河南省高速公路較長壽命路面的分析探討

陳 翔

（華設(shè)設(shè)計集團股份有限公司,江蘇 南京 210098）

0 引言

近年來，交通運輸部和部分省份提出了長壽命路面的思路和行動步驟，公路學會也設(shè)立了長壽命路面獎。長壽命路面的探索和實踐，對于延長高速公路路面壽命、提升公路服務水平、節(jié)約全壽命周期管養(yǎng)成本都有非常重要的意義。

河南省交通運輸發(fā)展集團有限公司（以下簡稱交發(fā)展集團）針對“13445 工程”項目印發(fā)了《關(guān)于推進長壽命瀝青路面建設(shè)指導意見》的通知，旨在控制路面早期病害，全面實現(xiàn)“13445 工程”項目瀝青路面十五年不大修的目標。

1 長壽命路面定義及標準

1.1 長壽命路面基本特征

關(guān)于長壽命路面的定義，目前尚未有明確的一致標準，路面結(jié)構(gòu)形式呈多樣化。但存在共同點：

（1）路面的設(shè)計壽命至少30 年。

（2）路面壽命內(nèi)無結(jié)構(gòu)性破壞，僅允許表面層損壞。

（3）只進行周期性的小修和中修，不需要進行結(jié)構(gòu)性大修或重建。

（4）初期建設(shè)費用較高，但維修費用低，總費用效益比最大[1]。

1.2 河南省長壽命路面要求及定義

根據(jù)長壽命路面基本特征，河南省提出的“長壽命路面”不能稱作完全意義上的長壽命路面，可將其命名為“較長壽命路面”。

2 河南省高速公路路面壽命關(guān)鍵性因素分析

2.1 自然環(huán)境及軸載特點

氣候條件：河南屬暖溫帶—亞熱帶、濕潤—半濕潤季風氣候，年平均氣溫在12～16 ℃之間，極端最低氣溫-21.7 ℃；極端最高氣溫44.2 ℃。

降雨情況：年平均降水量約為500～900 mm，全年降水的50%集中在夏季，常有暴雨。

交通量情況：部分路段日交通超過7 萬輛，貨車比例大，貨車占比超過40%。

2.2 河南省高速公路典型路面結(jié)構(gòu)

近5 年，河南省高速公路典型路面結(jié)構(gòu)如圖1 所示，面層厚度18 cm，總厚度72 cm。

圖1 河南省典型路面結(jié)構(gòu)形式

2.3 既有高速路面性能特征分析

2.3.1 路面結(jié)構(gòu)性破壞特征

根據(jù)《河南省交通運輸發(fā)展集團高速公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究思路》對河南省部分高速公路項目路面破壞數(shù)據(jù)統(tǒng)計，總厚度大于70 cm 的瀝青路面，重載交通使用15 年左右，路面基層發(fā)生疲勞破壞的比例為5%～15%，部分項目甚至小于2%。基于以上數(shù)據(jù)，河南省半剛性基層的典型路面結(jié)構(gòu)在保證施工質(zhì)量的前提下，使用15 年內(nèi)，路面結(jié)構(gòu)性破壞的風險是可控的。所以該次較長壽命路面仍考慮采用半剛性基層，總厚度控制在70 cm以上。

2.3.2 路面破損特征

2020 年河南省交通科技項目《基于軸載譜的瀝青路面破損特征與養(yǎng)護對策研究》課題對部分高速公路路面破損病害進行統(tǒng)計分析，如圖2 所示，路面病害主要為橫向裂縫、縱向裂縫及修補。

圖2 路面病害折算面積統(tǒng)計（一）

同時結(jié)合收集的二廣高速濟洛段、德上高速范縣段、大廣高速濮陽段、大廣高速省界段、鄭盧高速路面養(yǎng)護及破損數(shù)據(jù)，如圖3 所示，橫向裂縫、縱向裂縫及修補仍是最為常見的路面病害類型。

圖3 路面病害折算面積統(tǒng)計（二）

橫向裂縫及其衍生病害，對于河南省乃至全國高速公路而言，都是最為主要的病害類型之一。一方面可控制水穩(wěn)基層收縮裂縫，提高面層抗裂性能來減少橫向裂縫的產(chǎn)生；另一方面可增加瀝青面層厚度延長裂縫發(fā)展路徑，延緩半剛性基層反射裂縫。對于重載交通，可通過采用優(yōu)質(zhì)改性瀝青、加強質(zhì)量控制等減少縱向裂縫[2]，處理好以上路面破損病害是保證高速公路路面長壽命的關(guān)鍵因素之一。

2.3.3 路面抗滑性能

路面的抗滑性能與表面層碎石品質(zhì)和混合料選型有關(guān)。河南省高速表面層多采用細粒式瀝青混凝土AC-13，少部分采用瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13；表面層集料石灰?guī)r、玄武巖（輝綠巖）均有采用，現(xiàn)以抗滑指標橫向力系數(shù)SFC進行對比分析，詳見表1。

表1 不同巖性表面層抗滑性能對比

SMA 表現(xiàn)出比AC 更好的抗滑性能；與采用玄武巖的表面層相比，采用石灰?guī)r（即使材料磨光值滿足要求）的表面層抗滑性能衰減更快，合格率難以保證。

3 適用于河南省高速公路路面結(jié)構(gòu)方案

3.1 推薦路面方案

結(jié)合河南地域特點及既有高速公路病害，選擇合理、經(jīng)濟的路面結(jié)構(gòu)形式，如圖4 所示，路面總厚度約76 cm（表面層集料玄武巖或輝綠巖）。

圖4 推薦路面結(jié)構(gòu)方案

3.2 推薦路面方案對河南省較長壽命路面的響應

（1）表面層集料玄武巖：表面層集料采用玄武巖（輝綠巖）保證了路面抗滑性能的持久性。

（2）表面層混合料采用SMA：相比較于細粒式瀝青混凝土AC，瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA 擁有更優(yōu)的抗滑性能、水穩(wěn)定性、高低溫抗裂性能、抗老化性能，能有效地提升路面抗滑性能，抑制橫向裂縫及縱向裂縫。

（3）下面層混合料采用ATB：相比較于AC，ATB級配粗集料比例更多，級配連續(xù)，空隙率較小，油石比AC 低，有較高的承載能力，抗車轍能力較好，對減少永久變形、減輕水敏感性、提高強度和穩(wěn)定性有利，適用于重載交通，作為下面層材料河南省應用成熟。

（4）面層厚度增加至22 cm：一方面瀝青厚度的增加能夠有效地延緩半剛性基層反射裂縫；另一方面能減少面層底的彎拉應力，延長瀝青路面的疲勞壽命[3]。

3.3 推薦路面方案在河南省的應用與實踐

2005—2015 年（通車年）期間河南省已經(jīng)嘗試采用瀝青穩(wěn)定碎石ATB 作為下面層，并在多條高速上應用，面層厚度均大于20 cm，目前來看路面使用狀況良好，能夠滿足瀝青路面十五年不大修的目標，詳見表2。

表2 河南省高速公路使用情況（ATB 下面層）

鄭云高速與機西高速交通量小且通車年限短，現(xiàn)場路面狀況良好，如圖5、圖6 所示。該次重點分析通車時間長且交通量大、貨車比例高的荷寶高速及鄭漯高速，即將荷寶高速濟源至焦作段和荷寶高速焦作至新鄉(xiāng)、鄭漯高速擴建鄭州至許昌段和鄭漯高速擴建許昌至漯河段分別進行對比分析。

圖5 鄭云高速鄭州至武陟段（雙六）

（1）根據(jù)《少新管理處2015 年路面專項工程施工圖設(shè)計工作報告》，現(xiàn)對荷寶高速新鄉(xiāng)至濟源中不同路面結(jié)構(gòu)的兩段分析比較，分別是荷寶高速濟源至焦作段（濟焦段）和荷寶高速焦作至新鄉(xiāng)段（焦新段），詳見表3。

表3 荷寶高速濟源至焦作段和荷寶高速焦作至新鄉(xiāng)段路面對比分析

對比結(jié)果可知，濟焦段和焦新段2014 年斷面日平均交通量基本相當，濟焦段略大于焦新段，截至2015 年，濟焦段通車共10 年，焦新段通車共8 年，路面狀況濟焦段明顯較優(yōu)。

（2）2020 年荷寶高速濟源至焦作段斷面日平均交通量約4.55 萬輛，焦作至新鄉(xiāng)段斷面日平均交通量約4.7萬輛，重載比例均為60%左右，路面現(xiàn)狀情況如圖7、圖8 所示。

圖7 荷寶高速濟焦段

圖8 荷寶高速焦新段

根據(jù)2021 年5 月份現(xiàn)場取芯調(diào)查，濟焦段裂縫芯樣完整，僅在芯樣表面存在裂縫，面層厚度與設(shè)計厚度相符，如圖9、圖10 所示；焦新段芯樣下面層存在松散，裂縫貫穿整個芯樣，如圖11、圖12 所示。

圖9 濟焦段裂縫

圖10 焦新段裂縫

圖11 濟焦段裂縫處芯樣

圖12 焦新段裂縫處芯樣

結(jié)論：濟焦段路面結(jié)構(gòu)形式面層厚度大于20 cm，表面層采用改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13），下面層采用密級配瀝青碎石（ATB-25），目前路面狀況良好，已達成15 年不大修的目標。相比較于焦新段，對路面病害的抑制作用，延長路面壽命等方面更加有利。

4 結(jié)論

推薦的路面結(jié)構(gòu)形式能夠達到在重載交通條件下十五年不大修的目標，在防治路面早期損壞、增強工程耐久性、延長路面使用壽命等方面比較，河南省典型路面結(jié)構(gòu)具有很大的優(yōu)勢，河南省“13445 工程”部分高速公路已推薦采用。