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重載下瀝青路面早期主要病害成因及維護(hù)方法論文
摘要：文章針對(duì)高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)的早期損壞嚴(yán)重的現(xiàn)象，闡述了重載交通作用對(duì)瀝青路面疲勞以及車轍性能的影響，探討了剪應(yīng)力在面層的分布，認(rèn)為剪應(yīng)力是造成路面疲勞和車轍的主要因素；并對(duì)水泥穩(wěn)定類基層的病害成因做了一定的分析，從路面的材料設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面提出了相應(yīng)的措施；對(duì)瀝青路面早期主要病害的養(yǎng)護(hù)維修設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞：路面結(jié)構(gòu)；車轍；抗車轍劑；密集配瀝青碎石；微表處；應(yīng)力吸收層
對(duì)重載交通作用的瀝青路面，雖然在工程實(shí)踐中，已經(jīng)采用了許多新的技術(shù)，如superpave的混合料設(shè)計(jì)技術(shù)、SMA路面、聚合物改性瀝青等，這些技術(shù)的應(yīng)用，在一定程度上改善了路面質(zhì)量，但隨著交通量的增加和車輛軸重的增大，路面早期損壞現(xiàn)象仍非常明顯，極大的降低了路面的服務(wù)功能和使用壽命，增加了公路的維護(hù)成本。通過對(duì)早期損壞現(xiàn)象的綜合研究，我們發(fā)現(xiàn)重載對(duì)瀝青路面所造成的損壞主要集中于疲勞開裂和車轍損壞，其原因主要是瀝青面層的抗剪能力不足所致。本文從以上兩方面并結(jié)合半剛性基層材料總結(jié)了重載對(duì)瀝青路面的影響，并探討了在瀝青路面養(yǎng)護(hù)維修設(shè)計(jì)中所應(yīng)采取的措施。
1原因分析
我國的高等級(jí)公路大部分為半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)在重載車輛的作用下，早期損壞現(xiàn)象十分嚴(yán)重。
1.1疲勞開裂及路面車轍
疲勞開裂是重載作用下，瀝青路面最常見的破壞形式之一，疲勞的產(chǎn)生是由于材料內(nèi)部存在局部缺陷或不均質(zhì)，在車輛荷載以及外界環(huán)境因素的影響下，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，出現(xiàn)微裂隙，減少了承受應(yīng)力的面積，導(dǎo)致有效應(yīng)力增大，裂隙擴(kuò)展，應(yīng)力的反復(fù)作用最后導(dǎo)致路面破壞。通過對(duì)我國重載瀝青面層疲勞裂縫調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，瀝青面層縱向裂縫并不是由面層底部開始的，而是從面層表面向下發(fā)展。由此說明，重載作用下瀝青面層疲勞破壞并不一定是層底彎拉應(yīng)力引起，而是由于表面荷載應(yīng)力造成的，特別是剪應(yīng)力。
隨著公路運(yùn)輸量日益增長(zhǎng)和運(yùn)輸向重型化發(fā)展，尤其是高等級(jí)公路瀝青路面永久變形已成為突出的問題，車轍成為重載交通作用下瀝青路面主要的破壞形式之一。車轍的形成機(jī)理主要分為兩種：壓密變形和剪切變形。前者通常出現(xiàn)在交通初始階段，由于路面各結(jié)構(gòu)層密實(shí)度的進(jìn)一步增加所形成；后者主要是由于瀝青混合料上層過大的剪應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形所引起的，后者是引起車轍損壞的主要原因。在國外，已有設(shè)計(jì)規(guī)范將車轍深度作為設(shè)計(jì)指標(biāo)之一。但我國現(xiàn)行的公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范尚未建立預(yù)估車轍深度的計(jì)算模型，僅通過《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）對(duì)高速公路和一級(jí)公路瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度作出了具體要求，從材料性能角度來控制車轍深度。重載作用下，瀝青路面設(shè)計(jì)驗(yàn)算車轍深度對(duì)防止路面使用初期造成車轍損壞是十分必要的。當(dāng)前，車轍深度的預(yù)估模型很多，在國際上最為有名的當(dāng)推shell方法，工程實(shí)踐中可根據(jù)實(shí)際情況選用。
對(duì)于重載和超載車輛，行駛在長(zhǎng)陡坡路段上坡路段時(shí)車速較慢，增加了車輛對(duì)路面的作用時(shí)間，依據(jù)瀝青混合料的時(shí)溫等效原理可知，增長(zhǎng)對(duì)瀝青混合料的作用時(shí)間和瀝青混合料處于高溫是等效的，使得瀝青混合料的橫向流動(dòng)變形的可能性增加，就會(huì)產(chǎn)生大量車轍。而下坡路段由于剎車增加了路面剪力，往往出現(xiàn)大量裂縫。
1.2水泥穩(wěn)定基層的收縮裂縫。
水泥穩(wěn)定基層是一種半剛性材料，隨著時(shí)間的推移，會(huì)產(chǎn)生干燥收縮與溫度收縮，半剛性基層的收縮裂縫是不可避免地反射到表面。但瀝青混凝土路面是一種柔性材料，有一定的抗變形能力，因此在路基壓實(shí)度較好的路段路面裂縫較少。然而由于施工當(dāng)中存在一些工藝和程序問題，路面瀝青混合料離析和不均勻嚴(yán)重，這樣容易造成局部滲水，使路面出現(xiàn)病害。施工中壓實(shí)不足也是重要原因，由于片面追求路面平整度，不能在溫度較高的時(shí)候技術(shù)壓實(shí)，不敢采用輪胎壓路機(jī)，這樣就造成了路面表層看起來很平整，通車不久就很快衰減。建議對(duì)壓實(shí)度的管理應(yīng)該把重點(diǎn)放在壓實(shí)工藝的管理上。
1.3行車荷載和雨水作用加速裂縫的發(fā)展。
水泥穩(wěn)定基層在施工及運(yùn)營(yíng)中由于種種原因會(huì)產(chǎn)生細(xì)微裂縫，根據(jù)斷裂力學(xué)理論，半剛性基層內(nèi)存儲(chǔ)的能量由于行車荷載提供，并通過裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展消耗能量，這個(gè)過程不斷反復(fù)進(jìn)行，使獨(dú)立地裂紋擴(kuò)展為數(shù)條貫通宏觀裂紋，直到新年過程小裂縫，最后成為貫穿裂縫。這是行車道裂縫多于超車道的原因所在。由于瀝青上面層存在孔隙，下雨或積雪融化后，路面中有水分滲入，而由于土路肩阻水，雨過天晴數(shù)天后，路面面層中仍有大量水分。所含的許多水分不斷匯集到裂縫處并沿裂縫下滲，由于基層強(qiáng)度大，很致密，水很難排出去，容易造成路面界面條件和受力狀態(tài)的變化。在行車荷載作用下裂縫處出現(xiàn)唧漿現(xiàn)象，水泥穩(wěn)定基層因水而脫落、松散、路面結(jié)構(gòu)承載力不足，出現(xiàn)啃邊現(xiàn)象，并可能發(fā)展成網(wǎng)裂或坑槽、沉陷等。超載現(xiàn)象嚴(yán)重，加劇了路面病害的擴(kuò)展。而瀝青路面排水是第一要?jiǎng)?wù)，所以排水不好勢(shì)必會(huì)造成路面的心腹大患。
2瀝青路面早期病害維修設(shè)計(jì)
2.1微表處填補(bǔ)車轍
微表處是乳化瀝青稀漿罩面的最高級(jí)形式，它適用于重要交通道路的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)如高速公路、城市干線、機(jī)場(chǎng)跑道等。微表處由聚合物改性乳化瀝青、100%軋碎石料、礦物填料、水和必要的添加劑組成，使用專門的施工設(shè)備邊拌和邊攤鋪。微表處可以提高路面的抗滑能力阻止水分下滲、防止路面的老化與松散，從而有效地延長(zhǎng)路面的使用壽命。微表處的使用可根據(jù)路面狀況實(shí)施單層或雙層攤鋪，可以填補(bǔ)已經(jīng)穩(wěn)定的車轍。微表處所用的乳化瀝青必須是經(jīng)聚合物改性的，通常是采用SBR膠乳，也可采用SBS改性，其殘留物具有較高的軟化點(diǎn)。
微表處具有許多優(yōu)點(diǎn)：
�。�1）施工速度快，封閉交通時(shí)間短。微表處可用于多種路面情況，它所含的聚合物使乳化瀝青增加了黏結(jié)力，使路面快速穩(wěn)定和堅(jiān)固。
�。�2）適合于重載交通的路面。由于采用質(zhì)量較高的骨料和黏結(jié)力較大的改性乳化瀝青，微表處比普通稀漿封層有著更強(qiáng)的粘合力。因此其比較適合重載交通的路面上，更適合于交通繁忙的公路。
（3）可以在常溫條件下施工，甚至可以在夜間工作或在不妨礙交通的情況下施工。
�。�4）微表處可以作成很薄的層面，所以可以在橋面上或市政的道路上使用，而不會(huì)過多地增加重量和厚度。也不會(huì)影響城市道路的排水系統(tǒng)。
�。�5）微表處可以明顯的提高路面的抗滑能力，同時(shí)也可以改善路面裂縫的狀況，延長(zhǎng)路面的壽命。
�。�6）微表處還可以作成一種比較厚的鋪層，用于填充不規(guī)則的路面。
（7）微表處是一種低成本、壽命長(zhǎng)的養(yǎng)護(hù)方法。
2.2密集配瀝青碎石與抗車轍劑的應(yīng)用
在養(yǎng)護(hù)維修工程中，為防止車轍的產(chǎn)生，可在設(shè)計(jì)中采用密集配瀝青碎石作為路面結(jié)構(gòu)的下面層使用。并中摻加集料質(zhì)量3‰的PRI抗車轍劑，使其動(dòng)穩(wěn)定度不低于6000次mm。這樣就大大降低了車轍等病害的發(fā)生幾率，提高了道路的使用壽命。密級(jí)配瀝青碎石ATB－30具有良好的抗高溫性能，路面不易產(chǎn)生波浪；冬季不易產(chǎn)生凍縮裂縫，行車荷載作用下裂縫較少；材料組成設(shè)計(jì)比較容易達(dá)到要求；瀝青用量少，造價(jià)相對(duì)低廉。
抗車轍劑能顯著改善瀝青混合料的高溫性能，提高混合料抗車轍能力，路面穩(wěn)定性得到提高，改善了瀝青混合料的低溫柔韌性，提高了抵抗開裂的能力和動(dòng)穩(wěn)定度。提高了瀝青混合料的抗疲勞性能，延長(zhǎng)瀝青路面的使用壽命。
2.2.1橡膠粉改性瀝青應(yīng)力吸收層。這種由橡膠瀝青膠結(jié)料、單粒徑集料組成的應(yīng)力吸收薄膜夾層對(duì)減緩反射裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展有明顯的效果，可使半剛性基層或舊水泥混凝土路面的裂縫處相對(duì)位移產(chǎn)生的應(yīng)力傳到面層時(shí)大為減少，降低應(yīng)力強(qiáng)度因子，從而達(dá)到延緩反射裂縫產(chǎn)生的目的。瀝青路面早期病害中水損害對(duì)瀝青面層影響較大，如坑槽、剝落等，為減少水損壞程度，設(shè)計(jì)中采用在上下面層中部加鋪應(yīng)力吸收層，既可以防水，又可以減少反射裂縫。
根據(jù)我們的試驗(yàn)研究以及實(shí)體工程經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)橡膠應(yīng)力吸收夾層（SAMI）的特點(diǎn)，采用較粗的膠粉顆粒（20目）可以達(dá)到更好的防止反射裂縫的效果。參考美國亞利桑那州的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我們的試驗(yàn)研究，用于SAMI的橡膠粉改性瀝青需要達(dá)到具體指標(biāo)要求如下:
﹡20目的橡膠粉
﹡18%的橡膠粉摻量
﹡橡膠瀝青用量2.6±0.2kgm2
﹡集料規(guī)格為9.5mm～13.2mm，用量約為12kgm2，以鋪滿為準(zhǔn)
應(yīng)力吸收層是把橡膠粉改性瀝青直接噴灑到瀝青下面層上，厚度約2mm，上面均勻撒布1cm左右單一級(jí)配碎石，覆蓋率60～70%，可有效防止裂縫和滲水，施工工藝簡(jiǎn)單，造價(jià)低。這種技術(shù)現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用，取得了良好效果。
2.3瀝青路面早期病害維修施工及其注意事項(xiàng)。
在進(jìn)行瀝青路面早期維修施工時(shí)，由于修補(bǔ)舊路面噴涂乳化瀝青粘層油、鋪玻纖維網(wǎng)，最后鋪筑新的瀝青路面，需要較長(zhǎng)的時(shí)間，因此，在施工方面，應(yīng)做好相應(yīng)的組織工作。
�。�1）施工段落的劃分及交通組織。施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)必須按交通部《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTJ073.2-2001）的規(guī)定設(shè)置施工警告標(biāo)志、限速標(biāo)志、導(dǎo)向標(biāo)志和采取必要的安全防護(hù)措施。
�。�2）施工單位落實(shí)及人員、機(jī)械組織。通過正規(guī)的招標(biāo)程序選擇有資質(zhì)的施工單位。施工單位應(yīng)組織足夠的人力、機(jī)具及各種元材料，每一段落應(yīng)盡可能的縮短施工時(shí)間。建設(shè)單位應(yīng)組織好路政人員，搞好施工現(xiàn)場(chǎng)交通組織和交通疏導(dǎo)，并委派有資質(zhì)的監(jiān)理單位實(shí)施監(jiān)理。
�。�3）銑刨出的廢料，應(yīng)在公路用地范圍之外選擇合適場(chǎng)地堆放。
（4）合理安排時(shí)間，盡量安排春、秋季節(jié)，避開雨季和交通量大的不利季節(jié)。
3結(jié)語
隨著高等級(jí)公路的大量修建、重載交通的日益嚴(yán)重，重載作用對(duì)瀝青路面的影響日益引起人們的關(guān)注。高速公路瀝青路面早期維護(hù)是一項(xiàng)非常重要的工作，應(yīng)引起高速公路管理部門的高度重視。路面早期破損也須及時(shí)治理，現(xiàn)在提倡的是預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，以路面為中心的全面養(yǎng)護(hù)。要做好預(yù)防性養(yǎng)護(hù)，避免路面早期破壞，必須加大研究，勇于創(chuàng)新，敢于實(shí)踐，盡快形成預(yù)防養(yǎng)護(hù)理論和規(guī)范。有效的早期維護(hù)不但能很好地改善瀝青路面的早期服務(wù)水平，而且能大大地延長(zhǎng)瀝青路面的有效壽命。
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