分期修建薄层路面罩面时机与维修方案研究

郭少华

(辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

0 引言

辽宁省地处我国东北，为季节性冻土地区，冬季寒冷，夏季炎热，统计了辽宁省2010年以后通车的十余条高速公路，典型路面结构为:3.5cmSMA-13L+5～6cm LAC-20+7～8cmAC-25+37～40cm水稳碎石基层+15～20cm级配碎石垫层，路面厚度70～78cm，沥青面层厚度15.5～17.5cm。某高速公路位于辽宁东北部，桩号范围为K0+000～K86+300，路面宽度22.5m，路基宽度26m。由于处于高速公路网的末端，交通量较小。初期建设的面层结构为5cm改性沥青LAC-20+7cmAC-25，预留3.5cmSMA-13L表面层未实施，沥青层仅12cm。

该高速公路所在区域属于半干旱、半湿润大陆性季风气候区。年平均降水量678～738mm，年平均气温5.1～6.5℃，极端最高气温35.2～36.5℃，极端最低气温-36.3～-41.7℃，冬季寒冷是该区域的显著气象特点。

统计分析了历年的交通量数据，该高速主要交通组成为小客车，其自然数占比达80%左右。设计年限内路面结构所承受的累计大型客车和货车的交通量为150万辆，其交通等级属于轻交通。

1 路面技术状况

依据2019年7月道路综合检测结果，对各项指标进行统计评定分析，其总体评定结果为：路面使用性能PQI全线平均值为90.55分，路面损坏状况PCI全线平均值为83.48分，平整度RQI全线平均值为95.05分，车辙RDI全线平均值为95. 05分，跳车指数PBI全线平均值为97.13分。检测并统计了该高速公路历年路面使用性能指数及其分项指标，从图1中可以看出，除2016年大量灌缝后路面技术指标上升外，2017～2019年间，路面使用性能指数PQI和路面破损指数PCI逐年下降，而行驶质量指数RQI和车辙深度指数RQI较为稳定，因此PQI指数的下降主要源于路面破损的持续发展。

2 路面病害诊断

该路段2012年通车运营，从2015年开始，该公路路面开始逐渐出现横纵向裂缝，且裂缝数量逐年增多，养路部门每年进行大量的灌缝工作，以防止雨水渗透加剧路面破损。随着运营年限的增长，在车辆荷载、自然老化的共同作用下，裂缝周边开始出现大量的微裂缝，已经无法通过灌缝来维持路面使用性能。

2.1 病害分类

该项目路面存在的病害有横缝、纵缝、松散、老化以及局部坑槽，其中最主要病害为纵向裂缝，为便于分析病害的发展深度并确定维修方案，根据裂缝的密集程度和发展深度，将不同病害段落进行了分类：

(1)间断纵缝：间断或一条纵缝，共115.3车道公里，占比33.4%。

(2)轻度纵缝：2条纵缝，共87.2车道公里，占比25.3%。

(3)重度纵缝：3条及以上纵缝或块裂，共22.4车道公里，占比6.5%。

通过路面典型病害的取芯进一步探寻路面裂缝的发展深度，共取芯100个，通过统计分析可以发现，路面间断纵缝主要为1cm以内的浅层病害，而轻度纵缝多发展至表面层，重度纵缝路段则多半沥青层完全开裂，另有17.9%的重度纵缝芯样基层出现开裂。

2.2 病害成因

(1)冻胀引起的局部开裂

由于沥青混合料未经车辆碾压进一步密实等原因造成孔隙率大，致使冬季融化的雪水进入混合料内部，产生冻胀造成了局部开裂。局部裂缝进一步发展、连通形成大量的纵、斜向裂缝。

(2)上面层单独受力，产生疲劳破坏

由于层间粘结不良，尤其是上、下面层之间产生滑动，致使上面层单独受力，进而产生疲劳开裂。

为了准确了解路面结构在不同层间接触状态条件下路面的受力状况，计算了在双圆均布垂直荷载作用下，层间滑动和层间连续两种状态的路面应变情况，计算位置在平面上选取了4点，分别为A(单圆荷载中心)、B(单圆荷载边缘)、C(轮隙4等分处)、D(轮隙中心)，在深度上选取了沥青层表面(h=0)、表面层层底(h=5cm)、下面层层底(h=12cm)，见图3。

表1 不同层间连接状态下路面内部沥青层拉应变计算指标表(单位：με)

沥青层层底拉应变指标主要表征沥青层的疲劳特性，其指标大小与沥青层疲劳寿命成反比，即拉应变数值越大，沥青层疲劳寿命越短。通过上述计算数据可以看出，在层间接触状态为连续的情况下，表面层层底、下面层层底和路表的A、B两点都是处于受压状态，即沥青层不可能出现疲劳破坏。只是在C、D点出现了拉应变，且数值较小。

对于层间光滑的条件下，除路表A点受压以外，路面各层的各点都处于受拉状态，对路表最大拉应变出现在C点，而对表面层底和下面层底最大值都出现在A点，且整个沥青层拉应变最大点出现在表面层层底的A点，但表面层层底数值和下面层层底数值相差较小。说明了在层间光滑的条件下，沥青层非常容易出现疲劳裂缝，尤其是表面层厚度较薄时拉应变数值会更大，如果此时上面层的沥青饱和度较低时，即使在很小的交通量下，上面层也可能发生疲劳破坏。

通过计算，自通车至2019年，原路共承受荷载作用100.2万次，而上面层只能承受85.1万次荷载作用，路面出现疲劳破坏。

(3)温度收缩引起开裂

一般来说，温度收缩只会产生横向裂缝。2019年5月项目组对该高速公路的裂缝情况作了现场调查，得到横缝间距情况如表2。其中横缝最密集路段间距只有6m左右，意味着该沥青混合料只能抵抗6m范围内的温度收缩应力，而半幅沥青路面宽度为11.25m，故部分路段会在道路中部产生一道纵向开裂，以释放横向的温缩应力。作为对比辽宁省同类地区路面横向裂缝间距一般为20～30m，说明薄层路面的抗裂缝性能较差。

表2 典型路段横向裂缝统计表

3 路面养护时机

通过分析该高速公路沥青PCI指标的变化规律，应用参数自适应方法拟合逐路段的PCI衰减规律，进而得到该高速路面总体PCI指标衰减模型。从PCI指标发展趋势可以看出，在通车初期，PCI指标逐年平稳下降。在2017年至2020年间PCI指标的下降速率明显加快，表明路面的破损状况已经开始进入加速破坏的阶段，预计在2020年PCI指标将达到80分左右，需要及时进行维修。随着通车年限的增加，破损状况逐渐加重，如不及时进行路面养护维修处理，按照目前的预测，2025年该高速公路PCI指标可降低至40左右。

根据PCI衰减预测模型得到推迟维修将会增加的维修费用，推迟至2021、2022、2023、2024年维修分别需增加1611、3563、6120、9341万元。因此综合考虑路面性能和经济情况，在2020年进行路面维修是合适的。

4 维修方案

结合本高速公路现状病害较多的情况，且路面结构较薄，因此维修的总原则为路面病害处理后进行加铺罩面。由于原路存在严重剥落和大量的裂缝深度在1cm范围内的微裂缝、间断纵缝，病害处理方案为全断面铣刨1cm后，再根据各种病害类型的发展深度，铣刨至相应层位后重铺沥青层。全部病害处理完毕后，可采用4cmSMA-13L、4cmAC-13或2cm超薄磨耗层罩面。

SMA混合料具有更优异的高温抗车辙、低温抗裂以及使用寿命，但是造价较高，而超薄磨耗层由于厚度较薄，其造价最低，但是使用性能相对较差，AC型混合料居中，为评价不同罩面材料优劣，采用全寿命周期的费用性能比作为评价指标。

4.1 费用

结合辽宁省的历年经验，SMA-13L、AC-13F和超薄磨耗层三种罩面材料的设计使用寿命为：15年、10年和5年。三种罩面首次施工均在2020年。为保持路面状态，超薄磨耗层罩面需在2025年及2030年再进行两次罩面；其它两种罩面在2030年实施一次超薄磨耗层罩面。费用计算时将工程实施的拌合站建设、交通封闭等措施费用，以及罩面前所需的原路病害处理费用，折合成罩面材料的每平方米费用得到造价时值，再按年利率6%计算贷款利息，并按10%进行折现，得到三种罩面类型15年内总费用。

表3 全寿命周期内三种不同罩面材料的费用(元/m2)

4.2 费用性能比

路面使用性能包括高低温性能、耐久性等多方面，为便于量化，抗裂性能依据混合料低温弯曲指标、抗滑性能依据横向力系数指标、抗车辙性能依据动稳定度计算而得，均以AC-13F为基准，另外两种材料的数值是相对AC-13F的比值。

考虑到该高速车流量小，对抗车辙性能等要求不高，只考虑疲劳及抗裂计算性价比。三种材料的性价比排序为AC-13>SMA-13>超薄磨耗层。

沥青路面使用寿命和其厚度是密切相关的，采用SMA或AC罩面，沥青层较超薄磨耗层罩面多2cm，路面沥青层抗疲劳寿命更高。且AC结构施工相对简单，对拌合站、施工人员素质、原材料要求均低于另外两种罩面类型。

根据上述分析，推荐采用AC-13F进行罩面。同时在配合比设计时采用细级配，高油石比，提高其使用寿命及抗渗水性能。

5 结论

交通量较小的公路路面分期修建可以缓解建设期的资金压力，但是其路面病害的发展和技术性能的衰减较同等条件下的典型路面结构明显更快。以辽宁省某高速公路为例，通过调查取芯及计算分析了其主要病害纵向裂缝是由稳定应力、路面冻胀、拉应变疲劳共同造成的，并通过PCI指数的衰减模型分析其适宜的加铺时机，最后通过全寿命的费用性能比指标计算，推荐在2020年加铺4cmAC13-F。