濕熱地區(qū)白加黑路面典型病害特征及機(jī)理研究

揭繼興, 曲大海, 劉嘉俊

(1.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司, 廣州 510641; 2.廣東省南粵交通英懷高速公路管理處, 廣東 肇慶 526400)

自20世紀(jì)90年代以來(lái),廣東省修建了超過(guò)60 000 km的水泥混凝土路面,有力地支撐區(qū)域間人員物資的流通輸送。然而,經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展使得區(qū)域道路交通量與車輛軸載逐年急劇提升,早期建設(shè)的水泥混凝土路逐漸因表面破損嚴(yán)重或結(jié)構(gòu)破壞而喪失服務(wù)功能。目前,舊水泥混凝土路面的功能性修復(fù)主要采取“清除重鋪”“白加白(加鋪水泥混凝土層)”“白加黑(加鋪瀝青混凝土層)”三種方式。其中,白加黑路面改造方案充分利用原路面的殘余強(qiáng)度、工程造價(jià)較低、對(duì)交通影響周期短、承載力強(qiáng)、行駛舒適度好、摩阻系數(shù)更高、產(chǎn)生建筑廢物少[1],因而在以廣州、深圳、佛山為代表的廣東地區(qū)得到了較為廣泛的嘗試和研究,取得了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

歐美國(guó)家對(duì)白加黑路面研究開(kāi)始時(shí)間較早,技術(shù)較為成熟。近年來(lái)我國(guó)在該領(lǐng)域研究成果也逐漸增多,但主要集中在“舊水泥混凝土路面狀況評(píng)估”“反射裂縫預(yù)防”“白加黑路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”“加鋪層混合料設(shè)計(jì)”等方面,而對(duì)于“白加黑路面病害發(fā)育機(jī)理及處治措施”的研究尚不完善。隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng),白加黑路面逐漸產(chǎn)生裂縫、坑槽、松散、脫空等病害,且通常養(yǎng)護(hù)維修效果較差[2],尤其在廣東持續(xù)高溫、潮濕多雨氣候環(huán)境條件下,交通量大、重載車多的路段罩面層病害程度更為嚴(yán)重,行業(yè)亟須結(jié)合路用環(huán)境對(duì)白加黑路面病害發(fā)育機(jī)理與特征進(jìn)行針對(duì)性分析,并提出適用性更加良好的病害處治措施,以指導(dǎo)白加黑路面運(yùn)營(yíng)維護(hù)。

本文依托茂湛高速改擴(kuò)建項(xiàng)目實(shí)地開(kāi)展研究工作,通過(guò)新型無(wú)損檢測(cè)手段采集白加黑路段的路表及路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)濕熱重載交通環(huán)境下白加黑路面病害分布特征,分析病害發(fā)育機(jī)理,并提出白加黑路面狀況的評(píng)價(jià)指標(biāo)以及病害處治措施,研究成果可為類似白加黑項(xiàng)目養(yǎng)護(hù)與處治提供參考借鑒。

1 工程概況

依托項(xiàng)目“沈陽(yáng)至?？趪?guó)家高速公路茂名至湛江段”為國(guó)高網(wǎng)G15沈陽(yáng)至?？诟咚俟返闹匾温?路線自茂名市觀珠延伸至湛江市高陽(yáng),總里程為108.6 km,其中瀝青路面約為26.7 km,白加黑路面約為81.9 km,原水泥路面中,坡心至官渡段(約為63.9 km)于2000年12月建成通車,官渡至源水段(約為18 km)在1999年11月完成建設(shè)。

項(xiàng)目原水泥路面結(jié)構(gòu)為18 cm厚水穩(wěn)下基層(水穩(wěn)石屑)+18 cm厚水穩(wěn)上基層(水穩(wěn)碎石)+25 cm 厚C40混凝土面板,于2015年維修后加鋪 5～6 cm厚改性瀝青GAC-16,而后主要采用裂縫維修、坑槽修補(bǔ)、局部銑刨重補(bǔ)等維養(yǎng)措施,全線路面結(jié)構(gòu)及養(yǎng)護(hù)歷史如圖1所示。項(xiàng)目擬開(kāi)展改擴(kuò)建工程拓寬至8車道,以滿足沿線日益劇增的通行需求。為對(duì)舊白加黑路面改擴(kuò)建提供設(shè)計(jì)依據(jù)以及技術(shù)保障,項(xiàng)目開(kāi)展白加黑路面典型病害特征及機(jī)理研究。

圖1 茂湛高速養(yǎng)護(hù)歷史情況

圖2 探地雷達(dá)數(shù)據(jù)處理病害分布

圖3 探地雷達(dá)網(wǎng)裂病害識(shí)別與開(kāi)挖驗(yàn)證

2 路面狀況評(píng)定與病害分布調(diào)查

截至目前,白加黑路面沒(méi)有明確的病害檢測(cè)與評(píng)估規(guī)范,通常參考舊水泥路面檢測(cè)方法,采用多功能檢測(cè)車與人工調(diào)查結(jié)合的檢測(cè)手段,測(cè)試平整度、破損系數(shù)等常規(guī)指標(biāo)表征其路用性能。但白加黑路面加鋪了瀝青混凝土,遮蓋了部分水泥板的破損病害,同時(shí),柔性的瀝青混凝土加鋪層弱化了水泥板之間的彎沉差異,影響接縫傳荷系數(shù)的檢測(cè)準(zhǔn)確度,故該檢測(cè)方法存在較大局限,檢測(cè)結(jié)果并不足以表征白加黑路面路用性能[3]。

因此,在采用傳統(tǒng)檢測(cè)手段基礎(chǔ)上,結(jié)合三維探地雷達(dá)測(cè)試路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部脫空、貫穿裂縫等病害情況,采用車載式FWD測(cè)試行車道承載力衰減情況,以此對(duì)白加黑路段路面現(xiàn)狀開(kāi)展綜合評(píng)估。

2.1 路表病害情況

調(diào)查茂湛高速白加黑路段路面破損、車轍等病害,統(tǒng)計(jì)分析各類型病害,根據(jù)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)將病害長(zhǎng)度統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)換為病害面積,匯總分析如表1所示。經(jīng)計(jì)算,下行車道路面破損等級(jí)PCI優(yōu)良率超車道為100%,下行行車道PCI優(yōu)良率達(dá)97.06%,上行行車道PCI優(yōu)良率達(dá)96.53%、上行超車道路面PCI優(yōu)良率達(dá)97.62%,車轍病害僅上行行車道有3處輕微車轍,僅從以上指標(biāo)來(lái)看,白加黑路面加自2015年加鋪瀝青層至今功能狀況良好。

表1 不同車道各類病害面積統(tǒng)計(jì)

2.2 路面內(nèi)部病害情況

2.2.1 路面結(jié)構(gòu)承載能力衰減情況

對(duì)白加黑路面路段上下行車道分別選取兩段長(zhǎng)度為1 km的病害相對(duì)密集路段,采用落錘式彎沉儀對(duì)路段行車道、硬路肩進(jìn)行動(dòng)態(tài)彎沉測(cè)試,計(jì)算動(dòng)態(tài)彎沉差值,反算結(jié)構(gòu)模量,對(duì)比分析路面結(jié)構(gòu)承載能力衰減情況。測(cè)試結(jié)果如表2所示,行車道相對(duì)于硬路肩彎沉代表值更高、整體模量更低,結(jié)構(gòu)承載能力略有衰減,但并不顯著;兩車道間彎沉差較小(<6(0.01 mm)),可認(rèn)為接縫傳荷性能良好[4]。

表2 行車道與硬路肩彎沉、模量測(cè)試分析結(jié)果

2.2.2 路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害

分別選取道路上、下行路面病害較多的典型白加黑路面段共7.5 km,采用探地雷達(dá)分別檢測(cè)超車道、主車道結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害,結(jié)果匯總檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3所示。經(jīng)分析,白加黑路面裂縫主要以分布在瀝青加鋪層中的反射裂縫為主,行車道裂縫、脫空病害面積顯著較超車道嚴(yán)重,證明路面重車荷載加劇了路面裂縫、脫空等病害的形成及發(fā)育[5-6]。

表3 白加黑路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害情況

表4 濕熱重載地區(qū)白加黑路面病害處治推薦方案

2.3 路面檢測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)路面破損情況檢測(cè),白加黑路面路表病害占比較大的依次是橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂、坑槽、網(wǎng)裂、松散、車轍,占比分別為82.83%、15.97%、0.83%、0.25%、0.08%、0.02%和0.01%,上下行病害分布情況相當(dāng),路段PCI均值為92.6,評(píng)估等級(jí)為“優(yōu)”,損壞情況較輕。僅從路況調(diào)查數(shù)據(jù)分析,瀝青加鋪層的破損狀況較輕。

根據(jù)路面結(jié)構(gòu)承載力分析,白加黑路面瀝青加鋪層的行車道與硬路肩彎沉差較小,接縫傳荷能力好,行車道各結(jié)構(gòu)層動(dòng)態(tài)模量整體上略低于硬路肩,行車道相對(duì)于硬路肩結(jié)構(gòu)承載能力略有衰減,但并不明顯;此外,路面病害較密集路段水泥混凝土面層動(dòng)態(tài)模量小于病害較少路段,說(shuō)明病害對(duì)水泥混凝土面層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度產(chǎn)生了一定衰減影響。

根據(jù)路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部病害檢測(cè),白加黑路面內(nèi)部病害以裂縫、水泥面板脫空為主;瀝青加鋪層內(nèi)部病害多為對(duì)應(yīng)水泥板接縫、裂縫等處發(fā)育的反射裂縫,舊水泥面層、基層多以相互對(duì)應(yīng)的貫穿裂縫為主;行車道裂縫、脫空等病害顯著較超車道密集。

結(jié)合白加黑路面路表破損、車轍、彎沉、貫穿裂縫、脫空等情況,由于白加黑路面瀝青加鋪層應(yīng)用年限遠(yuǎn)小于水泥板的使用年限,在長(zhǎng)期的車輛荷載作用下,水穩(wěn)基層與水泥混凝土板不可避免出現(xiàn)破碎、斷裂、脫空、沉陷等病害,而相當(dāng)部分病害短時(shí)間內(nèi)未能反映到瀝青加鋪層,導(dǎo)致路面破損狀況指標(biāo)仍呈現(xiàn)為優(yōu)良,但加鋪層下隱藏的病害在雨水、車載等因素作用下進(jìn)一步發(fā)育,繼而引起路面的結(jié)構(gòu)性破壞。

3 典型病害特征與形成機(jī)理分析

研究對(duì)茂湛高速白加黑路面路表及內(nèi)部結(jié)構(gòu)病害情況開(kāi)展檢測(cè)分析,根據(jù)破損調(diào)查、雷達(dá)掃描數(shù)據(jù)分析結(jié)果,白加黑路面舊水泥面板病害主要包括裂縫及其所發(fā)育形成的各類結(jié)構(gòu)病害;瀝青加鋪層病害以反射裂縫為主,其次是松散、坑槽病害,下對(duì)各類病害特征與形成機(jī)理做具體分析。

3.1 舊水泥路面病害分析

白加黑路面舊水泥板病害主要包括裂縫、脫空病害,另有少量破碎(斷板)、沉陷、唧漿等病害,行車道的病害頻率顯著高于硬路肩,說(shuō)明病害形成與交通軸載作用關(guān)系密切。結(jié)合雷達(dá)掃描所確定上下層中病害位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系特征,分析其病害生成與發(fā)育機(jī)理與常規(guī)水泥路面類似,分為下述幾個(gè)方面。

水泥路面板由于自身材料特性,在3個(gè)月齡期內(nèi)強(qiáng)度形成過(guò)程中,材料失水產(chǎn)生干縮現(xiàn)象,在混凝土與路面整體互鎖的約束下,材料本身的拉伸彈性應(yīng)變、蠕變應(yīng)變和自由收縮應(yīng)變逐漸積累后釋放,導(dǎo)致收縮裂縫的形成。

水泥面板還受到長(zhǎng)期氣溫變化影響。材料自身具有熱縮冷脹特性,但面板內(nèi)外溫度升降速度不一,因縮脹幅度不均而產(chǎn)生應(yīng)力,水泥面板溫度應(yīng)力積累曲線如圖4所示。同時(shí),瀝青加鋪層與基層也隨溫度變化發(fā)生縮脹,二者與水泥板緊密黏結(jié)形成約束關(guān)系,但材料對(duì)溫度變化的敏感性存在差異,產(chǎn)生不同程度縮脹反應(yīng),也因此產(chǎn)生應(yīng)力[7]。隨著時(shí)間的推移,應(yīng)力累積至大于混凝土路面的抗拉強(qiáng)度,使其在薄弱點(diǎn)處開(kāi)裂,裂縫尖端承受應(yīng)力導(dǎo)致裂縫生長(zhǎng),最終形成穿透表層的裂縫[8]。

圖4 溫度應(yīng)力積累曲線

水泥面板產(chǎn)生微小裂縫后,在車輛載荷的進(jìn)一步作用下斷裂,最終破碎成小塊混凝土。而在濕熱地區(qū),道路會(huì)受到雨水的長(zhǎng)期侵蝕,雨水滲入微小裂縫、灌縫材料等防水措施失效的接縫、路肩等部位到達(dá)內(nèi)部,在軸載影響下循環(huán)沖刷,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層間產(chǎn)生空隙、路基細(xì)集料流失、形成軟基等,繼而發(fā)育為脫空、沉陷、唧漿病害(圖5)。

圖5 白加黑路面水泥面板內(nèi)部裂縫發(fā)育

3.2 瀝青加鋪層病害分析

白加黑路面瀝青加鋪層主要病害包括橫向裂縫、縱向裂縫、松散、坑槽病害,其中橫向裂縫、縱向裂縫占比較高,松散、坑槽等占比較低。結(jié)合病害調(diào)查情況、雷達(dá)掃描分析,發(fā)現(xiàn)瀝青加鋪層裂縫位置與水泥面板接縫或貫通裂縫位置多為對(duì)應(yīng),分析為反射裂縫,按其成因有剪切開(kāi)裂、張拉開(kāi)裂兩種[9]。

剪切開(kāi)裂往往表現(xiàn)為縱向裂縫,當(dāng)車輛輪載于相鄰兩塊水泥面板或縱向裂縫兩側(cè)時(shí)形成偏載作用,產(chǎn)生的彎沉差或高差導(dǎo)致約束于面板上的瀝青加鋪層受到剪切力,從而自底部產(chǎn)生微裂紋,長(zhǎng)期作用下向上擴(kuò)展為該貫通裂縫,其裂縫發(fā)育機(jī)理如圖6(a)所示。

瀝青加鋪層的張拉開(kāi)裂大致可分為三種類型。第一種是荷載作用下的張拉開(kāi)裂,荷載作用在舊路面接縫或裂縫處的上方時(shí),于加鋪層底部產(chǎn)生拉應(yīng)力形成微裂縫,在荷載反復(fù)加載下發(fā)生應(yīng)力集中,使裂縫迅速向上擴(kuò)展;第二種是舊水泥板的收縮導(dǎo)致,舊水泥板在溫度荷載的影響下反復(fù)縮脹,使得與其互相約束的加鋪層受到拉應(yīng)力,最終導(dǎo)致張拉開(kāi)裂[10],其裂縫發(fā)育機(jī)理如圖6(b)所示;第三種材料性能差異導(dǎo)致,不同材料的膨脹系數(shù)和溫度傳遞速度不均,導(dǎo)致加鋪層與水泥面板受溫度影響產(chǎn)生的縮脹幅度不一致,相互之間又因黏結(jié)力而約束,水泥板因此發(fā)生翹曲,引起加鋪層張拉開(kāi)裂[11],其裂縫發(fā)育機(jī)理如圖6(c)所示。

對(duì)瀝青加鋪層的松散病害進(jìn)行分析,其下部水泥路面往往未產(chǎn)生明顯關(guān)聯(lián)病害,病害主要特征為集料間黏結(jié)力喪失。結(jié)合施工資料分析,病害位置多為施工薄弱點(diǎn),由碾壓壓實(shí)度不足、碾壓溫度設(shè)計(jì)不匹配或控制不準(zhǔn)確、未處理好界面積水等原因?qū)е耓12]。

對(duì)瀝青加鋪層的坑槽病害進(jìn)行分析,結(jié)合不同發(fā)育階段的病害特征,坑槽病害往往伴生在反射裂縫處。裂縫在交通軸載、溫度的耦合作用下,逐漸延伸為網(wǎng)裂,加速滲入雨水的侵蝕作用,在車輛軸載的作用下反復(fù)沖刷,瀝青加鋪層與水泥面板黏結(jié)界面逐漸失效,從而脫落形成坑槽。

4 白加黑路面病害處治方案——基于廣東省高溫、潮濕、重載交通環(huán)境條件

茂湛高速白加黑路段路線區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū),以及Ⅳ7華南沿海臺(tái)風(fēng)區(qū),地處北回歸線南側(cè),特征為春天濕冷,夏長(zhǎng)炎熱,秋冬較暖,年平均氣溫23.3 ℃,年降雨量為1 942～2 300 mm,約80%集中在5～9月的雨季。茂湛高速沿線交通量大,重車比例高。根據(jù)調(diào)研,預(yù)計(jì)2025年該路段平均日交通量將達(dá)到41 308pcu/日,屬特重交通荷載等級(jí)。

根據(jù)探地雷達(dá)掃描結(jié)果分析,即使白加黑路面PCI等級(jí)判定為優(yōu)良,其路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部仍可能存在潛在病害迅速發(fā)育。因此,按照PCI指標(biāo)不能準(zhǔn)確反映病害的嚴(yán)重程度及類型特征,使用該指標(biāo)決策制定病害處治方案的效果往往不夠理想[13]。白加黑路面以反射裂縫為主要病害,橫向反射裂縫病害面積占比超過(guò)80%,因此采用與橫向裂縫相關(guān)的指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)路面狀況更為恰當(dāng),故引入橫向裂縫反射率為控制指標(biāo)評(píng)價(jià)白加黑路面病害的嚴(yán)重程度并制定病害處治方案[14]。白加黑路面橫向裂縫反射率計(jì)算公式為

式中:DL為白加黑路面橫向裂縫反射率(%);n為評(píng)價(jià)單元內(nèi)橫縫的條數(shù);N為評(píng)價(jià)單元內(nèi)水泥面板接縫的數(shù)量。

根據(jù)項(xiàng)目所在地區(qū)高溫、潮濕、重載的交通環(huán)境條件,結(jié)合橫向裂縫反射率指標(biāo),參考“深汕西”“機(jī)荷”等近年開(kāi)展的相似條件改擴(kuò)建高速公路項(xiàng)目,針對(duì)不同白加黑路面典型病害的處治措施及效果進(jìn)行調(diào)研,給出如下推薦處治措施。根據(jù)交驗(yàn)評(píng)定,處治后的路面承載能力均遠(yuǎn)高于規(guī)范要求,改善效果顯著,可為相關(guān)項(xiàng)目提供參考。

5 結(jié)論

白加黑路面路表典型病害包括橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂、坑槽、網(wǎng)裂、松散和車轍等,在茂湛項(xiàng)目占比分別為82.83%、15.97%、0.83%、0.25%、0.08%、0.02%和0.01%,內(nèi)部病害以反射裂縫為主,水泥面板脫空情況較為普遍,長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)荷載下路面結(jié)構(gòu)承載力略有衰減。

瀝青加鋪層應(yīng)用年限遠(yuǎn)小于水泥板,下部病害未能及時(shí)反映到瀝青加鋪層,導(dǎo)致路面破損狀況指標(biāo)雖呈現(xiàn)為優(yōu)良,但加鋪層下潛在的病害仍迅速發(fā)育。

分析白加黑路面典型病害特征與形成機(jī)理,舊水泥面板裂縫由于材料失水干縮、溫度應(yīng)力累積而形成內(nèi)部裂縫,并進(jìn)一步發(fā)育形成各類結(jié)構(gòu)病害。瀝青加鋪層主要病害為反射裂縫,發(fā)生位置多對(duì)應(yīng)于水泥面板接縫或貫通裂縫;松散病害往往由施工因素造成;坑槽病害往往由基礎(chǔ)病害在滲水與溫度耦合作用下發(fā)育形成。

根據(jù)廣東省濕熱與重載的環(huán)境條件,采取橫向裂縫反射率可契合反映病害的嚴(yán)重程度,針對(duì)不同病害的處治措施及效果進(jìn)行調(diào)研,按照嚴(yán)重程度分別推薦了處治措施。