舊路面加鋪SMA-13 罩面早期水損處置實例分析

■胡宇霖

（福建省高速公路養(yǎng)護工程有限公司，福州 350108）

SMA-13 通過間斷級配來形成骨料嵌擠結(jié)構(gòu)，與AC-13 相比，其高低溫性能、抗滑能力等更加出色，近年來隨著高速公路大量進入養(yǎng)護期，SMA-13已被廣泛應(yīng)用于重載交通的高速公路罩面中。 雖然大量的研究表明SMA-13 是一種性能優(yōu)異且均衡的表面層材料，其殘留穩(wěn)定度大多高于90%，混合料水穩(wěn)定性良好[1-3]。 但也有少量文獻指出SMA-13表面層在一些夏季炎熱潮濕地區(qū)存在一定的水破壞的風(fēng)險[4-6]。 福建省為東南濕熱區(qū)中的過濕區(qū)，春夏多雨，本文針對福建省高速公路養(yǎng)護過程中加鋪SMA-13 罩面所出現(xiàn)的早期水損病害進行了分析和總結(jié)，提出解決措施并加以驗證，有望為濕熱地區(qū)舊路罩面養(yǎng)護技術(shù)的應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 水損病害實例及分析方法

1.1 工程概況

G15 沈海高速福建段于2002 年建成通車，已超出使用年限，路面出現(xiàn)了不同程度的病害。 為確保高速公路行車舒適、安全，降低養(yǎng)護成本，2019 年對該路段進行罩面施工，施工內(nèi)容為原路面病害處理后加鋪4 cm 的SMA-13 罩面層，以提高路面使用性能，達(dá)到延長使用壽命的目的。 2020 年7-8 月在長期高溫后出現(xiàn)連續(xù)半個月的強降雨，該路段局部區(qū)域罩面出現(xiàn)了水損病害。當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)氣象資料如表1所示。 通過查閱高速公路基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，沈海高速相關(guān)路段2020 年6-12 月交通量月平均值為217054輛，屬于重交通。

表1 2020 年7-8 月沈海高速路段氣象資料

1.2 病害實例

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該病害基本位于主車道左右輪跡帶，中面層無病害，無明顯規(guī)律性，病害周邊部分存在輕微唧漿， 且病害輪跡帶處有泛油情況，現(xiàn)場病害發(fā)展多為從泛油位置開始，出現(xiàn)局部骨料外露，而后因坑洞內(nèi)雨水沖刷，造成石料與瀝青剝離，坑槽逐步擴大，形成坑槽如圖1。為驗證混合料級配及瀝青指標(biāo)，對病害發(fā)生位置泛油處和未發(fā)生病害處進行了現(xiàn)場取塊，取塊后罩面與原路面層間存在較多水漬如圖2。

圖1 病害初期情況

圖2 病害后期發(fā)展情況

綜合福建省公路同類病害情況可以發(fā)現(xiàn)，SMA-13 加鋪路段水毀坑槽大多為橫向發(fā)展， 中面層基本完好。 應(yīng)急維修一段時間后，又在相距數(shù)米的位置出現(xiàn)了新的坑槽，其病害特征與普通AC-16路段存在較大差異。 在此路段對原路面病害處理（銑刨重鋪）后加鋪SMA-13 罩面段落（以下簡稱銑刨重鋪段）則未出現(xiàn)水損病害。 為有效解決SMA-13罩面段出現(xiàn)的早期水損問題，本文依托實例，對可能導(dǎo)致水損病害的各成因進行詳細(xì)分析。

1.3 病害分析方法

結(jié)合現(xiàn)場病害情況表現(xiàn)為水損病害的典型特征，提出了路面早期水損的分析方法和思路，其技術(shù)路線如圖3 所示。 即首先對原材料、混合料、瀝青路面3 個尺度開展性能檢測與分析，選取出現(xiàn)水損病害的SMA-13 加鋪路段，以及未出現(xiàn)此水損病害的SMA-13 的銑刨重鋪路段進行全方面的指標(biāo)對比，綜合判定水損病害成因，接著提出病害處置方法，通過實踐加以檢驗。

圖3 病害分析及處置的技術(shù)路線圖

2 水損病害分析

2.1 原材料分析

集料粘附性不足、瀝青性質(zhì)差均會導(dǎo)致瀝青路面的水穩(wěn)定性不足，水損分析時，首先應(yīng)對集料和瀝青性質(zhì)進行檢驗。 SMA-13 加鋪路段與銑刨重鋪路段的集料采用凝灰?guī)r，粘附性5 級。 如表2、3 所示，集料、瀝青均滿足規(guī)范JTG F40-2004《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中的技術(shù)要求，且各路段所用瀝青的三大指標(biāo)無明顯差異，因此，原材料不是導(dǎo)致此水損的主要原因。

表2 集料粘附性結(jié)果

表3 瀝青三大指標(biāo)

2.2 瀝青混合料分析

混合料空隙率過大、級配過粗、瀝青含量過低可能會導(dǎo)致瀝青路面的水穩(wěn)定性不足，水損分析時應(yīng)對瀝青混合料進行分析。

（1）級配組成分析。 級配組成通過燃燒法試驗確定，通過對發(fā)生水損和未發(fā)生水損路段的馬歇爾芯樣進行燃燒試驗和水洗篩分。 由芯樣級配（表4）可知，水損段和未水損段無明顯差異，均滿足設(shè)計級配偏差和級配上下限要求，可排除混合料級配組成不良導(dǎo)致水損的可能。

表4 礦料級配組成

（2）瀝青含量分析。 瀝青含量試驗與級配組成同時完成。由燃燒試驗結(jié)果（表5）可知，罩面段及銑刨重鋪段瀝青含量均接近設(shè)計要求， 滿足允許偏差，可排除混合料瀝青含量不足導(dǎo)致水損的可能。

表5 瀝青含量

（3）空隙率分析。 空隙率數(shù)據(jù)通過查閱各路段的試驗室配合比數(shù)據(jù)獲取，最大理論密度由計算法確定，空隙率由表干法測定。由馬歇爾指標(biāo)（表6）可見，毛體積相對密度、空隙率及馬歇爾指標(biāo)無明顯差異，混合料空隙率均可成型至4%附近，滿足設(shè)計要求。 這說明水損不是由于材料不合理造成空隙率過大，最終導(dǎo)致水穩(wěn)定不足。 結(jié)合級配、瀝青含量結(jié)果，可認(rèn)為罩面段與銑刨重鋪段所用材料基本一致，可排除由于不同路段材料差異導(dǎo)致水損的可能。

表6 馬歇爾指標(biāo)

（4）水穩(wěn)定性分析

按配合比成型馬歇爾試件，通過浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗和動水沖刷試驗，進一步分析材料的水穩(wěn)定性是否滿足要求。 其中，浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗按規(guī)范進行，動水沖刷試驗采用上海昌吉SYD-0777 水熱敏感性試驗儀進行測定， 沖刷次數(shù)為2000 次，通過動水沖刷前后的劈裂強度比值來表征水穩(wěn)定性。 由馬歇爾指標(biāo)（表7）可知，動水沖刷劈裂強度比低于凍融劈裂強度比，這說明動水沖刷的水損環(huán)境最為嚴(yán)苛，但無論是哪種水損環(huán)境，SMA-13 的水穩(wěn)定性均＞80%，滿足要求，可排除由于材料水穩(wěn)定不足而導(dǎo)致本次水損的可能。

表7 馬歇爾指標(biāo)

2.3 瀝青路面分析

（1）路面壓實度分析

對罩面段和銑刨重鋪段的SMA-13 上面層進行取芯，通過芯樣壓實度和空隙率對路面壓實度進行分析。由壓實度數(shù)據(jù)（表8）可知，罩面段和銑刨重鋪段的壓實度無明顯區(qū)別， 且均滿足設(shè)計要求，可認(rèn)為水穩(wěn)定不足不是由于路面壓實不足所致。

表8 壓實度

（2）滲水系數(shù)分析

查閱現(xiàn)場試驗檢測報告， 獲取滲水系數(shù)數(shù)據(jù)（表9）。對比相關(guān)數(shù)據(jù)可知，原路面在常年車輛荷載作用下壓密嚴(yán)重，磨光、摩擦系數(shù)較小，不滲水，構(gòu)造深度小；罩面與銑刨重鋪后，雖然路面各項指標(biāo)滿足規(guī)范要求，但均有滲水的情況。 由于原路面基本不滲水，雨水滲入罩面段后，停留在罩面層底部，形成層間水，在車輛荷載的重復(fù)作用下，罩面層底部遭受劇烈的動水壓力作用，由上述水穩(wěn)定性試驗可知，動水壓力作用下的水損環(huán)境最嚴(yán)苛，即使在常規(guī)水穩(wěn)定性指標(biāo)滿足要求時，也可能出現(xiàn)水損風(fēng)險。

表9 滲水系數(shù)

（3）路面結(jié)構(gòu)層分析

①原路面有病害而對原路面進行銑刨重鋪后再實施罩面的路段相對直接加鋪罩面路段，病害明顯較少，分析為因銑刨重鋪后新鋪設(shè)的混合料透水性比原路面好，對比直接加鋪路段，層間儲水能力更強，且因結(jié)構(gòu)層整體加厚，層間水對銑刨重鋪后加鋪罩面路段的影響較小。

②SMA-13 相較于AC 混合料而言， 因其骨架密實型結(jié)構(gòu)與光滑的舊路面嵌合能力較弱，在舊路面上噴灑乳化瀝青作為粘層起不到很好的粘結(jié)作用，反而造成層間存在儲水空間。 因此在舊路面上加鋪SMA-13 時粘層是否可以采用碎石封層，以起到增加層間嵌合作用還需進一步研究。

3 綜合分析及病害處治

（1）綜合分析

通過對瀝青路面進行詳細(xì)分析，初步判定病害是由罩面后的層間水積聚所導(dǎo)致的。 病害路段表現(xiàn)為自上而下的水損壞，即雨水透入空隙率較大的瀝青混凝土上面層后，由于下層比較密實，進入上面層的水還未來得及向下層滲透，上面層就開始產(chǎn)生水破壞，表面層發(fā)生松散和坑槽[7-8]；尤其在中下面層密水性好且層厚較大，層間存水下滲困難的情況下最容易發(fā)生。 厚度4 cm 的SMA-13 包含上、下兩面構(gòu)造深度， 兩面構(gòu)造最低點間的距離為SMA-13的有效阻水層，因此SMA-13 攤鋪厚度越低，其阻水效果越差，越容易導(dǎo)致滲水。 同時，在降雨過程中，車輛在水膜覆蓋的路面上行駛所產(chǎn)生的動水壓力容易使水貫穿罩面層，造成水在層間停留。 在夏季高溫多雨條件下，實際瀝青路面浸水1個月，可導(dǎo)致其抗水損害能力降低60%左右。 SMA-13 表面構(gòu)造同樣會存在于底層， 因舊路面經(jīng)過車輛長期行駛，基本已經(jīng)光滑且不滲水，同時也存在不同深度的車轍，增加了層間水的儲水量。 層間水在車輛動荷作用下產(chǎn)生動水壓力，對混合料不斷沖刷，使瀝青與礦料剝落，又在高速旋轉(zhuǎn)的輪胎與路面泵吸力的作用下使瀝青上浮， 形成初期油斑并逐步擴大，當(dāng)油膜達(dá)到一定厚度后，被輪胎帶離，導(dǎo)致骨料外露，形成初步小坑洞， 而雨水繼續(xù)在小坑洞上沖刷，最終導(dǎo)致小坑洞逐步擴大，形成坑槽。 罩面加鋪后，為確保立柱埋深，對土路肩進行了加高，土路肩混凝土與硬路肩罩面混合料連接后，層間儲水空間進一步封閉，導(dǎo)致水無法排出。

為了進一步檢驗此結(jié)論，對現(xiàn)場病害集中部分路段進行刻槽，刻槽深度15 cm、寬度5 cm，可觀測到較多水從層間滲至刻槽內(nèi)，這證實了綜合分析的結(jié)論，即層間存在大量積水，符合病害因?qū)娱g水引起的分析結(jié)果。

圖4 刻槽處置后層間水流出

（2）病害處置

為防止層間水對SMA-13 罩面的破壞，對病害集中路段每隔20 m 進行刻槽，刻槽深度15 cm、寬度5 cm，從硬路肩延伸至土路肩，并用10 cm 碎石加5 cm 瀝青混合料回填，防止后續(xù)層間水對SMA-13 罩面的破壞（圖5）。 處置后，現(xiàn)有病害不再發(fā)展，相鄰位置未繼續(xù)出現(xiàn)病害。 由此可見，坑槽病害處置措施有效。

圖5 處理后效果

此外，為了進一步規(guī)避SMA-13 罩面的水損問題，可考慮將罩面的設(shè)計厚度提高至4.5 cm 或5 cm，使結(jié)構(gòu)層厚度不小于3.5 倍公稱最大粒徑， 以增加有效阻水層。 對多雨高溫氣候的區(qū)域建議增加對層間水的處理，如在硬路肩處間隔一定距離進行刻槽回鋪碎石后再攤鋪罩面。 已在舊路面攤鋪SMA-13罩面的，建議在圓曲線緩和段等橫坡較小的位置進行刻槽。 罩面后土路肩采用混凝土加高時，在適當(dāng)位置預(yù)留一定寬度不澆筑，作為明溝用以排除層間水。

4 結(jié)論

（1）本文提出了路面早期水損的分析方法和思路，從原材料、混合料、瀝青路面3 個尺度開展性能檢測與分析，可有效判定水損病害成因并針對性的進行處治，有效解決了實際工程中的問題；該分析方法和應(yīng)用實例可為類似工程提供借鑒。

（2）福建省舊路加鋪SMA-13 罩面時，即使其材料組成和各項性能均滿足規(guī)范要求，也不應(yīng)忽視水損風(fēng)險；采用SMA-13 罩面時，可能造成層間存在儲水空間，由動水壓力導(dǎo)致早期水損。

（3）為規(guī)避SMA-13 罩面的水損問題，罩面設(shè)計厚度宜提高至4.5 cm 或5 cm， 在排水不暢路段可通過刻槽等方式增加對層間水的處理。