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高速公路沥青路面早期破损的原因分析及防治措施

  高速公路沥青混凝土路面的早期破损的类型、成因的分析,以及如何防止早期破损。 
  关键词沥青路面;早期破损;成因 
  沥青混凝土路面具有表面平整、无接缝、行车舒适、耐磨、振动小、噪声低、施工斯短、养护维修简便、适宜于分期修建等优点,因此获得越来越广泛的应用。在高速公路的建设中,我国的绝大部分高速公路都采用沥青混凝土路面。随着国民经济快速、协调发展,我国道路交通量日益增大,车辆迅速大型化且严重超载,使公路路面面临严峻的考验。现有高速公路的有效服务时间普遍未能达到其设计使用年限,常常在通车2~3年便出现了较为严重的早期破损现象。在当前公路建、养资金严重不足的情况下,研究沥青路面的早期破损原因及防护具有特别重的现实意义。 
  1. 沥青路面早期破损的类型 
  1.1桥头跳车桥头跳车一般是台背填土压实不足,导致填土在台背后数十米范围内下沉。其特征为沉降在行车方向是渐变的,延续距离相对较长,路面的整体强度未受破坏,路表面也少有损坏,但行车时具有明显的“波浪”感。 
  1.2沉陷沉陷一般是由基层局部成形不足,强度不够,在行车载荷和自然因素等作用下形成的。对于大面积沉陷往往是由于路基(高填方地段)不均匀沉降或局部滑移面引起的。 
  1.3裂缝路面裂缝是路面早期破损最常见的病害之一,它的危害在于从裂缝中不断进入水份使基层甚至路基软化,导致路面承载能力下降,加速路面破坏。 
  1.3.1横裂缝横向裂缝可分为荷载性裂缝和非荷载性裂缝两大类。荷载性裂缝是由于路面设计不当和施工质量低劣,或由于车辆严重超载,致使沥青面层或半刚性基层内产生的拉应力超过其疲劳强度而裂缝。非荷载性裂缝是横向裂缝的主形式,它有两种情况沥青面层温度收缩性裂缝和基层反射性裂缝。一般认为这种裂缝不可避免,对路面的整体性没有损害。 
  1.3.2纵裂缝纵向裂缝可分为两种情况一种情况是由于路基压实度不均匀,路面不均匀沉陷而引起的,如发生在半填半挖处的裂缝。另一种情况是沥青面层分幅摊铺时,两幅接茬未处理好,在行车载荷作用下,易形成纵缝。有时,车辙边缘也会有纵裂缝。 
  1.3.3龟裂龟裂又称网裂,通常是由于路面整体强度不足,基层软化,稳定性不良等原因引起的,沥青路面老化变脆,也会发展成网状裂缝。一般多发生在行车道轮迹下。 
  1.4车辙变形车辙是在行车载荷重复作用下,路面产生累积永久性的带状凹槽。 
  1.4.1结构性车辙由于荷载的作用,发生在沥青面层以下包括路基在内的各结构层的永久变形。这种车辙宽度较大,两侧没有隆起现象,横断面成凹字形。 
  1.4.2磨损性车辙由于车辆不断地磨损路面,特别是大量重型超载车辆渠化行驶在主车道上,磨损路面也会形成车辙。 
  1.4.3流动性车辙在高温条件下,车轮碾压反复作用,荷载应力超过沥青混合料的稳定度极限,使流动变形不断积累形成车辙。这种车辙一方面车轮作用部位下凹,另一方面车轮作用甚少的车道两侧反而向上隆起,在弯道处还明显向外推挤,车道线或停车线因此可能成为变形的曲线。 
  1.5坑槽沥青路面的坑槽往往都有一个形成过程,起初局部龟裂松散,在行车载荷和雨水等自然因素作用下逐步形成坑槽。 
  1.5.1压实不足性坑槽一般情况是施工时混合料温度太高,使沥青老化,粘结力降低,脆性增加,导致压实不够,粘结不牢,在行车载荷作用下,形成坑槽;另一种情况是混合料温度太低,摊铺不均匀,压实不充分,导致压实度不够形成坑槽。 
  1.5.2厚度不够性坑槽路面下面层局部标高控制不严,导致沥青上面层个别地方厚度不够,在行车作用下,部分混合料易被“带走”,形成坑槽。 
  1.5.3水损害性坑槽这种坑槽是沥青混凝土路面早期破坏中常见的坑槽,其形成过程可归纳如下 
  (1)在开始阶段,水分侵入沥青与集料的界面,以水膜或水气的形式存在,影响沥青与集料的粘附性。 
  (2)在反复荷载的作用下,沥青膜与集料开始剥离。 
  (3)渐渐地,路面开始麻面、松散、掉粒。最后形成坑槽。 
  水损害破坏是沥青混凝土路面在水或冻融循环的条件下,由于汽车轮动态荷载的作用,进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用,水分逐渐渗入沥青与集料的界面上,使沥青粘附性降低并逐渐丧失粘结力,沥青膜从集料表面脱落(剥离),沥青混合料出现掉粒、松散,继而形成沥青混凝土路面水损性坑槽。 
  1.6沥青路面的表面功能衰减沥青路面的表面功能是指沥青路面的平整、抗滑、噪音、溅水和水雾等。这里主说明路面抗滑性能的衰减。 
  在我国,沥青路面抗滑性能在通车后迅速下降主有两方面原因,第一是沥青标号过大,针入度偏大,沥青用量可能过多,路面渐渐泛油,构造深度下降,直到变成光滑的路面。第二是粗集料不耐磨,迅速磨光。 
  2. 沥青路面早期破损的形成原因 
  2.1路面结构设计上的问题采用半刚性基层时只用弯沉控制设计,忽略层底弯拉应力是否合理,变化幅度达1℃的冬夏温差对于半刚性基层和面层的温缩开裂的作用。另外,设计时没有考虑防止反射裂缝问题,路基路面应作为整体进行综合设计。还有,结构层设计厚度太小也是导致路面早期破损的重原因之一路面面层受行车水平力和垂直力的综合作用,在面层结构内产生剪应力。从力学角度而言,这种综合作用越大,面层产生的剪应力就越大。对车辆在公路上的不同位置进行受力分析可知,在车辆启动、制动处,纵坡较大的坡道以及合成坡度较大的弯道内侧,路面面层所受车辆的水平力和垂直力的合力较大,较易发生剪切破坏。同时,据有关资料分析,剪彩应力对路面的破坏一般在路面表层的5~8cm范围内,随着深度的增加,其破坏影响逐渐消失。 
  2.2路面原材料。
  (1)我省沥青材料主有盘锦9号和14号道路沥青,由于我省的气候特点是冬季寒冷、夏季炎热(最高温度7℃)、四季温差大(变化幅度1℃以上),求沥青材料具有优良的粘结力、抗老化性能、高低温稳定性能。另外,随着国民经济的蓬勃发展,公路运输超、重载现象严重,对沥青材料的性能出更高的求。沥青材料性能不过关是我省沥青路面早期破损的主原因之一,普通沥青已不能完全适应形势发展的需,推广应用改性沥青已势在必行。 
  (2)目前我省路面基层以水泥稳定或二灰稳定砂砾为主,由于料源有限且考虑经济因素就地取材,砂砾、碎石土等天然材料质量较差,使得路面基层质量难以保证。从路面材料情况来看,主问题是骨料的表面特性、形状、磨耗值、级配不能满足使用求,以及矿粉的质量难以保证,从而导致沥青混合料的内摩阻力和内聚力、粘结力下降,沥青路面也就极易发生早期破损。 
  2.3施工质量问题。 
  2.3.1对透层油或粘层油的作用认识不够,造成各结构层间连续性和粘结性差,如为降低工程造价摊铺面层前基层不洒粘层油,或洒布工艺控制不严造成计量不准、油膜不均匀、不连续稠度;基层清扫不净,残余浮土、碎石、油污等形成隔离层。 
  2.3.2我省半刚性基层施工初期曾使用五铧犁拌合,后期主是拌合机路拌,刮平机和压路机组合摊铺,极易造成水泥等粘结材料拌和不匀、基层顶面泛浆形成光滑的灰浆层或硬壳,从而层间粗糙度不足。目前全省正在大力推广工厂拌合、摊铺机摊铺的工艺,基层质量明显高。 
  2.3.3面层铺筑过程中易出现压实度不足,造成面层内部孔隙率较大,使得沥青混合料粘结力、防水性能下降,如碾压设备不当或碾压遍数不够;拌和厂离施工现场较远,运距过长,运输途中沥青混合料热量损失较大,运至现场后温度不能满足铺筑求;为保工程进度低温施工,或拌和过程中油温过高致使沥青老化。 
  2.4路面渗水高速公路路面面层损坏的一个很重的原因是由于路面渗水所引起的。天气降水渗到沥青面层中而排不出去,这样在汽车荷载及温度变化的作用下,沥青面层产生破坏。 
  2.5超、重载运输问题超、重载运输导致路面早期破坏、缩短路面设计使用寿命、增加额外补强或改建费用。因此,路面实际使用寿命与超限运输之间的定量分析,是一个不可忽视的研究课题。 
  3. 沥青路面早期破损的防护通过以上分析,可看出沥青混凝土路面早期破损与沥青混合料、路面设计施工、交通气候条件的全部或部分有联系,而交通气候条件是客观存在的,所以沥青路面早期破损防治应以路面设计、沥青混合料和施工三个方面考虑 
  3.1合理设计路面结构。 
  3.1.1尽可能减薄沥青面层厚度由于以下四方面原因,高速公路路面厚度可酌情减薄,控制在9~12cm之内。第一是半刚性基层沥青路面结构的承载能力可由半刚性材料层(基层和底基层)来承担,无需用增厚面层来高承载能力。第二是高沥青路面使用性能不是用厚的沥青面层,而是用优质沥青。第三是沥青面层的裂缝不只是反射裂缝,在正常施工情况下,大部分是沥青面层本身的温缩裂缝。第四是一般来说厚的沥青面层易导致车辙的产生。 
  3.1.2加强沥青路面防水设计。 
  3.1.3选用合理的基层和底基层结构。 
  3.2严格控制沥青混合料的质量。 
  3.2.1沥青的选取选用具有良好的高低温性能、抗老化性能、含蜡量低、高粘度的优质国产或进口沥青。在条件许可的情况下,可在沥青中掺加各种类型的改性剂,以高基性能指标。 
  3.2.2集料的选用骨料应选用表面粗糙、石质坚硬、耐磨性强、嵌挤作用好、与沥青粘附性能好的集料。如果骨料呈酸性则应添加一业数量的抗剥落剂或石灰粉,确保混合料的抗剥落性能,同时应尽量降低骨料的含水量。 
  3.2.3混合料级配的确定沥青混合料的高温稳定性和疲劳性能、低温抗裂性,路面表面特性和耐久性是两对矛盾,相互制约,照顾了某一方面性能,可能会降低另一方面性能。混合料配合比设计,实际上是在各种路用性能之间搞平衡或最优化设计,根据当地的气候条件和交通情况做具体分析,尽量互相兼顾。 
  当然为高沥青路面使用性能还可以考虑以下两个途径第一是改善矿料级配,采用沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)。第二是改善沥青结合料,采用改性沥青。 
  3.3严格控制施工质量施工质量控制不严,早期破损必然出现。所以沥青路面施工必须按全面质量管理的求,建立健全有效的质量保证体系,实行目标管理、工序管理,明确责任,对施工全过程,每道工序的质量进行严格的检查、控制、评定,以保证其达到质量标准,具体抓好以下几方面 
  3.3.1严格控制沥青混合料的拌和质量,拌合过程中发现“糊料”或“离析”等异常情况应立即进行处理;加大马歇尔试验频率,严格控制沥青混合料的油石比、稳定度、流值等指标,必时对混合料进行特殊配合比设计。 
  3.3.2保证基层顶面粗糙度。改善基层材料级配,增加粗骨料,高大中粒径集料含量;控制最佳含水量,改进碾压方法,避免过振过湿,不能使基层顶面形成灰浆硬壳,不能用细料进行压实后找平。对细粒土类的半刚性基层,必时可以采用顶面栽钉等办法加强基层顶面粗糙度。 
  3.3.3合理洒布透层油、粘层油。在进行各层铺筑前,必须保持顶面清洁。根据近年来的施工经验,对于水泥稳定类半刚性基层,透层油应以慢裂型乳化沥青为宜。用沥青洒布车喷洒时,应保持稳定的车速和喷洒量,不能流淌和形成油膜,更不能有空白,并立即撒布石屑或粗砂,用钢筒式压路机稳压一遍,将多余的浮料扫走。对旧沥青路面罩面,必须洒布粘层油粘层油应有较好的粘附性,脚踏有明显的粘附感,整个面层取芯后不易分离。对于干线公路可以设置I型稀浆封层作为粘结层,实现层间结合与防水的双重作用且不需封闭交通。 
  3.3.4高面层摊铺质量。在摊铺混合料时,运距不能过远,摊铺温度应控制在13℃~5℃为宜,摊铺厚度均匀,压实设备数量应配套,速度控制在2m/min左右,碾压遍数不能太少,以免混合料孔隙过大;一般不能进行补料,尤其是下面层;基层雨后潮湿未干,不得摊铺,更不得冒雨摊铺;纵向、横向接缝应紧密、平顺,各幅之间重叠的混合料应用人工铲走。 
  路面早期破损已成为沥青路面的主危害之一,各级公路管理部门都应引起足够的重视,并根据其成因从路面设计、原材料进场到具体施工,有针对性采取一系列预防和改善措施。同时,必须建立健全质量保证体系,从管理部门、设计部门到施工部门,层层重视、层层控制、层层落实。只有这样,才能从根本上减少沥青路面的早期破损现象的发生,使我省公路建设质量全面高,更上新台阶。 
  参考文献 
  1沈金安沥青及沥青混合料路用性能M北京人民交用出版社,21. 
  2JTJ147,公路沥青路面设计规范S. 
  3黄晓明沥青与沥青混合料M南京东南大学出版社,21. 
  文章编号16-7619(213)8-5-699