海南省典型瀝青路面結構早期損壞原因分析*

王志斌，石 勇，羅蘇平，陳嘉祺，李 亮，但漢成

(1.湖南科技大學土木工程學院，湖南 湘潭 411201;2.中南大學土木工程學院，湖南長沙 410075;3.海南省交通質量監督局，海南海口 571100)

建國以來特別是改革開放以來，以瀝青路面為代表的高等級公路在海南省得到了迅猛發展。海南省地處熱帶和亞熱帶氣候區，受海洋性氣候影響，具有降雨豐富、日照強烈、氣溫高且持續時間長、空氣潮濕等氣候特點，再加之道路設計水平、車輛超載、交通渠化及施工質量控制等多方面原因的影響，瀝青路面車轍、水損害等早期破壞日益突出［1－7］，已經成為海南瀝青路面質量控制的關鍵問題。瀝青路面早期病害形成機理較為復雜，分析其病害原因不能一概而論［8－12］。針對性地開展海南地區瀝青路面病害研究，不僅可以明確當地瀝青路面早期病害的原因與解決辦法，還可以為高溫多雨地區瀝青路面的設計、施工和養護提供依據。本文主通過分析自然環境、交通狀況及其對路面病害的影響，研究以海南地區為代表的高溫多雨地區瀝青路面病害的主要成因。

1 公路技術狀況調查與分析

根據規范的要求對海南省西線高速K107+000～K123+000，K213+000～K218+000，K329+000～K333+000和東線高速K170+000～K181+000共4個路段進行公路技術狀況調查。根據調查結果分別求出路面損壞狀況指數PCI、路面行駛質量指數RQI、路面結構強度系數SSI、路面抗滑系數BPN和路面綜合評價指標PQI。具體數據如表1所示。

表1 典型路段技術狀況調查情況Table 1 Pavement performance investigation of typical sections

從表1可以看出:在所調查項目中，路面抗滑性能整體最好，而路面結構強度整體最差，說明海南地區公路瀝青路面普遍存在強度不足的問題。而大部分路段的路面行駛質量均為良，約占調查總里程的47%。

2 海南省氣候特點

由于地理位置原因，海南地區自然環境特點明顯。主要包括以下幾點。

2.1 常年高溫

與我國其他地區相比，海南地區一個最顯著的氣候特征為常年高溫，主要包含2層含義:一是“高溫”，指海南地區氣溫比全國其它大部分地區高;二是“常年”，指海南地區高溫持續時間長，無明顯低溫時段。我國有代表性地區主要城市1971—2000年累年各月平均氣溫如圖1所示。

從圖1可以看出:全年絕大部分時間，海南地區的平均氣溫都高于全國其他大部分地區。只有在某些夏季會出現極端高溫的地區，如長沙、廣州等地，其氣溫最高的2～3月的平均氣溫才會略高于海南地區。同時，海南地區累年各月平均氣溫的最低值也接近20℃，說明海南地區無明顯低溫時段。

圖1 各地區累年各月平均氣溫Fig.1 Average temperature for ages in different regions

2.2 太陽輻射強烈

由于在我國所有省份中，海南省最為接近赤道，因此，海南也成為我國太陽輻射最為強烈的地區之一。

2.3 年降雨量大

海南各地年降水量一般分布在1 000～2 500 mm范圍內。其中西部降雨最少，東方市累年年降水量為961 mm;中東部地區降雨最多，瓊中地區累年年降水量可達2 359 mm。省會海口市累年年降水量為1 652 mm。

表2表示1971－2000年間累年年降水量最多的5個省會城市及其降水量。

表2 累年年降水量最多的5個省會城市及其降水量Table 2 The five capital cities which have the most accumulated annual precipitation and their precipitation

從表2可以看出:在全國所有省會城市中，海口市累年年降水量排名第二，超過全國省會城市累年年降水量的平均值近1倍，僅次于廣州市。但海口市的年降水量在海南省為平均水平，海南很多地區如瓊中地區的累年年降水量就遠遠超過廣州市。即便是海南降水最少的西部地區，如東方市，其累年年降水量也超過了全國省會城市累年年降水量的平均值。

2.4 暴雨次數多

表3表示1971－2000年間年均暴雨次數最多的5個省會城市及其年均暴雨次數。

表3 年均暴雨次數最多的五個省會城市及其年均次數Table 3 The five capital cities which have the most number of heavy rain and their numbers of heavy rain

從表3可以看出:全國所有省會城市中，海口市的累年年暴雨日數排名第一。

3 海南省交通特點及其對路面病害的影響

車輛荷載是路面結構所承受的最主要荷載。公路所在地區的實際交通狀況對路面使用狀況的影響非常顯著。路面的使用壽命會由于超載現象而大大縮短。

根據現場調研，海南地區對路面結構起主要破壞作用的車輛主要分為六大類，分別為中貨、大貨、特大貨、小客、大客和拖掛車。對于其各自的代表車型，如表4所示。

表4 海南地區常見的代表車型Table 4 Representative vehicle in Hainan

車輛對路面的影響隨著其裝載條件的不同而變化。為反映實際裝載條件下車輛對瀝青路面的影響，需要調查各種車型的實際裝載情況，并進行軸載換算。根據現場調查，海南各主要車型的裝載情況如表5所示(各類客車超載與空載情況較少，故全部視為滿載)。

表5 各車型不同裝載條件占該車型車輛總數比例Table 5 The proportion of vehicles of different loading conditions %

根據規范［13］中軸載換算的公式，并參考文獻［14］計算超載時所用的分類方法，可以得到各類車型平均軸載換算系數并列于表6。其中，拖掛車中4軸車和6軸車分別占拖掛車的70%和30%，因此，可以得到拖掛車的平均軸載換算系數為17.481 2。

表6 加權平均軸載換算系數Table 6 Weighted average axle load conversion factor

根據當地交通量資料，利用表6中的軸載換算系數，可以計算出海南省高速公路2002－2009年的累計當量軸次如表7所示。為便于對比，表7同時給出各路段不計超載(即認為所有車輛均滿載)時的累計當量軸次。

表7 2002－2009年累計當量軸次Table 7 Cumulative equivalent standard axle from 2002－2009(ten thousand/lane) 萬次/車道

從表7可以發現:考慮超載時，該高速公路運營至2009年的累計當量軸次平均值為999萬次，最高值出現在瓊海立交觀測站，為1 352萬次。只考慮滿載時，該高速公路運營至2009年的累計當量軸次平均值為335萬次，最高值出現在瓊海立交觀測站，為454萬次。根據對海南省高速公路設計資料的調查，海南省各段高速公路設計累計當量軸次一般是15 a 900～2 100(萬次/車道)之間，平均每年60～140萬次/車道;考慮超載情況時，該高速公路平均每年累計當量軸次為90～160萬次/車道;不考慮超載情況時，每年累計當量軸次為30～60萬次/車道。可見，不考慮超載的情況下，海南公路瀝青路面設計年限內的累計軸載作用次數不會超過設計值，而在考慮超載情況的時候，設計年限內的累計軸載作用次數很可能會超過設計值。這說明在實際的交通情況下(超載、交通量增幅大)，海南省公路瀝青路面的使用壽命會大大降低。

4 海南省公路瀝青路面早期病害主要原因

4.1 自然環境的原因

如前文所述，海南地區部分自然環境特點是瀝青路面病害形成的重要誘因。主要包括以下幾點。

4.1.1 常年高溫、太陽輻射強烈

高溫條件下瀝青混凝土的彈性模量會減小，粘塑性會增強，抗車轍性能會降低。在其他條件相同的情況下，溫度越高，瀝青路面越容易產生車轍。而前文研究已指出，氣溫是影響瀝青路面溫度的最主要自然因素。海南有著常年高溫的氣候特點。其中，“高溫”降低了海南地區瀝青混凝土路面的抗車轍性能，“常年”則使上述作用貫穿全年。因此，與我國其它大部分地區相比，海南地區的氣溫特點更容易引起車轍病害的發生。

太陽輻射是影響路面最高溫度的重要自然因素，海南強烈的太陽輻射，顯著提高了海南公路瀝青路面在白天的最高溫度從而增強瀝青混凝土粘塑性，加劇粘塑性變形的效果，引起車轍的發生。

4.1.2 年降水量大、暴雨次數多

如前文所述，海南地區年降水量和暴雨次數都位居全國前列。同等條件下，降雨量越大的地區，當地瀝青路面發生水損壞的可能性就越大。而集中的強降雨會對路面、路基等產生較大破壞。因此，海南地區降水量大，暴雨次數多，是造成海南公路瀝青路面水損壞的最主要自然因素。

4.2 交通狀況的原因

車轍的產生與交通狀況的特點密不可分。海南地區交通狀況的某些特點對當地瀝青路面車轍的發展起到了促進作用。主要包括以下幾個方面。

(1)交通量增長迅猛。隨著近年來國際旅游島的建設，海南各地交通量迅猛增長。根據現場調研情況，近年來海南省東線高速公路年平均交通量增長率為17.4%，西線高速公路年平均交通量增長率為22.5%。交通量過快增長加速了瀝青路面的疲勞破壞，同時也加速了動水壓力下集料與瀝青的剝離，是造成當地瀝青路面早期病害的重要交通因素之一。

(2)超載現象嚴重。海南地區各軸型車輛都普遍存在著超載現象。其中，超載最嚴重的3軸車，超載車的比例約40%。超載現象一方面增大了作用于瀝青路面的行車荷載，另一方面降低了機動車地行駛速度，這都會加重瀝青路面的車轍病害。同時，較大的行車荷載會加重瀝青路面的疲勞開裂，而較大的動水壓力則會加劇集料與瀝青的剝離。因此，海南地區嚴重的超載現象是引起當地瀝青路面早期病害重要因素之一。

4.3 設計的原因

(1)瀝青面層厚度偏薄，不利于施工壓實。調查研究表明，海南地區大部分公路瀝青路面厚度與規范推薦的適宜厚度相比偏小。這種情況容易誘發路面壓實不足，通車后瀝青混凝土路面在行車荷載作用下的二次壓密較為明顯，從而誘發車轍病害。同時，壓實不足會導致路面空隙率偏大，增加路表水的入滲通道，為水損害的發生創造條件。

(2)對海南氣候特點考慮不足。公路瀝青路面的設計要考慮當地的氣候特征。目前，我國公路瀝青路面主要依據《公路自然區劃標準》［15］進行設計。在上述規范中，海南大部分地區被劃分在Ⅳ7華南沿海臺風區。通過對比，海南與同一氣候分區內的其他地區存在著較為明顯氣候差異，其高溫持續時間明顯高于其它地區。因此，僅參考現有規范，并不能保證海南地區瀝青路面的設計滿足當地氣候的要求。

(3)防排水設計考慮不足。海南地區公路瀝青路面基本采用了半剛性基層，并沒有考慮路面內部排水層的設置。研究表明，不設排水基層的路面結構排出入滲雨水的50%所需要的時間遠遠大于設有排水基層的路面結構［16］。海南地區降雨量大，路面結構又很少設置排水基層，導致滲入路面的水分難以排出，延長了路面中水分滯留的時間，不利于海南地區路面水損壞的預防。

4.4 施工的原因

(1)路面壓實不足。調查和試驗表明，海南地區路段的瀝青路面存在壓實不足的情況，一方面會導致瀝青路面在行車荷載作用下產生壓密型車轍，另一方面會導致路表水很快地滲入路面結構，從而誘發水損壞。海南地區瀝青路面施工階段壓實不足的情況，是由多種原因造成的。首先，海南屬于氣候炎熱地區，在路面設計時，會較多地使用偏粗的集料。而海南地區瀝青路面厚度又偏薄，這會增加施工階段壓實的難度。其次，海南的突發性降水較為頻繁，會影響正在進行的路面施工。

(2)施工不均勻性較大。對高速公路鉆取芯樣的觀察與量測表明，海南部分路段各面層厚度的變異性較大。路面厚度的變異性使路面內部某些部位出現了應力集中，并在應力集中部位率先產生破壞。

4.5 材料的原因

(1)瀝青選擇不當。海南地區公路瀝青路面所使用的瀝青絕大部分都是普通70號瀝青。50號瀝青和改性瀝青的應用非常少。提高瀝青黏度或使用改性瀝青可以顯著增強骨料與瀝青的粘附能力，減少車轍與水損壞的發生。海南目前所使用的瀝青材料并不能滿足當地惡劣自然環境的要求。

(2)當地石料堿值普遍偏小。調查表明，海南地區除北部少部分地區出產玄武巖外，絕大部分地區主要出產花崗巖。花崗巖的堿值偏小，屬于酸性礦料。同堿性礦料相比，花崗巖與瀝青的粘結能力相對較弱，在動水壓力的作用之下，與瀝青粘結力較弱的集料更容易發生剝離，從而造成水損壞。同時，這也是造成車轍病害的重要原因之一。

(3)集料把關不嚴。調查表明:海南高速公路用于面層的粗集料含泥量較高，扁平顆粒所占比例很大，大大降低了集料與瀝青的粘附力，成為車轍形成的隱患之一。

5 結論

(1)公路技術狀況調查表明，海南地區公路瀝青路面抗滑性能較好，但普遍存在強度不足的問題。

(2)海南地區常年高溫、太陽輻射強烈，年降雨量與暴雨次數均位居全國前列。

(3)不考慮超載的情況下，海南公路瀝青路面設計年限內的累計軸載作用次數不會超過設計值，而在考慮超載情況的時候，設計年限內的累計軸載作用次數很可能會超過設計值。這說明在實際的交通情況下(超載、交通量增幅大)，海南省公路瀝青路面的使用壽命會大大降低。

(4)海南地區瀝青路面早期病害原因可以分為自然環境方面的原因、交通狀況方面的原因、設計方面的原因、施工方面的原因和材料方面的原因等五類。應該分別針對上述原因采取相應措施預防瀝青路面早期病害。

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