濕熱地區復合式路面病害原因及防治對策

楊東海，王和林，杜榮耀，閆 強

（1.廣西南崇鐵路有限責任公司，廣西 南寧 530000；2.廣西交投科技有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

復合式路面是由水泥混凝土板提供主要結構承載力，其結構中的瀝青層能起到緩沖擊能、減少水泥混凝土板破壞、提高行車舒適性的作用。剛柔復合式路面瀝青面層的主要破壞模式為反射裂縫、溫縮開裂及裂縫處的龜裂造成路面疲勞開裂，在行車荷載和環境因素作用下，裂縫迅速向四周擴展，當水分通過裂縫滲入基層后，可能產生沉陷、翻漿、唧泥等病害，造成路面更深層次的破壞，而且維修難度較大［1-3］。本研究依托已經通車6～10年的12種復合式路面試驗路，通過全面現場檢測試驗段目前技術狀況，鉆芯進行室內試驗，評價試驗路使用性能，以指導今后廣西地區水泥混凝土路面加鋪瀝青層設計與施工［4］。

1 工程概況

廣西某高速公路于1999年10月1日建成通車時為水泥混凝土路面，行車道及硬路肩均采用同一種路面結構，即24 cm水泥混凝土面層+1 cm瀝青石屑下封層（施工中取消）+20 cm二灰穩定碎石基層+16 cm級配碎石底基層，其中中濕路段底基層為20 cm級配碎石。水泥混凝土面板尺寸從內車道至路肩一般為（4.5+3.75+3.75）m×5.0 m、（4.5+3.75+2.75）m×5.0 m。由于原水泥砼路面病害快速發展，行車舒適性較差。為了減緩路面病害發展、提高行車舒適性及為以后大規模加鋪瀝青層提供技術儲備，進行了12種復合式路面結構的試驗路。

2 路面調查檢測方案

本研究主要選取不同路面加鋪層典型路面結構，以及選取路面完好、車轍、反射裂縫和修補較多等11種典型路段進行調查檢測，現場檢測設備為鉆芯機、落錘式彎沉儀、構造深度儀。

檢測內容包含以下幾個方面：①鉆取路面芯樣，檢測路面厚度，觀測芯樣外觀、層間黏結情況，分析反射裂縫發展層位、車轍發生層位。②檢測現場車轍深度。③落錘式彎沉儀（FWD）檢測路面彎沉和彎沉盆。現場鉆取瀝青層圓柱體芯樣，在室內進行了油石比、空隙率檢測。FWD彎沉用于分析路面結構強度和路面反射裂縫等病害的相關性。

3 室內外調查及檢測

3.1 路面病害調查

為了便于分析彎沉、路面結構、土工布等因素對路面性能的影響，提出瀝青路面綜合維修率的概念。瀝青路面綜合維修率是指將瀝青路面病害按照銑飽重鋪的方式進行維修，并計算總面積，其和調查路面面積的比值即為瀝青路面綜合維修率。本文主要分析造成路面發生大規模損害的原因，以及哪種路面結構防止反射裂縫和綜合性能較好，所以未考慮車轍的修補。由于病害主要發生在行車道，本次僅統計行車道病害。

瀝青路面綜合維修率=100×維修瀝青路面面積/瀝青路面面積

裂縫維修面積=裂縫條數×裂縫長度×影響寬度，裂縫按5 m的影響寬度計算維修面積（一般認為裂縫連續5 m一條，最好采用銑飽重鋪的維修方法）

瀝青路面修補=修補面積，考慮到本試驗段路面修補一般是路面發生龜裂和裂縫造成的，考慮到實際的維修方法，按修補實際面積計算

龜裂=2×龜裂實際面積，由于試驗段的龜裂一般發生在行車道輪跡帶，最常用的處理方法是銑飽重鋪，那么中間未發生龜裂的地方也進行了銑飽，所以破碎面積按2倍的系數繼續放大處理。

縱裂的處理方法一般是封縫處理且本試驗段一般是輕度縱裂，對路面整體使用性能影響較少，所以縱裂不計算綜合維修面積。

10、11段為車轍對比分析段，所以未統計10、11段路面狀況，統計的路面綜合維修率見表1。

表1 路面綜合維修率匯總表

（1）試驗段1、2、3的路面綜合維修率較高，其病害主要是龜裂、裂縫，路面結構為SBS改性AC-13上面層、基質瀝青或改性瀝青AC-25中面層、應力吸收層，厚度為11 cm左右。

（2）試驗段4、5、6、7、9路面綜合維修率較低，路面除少量反射裂縫外，基本上無其他病害，主要路面結構為SMA上面層、改性瀝青AC-25中面層或湖瀝青改性瀝青AC-25中面層、土工布、應力吸收層，路面厚度為9.5～13.1 cm。

（3）SMA瀝青混合料上面層路面狀況要好于AC瀝青混合料上面層路面狀況。

3.2 鉆芯取樣

現場鉆取芯樣的直徑為150 mm，鉆至水泥混凝土板頂。鉆取芯樣后觀測結構層完整性、層間黏結情況，測量各層厚度。對于完好路段，在慢車道右輪跡或硬路肩處鉆芯；對于車轍路段，在同一斷面分別在凹處和路肩鉆芯，旨在對比瀝青層厚度變化；對于反射裂縫較多及修補較多段，在輕度橫縫和重度橫縫處鉆芯，旨在揭示這些裂縫是否貫穿瀝青層和應力吸收層，即是否為自上而下（Top-Down）裂縫。鉆芯機鉆頭到達要求深度后，如果無須撬動，結構層已脫落則記錄為層間分離，反之則記錄為層間黏結良好。試驗段裂縫擴展情況統計見表2。

表2 試驗段裂縫擴展情況統計

3.3 FWD彎沉檢測

使用FWD分別在路面完好段、沒有反射裂縫、反射裂縫較少、反射裂縫較多、銑飽重鋪路段較多、車轍段等9種典型路段進行彎沉檢測，分析FWD彎沉檢測結果和反射裂縫多少及路面狀況的關系。為了確定發生發射裂縫的原因，彎沉測量位置包括以下幾處：①板縫（無反射裂縫）位置彎沉及彎沉差；②板縫/裂縫位置彎沉及彎沉差；③行車道右輪跡隨機檢測彎沉（由于現場未找到板縫，所以進行隨機彎沉檢測）。

本次彎沉檢測主要目的是分析路面結構承載力和路面反射裂縫及路面破損的關系，本次的彎沉代表值計算采用單側檢驗指標，按下式進行計算，彎沉檢測結果見表3。

表3 典型路段代表彎沉統計

上式中：X′為一個評價路段內測定值的代表值；ta為t分部表中隨自由度（N-1）和置信水平a（保證率）而變化的系數。

3.4 瀝青路面空隙率、油石比試驗及現場車轍深度檢測

為了更好地反映原瀝青路面的抗車轍性能，在典型試驗段調查段落內，每隔100 m采用3 m直尺現場測量行車道左、右輪跡的車轍，并取左、右輪跡中的最大車轍作為最終車轍。并路肩靠近標線位置和行車道輪跡位置鉆芯取樣，分析車轍發生層位，對路肩的芯樣分層切割，進行上、中面層毛體積相對密度試驗，并將試樣分散，采用真空法進行上、中面層最大理論相對密度試驗，并根據最大理論相對密度計算芯樣空隙率。采用抽提法進行上、中面層及應力吸收層油石比的檢測。

4 復合式路面病害原因分析

4.1 復合式路面龜裂原因

本調查路段瀝青層表面龜裂主要出現在AC-13上面層段，即路段1、2、3，出現在行車道輪跡帶和反射橫縫兩側，上面層為SMA-13路段，路面無龜裂、反射橫縫為輕度裂縫、無龜裂帶。路面龜裂主要原因是AC-13上面層空隙率普遍偏大、油石比小，SMA-13空隙率較小、油石比大，因而前者的抗彎拉疲勞性能遠差于后者。在行車荷載作用下，AC-13上面層產生了受拉疲勞破壞。

4.2 復合式路面反射裂縫原因分析

本次調查復合式路面反射裂縫類型主要是荷載型反射裂縫，反射裂縫產生的原因主要是部分試驗段板縫處彎沉及彎沉差較大，在荷載的作用下瀝青面層產生開裂。由彎沉檢測結果可知，試驗段5裂縫/板縫處的彎沉超過18（0.01 mm），說明水泥混凝土板底存在一定程度的脫空，在荷載的反復作用下，瀝青層產生較大的拉應力和拉應變，最終導致荷載超過瀝青層的極限承載力，瀝青層產生拉裂，符合荷載型反射裂縫的情況。

反射裂縫上寬下窄頂面開裂的原因：瀝青層在荷載作用下，板間彎沉較大，傳荷系數較差，當車輪經過板縫時，由于其結構強度不一致，裂縫兩端產生不同程度的豎向變形，一側變形較大，一側變形較小，瀝青層表面受到很大剪應力和剪應變的作用，芯樣破壞形式呈掰開狀，（板縫處土工布及應力吸收層上移，表面層受剪力及拉力，應力吸層底部受壓，芯樣呈掰開狀），經過車輪的反復作用，路面產生剪切型反射裂縫。本試驗路混凝土板橫縫反射裂縫是剪切型反射裂縫。

4.3 復合式路面車轍原因分析

為了分析瀝青路面空隙率和車轍深度的相關性，將上面層和中面層的空隙率綜合考慮，分析瀝青路面綜合空隙率和瀝青路面車轍的相關性。

路面綜合空隙率=（K×上、中面層較小空隙率值+上、中面層較大空隙率值）/2

瀝青路面上面層空隙率大于中面層空隙率，K=上面層空隙率/中面層空隙率

瀝青路面上面層空隙率大于中面層空隙率，K=中面層空隙率/上面層空隙率

瀝青路面綜合空隙率和瀝青路面車轍的相關系數達到0.767，說明瀝青路面發生車轍的主要原因是瀝青路面殘留空隙率小于3%。

5 結束語

本次調查的不同復合式路面結構反射裂縫原因主要是板縫處彎沉較大，在荷載的反復作用下，瀝青層頂面產生較大的拉應力和拉應變，最終導致荷載超過瀝青層的極限承載力，瀝青層產生拉裂，反射裂縫呈上寬下窄的狀態，符合荷載型反射裂縫的情況。復合式路面龜裂主要出現在AC-13上面層段，龜裂位置主要出現在行車道輪跡帶和反射橫縫兩側，上面層SMA-13路段路面無龜裂，復合式路面龜裂主要原因是AC-13上面層空隙率普遍偏大、油石比小，SMA-13空隙率較小、油石比大，因而前者的抗彎拉疲勞性能遠差于后者，在行車荷載作用下，AC-13上面層產生了受拉疲勞破壞。復合式路面車轍在上、中面層均有發生，瀝青路面車轍變形和瀝青路面空隙率相關性較大，瀝青路面綜合空隙率和瀝青路面車轍的相關系數達到0.734，瀝青路面發生車轍的主要原因是瀝青路面殘留空隙率小于3%。

綜合現場調查、室內試驗和力學模型分析，推薦的舊水泥路面“白改黑”結構如下：SBS改性瀝青SMA-13上面層，SBS改性瀝青AC-25、SBS改性瀝青KH-25中面層，土工布和瀝青砂應力吸收層，總厚度不小于120 mm。水泥路面加鋪瀝青層應嚴格控制板縫彎沉小于0.15 mm。嚴格控制瀝青路面殘留空隙率在4%～6%，以提高瀝青路面抗車轍和抗疲勞性能。