嚴寒地區瀝青路面病害防治措施研究

魏志遠

（新疆生產建設兵團第九師交通運輸事業發展中心,新疆 塔城 834601）

0 引言

瀝青混合料的路用性能較好，在我國公路項目建設中應用較廣泛。但是，瀝青路面可能因材料性能不合格、施工工藝差、交通量增加、養護不及時等運營而產生各種病害，影響行車安全性和舒適度，甚至會造成嚴重的交通事故。尤其是在嚴寒地區，因溫度較低、晝夜溫差大等，會導致瀝青路面施工難度加大，受力機理更加復雜，交通事故頻發[1]。因此，進一步研究嚴寒地區瀝青路面病害成因和防治措施具有重要的意義。

1 工程概況

1.1 建設標準

研究對象為某嚴寒地區二級公路，探討其瀝青路面病害成因及防治措施。該二級公路路線全長38.5 km，建設標準為雙車道，路基寬12 m，以填方路基為主（平均填高約5.0 m），一級、二級、三級邊坡坡率分別為1 ∶1.5、1 ∶1.75、1 ∶2.0。當邊坡高度＜4 m 時，采用植草防護；反之，采用拱形骨架或空心六棱塊防護。同時，瀝青路面結構層厚68 cm，路面結構組合為3 cm AC-13+5 cm AC-16+1 cm 碎石下封層+25 cm 水泥穩定礫石基層+30 cm級配礫石底基層。

1.2 氣候氣象

項目所在區域的氣溫較低，年平均氣溫約-6.8～6.5 ℃，每年有4~5 個月凍結期，沿線分布大量凍土，對瀝青路面結構性能影響較大。按地溫不同，可將公路沿線的凍土劃分為穩定多年的凍土區、亞穩定多年凍土區、不穩定多年凍土區、極不穩定多年凍土區。在同一地貌單元中，不同區域的含冰量也不相同，山嶺區含冰量最高，河谷平原區含冰量最低。同時，陰坡含冰量明顯大于陽坡。

2 嚴寒地區瀝青路面病害類型和成因

2.1 瀝青路面病害類型

經過現場調查，發現該二級公路的瀝青路面病害以縱向裂縫、橫向裂縫、網裂、車轍、沉陷等病害為主，具體比例見圖1。

圖1 不同瀝青路面病害占比

由圖1 可知：嚴寒區瀝青路面病害以橫向裂縫為主（46.5%）、縱向裂縫次之（28.8%），車轍病害最小（5.0%）。其他路面病害占比過小，該文分析時暫不考慮。

（1）路面裂縫病害。橫向裂縫大部分為貫穿裂縫，即在左、右兩幅路面貫通，裂縫寬度在1.0~2.5 cm。而非貫穿裂縫的寬度較小，基本在0.2~1.0 cm。橫向裂縫的發育程度與路面養護情況密切相關，如果橫向裂縫出現后沒有及時灌縫處理，容易發育成貫穿性裂縫。縱向裂縫直接受路基變形、邊坡損毀等影響，常出現在高填方路基區域。縱裂裂縫的寬度要明顯大于橫向裂縫，寬度大多在3.0~6.5 cm。縱向裂縫一旦出現，會快速發展，一般的灌縫措施對縱向裂縫的控制效果有限；網裂是嚴寒地區瀝青路面的典型病害，常伴隨有橫向裂縫，但裂縫較細，網裂面積約10~25 m2。

（2）路面沉陷病害。嚴寒地區的瀝青路面沉陷具有突發性、蔓延性等特點，對行車安全性和舒適性影響較大。經調查，低路基出現重度沉陷的比例遠大于高路基。出現在低路基路段的重度沉陷，大多在高含冰量地區，主要原因在于：路基高度較低時，路面熱量會向下傳遞[2]。由于路面熱量不均勻，在相同外界荷載作用下路基底部沉降也不均勻，從而導致路面沉陷。

（3）路面車轍病害。車轍是指公路瀝青路面在車輛荷載反復作用下所出現的凹、凸變形，包括結構性車轍、失穩性車轍、磨損性車轍三類。根據統計數據，瀝青路面車轍病害大多發生在縱坡、路側積水、車輛頻繁啟動制動的等路段，且大部分車轍屬于失穩性車轍。

2.2 瀝青路面病害成因

（1）材料原因。瀝青混合料原材料是影響瀝青路面病害的基礎因素，惡劣的外界環境會使瀝青路面的性能衰減。比如在嚴寒地區，半剛性基層材料無法快速形成高強度板體，無法有效承擔車輛荷載。半剛性基層的干縮、溫縮現象明顯，收縮裂縫會向上傳遞，產生大量的反射裂縫；再比如瀝青延度減小、脆性增大，使得低溫抗裂性能變差，在相同車輛荷載下容易產生裂縫。根據相關研究成果，嚴寒區瀝青路面的材料性能可用式（1）表達[3]：

式中，τ——材料所受剪應力（kPa）；σ——材料所受正應力（kPa）；c——瀝青混合料黏聚力（kPa）；φ——瀝青混合料內摩擦角（°）。

（2）施工工藝原因。相對于一般地區，嚴寒地區的公路施工工期短、施工溫度低，且晝夜溫差較大，很難完全按照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）中的施工工藝施工。大量工程實踐表明，嚴寒地區瀝青路面的最佳施工時間為每年的5—9 月，不利于路面的連續鋪筑，導致路面路用性能差。

（3）交通荷載原因。一般情況下，嚴寒地區的經濟發展較慢。由于投資金額的限制，前期的公路建設質量較差，比如路面結構層厚度小、瀝青混合料性能指標差、排水設施少等。隨著經濟的發展，公路沿線交通量迅速增加，尤其是超載車輛的占比越來越高。當交通累計作用軸次超出瀝青路面的設計承載能力，路面結構就會發生疲勞破壞。超載對嚴寒地區瀝青路面的破壞程度可用有限元法模擬。該文計算了瀝青路面在不同工況下的應力峰值，如圖2 所示。

圖2計算結果表明：在超載條件下，瀝青路面的各項應力均大幅度地增大。比較無坡、0.7 MPa、勻速和5°坡、1.3 MPa、加速兩種工況，后者的縱向拉應力峰值、縱向壓應力峰值、水平剪應力峰值分別是前者的755%、290%、380%。這說明超載對嚴寒地區的瀝青路面破壞十分嚴重，尤其是在長大縱坡段路。

（4）養護原因。部分瀝青路面病害可能是因為養護不及時或養護方案選擇不當而產生的，具體闡述如下：一是公路在反復凍融作用下，路肩土密度減小，路肩抬高，路面形成積水槽。在連續降雨天氣下，雨水徑流在路面長期集聚，并滲入路面結構層內部，破壞瀝青混合料結構；二是路基兩側的邊溝或排水溝清理不及時，使其喪失了排水、導水等作用，從而造成路面浸水受損。

3 嚴寒區瀝青路面病害防治措施

3.1 材料性能控制

在瀝青路面正式鋪筑之前，施工單位要調查公路沿線的料場，對不同廠家的瀝青路面原材料的性能指標、單價、運輸條件等進行對比，以篩選出最合適的原材料。需注意，瀝青路面原材料不得為了追求低成本而選擇無生產日期、無生產合格證、無生產廠家的劣質材料。瀝青路面原材料在進場后，要按設計文件要求對其各項性能指標進行檢驗，合格后才能用于施工，不能將生產廠家提交的生產合格證明作為材料進場驗收依據[4]。同時，要將瀝青路面原材料儲存在通風、干燥的環境中，不得將材料露天儲存，以免降雨影響材料物理力學性能。

3.2 施工工藝控制

（1）混合料拌和技術。為了克服嚴寒環境對瀝青路面施工質量的影響，延長施工時間，建議瀝青混合料拌和采用溫拌技術，即在瀝青混合料中加入各種溫拌劑，使其能低溫條件下正常拌和。根據機理不同，可將瀝青路面溫拌技術劃分為降黏型溫拌技術、發泡型溫拌技術、表面活性溫拌技術等，其在拌和期間的優勢體現在以下幾方面；產生有害氣體少、消耗的能源少、基質瀝青老化程度低、混合料溫度降低速度慢，且混合料與周圍環境溫差小，易于壓實。

（2）混合料運輸。相對于一般地區，嚴寒地區瀝青混合料溫度下降較快，在運輸前要規劃好路線，以免運輸期間長時間擁堵，導致混合料攤鋪溫度不滿足施工要求。同時，還要在瀝青混合料運輸的車廂底部和兩側涂抹隔離油，并覆蓋薄膜進行保溫處理。

（3）有效壓實時間。有效壓實時間對嚴寒區瀝青路面的壓實質量起著決定性作用，且決定了瀝青混合料的冷卻速度。瀝青路面的有效壓實時間受外界環境的氣溫和風速的影響最大。一般情況下，外界環境氣溫越低，與瀝青混合料的溫差越大，瀝青混合料的有效壓實時間越短。而在外界環境氣溫相同的條件下，風速越大，瀝青混合料內部熱量向外部的傳遞速度越快，有效壓實時間也會減小。該文利用Pavecool 軟件計算了不同氣溫和不同風速下的瀝青路面的有效壓實時間，見表1。

表1 氣溫和風速對瀝青路面有效壓實時間的影響

由表1 可知：隨著外界氣溫的增加，瀝青路面的有效壓實時間不斷增大，且兩者基本呈線性正相關關系。外界氣溫每增加2 ℃，瀝青路面的有效壓實時間平均增加1.5 min。同時，隨著外界風速的增加，瀝青路面的有效壓實時間減小，兩者之間的關系可用二次多項式函數模擬，見式（2）：

式中，y——有效壓實時間（min）；x——外界風速（m·s-1）。

3.3 沿線交通量控制

為了避免交通量過大加劇瀝青路面病害，應在二級公路沿線安裝“限重”“禁止超載”等交通標志。大量工程實踐表明，交通標志的支撐方式有有柱式、懸臂式、門架式等，在設計時主要考慮恒載、風荷載等，并確保交通標志在荷載效應組合設計值下的變形量d滿足式（3）：

式中，dG——交通標志在恒載的變形量（cm）；dQ——交通標志在風荷載作用下的變形量（cm）；[d]——允許變形量（cm）。

3.4 預防性養護技術選擇

嚴寒地區瀝青路面采用預防性養護措施能及時恢復路面性能，防止病害的進一步擴展。目前，國內比較成熟的瀝青路面養護措施有裂縫填封、表面封層、薄層罩面三類。

（1）裂縫填封技術。裂縫填封技術是利用高黏度的裂縫密封膠來填封裂縫的方法，能有效地防止雨水、冰雪等沿著裂縫滲入路面結構層，從而使裂縫繼續發育，并延長公路的運營壽命。裂縫填封技術一般只用于路面局部裂縫處理，且周邊沒有大面積的輕微網裂。

（2）表面封層技術。表面封層技術是在瀝青路面上敷設一層養護層來保護舊路面。常用的封層技術有霧封層、碎石封層、稀漿封層、微表處等，不同封層技術的對比見表2[5]：

表2 嚴寒地區表面封層技術對比

（3）薄層罩面技術。薄層罩面技術是瀝青混合料加鋪在路面上，補強路面結構，從而延緩路面性能劣化，罩面厚度一般不大于2.5 cm。相對于其他預防性養護措施，薄層罩面技術費用較高，且施工難度大，多用于瀝青路面破損嚴重的路段。

4 結語

該文以某嚴寒地區二級公路為研究對象，研究了瀝青路面常見病害的成因，并提出了相應的防治措施，得到了以下幾個結論：

（1）嚴寒地區瀝青路面病害以縱、橫向裂縫為主，車轍或沉陷等病害的占比較少。

（2）嚴寒地區瀝青路面病害主要是由材料不合格、施工工藝不當、交通荷載過大、養護不及時等因素造成。

（3）為了減少或避免嚴寒地區瀝青路面病害，要嚴格控制原材料進場，合理確定瀝青混合料的拌和、運輸工藝及有效壓實時間。

（4）嚴寒地區瀝青路面預防性養護技術有裂縫填封、表面封層、薄層罩面三類，應結合項目實際情況選擇。