冷再生半柔性基層瀝青路面病害分析

趙子雪，安紅山，徐希忠，孫 岳

（1.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031；2.山東泰山路橋工程公司，山東 泰安 271000）

引言

由于我國(guó)冷再生技術(shù)還處于起步階段，多數(shù)研究［1-5］還是集中在冷再生混合料設(shè)計(jì)和路用性能方面。徐金枝［5］通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了泡沫瀝青冷再生基層混合料物理性能和路用性能的諸多影響因素，如瀝青發(fā)泡質(zhì)量、礦料參數(shù)、水、溫度等，對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了優(yōu)化；孫巖松［3］試驗(yàn)分析了0%～5%水泥摻量對(duì)乳化瀝青冷再生混合料性能的影響，研究結(jié)果表明，隨水泥摻量增加，冷再生混合料的高溫性能、抗水損害能力和力學(xué)性能都得到一定提升，而低溫性能存在最佳水泥產(chǎn)量為1.5%。然而，對(duì)冷再生基層瀝青路面建成后路面狀況缺乏研究，而現(xiàn)有路面狀況研究仍然以半剛性基層瀝青路面為主導(dǎo)，沙慶林、孫立軍等［7-9］對(duì)半剛性基層瀝青路面早期破壞地特征、機(jī)理等進(jìn)行了系統(tǒng)深入研究。然而，冷再生基層具有半柔性基層特性，路面病害也不同于半剛性基層瀝青路面。以上研究成果沒(méi)有涉及冷再生基層瀝青路面病害，對(duì)路面早期病害特征、成因和發(fā)展過(guò)程不清楚，導(dǎo)致養(yǎng)護(hù)工作具有一定的盲目性。

1 路況調(diào)查

某高速公路全長(zhǎng)117.018 km，于1996 年全面建成通車，2006 年和2007 年采用乳化瀝青冷再生技術(shù)實(shí)施路面改造，路面結(jié)構(gòu)見圖1。設(shè)計(jì)年限為10 a，累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)為2.357×107次，設(shè)計(jì)彎沉值為33（0.01 mm）。

圖1 高速路面結(jié)構(gòu)

路面狀況調(diào)查結(jié)果見圖2、圖3。從圖2 可以看出，該高速公路路面主要病害為縱向縱縫、網(wǎng)裂和車轍，三者占總破壞面積的98.37%。病害主要存在于行車道輪跡帶附近，是因?yàn)槁访嬖谲囕喓奢d反復(fù)作用產(chǎn)生了疲勞損壞。僅有的少量塊裂和橫向裂縫分布于車道全幅，并非荷載引起，主要是反復(fù)波動(dòng)的溫度應(yīng)力引起。

圖2 高速公路行車道路面病害情況

從圖3 可以看出，西線車轍比東線略嚴(yán)重，主要是因?yàn)槲骶€上坡路段較長(zhǎng)，荷載作用更復(fù)雜。國(guó)際上對(duì)瀝青路面車轍標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)瀝青路面車轍標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有明確規(guī)定。研究發(fā)現(xiàn)，車轍深度7.62 mm 時(shí)，80 km/h 行駛的車輛在雨天會(huì)發(fā)生側(cè)滑現(xiàn)象；轍槽深度＞10 mm 并且雨水灌滿時(shí)，100 km/h 行駛車輛與路表摩擦力幾乎喪失，即發(fā)生漂滑現(xiàn)象［6］。沙慶林［7］研究認(rèn)為車轍深度＞7 mm 將會(huì)影響行車舒適性，車轍深度＞13 mm 將威脅行車安全。雖然車轍深度沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，但車轍深度＞13 mm 將對(duì)行車安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅的認(rèn)識(shí)是一致的。該高速最大車轍深度＞30 mm，路面維修過(guò)程需要重點(diǎn)考慮。

圖3 高速公路車轍深度公里最大值統(tǒng)計(jì)

2 路面病害分析

2.1 裂縫類

2.1.1 裂縫病害特征

通過(guò)路面現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，裂縫類病害有三種狀態(tài)，即單條縱縫、雞爪裂縫和網(wǎng)裂。為探明路面病害成因和發(fā)展規(guī)律，在單條縱縫、雞爪縱縫、網(wǎng)裂和車轍四類主要病害處分別取5 組芯樣。

（1）單條縱縫

表1 數(shù)據(jù)顯示，水泥穩(wěn)定碎石底基層與冷再生基層完全脫離；芯樣最大尺寸只有26.3 cm；與原設(shè)計(jì)厚度相比，上、中面層變形可以忽略，中面層變形超過(guò)上中面層變形總和，冷再生基層變異最顯著，其底部出現(xiàn)輕微的散落；從裂縫深度來(lái)看，單條縱縫發(fā)展深度在2.6 ～4.1 cm 之間，即裂縫自上而下延伸至中面層頂部，屬于典型的Top-Down 型裂縫。

表1 輪跡帶單條縱縫處芯樣狀況/cm

（2）雞爪縱縫

從表2 可以看出，雞爪型縱縫處芯樣尺寸比單條縱縫處小1 ～2 cm，一方面因?yàn)橄旅鎸舆M(jìn)一步壓密變形，另一方面冷再生基層底部松散向上擴(kuò)張1 ～2 cm；裂縫深度進(jìn)一步發(fā)育，深度超過(guò)10 cm，已經(jīng)到達(dá)下面層頂部。從現(xiàn)場(chǎng)鉆芯情況看，鉆孔內(nèi)積水長(zhǎng)時(shí)間不能消退，說(shuō)明水泥穩(wěn)定碎石底基層結(jié)構(gòu)完好，沒(méi)有出現(xiàn)貫通裂縫，路面損壞只出現(xiàn)在冷再生基層及以上部分。

表2 輪跡帶雞爪縱縫處芯樣狀況/cm

（3）網(wǎng)裂

從表3 可以看出，芯樣尺寸僅為15 cm 左右，下部冷再生基層全部碎散，裂縫貫通整個(gè)路面結(jié)構(gòu)。鉆孔內(nèi)積水不能迅速排出，而且散落的基層骨料表面瀝青剝落，可見冷再生基層破碎與水損壞有關(guān)。

表3 輪跡帶網(wǎng)裂處芯樣狀況/cm

2.2.1 裂縫病害發(fā)展過(guò)程

（1）第一階段

在車輛荷載的反復(fù)作用下，路面表層存在缺陷處應(yīng)力集中，微裂縫出現(xiàn)，在輪跡帶發(fā)展成宏觀單條縱縫，此時(shí)裂縫局限于瀝青表面層，常伴有唧泥現(xiàn)象。由于裂縫出現(xiàn)后沒(méi)有及時(shí)封縫，路表水通過(guò)裂縫侵入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在荷載的作用下形成動(dòng)水壓力，加速裂縫發(fā)展。同時(shí)，進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水通過(guò)空隙率較大的中下面層和冷再生基層，到達(dá)水泥穩(wěn)定碎石底基層頂部，由于水泥穩(wěn)定碎石基層密水性好，水分無(wú)法及時(shí)排出路面結(jié)構(gòu)，在荷載作用下形成動(dòng)水壓力，水分浸入瀝青與石料接觸界面，使瀝青剝落，冷再生基層底部開始碎散。

（2）第二階段

在荷載的重復(fù)作用下，表面出現(xiàn)平行縱向裂縫，裂縫繼續(xù)向下發(fā)展至中下面層。同時(shí)，在荷載應(yīng)力、溫度應(yīng)力等影響下，橫向微裂縫出現(xiàn)，在輪跡帶處裂縫發(fā)育呈現(xiàn)雞爪型縱縫。冷再生基層底部在荷載和動(dòng)水壓力的作用下，散落部分向上擴(kuò)大。

（3）第三階段

縱向裂縫在車輪荷載及水分作用下，裂縫貫穿瀝青層，輪跡帶處橫向裂縫貫通平行的縱縫形成宏觀網(wǎng)裂。此時(shí)，冷再生基層整體破損，徹底失去板體結(jié)構(gòu)性。如果不做適當(dāng)處理，繼續(xù)發(fā)展下去則會(huì)形成上小下大的坑槽，將嚴(yán)重威脅行車安全。

2.2 車轍變形類

2.2.1 車轍病害特征

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，車轍變形表現(xiàn)特征明顯。超車道出現(xiàn)的并不多，主要集中在行車道，上坡路段轍槽深度更大，這一現(xiàn)象與該高速超載重載車輛的作用有緊密聯(lián)系；車轍處道路橫斷面呈U 字型，轍槽兩側(cè)沒(méi)有明顯隆起，車道交通標(biāo)線也沒(méi)有發(fā)生變形，因此，可以判斷車轍變形并非是面層材料剪切失穩(wěn)引起的；存在車轍的地方往往伴隨著裂縫病害，而且車轍嚴(yán)重處路面網(wǎng)裂嚴(yán)重而且伴有唧泥現(xiàn)象，說(shuō)明基層產(chǎn)生一定程度的水損壞。

2.2.2 車轍病害成因

在行車道車轍處鉆取芯樣，并采用表干法［10］測(cè)得芯樣空隙率，與路面建成初期路面混合料空隙率進(jìn)行對(duì)比，見表4。

表4 路面結(jié)構(gòu)層混合料空隙率變化/%

從表4 可以看出，相比路面建成初期，路面各結(jié)構(gòu)層混合料空隙率都有顯著降低，尤其是下面層和冷再生基層，分別降低了41.79%和46.73%，說(shuō)明各結(jié)構(gòu)層發(fā)生了不同程度地壓密變形。通過(guò)分析芯樣尺寸，發(fā)現(xiàn)面層尺寸變化量占車轍總量的39%左右，瀝青面層混合料工后二次壓密是該高速瀝青路面車轍發(fā)生的主要原因之一。然而在車轍嚴(yán)重處往往伴隨網(wǎng)裂、唧泥和坑槽等病害，無(wú)法鉆出完整芯樣，冷再生基層已經(jīng)完全松散。可以判斷基層水損壞是車轍變形產(chǎn)生的另一個(gè)主要原因。

該高速由于施工質(zhì)量存在缺陷，下面層和冷再生基層混合料空隙率偏高。因此，路面結(jié)構(gòu)二次壓密變形只是冷再生基層瀝青路面車轍發(fā)生的偶然原因，如果施工質(zhì)量能得到很好控制，這類壓密變形完全可以很大程度上降低，甚至可以忽略不計(jì)。

2.2.3 車轍病害發(fā)展過(guò)程

（1）第一階段

由于施工質(zhì)量問(wèn)題，路面各結(jié)構(gòu)層混合料空隙率偏大，通車后二次壓密，輪跡帶出現(xiàn)輕微車轍。

（2）第二階段

二次壓密導(dǎo)致各結(jié)構(gòu)層疲勞性能提高，但是重載交通的作用下，存在微裂隙的路面仍然會(huì)首先出現(xiàn)疲勞裂縫。積聚在微車轍處的大量路表水通過(guò)裂縫和混合料中聯(lián)通的空隙進(jìn)入路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，并滯留在半剛性基層頂部，荷載作用下形成動(dòng)力水，冷再生基層在荷載和動(dòng)力水的雙重作用下變得松散，原有的承重能力大大降低，上部結(jié)構(gòu)則向下沉陷，表觀車轍算壞程度加重。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）該高速冷再生基層瀝青路面典型病害為縱縫、網(wǎng)裂和車轍，其總和占路面總損壞面積的99.04%。（2）與半剛性基層瀝青路面反射裂縫不同，冷再生基層瀝青路面裂縫類病害是荷載引起的Top-Down 疲勞裂縫，路表水浸入而且不能及時(shí)排除，促使裂縫加速發(fā)展。（3）與傳統(tǒng)車轍病害不同，冷再生基層瀝青路面車轍類病害不僅受到面層材料的高溫穩(wěn)定性影響，冷再生基層水損害導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)下陷是其惡化的影響因素之一。（4）冷再生基層瀝青路面長(zhǎng)期性能受到外來(lái)水的威脅，保證路面質(zhì)量和服務(wù)水平的關(guān)鍵是路面封水和排水問(wèn)題。