分期修建薄層路面罩面時機與維修方案研究

郭少華

(遼寧省交通規(guī)劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

0 引言

遼寧省地處我國東北，為季節(jié)性凍土地區(qū)，冬季寒冷，夏季炎熱，統(tǒng)計了遼寧省2010年以后通車的十余條高速公路，典型路面結(jié)構(gòu)為:3.5cmSMA-13L+5～6cm LAC-20+7～8cmAC-25+37～40cm水穩(wěn)碎石基層+15～20cm級配碎石墊層，路面厚度70～78cm，瀝青面層厚度15.5～17.5cm。某高速公路位于遼寧東北部，樁號范圍為K0+000～K86+300，路面寬度22.5m，路基寬度26m。由于處于高速公路網(wǎng)的末端，交通量較小。初期建設的面層結(jié)構(gòu)為5cm改性瀝青LAC-20+7cmAC-25，預留3.5cmSMA-13L表面層未實施，瀝青層僅12cm。

該高速公路所在區(qū)域?qū)儆诎敫珊怠霛駶櫞箨懶约撅L氣候區(qū)。年平均降水量678～738mm，年平均氣溫5.1～6.5℃，極端最高氣溫35.2～36.5℃，極端最低氣溫-36.3～-41.7℃，冬季寒冷是該區(qū)域的顯著氣象特點。

統(tǒng)計分析了歷年的交通量數(shù)據(jù)，該高速主要交通組成為小客車，其自然數(shù)占比達80%左右。設計年限內(nèi)路面結(jié)構(gòu)所承受的累計大型客車和貨車的交通量為150萬輛，其交通等級屬于輕交通。

1 路面技術(shù)狀況

依據(jù)2019年7月道路綜合檢測結(jié)果，對各項指標進行統(tǒng)計評定分析，其總體評定結(jié)果為：路面使用性能PQI全線平均值為90.55分，路面損壞狀況PCI全線平均值為83.48分，平整度RQI全線平均值為95.05分，車轍RDI全線平均值為95. 05分，跳車指數(shù)PBI全線平均值為97.13分。檢測并統(tǒng)計了該高速公路歷年路面使用性能指數(shù)及其分項指標，從圖1中可以看出，除2016年大量灌縫后路面技術(shù)指標上升外，2017～2019年間，路面使用性能指數(shù)PQI和路面破損指數(shù)PCI逐年下降，而行駛質(zhì)量指數(shù)RQI和車轍深度指數(shù)RQI較為穩(wěn)定，因此PQI指數(shù)的下降主要源于路面破損的持續(xù)發(fā)展。

2 路面病害診斷

該路段2012年通車運營，從2015年開始，該公路路面開始逐漸出現(xiàn)橫縱向裂縫，且裂縫數(shù)量逐年增多，養(yǎng)路部門每年進行大量的灌縫工作，以防止雨水滲透加劇路面破損。隨著運營年限的增長，在車輛荷載、自然老化的共同作用下，裂縫周邊開始出現(xiàn)大量的微裂縫，已經(jīng)無法通過灌縫來維持路面使用性能。

2.1 病害分類

該項目路面存在的病害有橫縫、縱縫、松散、老化以及局部坑槽，其中最主要病害為縱向裂縫，為便于分析病害的發(fā)展深度并確定維修方案，根據(jù)裂縫的密集程度和發(fā)展深度，將不同病害段落進行了分類：

(1)間斷縱縫：間斷或一條縱縫，共115.3車道公里，占比33.4%。

(2)輕度縱縫：2條縱縫，共87.2車道公里，占比25.3%。

(3)重度縱縫：3條及以上縱縫或塊裂，共22.4車道公里，占比6.5%。

通過路面典型病害的取芯進一步探尋路面裂縫的發(fā)展深度，共取芯100個，通過統(tǒng)計分析可以發(fā)現(xiàn)，路面間斷縱縫主要為1cm以內(nèi)的淺層病害，而輕度縱縫多發(fā)展至表面層，重度縱縫路段則多半瀝青層完全開裂，另有17.9%的重度縱縫芯樣基層出現(xiàn)開裂。

2.2 病害成因

(1)凍脹引起的局部開裂

由于瀝青混合料未經(jīng)車輛碾壓進一步密實等原因造成孔隙率大，致使冬季融化的雪水進入混合料內(nèi)部，產(chǎn)生凍脹造成了局部開裂。局部裂縫進一步發(fā)展、連通形成大量的縱、斜向裂縫。

(2)上面層單獨受力，產(chǎn)生疲勞破壞

由于層間粘結(jié)不良，尤其是上、下面層之間產(chǎn)生滑動，致使上面層單獨受力，進而產(chǎn)生疲勞開裂。

為了準確了解路面結(jié)構(gòu)在不同層間接觸狀態(tài)條件下路面的受力狀況，計算了在雙圓均布垂直荷載作用下，層間滑動和層間連續(xù)兩種狀態(tài)的路面應變情況，計算位置在平面上選取了4點，分別為A(單圓荷載中心)、B(單圓荷載邊緣)、C(輪隙4等分處)、D(輪隙中心)，在深度上選取了瀝青層表面(h=0)、表面層層底(h=5cm)、下面層層底(h=12cm)，見圖3。

表1 不同層間連接狀態(tài)下路面內(nèi)部瀝青層拉應變計算指標表(單位：με)

瀝青層層底拉應變指標主要表征瀝青層的疲勞特性，其指標大小與瀝青層疲勞壽命成反比，即拉應變數(shù)值越大，瀝青層疲勞壽命越短。通過上述計算數(shù)據(jù)可以看出，在層間接觸狀態(tài)為連續(xù)的情況下，表面層層底、下面層層底和路表的A、B兩點都是處于受壓狀態(tài)，即瀝青層不可能出現(xiàn)疲勞破壞。只是在C、D點出現(xiàn)了拉應變，且數(shù)值較小。

對于層間光滑的條件下，除路表A點受壓以外，路面各層的各點都處于受拉狀態(tài)，對路表最大拉應變出現(xiàn)在C點，而對表面層底和下面層底最大值都出現(xiàn)在A點，且整個瀝青層拉應變最大點出現(xiàn)在表面層層底的A點，但表面層層底數(shù)值和下面層層底數(shù)值相差較小。說明了在層間光滑的條件下，瀝青層非常容易出現(xiàn)疲勞裂縫，尤其是表面層厚度較薄時拉應變數(shù)值會更大，如果此時上面層的瀝青飽和度較低時，即使在很小的交通量下，上面層也可能發(fā)生疲勞破壞。

通過計算，自通車至2019年，原路共承受荷載作用100.2萬次，而上面層只能承受85.1萬次荷載作用，路面出現(xiàn)疲勞破壞。

(3)溫度收縮引起開裂

一般來說，溫度收縮只會產(chǎn)生橫向裂縫。2019年5月項目組對該高速公路的裂縫情況作了現(xiàn)場調(diào)查，得到橫縫間距情況如表2。其中橫縫最密集路段間距只有6m左右，意味著該瀝青混合料只能抵抗6m范圍內(nèi)的溫度收縮應力，而半幅瀝青路面寬度為11.25m，故部分路段會在道路中部產(chǎn)生一道縱向開裂，以釋放橫向的溫縮應力。作為對比遼寧省同類地區(qū)路面橫向裂縫間距一般為20～30m，說明薄層路面的抗裂縫性能較差。

表2 典型路段橫向裂縫統(tǒng)計表

3 路面養(yǎng)護時機

通過分析該高速公路瀝青PCI指標的變化規(guī)律，應用參數(shù)自適應方法擬合逐路段的PCI衰減規(guī)律，進而得到該高速路面總體PCI指標衰減模型。從PCI指標發(fā)展趨勢可以看出，在通車初期，PCI指標逐年平穩(wěn)下降。在2017年至2020年間PCI指標的下降速率明顯加快，表明路面的破損狀況已經(jīng)開始進入加速破壞的階段，預計在2020年PCI指標將達到80分左右，需要及時進行維修。隨著通車年限的增加，破損狀況逐漸加重，如不及時進行路面養(yǎng)護維修處理，按照目前的預測，2025年該高速公路PCI指標可降低至40左右。

根據(jù)PCI衰減預測模型得到推遲維修將會增加的維修費用，推遲至2021、2022、2023、2024年維修分別需增加1611、3563、6120、9341萬元。因此綜合考慮路面性能和經(jīng)濟情況，在2020年進行路面維修是合適的。

4 維修方案

結(jié)合本高速公路現(xiàn)狀病害較多的情況，且路面結(jié)構(gòu)較薄，因此維修的總原則為路面病害處理后進行加鋪罩面。由于原路存在嚴重剝落和大量的裂縫深度在1cm范圍內(nèi)的微裂縫、間斷縱縫，病害處理方案為全斷面銑刨1cm后，再根據(jù)各種病害類型的發(fā)展深度，銑刨至相應層位后重鋪瀝青層。全部病害處理完畢后，可采用4cmSMA-13L、4cmAC-13或2cm超薄磨耗層罩面。

SMA混合料具有更優(yōu)異的高溫抗車轍、低溫抗裂以及使用壽命，但是造價較高，而超薄磨耗層由于厚度較薄，其造價最低，但是使用性能相對較差，AC型混合料居中，為評價不同罩面材料優(yōu)劣，采用全壽命周期的費用性能比作為評價指標。

4.1 費用

結(jié)合遼寧省的歷年經(jīng)驗，SMA-13L、AC-13F和超薄磨耗層三種罩面材料的設計使用壽命為：15年、10年和5年。三種罩面首次施工均在2020年。為保持路面狀態(tài)，超薄磨耗層罩面需在2025年及2030年再進行兩次罩面；其它兩種罩面在2030年實施一次超薄磨耗層罩面。費用計算時將工程實施的拌合站建設、交通封閉等措施費用，以及罩面前所需的原路病害處理費用，折合成罩面材料的每平方米費用得到造價時值，再按年利率6%計算貸款利息，并按10%進行折現(xiàn)，得到三種罩面類型15年內(nèi)總費用。

表3 全壽命周期內(nèi)三種不同罩面材料的費用(元/m2)

4.2 費用性能比

路面使用性能包括高低溫性能、耐久性等多方面，為便于量化，抗裂性能依據(jù)混合料低溫彎曲指標、抗滑性能依據(jù)橫向力系數(shù)指標、抗車轍性能依據(jù)動穩(wěn)定度計算而得，均以AC-13F為基準，另外兩種材料的數(shù)值是相對AC-13F的比值。

考慮到該高速車流量小，對抗車轍性能等要求不高，只考慮疲勞及抗裂計算性價比。三種材料的性價比排序為AC-13>SMA-13>超薄磨耗層。

瀝青路面使用壽命和其厚度是密切相關的，采用SMA或AC罩面，瀝青層較超薄磨耗層罩面多2cm，路面瀝青層抗疲勞壽命更高。且AC結(jié)構(gòu)施工相對簡單，對拌合站、施工人員素質(zhì)、原材料要求均低于另外兩種罩面類型。

根據(jù)上述分析，推薦采用AC-13F進行罩面。同時在配合比設計時采用細級配，高油石比，提高其使用壽命及抗?jié)B水性能。

5 結(jié)論

交通量較小的公路路面分期修建可以緩解建設期的資金壓力，但是其路面病害的發(fā)展和技術(shù)性能的衰減較同等條件下的典型路面結(jié)構(gòu)明顯更快。以遼寧省某高速公路為例，通過調(diào)查取芯及計算分析了其主要病害縱向裂縫是由穩(wěn)定應力、路面凍脹、拉應變疲勞共同造成的，并通過PCI指數(shù)的衰減模型分析其適宜的加鋪時機，最后通過全壽命的費用性能比指標計算，推薦在2020年加鋪4cmAC13-F。