高速公路瀝青路面病害分析及養護辦法

羅運輝

（廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣東 廣州510507）

0 引言

高速公路作為我國最基本的基礎設施，能夠為城市系統的穩定運行提供重要支撐，高速公路建設里程在廣東省內已經達到了10000km以上，且增長幅度位居全國第一，養護運營理念正逐步替代落后的擴張施工模式。廣東省內高速公路路面結構90%以上多采取瀝青混合料進行施工，瀝青路面的結構性能就需要開展周期性的養護管理，否則各類型路面病害的出現會導致行車穩定性、安全性的下降。傳統的瀝青路面養護方式多采取單一病害處治方式，考慮到瀝青路面病害相互影響、相互作用，新型養護技術需要隨著工程實踐及瀝青路面結構進行不斷優化，以便實現針對性的經濟養護措施，減少路面設計施工支出過高、偏于保守的缺陷。

1 項目背景及路面結構

1.1 工程概況

廣東省內某高速公路建設完工于2010年，且至今（2021年）運營通車11年，根據歷年檢測報告及養護設計資料顯示，隨著使用年限的不斷遞增，高速公路瀝青路面結構性能在不斷衰減，不過通過技術指標PCI和PQI的分析，瀝青路面的整體狀況較好，對于局部路段的病害養護管理具有現實推廣意義。該高速公路是G80廣昆高速公路的重要路段，路線全長為98.405km，全線為四車道，其中設計速度100km/h，路基設計寬度為26m，一般路段采取半剛性基層瀝青混凝土路面。該高速公路全線位于廣東省低山丘陵與沿海平原之間的臺地區，以臺地為主，間夾沖積平原或谷地，偶有低山丘陵。地形平緩，起伏不大，一般高程在20～140m，高差15～40m；本區位于北回歸線以南，屬南亞熱帶季風海洋性氣候，溫濕多雨，夏無酷暑，冬無嚴寒，年平均氣溫自北而南22～23.2℃，極端最高氣溫36.8～39.9℃。本區雨季雨量充沛，特別是初夏及熱帶氣旋的暴雨，地表徑流強勁，此外早春長期的低濕陰雨，有利雨水的滲透。水害往往是公路病害的直接原因或誘發原因，強勁的徑流往往摧毀公路、橋梁，雨水的滲透導致路面翻漿。該高速公路交通量較大，日交通量呈不斷擴增的態勢；沿線隧道橋梁數量較多，其中包含橋梁121座，全長可達25882m，隧道18座，全長可達20568m，橋隧結構和高填深挖路基交錯間隔，隧道和一般路段就形成較多的搭接。

1.2 路面結構

該高速公路一般路基段、連續下坡路段、巖石路基段面層由4cmAC-13（上面層）+6cmAC-20（中面層）+8cmAC-25組成，其中連續下坡路段中面層采用改性瀝青；中小橋面鋪裝、大橋特大橋橋面鋪裝由4cmAC-13（上面層）+6cmAC-20（下面層）組成，其中大橋特大橋橋面鋪裝下面層采用改良瀝青。瀝青路面基層由36cm水泥穩定級配碎石+20cm水泥穩定碎石+20cm未篩分碎石組成，其中巖石路基段未設置底基層。

2 高速公路瀝青路面病害分析

2.1 病害類型

該高速公路全線大部分路面結構較為完整，僅在部分環境嚴峻、重車超載等區域存在較為明顯的結構破壞，現場調查的主要路面病害有車轍、裂縫、坑槽；在長期的高速公路運營期間，瀝青路面極容易由于降雨、溫度變化、車輛沖擊等因素造成不同程度的損傷破壞，瀝青混凝土路面不同病害類型相互作用，繼而形成整體較為復雜的病害系統。

裂縫是高速公路瀝青混凝土路面最為常見的病害形式，裂縫可以根據其不同特征分為以下幾種，即縱向裂縫、橫向裂縫、網狀龜裂裂縫、不規則裂縫。橫向裂縫主要垂直于路面行進方向，根據裂紋的寬度可以分為重度、輕度裂縫。輕度橫向裂縫寬度在5mm以內，且裂紋沒有出現輕微剝落現象；重度橫向裂縫的寬度大于5mm，裂紋明顯剝落。縱向裂縫則平行于車道行進方向，也可以根據裂紋寬度分為輕度和重度兩類。網狀龜裂裂縫則主要是由較多的縱向裂縫和橫向裂縫交叉組成[1]。現場調查的縱、橫向裂縫缺陷如圖1所示。

坑槽是高速公路瀝青混凝土路面結構缺陷較為嚴重的表現形式，坑槽是水損破壞的類型，整體表現為凹狀結構，坑槽根據相關技術規范被定義為松散類損害，不同的坑槽具備表1所示特點。

表1 瀝青路面坑槽特性

車轍是瀝青路面結構特性衰減和行車狀況嚴峻兩者相互結合而造成的病害，車轍可以根據形成原因分為永久性、磨損性、失穩性、壓密性車轍。不同車轍具備不同特點，失穩性車轍通常出現在一些山區嚴峻行車環境瀝青路面的上坡路段，其危害程度十分明顯，失穩性車轍表現為W形狀，主要由行車車速、車輪結構、車輛行駛所受到的橫向力所造成；結構性車轍則表現為U形狀，其主要是由于公路路基受到環境荷載而產生的永久變形，主要特點是寬度較大、變形尺度較小，極難經過后續技術手段進行有效修復；磨損性和壓密性車轍則主要是車輛荷載、外界環境反復對瀝青路面結構造成沖擊、碾壓、侵蝕所造成的[2]。現場車轍病害如圖2所示。

2.2 現場取樣檢測

該高速公路檢測技術人員分別在裂縫段、坑槽段、車轍段、完好段進行芯樣鉆取，大板切割工作，并且測定不同芯樣結構層的厚度、層間黏結效果和完整性。瀝青路面結構層厚度180mm，水穩層厚度達到了560mm，技術團隊的鉆深深度控制在700～800mm，以便取出全部上部水穩層和路面結構層，其中路面芯樣的直徑控制在180mm。使用風鎬撬取經過巖石切割機切割的瀝青結構板塊，尺寸控制在長×寬×厚為350mm×350mm×150mm。現場采樣過程中瀝青層厚度需要小于切割深度，風鎬使用中需要確保瀝青板塊的完整性。檢測工作包括車轍深度、鉆芯、FWD檢測、滲水試驗、激光彎沉試驗，其中FWD試驗主要針對結構層模量、路面結構系數、路面結構性能的評定；激光彎沉試驗則主要針對路面結構性能、路面結構系數的測定。現場檢測內容如表2所示。

表2 現場檢測內容

2.3 路面病害原因分析

該高速公路多個路段路面產生了坑槽，且坑槽群分布較為集中，高速公路養護管理部門在項目通車運營以來投入了大量資金進行坑槽的修補處理。高速公路AK177+300-AK177+600路段中就具備密集坑槽群，技術人員針對該路段開展了檢測工作，根據室內開展的芯樣鉆取分析中的孔隙率和油石比數據，該路段路肩路面并沒有經受車輛荷載作用，相對于原來行車路面狀態保持一致；且路肩上面層孔隙率經測定控制在8.4%～8.6%，中面層孔隙率測定數據保持在4.5%～6.1%，下面層孔隙率在1.3%～1.6%；根據相關技術規范標準，當瀝青面層的孔隙率超過8%時，容易坑槽破壞，而路肩上面層、中面層孔隙率在4%～9%，由此可以認定，路面坑槽病害的產生主要歸因于瀝青面層上部結構孔隙率過大，造成水損破壞[3]。

裂縫的形態和分布規律、形成機理隨著裂縫種類的不同而有較大區別，裂縫病害路段（BK170+640-BK172+620）具體有以下幾個方面的特點，路基土體并沒有達到固結完全，這導致孔隙水壓力不斷消散、沉降持續發生，沉降最后表現為不均勻；路基壓實度在橫向分布不均勻，在重載或者超載車輛作用下就會造成路面橫向的持續破壞；水穩基層的完整度不夠，導致局部路段出現承載力欠缺的情況。通過病害路段路面的結構特點，裂縫產生原因可分為以下五個方面。一是橫向裂縫多是溫度裂縫，病害路段的晝夜溫差極容易引起面接結構的低溫收縮，繼而產生結構內部的溫度應力，路面結構多采取改性瀝青，內部的混合材料具備較低的抗拉強度，溫差的反復循環造成結構薄弱處的拉應力破壞，并且結構上面層的瀝青稠度較大，針入度較小，難以抵抗較大的溫度應力差，而瀝青較稀則能夠有效改善溫度應力抵抗水平。二是橫向裂縫發生在路面結構和周圍構造物連接處，則主要是由于構造物附近的填土路基施工完成之后，沉降觀測工作并沒有有效開展，下一道工序的施工往往出現在沉降變化大于1mm/(3d)時就進行。三是該路段部分縱向裂縫表現為不連續且細而短、密集分布，這主要歸因于路段路基沉降不均勻造成瀝青面層的張拉。路基不均勻沉降則是在填土階段或者地基處理過程中路基橫向性質的不均衡所造成的，如地表水滲入地下結構，則會造成路基的不均勻沉降加劇。四是弧形縱向裂縫則主要發生在局部低洼路肩部位，該區段路基一旦遇到強降雨情況，路堤兩側就會積聚大量地表水。此時排水設施如果不通暢，則會形成較為明顯的路基下部弧形水線，固結變形產生在邊層土體中，造成路肩位置的弧形縱向裂縫。五是網狀裂縫（龜裂）則主要是水穩層基層并沒有形成完整的整體性結構，瀝青面層的承載強度不足導致車輛行駛密集下產生局部網狀裂縫，并且有路面沉陷現象伴隨。

BK121+400-BK122+900段產生較為嚴重的車轍病害，深度可達到45～50mm，現場檢測人員對該段進行了以下內容的檢測，以便揭示車轍產生原因：開展3個斷面的凹處、凸起、路肩鉆芯取樣工作，分析路面結構層厚度和取樣完整性；在車轍嚴重的路肩位置，采取瀝青面層板塊的切割，2個板塊用于動穩定度的檢測，1個板塊用于碎石級配、油石比的檢測，其中瀝青層的油石比、抗剪強度、碎石機配需要在實驗室中進行測定。根據檢測數據表明，嚴重車轍病害處的水穩層芯樣模量、強度相較于完好路段，差異較小；車轍嚴重處瀝青面層芯樣的抗剪強度相較于完好路段要小，前者抗剪強度均值在0.4MPa，完好路段的抗剪強度則達到了1.2MPa；車轍產生的主要原因是瀝青路面層結構抗剪強度過低。經過調查，路面瀝青結構強度低主要是由于上、中面層之間存在施工過程中過量灑鋪的富油夾層。相較于路肩路面，3個斷面凹處下面層差異較小；相較于路肩瀝青上中面層厚度，凹處斷面上中面層厚度要較小。為此，技術人員判定車轍主要產生于上中面層。

3 病害養護方式

3.1 裂縫修復

對于路基不均勻沉降造成的縱向裂縫發育路段，當前常用的修復方式是進行水泥漿灌注，繼而采取瀝青層調平加鋪路面；灌漿施工之前，需要加強對路面的養護管理，采取防水填縫措施以便有效降低裂縫沉陷的持續發展；其余密集裂縫的產生多由于水穩層松散，繼而出現路面瀝青結構的疲勞破壞。考慮到該病害路段面積較小，為實現新舊路面的平順連接，則可以對損壞路面進行有效全方位挖除，繼而進行瀝青罩面和水泥混凝土路面的鋪筑處理，最終達到符合路面形式效果。

3.2 車轍修復

對于瀝青路面結構車轍的修復則主要有就地熱再生法、微表處法。其中，微表處法則主要依賴改性瀝青作為黏結材料，在施工現場進行冷拌處理，具備造價成本低、適用范圍廣、污染程度小的特點，并且能夠有效提升路面的承載強度。就地熱再生法則主要是對原地面進行加熱重新融化，并且對舊瀝青混合料重新回收，采取新型再生劑重新拌和、攤鋪碾壓，最終形成新型路面結構層。就地熱再生技術對于公路工程可持續發展具有十分積極的現實意義，但是值得注意的是，就地熱再生技術過于依賴再生劑，不拌入新型瀝青及摻和料，對于路面性能及混合料級配無法再次優化。

3.3 坑槽修復

瀝青路面坑槽病害的修復主要采取永久性修復技術和挖補式坑槽修補，其施工流程主要是先進行維修面的劃定界限，對坑槽進行處理清洗，繼而進行黏層油的噴灑，對瀝青混合料進行回填處理，最后進行混合料的碾壓防水封縫處理。其中，坑槽處理是整個技術應用的關鍵環節，坑槽處理采取的機械設備主要有切縫機和液壓鎬，坑槽需要干燥平齊化處理，如果內壁過分松散，則要先清掃瀝青混合料顆粒。熱接縫、冷接縫的處理主要采取圓坑方補，且處置范圍的確定也需要根據坑壁質量，矩形修補輪廓線則主要采取切割機進行深度5cm切割。

4 結語

高速公路瀝青路面應用廣泛，隨著使用周期的延長，路面結構病害類型較多，對于高速公路行車安全穩定造成了嚴峻的挑戰。養護階段建設單位應從養護設計階段進行路面質量的把控，合理化路面材料的選取，并且結合施工具體環境、設計指標提升施工質量。對于養護階段路面結構病害的處理則要具有針對性，優化修復成本及技術，最終保證高速公路工程的使用耐久性。還應對路面行駛質量指數下降的瀝青路面進行有規劃的預防性養護，從而延長瀝青路面的使用壽命和提高瀝青路面的使用性能。