黑龍江省高等級公路路面破損原因分析

郝曉冬

(黑龍江省公路勘察設計院)

黑龍江省處于我國東北邊陲,北部、東部隔黑龍江、烏蘇里江與俄羅斯相望,國界線長 3045km,西部與內蒙古自治區毗鄰,南部與吉林省相接壤。全省平原、丘陵、山地各占三分之一,屬大陸性季風氣候區,冬季嚴寒,春季干燥,夏季炎熱濕潤、降雨集中,降雨量在450～600mm之間,秋季降溫急驟,常有凍害發生。降水主要集中在 6月 ～9月,占全年總降水量的 80%左右。冬季時間漫長,從每年的 10月下旬至翌年的 4月上旬,達 6個月之久。黑龍江省位于我國嚴寒地區,冬季長達六個月之久,最低氣溫可達 -35～-40℃,而且寒流頻繁發生,一次寒流可急劇降溫 10～15℃,南部地區地表凍結深度1.8～2.0m,北部可達3.0m以上。

近幾年來,隨著黑龍江省高等級公路建設事業的迅猛發展,交通及氣候條件對公路路面使用性能的要求也越來越高,一方面公路路面行駛重載、超載車輛現象嚴重,并且渠化交通加重了車輛軸載對路面的破壞;另一方面,黑龍江省冬季嚴寒、春季干燥,夏季炎熱濕潤、降雨集中的氣候條件,對路面也是一個嚴峻的考驗。

瀝青混凝土路面,具有表面平整、無接縫、行車舒適、振動噪音小、便于養護等優點,但也具有強度和穩定性受季節性影響,養護費用高等缺點。因低溫收縮而產生裂縫是黑龍江省瀝青路面最主要的病害,導致路面裂縫滲水、面層結構松散,基層甚至路基軟化、承載能力降低,影響路面使用壽命。其次為早期車轍、水損壞、坑槽等。

水泥混凝土路面具有較高的結構強度、穩定性,防滑能力強、養護費用少等優點,但也有接縫較多、易引起行車跳動,振動噪音大、損壞后修補困難等缺點,其最大的缺點是韌性差,與抗壓強度相比其抗拉強度較低。

針對黑龍江省公路所處的自然條件、設計、施工及養護中出現的問題對黑龍江省公路路面破損原因進行了調研分析,主要有以下幾個方面。

(1)土基的原因:路基的壓實質量要求沒有達到規定的壓實度值和彎沉值,沒有保證路基有足夠的、均勻的強度。

排水設計不完善,沒有充分考慮地下水對路基的影響,這種現象在挖方路塹中發生的較多,地下水主要是在挖方路段槽底出現的地下含水層,采用換填砂礫并不能將水排出,大量的水積存于路槽下,在行車荷載及凍脹的作用下,墊層被污染而失去作用,水對底基層、基層產生浸潤破壞,產生凍脹、翻漿現象而失去強度變成松散的結構層,失去承載作用從而引起路面破損。

路基的換填深度不足,特別是挖方路塹槽底處理深度不足,原設計規范只對槽底 30cm的壓實度提出了要求,造成路基確定不足而產生破損。

填挖交界、半填半挖:對于地面縱坡及橫坡較陡的路段,早期的設計只考慮了對原地面挖臺階的簡單處理方式,故在填挖交界處及半填半挖路基經常發生路表面層開裂。現有的設計除在填挖交界處及半填半挖路段加強處理外并增設土工格柵并強夯,以增強結合部的整體性,并且新頒布執行的《公路水泥混凝土設計規范》中規定此處的水泥混凝土路面應加設鋼筋網,以增加強度。

(2)黑龍江省處于高緯度地區,冬季時間漫長,晝夜溫差較大,路面受凍脹的影響較大,所以路面的凍害較重。瀝青路面的主要病害是低溫縮裂。普遍出現橫向裂縫及少量的縱向裂縫。這種裂縫在寒冷地區是不可避免的,設計上只能在結構上、材料上考慮減少收縮裂縫,延長裂縫距離。通車第一年的橫縫間距一般在 25～30m一道,以后逐年加密至約 15m一道,且表現為路面結構越粗,間距越大,但裂縫越寬。如采用SMA結構,早期裂縫間距可達 50～80m,但縫寬大 2.0cm以上。參考日本北海道高寒地區路面結構,為盡量減少低溫裂縫的發生,要求瀝青層具有一定的厚度,其路面結構中的基層基本采用瀝青碎石結構,而我省在這方面還沒有進行研究,建議對瀝青碎石基層進行設計、混合料的配合比及應用性研究。

水泥混凝土路面的主要病害是鹽凍剝蝕破壞,相比較而言,水泥混凝土的抗凍性要好于瀝青混凝土,但其在多次凍融循環后亦可以產生破壞,但主要還是冬季降雪后為了除雪而撒布的融雪劑,由于其主要成分為鹽類,故混凝土表面產生了大面積的剝蝕破壞。

(3)路面結構設計時,計算理論對超載車沒有考慮。路面結構計算標準軸載為BZZ-100,路面計算程序中對各種車型只有正常的軸重(最大不超過130kN),而對于超載車在結構計算時根本沒有考慮。黑龍江省主要公路的交通量增長雖然不大,但公路建成通車后載重貨車的增長明顯高于可研預測的比率,并且一般的載重貨車均處于超載狀態。相關調查表明,超限超載車輛夜間明顯多于白天,特別是四軸以上的超載車輛,這就造成交通量不是均勻分布的,即某一時段的車道上通行的全部是重載,造成路面的疲勞損壞,瀝青路面出現的龜裂和嚴重的車轍,水泥混凝土路面出現的斷板、碎裂等就體現出路面強度不足。

設計中已經在考慮重載時盡量選用軸載較大的車型進行結構計算,盡量避免路面出現龜裂和嚴重的車轍,正在修訂的瀝青混凝土路面設計規范中已經將超載考慮進了路面結構計算中。

(4)早期的瀝青路面設計對于下面層選用Ⅱ型瀝青混凝土,由于Ⅱ型瀝青混凝土空隙率較大、透水而容易產生早期水損壞,故現已采用Ⅰ型瀝青混凝土。

為提高水泥混凝土路面的強度及抗凍性,現在的水泥混凝土路面規范中已要求抗冰(鹽)凍地區的水泥混凝土路面必須摻加引氣劑。現行的水泥混凝土路面設計及施工規范都對冰凍地區提出了具體的要求。

(5)設計中瀝青混凝土規定采用堿性石料及中性石料,當采用酸性石料時,規范規定:可摻入適量的消石灰、水泥或抗剝落劑。建議規范給出一個比較合適的摻入劑量范圍,這樣使設計階段的試驗有據可依。

(6)由于路面基層多采用半剛性基層,半剛性基層不可避免地會產生溫縮裂縫及干縮裂縫,在行車荷載與環境條件的反復作用下,這些裂縫會逐漸反射到面層上,加速路面的破壞。而且半剛性基層壓實后本身非常致密,幾乎成為完全不透水的層次,在多雨潮濕地區和季節性冰凍地區,來自面層滲下的水,包括從路面裂縫(低溫裂縫、結構收縮裂縫)進入的水、瀝青混合料離析及較大的空隙率滲入的水以及冰凍地區毛細管積冰在融化期增加的水等三種情況而不可避免滲水。這些水在動力作用下對基層產生沖刷,造成基層破損而引起路面的破壞。瀝青混凝土路面已采用密實型瀝青混凝土,盡量避免產生水損壞;水泥混凝土路面就要求養護部門及時對橫縫、縱縫及裂縫進行灌縫,以避免水份的進入。

早期的設計中基層、底基層材料一般采用就地取材的原則,有很多采用水泥穩定風化砂礫、水泥穩定碎石土等結構,造成施工時對材料難以控制,風化砂礫及碎石土等材料的質量難以保證,此種結構遇水強度衰減很快,造成使用不久就產生破壞。

(7)早期路面結構中,對基層、底基層混合料沒有強制要求拌合站集中拌和,而允許有路拌的方法。現在設計中已經要求基層、底基層混合料必須拌合站集中拌和,攤鋪機整體性攤鋪。

(8)路面設計中對路面結構層排水考慮的不完善,結構層的排水基本無設計,特別是對挖方路塹亦沒有考慮地下水及層間水的排出,使水進入基層,造成基層濕軟、強度損失、路面破壞。目前的設計已逐步開始考慮結構層排水,并考慮了挖方路塹的排水問題,如在挖方路塹中設置盲溝以排出地下水及層間滯水等措施。

(9)材料的品質:目前大部分公路建設對瀝青、水泥的選擇還是比較慎重的,一般均由建設單位統一采購,大多都選用優質的瀝青和水泥,但是忽略了砂石料的影響。近幾年公路建設發展迅速,但與之配套的材料市場卻比較混亂,沒有統一的標準,缺乏有關部門的引導和監督,大多是由當地群眾自發組織的小料場,產量低、規格少、質量差。而公路建設速度快,用量大,形成明顯的反差。往往一條公路定的目標高、工期短,業主要進度,承包商抓效益,材料就成了被忽視的問題。真正用于公路建設的砂、石材料并非全部合格品,更談不上優質品了。

(10)施工配合比控制不當,壓實度不足:在實際生產中,多年來形成了一種習慣,那就是嚴格按照試驗室配合比中的骨料用量應用于實際生產,熟不知這種方法生產的混合料往往達不到設計要求,有的甚至出現較大偏差,這就是常說的重“目標配合比設計”,輕“生產配合比設計”的傾向。

多年來,很多項目采用一臺攤鋪機整幅攤鋪,造成材料離析。甚至個別項目片面追求平整度,忽視壓實度,致使實際空隙率遠大于目標配合比設計值。

(11)施工工序不合理:目前大部分項目為了竣工通車時有一個漂亮的外表,要求瀝青混凝土路面在做完中面層后,將交通工程、綠化、通訊等一次做完,最后全幅攤鋪上面層。這樣勢必造成中面層放置時間過長,污染嚴重。施工單位為了清除污染,采取用水沖的方法,不但層間污染不能清除,而且使大量泥水進入中、下面層,形成層間積水。又由于層間施工時間相距較長,加重污染,致使中、上面層粘結不好,達不到層間連續的規范要求,給工程留下永久隱患。

(12)現有的瀝青混凝土混合料采用馬歇爾設計方法,而美國SHRP的研究成果Superpave及歐洲CEN瀝青及瀝青混合料研究成果要好于馬歇爾的評價標準,我國交通發達省份已經開始采用Superpave混合料設計方法,建議我省開始對此進行研究及引進。

(13)養護不及時,養護應改變觀念,以預防性養護觀念為主,提前預防,防治出現破損。