连续上坡路段“白改黑"路面早期病害成因分析与处治方案研究

■连铭恒

（福建省交通规划设计院，福州 3 50004）

1 引言

沥青混凝土路面具有表面平整、无接缝、震动小、行车舒适、耐磨损、噪音小、适应变形能力强、密水性、弹性恢复性能好等特点，其高温抗车辙、低温抗开裂、抗疲劳性能优良，加之维修、养护方便，作为长寿命路面后期维修护费用低，总体路用性能优良。故在当下公路建设中得到了大规模的应用。随着国家经济和社会的发展，公路交通事业也得到了快速的发展，在保证经济效益比最大化的前提下，对既有水泥混凝土路面行车舒适度的提高，加铺沥青混凝土面层（简称“白改黑”）成了不二之选。近年来我省的公路改扩建及“白改黑”项目也陆续展开。但随之而来的也有“白改黑”存在的技术问题。

2 工程概况

某公路“白改黑”改造工程，路线长度2.3km，主线为双向4车道，标准路基宽度23m，平均纵坡4.70%，上行线为连续下坡，下行线为连续上坡。项目自然区划为武夷副区Ⅳ-6a，属亚热带海洋性季风气候，年平均气温19.8℃，极端高温38.4℃，极端低温-2.8℃，年日照时数1442～2043h，无霜期 270～299 天，年平均降水量 1608～2137mm。气候温和，雨量充沛，冬无严寒，夏无酷暑，四季常青，适宜亚热带作物和林木的生长。该项目工程可行性研究报告提供的交通量预测分析：项目建成通车第一年双向四车道路段设计轴载（100kN）双向平均当量轴次为937次/日，一个车道累计当量轴次为4636372次。该项目根据工可预测交通量和公路对路面强度、平整度、透水性、防滑、耐磨耗、耐久性、行车舒适等要求，并结合路段气候、水文、地质、材料来源、造价全寿命成本等情况，于2015年9月完成加铺改造，路面结构见图1所示。

3 早期病害

路面早期病害主要集中于面层，较为常见的有裂缝类病害、松散类病害、变形类病害及泛油等其它病害。产生病害的原因通常归结为：交通条件、气候条件、施工因素、材料因素等。该项目病害当前主要出现在下行线2.3km连续上坡路段的主车道轮迹带处，路段纵坡范围为3.006%～5.709%，主要病害表现为车辙、局部坑槽、推挤松散等。

图1 “白改黑”后路面结构

3.1 推挤松散

病害集中出现于主车道外侧轮迹带位置，沥青混凝土向车道外方向推挤，并隆起松散，发展后期在轮载积水影响下形成坑槽。该病害如图2所示。

3.2 塑变车辙

车辙出现部位以主车道为主，尤其是主车道外侧轮迹带，有明显塑性变形迹象，车辙周边隆起部位因变形产生不同程度的开裂或松散，车辙最大深度达到4～5cm。该病害如图3所示。

图2 推挤松散病害

图3 塑变车辙病害

3.3 坑槽修补

坑槽修补位置以主车道外侧轮迹带至外边线位置为主；坑槽病害总体上为上大下小特点，具有自上而下的发展特征。该病害如图4和图5所示。

图4 坑槽修补病害（1）

3.4 泛油

主车道与超车道轮迹带位置可见明显二次压密产生的路面泛油。该病害见图3.5所示。

4 成因分析

图5 坑槽修补病害（2）

图6 泛油病害

既有水泥砼路面加铺沥青砼面层的结构和材料性能的复杂性决定了其性能的多样性。路面性能和使用寿命与其结构设计、材料性能、材料组成及配合比、施工工艺、施工管理、施工机械、基层质量、车流情况、气候特征等多种因素有关。任何一个环节没有控制好，都将缩短沥青路面的使用寿命。考虑到龙岩地区重载车辆较多，本项目病害主要集中在连续上坡路段的主车道。连续上坡的坡度坡长、多轴车的占有量、重载车辆的爬坡速度等因素也与病害密不可分。

综上所述，并根据检测调查结果综合推断：本路段以“推挤松散”为主要特征的路面病害是由于沥青混凝土力学性能不足，在连续长大上坡路段多轴重载车辆荷载作用下于轮迹带处产生塑性流动变形，变形隆起部位（以轮迹带与外侧边线位置为主）由于变形量超出沥青混凝土承受能力而开裂松散，继而衍生坑槽病害。综合分析主要原因如下：

（1）本项目连续上坡的路段特性：连续上坡路段路面病害的形成与坡度和坡长密不可分，坡度越大，坡长越长，病害越严重。但坡度与坡长是双重因素作用于路面病害，对于坡度大、破长小，或者坡长大、坡度小的路段，病害并不严重，而对于连续爬坡路段通常是路面病害形成的高发区。

表1 沥青混合料试验检测结果汇总表

连续上坡路段本就是路面病害的集中区，加之项目所在地区多轴重载车辆较多，在连续上坡路段由于爬坡能力不足，速度较低，增加了荷载作用时间，车辆行驶表现为间歇的跳跃式前进，对路面产生一定的水平冲击力，对于沥青混合料这种粘弹性材料，车辆低速行驶相当于增加了荷载作用时间，轮胎与路面间摩擦产生摩擦热，沥青路面瞬间温度升高，沥青材料劲度模量降低，从而导致车辙迅速增加。

（2）沥青混合料沥青含量偏高：通过实验检测（检测结果见表1），沥青混合料中沥青含量较高，两次检测上面层沥青含量分别为6.03%、6.02%（未经修正，设计油量4.7%），下面层沥青含量分别为5.38%、5.58%（未经修正，设计油量4.4%），超出规范控制范围。

较高比例的沥青含量使得沥青混凝土中存在相当比例的自由沥青，造成沥青混凝土力学性能不足，在车辆荷载作用下使路面沥青层产生塑性流动变形，即推挤、车辙等病害。

（3）沥青混合料级配偏离：通过沥青混合料级配实验检测（检测结果见表1），上面层AC-16C沥青混合料有略微偏粗情况；下面层AC-20C沥青混合料严重偏细。

下面层沥青混合料严重偏细，在沥青含量偏高的情况下，进一步加剧弱化了沥青混凝土的力学抗剪性能；上面层沥青混合料略有偏粗，但影响有限。

（4）层间粘结不良：本次检测共取芯12处，其中5处因为断裂只取出上面层芯样；切割板板底平整面比例较大，表明：沥青层之间、沥青层与水泥混凝土板之间的粘结状况均不理想；项目也结合探坑取样，对沥青混凝土面层与水泥混凝土板间的粘结情况进行了观测，开挖状况显示：二者之间粘结状况不良，在周边切割情况下，可以通过外力将整块沥青混凝土（约50cm×50cm）撬动掀起，并且粘结界面处（板底）外观平整（如图7所示）。

对于沥青路面“白加黑”工程，由于水泥混凝土板与沥青混凝土间的巨大模量差异，层间粘结的作用尤其重要，层间粘结不良加剧了本项目路面的塑性变形病害。

（5）沥青粘附性不良：现场观察显示，病害位置沥青混合料的粘结情况较差，剥离现象明显，说明原抗剥落措施在路面推挤松散、泡水情况下，作用效果有限。

（6）路面坑槽、轮迹带泛油、松散等为路面推挤的衍生病害。

图7 切割板撬取状态图片

5 处治方案

道路沥青路面早期破损的主要形式是推移破坏，旧水泥混凝土板块对沥青混凝土面层粘结力不足是产生这种破坏的重要原因。同时，对既有水泥砼面板的病害处理也是不可忽视的重要环节，只有在老路质量合格的前提下，加铺沥青混凝土的耐久性才有所保障。根据《公路水泥混凝土路面养护技术规范》(JTJ 073.1-2001)，在进行既有水泥砼板块病破损害处理的过程中，本着节约投资、保证质量的原则，应着重注意以下几点：

（1）当板块有2条以上的贯穿裂缝或该板块有不少于两个的板角断裂，或者一个板角断裂面积大于1/4板块，但基层完好。针对这几种情况，先将混凝土板破除后，清扫基层表面松散部分，然后采用C35混凝土进行换板处理。

（2）当混凝土内仅有1条贯穿裂缝，或一个板角断裂，且板角断裂所占面积小于1/4块板时，只进行板块的局部维修。经过以上技术处理措施的混凝土板应达到以下技术要求：混凝土板弯沉 （BZZ-100）应不大于20（0.01mm），相邻混凝土板间的弯沉（BZZ-100）差应不大于 6（0.01mm）。

（3）裂缝维修根据损坏严重程度分别处治：① 若板内有裂缝且板内无错台，则不需要更换板，只进行裂缝维修既可，但经处理后，应满足板角弯沉（BZZ-100）不大于20（0.01mm），裂缝间弯沉（BZZ-100）差应不大于 6（0.01mm）的技术要求，否则应进行灌浆处理；② 若板内有裂缝且板内有错台，则应进行换板处理。

（4）对构造缝进行清缝、填缝等恢复处治。填缝采用混凝土路面专用填缝料。在混凝土板维修后，对填缝料已失效的构造缝进行清缝，清缝后重新灌缝处理。

（5）对于板与板之间发生错台的地方：若混凝土板与板之间发生错台，且错位位移在5mm以下，可以不进行处理；若错台位移在5～10mm之间，可采用磨平机磨平；若错台位移大于10mm，则需清除位置低的一块，然后按进行换板处理。

（6）当混凝土板板角弯沉 （BZZ-100）在20至40（0.01mm）时，该混凝土板视为脱空。对脱空板块进行灌浆处理。

（7）为了保证旧混凝土路面与新铺沥青路面很好地结合，主线沥青砼路面下面层加铺前应对水泥砼路面表面进行处理，铣刨干净后应进行清洗、风干、拉毛，其要求应不低于桥面凿毛后清洗的要求（厚度不低于6mm）。下面层施工中，为了避免施工车辆带走粘层，在粘层表面还应撒布一层热拌沥青碎石，同时施工中还应要求被车轮带走的粘层应及时补喷。

综合上述所述，提出整治维护建议方案：

（1）方案一（铺设特立尼达湖沥青）

铣刨旧路“主车道+超车道”沥青混凝土层后（若有破损的水泥板则进行维修），精铣刨+热沥青表处层间处理后，加铺单层10cmTLA（特立尼达湖沥青）改性沥青AC-16C面层（TLA掺量20%～30%）。如图8所示。

表2是基质沥青AH-70、SBS改性沥青、TLA改性沥青性能指标汇总。

通过表2可知，SBS改性沥青比基质沥青提高了一个针入度等级，软化点也有所提高，TLA改性沥青又比SBS改性沥青再提高一个针入度等级，这是其它一般沥青改性剂难以达到的。同SBS改性沥青相比，花同样多的钱，TLA改性沥青混合料能把道路承载能力的等级比SBS改性沥青混合料提高了一个等级。随着TLA掺量的增加，改性沥青各个温度的针入度均下降，软化点、当量软化点和粘度均上升，表明掺加TLA后，沥青的高温稳定性能得到了提高，而且TLA掺量较大时，改性效果更明显,但是TLA掺量过大会使得改性沥青的粘度较大而造成施工较困难，同时会提高TLA改性沥青的成本。

表2 基质沥青AH-70、SBS改性沥青、TLA改性沥青性能指标汇总表

综上所述，TLA改性沥青能够明显改善沥青混合料力学性能，具有良好的抗车辙性能，同时TLA改性沥青与石料粘附性好，能提高路面抗水损害能力，能极大地提高路面的抗荷载能力，并经久不坏（耐老化）。

图8 方案一路面结构

方案一主要是在保证施工质量的基础上，通过对原材料的改变来应对“白改黑”路面的早期病害。10cm单层施工减少界面缺陷机率，有利于保持路面整体性，且路面标高保持不变，同时，随着国内外沥青价格的节节上涨，TLA改性沥青价格已经与SBS改性沥青的价格基本持平或略低。

（2）方案二（加厚沥青混凝土层）

铣刨旧路单幅沥青混凝土层后 （若有破损的水泥板则进行维修），精铣刨+热沥青表处层间处理后，加铺8cmATB-25+5.5cm SBS改性沥青AC-20C+4.5cm SBS改性沥青AC-13C。如图9所示。

图9 方案二路面结构

该方案主要是在保证施工质量的基础上，通过加厚沥青混凝土层来减缓应力反射，同时提高沥青混凝土层抗荷载能力。但该方案改变了加铺层厚度，同时需改变护栏等设施的净空高度，改造动作较方案一大且造价较高。

（3）方案三（增设应力吸收层）

铣刨旧路单幅沥青混凝土层后 （若有破损的水泥板则进行维修），精铣刨+热沥青表处层间处理后，加铺2cm应力吸收层 +5.5cm SBS改性沥青AC-20C+4.5cm SBS改性沥青AC-13C。如图10所示。

沥青混凝土路面层间的力学机理十分复杂,在重复荷载应力和变温应力作用下,沥青层拉应力、剪应力可能呈现各种复杂情况。该方案主要是在保证施工质量的基础上，通过增设应力吸收层来遏制应力反射，同时提高沥青混凝土与既有水泥砼路面的层间粘结力。

但方案三也改变了加铺层厚度，同时需改变护栏等设施的净空高度，改造动作较方案一大且造价较高。

图10 方案三路面结构

6 结语

沥青路面早期破损被交通部列为公路工程 “八种类型大质量通病”之一，福建省是山岭重丘较多的地区，随着公路的日益发展，路线设计中不可避免的遇到长陡坡的问题，在无法限制交通荷载作用的条件下，如何改善长陡坡沥青路面抗车辙性能是当前无法回避的问题。本文通过抽样检测，结合现场实际情况调查，分析了道路结构设计、原材料质量、施工状况、路面早期破坏的影响，对连续上坡路段沥青路面各种车辙病害的成因分析，提出了程处治措施的方案，可供类似工程参考。