遼寧省高速公路瀝青路面橫向裂縫調查與分析

趙金成,任俊達

(1.遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166;2.遼寧省交通建設投資集團有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

截至2022年底,遼寧省高速公路通車里程達4348km,除收費站收費廣場和服務區(qū)大貨車停車區(qū)采用水泥混凝土路面外,其余路面均采用瀝青路面結構。作為瀝青路面主要病害之一,橫向裂縫具有產生早、影響大、范圍廣等特性。為進一步提高遼寧省高速公路瀝青路面使用性能,深入了解高速公路瀝青路面病害形式及成因,選取代表性高速公路開展橫向裂縫調查研究工作具有重要意義。瀝青路面橫向裂縫產生后,破壞了路面的整體性,直接影響行車連續(xù)性。當雨水由裂縫進入路面后,瀝青混合料中的瀝青和石料剝離,在行車荷載作用下,形成動水壓力,進一步加劇剝離效應,同時還會對基層產生沖刷,在路面形成唧漿等病害。若長期發(fā)展,裂縫附近路面會產生掉角、啃邊甚至碎裂等病害。嚴重時可發(fā)展為路基軟化,大大降低路面承載能力。瀝青路面的橫向裂縫一般在建成通車的次年就會產生,貫穿路面使用全過程,并隨著時間增長逐漸加重。

1 裂縫調查

1.1 代表性高速公路的選取

結合近年遼寧省高速公路建設情況,選取G1京哈高速公路(沈陽至四平段)、G11鶴大高速公路(桓仁至丹東段)、S13桓仁至永陵高速公路開展調查。G11鶴大高速公路(桓仁至丹東段)和S13桓仁至永陵高速公路均于2012年建成通車,2013年起,調查組開始對兩條高速公路的橫向裂縫分布情況進行調查。G1京哈高速公路(沈陽至四平段)2016年建成通車,調查組從2018年春季開始對裂縫分布情況進行調查。

三條高速公路的路面結構各有特點。桓永高速公路的瀝青層原設計為3層,但采取分期實施的方式,調查期間桓永高速公路瀝青層為2層,厚度為12cm。G11鶴大高速公路全線共有3種路面結構,瀝青層厚度和結構層采用的瀝青均有差異。具體路面結構見表1和表2:

表1 G11鶴大高速公路路面結構

表2 京哈高速和桓永高速公路路面結構

1.2 調查方式及范圍

橫向裂縫調查工作主要采取乘車和步行的方式。為獲取足量數(shù)據(jù),需要調查更長里程,此時主要的調查方式為乘車,但行車速度不大于50km/h。同時,為了保證數(shù)據(jù)的準確性,乘車調查每隔一定距離,需穿插步行調查。

對鶴大高速公路和桓永高速公路的調查涵蓋了全部主線,而對京哈高速公路的調查,考慮到溫度影響,只對地理位置最北端的一個施工標段進行了調查。為確保數(shù)據(jù)準確,對京哈高速公路的調查采取全線步行的方式。

2 橫向裂縫分類與影響因素

瀝青路面橫向裂縫一般有兩種形式,一是由溫度原因引起的溫縮裂縫,二是半剛性基層收縮引起的反射裂縫。兩種裂縫形式綜合作用,導致路面出現(xiàn)橫向裂縫。兩種裂縫的形式存在明顯差異,溫縮裂縫的本質是溫度疲勞裂縫,主要是在溫度應力的往復、循環(huán)作用影響下逐漸出現(xiàn)并不斷擴展[1]。反射裂縫是下臥的半剛性材料層裂縫反射到瀝青層形成的。半剛性材料層非飽水時受溫度收縮的影響更大,會直接引起材料開裂。此外,半剛性混合料水分蒸發(fā)過程中體積變小的特性也會引發(fā)裂縫。

對于溫縮裂縫,一般表現(xiàn)為上寬下窄的形式,即路表受溫度影響最大,裂縫最寬;越向下受到的影響越小,裂縫越窄。橫斷面方向上,裂縫一般發(fā)展較為順直,無明顯彎曲,裂縫無明顯的形態(tài)變化。縱斷面方向上,裂縫間距一般也比較穩(wěn)定,不會產生明顯的突變。裂縫間距最短在5～8m,較長者間距可達150m或更長。對于材料性能優(yōu)異、溫度變化較小的路面,裂縫間距一般較長。路面的溫縮裂縫一般在我國北部季節(jié)性冰凍地區(qū)發(fā)生較多,尤其是溫度變化劇烈的地區(qū)更為普遍。當結構層的溫度低于材料的斷裂溫度時,產生的溫度應力就會高于材料的抗拉強度,材料產生開裂[1]。

對于半剛性材料,主要是在混合料中水分蒸發(fā)、水化等作用下引起的材料體積收縮,從而產生開裂現(xiàn)象,而半剛性混合料是液、固、氣三相體,在大溫差作用下引起的熱脹冷縮變化也會產生溫縮裂縫。碎石與水泥水化礦物的熱脹冷縮系數(shù)有較大差別,在大溫差作用下,產生的脹縮變形也是不同的。此外,混合料中存在各種形態(tài)的水和氣體,在溫度升高的條件下,會產生擴張力而使材料發(fā)生膨脹;在溫度降低的條件下,體積收縮會使材料產生收縮力。當擴張力或收縮力超過臨界值時,就會產生裂縫[2-3]。

3 調查結果分析

裂縫調查現(xiàn)場記錄每公里內橫向裂縫的條數(shù)。查閱設計圖紙后,扣除段落內橋梁和隧道的長度,隨后計算裂縫的平均間距,單位為m。其中,裂縫條數(shù)貫穿全幅的按1條計數(shù),未貫穿全部車道但裂縫長度大于1個車道的按0.5條計數(shù),不超過1個車道寬度的不予計入,具體調查情況見表3、表4。

表3 G11鶴大高速公路裂縫平均間距 單位:m

表4 桓永高速和京哈高速公路裂縫平均間距 單位:m

由上表可以看出:

(1)調查選取的高速公路在建成通車的第2年,瀝青路面即出現(xiàn)大規(guī)模橫向裂縫。如G11鶴大高速公路和S13桓仁至永陵高速公路均于2012年建成通車,2013年即出現(xiàn)大量橫向裂縫。

(2)通常,在瀝青材料相同的情況下,厚瀝青層相較于薄瀝青層的橫向裂縫平均間距更大,且抵抗裂縫的效果較為明顯。如在G11鶴大高速公路中,2013年裂縫間距4層瀝青層的段落是3層瀝青層的2倍,2018年裂縫間距4層瀝青層的段落也是3層瀝青層的2倍以上。

(3)通常,橫向裂縫的間距會逐年降低,并在5年左右達到穩(wěn)定。從鶴大高速和桓永高速的調查數(shù)據(jù)可以看出,裂縫間距一般在5年后變化幅度減小。對于4層瀝青層23.5cm厚度,5年后裂縫間距基本穩(wěn)定在64m左右;對于3層瀝青層15.5cm厚度,5年后裂縫間距基本穩(wěn)定在29m左右;而對于2層瀝青層12cm厚度,5年后裂縫間距基本穩(wěn)定在21m左右。

(4)對于不同的瀝青材料,橡膠瀝青較SBS改性瀝青抵抗裂縫的能力更強,并且前3年內其裂縫的平均間距與4層瀝青層的效果相差不大。3年以后,不同瀝青材料抵抗裂縫的能力無明顯差別,裂縫的平均間距主要與厚度呈正相關。

(5)對于不同溫度地區(qū),裂縫間距變化較為明顯。如G1京哈高速公路昌圖段雖然采用21.5cm厚瀝青層,但相較于丹東地區(qū)15.5cm厚瀝青層,裂縫間距相差不大。

4 結論

通過遼寧省內代表性高速公路路面橫向裂縫調查,主要得出以下結論:

(1)瀝青路面設計時,應充分考慮氣候和材料等因素的影響。

(2)鑒于橫向裂縫的特點,應把握養(yǎng)護時機,及時采取灌縫等措施,以保證瀝青路面良好使用性能。

(3)條件允許時,對于季節(jié)性冰凍地區(qū)的瀝青路面,可適當增加瀝青層厚度,同時采取相應手段控制半剛性結構層的反射裂縫。