福寧高速公路瀝青路面水損害原因分析及處治措施研究

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（1.福建省高速技術(shù)咨詢(xún)有限公司；2.福建省高速公路企業(yè)工程技術(shù)研究中心，福州 350001）

福建省福寧高速公路 （K1843+000～K1984+164），北起福鼎分水關(guān)，南接羅寧高速公路，是沈海國(guó)道主干線福建段高速公路的重要組成部分，全長(zhǎng)141.164km。福寧高速為雙向4車(chē)道高速公路，設(shè)計(jì)速度為80km/h。路面結(jié)構(gòu)為兩層半剛性水泥穩(wěn)定碎石基層+三層瀝青混合料面層，水泥穩(wěn)定碎石基層結(jié)構(gòu)厚度為56cm，瀝青面層結(jié)構(gòu)厚度為16cm。本文結(jié)合福寧高速公路養(yǎng)護(hù)工程中出現(xiàn)的路面損害實(shí)際情況，結(jié)合養(yǎng)護(hù)設(shè)計(jì)、施工等相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，初步分析高速公路中出現(xiàn)的水損害的主要表現(xiàn)形式及特征，剖析水損害的產(chǎn)生機(jī)理，研究產(chǎn)生水損害的主要因素，進(jìn)而針對(duì)性地提出養(yǎng)護(hù)工程中的防治措施。

1 福寧高速路面典型病害分析

依據(jù)2017年福寧高速路面破損檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)路面病害進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)折合破損面積，福寧路面主導(dǎo)病害依次為修補(bǔ)、橫向裂縫、縱向裂縫、松散、龜裂、坑槽。

從病害類(lèi)型分析，修補(bǔ)主要為針對(duì)坑槽、局部嚴(yán)重龜裂、沉陷進(jìn)行路面日常養(yǎng)護(hù)以及對(duì)裂縫進(jìn)行刻槽灌縫；橫、縱向裂縫為福寧高速典型半剛性基層反射裂縫，外部水沿裂縫進(jìn)入面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部，破壞混合料結(jié)構(gòu)，使得裂縫發(fā)展為嚴(yán)重裂縫；坑槽、松散、龜裂為典型水損害破壞形式。由此可見(jiàn)，福寧高速路面破損主要因素為水損害造成。

表1 福寧高速路面主導(dǎo)病害

圖1 福寧高速公路瀝青路面病害比例圖

瀝青路面的水損害是指瀝青面層結(jié)構(gòu)在存在的條件下，在交通荷載、動(dòng)水壓力以及水的浸泡的作用下，破壞瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、瀝青與集料的粘結(jié)而產(chǎn)生路面損壞的過(guò)程。瀝青路面水損害在福寧高速公路上主要表現(xiàn)形式按破壞的不同階段分為：

（1）初期表現(xiàn)：水由外至內(nèi)侵入瀝青路面表面或沿裂縫進(jìn)入瀝青結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在行車(chē)荷載和溫度脹縮作用下，造成路面麻面、掉粒、松散。表現(xiàn)形式見(jiàn)下圖2。

圖2 水損害初期表現(xiàn)

（2）中期表現(xiàn)：水分在結(jié)構(gòu)層內(nèi)長(zhǎng)期存在，在外部行車(chē)荷載的反復(fù)作用下產(chǎn)生動(dòng)水壓力，沖刷瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，造成混合料內(nèi)部粘結(jié)性降低、細(xì)集料散失，結(jié)構(gòu)松散，從而產(chǎn)生龜裂、沉陷等嚴(yán)重病害。表現(xiàn)形式見(jiàn)下圖3。

圖3 水損害中期表現(xiàn)

（3）末期表現(xiàn)：水分在結(jié)構(gòu)內(nèi)部持續(xù)存在，破壞瀝青與集料的粘結(jié)力，出現(xiàn)坑槽、唧漿。表現(xiàn)形式見(jiàn)下圖4。

圖4 水損害末期表現(xiàn)

2 福寧高速公路瀝青路面水損害形成機(jī)理分析

瀝青路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)自瀝青自身的粘結(jié)力,集料間的聯(lián)鎖作用,內(nèi)摩擦力以及瀝青與集料的粘附力。粘附力被認(rèn)為是保證瀝青混合料發(fā)揮強(qiáng)度作用的主要條件。瀝青路面的水損害主要是對(duì)瀝青混合料中集料與瀝青的粘附力產(chǎn)生破壞，從而導(dǎo)致混合料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足形成路面破損。

水對(duì)瀝青路面的破壞方式可分為兩類(lèi)：

（1）自上往下水損害

福寧高速部分路段通車(chē)時(shí)間已接近15年的設(shè)計(jì)使用年限，瀝青路面表面層瀝青老化情況比較嚴(yán)重；同時(shí)福建屬于南方高溫多雨地區(qū)，瞬時(shí)雨量大，路面積水不易及時(shí)排走。在行車(chē)荷載的作用下，產(chǎn)生的動(dòng)水壓力反復(fù)沖刷集料，造成瀝青從集料表面剝離，導(dǎo)致局部混合料結(jié)構(gòu)松散，最終形成麻面、坑槽。

圖5 自上往下的水損害

（2）自下往上的結(jié)構(gòu)破壞

福寧高速路面基層為半剛性水穩(wěn)基層，瀝青面層厚度整體偏薄，厚度為16～18cm。半剛性基層由于溫度、強(qiáng)度等原因產(chǎn)生裂縫，在瀝青面層產(chǎn)生反射裂縫。水通過(guò)面層裂縫進(jìn)入混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部，而半剛性基層結(jié)構(gòu)相對(duì)致密，外部水無(wú)法及時(shí)排走，滯留于基層與面層界面。在行車(chē)荷載的作用下，形成極大的動(dòng)水壓力，反復(fù)沖刷基層表面及面層混合料結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生泥漿。泥漿沿面層裂縫被行車(chē)荷載擠出，在路面形成唧漿。面層結(jié)構(gòu)中的細(xì)集料被泥漿裹附擠出結(jié)構(gòu)內(nèi)部，造成結(jié)構(gòu)松散，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，在路面逐漸表現(xiàn)出沉陷、龜裂等嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性病害。

圖6 自下往上的水損害

3 水損害影響因素分析

根據(jù)水損害的形成機(jī)理，結(jié)合福寧高速公路養(yǎng)護(hù)工作的實(shí)際情況，瀝青路面的水損害的主要因素可歸納為以下4個(gè)方面：交通荷載等級(jí)、降雨量、材料性能以及施工質(zhì)量。

（1）交通荷載

通過(guò)對(duì)福寧高速路面水損害病害的調(diào)查，水損害病害頻發(fā)、多發(fā)的路段多處于中、重交通量的路段，且主車(chē)道明顯遠(yuǎn)大于超車(chē)道。主車(chē)道路面的交通荷載主要為重車(chē)荷載，超車(chē)道主要為小車(chē)荷載，可見(jiàn)重車(chē)荷載是路面水損害的主要外因之一。

（2）降雨量

福建省地處南方高溫多雨的亞熱帶地區(qū)，梅雨季節(jié)，夏季臺(tái)風(fēng)暴雨季節(jié)是瀝青路面水損害高發(fā)、頻發(fā)、多發(fā)的主要時(shí)段。尤其福寧高速位于福建沿海，瞬時(shí)雨量大、雨季長(zhǎng)，雨后路面大量出現(xiàn)的坑槽、松散成為日常養(yǎng)護(hù)工作中最繁重的工作。雨水在路面滯留的時(shí)間長(zhǎng)，不管是破壞表面層還是進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部的機(jī)會(huì)越大，滲入的雨水量也越大，對(duì)瀝青路面造成的破壞也顯著增大。

（3）材料性能

瀝青路面的材料性能決定水損害的程度。福寧高速路面經(jīng)過(guò)15年左右的運(yùn)營(yíng)，路面材料均不同程度地存在瀝青老化現(xiàn)象，瀝青混合料結(jié)構(gòu)的水穩(wěn)定性能降低，對(duì)抗水損害的性能明顯不足，造成路面表面水損害情況嚴(yán)重。

近年來(lái)福建省建設(shè)的高速路面采用了組合式柔性基層路面，半剛性基層上設(shè)置級(jí)配碎石層，面層結(jié)構(gòu)厚度達(dá)到了26～28cm，表面層采用了改性瀝青AC-16C結(jié)構(gòu)，部分路段采用了SMA-13面層，嚴(yán)格控制了各層空隙率，對(duì)防止、減少水損害的發(fā)生起到了積極的作用。在近年通車(chē)的路段上，水損害病害比率明顯降低。

（4）施工質(zhì)量

路面施工質(zhì)量直接影響路面使用性能，養(yǎng)護(hù)工程對(duì)路面的維修中的質(zhì)量，原材料以及施工控制的質(zhì)量好壞以及日常維修保養(yǎng)工作中對(duì)坑槽的修補(bǔ)質(zhì)量直接影響維修后路面的使用性能。施工中存在的離析、原材料質(zhì)量差都會(huì)導(dǎo)致路面出現(xiàn)較為嚴(yán)重的水損害現(xiàn)象。日常維修由于集料、瀝青等原材料無(wú)法與建設(shè)期乃至維修工程相比，壓實(shí)設(shè)備功率不足導(dǎo)致修補(bǔ)位置下部結(jié)構(gòu)壓實(shí)度不足，空隙率偏大容易積水等原因造成修補(bǔ)位置出現(xiàn)反復(fù)坑槽等嚴(yán)重的水損害病害出現(xiàn)。

4 水損害防治措施

綜合瀝青路面水損害的形成機(jī)理以及影響因素，可以從以下4個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防、改善。

（1）路面防水

對(duì)運(yùn)營(yíng)一定時(shí)間的路面通過(guò)預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施如微表處、超薄罩面、超薄磨耗層等，減緩路面瀝青混合料老化速度。同時(shí)，預(yù)防性養(yǎng)護(hù)措施一般具有較好的隔水、防水效果，可以有效減少外部水進(jìn)入面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部，降低水損害出現(xiàn)的幾率。

圖7 路面微表處防水

（2）優(yōu)化路面排水設(shè)計(jì)

首先，對(duì)路面易產(chǎn)生積水的段落采取優(yōu)化路面橫向坡度，增設(shè)排水槽等方法，加快路面排水，減少外部水在路面的滯留時(shí)間，從而達(dá)到降低水損害的幾率。

圖8 優(yōu)化路面排水設(shè)計(jì)

其次，優(yōu)化瀝青面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水功能。對(duì)可能受地下水影響的挖方路段，在面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)置排水層。鑒于福建省組合式柔性基層路面良好的排水設(shè)計(jì)，早期建設(shè)的半剛性基層路面可采用路面重構(gòu)的方式，按照組合式柔性基層路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)重構(gòu)。

圖9 優(yōu)化瀝青面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水設(shè)計(jì)

第三，對(duì)局部基層表面易產(chǎn)生積水的段落，可采用在基層表面設(shè)置級(jí)配碎石盲溝的方式對(duì)滲入路面結(jié)構(gòu)的水及時(shí)排出以及減小瀝青面層結(jié)構(gòu)內(nèi)部的動(dòng)水壓力。級(jí)配碎石盲溝可結(jié)合排水管的方式，增加碎石盲溝的排水能力。

圖10 局部碎石盲溝排水

（3）嚴(yán)格控制施工質(zhì)量

首先，要加強(qiáng)瀝青路面養(yǎng)護(hù)工程的質(zhì)量控制。對(duì)養(yǎng)護(hù)維修工程所采用的原材料、施工工藝進(jìn)行嚴(yán)格把控，避免路面離析、壓實(shí)度不足等問(wèn)題的出現(xiàn)。嚴(yán)格控制銑刨面粘層、封層的施工質(zhì)量，確保施工面層與原路面的層間粘結(jié)質(zhì)量。

其次，日常養(yǎng)護(hù)工程中對(duì)修補(bǔ)工藝進(jìn)行嚴(yán)格把控，對(duì)10cm以上的坑槽修補(bǔ)要求必須采用分層回填、壓實(shí)，按照瀝青路面施工規(guī)范控制回填瀝青混合料溫度。銑刨面及切割面必須噴灑改性乳化瀝青粘層油，保證回填瀝青混合料與原路面的粘結(jié)效果。

（4）改進(jìn)表面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)雨量豐富、長(zhǎng)期受水損害困擾的部分段落，采用水穩(wěn)定性更好的面層結(jié)構(gòu)形式如（SMA-13）、采用高性能改性瀝青、優(yōu)化瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)等途徑對(duì)瀝青面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，以提高路面的使用壽命，保證瀝青路面的使用性能。

5 處治效果

（1）福寧高速公路進(jìn)行了大面積的微表處罩面的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)。從養(yǎng)護(hù)效果來(lái)看，總體上有效地預(yù)防了水損害對(duì)路面結(jié)構(gòu)的破壞，從而提高了路面結(jié)構(gòu)的使用壽命。

（2）在路面維修工程中，注重路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水設(shè)計(jì)。針對(duì)路面內(nèi)部易積水的局部段落（如長(zhǎng)、陡坡路段）增設(shè)了級(jí)配碎石盲溝設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)施工后的后期跟蹤調(diào)查結(jié)果，路面基本未再次出現(xiàn)水損害破壞，可見(jiàn)針對(duì)性設(shè)置的排水通道對(duì)瀝青路面水損害具有良好的效果。

（3）加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)工程施工質(zhì)量控制后，近年來(lái)施工質(zhì)量明顯提升。經(jīng)過(guò)近幾年養(yǎng)護(hù)工程施工后的跟蹤調(diào)查，路面整體維修效果優(yōu)良，未出現(xiàn)大面積的二次病害。

（4）近年來(lái)養(yǎng)護(hù)工程設(shè)計(jì)更加注重面層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性及適用性。對(duì)不同路面情況進(jìn)行了針對(duì)性設(shè)計(jì)。在面層結(jié)構(gòu)選擇、級(jí)配設(shè)計(jì)、原材料等各方面進(jìn)行了優(yōu)化，維修后的路面狀況基本保持優(yōu)良，路面基本未出現(xiàn)二次水損害現(xiàn)象。

6 結(jié)束語(yǔ)

水損害是福寧高速公路瀝青路面主要的破壞形式，對(duì)路面結(jié)構(gòu)破壞程度也是最嚴(yán)重的。本文從水損害的表現(xiàn)形式、形成機(jī)理、影響因素等方面進(jìn)行了綜合分析，并針對(duì)福寧高速公路養(yǎng)護(hù)工程的實(shí)際情況提出了防治措施。對(duì)防治措施在實(shí)際工程中的效果進(jìn)行了跟蹤調(diào)查，論證了防治措施的合理性。