瀝青路面高等級公路半剛性基層的病害機理與表現

秦鴻儒

(深圳高速工程顧問有限公司，廣東 深圳 518094)

1 概 述

由于半剛性基層具有工程造價低、大規模機械施工操作方便、材料強度高、剛性強、水穩定性好、板體質量好，在需求增加的情況下，我國以半剛性材料為基礎結構的高等級公路越來越多。目前半剛性基層作為路面基層的主流結構形式，以在絕大多數高等級公路瀝青路面上投入應用，并且后續新建高等級公路中仍將大量存在。隨著運營階段的存量道路總量不斷增加，半剛性瀝青路面的裂縫越來越大，是其結構的主要缺陷。高等級公路的日常養護工作往往注重面層病害的處置而不能徹底消除基層病害隱患，因此結合基層病害的發生與發展情況，綜合判定半剛性基層瀝青路面的病害，對制定切實有效的維修方案具有重大意義。

2 半剛性基層結構的病害機理

2.1 半剛性基層的溫縮裂縫

溫縮裂縫是半剛性基層的常見病害表現。半剛性基層材料的表面膨脹是不同溫度(固體、液體和氣體)收縮的綜合結果。固相主要由礦物顆粒組成，原料中砂粒的溫度收縮系數和粉末(特別是粘土礦物)下顆粒的溫度收縮系數較高；液相由半剛性基層材料內部毛細孔、凝膠孔中的水組成，其表面張力、冰凍作用、擴張作用對半剛性材料的溫宿產生影響，在一般含水量下有較大的溫度收縮，而在飽水和干燥狀態下溫度收縮較小；氣相一般與大氣貫通，對材料整體的溫縮影響可忽略不計。

考慮到上述三個階段的相互作用和影響，無論是否完成瀝青鋪設的半剛性基層材料，半剛性材料本身也會因季節溫度變化而受到一定程度的溫度降低。當外界溫度降低幅度較大時，半剛性基層材料內部的拉應力與拉應變增大，超過其抗拉強度從而引起基層開裂。一般半剛性基層施工在高溫季節進行，施工過程中的晝夜溫差即可在基層中產生較大應力從而產生裂縫。

2.2 荷載形成的路面裂縫

行車荷載通過瀝青路面傳遞給半剛性基層，在一定強度的車輪載荷下，瀝青路面的回彈變形逐漸增加，導致半剛性基礎底部出現彎曲應力，并且大于半剛性基礎材料的拉伸強度，其結構整體性即遭到破壞，發生開裂。在以重車荷載為代表的車輛荷載反復作用下，原半剛性基層裂縫部位產生應力集中，其裂縫位置逐步擴展，反射至瀝青面層，表現為瀝青面層的開裂。由于面層開裂導致雨水的侵入，進一步加重破損。雨水侵蝕、重車荷載及結構本身的應力集中，同常在路面表現為輪跡帶處的密集縱向裂縫或網狀裂縫。

2.3 瀝青面層的溫縮裂縫

溫縮裂縫及荷載形成的裂縫均為自下而上的發展，除此之外，瀝青面層的溫縮裂縫會自上而下導致半剛性基層的病害產生。瀝青混合料在夏季高溫狀態下具有良好的應力松弛性能，易產生車轍而不易產生裂縫。當冬季氣溫下降時，瀝青混合料變得越來越硬，并隨著路面結構上的溫度梯度而收縮。當外界環境溫度下降幅度較大時，瀝青混合料的應力松弛性能趕不上應力增長，產生拉應力。隨著環境溫度進一步降低，使瀝青混合料進一步收縮，當瀝青混合料中產生的收縮拉應力超過其抗拉強度時就會產生開裂。瀝青面層一旦開裂，裂縫處會產生較大的應力集中，加之雨水侵蝕與行車荷載的綜合作用，會導致裂縫向下延伸并逐漸貫穿整個瀝青面層，并對半剛性基層產生破壞。

3 工程實例中的半剛性基層病害表現

在理論分析的基礎上，結合某公路大修場地地表開挖后半剛性基層的病害特征，可以進一步認識半剛性基層的病害情況和表現。

3.1 工程背景

案例高速公路于1997年通車，設計速度100 km/h，路面設計使用年限15年，主線為六車道，設計年限內單車道累計當量標準軸次為812萬次，路面容許彎沉Lr=0.37 mm，路基寬度32 m，路面寬度22.5 m，路幅布置為：路基標準寬度為32 m，包括中央分隔帶3.0 m；兩側土路肩各0.75 m；兩側硬路肩各2.5 m；兩側行車道各3×3.75 m。路面橫坡度(包括行車道、硬路肩)為2%，土路肩橫坡度為3%。隨著使用年限的增長和路面性能的不斷衰減，對該高速公路開展大修工程以恢復其使用性能。

表1 路面結構組合

3.2 半剛性基層的病害表象與處置建議

根據大修現場的情況，在瀝青面層開挖并清掃完畢后，半剛性基層的病害情況由輕到重表現單一裂縫、網狀/塊狀裂縫、松散破碎三種形式。

(1)單一裂縫。在靠近中央分隔帶的超車道，路面病害以間隔一定距離的橫向裂縫為主，結合開挖后的情況，可發現半剛性基層病害表現為與路面裂縫對應的橫向裂縫。在部分路段的中間行車道，其路面為單一橫向裂縫的基層病害，以及超車道、中間行車道的部分位置有不規則的縱向單一裂縫的病害，其開挖后的半剛性基層也符合上述情況。

結合現場實際情況，超車道、中間行車道以小型車輛為主，車輛荷載對路面結構的影響很小，橫向裂縫以及偶發的縱向裂縫主要由于半剛性基層本身的溫縮裂縫反射到面層產生，其基層仍具有良好的整體性與強度，在維修過程中可以采用灌縫、抗裂貼等方式處置后即可回填瀝青面層。

(2)網狀/塊狀裂縫。在路幅右側重車道的輪跡帶位置，瀝青面層有連續的網狀、塊狀裂縫，伴有部分坑槽與沉陷的位置，面層開挖后半剛性基層對應位置有連續的網狀/塊狀裂縫。此種情況主要是由于重車荷載的反復作用使瀝青面層開裂，面層受力結構的破壞使半剛性基層出現應力集中，并隨之出現網狀/塊狀裂縫。半剛性基層的塊狀裂縫可通過玻纖格柵作為應力吸收層，在玻纖格柵上鋪筑面層，可達到較好的修復效果。

(3)松散破碎。如果不及時對重型車道輪軌的單條裂縫或網狀、大塊裂縫以及一些開挖斷面排水不暢的路段采取養護措施，在雨水沖刷和車輛荷載的反復作用下，半剛性基層也會出現嚴重病害。不僅表面會出現凹坑和凹槽，沉陷以及大面積的裂縫，根據現場開挖情況，基層呈現出松散破碎的狀態，此種狀態的基礎是沒有承載能力的，因而在維修時需根據實際情況進行基礎的開挖換填，然后再進行面層施工。

4 結 語

高速公路運營服務水平取決于科學有效的養護，僅瀝青路面養護往往導致重復施工和養護效果差。結合半剛性基層的病害機理和相應的路面病害表現，以及交通荷載和降雨排水因素的可能影響，對養護深度進行綜合判斷，可以使養護工作更加有效，對保證高速公路的技術狀態和服務水平具有重要意義。