瀝青路面病害成因研究

張宗琦

(甘肅路橋公路投資有限公司，甘肅 蘭州 730030)

0 前 言

目前，瀝青路面成為我國(guó)高等級(jí)公路中使用最為廣泛的路面形式，因?yàn)r青材料性能的特殊性，使得瀝青路面在行車舒適性、性能耐久性、維修便捷、材料再生利用等方面具有優(yōu)越的表現(xiàn)，這是其他路面無(wú)法比擬的[1-4]。但隨著交通運(yùn)輸中重載、超載現(xiàn)象的發(fā)生，使得瀝青路面超負(fù)荷工作，加之氣候環(huán)境逐漸變化無(wú)常，雨水、溫差、光照等環(huán)境因素加快了瀝青老化，導(dǎo)致瀝青混合料性能衰減加劇，直至瀝青混合料喪失路用功能。可見(jiàn)，對(duì)瀝青路面病害成因進(jìn)行準(zhǔn)確的分析是當(dāng)前最為重要的工作，也是后續(xù)制定養(yǎng)護(hù)方案、進(jìn)行維修設(shè)計(jì)的前提。某路段通車至今已有6年，交通量大，貨車比例高，當(dāng)前瀝青路面病害較為嚴(yán)重，主要病害為裂縫、龜裂、坑槽、車轍等。本文根據(jù)該公路路面狀況，通行現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究瀝青及瀝青混合料的性能表現(xiàn)，試驗(yàn)包括瀝青回收、混合料抽提及漢堡車轍試驗(yàn)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)瀝青路面病害進(jìn)行分析。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

瀝青混凝土面層厚度為12 cm(5 cmAC-13C瀝青混凝土+7 cmAC-20C瀝青混凝土)，水泥穩(wěn)定碎石基層35 cm，低劑量水泥穩(wěn)定碎石底基層18 cm，路面結(jié)構(gòu)總厚度為65 cm。對(duì)該路段瀝青路面進(jìn)行取芯，芯樣用于室內(nèi)試驗(yàn)。

本次對(duì)病害相對(duì)樣品進(jìn)行瀝青回收、抽提、漢堡車轍等試驗(yàn)，了解病害相對(duì)嚴(yán)重路段的路面結(jié)構(gòu)層材料的使用品質(zhì)狀況。

1)瀝青回收試驗(yàn)。對(duì)完好處進(jìn)行瀝青路面取樣，并對(duì)取樣樣品進(jìn)行了回收瀝青殘留針入度、軟化點(diǎn)和延度(15℃)指標(biāo)，判斷瀝青的性能衰減程度。

2)混合料抽提試驗(yàn)。混合料的瀝青含量及級(jí)配狀況主要通過(guò)抽提試驗(yàn)得到，分析道路面層混合料的級(jí)配組成狀況及瀝青含量狀況。根據(jù)路面狀況，分別針對(duì)上、下面層進(jìn)行混合料礦料級(jí)配試驗(yàn)和瀝青含量測(cè)定試驗(yàn)。

3)漢堡車轍試驗(yàn)。漢堡車轍試驗(yàn)可在水浴25℃～70℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，驗(yàn)證瀝青混合料的高溫條件下抗水損壞和抗變形能力。

2 試驗(yàn)結(jié)果

1)瀝青回收試驗(yàn)。該路段回收瀝青的三大指標(biāo)見(jiàn)表1。從表1結(jié)果可看出，瀝青針入度、延度與規(guī)范要求范圍相差很大，軟化點(diǎn)大于原樣瀝青檢測(cè)結(jié)果，由此可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)6年通車運(yùn)行，當(dāng)前路面瀝青老化非常嚴(yán)重。

表1 回收瀝青三大指標(biāo)

2)瀝青混合料抽提試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1,通過(guò)抽提、篩分試驗(yàn)可以看出：上面層AC-13C瀝青混合料礦料級(jí)配控制較好，與生產(chǎn)配合比的礦料級(jí)配曲線基本吻合。但是抽提出的油石比較低，與生產(chǎn)配合比中的最佳油石比相差較大。下面層AC-20C瀝青混合料礦料級(jí)配實(shí)測(cè)結(jié)果在13.2 mm、0.075 mm篩孔超出設(shè)計(jì)文件中配合比設(shè)計(jì)上限范圍，整體礦料級(jí)配曲線偏細(xì)。

圖1 瀝青混合料抽提試驗(yàn)結(jié)果

3)漢堡車轍試驗(yàn)。本次試驗(yàn)試件是現(xiàn)場(chǎng)150 mm直徑芯樣，2個(gè)芯樣為一組進(jìn)行試驗(yàn)。漢堡車轍試驗(yàn)在55℃的水浴條件下進(jìn)行，試件在要求溫度下浸泡30 min后開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，輪碾壓2萬(wàn)次或者車轍深度達(dá)到25 mm時(shí)停止試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)耗時(shí)近8小時(shí)(試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2)。

圖2 漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果

試件1在荷載作用超過(guò)3 500次以后，車轍深度已經(jīng)達(dá)到14.29 mm，試件2在荷載作用4 000次以后，車轍深度達(dá)到10.02 mm。兩組試件由于變形量過(guò)大，而無(wú)法繼續(xù)試驗(yàn)。因此，可知在55℃水浴環(huán)境中進(jìn)行漢堡車轍試驗(yàn)，往返次數(shù)達(dá)到3 500次后，隨著往返次數(shù)的增加，試件車轍深度急劇增大，直至試件發(fā)生破壞。由此可知，在長(zhǎng)時(shí)間受到車輛行駛荷載作用及外部氣候環(huán)境共同作用下，其抗車轍能力較弱。

3 瀝青路面病害成因

3.1 裂縫類病害成因

根據(jù)裂縫病害分布特點(diǎn)及取芯情況，本項(xiàng)目裂縫分為兩種，分別是疲勞裂縫和反射裂縫，項(xiàng)目組依據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果和以往工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)疲勞裂縫、反射裂縫成因進(jìn)行分析。

3.1.1 疲勞裂縫

室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果顯示，瀝青回收瀝青針入度及延度指標(biāo)均有大幅度下降，可見(jiàn)瀝青老化較為嚴(yán)重，這使得瀝青勁度增高、應(yīng)力松弛性能降低，瀝青與集料粘結(jié)較差。同時(shí)，瀝青是對(duì)溫度較為敏感的材料，隨著溫度的高低變化，瀝青呈現(xiàn)出三種力學(xué)狀態(tài)，即高溫時(shí)的粘流態(tài)、中溫時(shí)的高彈態(tài)及低溫時(shí)的玻璃態(tài)，而項(xiàng)目路段在通車運(yùn)行后經(jīng)歷夏季的高溫、冬季的寒冷，使得瀝青混合料隨著瀝青力學(xué)狀態(tài)的變化而產(chǎn)生溫縮應(yīng)力，經(jīng)溫縮應(yīng)力的反復(fù)作用，且當(dāng)溫縮應(yīng)力或應(yīng)變超過(guò)瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度或極限應(yīng)變時(shí)，瀝青面層就會(huì)開(kāi)裂。如果路面基層與面層之間粘結(jié)效果不佳，基層不能有效分擔(dān)由溫度產(chǎn)生的收縮應(yīng)力時(shí)，瀝青路面更易發(fā)生開(kāi)裂。

3.1.2 反射裂縫

本項(xiàng)目路段部分裂縫開(kāi)裂嚴(yán)重且存在唧漿現(xiàn)象，可見(jiàn)該類型裂縫為基層反射裂縫，反射裂縫主要是交通荷載的影響及基層材料本身特點(diǎn)造成的。由于路面結(jié)構(gòu)層具有一定的承載能力，因此，對(duì)路面裂縫產(chǎn)生起關(guān)鍵作用的通常是重荷載，研究表明，重交通荷載條件對(duì)路面破壞作用遠(yuǎn)大于一般交通荷載條件，而本項(xiàng)目路段交通量大，貨車比例高，使得路面結(jié)構(gòu)承受較大的豎向荷載作用，當(dāng)產(chǎn)生的彎拉應(yīng)力大于結(jié)構(gòu)層材料的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，路面結(jié)構(gòu)層底部產(chǎn)生開(kāi)裂，并經(jīng)行車荷載和環(huán)境因素耦合作用，基層裂縫反射至瀝青面層。

而基層材料自身特點(diǎn)表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，在基層成型過(guò)程中，因基層材料失水收縮而形成規(guī)則的橫向裂縫；另一方面，基層材料因溫度驟降而發(fā)生低溫收縮開(kāi)裂。在水泥穩(wěn)定碎石基層成型過(guò)程中，基層材料不可避免地會(huì)因失水而發(fā)生干縮，從而產(chǎn)生開(kāi)裂并呈現(xiàn)出較為規(guī)則的裂縫，隨著時(shí)間、溫度以及行車荷載的綜合作用，基層開(kāi)裂位置產(chǎn)生應(yīng)力集中，不斷向上發(fā)展直到反射至瀝青面層，最終使得整個(gè)瀝青層開(kāi)裂，縫寬呈現(xiàn)上寬下窄的狀態(tài)。

3.2 車轍病害成因

筆者認(rèn)為，項(xiàng)目路段交通量大、貨車多，重載、超載現(xiàn)象較為普遍，瀝青路面在較大行車動(dòng)荷載作用下將受到較大剪應(yīng)力作用，同時(shí)當(dāng)時(shí)梅雨氣候明顯，降水較多，使得瀝青老化嚴(yán)重，影響瀝青粘附性和層間粘結(jié)，使得瀝青路面豎向抗剪變形能力下降；加之瀝青混合料抽提試驗(yàn)結(jié)果顯示瀝青混合料油石比偏低、級(jí)配偏細(xì)，而瀝青含量較低無(wú)法使瀝青與集料、填料充分黏結(jié)，級(jí)配偏細(xì)提供不了足夠的抗變形能力，整體上抗剪強(qiáng)度不足，在行車荷載反復(fù)作用下，瀝青路面各結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的永久變形的累積，從而形成車轍。

3.3 龜裂病害成因

1)病害加劇形成龜裂。項(xiàng)目路段裂縫病害嚴(yán)重，裂縫雖進(jìn)行過(guò)灌縫處治，但經(jīng)過(guò)行車荷載反復(fù)作用后，先已發(fā)生二次開(kāi)裂，雨水沿著裂縫浸入路面無(wú)法排除，滯留在混合料內(nèi)部，在動(dòng)水壓力及行車荷載的作用下，逐步松散形成龜裂。

2)瀝青老化：瀝青混合料抽提試驗(yàn)結(jié)果表明瀝青老化較為嚴(yán)重，瀝青老化使得瀝青膠漿的流變性能和粘結(jié)性能降低，使得附著在集料表面的瀝青薄膜剝落，瀝青混合料抗裂、抗拉強(qiáng)度不足，在荷載作用下產(chǎn)生龜裂。

3)車輛荷載作用：交通量的不斷增加，尤其以超載車輛對(duì)路面的反復(fù)作用，使得路面出現(xiàn)較嚴(yán)重的龜裂病害。

3.4 坑槽病害成因

路段坑槽病害較為嚴(yán)重，在交叉后停車線前后存在多個(gè)連續(xù)的坑槽，積水較深，且周邊瀝青混合料明顯松散，坑槽病害產(chǎn)生的原因有以下幾方面。

1)由于項(xiàng)目區(qū)域近期雨水較多，加之交通量大、重載車輛占比高，在路表水進(jìn)入并滯留在表面層瀝青混合料中后，經(jīng)重載車輛的不斷作用而產(chǎn)生的動(dòng)水壓力使表面層的瀝青從石料表面剝落下來(lái)，瀝青路面便會(huì)出現(xiàn)局部松散破損或裂縫等病害，未能及時(shí)修補(bǔ)或修補(bǔ)不佳，導(dǎo)致散落的石料被車輪甩出，路面自上而下逐漸會(huì)形成坑槽。

2)當(dāng)前面層瀝青混合料為普通瀝青AC-13C、AC-20C，根據(jù)前述瀝青混合料室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，瀝青老化嚴(yán)重，使得瀝青、填料與集料間的粘附性較差，抵抗水損壞能力不足，從而在通車受力狀態(tài)下瀝青混合料容易松散，進(jìn)而發(fā)展成坑槽。

3)根據(jù)調(diào)查，部分坑槽病害深度大于10 cm，同時(shí)周邊伴有沉陷變形，項(xiàng)目組判斷基層強(qiáng)度可能存在不足，穩(wěn)定性不好，當(dāng)瀝青面層受力開(kāi)裂形成裂縫，雨水侵入基層，在重載車輛作用下，自由水產(chǎn)生很大的壓力沖刷基層混合料表層細(xì)料，形成灰白色漿。在動(dòng)水壓力和孔隙水壓力的反復(fù)作用下，使得整個(gè)面層范圍內(nèi)的基層粒料出現(xiàn)松散，并反射到面層，形成惡性循環(huán)，最終會(huì)導(dǎo)致坑槽出現(xiàn)。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)瀝青混合料室內(nèi)試驗(yàn)可知該路段瀝青老化非常嚴(yán)重，瀝青混合料油石比偏小、級(jí)配偏細(xì)，瀝青混合料抵抗車轍變形能力較差。結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，本文對(duì)瀝青路面裂縫、車轍、坑槽、龜裂病害成因進(jìn)行分析，分析得出瀝青老化及瀝青混合料油石比偏小、級(jí)配偏細(xì)是誘發(fā)瀝青路面產(chǎn)生病害的主要因素，此外，重載、超載也直接導(dǎo)致路面出現(xiàn)病害。