連續(xù)上坡路段“白改黑"路面早期病害成因分析與處治方案研究

■連銘恒

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州 3 50004）

1 引言

瀝青混凝土路面具有表面平整、無接縫、震動小、行車舒適、耐磨損、噪音小、適應(yīng)變形能力強、密水性、彈性恢復性能好等特點，其高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗疲勞性能優(yōu)良，加之維修、養(yǎng)護方便，作為長壽命路面后期維修護費用低，總體路用性能優(yōu)良。故在當下公路建設(shè)中得到了大規(guī)模的應(yīng)用。隨著國家經(jīng)濟和社會的發(fā)展，公路交通事業(yè)也得到了快速的發(fā)展，在保證經(jīng)濟效益比最大化的前提下，對既有水泥混凝土路面行車舒適度的提高，加鋪瀝青混凝土面層（簡稱“白改黑”）成了不二之選。近年來我省的公路改擴建及“白改黑”項目也陸續(xù)展開。但隨之而來的也有“白改黑”存在的技術(shù)問題。

2 工程概況

某公路“白改黑”改造工程，路線長度2.3km，主線為雙向4車道，標準路基寬度23m，平均縱坡4.70%，上行線為連續(xù)下坡，下行線為連續(xù)上坡。項目自然區(qū)劃為武夷副區(qū)Ⅳ-6a，屬亞熱帶海洋性季風氣候，年平均氣溫19.8℃，極端高溫38.4℃，極端低溫-2.8℃，年日照時數(shù)1442～2043h，無霜期 270～299 天，年平均降水量 1608～2137mm。氣候溫和，雨量充沛，冬無嚴寒，夏無酷暑，四季常青，適宜亞熱帶作物和林木的生長。該項目工程可行性研究報告提供的交通量預測分析：項目建成通車第一年雙向四車道路段設(shè)計軸載（100kN）雙向平均當量軸次為937次/日，一個車道累計當量軸次為4636372次。該項目根據(jù)工可預測交通量和公路對路面強度、平整度、透水性、防滑、耐磨耗、耐久性、行車舒適等要求，并結(jié)合路段氣候、水文、地質(zhì)、材料來源、造價全壽命成本等情況，于2015年9月完成加鋪改造，路面結(jié)構(gòu)見圖1所示。

3 早期病害

路面早期病害主要集中于面層，較為常見的有裂縫類病害、松散類病害、變形類病害及泛油等其它病害。產(chǎn)生病害的原因通常歸結(jié)為：交通條件、氣候條件、施工因素、材料因素等。該項目病害當前主要出現(xiàn)在下行線2.3km連續(xù)上坡路段的主車道輪跡帶處，路段縱坡范圍為3.006%～5.709%，主要病害表現(xiàn)為車轍、局部坑槽、推擠松散等。

圖1 “白改黑”后路面結(jié)構(gòu)

3.1 推擠松散

病害集中出現(xiàn)于主車道外側(cè)輪跡帶位置，瀝青混凝土向車道外方向推擠，并隆起松散，發(fā)展后期在輪載積水影響下形成坑槽。該病害如圖2所示。

3.2 塑變車轍

車轍出現(xiàn)部位以主車道為主，尤其是主車道外側(cè)輪跡帶，有明顯塑性變形跡象，車轍周邊隆起部位因變形產(chǎn)生不同程度的開裂或松散，車轍最大深度達到4～5cm。該病害如圖3所示。

圖2 推擠松散病害

圖3 塑變車轍病害

3.3 坑槽修補

坑槽修補位置以主車道外側(cè)輪跡帶至外邊線位置為主；坑槽病害總體上為上大下小特點，具有自上而下的發(fā)展特征。該病害如圖4和圖5所示。

圖4 坑槽修補病害（1）

3.4 泛油

主車道與超車道輪跡帶位置可見明顯二次壓密產(chǎn)生的路面泛油。該病害見圖3.5所示。

4 成因分析

圖5 坑槽修補病害（2）

圖6 泛油病害

既有水泥砼路面加鋪瀝青砼面層的結(jié)構(gòu)和材料性能的復雜性決定了其性能的多樣性。路面性能和使用壽命與其結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料性能、材料組成及配合比、施工工藝、施工管理、施工機械、基層質(zhì)量、車流情況、氣候特征等多種因素有關(guān)。任何一個環(huán)節(jié)沒有控制好，都將縮短瀝青路面的使用壽命。考慮到龍巖地區(qū)重載車輛較多，本項目病害主要集中在連續(xù)上坡路段的主車道。連續(xù)上坡的坡度坡長、多軸車的占有量、重載車輛的爬坡速度等因素也與病害密不可分。

綜上所述，并根據(jù)檢測調(diào)查結(jié)果綜合推斷：本路段以“推擠松散”為主要特征的路面病害是由于瀝青混凝土力學性能不足，在連續(xù)長大上坡路段多軸重載車輛荷載作用下于輪跡帶處產(chǎn)生塑性流動變形，變形隆起部位（以輪跡帶與外側(cè)邊線位置為主）由于變形量超出瀝青混凝土承受能力而開裂松散，繼而衍生坑槽病害。綜合分析主要原因如下：

（1）本項目連續(xù)上坡的路段特性：連續(xù)上坡路段路面病害的形成與坡度和坡長密不可分，坡度越大，坡長越長，病害越嚴重。但坡度與坡長是雙重因素作用于路面病害，對于坡度大、破長小，或者坡長大、坡度小的路段，病害并不嚴重，而對于連續(xù)爬坡路段通常是路面病害形成的高發(fā)區(qū)。

表1 瀝青混合料試驗檢測結(jié)果匯總表

連續(xù)上坡路段本就是路面病害的集中區(qū)，加之項目所在地區(qū)多軸重載車輛較多，在連續(xù)上坡路段由于爬坡能力不足，速度較低，增加了荷載作用時間，車輛行駛表現(xiàn)為間歇的跳躍式前進，對路面產(chǎn)生一定的水平?jīng)_擊力，對于瀝青混合料這種粘彈性材料，車輛低速行駛相當于增加了荷載作用時間，輪胎與路面間摩擦產(chǎn)生摩擦熱，瀝青路面瞬間溫度升高，瀝青材料勁度模量降低，從而導致車轍迅速增加。

（2）瀝青混合料瀝青含量偏高：通過實驗檢測（檢測結(jié)果見表1），瀝青混合料中瀝青含量較高，兩次檢測上面層瀝青含量分別為6.03%、6.02%（未經(jīng)修正，設(shè)計油量4.7%），下面層瀝青含量分別為5.38%、5.58%（未經(jīng)修正，設(shè)計油量4.4%），超出規(guī)范控制范圍。

較高比例的瀝青含量使得瀝青混凝土中存在相當比例的自由瀝青，造成瀝青混凝土力學性能不足，在車輛荷載作用下使路面瀝青層產(chǎn)生塑性流動變形，即推擠、車轍等病害。

（3）瀝青混合料級配偏離：通過瀝青混合料級配實驗檢測（檢測結(jié)果見表1），上面層AC-16C瀝青混合料有略微偏粗情況；下面層AC-20C瀝青混合料嚴重偏細。

下面層瀝青混合料嚴重偏細，在瀝青含量偏高的情況下，進一步加劇弱化了瀝青混凝土的力學抗剪性能；上面層瀝青混合料略有偏粗，但影響有限。

（4）層間粘結(jié)不良：本次檢測共取芯12處，其中5處因為斷裂只取出上面層芯樣；切割板板底平整面比例較大，表明：瀝青層之間、瀝青層與水泥混凝土板之間的粘結(jié)狀況均不理想；項目也結(jié)合探坑取樣，對瀝青混凝土面層與水泥混凝土板間的粘結(jié)情況進行了觀測，開挖狀況顯示：二者之間粘結(jié)狀況不良，在周邊切割情況下，可以通過外力將整塊瀝青混凝土（約50cm×50cm）撬動掀起，并且粘結(jié)界面處（板底）外觀平整（如圖7所示）。

對于瀝青路面“白加黑”工程，由于水泥混凝土板與瀝青混凝土間的巨大模量差異，層間粘結(jié)的作用尤其重要，層間粘結(jié)不良加劇了本項目路面的塑性變形病害。

（5）瀝青粘附性不良：現(xiàn)場觀察顯示，病害位置瀝青混合料的粘結(jié)情況較差，剝離現(xiàn)象明顯，說明原抗剝落措施在路面推擠松散、泡水情況下，作用效果有限。

（6）路面坑槽、輪跡帶泛油、松散等為路面推擠的衍生病害。

圖7 切割板撬取狀態(tài)圖片

5 處治方案

道路瀝青路面早期破損的主要形式是推移破壞，舊水泥混凝土板塊對瀝青混凝土面層粘結(jié)力不足是產(chǎn)生這種破壞的重要原因。同時，對既有水泥砼面板的病害處理也是不可忽視的重要環(huán)節(jié)，只有在老路質(zhì)量合格的前提下，加鋪瀝青混凝土的耐久性才有所保障。根據(jù)《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范》(JTJ 073.1-2001)，在進行既有水泥砼板塊病破損害處理的過程中，本著節(jié)約投資、保證質(zhì)量的原則，應(yīng)著重注意以下幾點：

（1）當板塊有2條以上的貫穿裂縫或該板塊有不少于兩個的板角斷裂，或者一個板角斷裂面積大于1/4板塊，但基層完好。針對這幾種情況，先將混凝土板破除后，清掃基層表面松散部分，然后采用C35混凝土進行換板處理。

（2）當混凝土內(nèi)僅有1條貫穿裂縫，或一個板角斷裂，且板角斷裂所占面積小于1/4塊板時，只進行板塊的局部維修。經(jīng)過以上技術(shù)處理措施的混凝土板應(yīng)達到以下技術(shù)要求：混凝土板彎沉 （BZZ-100）應(yīng)不大于20（0.01mm），相鄰混凝土板間的彎沉（BZZ-100）差應(yīng)不大于 6（0.01mm）。

（3）裂縫維修根據(jù)損壞嚴重程度分別處治：① 若板內(nèi)有裂縫且板內(nèi)無錯臺，則不需要更換板，只進行裂縫維修既可，但經(jīng)處理后，應(yīng)滿足板角彎沉（BZZ-100）不大于20（0.01mm），裂縫間彎沉（BZZ-100）差應(yīng)不大于 6（0.01mm）的技術(shù)要求，否則應(yīng)進行灌漿處理；② 若板內(nèi)有裂縫且板內(nèi)有錯臺，則應(yīng)進行換板處理。

（4）對構(gòu)造縫進行清縫、填縫等恢復處治。填縫采用混凝土路面專用填縫料。在混凝土板維修后，對填縫料已失效的構(gòu)造縫進行清縫，清縫后重新灌縫處理。

（5）對于板與板之間發(fā)生錯臺的地方：若混凝土板與板之間發(fā)生錯臺，且錯位位移在5mm以下，可以不進行處理；若錯臺位移在5～10mm之間，可采用磨平機磨平；若錯臺位移大于10mm，則需清除位置低的一塊，然后按進行換板處理。

（6）當混凝土板板角彎沉 （BZZ-100）在20至40（0.01mm）時，該混凝土板視為脫空。對脫空板塊進行灌漿處理。

（7）為了保證舊混凝土路面與新鋪瀝青路面很好地結(jié)合，主線瀝青砼路面下面層加鋪前應(yīng)對水泥砼路面表面進行處理，銑刨干凈后應(yīng)進行清洗、風干、拉毛，其要求應(yīng)不低于橋面鑿毛后清洗的要求（厚度不低于6mm）。下面層施工中，為了避免施工車輛帶走粘層，在粘層表面還應(yīng)撒布一層熱拌瀝青碎石，同時施工中還應(yīng)要求被車輪帶走的粘層應(yīng)及時補噴。

綜合上述所述，提出整治維護建議方案：

（1）方案一（鋪設(shè)特立尼達湖瀝青）

銑刨舊路“主車道+超車道”瀝青混凝土層后（若有破損的水泥板則進行維修），精銑刨+熱瀝青表處層間處理后，加鋪單層10cmTLA（特立尼達湖瀝青）改性瀝青AC-16C面層（TLA摻量20%～30%）。如圖8所示。

表2是基質(zhì)瀝青AH-70、SBS改性瀝青、TLA改性瀝青性能指標匯總。

通過表2可知，SBS改性瀝青比基質(zhì)瀝青提高了一個針入度等級，軟化點也有所提高，TLA改性瀝青又比SBS改性瀝青再提高一個針入度等級，這是其它一般瀝青改性劑難以達到的。同SBS改性瀝青相比，花同樣多的錢，TLA改性瀝青混合料能把道路承載能力的等級比SBS改性瀝青混合料提高了一個等級。隨著TLA摻量的增加，改性瀝青各個溫度的針入度均下降，軟化點、當量軟化點和粘度均上升，表明摻加TLA后，瀝青的高溫穩(wěn)定性能得到了提高，而且TLA摻量較大時，改性效果更明顯,但是TLA摻量過大會使得改性瀝青的粘度較大而造成施工較困難，同時會提高TLA改性瀝青的成本。

表2 基質(zhì)瀝青AH-70、SBS改性瀝青、TLA改性瀝青性能指標匯總表

綜上所述，TLA改性瀝青能夠明顯改善瀝青混合料力學性能，具有良好的抗車轍性能，同時TLA改性瀝青與石料粘附性好，能提高路面抗水損害能力，能極大地提高路面的抗荷載能力，并經(jīng)久不壞（耐老化）。

圖8 方案一路面結(jié)構(gòu)

方案一主要是在保證施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，通過對原材料的改變來應(yīng)對“白改黑”路面的早期病害。10cm單層施工減少界面缺陷機率，有利于保持路面整體性，且路面標高保持不變，同時，隨著國內(nèi)外瀝青價格的節(jié)節(jié)上漲，TLA改性瀝青價格已經(jīng)與SBS改性瀝青的價格基本持平或略低。

（2）方案二（加厚瀝青混凝土層）

銑刨舊路單幅瀝青混凝土層后 （若有破損的水泥板則進行維修），精銑刨+熱瀝青表處層間處理后，加鋪8cmATB-25+5.5cm SBS改性瀝青AC-20C+4.5cm SBS改性瀝青AC-13C。如圖9所示。

圖9 方案二路面結(jié)構(gòu)

該方案主要是在保證施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，通過加厚瀝青混凝土層來減緩應(yīng)力反射，同時提高瀝青混凝土層抗荷載能力。但該方案改變了加鋪層厚度，同時需改變護欄等設(shè)施的凈空高度，改造動作較方案一大且造價較高。

（3）方案三（增設(shè)應(yīng)力吸收層）

銑刨舊路單幅瀝青混凝土層后 （若有破損的水泥板則進行維修），精銑刨+熱瀝青表處層間處理后，加鋪2cm應(yīng)力吸收層 +5.5cm SBS改性瀝青AC-20C+4.5cm SBS改性瀝青AC-13C。如圖10所示。

瀝青混凝土路面層間的力學機理十分復雜,在重復荷載應(yīng)力和變溫應(yīng)力作用下,瀝青層拉應(yīng)力、剪應(yīng)力可能呈現(xiàn)各種復雜情況。該方案主要是在保證施工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，通過增設(shè)應(yīng)力吸收層來遏制應(yīng)力反射，同時提高瀝青混凝土與既有水泥砼路面的層間粘結(jié)力。

但方案三也改變了加鋪層厚度，同時需改變護欄等設(shè)施的凈空高度，改造動作較方案一大且造價較高。

圖10 方案三路面結(jié)構(gòu)

6 結(jié)語

瀝青路面早期破損被交通部列為公路工程 “八種類型大質(zhì)量通病”之一，福建省是山嶺重丘較多的地區(qū)，隨著公路的日益發(fā)展，路線設(shè)計中不可避免的遇到長陡坡的問題，在無法限制交通荷載作用的條件下，如何改善長陡坡瀝青路面抗車轍性能是當前無法回避的問題。本文通過抽樣檢測，結(jié)合現(xiàn)場實際情況調(diào)查，分析了道路結(jié)構(gòu)設(shè)計、原材料質(zhì)量、施工狀況、路面早期破壞的影響，對連續(xù)上坡路段瀝青路面各種車轍病害的成因分析，提出了程處治措施的方案，可供類似工程參考。