城市瀝青路面結構破損的綜合性養護方法

周滔

安徽交通職業技術學院,安徽 合肥 230051

0 引言

受重載交通與氣候環境的影響,城市瀝青路面易產生各種類型的結構性破損,不斷增加的公路里程與路面破損程度增大了路面養護工作的難度。為有效改善路面破損狀況,相關治理部門采用多種技術養護修復破損的路面結構。郭晶等[1]選用精細抗滑表面處治(精表處)技術進行瀝青路面預防性養護,養護劑與特制細砂材料激活老化瀝青,提高耐磨性;滲透進路面內的養護劑包裹細砂,與路面結構融合,隔斷路面與外界環境的接觸,增加路面美觀度,增大摩擦阻力。但該方法無法解決瀝青路面的裂縫、車轍和坑槽等不同類型的結構性破損。常嶸等[2]根據瀝青路面的歷史檢測數據,采用回歸分析法構建車轍與防滑性能的預測模型,采用微表處技術(在稀漿封層基礎上發展起來的預防性養護方法)和熱再生技術養護路面并評估養護措施效果,該方法無法有效提高路面的防滑性和耐用性。若瀝青路面實際破損情況與養護方法不匹配,無法充分發揮綜合性養護優勢。

本文結合路面結構破損成因特點與養護方法特性,選取最優預防綜合性養護策略,制定綜合性養護方法,設置評估參數,并進行仿真試驗和實際驗證,以期所選預防養護方法效果最佳。

1 城市瀝青路面結構破損形式

實地勘察合肥、黃山、蕪湖、馬鞍山、安慶等市瀝青道路 ,可將瀝青路面結構破損可分為裂縫、車轍和坑槽等3種形式。

按發展方向不同,裂縫可分為橫向裂縫、縱向裂縫、龜裂和塊狀裂縫;按成因不同,裂縫可分為荷載型、非荷載型和反射型裂縫[3]。橫向、縱向裂縫將發展為龜裂和塊狀裂縫,且多為非荷載型或反射型裂縫。縱向荷載型裂縫的成因是縱橫曲線量大、路面厚度不足、施工質量欠佳、交通荷載不均衡和路基沉降,橫向反射型裂縫的成因是基層橫向收縮和連接處壓實不佳,橫向非荷載型裂縫的成因是攤鋪溫度較低、壓實不足、瀝青老化和溫度反復變化導致路面疲勞開裂。

a)結構性車轍 b)失穩性車轍 圖1 車轍示意圖

車轍是最常見的瀝青路面破損形式,有W形結構性車轍(如圖1a)所示)、V形失穩性車轍(如圖1b)所示)、壓密性車轍和磨耗性車轍。失穩性車轍成因是高溫縱坡、渠化交通和重載交通,結構性車轍成因是路面結構強度欠佳,非正常性車轍成因是壓實不足。

坑槽分為V形坑槽和Λ形坑槽,V形坑槽的成因是網裂、松散嚴重、重載交通和層間黏結性欠佳,Λ形坑槽的成因是自由水沖刷和荷載作用。

2 預防綜合性養護策略

2.1 養護措施制定

分析瀝青路面結構破損的成因,采取不同的方法養護受損路面。

1)填充裂縫。采用專業的開槽設備將裂縫開成矩形槽,由填縫機將熱熔聚合物密封膠倒入槽中,提高裂縫填補質量與耐久性。若開挖面層的裂縫深度超過5 mm,在溝槽中直接灌滿密封膠。裂縫受溫度膨脹和收縮影響,填充裂縫的最佳時間是低溫旱季。

2)霧封層。主要用于中度橫縱向裂縫和松散路面。將高滲透性改性乳化瀝青噴灑在瀝青路面,形成緊密的防水層,使路面封閉、不透水,減小水破壞引起結構破壞的可能性,增大路面骨料的黏結力,提高路面耐用性,減少養護投入成本[4]。

3)微表處技術。按適當比例混合聚合物改性乳化瀝青[5]、集料、礦粉、水和添加劑等原材料為稀漿混合料,采用專用攤鋪設備將稀漿混合料快速攤鋪在初始路面上,生成的防滑耐磨層即是路面恢復層,與初始路面牢固粘合,密封性、耐磨性、防滑性較好,可有效填補深30 mm的車轍。通過冷拌施工,在路面上鋪設10～30 mm改性乳化瀝青混合物,無需壓實,施工完成后即可通車,養護較高效、便捷,已得到廣泛應用[6]。該方法通常適用于深度不超過25 mm的車轍破損情況,根據養護經驗,深度小于12 mm的車轍可用水泥1次修復,深度超過12 mm的車轍需分層鋪設,間隔時間需超過1 d。處理后的車轍面層比修補厚度高20%～40%。碾壓一段時間后,預留拱度可接近原路面高度。夏季高溫時期的處理間隔約為7 d,秋冬低溫時期約為15 d。

4)稀漿封層。常溫條件下,以適當配比混合乳化瀝青、填裝水、級配良好的礦料與添加劑等原材料,將瀝青混合料均勻鋪設在路面上。混合料產生的3～10 mm薄層可修復輕微裂縫,還可修復松動路面,減緩老化和氧化等道路破損,提高道路質量[7]。密封級配分為細密封、中密封、粗密封和特粗密封等4個等級。前3個等級最常見,可處理小裂紋、輕微松動、硬化、老化、氧化和較淺車轍,適用于溫暖、溫差小和相對干燥的氣候環境,對溫度裂縫嚴重、因炎熱導致路面泛油及溫度低于0 ℃的狀況無效。

5)就地熱再生技術。通過實地勘察與鉆取芯樣,制定符合文獻[8]要求的骨料級配,為使老化瀝青恢復如初,根據再生材料的總黏合劑質量比,確定新瀝青和再生材料的質量比和級別。依據瀝青混合料馬歇爾穩定度及浸水馬歇爾試驗,得到再生混合料黏結劑的最佳質量比[9-11]。采用紅外加熱元件與再生機將原瀝青層加熱軟化,加熱厚度為5～6 cm,松動加熱后的路面,在舊瀝青混合料上噴灑再生瀝青(或新瀝青混合料)并放入攪拌機,加入再生瀝青(或新瀝青混合料,再生劑與瀝青的質量比為10%)拌和均勻[12]。將拌和均勻的新舊混合料重新鋪設在路面上,并用壓路機壓實。就地熱再生策略適用于車轍、松散、老化及深度小于6 cm的路面破損,經濟效益較好。該方法的再生材料是厚3～6 cm的舊路面層瀝青混合料,適用就地熱再生技術的瀝青路面條件如表1所示[8]。

表1 就地熱再生技術適用的舊瀝青路面條件

2.2 綜合性養護方法與評估參數

2.2.1 綜合性養護效果最優方案

為均衡多方面性能,實現瀝青路面預防綜合性養護,采用破損程度序列與最優預防綜合性養護方法的關聯性,評選應采取的最佳綜合性養護方法。

對車轍、坑槽及各類裂縫指標進行無量綱處理,降低關聯復雜度[13-15]。假設指標數據序列為:

Xi=(xi(1),xi(2),…,xi(p)),

(1)

式中:i為路面破損類型,i=1,2,…,m;xi(p)為破損程度,其中p為破損程度序列。

由均值化算子D1、均衡算子d1改寫式(1),得到XiD1=(xi(1)d1,xi(2)d1,…,xi(p)d1)。

對任意指標數據xi(k)d1進行無量綱處理,計算公式為:

初始點零化序列X0=(x0(1),x0(2),…,x0(p))。由均值化算子得到X0D1=(x0(1)d1,x0(2)d2,…,x0(p)d1)。任意指標的計算公式為x0(k)d1=x0(k)-x0(1)。

(2)

2.2.2 綜合效益評估指標設定

綜合效益評估指標包括路面破損狀況指數、路面平整度指數、路面結構強度及防滑程度,評估目標

k=k1W+k2Q+k3P+k4R,

式中k1、k2、k3、k4為綜合效益評估指標權值的系數。

W是路面破損種類、嚴重程度與破損密度的定量指標,破損程度與數值成反比。瀝青路面破損程度

式中:sj為第j類破損面積,s為破損路面的整體瀝青面積,ωj為第j類破損權值。

Q為車輛行駛質量的路面評估指標,Q=100/(1+eQg)[18],Q隨Qg的增大而減小。

P反映路面承載力,P越大,路面承載能力越高,表達式為:

P=100(1+ePs) ,

式中:Ps為結構強度系數,Ps=LR/L0,其中LR為路面允許彎沉,L0為實際彎沉。

可由實際測量得到路面橫向力系數Rf,Rf影響R,Rf越大,路面抗滑性越優越[19],計算公式為:

R=(100-Rmin)/(1+eRf)+Rmin,

式中Rmin為防滑程度下限。

3 實例分析

3.1 仿真數據采集

選擇某市于2005年建成通車的某二級瀝青路段為養護對象,該工程路段為雙向四車道,路面瀝青混凝土面層厚8 cm,二灰碎石厚17 cm,二灰土基層厚29 cm。沿線經濟發展迅速,車流量激增,局部路段出現大量病害,當前日均交通量為5 766輛,路面結構損傷為細小裂縫及車轍痕跡,并伴隨輕微松散狀態。為改善路面使用性能,保證行車的舒適性和安全性,進行路面養護維修。經路面勘查,結果顯示本路段未見結構性病害,病害相對較輕,根據表2中連續3 a的歷史檢測數據,進行養護模擬試驗。

表2 某市某二級瀝青路段3 a檢測數據

3.2 仿真試驗分析

對該二級瀝青路段分別采用精表處技術[1]、微表處技術[2]與最優綜合性養護方法進行仿真試驗,得到評估指標數據如表3所示。由表3可知:采用精表處技術進行養護,因選用的養護劑與特制細砂材料,路況質量、平整度及防滑性能略優于微表處技術,R比后者大15.6%;最優綜合性養護方法將多個評估指標作為綜合考量參數,養護方法較全面,4個評價指標均高于采用精表處技術和微表處技術的養護效果。

表3 3種方法的評估指標數據

參考國內其他城市瀝青路面的統計數據,城市瀝青路面結構破損修補狀況的評價標準如表4所示。

表4 城市瀝青路面結構破損修補狀況評價標準

選取同一段城市瀝青破損路面,采用精表處技術、微表處技術和最優綜合性養護方法3種方法修補,修補率分別為2.9%、2.4%、0.7%,評價指標分別為良、良、優。最優綜合性養護方法考慮瀝青路面實際破損情況是否與養護方法匹配,修補率較低。

4 結束語

城市道路的交通量增大,瀝青路面易出現多種類型的結構性破損,若預防養護措施不及時、不到位,輕則縮短道路使用壽命,重則導致重大交通事故,威脅人身安全。在勘察城市瀝青路面結構的破損情況與養護方法后,以破損狀況指數、路面平整度指數、路面結構強度指數和防滑程度指數為評估指標,制定綜合性較強的預防養護策略,結果表明養護效果明顯高于采用精表處技術和微表處技術的處理效果。

未來研究中應在方案選取階段加入養護時段與成本參數,實現時段的智能化設置,減少養護費用;還可將瀝青路面的綜合性養護策略合理地運用到水泥混凝土等其他材料路面的養護中,拓展應用領域。