瀝青路面裂縫機械處置主要參數的選取和優化

蔚昭儀

（山西省公路局 太原分局，山西 太原 030012）

作為高等級道路的主要路面結構形式，無論是瀝青混凝土路面，還是水泥混凝土路面，在長期的使用過程中必然會產生以材料松散、坑槽凹陷、縱橫裂縫、推擁鼓包和搓板車轍等為主要表現形式的各種路面病害[1]。隨著道路使用年限的增長，這些病害數量的增速率會逐步提高。圖1是基于實地觀測的統計數據展現的道路病害數量隨使用年限延長的基本規律[2]。

圖1 高等級路面病害數量與通車年限的關系

1 縱橫裂縫是高等級道路的主要多發病害形式

在這些路面常見病害中，縱橫裂縫是高等級道路主要多發的病害形式。統計數據顯示，裂縫產生的數量占各種路面病害總數的55%以上，超過了其他病害數量的總和。路面病害的產生改變了路面的受力狀態和承載特性，不僅會加速路面的損壞進程，而且是道路交通行車安全的重要隱患。以路面裂縫為例，裂縫會從根本上破壞面層對下部路層即水泥穩定基層和底基層的封閉作用，使道路表面的水分（主要由天然落雨、人為灑水等形成）通過裂縫進入下部，從而使基層產生水毀。另外，裂縫會在車輛碾壓等外荷載的反復作用下快速擴大而形成密集網裂，進而形成更大的路面損壞（如材料松散和坑槽等面積損壞）。因此，路面病害必須及時處置以盡快恢復面層的幾何狀態和受力特性，這是道路養護工程的主要作業項目之一。

2 路面裂縫現行處置工藝及主要設備作業工序分析

自改革開放以來我國高等級道路的建設隨著國民經濟的快速發展迎來了高速發展時期，如高速公路的通車里程目前已穩居世界第一（14.26×104km）。但以國際公認的使用壽命年限，我國大陸最早通車的高速公路路段也剛剛超過一個完整的使用壽命周期。有鑒于此，我國基于高速公路的維護工藝及機械使用起步較晚。雖然在國際技術交流大背景下，我國道路養護工程技術進步迅速，已采用了大量具有國際先進水平的養護機械，但路面病害的處置往往需要多機種多工序配套作業才能高質量完成。以路面裂縫處置為例，長期以來沿用的作業工序可由圖2所示。

圖2 沿用的作業工序

圖2所示處置工序是我國目前道路養護工程常用的灌縫工藝，一般先將補縫材料（大多采用補縫膠或以SBS或橡膠粉為改性劑的改性瀝青[3]）加熱至150℃左右，使其降低黏度而易于輸送和灌入。由于這些材料均屬高分子有機物質，具有較高的熱容量，但導熱性能較差，因此在加熱過程中施以攪拌，使材料在運動中受熱是十分必要的。這不僅能夠提高加熱效率，而且材料的均勻受熱能夠有效消除加熱死角，避免材料的局部過熱而極易出現材料老化現象。而某些較窄的裂縫經過擴縫（一般擴至8～12 mm）使得灌縫作業能夠達到較好的效果。但對裂縫處置后形成的路面結構長期觀察后發現現行補縫工藝尚存在下述主要問題。

2.1 補縫工藝尚存在的問題

a）大多裂縫修補后的使用壽命較短（一般不超過2年）。

b）裂縫灌注成型后與相鄰兩側容易開裂，而使裂縫處置后的封閉效果明顯降低。

2.2 解決辦法

有鑒于此，對現行路面補縫工藝進行改進和完善，以提高路面裂縫的處置質量對于保證道路的正常服務是十分必要的。新世紀以來，道路養護工程部門對傳統路面補縫作業工藝的問題提出了如下解決辦法：

a）擴縫后對縫隙內部雜質進行風壓吹除作業。

目前的擴縫機大多采用旋轉刀盤沖擊切削的作業原理，作業過程中必然產生相當數量的以碎石、粉狀瀝青和石粉為主要成分的雜質。雖然旋轉刀盤的離心力能夠將大部分雜質拋出縫外，但仍會有部分雜質留置在切縫內部的斷面上。這些雜質的存在會影響補縫材料與縫隙斷面的良好結合而易形成新的早期裂縫。因此，在擴縫后灌縫前對縫隙內部雜質進行風壓吹除作業是必要的。

b）灌縫前應對縫隙周邊進行加熱升溫。

眾所周知，路面的灌縫作業是在常溫環境中進行的。即使在炎熱的夏季，其環境溫度亦與灌縫材料的作業溫度相差很大[4]。以筆者所在的山西太原和晉中地區為例，其夏季的極限溫度不超過39℃，即使作為黑體物質（黑度系數為0.97左右）本身易形成溫室效應，瀝青路面的夏季溫度與灌縫材料的作業溫度仍然形成較大的溫差。而作業時灌注的高溫補縫材料與周邊路面材料的質量相較非常微小，因此會使灌縫機中噴出的補縫材料的溫度在短時間內急劇下降而與路面的周邊材料形成新的熱平衡。顯然，溫度急劇下降的補縫材料也必然伴隨著其自身黏度的急劇升高，難以與周邊路面材料形成良好的結合而嚴重影響補縫的工程質量，縮短其使用壽命。

根據上述分析，提升裂縫周邊的路面溫度達到或基本達到補縫材料的作業溫度，使“補”與“被補”的2種材料基本處于一個“溫度梯度”上再進行補縫作業是解決這一問題的捷徑。

經過工藝改進后的路面裂縫處置工序可由圖3所示。

圖3 改進后的處置工序

3 裂縫處置工藝參數的選取和優化

路面裂縫處置工藝的改進能夠顯著提高作業效果，但新工藝所涉及的主要技術參數的選取直接影響到裂縫處置的工程質量，故必須引起特別注意。有鑒于此，筆者在太原公路分局所屬的多條高等級路段進行了大量的調研工作，特別是針對目前路面裂縫處置工程所用灌縫設備的結構和使用規范，以及材料的準備及灌注過程，結合實體養護工程組織相關工程技術和施工人員進行了專題討論，對裂縫機械處置工藝參數的選取和優化提出如下意見。

a）裂縫雜質的吹除風壓以0.4～0.6 MPa為宜。

目前工程中大多采用獨立推行的空氣壓縮機完成裂縫雜質的清除作業，也可在擴縫機或灌縫機上加裝小型吹除裝置作業。這些空壓機均為活塞壓氣式作業原理，其系統壓力值不超過1.2 MPa。大量實體工程作業顯示，作業時的吹除風壓以0.4～0.6 MPa為宜。若小于該值則雜質吹除難以徹底，過大則會影響路面邊側的結構強度。目前吹除對象主要是自然裂縫和擴充裂縫兩種。前者縫中的雜質為自然狀態，而后者的雜質已經過人為松動，故建議前者取風壓高值（0.5～0.6 MPa），而后者作業時以低值（0.4～0.5 MPa）為好。

b）裂縫加熱溫度的優化。

無論是瀝青路面混合料，還是補縫材料，其材料組成中的瀝青和SBS改性劑均是較為典型的高分子有機物質，其施熱溫度（加熱基體溫度或稱輻射溫度）以300℃～350℃為宜，過熱的加熱溫度極易造成材料老化而影響作業質量。有鑒于此，筆者認為裂縫的加熱采用微波或遠紅外加熱方式是較為理想的選擇，但前者因目前磁控管的應用條件和使用壽命等存在技術瓶頸，而后者的使用成本顯然較高。近年來山西省交通科學研究院研發的“以熱風加熱為技術特征的瀝青路面材料再生裝置”采用熱風發生裝置取得了良好的使用效果，但欲用于路面補縫這種流動作業中，仍有待進行小型輕量化改進和技術集成。因此，目前還難以找到一種較為理想的用于路上流動作業的裂縫加熱方式。有鑒于此，筆者認為目前可以噴燈（以汽油或LNG為熱源）進行加熱作業，但噴燈形成的火焰溫度在1 000℃～1 200℃左右。為盡可能降低和規避路面材料的老化，必須制定嚴格的作業規范，即火焰必須進行慢速移動加熱而不能在一個局部連續加熱過久。實體工程試驗表明，手持噴燈作業應以2～3 m/min的移動速度進行裂縫加熱。若環境溫度為0～15℃時，應依此速度作業循環2次。溫度再低，特別是冬季道路養護作業時，應根據實際情況增加加熱作業的遍數，直至達到合適的加熱溫度（90℃～110℃）。同時，灌縫作業應及時跟上并盡快完成裂縫處置的全過程。

在補縫前對路面裂縫中的雜質先行吹除和預加熱，是對傳統裂縫處置工藝進行的改進和補充。此舉無論從理論上還是工程實踐上都是非常必要的，但工程中必須遵從嚴格的作業工藝并達到相應的技術參數，這是保證施工質量的必要條件。近年來，太原公路分局依照上述技術要求在國道108、307和208等高等級道路的補縫工程中進行了實體工程應用，收到了良好的效果，補縫材料與路面的連接強度顯著提高，杜絕了連接裂縫的產生。施工后經多年觀測和檢查，確認修復后的路面原裂縫部分的存在壽命較原作業工藝提高了2～3倍，恢復并保證了道路的整體強度。

4 結語

高等級路面裂縫的形成原因較為復雜。礦料級配、油石配比、瀝青與礦料的和易性等材料的選擇及配比設計欠妥，以及路上攤鋪作業時由于混合料輸送路徑過大造成的材料離析等都有可能造成或誘發路面裂縫的出現[5]。大量統計結論顯示，因道路基層強度的不足或不勻造成的路面反射裂縫出現的頻率近年來也有加大的趨勢。因此，不斷改進和優化道路補縫工藝以提高作業施工質量，對于保持和提升道路的路用特性和正常服務具有重要意義。