高速公路沥青路面病害分析及养护办法

罗运辉

（广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东 广州510507）

0 引言

高速公路作为我国最基本的基础设施，能够为城市系统的稳定运行提供重要支撑，高速公路建设里程在广东省内已经达到了10000km以上，且增长幅度位居全国第一，养护运营理念正逐步替代落后的扩张施工模式。广东省内高速公路路面结构90%以上多采取沥青混合料进行施工，沥青路面的结构性能就需要开展周期性的养护管理，否则各类型路面病害的出现会导致行车稳定性、安全性的下降。传统的沥青路面养护方式多采取单一病害处治方式，考虑到沥青路面病害相互影响、相互作用，新型养护技术需要随着工程实践及沥青路面结构进行不断优化，以便实现针对性的经济养护措施，减少路面设计施工支出过高、偏于保守的缺陷。

1 项目背景及路面结构

1.1 工程概况

广东省内某高速公路建设完工于2010年，且至今（2021年）运营通车11年，根据历年检测报告及养护设计资料显示，随着使用年限的不断递增，高速公路沥青路面结构性能在不断衰减，不过通过技术指标PCI和PQI的分析，沥青路面的整体状况较好，对于局部路段的病害养护管理具有现实推广意义。该高速公路是G80广昆高速公路的重要路段，路线全长为98.405km，全线为四车道，其中设计速度100km/h，路基设计宽度为26m，一般路段采取半刚性基层沥青混凝土路面。该高速公路全线位于广东省低山丘陵与沿海平原之间的台地区，以台地为主，间夹冲积平原或谷地，偶有低山丘陵。地形平缓，起伏不大，一般高程在20～140m，高差15～40m；本区位于北回归线以南，属南亚热带季风海洋性气候，温湿多雨，夏无酷暑，冬无严寒，年平均气温自北而南22～23.2℃，极端最高气温36.8～39.9℃。本区雨季雨量充沛，特别是初夏及热带气旋的暴雨，地表径流强劲，此外早春长期的低湿阴雨，有利雨水的渗透。水害往往是公路病害的直接原因或诱发原因，强劲的径流往往摧毁公路、桥梁，雨水的渗透导致路面翻浆。该高速公路交通量较大，日交通量呈不断扩增的态势；沿线隧道桥梁数量较多，其中包含桥梁121座，全长可达25882m，隧道18座，全长可达20568m，桥隧结构和高填深挖路基交错间隔，隧道和一般路段就形成较多的搭接。

1.2 路面结构

该高速公路一般路基段、连续下坡路段、岩石路基段面层由4cmAC-13（上面层）+6cmAC-20（中面层）+8cmAC-25组成，其中连续下坡路段中面层采用改性沥青；中小桥面铺装、大桥特大桥桥面铺装由4cmAC-13（上面层）+6cmAC-20（下面层）组成，其中大桥特大桥桥面铺装下面层采用改良沥青。沥青路面基层由36cm水泥稳定级配碎石+20cm水泥稳定碎石+20cm未筛分碎石组成，其中岩石路基段未设置底基层。

2 高速公路沥青路面病害分析

2.1 病害类型

该高速公路全线大部分路面结构较为完整，仅在部分环境严峻、重车超载等区域存在较为明显的结构破坏，现场调查的主要路面病害有车辙、裂缝、坑槽；在长期的高速公路运营期间，沥青路面极容易由于降雨、温度变化、车辆冲击等因素造成不同程度的损伤破坏，沥青混凝土路面不同病害类型相互作用，继而形成整体较为复杂的病害系统。

裂缝是高速公路沥青混凝土路面最为常见的病害形式，裂缝可以根据其不同特征分为以下几种，即纵向裂缝、横向裂缝、网状龟裂裂缝、不规则裂缝。横向裂缝主要垂直于路面行进方向，根据裂纹的宽度可以分为重度、轻度裂缝。轻度横向裂缝宽度在5mm以内，且裂纹没有出现轻微剥落现象；重度横向裂缝的宽度大于5mm，裂纹明显剥落。纵向裂缝则平行于车道行进方向，也可以根据裂纹宽度分为轻度和重度两类。网状龟裂裂缝则主要是由较多的纵向裂缝和横向裂缝交叉组成[1]。现场调查的纵、横向裂缝缺陷如图1所示。

坑槽是高速公路沥青混凝土路面结构缺陷较为严重的表现形式，坑槽是水损破坏的类型，整体表现为凹状结构，坑槽根据相关技术规范被定义为松散类损害，不同的坑槽具备表1所示特点。

表1 沥青路面坑槽特性

车辙是沥青路面结构特性衰减和行车状况严峻两者相互结合而造成的病害，车辙可以根据形成原因分为永久性、磨损性、失稳性、压密性车辙。不同车辙具备不同特点，失稳性车辙通常出现在一些山区严峻行车环境沥青路面的上坡路段，其危害程度十分明显，失稳性车辙表现为W形状，主要由行车车速、车轮结构、车辆行驶所受到的横向力所造成；结构性车辙则表现为U形状，其主要是由于公路路基受到环境荷载而产生的永久变形，主要特点是宽度较大、变形尺度较小，极难经过后续技术手段进行有效修复；磨损性和压密性车辙则主要是车辆荷载、外界环境反复对沥青路面结构造成冲击、碾压、侵蚀所造成的[2]。现场车辙病害如图2所示。

2.2 现场取样检测

该高速公路检测技术人员分别在裂缝段、坑槽段、车辙段、完好段进行芯样钻取，大板切割工作，并且测定不同芯样结构层的厚度、层间黏结效果和完整性。沥青路面结构层厚度180mm，水稳层厚度达到了560mm，技术团队的钻深深度控制在700～800mm，以便取出全部上部水稳层和路面结构层，其中路面芯样的直径控制在180mm。使用风镐撬取经过岩石切割机切割的沥青结构板块，尺寸控制在长×宽×厚为350mm×350mm×150mm。现场采样过程中沥青层厚度需要小于切割深度，风镐使用中需要确保沥青板块的完整性。检测工作包括车辙深度、钻芯、FWD检测、渗水试验、激光弯沉试验，其中FWD试验主要针对结构层模量、路面结构系数、路面结构性能的评定；激光弯沉试验则主要针对路面结构性能、路面结构系数的测定。现场检测内容如表2所示。

表2 现场检测内容

2.3 路面病害原因分析

该高速公路多个路段路面产生了坑槽，且坑槽群分布较为集中，高速公路养护管理部门在项目通车运营以来投入了大量资金进行坑槽的修补处理。高速公路AK177+300-AK177+600路段中就具备密集坑槽群，技术人员针对该路段开展了检测工作，根据室内开展的芯样钻取分析中的孔隙率和油石比数据，该路段路肩路面并没有经受车辆荷载作用，相对于原来行车路面状态保持一致；且路肩上面层孔隙率经测定控制在8.4%～8.6%，中面层孔隙率测定数据保持在4.5%～6.1%，下面层孔隙率在1.3%～1.6%；根据相关技术规范标准，当沥青面层的孔隙率超过8%时，容易坑槽破坏，而路肩上面层、中面层孔隙率在4%～9%，由此可以认定，路面坑槽病害的产生主要归因于沥青面层上部结构孔隙率过大，造成水损破坏[3]。

裂缝的形态和分布规律、形成机理随着裂缝种类的不同而有较大区别，裂缝病害路段（BK170+640-BK172+620）具体有以下几个方面的特点，路基土体并没有达到固结完全，这导致孔隙水压力不断消散、沉降持续发生，沉降最后表现为不均匀；路基压实度在横向分布不均匀，在重载或者超载车辆作用下就会造成路面横向的持续破坏；水稳基层的完整度不够，导致局部路段出现承载力欠缺的情况。通过病害路段路面的结构特点，裂缝产生原因可分为以下五个方面。一是横向裂缝多是温度裂缝，病害路段的昼夜温差极容易引起面接结构的低温收缩，继而产生结构内部的温度应力，路面结构多采取改性沥青，内部的混合材料具备较低的抗拉强度，温差的反复循环造成结构薄弱处的拉应力破坏，并且结构上面层的沥青稠度较大，针入度较小，难以抵抗较大的温度应力差，而沥青较稀则能够有效改善温度应力抵抗水平。二是横向裂缝发生在路面结构和周围构造物连接处，则主要是由于构造物附近的填土路基施工完成之后，沉降观测工作并没有有效开展，下一道工序的施工往往出现在沉降变化大于1mm/(3d)时就进行。三是该路段部分纵向裂缝表现为不连续且细而短、密集分布，这主要归因于路段路基沉降不均匀造成沥青面层的张拉。路基不均匀沉降则是在填土阶段或者地基处理过程中路基横向性质的不均衡所造成的，如地表水渗入地下结构，则会造成路基的不均匀沉降加剧。四是弧形纵向裂缝则主要发生在局部低洼路肩部位，该区段路基一旦遇到强降雨情况，路堤两侧就会积聚大量地表水。此时排水设施如果不通畅，则会形成较为明显的路基下部弧形水线，固结变形产生在边层土体中，造成路肩位置的弧形纵向裂缝。五是网状裂缝（龟裂）则主要是水稳层基层并没有形成完整的整体性结构，沥青面层的承载强度不足导致车辆行驶密集下产生局部网状裂缝，并且有路面沉陷现象伴随。

BK121+400-BK122+900段产生较为严重的车辙病害，深度可达到45～50mm，现场检测人员对该段进行了以下内容的检测，以便揭示车辙产生原因：开展3个断面的凹处、凸起、路肩钻芯取样工作，分析路面结构层厚度和取样完整性；在车辙严重的路肩位置，采取沥青面层板块的切割，2个板块用于动稳定度的检测，1个板块用于碎石级配、油石比的检测，其中沥青层的油石比、抗剪强度、碎石机配需要在实验室中进行测定。根据检测数据表明，严重车辙病害处的水稳层芯样模量、强度相较于完好路段，差异较小；车辙严重处沥青面层芯样的抗剪强度相较于完好路段要小，前者抗剪强度均值在0.4MPa，完好路段的抗剪强度则达到了1.2MPa；车辙产生的主要原因是沥青路面层结构抗剪强度过低。经过调查，路面沥青结构强度低主要是由于上、中面层之间存在施工过程中过量洒铺的富油夹层。相较于路肩路面，3个断面凹处下面层差异较小；相较于路肩沥青上中面层厚度，凹处断面上中面层厚度要较小。为此，技术人员判定车辙主要产生于上中面层。

3 病害养护方式

3.1 裂缝修复

对于路基不均匀沉降造成的纵向裂缝发育路段，当前常用的修复方式是进行水泥浆灌注，继而采取沥青层调平加铺路面；灌浆施工之前，需要加强对路面的养护管理，采取防水填缝措施以便有效降低裂缝沉陷的持续发展；其余密集裂缝的产生多由于水稳层松散，继而出现路面沥青结构的疲劳破坏。考虑到该病害路段面积较小，为实现新旧路面的平顺连接，则可以对损坏路面进行有效全方位挖除，继而进行沥青罩面和水泥混凝土路面的铺筑处理，最终达到符合路面形式效果。

3.2 车辙修复

对于沥青路面结构车辙的修复则主要有就地热再生法、微表处法。其中，微表处法则主要依赖改性沥青作为黏结材料，在施工现场进行冷拌处理，具备造价成本低、适用范围广、污染程度小的特点，并且能够有效提升路面的承载强度。就地热再生法则主要是对原地面进行加热重新融化，并且对旧沥青混合料重新回收，采取新型再生剂重新拌和、摊铺碾压，最终形成新型路面结构层。就地热再生技术对于公路工程可持续发展具有十分积极的现实意义，但是值得注意的是，就地热再生技术过于依赖再生剂，不拌入新型沥青及掺和料，对于路面性能及混合料级配无法再次优化。

3.3 坑槽修复

沥青路面坑槽病害的修复主要采取永久性修复技术和挖补式坑槽修补，其施工流程主要是先进行维修面的划定界限，对坑槽进行处理清洗，继而进行黏层油的喷洒，对沥青混合料进行回填处理，最后进行混合料的碾压防水封缝处理。其中，坑槽处理是整个技术应用的关键环节，坑槽处理采取的机械设备主要有切缝机和液压镐，坑槽需要干燥平齐化处理，如果内壁过分松散，则要先清扫沥青混合料颗粒。热接缝、冷接缝的处理主要采取圆坑方补，且处置范围的确定也需要根据坑壁质量，矩形修补轮廓线则主要采取切割机进行深度5cm切割。

4 结语

高速公路沥青路面应用广泛，随着使用周期的延长，路面结构病害类型较多，对于高速公路行车安全稳定造成了严峻的挑战。养护阶段建设单位应从养护设计阶段进行路面质量的把控，合理化路面材料的选取，并且结合施工具体环境、设计指标提升施工质量。对于养护阶段路面结构病害的处理则要具有针对性，优化修复成本及技术，最终保证高速公路工程的使用耐久性。还应对路面行驶质量指数下降的沥青路面进行有规划的预防性养护，从而延长沥青路面的使用寿命和提高沥青路面的使用性能。