高速公路沥青路面早期损坏与对策_沙庆林

JournalofChangshaUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience)Vo.l3No.3Sep.2006

　　文章编号:1672-9331(2006)03-0001-06

高速公路沥青路面早期损坏与对策

沙庆林

(交通部公路科学研究院,北京　100088)

摘　要:介绍了高速公路沥青路面的三种主要早期破坏形式:结构性破坏、水破坏和严重辙槽,分析了它们产生的原因,提出了解决早期水破坏的措施以及解决严重辙槽问题的几点建议.关键词:高速公路;沥青路面;结构性破坏;水破坏;严重辙槽中图分类号:U416.217

文献标识码:A

Theprematuredamageofbituminouspavementon

expresswayandthecountermeasures

SHAQing-lin

(ResearchInstituteofHighway,TheMinistryofCommunications,Bejing100088,China)

Abstract:Threemainkindsofprematuredamageaboutbituminouspavementsonexpresswaywereintroduced;structuraldamage,waterdamageandseriousrutdepth.Thereasonswhythesethree

damagesexistwereanalyzed.Howtosolvetheproblemsaboutwaterdamageandseriousrutdepthwereproposed.

Keywords:expressway;bituminouspavement;structuraldamage;waterdamage;seriousrutdepth

我国高速公路半刚性基层沥青路面的早期破坏有多种形式,几种常见的早期破坏形式有:①软土地基沉降.由地基特别是软土地基沉陷引起路面产生很大的不均匀沉陷,使路面纵断面产生大的变化.软土地基上的高速公路虽然一般都采用软基处理措施,但由于多种原因仍将产生很大的沉降.如:沪嘉高速公路通车6年后,某一桥头由于多次用沥青混凝土找平,沥青混凝土总厚已达到100cm,实际竣工面层厚为12cm,经过8年后软土地基才稳定;杭甬高速公路通车仅2年,在某一桥头产生的沉降量就超过150cm.②桥头跳车.桥头跳车是每条高速公路都有的普遍现象,它既包含地基沉降,又包含桥头填土的进一步压密.③结构性破坏、水破坏和严重辙槽等.本文主要讨论对路面使用性能和使用寿命影响最大的结构性破坏、水破坏和严重辙槽.

1　路面结构性破坏

路面结构性破坏是指路面结构的承载能力不能抵抗现有行车荷载的反复作用而产生的路面结构整体性破坏.其外观特征为轮迹带上产生裂缝,进一步发展成纵向网裂形变带,路面的代表弯沉值与其竣　　　　　　　　　　　

收稿日期:2006-06-10

作者简介:沙庆林(1930-),江苏宜兴人,中国工程院院士,交通部专家委员会委员,研究员,长沙理工大学特聘教授,

主要从事高等级公路半刚性基层沥青路面结构设计、施工和质量管理.

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长沙理工大学学报(自然科学版)2006年9月

工弯沉值相比大幅度增加.路面结构性破坏是最严重的一种早期破坏,路面一旦发生结构性破坏,就必须翻修重建,这不仅严重影响了交通运输,而且翻修路面比新建路面的工程还繁重,投资更大.迄今为止,高速公路局部路段产生早期路面结构性破坏的现象较多,大部分路段先后产生早期结构性破坏的高速公路有,但并不多.

原沈大高速公路1990年底前全线通车,由于设计的水泥稳定砂砾半刚性基层只有20cm厚,其下为砂砾或矿渣柔性底基层,半刚性基层是用铧犁和平地机路拌完成的,经常拌不到底,虽然沥青面层厚15cm,但仍解决不了承载能力不足的问题.因此,开放交通2年后,一些路段就开始产生路面结构性破坏,挖开修补时发现,半刚性基层的实际厚度只有12～14cm,随后路面结构性破坏路段逐年增加.京津塘高速公路1993年9月全线通车,由于最后实施的路面结构比原先的路面结构方案有了较大改变,如:半刚性基层的厚度由30cm改为20cm,半刚性底基层的厚度由30～35cm改为20～30cm(且相当一部分路段是石灰土),取消了软土地基段路基上部30cm厚的改善层.虽然沥青面层厚度大部分都增加了5cm(实际厚度为20,23cm二种),但仍无助于消除基层上述减薄对路面承载能力造成的不利影响.原设计方案路面的承载能力按20年的累计标准轴次考虑,遵循了“强基薄面”原则.由于实际半刚性材料层的厚度只有40～50cm,显著偏薄,因此通车仅8.5年,行车道几乎全线都产生了断断续续的纵向网裂形变带,显示路面开始产生结构性破坏,2001年4月的路面代表弯沉值比1994年4月的增大了50%以上.

1999年6月开放交通的潍莱高速公路,沥青面层的建造取得了优秀成绩,平整度总体达到国内二流水平,全线标准差在0.6～0.7mm之间,抗滑性能达到一流水平,特别是表面构造深度大部分在0.8～0.9mm之间,仅很少部分在0.7～0.8mm.通车4年产生的水破坏主要在桥面上,路面上产生的水破坏不足二十万分之一.由于设计的半刚性基层为20cm厚水泥碎石,半刚性底基层为26cm厚的水泥稳定砂,显然半刚性材料层太单薄.虽然铺有厚13cm的沥青面层,通车4年后,局部路段、特别是基层施工质量不好的个别标段就开始产生路面结构性破坏,多数路段的行车道上有断续纵向裂缝.2004年进行局部翻修,重铺刚性组合式路面.图1所示为局部破坏路段挖除沥青面层和水泥碎石基层后,水泥砂底基层开裂破坏(面积约为0.5～0.8m)情况,由于几天前下雨,裂缝中尚有水印.

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　　图1　水泥砂底基层先开始结构性破坏

1997年11月底开放交通的中部京珠高速公路某段,虽然刚通车时由于沥青面层建造优秀,受到多方面的赞扬,但由于3年工期实际2年完成,抢工使路基路面的质量受到很大的影响.水泥稳定碎石基层的整体性不好,常取不出完整的钻件,其下为石灰土底基层,沥青面层透水较严重.开放交通几个月后,一些路段就开始产生严重的路面结构性破坏,随后路面结构性破坏越来越多.由于破坏仅产生在行车道上,只好人工先逐块挖除原基层,用水泥混凝土补平到基层顶面后,再重铺沥青面层.

2　水破坏

早期高速公路都用重交沥青做面层.20世纪90年代上半期,绝大多数用连续式密级配(I型),孔隙率为3%～6%,少数采用了抗滑表层和II型级配,孔隙率常在8%以上.20世纪90年代,有的高速公路开始使用我国自主研究成功的粗集料级配密实式SAC,孔隙率小于5%,如:济青高速公路等;有的高速公路开始使用改性沥青SMA,如:北京机场高速公路等.在20世纪90年代末,有的高速公路开始使用改性沥青Superpave(简称SUP).1998年冬～1999年春,调查那时已开放交通近2年以上的30条高速公路的早期破坏现象后,发现水破坏有3种不同情况.

　第3卷第3期沙庆林:高速公路沥青路面早期损坏与对策

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　　1)水透入表面层后,由于下层比较密实,进入表

面层的水还末往下层渗透前,表面层就开始产生水破坏.如:长120km的广深高速公路,每连续下4～5d雨,省管100km就产生2000多个圆坑洞,但其中涉及中面层的坑洞极少,几乎没有涉及第三层和第四层的水破坏.有的高速路通车仅1年,表面层就产生不少坑洞,但中面层很完整,其典型状况见图2.图2中盆底颜色偏浅,是外露碎石表面沥青已剥落.

2)表面层空隙率大,透入表面层的水较快渗入中面层,滞留在中面层的水因难于或来不及透过中面层

　　图2　产生在表面层的坑洞

进入底面层之前,中面层沥青混凝土强度变弱,沥青剥落变成松散,导致表面层首先在行车道的轮迹带上产生网裂形变,有的甚至产生明显辙槽.在随后的降雨过程中,可能产生两种不同情况:第一种是原网裂形变进一步恶化,直到产生坑洞和表面松散(见图3,4),改性沥青SMA常产生类似破坏;第二种是在仅产生辙槽的情况下,如有更多的雨水进入并滞留在中面层内,在行车荷载作用下,滞留在中面层内的水向上侵蚀表面层的底部,使底部沥青混凝土的沥青剥落变得松散,同时辙槽深度显著增加到5cm以上.将上面两层挖除后,看到底面层完整,仅外露碎石表面的沥青已经剥落.雨水进一步透入中面层后,水向下侵蚀底面层的上部,使上部沥青混凝土中的沥青剥落,沥青混凝土变松散并逐渐向下发展直到底面层的底部,此时表面的辙槽深度可达到最大值,约为10cm.将三层沥青面层挖除后,基层完好无损.

3)透入表面层的水透过中面层进入底面层,如果在底面层顶面有粘结防水层或有质量好的下封层,则滞留在底面层内的水会使底面层沥青混凝土强度减弱,进而沥青剥落,甚至沥青混凝土松散,导致沥青面层表面产生网裂形变.在基层顶面没有粘结防水层或虽做了下封层但质量不好的情况下,进入底面层的水直接滞留在基层顶面,行车荷载产生的水压力使滞留水首先冲刷基层表层的水泥细料或二灰细料,接着向下冲刷并形成白浆,在行车荷载的动水压力作用下,白浆被唧出或吸到面层表面,浆被唧吸出的过程中,沿途的沥青混凝土碎石上沥青剥落,轻者表面产生网裂形变,重者很快产生坑洞,碎石被甩出洞外,洞中积水(见图4).基层上部碎石间的水泥细料或二灰细料被冲刷成浆及唧吸出面层形成坑洞的同时,质量较次的基层上部开始松散,基层的承载能力显著下降;质量好的基层上部大碎石外露,甚至外露半个颗粒以上.如面层表面产生的网裂形变没有及时维修处理,随后的降水会导致更严重的水破坏,甚至使基层碎裂破坏,使路面产生结构性破坏.这种类型的结构性破坏与上述半刚性路面的正常结构性破坏(由半刚性底基层先破坏开始)完全不同,要解决这种类型的结构性破坏,必须先解决沥青混凝土面层的水破坏,从设计与施工两方面着手使沥青面层不透水.没有合理工期,是不能做到公路基础设施建设又好又快的关键内因之一.调查结果表明,沥青面层的表面层、中面层和底面层,无论哪一层都不能让水侵入和滞留,只要水能侵入哪一层并滞留在层内,该层就会产生水破坏.

近3～4年来,我国表面层用改性沥青SMA、中面层用改性沥青AC-20I或改性沥青AC-25I的高速公路较多,国道主干线有,非国道主干线也有.虽然沥青面层的总厚度达16～18cm,半刚性材料层一般4

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达到～56cm厚,但没有取得良好的效果.正式开放交通几个月或不到一年,这些高速公路行车道的沥青面层就产生大面积的严重水破坏.为了保持行车的正常、安全和舒适,不得不将行车道大量铣刨两层,少部分甚至铣刨三层后重铺新面层.

3　严重辙槽

在其他条件相同的情况下,柔性路面的辙槽要比半刚性路面严重得多.因为柔性路面的辙槽是由沥青面层、柔性基层、底基层和土基等部分的永久形变组成,而半刚性路面的辙槽实际上仅是沥青面层的永久形变,因为半刚性材料层不会产生压缩形变,其下的土基受到的压应变很小,也不可能反映到面层表面.

近3年来,一些已通车多年的高速公路,如长平、石安等高速公路,都产生了严重辙槽.一些新建的高速公路含用重交沥青做的面层和用改性沥青做的高性能沥青路面(SUP)面层,甚至表面层和中面层都使用了改性沥青,通车不到1年,行车道就产生了严重辙槽.从两层都用改性沥青SUP的高速公路来看,在国道主干线高速公路的行车道上产生了严重辙槽,不得不在槽深大于25mm的路段上铣刨一或两层后重铺面层.

某非国道主干线高速公路的行车道上,改性沥青SUP(中面层未用改性沥青)表面层也是开放交通不到1年就产生了严重辙槽,在槽深大于25mm的路段上才铣刨一层重铺的情况下,共铣刨重铺了一半多.

2002年12月底开放交通、面层仅用重交沥青的某高速公路的某段长约70km,到2003年9月,不仅行车道产生了严重辙槽,而且超车道上也产生了严重辙槽,槽深最大达8cm.在铣刨重铺面层后,重新铺过的面层又开始产生了明显辙槽.

多数高速公路行车道上常有两条辙槽,一条在外轮迹带上,另一条在内轮迹带上.京沪高速公路某路段行车道上两条轮迹带的辙槽又各有两条小辙槽,呈W形(见图5).这是AC抗高温永形变能力不足的典型实例.

　　图5　两条轮迹带的辙槽又各有两条小辙槽

4　沥青路面早期破坏的原因

4.1　重要外因

近几年来,行驶在高速公路上的车辆组成发生了很大变化,重型货车的数量显著增加,而且货车普遍超载.在部分高速公路的一些路段上,货车中比例较多的是轴载140～150kN的车,最大轴载达240kN;多数货车的轮胎充气压力从0.7MPa增加到0.9MPa,少数超过1.0MPa,甚至高达1.2MPa.这些货车是促使沥青路面产生早期或过早破坏的重要外因.

对于严重辙槽,夏季连续高温也是个重要外因.

对于严重水破坏,降雨量的大小和高速行车都是重要外因.

但外因终究是通过内因发生作用的.对科技人员来讲,关键是要弄清内因,特别是技术内因.4.2　重要非技术内因

重要非技术内因有二:一是无合理工期;二是无合理标价.这两个非技术内因当前十分普遍,几乎新建的每条高速公路都由这两个内因导致路面质量不好.无合理工期是由于抢工,三年工期两年完成,违背了科学,必定严重影响工程质量.

低价中标、甚至最低价中标,是影响工程质量难以达到又好又快的又一关键内因之一.从国家来说,应该强调有合理标价.实践证明,低价中标得不到优质工程,而是要从设计着手,多做试验研究,依据本地区的地质、地貌、岩石、土壤、气候条件和交通状况,实事求是地进行勘探、测量、试验,提出设计方案,不能简单地抄袭国内外的“经验”,降低标价达不到降低造价的目的.

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4.3　水破坏的重要内因

1)内因之一是所用沥青混凝土(AC)的孔隙率较大,特别是表面层AC的实际孔隙率较大,雨水较易进入表面层,并导致水破坏.调查结果证明,凡是使用II型或相当于II型的抗滑表层做表面层的高速公路,水破坏程度较密实式AC和SAC要严重得多.

2)水破坏的第二个重要内因是片面强调平整度而忽视了压实度.

3)水破坏的第三个重要内因是AC的不均匀性大.由于多方面原因,我国高速公路面层用的AC的离析现象和不均匀较大,在表面随机分布着数量不一的薄弱点位,在降雨过程中,雨水在一些薄弱点位被快速行驶车辆轮胎下产生的大动水压力(车速为80～120km/h时,动水压力可达0.04MPa)压入表面层,在中、底面层的AC不是很密实的情况下,自由水会被一直压到底面层的底部.

在行车反复作用下,基层顶面形成白浆,快速行车将白浆泵吸到面层表面,形成圆形白浆块.在降雨过程中,表面水继续通过薄弱点位被压入面层中,基层顶面的白浆也被行车经过相同的通道继续泵吸到表面,这种压入水和泵出浆的反复作用,使通道附近AC产生沥青剥落,变得松散,并形成圆形积水坑洞.散落在硬路肩上的石灰岩碎石被冲洗得很干净,无一点沥青痕迹.坑洞中余留的碎石同样被冲洗得很干净.车轮粘上白浆可在前进方向留下近10个白圆印迹(见图6).这是最严重、发生得最快的一种水破坏.一些开放交通1年左右的高速公路路面产生的水破坏常常是这种形式,此时沥青路面还没有产生任何裂缝,所以水破坏坑洞与裂缝毫无关系.贵州省由于温差不大,高等级公路半刚性路面看不到横向裂缝.但水破坏却不少.4)水破坏的第四个内因是面层裂缝.既然AC层在柔性基层上要产生温度裂缝,它在半刚性基层上也要产生温度裂缝.德

　　图6　白圆印迹

国18年的跟踪调查研究结果表明,半刚性路面的裂缝最终与柔性路面的裂缝无明显差异,半刚性基层上的面层、特别是较薄的单层AC表面的早期裂缝,会比柔性基层面层的裂缝多一些,但最终裂缝无显著差别.每公里多出的几条裂缝可能是对应或反射裂缝.

当前我国半刚性基层上沥青面层厚16～18cm,裂缝所占比例很小.京秦高速公路沥青面层厚16cm,表面层有PmB(聚合物改性沥青)SMA16和PmBACI6型,1999年末通车,3年后不同类型面层产生的裂缝几乎相同,少者1km路段有30条横向裂缝,多者有50条左右横向裂缝,最多的达60条.

1988年10月底完成的京石高速公路正定试验路中有一段长100m的PmBSAC-16面层,仅厚4cm.到1998年8月,往上加铺面层时共有6条半横向通缝,相当于1km有65条裂缝,其裂缝数量仅略多于京秦高速公路.新铺沥青面层刚产生的裂缝往往仅深入表面层的上部,过一个冬季或一定时间后,裂缝又会深入到面层底面,甚至引发基层在相同的位置开裂,所以通车2～3年后,沥青面层的裂缝往往已贯穿面层,甚至进入基层.

降雨过程中,雨水会自由流入并充满裂缝,直到面层底面及滞留在基层顶面,同时向缝的两侧扩散.在行车荷载反复作用下,滞留在基层顶面的水冲刷基层,形成白浆.反复作用的行车荷载将白浆通过裂缝泵吸到表面,沿裂缝呈条状分布.车轮粘上白浆后,向前行驶就在面层表面形成条状间隔式的横向白色痕迹(见图7).

　　图7　条状间隔式的横向白色痕迹

雨水自由流入裂缝以及白浆较自由地通过裂缝被泵吸到表面,对沿途沥青混凝土破坏作用较小,初期能使裂缝下陷约3mm,然后会导致裂缝两侧碎裂,如不及时养护,这种条形破碎会逐渐扩宽,并产生较6

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多的唧浆,裂缝处逐渐破坏,这是另一种机理的水破坏.这类水破坏在通车仅1年左右的高速公路上很少,在通车3～4年以上的高速公路上能看到,但数量比圆形坑洞少得多.因为并不是大多数裂缝都会产生这种水破坏,而且这种水破坏的发展过程缓慢,在这类高速公路上与裂缝有关的圆坑洞很少.

我国早期高速公路沥青面层的裂缝很多,但水破坏很少.如:沈大高速公路1986年完成的辽阳-鞍山段和1988年10月通车的沪嘉高速路,1年后面层就开始产生横向裂缝,然后裂缝逐年增加.据说10年后已有近1000条横向裂缝,但没有产生多少水破坏.

1993年9月全线通车的京津塘高速公路河北段是裂缝最多的,也很少水破坏.北京段长35km,1994年没有横缝和纵缝,出现水破坏坑洞20个;到1997年横缝产生594条,纵缝35条,水破坏坑洞产生52个;1998年新增横缝621条和纵缝37条,生坑洞12个,补的面积共约为3m.上述坑洞均与裂缝无关.4.4　严重辙槽的内因

1)沥青混凝土的矿料级配不适合我国.已通车的多数高速路都使用规范中的连续式密级配,如:AC16I,AC20I和AC25I等做面层的各层.这些AC的高温抗形变能力较差,不同单位的试验结果表明,它们的DS常小于1000次/mm,有时只有500次/mm左右,不能承受重载交通的反复作用,容易产生严重辙槽.

2)为了避免产生水破坏,有意在AC中多用细集料和沥青.某高速公路采用该措施后,通车1～2年就产生了较严重的辙槽.

3)未经认真试验研究就大量使用美国的SUP.虽然同时使用改性沥青是为了提高AC的高温抗形变能力,但由于SUP仅是一种密实结构,其粗集料含量明显较少,形不成骨架结构,所以用在重载高速公路上仍会产生严重辙槽.

4)自由水进入并长期滞留在中面层内,使中面层AC强度显著减弱,沥青剥落直到松散,表面开始产生较严重辙槽,辙槽两侧鼓起,在降雨过程中,雨水能更多更快地进入面层,最终造成深达5～10cm的严重辙槽.将三层面层都挖除后,基层都完整无损,还没有受到水的侵蚀.这样外观是严重辙槽,实质是严重水破坏的另一种形式.

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5　解决早期破坏的主要措施

5.1　解决水破坏的主要措施

1998年,笔者总结沥青面层正反两反面的经验后,提出了解决水破坏的综合措施.

1)面层的各层都要用孔隙率不大于4%的密实沥青混凝土;2)提高沥青与矿料的粘结力要求:表面为五级,中、底面层为四级;

3)提高沥青混凝土层的压实度要求:表面层不小于98%,中、底面层不小于97%,同时增加1个现场孔隙率指标:表面层不大于6%,中、底面层不大于7%;

4)采用各种措施提高沥青混凝土的均匀性.

近2～3年来,又增加了一个措施,即在中面层上设置改性沥青粘结防水层,防止水进入下层.采用这些措施后,均取得了满意的效果.5.2　解决严重辙槽的主要措施

可以说,现在已比较有把握地用较少的资金来解决严重辙槽问题,主要措施有:1)使用骨架密实结构的SAC系列做面层的各层;

2)在重载交通高速公路上,面层的各层使用紧密骨架密实结构的SAC;3)表面层可使用改性沥青,中、底面层使用30号重交沥青;4)用水泥做填料,最少占到4%,直至代替全部填料.

〔参考文献〕

[1]　沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京:人民交通出版社,2002.[2]　沙庆林.多碎石沥青混凝土SAC系列的设计与施工[M].北京:人民交通出版社,2005.