福建省组合式沥青路面结构性能分析

2015-11-01孙亦纯泉州市城市规划设计研究院

建材与装饰 2015年6期

孙亦纯（泉州市城市规划设计研究院）

福建省组合式沥青路面结构性能分析

孙亦纯
（泉州市城市规划设计研究院）

随着我国交通状况的变化，半刚性基层沥青路面遭遇到重载交通和早期损坏两大挑战，因此，提出能适应重载交通的长寿命与性能沥青混凝土路面设计方法，对目前重载交通高速公路的工程建设和养护将具有重大的经济效益和社会意义。本文通过对福建省组合式沥青路面结构的性能综合分析，得出组合式沥青路面结构比典型半刚性沥青路面结构在车辙、水损坏、耐久性、开裂等各项性能上更具结构优越性，满足长寿命路面的要求。

组合式结构；沥青路面；级配碎石；沥青稳定碎石

1　前言

我国高速公路建设发展迅速，至2013年底，高速公路通车总里程达到10.4万km，已超过美国跃居世界第一位。但在高速公路快速发展的同时，由于我国的公路整体建设起步较晚，技术力量储备较弱，前期经济基础较差，高速公路沥青路面建设中的一些问题逐渐显现出来。一些高速公路建成通车后不久，就发生了车辙、水损害、开裂、坑槽、泛油等早期损坏现象，不得不进行大面积维修，造成了巨大的经济损失及不良的社会影响。

造成我国沥青路面早期损坏的原因是多方面的，材料、施工质量等是一方面原因，半刚性基层沥青路面结构暴露出的一些缺陷和不足也是另一个重要原因。长期以来半刚性基层沥青路面的结构是我国主要的结构型式，为我国的公路建设，尤其是高速公路、一级公路的发展发挥了重要的作用。在我国严重缺乏沥青，经济能力有限的情况下，半刚性基层承担了日益增长的荷载，为发展沥青路面起到了无可替代的作用，并写下了光辉的一页。因此发展半刚性沥青路面结构满足了我国公路发展初期的国情需要。但是，随着我国高速公路飞速发展和总里程的不断增加，现有的半刚性沥青路面早期损坏突出、耐久性差，达不到设计年限就开始大修的使用问题逐渐突显，特别是近些年来随着对公路工程的耐久性和长期性能的要求越来越高，我国广大工程技术人员开始研究半刚性基层沥青路面的优缺点和适用性。在这种背景下进行新型沥青路面结构型式的应用研究已经成为我国提高沥青路面的耐久性、延长使用寿命的重要课题。

2　福建省组合式沥青路面结构的应用

2.1福建省自然条件

福建省处于北纬23°31′～28°18′之间，靠近北回归线，境内温暖湿润，年平均气温17～21℃，平均降雨量1400～2000mm，省内以山地丘陵为主，占80%以上。

按照中华人民共和国《公路自然区划标准》（JTJ003-86），福建省自然区划为Ⅳ4浙闽沿海山地中湿区、Ⅳ6武夷南岭山地过湿区和Ⅳ6a武夷副区。按《公路沥青施工技术规范》（JTGF40-2004）气候分区为1-4-1区。

福建地形以山地丘陵为主，由西、中两列大山带构成福建地形的骨架。两列大山带均呈东北-西南走向，与海岸平行。

福建省属于暖热湿润的亚热带海洋性季风气候，冬短夏长。高温炎热天气天数和高温持续时间长、日照时间长，以2009年为例，全省高温时间从7月份持续到9月中旬，共出现5次高温天气过程，49个县（市）日最高气温≥38℃；日最高气温≥35℃的最长连续日数达到16d。同时，福建降雨量充沛，且暴雨频率高。

综上所述，福建省气候炎热、多雨潮湿，夏季时间长，这些自然条件将增加高速公路的铺筑难度。

2.2福建省高速公路交通荷载情况

福建省高速公路目前交通量不太大，但是随着福建省高速公路与周边省份的联通以及经济的发展，将使后期的交通量迅速增加。从福建省的货车发展趋势看，专用汽车呈现出向厢式化、重型化、智能化、高档化、多极化发展的趋势，其中表现比较明显的是：普通货物运输箱式化；专用汽车运输重型化；货物运输专业化；特种用途车辆发展迅速。同时调查中发现有许多运输业主将新车买回后，通过更换弹簧钢板、加固大梁、加高车厢、变换厚轮胎增加刹车水箱等途径进行加固改装，改装后的货车承载能力增强，带来的超载情况也非常严重，统计表明大、中型货车的超载重量是标准载重量的50～120%。通过调查南平地区交通特性发现，货车在所有交通量占到了75.5%，货车轴型较多，其中后单轴货车最多，后双轴及以上货车也占了很大比例。而龙岩地区后双轴、三轴比例更高；部分地区超载严重，平均超载率最大的为限值30t货车，即后双轴货车，其中20t最大的超载率达38.2%，30t达77.8%，40t达50%，50t达27.9%。对福建省3条高速公路治超时动态称重系统（WIM）测得的实际轴重数据，通过计算可以得到福建省不同轴载的轴重分布情况，按照《我国超限车辆行驶公路管理规定》（交通部2000年2号令），单轴、双联轴和三联轴载重分别超出10t、18t和22t为超限，按照此标准三轴轴载类型超限比例分别达到6.6%、37.7%、59%，三轴轴载类型合计占总分析交通量的17.8%，占总货车交通量的30.7%。

荷载的增加导致车辆轮胎印迹宽度变化较小，长度变长，轮胎接触压强变大，已经超出了规范的0.7MPa设计要求，如一般解放CA10B、东风EQ140主车额定载重50kN，而实际载重高达80～100kN，轮胎气压普遍为0.9～1.0MPa，红岩、斯太尔主车额定载重150kN，实际载重可达380kN，轮胎气压一般为1.0～1.1MPa。根据相关数据，福建省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。

在高温情况下，重载在沥青路面中产生较大的剪应变，使沥青路面抵抗剪切变形、侧向流动的能力降低，导致沥青路面过早地产生车辙。

2.3福建省高速公路组合式沥青路面结构的应用

福建省早些年某些高速公路路段发生不同程度的早期损坏，其主要损坏表现型式有：

（1）沥青面层早期损坏：水损害、唧浆、松散、坑槽、车辙、泛油等破坏；

（2）桥面铺装局部破损；

（3）结构物连接不顺畅、桥头及接缝跳车；

（4）路基沉降，如软土路段、高填方路堤；

（5）高边坡滑塌；

（6）半填半挖路段的沉降和开裂。

由此可见，水损害、松散、坑槽、车辙、泛油等病害是福建省高速公路沥青面层早期损坏主要形式。福建省气候炎热、多雨潮湿，高温持续时间长，山区丘陵比例多，高速公路纵坡较大，同时重车比例大，高速公路的外部条件比较复杂，高速公路的铺筑技术难度大。

为此，福建省以提高高速公路沥青路面长期性能和耐久性为目标，通过充分论证和铺筑试验路及实体工程验证，开展南方湿热地区高速公路沥青路面新型结构的研究，最终推荐表1路面结构形式。

表1　

该路面结构形式做为福建省组合式沥青路面结构的典型代表，广泛应用于后期建设的高速公路当中，包括沈海高速扩建、浦南高速、龙长高速等。

3　组合式沥青路面结构性能分析

现选取典型半刚性结构和组合式沥青路面结构等两种结构形式，对其各项路用性能进行综合比较分析，结构形式见表2。

表2　路面结构形式对比表

3.1车辙分析

一年之中温度、荷载等因素是不断变化的，如交通量、荷载大小以及每一时刻的温度均随时间在不断变化，同时路面材料的性质也随时间会产生较大的变化，最终沥青路面车辙量应该是每天每一时刻的变形不断累积的结果。在白天或夏季，路面结构温度较高，沥青混合料的模量降低。在春季或雨季土基的含水量增加，也会造成路面结构的整体强度下降。如果在某个时间段内，路面结构的整体强度因环境因素的影响而下降，且这一时间段交通又较为集中，则路面结构在这一时间段内发生的破坏将远远大于其他的时间段。为此有必要对福建省典型温度、交通荷载条件下的高速公路沥青路面的车辙损坏进行进一步影响分析。

为了全面分析福建省的温度条件和典型荷载条件对沥青路面车辙的影响，借助AASHTO 2002年ME-PDG软件程序进行天气、交通荷载和不同车速耦合作用下车辙分析。

图1　典型半刚性结构与组合式沥青路面结构车辙分析对比图

根据图1分析结果，相同情况下，新型结构的车辙要明显小于半刚性基层结构。与传统的半刚性结构相比较，26cm沥青面层的组合式结构的车辙量可以降低45～50%。

3.2水损坏分析

水损害是沥青路面早期破坏的主要表现形式，福建地区夏季天气炎热，雨季持续时间长，雨量大，在大交通量的作用下，沥青路面的水损害现象显得较为突出。半刚性沥青路面的水损坏主要有两种形式：①从沥青路面表面层开始的，即“自上而下”的水损坏，沥青膜逐渐从骨料上脱落，进而出现沥青混合料松散、掉粒，并逐渐发展成为路面坑槽；②从沥青路面中下面层开始，即“自下而上”的水损坏，致使其承载力下降，表面层出现泛浆、网裂等病害，典型路段发生水损害破坏的地方一般是渗水较严重且排水不畅的部位，挖开路面可见其下有积水或浮浆，自下而上的水损坏发生的结构层位较深，对路面结构影响大，属于结构性破坏，因此危害性更大。

与半刚性材料相比，级配碎石具有一定渗水性能，能够实现结构内部的有效渗水，降低结构内材料的饱水时间，同时级配碎石基层能够极大降低沥青层的动孔隙水压力，从而能够极大降低结构性水损坏的产生。级配碎石的良好渗水性能是保持新型结构路面耐久性的一个前提条件。设置级配碎石基层，增加结构内部的渗水，降低动水压力、特别是中下面层内部的动孔隙水压力，提高结构抗水损坏性能，对于减少福建省多雨潮湿条件下的沥青路面水损坏具有重大意义。

3.3结构耐久性影响分析

半刚性材料由于湿度和温度的收缩作用会在使用初期即出现横向收缩裂缝，使结构层断裂成板块状。结合料的胶结作用较弱，粗集料同结合料和细集料基质之间的粘结在受到较小的拉应变或拉应力时便会丧失，从而在基层内产生微裂隙，受其影响，混合料的抗拉强度以及相应的抗拉回弹模量随之降低。因此，半刚性基层在使用过程中，随着荷载的反复作用，微裂隙由基层的底面逐渐向上发展，使具有抗拉能力的基层有效厚度逐渐减小，在裂隙发展到基层顶面时，整个基层碎裂成小块，其有效模量便降低为接近于粒料的模量值。因此，半刚性材料有着模量随时间不断衰减特性。

而级配碎石对干湿、温度的变化不太敏感，不会产生干缩、温度裂缝而导致自下而上的结构性反射裂缝，同时其强度不会随龄期逐渐衰减，因而具有较好的耐久性和稳定性，这对于长寿命结构的稳定性和耐久性非常重要。

考虑到半刚性材料的模量衰减特性，而级配碎石的承载能力又较低，可以通过增加沥青层的厚度来实现沥青路面长寿命和耐久性。在较薄沥青层时，增加沥青层厚度对于疲劳寿命影响不明显，但是一旦沥青层厚度增加到一定程度，结构疲劳寿命会随着沥青层厚度增加将非常显著，每增加1cm将增加结构疲劳寿命近1000万次。因此对于大交通量道路，采用较厚沥青层路面对于提高路面耐久性具有非常重要的意义。

3.4纵向开裂分析

纵向裂缝是沥青路面较为典型的开裂形式，主要原因在于：

（1）路表产生较大温度梯度，从而使得沥青混合料模量内也产生较大梯度，在荷载作用下路表产生较大应力；

（2）路表沥青老化，沥青层模量较高，在荷载作用下路表产生较高剪应力。同时路面基础刚度增加会增加表面开裂，特别是对于半刚性基层或者硬路基；较硬的结构层离路表沥青混合料越近，较软的沥青混合料更容易产生表面纵向开裂。

图2分别为两种结构的纵向开裂累计发展情况，可以看出18cm的典型半刚性结构的纵向开裂较26cm组合式结构的纵向开裂大得多，前后结构纵向开裂量相差11.5倍。同时模量较低的沥青混合料较为柔软，而模量很高半刚性材料具有较高的板体性，这样结构层之间变形不协调会增加路表的拉应力，从而会加大表面裂缝的产生。此时如设置级配碎石层，会显著改善基层与面层的变形随从性，会显著降低表面裂缝。