河南省高速公路較長壽命路面的分析探討

陳 翔

（華設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 210098）

0 引言

近年來，交通運輸部和部分省份提出了長壽命路面的思路和行動步驟，公路學(xué)會也設(shè)立了長壽命路面獎。長壽命路面的探索和實踐，對于延長高速公路路面壽命、提升公路服務(wù)水平、節(jié)約全壽命周期管養(yǎng)成本都有非常重要的意義。

河南省交通運輸發(fā)展集團(tuán)有限公司（以下簡稱交發(fā)展集團(tuán)）針對“13445 工程”項目印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)長壽命瀝青路面建設(shè)指導(dǎo)意見》的通知，旨在控制路面早期病害，全面實現(xiàn)“13445 工程”項目瀝青路面十五年不大修的目標(biāo)。

1 長壽命路面定義及標(biāo)準(zhǔn)

1.1 長壽命路面基本特征

關(guān)于長壽命路面的定義，目前尚未有明確的一致標(biāo)準(zhǔn)，路面結(jié)構(gòu)形式呈多樣化。但存在共同點：

（1）路面的設(shè)計壽命至少30 年。

（2）路面壽命內(nèi)無結(jié)構(gòu)性破壞，僅允許表面層損壞。

（3）只進(jìn)行周期性的小修和中修，不需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)性大修或重建。

（4）初期建設(shè)費用較高，但維修費用低，總費用效益比最大[1]。

1.2 河南省長壽命路面要求及定義

根據(jù)長壽命路面基本特征，河南省提出的“長壽命路面”不能稱作完全意義上的長壽命路面，可將其命名為“較長壽命路面”。

2 河南省高速公路路面壽命關(guān)鍵性因素分析

2.1 自然環(huán)境及軸載特點

氣候條件：河南屬暖溫帶—亞熱帶、濕潤—半濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫在12～16 ℃之間，極端最低氣溫-21.7 ℃；極端最高氣溫44.2 ℃。

降雨情況：年平均降水量約為500～900 mm，全年降水的50%集中在夏季，常有暴雨。

交通量情況：部分路段日交通超過7 萬輛，貨車比例大，貨車占比超過40%。

2.2 河南省高速公路典型路面結(jié)構(gòu)

近5 年，河南省高速公路典型路面結(jié)構(gòu)如圖1 所示，面層厚度18 cm，總厚度72 cm。

圖1 河南省典型路面結(jié)構(gòu)形式

2.3 既有高速路面性能特征分析

2.3.1 路面結(jié)構(gòu)性破壞特征

根據(jù)《河南省交通運輸發(fā)展集團(tuán)高速公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計研究思路》對河南省部分高速公路項目路面破壞數(shù)據(jù)統(tǒng)計，總厚度大于70 cm 的瀝青路面，重載交通使用15 年左右，路面基層發(fā)生疲勞破壞的比例為5%～15%，部分項目甚至小于2%。基于以上數(shù)據(jù)，河南省半剛性基層的典型路面結(jié)構(gòu)在保證施工質(zhì)量的前提下，使用15 年內(nèi)，路面結(jié)構(gòu)性破壞的風(fēng)險是可控的。所以該次較長壽命路面仍考慮采用半剛性基層，總厚度控制在70 cm以上。

2.3.2 路面破損特征

2020 年河南省交通科技項目《基于軸載譜的瀝青路面破損特征與養(yǎng)護(hù)對策研究》課題對部分高速公路路面破損病害進(jìn)行統(tǒng)計分析，如圖2 所示，路面病害主要為橫向裂縫、縱向裂縫及修補(bǔ)。

圖2 路面病害折算面積統(tǒng)計（一）

同時結(jié)合收集的二廣高速濟(jì)洛段、德上高速范縣段、大廣高速濮陽段、大廣高速省界段、鄭盧高速路面養(yǎng)護(hù)及破損數(shù)據(jù)，如圖3 所示，橫向裂縫、縱向裂縫及修補(bǔ)仍是最為常見的路面病害類型。

圖3 路面病害折算面積統(tǒng)計（二）

橫向裂縫及其衍生病害，對于河南省乃至全國高速公路而言，都是最為主要的病害類型之一。一方面可控制水穩(wěn)基層收縮裂縫，提高面層抗裂性能來減少橫向裂縫的產(chǎn)生；另一方面可增加瀝青面層厚度延長裂縫發(fā)展路徑，延緩半剛性基層反射裂縫。對于重載交通，可通過采用優(yōu)質(zhì)改性瀝青、加強(qiáng)質(zhì)量控制等減少縱向裂縫[2]，處理好以上路面破損病害是保證高速公路路面長壽命的關(guān)鍵因素之一。

2.3.3 路面抗滑性能

路面的抗滑性能與表面層碎石品質(zhì)和混合料選型有關(guān)。河南省高速表面層多采用細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13，少部分采用瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13；表面層集料石灰?guī)r、玄武巖（輝綠巖）均有采用，現(xiàn)以抗滑指標(biāo)橫向力系數(shù)SFC進(jìn)行對比分析，詳見表1。

表1 不同巖性表面層抗滑性能對比

SMA 表現(xiàn)出比AC 更好的抗滑性能；與采用玄武巖的表面層相比，采用石灰?guī)r（即使材料磨光值滿足要求）的表面層抗滑性能衰減更快，合格率難以保證。

3 適用于河南省高速公路路面結(jié)構(gòu)方案

3.1 推薦路面方案

結(jié)合河南地域特點及既有高速公路病害，選擇合理、經(jīng)濟(jì)的路面結(jié)構(gòu)形式，如圖4 所示，路面總厚度約76 cm（表面層集料玄武巖或輝綠巖）。

圖4 推薦路面結(jié)構(gòu)方案

3.2 推薦路面方案對河南省較長壽命路面的響應(yīng)

（1）表面層集料玄武巖：表面層集料采用玄武巖（輝綠巖）保證了路面抗滑性能的持久性。

（2）表面層混合料采用SMA：相比較于細(xì)粒式瀝青混凝土AC，瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA 擁有更優(yōu)的抗滑性能、水穩(wěn)定性、高低溫抗裂性能、抗老化性能，能有效地提升路面抗滑性能，抑制橫向裂縫及縱向裂縫。

（3）下面層混合料采用ATB：相比較于AC，ATB級配粗集料比例更多，級配連續(xù)，空隙率較小，油石比AC 低，有較高的承載能力，抗車轍能力較好，對減少永久變形、減輕水敏感性、提高強(qiáng)度和穩(wěn)定性有利，適用于重載交通，作為下面層材料河南省應(yīng)用成熟。

（4）面層厚度增加至22 cm：一方面瀝青厚度的增加能夠有效地延緩半剛性基層反射裂縫；另一方面能減少面層底的彎拉應(yīng)力，延長瀝青路面的疲勞壽命[3]。

3.3 推薦路面方案在河南省的應(yīng)用與實踐

2005—2015 年（通車年）期間河南省已經(jīng)嘗試采用瀝青穩(wěn)定碎石ATB 作為下面層，并在多條高速上應(yīng)用，面層厚度均大于20 cm，目前來看路面使用狀況良好，能夠滿足瀝青路面十五年不大修的目標(biāo)，詳見表2。

表2 河南省高速公路使用情況（ATB 下面層）

鄭云高速與機(jī)西高速交通量小且通車年限短，現(xiàn)場路面狀況良好，如圖5、圖6 所示。該次重點分析通車時間長且交通量大、貨車比例高的荷寶高速及鄭漯高速，即將荷寶高速濟(jì)源至焦作段和荷寶高速焦作至新鄉(xiāng)、鄭漯高速擴(kuò)建鄭州至許昌段和鄭漯高速擴(kuò)建許昌至漯河段分別進(jìn)行對比分析。

圖5 鄭云高速鄭州至武陟段（雙六）

（1）根據(jù)《少新管理處2015 年路面專項工程施工圖設(shè)計工作報告》，現(xiàn)對荷寶高速新鄉(xiāng)至濟(jì)源中不同路面結(jié)構(gòu)的兩段分析比較，分別是荷寶高速濟(jì)源至焦作段（濟(jì)焦段）和荷寶高速焦作至新鄉(xiāng)段（焦新段），詳見表3。

表3 荷寶高速濟(jì)源至焦作段和荷寶高速焦作至新鄉(xiāng)段路面對比分析

對比結(jié)果可知，濟(jì)焦段和焦新段2014 年斷面日平均交通量基本相當(dāng)，濟(jì)焦段略大于焦新段，截至2015 年，濟(jì)焦段通車共10 年，焦新段通車共8 年，路面狀況濟(jì)焦段明顯較優(yōu)。

（2）2020 年荷寶高速濟(jì)源至焦作段斷面日平均交通量約4.55 萬輛，焦作至新鄉(xiāng)段斷面日平均交通量約4.7萬輛，重載比例均為60%左右，路面現(xiàn)狀情況如圖7、圖8 所示。

圖7 荷寶高速濟(jì)焦段

圖8 荷寶高速焦新段

根據(jù)2021 年5 月份現(xiàn)場取芯調(diào)查，濟(jì)焦段裂縫芯樣完整，僅在芯樣表面存在裂縫，面層厚度與設(shè)計厚度相符，如圖9、圖10 所示；焦新段芯樣下面層存在松散，裂縫貫穿整個芯樣，如圖11、圖12 所示。

圖9 濟(jì)焦段裂縫

圖10 焦新段裂縫

圖11 濟(jì)焦段裂縫處芯樣

圖12 焦新段裂縫處芯樣

結(jié)論：濟(jì)焦段路面結(jié)構(gòu)形式面層厚度大于20 cm，表面層采用改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13），下面層采用密級配瀝青碎石（ATB-25），目前路面狀況良好，已達(dá)成15 年不大修的目標(biāo)。相比較于焦新段，對路面病害的抑制作用，延長路面壽命等方面更加有利。

4 結(jié)論

推薦的路面結(jié)構(gòu)形式能夠達(dá)到在重載交通條件下十五年不大修的目標(biāo)，在防治路面早期損壞、增強(qiáng)工程耐久性、延長路面使用壽命等方面比較，河南省典型路面結(jié)構(gòu)具有很大的優(yōu)勢，河南省“13445 工程”部分高速公路已推薦采用。