海南省典型沥青路面结构早期损坏原因分析*

王志斌，石 勇，罗苏平，陈嘉祺，李 亮，但汉成

(1.湖南科技大学土木工程学院，湖南 湘潭 411201;2.中南大学土木工程学院，湖南长沙 410075;3.海南省交通质量监督局，海南海口 571100)

建国以来特别是改革开放以来，以沥青路面为代表的高等级公路在海南省得到了迅猛发展。海南省地处热带和亚热带气候区，受海洋性气候影响，具有降雨丰富、日照强烈、气温高且持续时间长、空气潮湿等气候特点，再加之道路设计水平、车辆超载、交通渠化及施工质量控制等多方面原因的影响，沥青路面车辙、水损害等早期破坏日益突出［1－7］，已经成为海南沥青路面质量控制的关键问题。沥青路面早期病害形成机理较为复杂，分析其病害原因不能一概而论［8－12］。针对性地开展海南地区沥青路面病害研究，不仅可以明确当地沥青路面早期病害的原因与解决办法，还可以为高温多雨地区沥青路面的设计、施工和养护提供依据。本文主通过分析自然环境、交通状况及其对路面病害的影响，研究以海南地区为代表的高温多雨地区沥青路面病害的主要成因。

1 公路技术状况调查与分析

根据规范的要求对海南省西线高速K107+000～K123+000，K213+000～K218+000，K329+000～K333+000和东线高速K170+000～K181+000共4个路段进行公路技术状况调查。根据调查结果分别求出路面损坏状况指数PCI、路面行驶质量指数RQI、路面结构强度系数SSI、路面抗滑系数BPN和路面综合评价指标PQI。具体数据如表1所示。

表1 典型路段技术状况调查情况Table 1 Pavement performance investigation of typical sections

从表1可以看出:在所调查项目中，路面抗滑性能整体最好，而路面结构强度整体最差，说明海南地区公路沥青路面普遍存在强度不足的问题。而大部分路段的路面行驶质量均为良，约占调查总里程的47%。

2 海南省气候特点

由于地理位置原因，海南地区自然环境特点明显。主要包括以下几点。

2.1 常年高温

与我国其他地区相比，海南地区一个最显著的气候特征为常年高温，主要包含2层含义:一是“高温”，指海南地区气温比全国其它大部分地区高;二是“常年”，指海南地区高温持续时间长，无明显低温时段。我国有代表性地区主要城市1971—2000年累年各月平均气温如图1所示。

从图1可以看出:全年绝大部分时间，海南地区的平均气温都高于全国其他大部分地区。只有在某些夏季会出现极端高温的地区，如长沙、广州等地，其气温最高的2～3月的平均气温才会略高于海南地区。同时，海南地区累年各月平均气温的最低值也接近20℃，说明海南地区无明显低温时段。

图1 各地区累年各月平均气温Fig.1 Average temperature for ages in different regions

2.2 太阳辐射强烈

由于在我国所有省份中，海南省最为接近赤道，因此，海南也成为我国太阳辐射最为强烈的地区之一。

2.3 年降雨量大

海南各地年降水量一般分布在1 000～2 500 mm范围内。其中西部降雨最少，东方市累年年降水量为961 mm;中东部地区降雨最多，琼中地区累年年降水量可达2 359 mm。省会海口市累年年降水量为1 652 mm。

表2表示1971－2000年间累年年降水量最多的5个省会城市及其降水量。

表2 累年年降水量最多的5个省会城市及其降水量Table 2 The five capital cities which have the most accumulated annual precipitation and their precipitation

从表2可以看出:在全国所有省会城市中，海口市累年年降水量排名第二，超过全国省会城市累年年降水量的平均值近1倍，仅次于广州市。但海口市的年降水量在海南省为平均水平，海南很多地区如琼中地区的累年年降水量就远远超过广州市。即便是海南降水最少的西部地区，如东方市，其累年年降水量也超过了全国省会城市累年年降水量的平均值。

2.4 暴雨次数多

表3表示1971－2000年间年均暴雨次数最多的5个省会城市及其年均暴雨次数。

表3 年均暴雨次数最多的五个省会城市及其年均次数Table 3 The five capital cities which have the most number of heavy rain and their numbers of heavy rain

从表3可以看出:全国所有省会城市中，海口市的累年年暴雨日数排名第一。

3 海南省交通特点及其对路面病害的影响

车辆荷载是路面结构所承受的最主要荷载。公路所在地区的实际交通状况对路面使用状况的影响非常显著。路面的使用寿命会由于超载现象而大大缩短。

根据现场调研，海南地区对路面结构起主要破坏作用的车辆主要分为六大类，分别为中货、大货、特大货、小客、大客和拖挂车。对于其各自的代表车型，如表4所示。

表4 海南地区常见的代表车型Table 4 Representative vehicle in Hainan

车辆对路面的影响随着其装载条件的不同而变化。为反映实际装载条件下车辆对沥青路面的影响，需要调查各种车型的实际装载情况，并进行轴载换算。根据现场调查，海南各主要车型的装载情况如表5所示(各类客车超载与空载情况较少，故全部视为满载)。

表5 各车型不同装载条件占该车型车辆总数比例Table 5 The proportion of vehicles of different loading conditions %

根据规范［13］中轴载换算的公式，并参考文献［14］计算超载时所用的分类方法，可以得到各类车型平均轴载换算系数并列于表6。其中，拖挂车中4轴车和6轴车分别占拖挂车的70%和30%，因此，可以得到拖挂车的平均轴载换算系数为17.481 2。

表6 加权平均轴载换算系数Table 6 Weighted average axle load conversion factor

根据当地交通量资料，利用表6中的轴载换算系数，可以计算出海南省高速公路2002－2009年的累计当量轴次如表7所示。为便于对比，表7同时给出各路段不计超载(即认为所有车辆均满载)时的累计当量轴次。

表7 2002－2009年累计当量轴次Table 7 Cumulative equivalent standard axle from 2002－2009(ten thousand/lane) 万次/车道

从表7可以发现:考虑超载时，该高速公路运营至2009年的累计当量轴次平均值为999万次，最高值出现在琼海立交观测站，为1 352万次。只考虑满载时，该高速公路运营至2009年的累计当量轴次平均值为335万次，最高值出现在琼海立交观测站，为454万次。根据对海南省高速公路设计资料的调查，海南省各段高速公路设计累计当量轴次一般是15 a 900～2 100(万次/车道)之间，平均每年60～140万次/车道;考虑超载情况时，该高速公路平均每年累计当量轴次为90～160万次/车道;不考虑超载情况时，每年累计当量轴次为30～60万次/车道。可见，不考虑超载的情况下，海南公路沥青路面设计年限内的累计轴载作用次数不会超过设计值，而在考虑超载情况的时候，设计年限内的累计轴载作用次数很可能会超过设计值。这说明在实际的交通情况下(超载、交通量增幅大)，海南省公路沥青路面的使用寿命会大大降低。

4 海南省公路沥青路面早期病害主要原因

4.1 自然环境的原因

如前文所述，海南地区部分自然环境特点是沥青路面病害形成的重要诱因。主要包括以下几点。

4.1.1 常年高温、太阳辐射强烈

高温条件下沥青混凝土的弹性模量会减小，粘塑性会增强，抗车辙性能会降低。在其他条件相同的情况下，温度越高，沥青路面越容易产生车辙。而前文研究已指出，气温是影响沥青路面温度的最主要自然因素。海南有着常年高温的气候特点。其中，“高温”降低了海南地区沥青混凝土路面的抗车辙性能，“常年”则使上述作用贯穿全年。因此，与我国其它大部分地区相比，海南地区的气温特点更容易引起车辙病害的发生。

太阳辐射是影响路面最高温度的重要自然因素，海南强烈的太阳辐射，显著提高了海南公路沥青路面在白天的最高温度从而增强沥青混凝土粘塑性，加剧粘塑性变形的效果，引起车辙的发生。

4.1.2 年降水量大、暴雨次数多

如前文所述，海南地区年降水量和暴雨次数都位居全国前列。同等条件下，降雨量越大的地区，当地沥青路面发生水损坏的可能性就越大。而集中的强降雨会对路面、路基等产生较大破坏。因此，海南地区降水量大，暴雨次数多，是造成海南公路沥青路面水损坏的最主要自然因素。

4.2 交通状况的原因

车辙的产生与交通状况的特点密不可分。海南地区交通状况的某些特点对当地沥青路面车辙的发展起到了促进作用。主要包括以下几个方面。

(1)交通量增长迅猛。随着近年来国际旅游岛的建设，海南各地交通量迅猛增长。根据现场调研情况，近年来海南省东线高速公路年平均交通量增长率为17.4%，西线高速公路年平均交通量增长率为22.5%。交通量过快增长加速了沥青路面的疲劳破坏，同时也加速了动水压力下集料与沥青的剥离，是造成当地沥青路面早期病害的重要交通因素之一。

(2)超载现象严重。海南地区各轴型车辆都普遍存在着超载现象。其中，超载最严重的3轴车，超载车的比例约40%。超载现象一方面增大了作用于沥青路面的行车荷载，另一方面降低了机动车地行驶速度，这都会加重沥青路面的车辙病害。同时，较大的行车荷载会加重沥青路面的疲劳开裂，而较大的动水压力则会加剧集料与沥青的剥离。因此，海南地区严重的超载现象是引起当地沥青路面早期病害重要因素之一。

4.3 设计的原因

(1)沥青面层厚度偏薄，不利于施工压实。调查研究表明，海南地区大部分公路沥青路面厚度与规范推荐的适宜厚度相比偏小。这种情况容易诱发路面压实不足，通车后沥青混凝土路面在行车荷载作用下的二次压密较为明显，从而诱发车辙病害。同时，压实不足会导致路面空隙率偏大，增加路表水的入渗通道，为水损害的发生创造条件。

(2)对海南气候特点考虑不足。公路沥青路面的设计要考虑当地的气候特征。目前，我国公路沥青路面主要依据《公路自然区划标准》［15］进行设计。在上述规范中，海南大部分地区被划分在Ⅳ7华南沿海台风区。通过对比，海南与同一气候分区内的其他地区存在着较为明显气候差异，其高温持续时间明显高于其它地区。因此，仅参考现有规范，并不能保证海南地区沥青路面的设计满足当地气候的要求。

(3)防排水设计考虑不足。海南地区公路沥青路面基本采用了半刚性基层，并没有考虑路面内部排水层的设置。研究表明，不设排水基层的路面结构排出入渗雨水的50%所需要的时间远远大于设有排水基层的路面结构［16］。海南地区降雨量大，路面结构又很少设置排水基层，导致渗入路面的水分难以排出，延长了路面中水分滞留的时间，不利于海南地区路面水损坏的预防。

4.4 施工的原因

(1)路面压实不足。调查和试验表明，海南地区路段的沥青路面存在压实不足的情况，一方面会导致沥青路面在行车荷载作用下产生压密型车辙，另一方面会导致路表水很快地渗入路面结构，从而诱发水损坏。海南地区沥青路面施工阶段压实不足的情况，是由多种原因造成的。首先，海南属于气候炎热地区，在路面设计时，会较多地使用偏粗的集料。而海南地区沥青路面厚度又偏薄，这会增加施工阶段压实的难度。其次，海南的突发性降水较为频繁，会影响正在进行的路面施工。

(2)施工不均匀性较大。对高速公路钻取芯样的观察与量测表明，海南部分路段各面层厚度的变异性较大。路面厚度的变异性使路面内部某些部位出现了应力集中，并在应力集中部位率先产生破坏。

4.5 材料的原因

(1)沥青选择不当。海南地区公路沥青路面所使用的沥青绝大部分都是普通70号沥青。50号沥青和改性沥青的应用非常少。提高沥青黏度或使用改性沥青可以显著增强骨料与沥青的粘附能力，减少车辙与水损坏的发生。海南目前所使用的沥青材料并不能满足当地恶劣自然环境的要求。

(2)当地石料碱值普遍偏小。调查表明，海南地区除北部少部分地区出产玄武岩外，绝大部分地区主要出产花岗岩。花岗岩的碱值偏小，属于酸性矿料。同碱性矿料相比，花岗岩与沥青的粘结能力相对较弱，在动水压力的作用之下，与沥青粘结力较弱的集料更容易发生剥离，从而造成水损坏。同时，这也是造成车辙病害的重要原因之一。

(3)集料把关不严。调查表明:海南高速公路用于面层的粗集料含泥量较高，扁平颗粒所占比例很大，大大降低了集料与沥青的粘附力，成为车辙形成的隐患之一。

5 结论

(1)公路技术状况调查表明，海南地区公路沥青路面抗滑性能较好，但普遍存在强度不足的问题。

(2)海南地区常年高温、太阳辐射强烈，年降雨量与暴雨次数均位居全国前列。

(3)不考虑超载的情况下，海南公路沥青路面设计年限内的累计轴载作用次数不会超过设计值，而在考虑超载情况的时候，设计年限内的累计轴载作用次数很可能会超过设计值。这说明在实际的交通情况下(超载、交通量增幅大)，海南省公路沥青路面的使用寿命会大大降低。

(4)海南地区沥青路面早期病害原因可以分为自然环境方面的原因、交通状况方面的原因、设计方面的原因、施工方面的原因和材料方面的原因等五类。应该分别针对上述原因采取相应措施预防沥青路面早期病害。

［1］周志刚，沙晓鹏，李炎炎，等.旧沥青混合料再生方案的比较分析［J］.交通科学与工程，2010，26(4):1－6.ZHOU Zhi-gang，SHA Xiao-peng，LI Yan-yan，et al.Comparative analysis of recycled scheme on aged asphalt mixture［J］.Journal of Transport Science and Engineering，2010，26(4):1 －6.

［2］周志刚，陈 媛，张清平，等.海南东线高速公路旧路面状况评价及病害成因分析［J］.交通科学与工程，2011，27(1):7 －13.ZHOU Zhi-gang，CHEN Yuan，ZHANG Qing-ping，et al.Evaluation of old pavement condition and analysis of causes of disease on Hainan East Expressway［J］.Journal of Transport Science and Engineering，2011，27(1):7 －13.

［3］沈国平.多雨地区沥青路面渗水病害探讨［J］.公路，2000(4):38－41.SHEN Guo-ping.Water damage of asphalt pavements in rainy regions［J］.Highway，2000(4):38 －41.

［4］但汉成，李 亮，何要超，等.沥青路面渗水性能测试研究［J］.公路交通科技，2009，26(8):16－21.DAN Han-cheng，LI Liang，HE Yao-chao，et al.Study on permeability test of asphalt pavement［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2009，26(8):16 －21.

［5］张清平.沥青路面现场热再生技术研究［D］.长沙:长沙理工大学，2011.ZHANG Qing-ping.Research on hot in－place recycling technology of asphalt pavement［D］.Changsha:Changsha University of Science and Technology，2011.

［6］但汉成，李 亮，罗苏平，等.SMA路面渗水性能试验研究与评价分析［J］.中南大学学报:自然科学版，2011，42(11):3536 －3544.DAN Han-cheng，LI Liang，LUO Su-ping，et al.Evaluation analysis and test for permeability of SMA pavements［J］.Journal of Central South University:Science and Technology，2011，42(11):3536 －3544.

［7］孙立军，张宏超，刘黎萍，等.沥青路面初期损坏特点和机理分析－重交通沥青路设计方法之一［J］.同济大学学报，2002，30(4):416 －421.SUN Li-jun，ZHANG Hong-chao，LIU Li-ping，et al.Characteristics and mechanism of initial failures on asphalt pavement－design method for Heavy－duty road(part1)［J］.Journal of Tongji University，2002，30(4):416 －421.

［8］苏 凯，武建民，陈忠达，等.山区公路沥青路面基面层滑移破坏研究［J］.中国公路学报，2005，18(3):56－60.SU Kai，WU Jian-min，CHEN Zhong-da，et al.Research on cutting－slippage between surface and base about mountain asphalt pavement［J］.China Journal of Highway and Transport，2005，18(3):56 －60.

［9］沈金安.改性沥青与SMA路面［M］.北京:人民交通出版社，2004.SHEN Jin-an.Modified asphalt and SMA pavement［M］.Beijing:China Communications Press，2004.

［10］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，2008.SHA Qing-lin.The premature damage of bituminous pavement on expressway and the countermeasures［M］.Beijing:China Communications Press，2008.

［11］沈金安，李福普，陈 景.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策［M］.北京:科学出版社，2004.SHEN Jin-an LI Fu-pu，CHEN Jing.Analysis and prevention of premature damage of asphalt pavement in expressway［M］.Beijing:China Communications Press，2004.

［12］孙立军.沥青路面结构行为理论［M］.北京:人民交通出版社，2005.SUN Li-jun.Structural behavior study for asphalt pavements［M］.Beijing:China Communications Press，2005.

［13］中交公路规划设计院.公路沥青路面设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2006.CCCC Highway Consultants.Specifications for design of highway asphalt pavement［S］.Beijing:China Communications Press，2006.

［14］叶俊杰.高等级公路车辆轴载特性研究［D］.西安:长安大学，2007.YE Jun-jie.Axle load characteristic study of high － grade highway vehicle［D］.Xi'an:Chang'an University，2007.

［15］交通部公路科学研究院.公路自然区划标准［S］.北京:人民交通出版社，1986.Research Institute of Highway Ministry of Transport.Standard of highway natural regionalization［S］.Beijing:China Communications Press，1986.

［16］何要超.路面结构在降雨条件下的非饱和渗流分析及排水性能评估［D］.长沙:中南大学，2009.HE Yao-chao.Analysis of unsaturated flow and evaluation of drainage system of pavement under rainfall condition［D］.Changsha:Central South University，2009.