福寧高速公路瀝青路面水損害原因分析及處治措施研究

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（1.福建省高速技術咨詢有限公司；2.福建省高速公路企業工程技術研究中心，福州 350001）

福建省福寧高速公路 （K1843+000～K1984+164），北起福鼎分水關，南接羅寧高速公路，是沈海國道主干線福建段高速公路的重要組成部分，全長141.164km。福寧高速為雙向4車道高速公路，設計速度為80km/h。路面結構為兩層半剛性水泥穩定碎石基層+三層瀝青混合料面層，水泥穩定碎石基層結構厚度為56cm，瀝青面層結構厚度為16cm。本文結合福寧高速公路養護工程中出現的路面損害實際情況，結合養護設計、施工等相關經驗，初步分析高速公路中出現的水損害的主要表現形式及特征，剖析水損害的產生機理，研究產生水損害的主要因素，進而針對性地提出養護工程中的防治措施。

1 福寧高速路面典型病害分析

依據2017年福寧高速路面破損檢測數據，對路面病害進行統計分析。根據折合破損面積，福寧路面主導病害依次為修補、橫向裂縫、縱向裂縫、松散、龜裂、坑槽。

從病害類型分析，修補主要為針對坑槽、局部嚴重龜裂、沉陷進行路面日常養護以及對裂縫進行刻槽灌縫；橫、縱向裂縫為福寧高速典型半剛性基層反射裂縫，外部水沿裂縫進入面層結構內部，破壞混合料結構，使得裂縫發展為嚴重裂縫；坑槽、松散、龜裂為典型水損害破壞形式。由此可見，福寧高速路面破損主要因素為水損害造成。

表1 福寧高速路面主導病害

圖1 福寧高速公路瀝青路面病害比例圖

瀝青路面的水損害是指瀝青面層結構在存在的條件下，在交通荷載、動水壓力以及水的浸泡的作用下，破壞瀝青混合料的結構強度、瀝青與集料的粘結而產生路面損壞的過程。瀝青路面水損害在福寧高速公路上主要表現形式按破壞的不同階段分為：

（1）初期表現：水由外至內侵入瀝青路面表面或沿裂縫進入瀝青結構內部，在行車荷載和溫度脹縮作用下，造成路面麻面、掉粒、松散。表現形式見下圖2。

圖2 水損害初期表現

（2）中期表現：水分在結構層內長期存在，在外部行車荷載的反復作用下產生動水壓力，沖刷瀝青混合料內部結構，造成混合料內部粘結性降低、細集料散失，結構松散，從而產生龜裂、沉陷等嚴重病害。表現形式見下圖3。

圖3 水損害中期表現

（3）末期表現：水分在結構內部持續存在，破壞瀝青與集料的粘結力，出現坑槽、唧漿。表現形式見下圖4。

圖4 水損害末期表現

2 福寧高速公路瀝青路面水損害形成機理分析

瀝青路面的結構強度來自瀝青自身的粘結力,集料間的聯鎖作用,內摩擦力以及瀝青與集料的粘附力。粘附力被認為是保證瀝青混合料發揮強度作用的主要條件。瀝青路面的水損害主要是對瀝青混合料中集料與瀝青的粘附力產生破壞，從而導致混合料結構強度不足形成路面破損。

水對瀝青路面的破壞方式可分為兩類：

（1）自上往下水損害

福寧高速部分路段通車時間已接近15年的設計使用年限，瀝青路面表面層瀝青老化情況比較嚴重；同時福建屬于南方高溫多雨地區，瞬時雨量大，路面積水不易及時排走。在行車荷載的作用下，產生的動水壓力反復沖刷集料，造成瀝青從集料表面剝離，導致局部混合料結構松散，最終形成麻面、坑槽。

圖5 自上往下的水損害

（2）自下往上的結構破壞

福寧高速路面基層為半剛性水穩基層，瀝青面層厚度整體偏薄，厚度為16～18cm。半剛性基層由于溫度、強度等原因產生裂縫，在瀝青面層產生反射裂縫。水通過面層裂縫進入混合料結構內部，而半剛性基層結構相對致密，外部水無法及時排走，滯留于基層與面層界面。在行車荷載的作用下，形成極大的動水壓力，反復沖刷基層表面及面層混合料結構，從而產生泥漿。泥漿沿面層裂縫被行車荷載擠出，在路面形成唧漿。面層結構中的細集料被泥漿裹附擠出結構內部，造成結構松散，導致結構強度不足，在路面逐漸表現出沉陷、龜裂等嚴重的結構性病害。

圖6 自下往上的水損害

3 水損害影響因素分析

根據水損害的形成機理，結合福寧高速公路養護工作的實際情況，瀝青路面的水損害的主要因素可歸納為以下4個方面：交通荷載等級、降雨量、材料性能以及施工質量。

（1）交通荷載

通過對福寧高速路面水損害病害的調查，水損害病害頻發、多發的路段多處于中、重交通量的路段，且主車道明顯遠大于超車道。主車道路面的交通荷載主要為重車荷載，超車道主要為小車荷載，可見重車荷載是路面水損害的主要外因之一。

（2）降雨量

福建省地處南方高溫多雨的亞熱帶地區，梅雨季節，夏季臺風暴雨季節是瀝青路面水損害高發、頻發、多發的主要時段。尤其福寧高速位于福建沿海，瞬時雨量大、雨季長，雨后路面大量出現的坑槽、松散成為日常養護工作中最繁重的工作。雨水在路面滯留的時間長，不管是破壞表面層還是進入結構內部的機會越大，滲入的雨水量也越大，對瀝青路面造成的破壞也顯著增大。

（3）材料性能

瀝青路面的材料性能決定水損害的程度。福寧高速路面經過15年左右的運營，路面材料均不同程度地存在瀝青老化現象，瀝青混合料結構的水穩定性能降低，對抗水損害的性能明顯不足，造成路面表面水損害情況嚴重。

近年來福建省建設的高速路面采用了組合式柔性基層路面，半剛性基層上設置級配碎石層，面層結構厚度達到了26～28cm，表面層采用了改性瀝青AC-16C結構，部分路段采用了SMA-13面層，嚴格控制了各層空隙率，對防止、減少水損害的發生起到了積極的作用。在近年通車的路段上，水損害病害比率明顯降低。

（4）施工質量

路面施工質量直接影響路面使用性能，養護工程對路面的維修中的質量，原材料以及施工控制的質量好壞以及日常維修保養工作中對坑槽的修補質量直接影響維修后路面的使用性能。施工中存在的離析、原材料質量差都會導致路面出現較為嚴重的水損害現象。日常維修由于集料、瀝青等原材料無法與建設期乃至維修工程相比，壓實設備功率不足導致修補位置下部結構壓實度不足，空隙率偏大容易積水等原因造成修補位置出現反復坑槽等嚴重的水損害病害出現。

4 水損害防治措施

綜合瀝青路面水損害的形成機理以及影響因素，可以從以下4個方面進行預防、改善。

（1）路面防水

對運營一定時間的路面通過預防性養護措施如微表處、超薄罩面、超薄磨耗層等，減緩路面瀝青混合料老化速度。同時，預防性養護措施一般具有較好的隔水、防水效果，可以有效減少外部水進入面層結構內部，降低水損害出現的幾率。

圖7 路面微表處防水

（2）優化路面排水設計

首先，對路面易產生積水的段落采取優化路面橫向坡度，增設排水槽等方法，加快路面排水，減少外部水在路面的滯留時間，從而達到降低水損害的幾率。

圖8 優化路面排水設計

其次，優化瀝青面層結構內部排水功能。對可能受地下水影響的挖方路段，在面層結構內部設置排水層。鑒于福建省組合式柔性基層路面良好的排水設計，早期建設的半剛性基層路面可采用路面重構的方式，按照組合式柔性基層路面結構進行路面結構重構。

圖9 優化瀝青面層結構內部排水設計

第三，對局部基層表面易產生積水的段落，可采用在基層表面設置級配碎石盲溝的方式對滲入路面結構的水及時排出以及減小瀝青面層結構內部的動水壓力。級配碎石盲溝可結合排水管的方式，增加碎石盲溝的排水能力。

圖10 局部碎石盲溝排水

（3）嚴格控制施工質量

首先，要加強瀝青路面養護工程的質量控制。對養護維修工程所采用的原材料、施工工藝進行嚴格把控，避免路面離析、壓實度不足等問題的出現。嚴格控制銑刨面粘層、封層的施工質量，確保施工面層與原路面的層間粘結質量。

其次，日常養護工程中對修補工藝進行嚴格把控，對10cm以上的坑槽修補要求必須采用分層回填、壓實，按照瀝青路面施工規范控制回填瀝青混合料溫度。銑刨面及切割面必須噴灑改性乳化瀝青粘層油，保證回填瀝青混合料與原路面的粘結效果。

（4）改進表面層結構設計

對雨量豐富、長期受水損害困擾的部分段落，采用水穩定性更好的面層結構形式如（SMA-13）、采用高性能改性瀝青、優化瀝青混合料級配設計等途徑對瀝青面層結構設計進行優化，以提高路面的使用壽命，保證瀝青路面的使用性能。

5 處治效果

（1）福寧高速公路進行了大面積的微表處罩面的預防性養護。從養護效果來看，總體上有效地預防了水損害對路面結構的破壞，從而提高了路面結構的使用壽命。

（2）在路面維修工程中，注重路面結構內部排水設計。針對路面內部易積水的局部段落（如長、陡坡路段）增設了級配碎石盲溝設計。經過施工后的后期跟蹤調查結果，路面基本未再次出現水損害破壞，可見針對性設置的排水通道對瀝青路面水損害具有良好的效果。

（3）加強養護工程施工質量控制后，近年來施工質量明顯提升。經過近幾年養護工程施工后的跟蹤調查，路面整體維修效果優良，未出現大面積的二次病害。

（4）近年來養護工程設計更加注重面層結構設計的合理性及適用性。對不同路面情況進行了針對性設計。在面層結構選擇、級配設計、原材料等各方面進行了優化，維修后的路面狀況基本保持優良，路面基本未出現二次水損害現象。

6 結束語

水損害是福寧高速公路瀝青路面主要的破壞形式，對路面結構破壞程度也是最嚴重的。本文從水損害的表現形式、形成機理、影響因素等方面進行了綜合分析，并針對福寧高速公路養護工程的實際情況提出了防治措施。對防治措施在實際工程中的效果進行了跟蹤調查，論證了防治措施的合理性。