遼寧省高速公路雙層面層路面結構性能衰變研究

任俊達，趙金成

(1.遼寧省交通建設投資集團有限責任公司 沈陽市 110166； 2.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

目前，遼寧省高速公路瀝青面層的典型結構厚度為15.5～18cm，分成三層結構實施，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結構。但是在“十二五”前后，遼寧省部分高速公路結合項目交通量較小、降低工程造價等因素考慮，采用了設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，經過幾年的運行，路面性能出現衰減。以永桓、遼開高速公路為例，分析該類瀝青路面結構的主要性能衰變特征及原因，以期為今后養護設計和類似結構的應用提供技術建議。

1 工程概況

1.1 路面結構及交通量

遼開高速公路和永桓高速公路路面結構如表1所示，兩條高速公路均為輕交通[1]。

表1 高速公路路面結構

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 路面性能調查分析

2.1 路面性能評定

依據2019年7月道路綜合檢測結果和評定標準的規定，對各項指標進行統計評定分析[2]。結果如表3所示。

表3 路面性能評定結果

永桓高速公路原設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指標都在98分以上。

遼開高速公路原設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 路面性能指標隨路齡變化規律

依據歷年道路綜合檢測結果，對其他各項指標進行分析，如圖1和圖2所示。

圖1 永桓高速逐年總體評價結果圖

圖2 遼開高速逐年總體評價結果圖

從圖1、圖2可知，除PQI和PCI呈下降趨勢，其他指標變化幅度均較小。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)等性能指標的相關性不大。

3 主要病害類型

對路面病害情況進行現場調查發現，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。遼開高速現場調查發現路面主要病害有橫、縱縫，局部路段縱縫發展成塊裂。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展深度劃分為1cm以內、5cm(表面層)以內、12cm(全部面層)以內和面層基層四類，結果如圖3和圖4所示。

圖3 橫向裂縫芯樣數量匯總

圖4 縱向裂縫芯樣數量匯總

可以看出，橫向裂縫的發展深度有上面層5cm以內、上下面層12cm以內和面層基層，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，通過現場觀察病害芯樣發現瀝青層或基層層底出現松散現象。

縱向裂縫發展深度有上面層1cm以內、上面層5cm以內、上下面層12cm以內和面層基層四種，可以看出瀝青路面的縱向裂縫是從路面向下發展的，通過現場觀察芯樣發現各結構層已脫離，尤其以瀝青層和基層之間脫離最嚴重，脫離的主要原因是層間粘結差、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、軟化點等指標試驗，結果如表4、表5所示。

表4 永桓高速回收瀝青試驗指標表

表5 遼開高速回收瀝青試驗指標表

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

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℃時的蠕變勁度遠超范圍，表明瀝青已嚴重老化，低溫抗裂性能隨之下降[5]。

5 病害原因分析

5.1 橫向裂縫

實際取芯結果證明，調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，當氣溫驟降時，由于瀝青混合料的應力松弛趕不上溫度應力的增長，超過混合料的極限應變時，便產生開裂。對于反射裂縫，主要是半剛性材料的溫縮和干縮產生的。

5.2 縱向裂縫

現場鉆芯情況表明，瀝青路面的縱向裂縫是從路面向下發展的。同時，觀察存在病害的芯樣，多數芯樣各結構層已脫離，尤其以瀝青層和基層之間脫離最嚴重。造成各結構層脫離的主要原因是層間粘結差、局部層間被污染。由于各層脫離，路面的層間連續變為滑動體系，脫離開的各結構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構中只有兩層瀝青層，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疲勞裂縫。

6 結論

(1)以遼寧省永桓和遼開高速公路為研究對象，通過路面性能調查和評定、現場病害調查、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構的性能衰變特征及原因。

(2)實際調查表明，嚴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分布，基層完好。

(3)BBR試驗和橫向裂縫預估表明瀝青已嚴重老化，低溫抗裂性能衰減嚴重，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，導致路面抵抗橫縱向開裂的能力顯著下降，在分析路段的養護設計和今后類似路面結構設計中應注意保證和提高瀝青低溫性能。