遼寧省高速公路典型路面結(jié)構(gòu)路面病害調(diào)查與分析研究

邵傳恒

(遼寧省高速公路運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司 沈陽(yáng)市 110003)

0 引言

遼寧省高速公路瀝青路面技術(shù)發(fā)展大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：建設(shè)探索期，屬于摸索階段沒有成熟施工特點(diǎn)；技術(shù)發(fā)展期，即路面基層采用雙基層的結(jié)構(gòu)形式，基層厚度達(dá)到40cm左右，施工工藝逐漸從路拌法轉(zhuǎn)為廠拌機(jī)攤，瀝青面層設(shè)計(jì)厚度為15cm，分三層瀝青混凝土施工；技術(shù)提升期，即根據(jù)設(shè)計(jì)交通量的不同，路面基層采用雙基層或三層基層的結(jié)構(gòu)形式，基層厚度達(dá)到40～55cm，考慮層厚和最大公稱粒徑的匹配關(guān)系，瀝青面層總厚度較上一階段有所增加，瀝青面層設(shè)計(jì)厚度一般為15～18cm，分三層施工[1]；技術(shù)多樣化時(shí)期，即該階段逐漸形成了具有遼寧特色的技術(shù)規(guī)定，初步體現(xiàn)了各層按功能設(shè)計(jì)，提出了SMA-13L、AC-20L和AC-25L型級(jí)配要求和最低瀝青用量的要求，同時(shí)在遼開、桓永等交通量較小的高速公路采用了三層設(shè)計(jì)兩層修建的路面設(shè)計(jì)策略。

雖然遼寧省在高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面嘗試了多種改變，但瀝青路面破損是受環(huán)境、交通、管理、施工等因素的影響，病害產(chǎn)生的機(jī)理和原因也各不相同，可能是一種因素或者幾種因素共同作用的結(jié)果[2]。因此為分析路面病害產(chǎn)生原因，選取典型路段，對(duì)路面凍脹、裂縫進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)，并鉆取芯樣，初步分析病害產(chǎn)生原因、發(fā)展趨勢(shì)和可利用程度，為進(jìn)一步提出針對(duì)性的瀝青路面病害維修方案奠定基礎(chǔ)。

1 路面凍脹觀測(cè)

1.1 觀測(cè)路段

西開、桓永高速公路位于遼寧省北部和東部山區(qū)，氣候分區(qū)屬于2-1、2-2，西豐冬季極端最低氣溫為全省最低，達(dá)-43.4℃，開原-33.2℃；新賓永陵地區(qū)為-34.1℃，桓仁為-29.2℃，同時(shí)桓永高速位于遼寧省東部，屬于省內(nèi)多雨地區(qū)，路面受低溫凍脹作用在省內(nèi)屬于較嚴(yán)重地區(qū)。由于該兩條高速公路修建時(shí)路面面層只鋪筑了兩層，瀝青面層相對(duì)較薄，經(jīng)過7年運(yùn)行，路面破損技術(shù)指標(biāo)衰減較嚴(yán)重，路面出現(xiàn)大量縱、橫向裂縫等病害。為分析路面病害產(chǎn)生原因，選取典型路段，對(duì)路面凍脹、裂縫進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)，路段匯總見表1。

表1 路面凍脹、裂縫觀測(cè)路段匯總

1.2 觀測(cè)方案

表面凍脹觀測(cè)點(diǎn)1組共計(jì)30個(gè)，采用6×5布置，沿道路縱向間隔2m布置一個(gè)，共布置5個(gè)點(diǎn)，在道路行車道與硬路肩內(nèi)橫向等間距布置6個(gè)，對(duì)于橫縫、縱縫的觀測(cè)布置示意圖分別如圖1、圖2所示?？拷^測(cè)者的6個(gè)點(diǎn)為第一行，靠近路緣石的5個(gè)點(diǎn)為第一列，從第一行第一列開始，先沿行后沿列按照蛇形順序依次立尺，利用水準(zhǔn)儀測(cè)量各點(diǎn)高程。對(duì)于每處裂縫的觀測(cè)，均選擇了天橋橋墩、通道壁板或公鐵立交橋上的合適部位立尺作為校核基點(diǎn)，將其高程作為基點(diǎn)高程。對(duì)于基點(diǎn)與布置的觀測(cè)點(diǎn)距離較遠(yuǎn)的情況，難以通過水準(zhǔn)儀一次性讀出標(biāo)尺讀數(shù)的，在基點(diǎn)與觀測(cè)點(diǎn)中間選取一點(diǎn)，進(jìn)行高程的傳遞，從而保證數(shù)據(jù)的可讀性與準(zhǔn)確性。

圖1 橫向裂縫觀測(cè)布置圖

圖2 縱向裂縫觀測(cè)布置圖

2 路面裂縫觀測(cè)

選取雙層、三層、四層瀝青層路面結(jié)構(gòu)高速公路典型代表路段，對(duì)路面裂縫進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，裂縫調(diào)查按橫向貫通縫、橫向非貫通縫和縱向裂縫每公里條數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合2017年觀測(cè)情況分析不同瀝青面層厚度路面結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展情況。

3 路面鉆芯取樣試驗(yàn)

先后通過遼開、桓永、沈四、撫通和鶴大五條高速公路瀝青路面雙層、三層、四層瀝青路面結(jié)構(gòu)代表路段中觀測(cè)凍脹段的不規(guī)則裂縫處、橫向貫通裂縫處、長(zhǎng)大縱縫處等病害位置進(jìn)行取芯觀測(cè)，同時(shí)在行車道和硬路肩無病害位置進(jìn)行取芯對(duì)比。

4 調(diào)研結(jié)果整理分析

4.1 凍脹觀測(cè)結(jié)果分析

通過凍脹前、凍脹中兩次路面高程觀測(cè)，整理數(shù)據(jù)分析：遼開K32+400(半填半挖)，本路段前后兩次測(cè)量路面高程發(fā)生了較大變化，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)高程升高范圍在1～2.5cm之間，有可能發(fā)生了凍脹導(dǎo)致的高程變化。如圖3所示。

圖3 遼開K32+400測(cè)量點(diǎn)高程變化示意圖

永桓K15+850(挖方)，本路段前后兩次測(cè)量路面高程發(fā)生了較大變化，路面高度平均抬升了1cm，有可能發(fā)生了凍脹產(chǎn)生的高程變化。如圖4所示。第一列觀測(cè)位置是在路緣石附近，考慮可能受雪的影響，有測(cè)量誤差。

圖4 永桓K15+850測(cè)量點(diǎn)高程變化示意圖

永桓K27+700(填方)，本路段前后兩次測(cè)量路面高程發(fā)生了較大變化，部分點(diǎn)高程升高了近2.3cm，初步分析是路面凍脹所致。如圖5所示。

圖5 永桓K27+700測(cè)量點(diǎn)高程變化示意圖

4.2 路面裂縫觀測(cè)結(jié)果分析

4.2.1典型結(jié)構(gòu)路面通車5年、7年裂縫情況

將所調(diào)研的路段按兩層、三層、四層瀝青面層典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，按通車5年、7年對(duì)各個(gè)典型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的路面橫向貫通縫、橫向非貫通縫、縱向裂縫進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析結(jié)果如圖6。初步得出如下結(jié)論：

圖6 裂縫數(shù)量統(tǒng)計(jì)

(1)橫向貫通縫兩層、三層路面結(jié)構(gòu)通車5年大致相當(dāng)，每公里30條左右，四層瀝青路面結(jié)構(gòu)明顯較少，每公里10條左右；通車7年后，橫向貫通縫隨瀝青面層增大呈現(xiàn)逐漸減少趨勢(shì)。

(2)橫向非貫通縫兩層路面結(jié)構(gòu)通車5年較多，通車7年二層、三層結(jié)構(gòu)相當(dāng)(其中三層結(jié)構(gòu)的鶴大觀測(cè)段中面層為橡膠瀝青路面結(jié)構(gòu)，通車7年橫向非貫通縫較多，但橫向貫通縫較兩層結(jié)構(gòu)明顯減少)，四層路面結(jié)構(gòu)橫向非貫通縫較少。

(3)縱向裂縫，這里統(tǒng)計(jì)的大多是縱向不規(guī)則溫縮裂縫，對(duì)于半剛性基層瀝青路面的低溫開裂除瀝青面層的縮裂外，還包括半剛性基層溫度縮裂的反射裂縫，這也是半剛性基層瀝青路面低溫裂縫較柔性基層瀝青路面多的原因。當(dāng)瀝青路面結(jié)構(gòu)成為連續(xù)整體時(shí)，層間接觸阻力可減緩瀝青面層開裂，但基層的溫度收縮會(huì)導(dǎo)致面層出現(xiàn)溫縮反射裂縫[3]。由圖6可知，兩層、三層路面結(jié)構(gòu)通車5年大致相當(dāng)；通車7年后，兩層結(jié)構(gòu)最多，四層結(jié)構(gòu)最少。因此瀝青路面低溫開裂與結(jié)構(gòu)組合、層間接觸狀態(tài)密切相關(guān)，與此同時(shí)，產(chǎn)生溫縮裂縫的最主要的因素是瀝青材料的性質(zhì)，改善瀝青性能對(duì)減小溫縮裂縫能起到90%的貢獻(xiàn)[4]。

4.2.22017年到2019年典型路面結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)展情況分析

(1)對(duì)比分析2017年和2019年不同瀝青面層結(jié)構(gòu)高速公路橫向貫通裂縫數(shù)量變化情況，和圖7可知，三層、四層瀝青面層結(jié)構(gòu)的橫向貫通裂縫發(fā)展速度明顯低于兩層瀝青面層結(jié)構(gòu)的永桓高速。

圖7 2017年和2019年不同瀝青面層結(jié)構(gòu)高速公路橫向貫通裂縫數(shù)量變化圖

(2)對(duì)比分析2017年和2019年不同瀝青面層結(jié)構(gòu)高速公路橫向非貫通裂縫數(shù)量變化情況，如圖8可知，除鶴大的兩條路段，其他調(diào)研路段內(nèi)三層瀝青面層結(jié)構(gòu)的橫向非貫通裂縫發(fā)展速度明顯低于兩層瀝青面層結(jié)構(gòu)的永桓高速。

圖8 2017年和2019年不同瀝青面層結(jié)構(gòu)高速公路橫向非貫通裂縫數(shù)量變化圖

(3)對(duì)比分析2017年和2019年不同瀝青面層結(jié)構(gòu)高速公路縱向裂縫數(shù)量變化，如圖9可知，三層瀝青面層結(jié)構(gòu)的縱向裂縫發(fā)展速度明顯低于兩層瀝青面層結(jié)構(gòu)的永桓高速。

圖9 2017年和2019年不同瀝青面層結(jié)構(gòu)高速公路縱向裂縫數(shù)量變化圖

4.3 路面鉆芯結(jié)果分析

(1)遼開高速K80+260(下行)和K59+900(下行)

K80+260(下行)處病害位置上的芯樣和芯孔上可以看出，橫向貫通縫是自下而上的開裂形式，短縱縫處的開裂形式基本表現(xiàn)在表面層，未開裂至下面層。本路段在無病害位置取芯共計(jì)9個(gè)，其中有2個(gè)芯樣層間結(jié)合狀態(tài)呈現(xiàn)分離狀態(tài)，路面病害處，芯樣層間結(jié)合狀態(tài)均為分離狀態(tài)。

K59+900(下行)處病害位置上的芯樣和芯孔上可以看出，橫向貫通縫是自下而上的開裂形式，硬路肩非貫通橫向裂縫處層間斷開但裂縫開裂是自上而下的形式。

(2)桓永高速K15+850(上行)

K15+850(上行)處病害位置上的芯樣和芯孔上可以看出，橫向貫通縫是自下而上的開裂形式，短縱縫和短橫縫的開裂形式基本表現(xiàn)在表面層，未開裂至下面層。該路段1個(gè)橫向貫通縫處和1個(gè)縱向裂縫處層間斷且橫向貫通縫處3個(gè)芯樣全部破碎。

(3)沈四高速K799+244(上行)和K822+200(上行)

K799+244(上行)路段取芯處路面結(jié)構(gòu)為：3.5cmSMA-13L+6cmLAC-20高模量+7cmLAC-25+11cm廠拌冷再生瀝青混合料。從病害位置上的芯樣和芯孔上可以看出，橫向貫通縫是自下而上的開裂形式，其中層間斷開處有2個(gè)，分別為硬路肩橫向貫通縫處和硬路肩良好處(可能敲擊芯樣操作導(dǎo)致)，且橫向貫通縫處芯樣破碎，由于面層厚度的原因，并未鉆取到基層部位。

K822+200(上行)路段取芯處路面結(jié)構(gòu)為：3.5cmSMA-13L(硬路肩位置無面層)+7cmLAC-20高模量+11cmATB-25。從病害位置上的芯樣和芯孔上可以看出，橫向貫通縫是自下而上的開裂形式且所有芯樣并無層間斷開，但橫縫位置芯樣中3個(gè)呈破碎狀，由于面層厚度的原因，并未鉆取到基層部位。

(4)撫通高速K42+200(下行)

K42+200(下行)路段從病害位置上取出的3個(gè)芯樣可以看出，芯樣懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)明顯，無骨料缺失，粒徑合理且級(jí)配良好，取出的芯樣均為瀝青層，開裂程度較為輕微，芯樣完整，在芯樣上能觀測(cè)到微裂縫且未導(dǎo)致芯樣斷開，同時(shí)沒有破碎的情況發(fā)生，但芯樣面層之間的連接較差，層間基本全部斷開。

(5)鶴大高速K970+200(上行)

K970+200(上行)路段病害位置取芯分別位于硬路肩不規(guī)則橫向裂縫處1個(gè)、短縱縫處2個(gè)，無病害位置取芯位于硬路肩上3個(gè)。其中硬路肩良好處芯樣層間斷開，但所有芯樣均無破碎，短縱縫位置裂縫開裂明顯為自上而下的方式，但裂縫開裂深度較淺，僅停留在面層，開裂深度在3cm左右。

5 總結(jié)

(1)以雙層瀝青路面結(jié)構(gòu)為代表的遼開、桓永高速公路：遼開、桓永高速凍脹觀測(cè)表明個(gè)別路段，尤其是半填半挖路段，存在輕微路面凍脹，高程升高范圍在1～2.5cm之間，這也是造成路面裂縫的原因之一，但凍脹程度較輕，暫不需要對(duì)凍脹進(jìn)行特殊處理。

通車7年后，遼開、桓永高速公路路面橫向不規(guī)則裂縫、網(wǎng)裂、塊裂以及不規(guī)則縱向裂縫，多為Top-down裂縫，在冬季發(fā)展也不明顯，此種裂縫在維修時(shí)可以不做處理，只對(duì)表面層老化、脫粒進(jìn)行銑刨處理即可，路面規(guī)則長(zhǎng)大縱向裂縫，鉆芯取樣觀測(cè)也多數(shù)只有路面面層開裂，此種裂縫可根據(jù)實(shí)際開裂深度，確定處理方案。

(2)綜合分析雙層、三層、四層瀝青路面層結(jié)構(gòu)：高速公路雙層路面典型結(jié)構(gòu)(遼開和桓永)在通車5年左右，橫向貫通縫與三層路面結(jié)構(gòu)相當(dāng)，但發(fā)展較快，到通車7年要比三層結(jié)構(gòu)多；橫向非貫通縫兩層路面結(jié)構(gòu)通車5年較多，通車7年二層、三層結(jié)構(gòu)相當(dāng)；縱向裂縫，這里統(tǒng)計(jì)的大多是縱向不規(guī)則溫縮裂縫，兩層、三層路面結(jié)構(gòu)通車5年大致相當(dāng)，但發(fā)展較快，通車7年后，兩層結(jié)構(gòu)明顯比三層結(jié)構(gòu)多。高速公路三層路面典型結(jié)構(gòu)(鶴大和撫通)，對(duì)于輕中交通等級(jí)路段，表現(xiàn)較好，裂縫呈現(xiàn)穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)。高速公路四層路面典型結(jié)構(gòu)(沈四)，在抗路面開裂能力上最優(yōu)，對(duì)于輕中交通等級(jí)路段，具有良好的耐久性。

對(duì)于已經(jīng)通車5年的鶴大和撫通高速，建議1～2年內(nèi)對(duì)路面實(shí)施預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施，抑制瀝青老化，防止路面溫縮裂縫快速增多。

(3)瀝青路面低溫開裂與結(jié)構(gòu)組合、層間接觸狀態(tài)密切相關(guān)。與此同時(shí)，產(chǎn)生溫縮裂縫的最主要的因素是瀝青材料的性質(zhì)，改善瀝青性能對(duì)減小溫縮裂縫能起到90%的貢獻(xiàn)。

(4)無論是兩層、三層還是四層瀝青面層結(jié)構(gòu)，為延長(zhǎng)道路的使用壽命，在預(yù)防性或大中修養(yǎng)護(hù)維修方案制定時(shí)還應(yīng)根據(jù)科學(xué)的病害調(diào)研分析結(jié)果，針對(duì)不同病害和病害程度給出合理、經(jīng)濟(jì)的維修方案。