連續上坡路段“白改黑"路面早期病害成因分析與處治方案研究

■連銘恒

（福建省交通規劃設計院，福州 3 50004）

1 引言

瀝青混凝土路面具有表面平整、無接縫、震動小、行車舒適、耐磨損、噪音小、適應變形能力強、密水性、彈性恢復性能好等特點，其高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗疲勞性能優良，加之維修、養護方便，作為長壽命路面后期維修護費用低，總體路用性能優良。故在當下公路建設中得到了大規模的應用。隨著國家經濟和社會的發展，公路交通事業也得到了快速的發展，在保證經濟效益比最大化的前提下，對既有水泥混凝土路面行車舒適度的提高，加鋪瀝青混凝土面層（簡稱“白改黑”）成了不二之選。近年來我省的公路改擴建及“白改黑”項目也陸續展開。但隨之而來的也有“白改黑”存在的技術問題。

2 工程概況

某公路“白改黑”改造工程，路線長度2.3km，主線為雙向4車道，標準路基寬度23m，平均縱坡4.70%，上行線為連續下坡，下行線為連續上坡。項目自然區劃為武夷副區Ⅳ-6a，屬亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫19.8℃，極端高溫38.4℃，極端低溫-2.8℃，年日照時數1442～2043h，無霜期 270～299 天，年平均降水量 1608～2137mm。氣候溫和，雨量充沛，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季常青，適宜亞熱帶作物和林木的生長。該項目工程可行性研究報告提供的交通量預測分析：項目建成通車第一年雙向四車道路段設計軸載（100kN）雙向平均當量軸次為937次/日，一個車道累計當量軸次為4636372次。該項目根據工可預測交通量和公路對路面強度、平整度、透水性、防滑、耐磨耗、耐久性、行車舒適等要求，并結合路段氣候、水文、地質、材料來源、造價全壽命成本等情況，于2015年9月完成加鋪改造，路面結構見圖1所示。

3 早期病害

路面早期病害主要集中于面層，較為常見的有裂縫類病害、松散類病害、變形類病害及泛油等其它病害。產生病害的原因通常歸結為：交通條件、氣候條件、施工因素、材料因素等。該項目病害當前主要出現在下行線2.3km連續上坡路段的主車道輪跡帶處，路段縱坡范圍為3.006%～5.709%，主要病害表現為車轍、局部坑槽、推擠松散等。

圖1 “白改黑”后路面結構

3.1 推擠松散

病害集中出現于主車道外側輪跡帶位置，瀝青混凝土向車道外方向推擠，并隆起松散，發展后期在輪載積水影響下形成坑槽。該病害如圖2所示。

3.2 塑變車轍

車轍出現部位以主車道為主，尤其是主車道外側輪跡帶，有明顯塑性變形跡象，車轍周邊隆起部位因變形產生不同程度的開裂或松散，車轍最大深度達到4～5cm。該病害如圖3所示。

圖2 推擠松散病害

圖3 塑變車轍病害

3.3 坑槽修補

坑槽修補位置以主車道外側輪跡帶至外邊線位置為主；坑槽病害總體上為上大下小特點，具有自上而下的發展特征。該病害如圖4和圖5所示。

圖4 坑槽修補病害（1）

3.4 泛油

主車道與超車道輪跡帶位置可見明顯二次壓密產生的路面泛油。該病害見圖3.5所示。

4 成因分析

圖5 坑槽修補病害（2）

圖6 泛油病害

既有水泥砼路面加鋪瀝青砼面層的結構和材料性能的復雜性決定了其性能的多樣性。路面性能和使用壽命與其結構設計、材料性能、材料組成及配合比、施工工藝、施工管理、施工機械、基層質量、車流情況、氣候特征等多種因素有關。任何一個環節沒有控制好，都將縮短瀝青路面的使用壽命。考慮到龍巖地區重載車輛較多，本項目病害主要集中在連續上坡路段的主車道。連續上坡的坡度坡長、多軸車的占有量、重載車輛的爬坡速度等因素也與病害密不可分。

綜上所述，并根據檢測調查結果綜合推斷：本路段以“推擠松散”為主要特征的路面病害是由于瀝青混凝土力學性能不足，在連續長大上坡路段多軸重載車輛荷載作用下于輪跡帶處產生塑性流動變形，變形隆起部位（以輪跡帶與外側邊線位置為主）由于變形量超出瀝青混凝土承受能力而開裂松散，繼而衍生坑槽病害。綜合分析主要原因如下：

（1）本項目連續上坡的路段特性：連續上坡路段路面病害的形成與坡度和坡長密不可分，坡度越大，坡長越長，病害越嚴重。但坡度與坡長是雙重因素作用于路面病害，對于坡度大、破長小，或者坡長大、坡度小的路段，病害并不嚴重，而對于連續爬坡路段通常是路面病害形成的高發區。

表1 瀝青混合料試驗檢測結果匯總表

連續上坡路段本就是路面病害的集中區，加之項目所在地區多軸重載車輛較多，在連續上坡路段由于爬坡能力不足，速度較低，增加了荷載作用時間，車輛行駛表現為間歇的跳躍式前進，對路面產生一定的水平沖擊力，對于瀝青混合料這種粘彈性材料，車輛低速行駛相當于增加了荷載作用時間，輪胎與路面間摩擦產生摩擦熱，瀝青路面瞬間溫度升高，瀝青材料勁度模量降低，從而導致車轍迅速增加。

（2）瀝青混合料瀝青含量偏高：通過實驗檢測（檢測結果見表1），瀝青混合料中瀝青含量較高，兩次檢測上面層瀝青含量分別為6.03%、6.02%（未經修正，設計油量4.7%），下面層瀝青含量分別為5.38%、5.58%（未經修正，設計油量4.4%），超出規范控制范圍。

較高比例的瀝青含量使得瀝青混凝土中存在相當比例的自由瀝青，造成瀝青混凝土力學性能不足，在車輛荷載作用下使路面瀝青層產生塑性流動變形，即推擠、車轍等病害。

（3）瀝青混合料級配偏離：通過瀝青混合料級配實驗檢測（檢測結果見表1），上面層AC-16C瀝青混合料有略微偏粗情況；下面層AC-20C瀝青混合料嚴重偏細。

下面層瀝青混合料嚴重偏細，在瀝青含量偏高的情況下，進一步加劇弱化了瀝青混凝土的力學抗剪性能；上面層瀝青混合料略有偏粗，但影響有限。

（4）層間粘結不良：本次檢測共取芯12處，其中5處因為斷裂只取出上面層芯樣；切割板板底平整面比例較大，表明：瀝青層之間、瀝青層與水泥混凝土板之間的粘結狀況均不理想；項目也結合探坑取樣，對瀝青混凝土面層與水泥混凝土板間的粘結情況進行了觀測，開挖狀況顯示：二者之間粘結狀況不良，在周邊切割情況下，可以通過外力將整塊瀝青混凝土（約50cm×50cm）撬動掀起，并且粘結界面處（板底）外觀平整（如圖7所示）。

對于瀝青路面“白加黑”工程，由于水泥混凝土板與瀝青混凝土間的巨大模量差異，層間粘結的作用尤其重要，層間粘結不良加劇了本項目路面的塑性變形病害。

（5）瀝青粘附性不良：現場觀察顯示，病害位置瀝青混合料的粘結情況較差，剝離現象明顯，說明原抗剝落措施在路面推擠松散、泡水情況下，作用效果有限。

（6）路面坑槽、輪跡帶泛油、松散等為路面推擠的衍生病害。

圖7 切割板撬取狀態圖片

5 處治方案

道路瀝青路面早期破損的主要形式是推移破壞，舊水泥混凝土板塊對瀝青混凝土面層粘結力不足是產生這種破壞的重要原因。同時，對既有水泥砼面板的病害處理也是不可忽視的重要環節，只有在老路質量合格的前提下，加鋪瀝青混凝土的耐久性才有所保障。根據《公路水泥混凝土路面養護技術規范》(JTJ 073.1-2001)，在進行既有水泥砼板塊病破損害處理的過程中，本著節約投資、保證質量的原則，應著重注意以下幾點：

（1）當板塊有2條以上的貫穿裂縫或該板塊有不少于兩個的板角斷裂，或者一個板角斷裂面積大于1/4板塊，但基層完好。針對這幾種情況，先將混凝土板破除后，清掃基層表面松散部分，然后采用C35混凝土進行換板處理。

（2）當混凝土內僅有1條貫穿裂縫，或一個板角斷裂，且板角斷裂所占面積小于1/4塊板時，只進行板塊的局部維修。經過以上技術處理措施的混凝土板應達到以下技術要求：混凝土板彎沉 （BZZ-100）應不大于20（0.01mm），相鄰混凝土板間的彎沉（BZZ-100）差應不大于 6（0.01mm）。

（3）裂縫維修根據損壞嚴重程度分別處治：① 若板內有裂縫且板內無錯臺，則不需要更換板，只進行裂縫維修既可，但經處理后，應滿足板角彎沉（BZZ-100）不大于20（0.01mm），裂縫間彎沉（BZZ-100）差應不大于 6（0.01mm）的技術要求，否則應進行灌漿處理；② 若板內有裂縫且板內有錯臺，則應進行換板處理。

（4）對構造縫進行清縫、填縫等恢復處治。填縫采用混凝土路面專用填縫料。在混凝土板維修后，對填縫料已失效的構造縫進行清縫，清縫后重新灌縫處理。

（5）對于板與板之間發生錯臺的地方：若混凝土板與板之間發生錯臺，且錯位位移在5mm以下，可以不進行處理；若錯臺位移在5～10mm之間，可采用磨平機磨平；若錯臺位移大于10mm，則需清除位置低的一塊，然后按進行換板處理。

（6）當混凝土板板角彎沉 （BZZ-100）在20至40（0.01mm）時，該混凝土板視為脫空。對脫空板塊進行灌漿處理。

（7）為了保證舊混凝土路面與新鋪瀝青路面很好地結合，主線瀝青砼路面下面層加鋪前應對水泥砼路面表面進行處理，銑刨干凈后應進行清洗、風干、拉毛，其要求應不低于橋面鑿毛后清洗的要求（厚度不低于6mm）。下面層施工中，為了避免施工車輛帶走粘層，在粘層表面還應撒布一層熱拌瀝青碎石，同時施工中還應要求被車輪帶走的粘層應及時補噴。

綜合上述所述，提出整治維護建議方案：

（1）方案一（鋪設特立尼達湖瀝青）

銑刨舊路“主車道+超車道”瀝青混凝土層后（若有破損的水泥板則進行維修），精銑刨+熱瀝青表處層間處理后，加鋪單層10cmTLA（特立尼達湖瀝青）改性瀝青AC-16C面層（TLA摻量20%～30%）。如圖8所示。

表2是基質瀝青AH-70、SBS改性瀝青、TLA改性瀝青性能指標匯總。

通過表2可知，SBS改性瀝青比基質瀝青提高了一個針入度等級，軟化點也有所提高，TLA改性瀝青又比SBS改性瀝青再提高一個針入度等級，這是其它一般瀝青改性劑難以達到的。同SBS改性瀝青相比，花同樣多的錢，TLA改性瀝青混合料能把道路承載能力的等級比SBS改性瀝青混合料提高了一個等級。隨著TLA摻量的增加，改性瀝青各個溫度的針入度均下降，軟化點、當量軟化點和粘度均上升，表明摻加TLA后，瀝青的高溫穩定性能得到了提高，而且TLA摻量較大時，改性效果更明顯,但是TLA摻量過大會使得改性瀝青的粘度較大而造成施工較困難，同時會提高TLA改性瀝青的成本。

表2 基質瀝青AH-70、SBS改性瀝青、TLA改性瀝青性能指標匯總表

綜上所述，TLA改性瀝青能夠明顯改善瀝青混合料力學性能，具有良好的抗車轍性能，同時TLA改性瀝青與石料粘附性好，能提高路面抗水損害能力，能極大地提高路面的抗荷載能力，并經久不壞（耐老化）。

圖8 方案一路面結構

方案一主要是在保證施工質量的基礎上，通過對原材料的改變來應對“白改黑”路面的早期病害。10cm單層施工減少界面缺陷機率，有利于保持路面整體性，且路面標高保持不變，同時，隨著國內外瀝青價格的節節上漲，TLA改性瀝青價格已經與SBS改性瀝青的價格基本持平或略低。

（2）方案二（加厚瀝青混凝土層）

銑刨舊路單幅瀝青混凝土層后 （若有破損的水泥板則進行維修），精銑刨+熱瀝青表處層間處理后，加鋪8cmATB-25+5.5cm SBS改性瀝青AC-20C+4.5cm SBS改性瀝青AC-13C。如圖9所示。

圖9 方案二路面結構

該方案主要是在保證施工質量的基礎上，通過加厚瀝青混凝土層來減緩應力反射，同時提高瀝青混凝土層抗荷載能力。但該方案改變了加鋪層厚度，同時需改變護欄等設施的凈空高度，改造動作較方案一大且造價較高。

（3）方案三（增設應力吸收層）

銑刨舊路單幅瀝青混凝土層后 （若有破損的水泥板則進行維修），精銑刨+熱瀝青表處層間處理后，加鋪2cm應力吸收層 +5.5cm SBS改性瀝青AC-20C+4.5cm SBS改性瀝青AC-13C。如圖10所示。

瀝青混凝土路面層間的力學機理十分復雜,在重復荷載應力和變溫應力作用下,瀝青層拉應力、剪應力可能呈現各種復雜情況。該方案主要是在保證施工質量的基礎上，通過增設應力吸收層來遏制應力反射，同時提高瀝青混凝土與既有水泥砼路面的層間粘結力。

但方案三也改變了加鋪層厚度，同時需改變護欄等設施的凈空高度，改造動作較方案一大且造價較高。

圖10 方案三路面結構

6 結語

瀝青路面早期破損被交通部列為公路工程 “八種類型大質量通病”之一，福建省是山嶺重丘較多的地區，隨著公路的日益發展，路線設計中不可避免的遇到長陡坡的問題，在無法限制交通荷載作用的條件下，如何改善長陡坡瀝青路面抗車轍性能是當前無法回避的問題。本文通過抽樣檢測，結合現場實際情況調查，分析了道路結構設計、原材料質量、施工狀況、路面早期破壞的影響，對連續上坡路段瀝青路面各種車轍病害的成因分析，提出了程處治措施的方案，可供類似工程參考。