分期修建薄層路面罩面時機與維修方案研究

郭少華

(遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

遼寧省地處我國東北，為季節性凍土地區，冬季寒冷，夏季炎熱，統計了遼寧省2010年以后通車的十余條高速公路，典型路面結構為:3.5cmSMA-13L+5～6cm LAC-20+7～8cmAC-25+37～40cm水穩碎石基層+15～20cm級配碎石墊層，路面厚度70～78cm，瀝青面層厚度15.5～17.5cm。某高速公路位于遼寧東北部，樁號范圍為K0+000～K86+300，路面寬度22.5m，路基寬度26m。由于處于高速公路網的末端，交通量較小。初期建設的面層結構為5cm改性瀝青LAC-20+7cmAC-25，預留3.5cmSMA-13L表面層未實施，瀝青層僅12cm。

該高速公路所在區域屬于半干旱、半濕潤大陸性季風氣候區。年平均降水量678～738mm，年平均氣溫5.1～6.5℃，極端最高氣溫35.2～36.5℃，極端最低氣溫-36.3～-41.7℃，冬季寒冷是該區域的顯著氣象特點。

統計分析了歷年的交通量數據，該高速主要交通組成為小客車，其自然數占比達80%左右。設計年限內路面結構所承受的累計大型客車和貨車的交通量為150萬輛，其交通等級屬于輕交通。

1 路面技術狀況

依據2019年7月道路綜合檢測結果，對各項指標進行統計評定分析，其總體評定結果為：路面使用性能PQI全線平均值為90.55分，路面損壞狀況PCI全線平均值為83.48分，平整度RQI全線平均值為95.05分，車轍RDI全線平均值為95. 05分，跳車指數PBI全線平均值為97.13分。檢測并統計了該高速公路歷年路面使用性能指數及其分項指標，從圖1中可以看出，除2016年大量灌縫后路面技術指標上升外，2017～2019年間，路面使用性能指數PQI和路面破損指數PCI逐年下降，而行駛質量指數RQI和車轍深度指數RQI較為穩定，因此PQI指數的下降主要源于路面破損的持續發展。

2 路面病害診斷

該路段2012年通車運營，從2015年開始，該公路路面開始逐漸出現橫縱向裂縫，且裂縫數量逐年增多，養路部門每年進行大量的灌縫工作，以防止雨水滲透加劇路面破損。隨著運營年限的增長，在車輛荷載、自然老化的共同作用下，裂縫周邊開始出現大量的微裂縫，已經無法通過灌縫來維持路面使用性能。

2.1 病害分類

該項目路面存在的病害有橫縫、縱縫、松散、老化以及局部坑槽，其中最主要病害為縱向裂縫，為便于分析病害的發展深度并確定維修方案，根據裂縫的密集程度和發展深度，將不同病害段落進行了分類：

(1)間斷縱縫：間斷或一條縱縫，共115.3車道公里，占比33.4%。

(2)輕度縱縫：2條縱縫，共87.2車道公里，占比25.3%。

(3)重度縱縫：3條及以上縱縫或塊裂，共22.4車道公里，占比6.5%。

通過路面典型病害的取芯進一步探尋路面裂縫的發展深度，共取芯100個，通過統計分析可以發現，路面間斷縱縫主要為1cm以內的淺層病害，而輕度縱縫多發展至表面層，重度縱縫路段則多半瀝青層完全開裂，另有17.9%的重度縱縫芯樣基層出現開裂。

2.2 病害成因

(1)凍脹引起的局部開裂

由于瀝青混合料未經車輛碾壓進一步密實等原因造成孔隙率大，致使冬季融化的雪水進入混合料內部，產生凍脹造成了局部開裂。局部裂縫進一步發展、連通形成大量的縱、斜向裂縫。

(2)上面層單獨受力，產生疲勞破壞

由于層間粘結不良，尤其是上、下面層之間產生滑動，致使上面層單獨受力，進而產生疲勞開裂。

為了準確了解路面結構在不同層間接觸狀態條件下路面的受力狀況，計算了在雙圓均布垂直荷載作用下，層間滑動和層間連續兩種狀態的路面應變情況，計算位置在平面上選取了4點，分別為A(單圓荷載中心)、B(單圓荷載邊緣)、C(輪隙4等分處)、D(輪隙中心)，在深度上選取了瀝青層表面(h=0)、表面層層底(h=5cm)、下面層層底(h=12cm)，見圖3。

表1 不同層間連接狀態下路面內部瀝青層拉應變計算指標表(單位：με)

瀝青層層底拉應變指標主要表征瀝青層的疲勞特性，其指標大小與瀝青層疲勞壽命成反比，即拉應變數值越大，瀝青層疲勞壽命越短。通過上述計算數據可以看出，在層間接觸狀態為連續的情況下，表面層層底、下面層層底和路表的A、B兩點都是處于受壓狀態，即瀝青層不可能出現疲勞破壞。只是在C、D點出現了拉應變，且數值較小。

對于層間光滑的條件下，除路表A點受壓以外，路面各層的各點都處于受拉狀態，對路表最大拉應變出現在C點，而對表面層底和下面層底最大值都出現在A點，且整個瀝青層拉應變最大點出現在表面層層底的A點，但表面層層底數值和下面層層底數值相差較小。說明了在層間光滑的條件下，瀝青層非常容易出現疲勞裂縫，尤其是表面層厚度較薄時拉應變數值會更大，如果此時上面層的瀝青飽和度較低時，即使在很小的交通量下，上面層也可能發生疲勞破壞。

通過計算，自通車至2019年，原路共承受荷載作用100.2萬次，而上面層只能承受85.1萬次荷載作用，路面出現疲勞破壞。

(3)溫度收縮引起開裂

一般來說，溫度收縮只會產生橫向裂縫。2019年5月項目組對該高速公路的裂縫情況作了現場調查，得到橫縫間距情況如表2。其中橫縫最密集路段間距只有6m左右，意味著該瀝青混合料只能抵抗6m范圍內的溫度收縮應力，而半幅瀝青路面寬度為11.25m，故部分路段會在道路中部產生一道縱向開裂，以釋放橫向的溫縮應力。作為對比遼寧省同類地區路面橫向裂縫間距一般為20～30m，說明薄層路面的抗裂縫性能較差。

表2 典型路段橫向裂縫統計表

3 路面養護時機

通過分析該高速公路瀝青PCI指標的變化規律，應用參數自適應方法擬合逐路段的PCI衰減規律，進而得到該高速路面總體PCI指標衰減模型。從PCI指標發展趨勢可以看出，在通車初期，PCI指標逐年平穩下降。在2017年至2020年間PCI指標的下降速率明顯加快，表明路面的破損狀況已經開始進入加速破壞的階段，預計在2020年PCI指標將達到80分左右，需要及時進行維修。隨著通車年限的增加，破損狀況逐漸加重，如不及時進行路面養護維修處理，按照目前的預測，2025年該高速公路PCI指標可降低至40左右。

根據PCI衰減預測模型得到推遲維修將會增加的維修費用，推遲至2021、2022、2023、2024年維修分別需增加1611、3563、6120、9341萬元。因此綜合考慮路面性能和經濟情況，在2020年進行路面維修是合適的。

4 維修方案

結合本高速公路現狀病害較多的情況，且路面結構較薄，因此維修的總原則為路面病害處理后進行加鋪罩面。由于原路存在嚴重剝落和大量的裂縫深度在1cm范圍內的微裂縫、間斷縱縫，病害處理方案為全斷面銑刨1cm后，再根據各種病害類型的發展深度，銑刨至相應層位后重鋪瀝青層。全部病害處理完畢后，可采用4cmSMA-13L、4cmAC-13或2cm超薄磨耗層罩面。

SMA混合料具有更優異的高溫抗車轍、低溫抗裂以及使用壽命，但是造價較高，而超薄磨耗層由于厚度較薄，其造價最低，但是使用性能相對較差，AC型混合料居中，為評價不同罩面材料優劣，采用全壽命周期的費用性能比作為評價指標。

4.1 費用

結合遼寧省的歷年經驗，SMA-13L、AC-13F和超薄磨耗層三種罩面材料的設計使用壽命為：15年、10年和5年。三種罩面首次施工均在2020年。為保持路面狀態，超薄磨耗層罩面需在2025年及2030年再進行兩次罩面；其它兩種罩面在2030年實施一次超薄磨耗層罩面。費用計算時將工程實施的拌合站建設、交通封閉等措施費用，以及罩面前所需的原路病害處理費用，折合成罩面材料的每平方米費用得到造價時值，再按年利率6%計算貸款利息，并按10%進行折現，得到三種罩面類型15年內總費用。

表3 全壽命周期內三種不同罩面材料的費用(元/m2)

4.2 費用性能比

路面使用性能包括高低溫性能、耐久性等多方面，為便于量化，抗裂性能依據混合料低溫彎曲指標、抗滑性能依據橫向力系數指標、抗車轍性能依據動穩定度計算而得，均以AC-13F為基準，另外兩種材料的數值是相對AC-13F的比值。

考慮到該高速車流量小，對抗車轍性能等要求不高，只考慮疲勞及抗裂計算性價比。三種材料的性價比排序為AC-13>SMA-13>超薄磨耗層。

瀝青路面使用壽命和其厚度是密切相關的，采用SMA或AC罩面，瀝青層較超薄磨耗層罩面多2cm，路面瀝青層抗疲勞壽命更高。且AC結構施工相對簡單，對拌合站、施工人員素質、原材料要求均低于另外兩種罩面類型。

根據上述分析，推薦采用AC-13F進行罩面。同時在配合比設計時采用細級配，高油石比，提高其使用壽命及抗滲水性能。

5 結論

交通量較小的公路路面分期修建可以緩解建設期的資金壓力，但是其路面病害的發展和技術性能的衰減較同等條件下的典型路面結構明顯更快。以遼寧省某高速公路為例，通過調查取芯及計算分析了其主要病害縱向裂縫是由穩定應力、路面凍脹、拉應變疲勞共同造成的，并通過PCI指數的衰減模型分析其適宜的加鋪時機，最后通過全壽命的費用性能比指標計算，推薦在2020年加鋪4cmAC13-F。