遼寧省高速公路雙層面層路面結(jié)構(gòu)性能衰變研究

任俊達，趙金成

(1.遼寧省交通建設(shè)投資集團有限責(zé)任公司 沈陽市 110166； 2.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

目前，遼寧省高速公路瀝青面層的典型結(jié)構(gòu)厚度為15.5～18cm，分成三層結(jié)構(gòu)實施，表面層3.5cm或4cm的SMA-13L，中面層為5cm或6cm的LAC-20，下面層為7cm或8cm的LAC-25結(jié)構(gòu)。但是在“十二五”前后，遼寧省部分高速公路結(jié)合項目交通量較小、降低工程造價等因素考慮，采用了設(shè)置兩層瀝青混凝土面層的方案。如2012年通車的S13永桓、S14遼開高速公路和2015年通車的燈遼等高速公路，經(jīng)過幾年的運行，路面性能出現(xiàn)衰減。以永桓、遼開高速公路為例，分析該類瀝青路面結(jié)構(gòu)的主要性能衰變特征及原因，以期為今后養(yǎng)護設(shè)計和類似結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供技術(shù)建議。

1 工程概況

1.1 路面結(jié)構(gòu)及交通量

遼開高速公路和永桓高速公路路面結(jié)構(gòu)如表1所示，兩條高速公路均為輕交通[1]。

表1 高速公路路面結(jié)構(gòu)

1.2 氣候條件

遼開高速公路和永桓高速公路沿線縣市氣象資料如表2所示，項目所屬區(qū)域冬季寒冷，要重點考慮低溫性能。

表2 項目沿線氣象資料

2 路面性能調(diào)查分析

2.1 路面性能評定

依據(jù)2019年7月道路綜合檢測結(jié)果和評定標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，對各項指標(biāo)進行統(tǒng)計評定分析[2]。結(jié)果如表3所示。

表3 路面性能評定結(jié)果

永桓高速公路原設(shè)計路面驗收彎沉值為24.7(0.01mm)，2019年對雙方向行車道的路面彎沉進行測量。測量結(jié)果為永陵方向代表彎沉的平均值為11.04(0.01mm)，桓仁方向代表彎沉的平均值為10.55(0.01mm)，表明路面強度普遍較高，全線PSSI指標(biāo)都在98分以上。

遼開高速公路原設(shè)計主線路面驗收彎沉值為24.7(0.01mm)，2019年對雙方向行車道的路面彎沉進行測量。結(jié)果表明開原方向彎沉值整體大于遼源方向，開原方向彎沉平均值25.32(0.01mm)，遼源方向彎沉平均值19.09(0.01mm)。

2.2 路面性能指標(biāo)隨路齡變化規(guī)律

依據(jù)歷年道路綜合檢測結(jié)果，對其他各項指標(biāo)進行分析，如圖1和圖2所示。

圖1 永桓高速逐年總體評價結(jié)果圖

圖2 遼開高速逐年總體評價結(jié)果圖

從圖1、圖2可知，除PQI和PCI呈下降趨勢，其他指標(biāo)變化幅度均較小。造成路面性能下降的主要原因為PCI的衰變，而與其他如車轍(RDI)和平整度(RQI)等性能指標(biāo)的相關(guān)性不大。

3 主要病害類型

對路面病害情況進行現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，永桓高速公路路面主要病害形式為裂縫，其中以橫向和縱向裂縫為主。遼開高速現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)路面主要病害有橫、縱縫，局部路段縱縫發(fā)展成塊裂。為深入分析裂縫原因，對兩條高速公路路面進行了鉆芯取樣檢測。將永桓高速公路和遼開高速公路的芯樣按裂縫發(fā)展深度劃分為1cm以內(nèi)、5cm(表面層)以內(nèi)、12cm(全部面層)以內(nèi)和面層基層四類，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 橫向裂縫芯樣數(shù)量匯總

圖4 縱向裂縫芯樣數(shù)量匯總

可以看出，橫向裂縫的發(fā)展深度有上面層5cm以內(nèi)、上下面層12cm以內(nèi)和面層基層，瀝青路面的橫向裂縫絕大部分在水平方向貫通整個路幅，在深度方向貫通面層甚至到達基層，通過現(xiàn)場觀察病害芯樣發(fā)現(xiàn)瀝青層或基層層底出現(xiàn)松散現(xiàn)象。

縱向裂縫發(fā)展深度有上面層1cm以內(nèi)、上面層5cm以內(nèi)、上下面層12cm以內(nèi)和面層基層四種，可以看出瀝青路面的縱向裂縫是從路面向下發(fā)展的，通過現(xiàn)場觀察芯樣發(fā)現(xiàn)各結(jié)構(gòu)層已脫離，尤其以瀝青層和基層之間脫離最嚴(yán)重，脫離的主要原因是層間粘結(jié)差、局部層間被污染。

4 試驗分析

為了解瀝青層的老化程度，將舊路芯樣抽提[3]，并對回收瀝青進行了針入度(25℃，5s，100g)、5℃延度、15℃延度、軟化點等指標(biāo)試驗，結(jié)果如表4、表5所示。

表4 永桓高速回收瀝青試驗指標(biāo)表

表5 遼開高速回收瀝青試驗指標(biāo)表

從試驗結(jié)果可以初步得出：永桓和遼開高速面層回收瀝青除下面層LAC-25軟化點指標(biāo)滿足要求外，針入度和延度指標(biāo)都已不滿足設(shè)計的技術(shù)要求；隨著深度增加，各指標(biāo)衰減越少，瀝青老化程度逐漸降低，表面層老化程度最嚴(yán)重。

對永桓高速公路回收的瀝青進行低溫彎曲蠕變BBR試驗(-6℃、-12℃、-18℃)，分析原瀝青面層不同深度的瀝青老化狀況。其中對舊路5cm中面層LAC-16劃分為0～2cm和2～5cm，對舊路7cm下面層LAC-25劃分為5～8.5cm和8.5～12cm，結(jié)果如表6所示。

表6 回收瀝青(低溫彎曲蠕變勁度模量)試驗結(jié)果 MPa

多種成品SBS改性瀝青試驗表明在-12℃時的遼寧省SBS改性瀝青蠕變勁度一般為30～70MPa[4]。試驗中-12℃時的蠕變勁度遠(yuǎn)超范圍，表明瀝青已嚴(yán)重老化，低溫抗裂性能隨之下降[5]。

5 病害原因分析

5.1 橫向裂縫

實際取芯結(jié)果證明，調(diào)查路段橫向裂縫為溫縮裂縫和反射裂縫兩種類型。這兩種裂縫形式均對面層瀝青混合料的低溫性能敏感，對于溫縮作用，當(dāng)氣溫驟降時，由于瀝青混合料的應(yīng)力松弛趕不上溫度應(yīng)力的增長，超過混合料的極限應(yīng)變時，便產(chǎn)生開裂。對于反射裂縫，主要是半剛性材料的溫縮和干縮產(chǎn)生的。

5.2 縱向裂縫

現(xiàn)場鉆芯情況表明，瀝青路面的縱向裂縫是從路面向下發(fā)展的。同時，觀察存在病害的芯樣，多數(shù)芯樣各結(jié)構(gòu)層已脫離，尤其以瀝青層和基層之間脫離最嚴(yán)重。造成各結(jié)構(gòu)層脫離的主要原因是層間粘結(jié)差、局部層間被污染。由于各層脫離，路面的層間連續(xù)變?yōu)榛瑒芋w系，脫離開的各結(jié)構(gòu)層只能單獨承受車輛荷載和溫度等作用。由于研究路段的路面結(jié)構(gòu)中只有兩層瀝青層，即使在交通量水平很低的情況下，對于單獨的瀝青層也可以出現(xiàn)疲勞裂縫。

6 結(jié)論

(1)以遼寧省永桓和遼開高速公路為研究對象，通過路面性能調(diào)查和評定、現(xiàn)場病害調(diào)查、鉆芯取樣和抽提瀝青試驗等一系列方法，考察了雙層瀝青混合料面層半剛性基層結(jié)構(gòu)的性能衰變特征及原因。

(2)實際調(diào)查表明，嚴(yán)重的橫向開裂和縱向開裂是造成PCI快速下降的主要因素。鉆芯取樣結(jié)果表明，57.2%的橫向裂縫已貫通路幅和基層，79%的縱向裂縫在面層內(nèi)分布，基層完好。

(3)BBR試驗和橫向裂縫預(yù)估表明瀝青已嚴(yán)重老化，低溫抗裂性能衰減嚴(yán)重，由此可知造成PCI衰減過快的主要原因是瀝青低溫性能不足，導(dǎo)致路面抵抗橫縱向開裂的能力顯著下降，在分析路段的養(yǎng)護設(shè)計和今后類似路面結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注意保證和提高瀝青低溫性能。