分析

通過對瀝青路面進(jìn)行詳細(xì)分析，初步判定病害是由罩面后的層間水積聚所導(dǎo)致的。 病害路段表現(xiàn)為自上而下的水損壞，即雨水透入空隙率較大的瀝青混凝土上面層后，由于下層比較密實(shí)，進(jìn)入上面層的水還未來得及向下層滲透，上面層就開始產(chǎn)生水破壞，表面層發(fā)生松散和坑槽[7-8]；尤其在中下面層密水性好且層厚較大，層間存水下滲困難的情況下最容易發(fā)生。 厚度4 cm 的SMA-13 包含上、下兩面構(gòu)造深度， 兩面構(gòu)造最低點(diǎn)間的距離為SMA-13的有效阻水層，因此SMA-13 攤鋪厚度越低，其阻水效果越差，越容易導(dǎo)致滲水。 同時，在降雨過程中，車輛在水膜覆蓋的路面上行駛所產(chǎn)生的動水壓力容易使水貫穿罩面層，造成水在層間停留。 在夏季高溫多雨條件下，實(shí)際瀝青路面浸水1個月，可導(dǎo)致其抗水損害能力降低60%左右。 SMA-13 表面構(gòu)造同樣會存在于底層， 因舊路面經(jīng)過車輛長期行駛，基本已經(jīng)光滑且不滲水，同時也存在不同深度的車轍，增加了層間水的儲水量。 層間水在車輛動荷作用下產(chǎn)生動水壓力，對混合料不斷沖刷，使瀝青與礦料剝落，又在高速旋轉(zhuǎn)的輪胎與路面泵吸力的作用下使瀝青上浮， 形成初期油斑并逐步擴(kuò)大，當(dāng)油膜達(dá)到一定厚度后，被輪胎帶離，導(dǎo)致骨料外露，形成初步小坑洞， 而雨水繼續(xù)在小坑洞上沖刷，最終導(dǎo)致小坑洞逐步擴(kuò)大，形成坑槽。 罩面加鋪后，為確保立柱埋深，對土路肩進(jìn)行了加高，土路肩混凝土與硬路肩罩面混合料連接后，層間儲水空間進(jìn)一步封閉，導(dǎo)致水無法排出。

為了進(jìn)一步檢驗(yàn)此結(jié)論，對現(xiàn)場病害集中部分路段進(jìn)行刻槽，刻槽深度15 cm、寬度5 cm，可觀測到較多水從層間滲至刻槽內(nèi)，這證實(shí)了綜合分析的結(jié)論，即層間存在大量積水，符合病害因?qū)娱g水引起的分析結(jié)果。

圖4 刻槽處置后層間水流出

（2）病害處置

為防止層間水對SMA-13 罩面的破壞，對病害集中路段每隔20 m 進(jìn)行刻槽，刻槽深度15 cm、寬度5 cm，從硬路肩延伸至土路肩，并用10 cm 碎石加5 cm 瀝青混合料回填，防止后續(xù)層間水對SMA-13 罩面的破壞（圖5）。 處置后，現(xiàn)有病害不再發(fā)展，相鄰位置未繼續(xù)出現(xiàn)病害。 由此可見，坑槽病害處置措施有效。

圖5 處理后效果

此外，為了進(jìn)一步規(guī)避SMA-13 罩面的水損問題，可考慮將罩面的設(shè)計厚度提高至4.5 cm 或5 cm，使結(jié)構(gòu)層厚度不小于3.5 倍公稱最大粒徑， 以增加有效阻水層。 對多雨高溫氣候的區(qū)域建議增加對層間水的處理，如在硬路肩處間隔一定距離進(jìn)行刻槽回鋪碎石后再攤鋪罩面。 已在舊路面攤鋪SMA-13罩面的，建議在圓曲線緩和段等橫坡較小的位置進(jìn)行刻槽。 罩面后土路肩采用混凝土加高時，在適當(dāng)位置預(yù)留一定寬度不澆筑，作為明溝用以排除層間水。

4 結(jié)論

（1）本文提出了路面早期水損的分析方法和思路，從原材料、混合料、瀝青路面3 個尺度開展性能檢測與分析，可有效判定水損病害成因并針對性的進(jìn)行處治，有效解決了實(shí)際工程中的問題；該分析方法和應(yīng)用實(shí)例可為類似工程提供借鑒。

（2）福建省舊路加鋪SMA-13 罩面時，即使其材料組成和各項性能均滿足規(guī)范要求，也不應(yīng)忽視水損風(fēng)險；采用SMA-13 罩面時，可能造成層間存在儲水空間，由動水壓力導(dǎo)致早期水損。

（3）為規(guī)避SMA-13 罩面的水損問題，罩面設(shè)計厚度宜提高至4.5 cm 或5 cm， 在排水不暢路段可通過刻槽等方式增加對層間水的處理。