嚴(yán)寒地區(qū)瀝青路面病害防治措施研究

魏志遠(yuǎn)

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第九師交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心,新疆 塔城 834601）

0 引言

瀝青混合料的路用性能較好，在我國公路項目建設(shè)中應(yīng)用較廣泛。但是，瀝青路面可能因材料性能不合格、施工工藝差、交通量增加、養(yǎng)護(hù)不及時等運(yùn)營而產(chǎn)生各種病害，影響行車安全性和舒適度，甚至?xí)斐蓢?yán)重的交通事故。尤其是在嚴(yán)寒地區(qū)，因溫度較低、晝夜溫差大等，會導(dǎo)致瀝青路面施工難度加大，受力機(jī)理更加復(fù)雜，交通事故頻發(fā)[1]。因此，進(jìn)一步研究嚴(yán)寒地區(qū)瀝青路面病害成因和防治措施具有重要的意義。

1 工程概況

1.1 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

研究對象為某嚴(yán)寒地區(qū)二級公路，探討其瀝青路面病害成因及防治措施。該二級公路路線全長38.5 km，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙車道，路基寬12 m，以填方路基為主（平均填高約5.0 m），一級、二級、三級邊坡坡率分別為1 ∶1.5、1 ∶1.75、1 ∶2.0。當(dāng)邊坡高度＜4 m 時，采用植草防護(hù)；反之，采用拱形骨架或空心六棱塊防護(hù)。同時，瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚68 cm，路面結(jié)構(gòu)組合為3 cm AC-13+5 cm AC-16+1 cm 碎石下封層+25 cm 水泥穩(wěn)定礫石基層+30 cm級配礫石底基層。

1.2 氣候氣象

項目所在區(qū)域的氣溫較低，年平均氣溫約-6.8～6.5 ℃，每年有4~5 個月凍結(jié)期，沿線分布大量凍土，對瀝青路面結(jié)構(gòu)性能影響較大。按地溫不同，可將公路沿線的凍土劃分為穩(wěn)定多年的凍土區(qū)、亞穩(wěn)定多年凍土區(qū)、不穩(wěn)定多年凍土區(qū)、極不穩(wěn)定多年凍土區(qū)。在同一地貌單元中，不同區(qū)域的含冰量也不相同，山嶺區(qū)含冰量最高，河谷平原區(qū)含冰量最低。同時，陰坡含冰量明顯大于陽坡。

2 嚴(yán)寒地區(qū)瀝青路面病害類型和成因

2.1 瀝青路面病害類型

經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該二級公路的瀝青路面病害以縱向裂縫、橫向裂縫、網(wǎng)裂、車轍、沉陷等病害為主，具體比例見圖1。

圖1 不同瀝青路面病害占比

由圖1 可知：嚴(yán)寒區(qū)瀝青路面病害以橫向裂縫為主（46.5%）、縱向裂縫次之（28.8%），車轍病害最?。?.0%）。其他路面病害占比過小，該文分析時暫不考慮。

（1）路面裂縫病害。橫向裂縫大部分為貫穿裂縫，即在左、右兩幅路面貫通，裂縫寬度在1.0~2.5 cm。而非貫穿裂縫的寬度較小，基本在0.2~1.0 cm。橫向裂縫的發(fā)育程度與路面養(yǎng)護(hù)情況密切相關(guān)，如果橫向裂縫出現(xiàn)后沒有及時灌縫處理，容易發(fā)育成貫穿性裂縫。縱向裂縫直接受路基變形、邊坡?lián)p毀等影響，常出現(xiàn)在高填方路基區(qū)域。縱裂裂縫的寬度要明顯大于橫向裂縫，寬度大多在3.0~6.5 cm?？v向裂縫一旦出現(xiàn)，會快速發(fā)展，一般的灌縫措施對縱向裂縫的控制效果有限；網(wǎng)裂是嚴(yán)寒地區(qū)瀝青路面的典型病害，常伴隨有橫向裂縫，但裂縫較細(xì)，網(wǎng)裂面積約10~25 m2。

（2）路面沉陷病害。嚴(yán)寒地區(qū)的瀝青路面沉陷具有突發(fā)性、蔓延性等特點(diǎn)，對行車安全性和舒適性影響較大。經(jīng)調(diào)查，低路基出現(xiàn)重度沉陷的比例遠(yuǎn)大于高路基。出現(xiàn)在低路基路段的重度沉陷，大多在高含冰量地區(qū)，主要原因在于：路基高度較低時，路面熱量會向下傳遞[2]。由于路面熱量不均勻，在相同外界荷載作用下路基底部沉降也不均勻，從而導(dǎo)致路面沉陷。

（3）路面車轍病害。車轍是指公路瀝青路面在車輛荷載反復(fù)作用下所出現(xiàn)的凹、凸變形，包括結(jié)構(gòu)性車轍、失穩(wěn)性車轍、磨損性車轍三類。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，瀝青路面車轍病害大多發(fā)生在縱坡、路側(cè)積水、車輛頻繁啟動制動的等路段，且大部分車轍屬于失穩(wěn)性車轍。

2.2 瀝青路面病害成因

（1）材料原因。瀝青混合料原材料是影響瀝青路面病害的基礎(chǔ)因素，惡劣的外界環(huán)境會使瀝青路面的性能衰減。比如在嚴(yán)寒地區(qū)，半剛性基層材料無法快速形成高強(qiáng)度板體，無法有效承擔(dān)車輛荷載。半剛性基層的干縮、溫縮現(xiàn)象明顯，收縮裂縫會向上傳遞，產(chǎn)生大量的反射裂縫；再比如瀝青延度減小、脆性增大，使得低溫抗裂性能變差，在相同車輛荷載下容易產(chǎn)生裂縫。根據(jù)相關(guān)研究成果，嚴(yán)寒區(qū)瀝青路面的材料性能可用式（1）表達(dá)[3]：

式中，τ——材料所受剪應(yīng)力（kPa）；σ——材料所受正應(yīng)力（kPa）；c——瀝青混合料黏聚力（kPa）；φ——瀝青混合料內(nèi)摩擦角（°）。

（2）施工工藝原因。相對于一般地區(qū)，嚴(yán)寒地區(qū)的公路施工工期短、施工溫度低，且晝夜溫差較大，很難完全按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中的施工工藝施工。大量工程實(shí)踐表明，嚴(yán)寒地區(qū)瀝青路面的最佳施工時間為每年的5—9 月，不利于路面的連續(xù)鋪筑，導(dǎo)致路面路用性能差。

（3）交通荷載原因。一般情況下，嚴(yán)寒地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展較慢。由于投資金額的限制，前期的公路建設(shè)質(zhì)量較差，比如路面結(jié)構(gòu)層厚度小、瀝青混合料性能指標(biāo)差、排水設(shè)施少等。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，公路沿線交通量迅速增加，尤其是超載車輛的占比越來越高。當(dāng)交通累計作用軸次超出瀝青路面的設(shè)計承載能力，路面結(jié)構(gòu)就會發(fā)生疲勞破壞。超載對嚴(yán)寒地區(qū)瀝青路面的破壞程度可用有限元法模擬。該文計算了瀝青路面在不同工況下的應(yīng)力峰值，如圖2 所示。

圖2計算結(jié)果表明：在超載條件下，瀝青路面的各項應(yīng)力均大幅度地增大。比較無坡、0.7 MPa、勻速和5°坡、1.3 MPa、加速兩種工況，后者的縱向拉應(yīng)力峰值、縱向壓應(yīng)力峰值、水平剪應(yīng)力峰值分別是前者的755%、290%、380%。這說明超載對嚴(yán)寒地區(qū)的瀝青路面破壞十分嚴(yán)重，尤其是在長大縱坡段路。

（4）養(yǎng)護(hù)原因。部分瀝青路面病害可能是因?yàn)轲B(yǎng)護(hù)不及時或養(yǎng)護(hù)方案選擇不當(dāng)而產(chǎn)生的，具體闡述如下：一是公路在反復(fù)凍融作用下，路肩土密度減小，路肩抬高，路面形成積水槽。在連續(xù)降雨天氣下，雨水徑流在路面長期集聚，并滲入路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部，破壞瀝青混合料結(jié)構(gòu)；二是路基兩側(cè)的邊溝或排水溝清理不及時，使其喪失了排水、導(dǎo)水等作用，從而造成路面浸水受損。

3 嚴(yán)寒區(qū)瀝青路面病害防治措施

3.1 材料性能控制

在瀝青路面正式鋪筑之前，施工單位要調(diào)查公路沿線的料場，對不同廠家的瀝青路面原材料的性能指標(biāo)、單價、運(yùn)輸條件等進(jìn)行對比，以篩選出最合適的原材料。需注意，瀝青路面原材料不得為了追求低成本而選擇無生產(chǎn)日期、無生產(chǎn)合格證、無生產(chǎn)廠家的劣質(zhì)材料。瀝青路面原材料在進(jìn)場后，要按設(shè)計文件要求對其各項性能指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)，合格后才能用于施工，不能將生產(chǎn)廠家提交的生產(chǎn)合格證明作為材料進(jìn)場驗(yàn)收依據(jù)[4]。同時，要將瀝青路面原材料儲存在通風(fēng)、干燥的環(huán)境中，不得將材料露天儲存，以免降雨影響材料物理力學(xué)性能。

3.2 施工工藝控制

（1）混合料拌和技術(shù)。為了克服嚴(yán)寒環(huán)境對瀝青路面施工質(zhì)量的影響，延長施工時間，建議瀝青混合料拌和采用溫拌技術(shù)，即在瀝青混合料中加入各種溫拌劑，使其能低溫條件下正常拌和。根據(jù)機(jī)理不同，可將瀝青路面溫拌技術(shù)劃分為降黏型溫拌技術(shù)、發(fā)泡型溫拌技術(shù)、表面活性溫拌技術(shù)等，其在拌和期間的優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾方面；產(chǎn)生有害氣體少、消耗的能源少、基質(zhì)瀝青老化程度低、混合料溫度降低速度慢，且混合料與周圍環(huán)境溫差小，易于壓實(shí)。

（2）混合料運(yùn)輸。相對于一般地區(qū)，嚴(yán)寒地區(qū)瀝青混合料溫度下降較快，在運(yùn)輸前要規(guī)劃好路線，以免運(yùn)輸期間長時間擁堵，導(dǎo)致混合料攤鋪溫度不滿足施工要求。同時，還要在瀝青混合料運(yùn)輸?shù)能噹撞亢蛢蓚?cè)涂抹隔離油，并覆蓋薄膜進(jìn)行保溫處理。

（3）有效壓實(shí)時間。有效壓實(shí)時間對嚴(yán)寒區(qū)瀝青路面的壓實(shí)質(zhì)量起著決定性作用，且決定了瀝青混合料的冷卻速度。瀝青路面的有效壓實(shí)時間受外界環(huán)境的氣溫和風(fēng)速的影響最大。一般情況下，外界環(huán)境氣溫越低，與瀝青混合料的溫差越大，瀝青混合料的有效壓實(shí)時間越短。而在外界環(huán)境氣溫相同的條件下，風(fēng)速越大，瀝青混合料內(nèi)部熱量向外部的傳遞速度越快，有效壓實(shí)時間也會減小。該文利用Pavecool 軟件計算了不同氣溫和不同風(fēng)速下的瀝青路面的有效壓實(shí)時間，見表1。

表1 氣溫和風(fēng)速對瀝青路面有效壓實(shí)時間的影響

由表1 可知：隨著外界氣溫的增加，瀝青路面的有效壓實(shí)時間不斷增大，且兩者基本呈線性正相關(guān)關(guān)系。外界氣溫每增加2 ℃，瀝青路面的有效壓實(shí)時間平均增加1.5 min。同時，隨著外界風(fēng)速的增加，瀝青路面的有效壓實(shí)時間減小，兩者之間的關(guān)系可用二次多項式函數(shù)模擬，見式（2）：

式中，y——有效壓實(shí)時間（min）；x——外界風(fēng)速（m·s-1）。

3.3 沿線交通量控制

為了避免交通量過大加劇瀝青路面病害，應(yīng)在二級公路沿線安裝“限重”“禁止超載”等交通標(biāo)志。大量工程實(shí)踐表明，交通標(biāo)志的支撐方式有有柱式、懸臂式、門架式等，在設(shè)計時主要考慮恒載、風(fēng)荷載等，并確保交通標(biāo)志在荷載效應(yīng)組合設(shè)計值下的變形量d滿足式（3）：

式中，dG——交通標(biāo)志在恒載的變形量（cm）；dQ——交通標(biāo)志在風(fēng)荷載作用下的變形量（cm）；[d]——允許變形量（cm）。

3.4 預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)選擇

嚴(yán)寒地區(qū)瀝青路面采用預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施能及時恢復(fù)路面性能，防止病害的進(jìn)一步擴(kuò)展。目前，國內(nèi)比較成熟的瀝青路面養(yǎng)護(hù)措施有裂縫填封、表面封層、薄層罩面三類。

（1）裂縫填封技術(shù)。裂縫填封技術(shù)是利用高黏度的裂縫密封膠來填封裂縫的方法，能有效地防止雨水、冰雪等沿著裂縫滲入路面結(jié)構(gòu)層，從而使裂縫繼續(xù)發(fā)育，并延長公路的運(yùn)營壽命。裂縫填封技術(shù)一般只用于路面局部裂縫處理，且周邊沒有大面積的輕微網(wǎng)裂。

（2）表面封層技術(shù)。表面封層技術(shù)是在瀝青路面上敷設(shè)一層養(yǎng)護(hù)層來保護(hù)舊路面。常用的封層技術(shù)有霧封層、碎石封層、稀漿封層、微表處等，不同封層技術(shù)的對比見表2[5]：

表2 嚴(yán)寒地區(qū)表面封層技術(shù)對比

（3）薄層罩面技術(shù)。薄層罩面技術(shù)是瀝青混合料加鋪在路面上，補(bǔ)強(qiáng)路面結(jié)構(gòu)，從而延緩路面性能劣化，罩面厚度一般不大于2.5 cm。相對于其他預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，薄層罩面技術(shù)費(fèi)用較高，且施工難度大，多用于瀝青路面破損嚴(yán)重的路段。

4 結(jié)語

該文以某嚴(yán)寒地區(qū)二級公路為研究對象，研究了瀝青路面常見病害的成因，并提出了相應(yīng)的防治措施，得到了以下幾個結(jié)論：

（1）嚴(yán)寒地區(qū)瀝青路面病害以縱、橫向裂縫為主，車轍或沉陷等病害的占比較少。

（2）嚴(yán)寒地區(qū)瀝青路面病害主要是由材料不合格、施工工藝不當(dāng)、交通荷載過大、養(yǎng)護(hù)不及時等因素造成。

（3）為了減少或避免嚴(yán)寒地區(qū)瀝青路面病害，要嚴(yán)格控制原材料進(jìn)場，合理確定瀝青混合料的拌和、運(yùn)輸工藝及有效壓實(shí)時間。

（4）嚴(yán)寒地區(qū)瀝青路面預(yù)防性養(yǎng)護(hù)技術(shù)有裂縫填封、表面封層、薄層罩面三類，應(yīng)結(jié)合項目實(shí)際情況選擇。