探讨黑龙江省高等级公路沥青路面的病害

2010-08-15于波,祝捷

黑龙江交通科技 2010年11期

于波,祝捷

(1.黑龙江省龙督公路工程检测有限公司;2.黑龙江华龙公路工程咨询监理公司)

0 前言

黑龙江位于我国东北边陲,冬季气温极低,沥青路面因具有地质条件适应性强、行车舒适、维护方便等优点而被广泛用于高速公路。在高速公路通车后,因行车荷载作用、外界环境影响以及设计、施工中存在的不足,沥青路面会逐步出现多种路面病害,主要有裂缝(纵向裂缝、横向裂缝、龟裂)、变形(车辙、波浪或搓板、沉陷、隆起)、松散(磨光、松散、剥落、坑槽)及其他(泛油)四大类。高速公路一出现路面病害,就应及时分析病害成因,及时采取有效措施进行处治,否则不仅会降低道路的使用性能、影响行车的安全、舒适、快捷、畅通,而且会因处理不及时或措施不当导致道路结构性破坏。

1 纵向裂缝

纵向裂缝一般发生在距路堤边缘 3～5m(行车道与紧急停车带分界)处,且路堤下一般均存在暗埋式箱型通道或盖板涵洞。也有一些发生在互通或服务区加减速车道与行车道的拼接处。裂缝形式有两种,一种为纵向直线形,裂缝两端未延伸到路堤边缘;另一种为纵向弧形,裂缝两端延伸到路堤边缘。后一种裂缝可能会引起路堤滑动,危险性更大。纵向裂缝形成的主要原因有以下几方面。

(1)地基原因。

有些纵向裂缝路段所处地基不属软土地基,但处于丘陵低洼、河谷处,长期受水冲蚀,天然含水量较高,在设计时未发现或未作特别处理,在施工时也未作等载或超载预压,在高填土后,地基出现不均匀沉降,造成路面纵向开裂;有些河谷、水塘虽作了清淤处理,但处理不彻底或回填材料控制得不好,也会因不均匀沉降造成路面纵向开裂。

(2)路基施工原因。

路基施工时天气干燥,局部路堤填料粘土土块粉碎不足,致使路基压实不均匀;暗埋式构造物处因构造物长度限制使路基边缘不能超宽碾压,致使路基边缘压实度不够;有些加减速车道与行车道拼接段不同步施工,且拼接处理不好导致路基沉降不均匀。

(3)渗水原因。

中央分隔带、路表、边坡等渗水,使得局部路基受水浸泡后土体的 С、Ф值降低,在动静荷载的作用下,使得裂缝路段进一步产生小圆弧滑动趋势;部分填料为弱膨胀土,施工中未予处理,在渗水后因含水量的变化,导致纵向裂缝进一步开展。

2 横向裂缝

目前,我国高速公路广泛采用以二灰或二灰土等为底基层、二灰碎石为基层的半刚性沥青路面。据调查,在半刚性基层路面的沥青面层上产生横向裂缝是极为普遍的,国内外许多学者甚至认为半刚性沥青路面产生横向裂缝是不可避免的。横向裂缝的形成主要有以下几方面原因。

(1)基层反射裂缝。

一方面在基层成型过程中,因基层材料失水收缩而形成规则的横向裂缝;另一方面基层材料因温度骤降而发生低温收缩开裂。这两种收缩变形使沥青面层底面承受拉力,当拉力超过沥青面层的抗拉强度时就使沥青面层底部拉裂,并随着温湿的循环变化及行车荷载的反复作用而导致沥青面层底面裂缝沿竖向向上扩展到路表,从而形成沥青路面横向裂缝。从现场取样看,面层裂缝与基层裂缝上下贯通,且下宽上窄。

(2)沥青混凝土的温缩裂缝。

因沥青是一种对温度变化比较敏感的粘弹性材料,温度下降时,沥青混合料逐渐变硬变脆,并发生收缩变形。当收缩拉应力超过沥青混凝土的抗拉强度时,沥青路面表面就会被拉裂,并逐步向下发展,形成上宽下窄的横向裂缝。由于大多数的高速公路上面层采用进口优质沥青或改性沥青,沥青混合料的自身低温抗裂性能较好,故此种横向裂缝相对较少。

(3)差异沉降引起横向裂缝。

在软土地基与非软土地基交界处、软土地基处理方法变化处或构造物台背与路段交接处,因地基或路基与构造物差异沉降导致基层的开裂,并反射到沥青面层,形成横向裂缝。这种横向裂缝类似于基层反射裂缝,但往往为路面横向全幅贯通,这种横向裂缝在软基分布比较广泛及构造物众多的水网地区的高速公路上有一定比例。

3 网裂、沉陷、坑槽

在高速公路行车道上(特别是在车轮轮迹处)常发生路面网裂、沉陷及坑槽病害,且在网裂、沉陷处常伴有唧浆现象。如网裂、沉陷不及时处理,在雨后极易形成坑槽。沥青路面网裂、沉陷、坑槽的形成主要有以下几方面原因。

(1)基层施工质量差。

由于二灰碎石半刚性基层的整体强度与材料、拌和、摊铺、养生等多种因素密切相关,任何一个环节出问题均可导致其不能形成均匀坚固的板体结构,从而使半刚性基层局部强度不足而引起沥青面层开裂,雨水从裂缝浸入,并渗入到基层表面,使基层表面被泡软,在汽车荷载反复作用下,粉浆通过面层裂缝及空隙被压到表面产生唧浆,基层表面被逐步淘空,使沥青路面面层产生网裂、沉陷,并进而形成坑槽;也有是因在基层施工中,为保证基层的压实度,对于基层设计厚度较厚(＞20cm)时,必须分层施工,在目前的所用基层材料条件下,就不可避免地出现层间结合薄弱环节,上下基层之间因不连续而出现层状结构,这就改变了基层结构受力状况。力学计算表明,在上下基层分层的情况下,虽然下基层的弯拉应力(变)均有不同程度下降,但上基层弯拉应力(变)有较大增幅,上下基层的弯拉应力(变)在数值上相差一个数量级,从而导致上基层因应力、应变过大而破坏。特别是当上下基层施工厚度分配不合理时,这种上基层破坏更是明显。计算还表明,面层顶面的弯沉和底面的弯拉应力(变)随着层间结合条件的变化及基层的分层而迅速增大,弯沉增幅达 70%,应力增幅超过 100%,应变增幅达 70%～100%,最终导致路面面层破坏。如沪宁高速公路 K61～K65路段,基层厚度为 33cm,分两层铺筑成型,上基层仅 12cm左右,在动荷载的反复作用下,该段出现多处破碎,造成路面多处坑塘,且唧浆严重。

(2)沥青路面空隙率过大。

由于沥青混合料生产的变异性大、摊铺过程中沥青混合料局部离析和路面压实不够等多种原因造成沥青路面空隙率过大,使雨水极易浸入,滞留在路面面层中。尤其是连续雨天时路面面层将长时间处于饱水状态,给路面造成严重水损坏。在低温时水易结冰,经多次冻融循环作用后,沥青混合料酥松,使路面出现坑槽等破坏;在高温时,在高速行驶的车辆荷载反复作用下,渗水成为瞬间有压水,在有压水的长期浸泡和冲刷下,沥青与石料的粘附力逐渐下降,包裹在石料表面的沥青膜被剥落,使混合料松散,并逐步形成坑槽。如沪宁高速公路部分病害路段,上面层在施工时按规范以马歇尔试验密度作为标准密度得出的压实度是合格的,但在通车后检测时以理论密度作为标准密度得出的压实度仅为90%～92%,路面空隙率偏大,极易渗水。计算和实测表明,对 4cm厚沥青混凝土面层,在孔隙水饱和的情况下,沥青面层的渗水约需 7d才可渗透排出路面,或在常温天气下需6d才可蒸发完。因此,渗水将较长时间滞留在路面面层中,造成路面破坏。

(3)沥青与石料粘结性差。

规范要求高速公路沥青路面沥青与石料的粘结力不小于 4级,有的路段在试验时粘结力是符合要求的,但在沥青混合料生产时,因石料的差异性或沥青用量偏小,使得沥青与石料的粘结力不足,使混合料逐步松散,进而形成坑槽。

(4)车辆油渍污染。

因车辆维修或翻车等原因,汽车用油渗透入路面空隙,使沥青混合料松散并逐步使路面形成坑槽。这种原因形成的杭槽往往较深,有的甚至达到整个沥青面层厚度。据调查,在超载现象比较严重的高速公路上,往往油污是造成路面坑槽破坏的重要原因。

(5)汽车超载的影响。

目前汽车超载现象非常突出,由于汽车超载,轴载换算系数明显增加。有关资料表明：超载 30%时,换算系数为满载的 3.131倍,超载 60%时为满载的 7.725倍,超载 100%时为满载的 20.393倍,使得累计标准轴次大大增加,使路面结构使用寿命明显缩短;同时,在重载作用下,路表弯沉及结构层应力显著增加。资料表明：重载(130kN)作用下的路面结构理论弯沉值与基层及底基层层底拉应力均比标准轴载(100kN)作用下增大约 30%。因此,汽车超载是造成路面破坏尤其是路面结构早期破坏的重要原因之一。

有些高速公路的桥梁沥青混凝土铺装层也会出现坑槽病害,主要是因为桥面泄水孔开口朝上,虽表面水能流入泄水孔而排出桥面,但桥面渗水无法进入泄水孔,也没有排水出路,桥面渗水长期滞留在桥梁水泥混凝土整平层与沥青混凝土铺装层间。如水泥混凝土整平层施工质量不好,长期浸水后极易成为软弱夹层,从而导致沥青混凝土铺装层破坏。这种破坏易发生在连续箱梁的顶面负弯矩区所对应的桥面铺装层处。

4 车辙、推移

随着行车荷载作用次数的增加,高速公路路面会出现不同程度的车辙、推移病害,这种路面病害会导致平整度下降,并影响高速行车的舒适性,严重的病害甚至会影响行车安全。车辙、推移形成的主要原因如下。

(1)行车荷载的影响。

车辆按规定正常在行车道行驶,使得高速公路的交通渠化现象非常突出,随着车辆载荷作用次数增加,行车道车辆轮迹处进一步压实并逐渐形成不同程度的辙槽;重车普遍超载,使得轴载对路面的作用力增大,并导致当量标准轴载作用次数大大增加,加速了车辙、推移形成;在服务区等匝道进口处,因车速变化频繁,车辆慢行,经常刹车与启动,导致对路面作用时间过长,且对路面的水平剪切作用增大,也易形成车辙槽和推移。

(2)基层施工质量差。

因基层的厚度不足或因基层材料、施工、养生不当导致基层整体强度不足,使得路表变形过大而形成辙槽和推移。

(3)沥青面层高温稳定性差。

由于沥青混合料是一种弹塑性材料,如沥青、矿料的选材不当或混合料组成不当均会导致沥青混合料的高温稳定性差、抗塑性变形能力低,在车辆的反复碾压下路表变形过大,并使得面层混合料产生横向流动而形成辙槽和推移。