新疆博州瀝青混凝土路面破壞原因及預防措施

馮榮亮，王星晶

(1.長安大學，陜西 西安 710054；2.新疆雙河勘測設計有限公司，新疆維吾爾自治區 博樂 833400)

1 導 言

瀝青路面是用瀝青材料作為結合料粘結礦料修筑面層與各類基層和墊層所組成的路面結構。通過增加了瀝青混凝土結合材料的黏聚力，提升了整個瀝青混合材料的強度，這樣就能夠保證整體瀝青混凝土路面在施工中的質量及其安全性。瀝青混凝土路面應該具有良好的表面平整、均衡、堅硬、力學強度高、養護期短、維修方便等特點，在我國公路和城市道路的建設中已經得到廣泛的應用。隨著當前我國社會和經濟的發展與進步，在瀝青混凝土的路面上仍然存在著更大發展的空間。瀝青混凝土路面由于行車過程中產生的荷載和自然環境等條件下會直接影響影響路面的穩定性與耐久性，針對瀝青混凝土路面的常見病害進行原因研究分析，并從技術設計角度提出預防措施，從而改善瀝青混凝土路面的使用效率，降低病害發生。

2 博州環境

博爾塔拉蒙古自治州(簡稱博州)位于新疆西北邊陲，天山支脈婆羅科努山北麓，準噶爾盆地西南邊緣。地理位置東經79°53′～83°53′，北緯44°02′～45°23′。全州地域東西長315 km，南北寬125 km，總面積2.7萬km2，約占新疆維吾爾自治區總面積的1.7%。博州地處歐亞大陸腹地，西、北、南三面環山，中間是谷地平原，西部較窄，東部開闊，整個地形由南、北、西逐漸向中、東部傾斜，并似喇叭狀逐漸開闊。博州屬北天山地槽褶皺帶的一部分，地質構造線的發育方向因受緯向構造控制，均為東西向。大構造單位的形成時期分為加里東期和海西寧期。在加里東期主要形成別珍套褶皺束，其軸部有大量花崗巖侵人體，兩翼為泥盆系及石炭系地層。地貌特征大致由南北兩側山地、中部博爾塔拉谷地和東部艾比湖盆地這三個較大的地貌單元組成。

博州地區遠離海洋，屬于典型的北溫帶大陸性干旱氣候。主要的氣候特點之一是季氣溫日、年比較差大，夏季炎熱，冬季寒冷；春季季節氣溫反復下降回升快且氣溫變化不穩定，秋季季節降溫迅速；冬季降水稀少、分布不均，蒸發量和流動量大，空氣干燥，光照充足；夏季多急性雷陣雨和急性冰雹，春秋季多強烈暴雨大風，冬季多連密集陰雨大霧。博州境內的年度月平均氣溫一般會隨著當地海拔的不斷增長和氣溫升高而逐漸有所應的降低，海拔每年會增長100 m，年度的平均氣溫一般會下降0.3～0.4 ℃。由于中國地勢基本上都已經是一個西高東低，因而年均氣溫幾乎都會從東到西逐步向上降低。根據歷年博州各級氣象站的統計數據：年各月平均氣溫為7.2 ℃，極端極高最低氣溫為41.3 ℃，極端極高最低氣溫-36.4 ℃；年各月平均累計降水量為91.5 mm，最大年平均累計降水量為163.9 mm，最小年各月平均降水量一般設計為23.5 mm，降水多主要集中在春夏這一個降雪季節，3～8月的年平均降水量63.3 mm，占博州全年各月平均降水量的75%；年均積雪厚度≥5 cm的31.6 d，歷年積雪最大厚度13 cm；最大凍土深度為15 cm，多年平均凍深115 cm。

從博州交通運輸局的數據調查中獲悉，2020年全州建設修建公路的總里程為3 345 km，全州建設公路總里程達8 971 km，三級以上公路占總里程的54%，其中81.4%的公路均采用瀝青混凝土路面結構。

3 常見病害原因及預防

3.1 裂縫

在瀝青混凝土路面結構中，裂縫是屬于最為常見的一種病害，常見的裂縫主要有橫向裂縫、縱向裂縫以及網狀裂縫。路面一旦出現裂縫如若未及時進行處理，隨著雨雪水的侵蝕、溫度的升降及行車荷載等因素的作用，裂縫也將變的更加嚴重，直接影響到道路結構的強度，導致路面的承載力下降，并隨之發生其他病害。

(1)橫向裂縫

橫向裂縫一般有荷載型裂縫和非荷載型裂縫兩類，其中荷載型裂縫主要特點是先在路面底層發生，逐漸向上反射至表面。產生的原因主要有：①設計不合理，設計結構承載能力不滿足實際使用能力；②施工質量低劣，未達到設計標準，使得道路結構承載力偏低；③車輛超載行駛，車輛荷載超出道路承載力。這些路段的斷裂都是因為路面上所產生的拉應力大大地超出了路面上的疲勞強度。非荷載型裂縫主要有瀝青面層收縮裂縫和基層反射裂縫兩類：面層收縮裂主要因冬季氣溫驟變導致面層收縮，在溫度應力的影響下反復發展，產生裂縫，基層反射裂縫主要原因是由于半剛性基層首先開裂，向上反射發展和擴張致使路面產生裂縫。橫向裂縫的間距是由當地的氣溫及瀝青表面層和半剛性基層之間的抗拉強度而定。

(2)縱向裂縫

縱向裂縫的形成原因主要包括：①道路施工時分幅攤鋪，而且攤鋪機之間的間距過大，導致接茬處未處理好；②由于路基壓實度不均勻或由于路基兩側邊緣受水侵蝕而直接產生不均勻的沉降；③由于輪載誘發的瀝青表面徑向拉應力、溫度和瀝青結構老化等原因導致的勁度差異、瀝青老化降低混合料拉伸強度和拉伸應變而引起的Top-down裂縫。

(3)網狀裂縫

由于瀝青路面整體承載力強度不足，引起的路面裂縫，主要原因有以下幾點：①瀝青路面結構設計不合理，路基路面壓實度不夠，路面材料配合比不當或材料拌合不均勻；②瀝青路面出現局部橫向、縱向裂縫后未及相應材料進行封閉填充，導致水向下滲透，產生材料剝離或凍融，加劇裂縫；③瀝青施工及長期使用導致出現老化現象。

(4)裂縫預防措施

根據裂縫產生的原因，在博州地區，除了荷載之外，水和溫度的影響也是非常重要的。博州地廣人稀，多數路段缺少道路交通量真實數據，在進行設計路面結構時，除考慮當地人口及車輛保有量等因素作為計算依據外，還要綜合考慮該地區已經修建道路的使用情況，借鑒當地運行狀況良好道路的路面結構，合理選擇瀝青材料及骨料級配，優化道路材料設計，根據道路等級、交通組成、行車荷載等級及自然條件設計合理結構層厚度，可以有效抵御基層裂縫的發射延伸、減少車輛荷載所引起的剪力效應；不管是地下水還是地表水，都會在某種程度上影響瀝青混凝土路面的穩定，根據博州地區的地質情況，道路周邊環境以戈壁灘或耕地為主，加之博州氣候干燥，即使在雨季，降雨也會很快滲入地下和蒸發，所以在道路設計時，要合理考慮路線的縱坡和路面標高，確保路面雨雪水能及時順利排至道路兩側，同時設置路邊排水設施，最大程度減少地表水對路面的損害破壞；博州晝夜溫差大，夏冬季節時間長，夏季溫度過高，路表面受溫度影響會膨脹，路面結構又會約束這種膨脹，增大道路表面的拉應力，從而出現裂縫，冬季溫度過低，尤其夜間溫度更低，瀝青隨溫度的降低而收縮，同時瀝青路面整體會變的又硬又脆，白天隨著溫度的升高，這種收縮相應減輕，如此反復，最終會導致路面出現裂縫，面對溫度的不利影響，筆者認為博州這種特殊氣候情況，應該合理選擇瀝青標號，使材料性能適合當地的溫縮影響，減少因溫度影響出現道路裂縫。

3.2 鹽堿土

鹽堿土主要有兩個成土階段，即鹽化過程和堿化過程，所以當土壤中的中性鹽大量在毛管水中積累或者達到某種濃度時，在土壤中的毛管水作用下，其鹽分會隨水流動而上升至土壤地表，主要的土壤中鹽分有氯化物和硫酸鹽，土壤pH為中性，稱之為鹽土堿土主要是在土壤的堿化反應中形成的，土壤在堿性或者水溶液的相互作用下，產生了鈉鹽，使得土壤中的膠體與其之間發生鈉-鈣的交換，當土壤中膠體上的鈉-磷離子含量達到一定的比例，土壤pH值大于9.0，使得土壤具有強烈的堿性，土壤的物理特征會發生變壞，就可以形成了堿土。博州地區屬于典型的北溫帶大陸性干旱氣候，降雨量小，蒸發流動量大，加之博州地區整體地勢不平坦，在降雨比較集中的季節，土壤中的大量鹽堿成分均可以溶于水中，并從高處向低洼處進行匯集，隨著空氣溫度的升高，蒸發速率過快，部分鹽分會隨毛管水從低處轉移至高處，致使高處積鹽相對嚴重。同時，博州地區的水質礦化度相對較高，而且地下水埋深越淺的地方，水質礦化度越高，當蒸發量遠大于降水量時，土壤中的水分和礦物質將會離析，最終形成鹽堿土。經調查，博州地區農村公路中有近22%路段建設在鹽堿土上。受鹽堿土影響，有可能會降低道路的穩定性，出現路基溶陷、鹽脹、翻漿等危害。

(1)溶陷

雖然鹽堿土在干旱環境下其強度的表現相對良好，但是在土壤含水率逐漸增加的情況下，路基土層中的結晶物和硅酸鹽大量溶解，土壤之間的孔隙逐漸增大，受到了土壤的自重和行車時的荷載等各種多方面原因的影響，導致了土體產生明顯的溶陷現象，隨著氣候溫度的升高，出現了持續性的吸收和溶解，從而直接造成了路基土層溶陷失穩。

(2)鹽脹

鹽脹通常被認為是由于鹽經過結晶后迅速膨脹所致，并且一旦路基發生鹽脹，會使得路基表面呈現肉眼能夠看到的膨脹高度，給駕駛者的行車安全造成了較大隱患。博州地區鹽堿土的快速膨脹主要原因是由于溫度變化所致，因為該地區的晝夜溫差及四季平均氣候的溫差都非常大，氣溫變得更高時鹽分的溶解度就會逐漸增大，相應地析出的結晶就比較少，當其溫度下降時，鹽分的溶解度也會逐漸降低，從而導致鹽堿土出現大量的結晶，在這個過程中鹽堿土會出現明顯的體積膨脹，當其溫度又繼續升高時，鹽分就會被溶解，土壤體積減小，導致土體疏松，如此反復，導致路基出現失穩破壞。

(3)翻漿

翻漿通常是發生在冬春相鄰的交替期間，隨著春天和夏季氣溫的增加而升高，博州地區春季時間短，冬季過完很快就到夏季，導致路面上層的結構要先融化于下層的結構，在行駛和荷載作用下，路基可能會變得濕軟、強度降低的情況，嚴重時會出現裂縫、泥漿等造成路面泥濘不堪。

(4)鹽堿土預防措施

我國對公路工程施工中遇到土壤鹽堿土的治理技術和應用方法已經很成熟，最常見的方法有：隔斷和分層法、提高路基法、浸水預溶法、強夯法和換填法等。針對博州地區的特殊地質情況和道路使用性質，建議在設計時考慮采用卵石隔斷層法、提高道路路基法和換填法，同時可以多種方法綜合使用。隔斷層法使用材料很多，如土工布、瀝青砂等隔水材料或河沙、礫石、卵石透水材料等，結合博州地區礦料資源，有大量的卵石等大粒徑天然石材可以選用。卵石作為隔離層，使降水快速下滲，不會形成毛管水，減輕鹽堿結晶。在滿足路基強度的同時，通過卵石做為隔離層，卵石粒徑自下向上依次減小，這樣既保證基礎穩定，又不會導致上層結構材料填滿卵石層空隙減弱隔離作用。提高路基高度主要是可以減少路基中水分和鹽分的含量，從而減輕鹽堿土的病害影響，但是考慮博州道路的主要作用，部分路段的標高要與周邊環境相協調，這就造成了提高路基高度的方法有一定的局限性。換填法是指將路基中的鹽堿土挖出，回填一定的良性砂礫材料作為路基。博州地區天然砂礫儲量豐富，在道路設計工作中，用天然砂礫作為換填層是常見的做法，可以有效的減輕鹽堿土對路基造成的危害。現實情況多為復雜，我們通常多種方法綜合使用，最大程度的減少不良病害。

4 結 語

瀝青混凝土路面常見病害，基本上都是從小至大，從輕微到嚴重的漸變過程，病害發生前期如果足夠重視，可以避免其發展成為嚴重的路面損壞。而道路設計是整個建設過程中首先進行的工作，本文主要通過對瀝青混凝土常見的兩種病害進行分析，針對博州地區的氣候和料場情況進行分析，對不同病害采取合適措施，將病害影響降至最低，達到提高道路服務水平和延長道路使用壽命的目的。