辽宁省高速公路典型路面结构路面病害调查与分析研究

邵传恒

(辽宁省高速公路运营管理有限责任公司 沈阳市 110003)

0 引言

辽宁省高速公路沥青路面技术发展大致经历了四个阶段：建设探索期，属于摸索阶段没有成熟施工特点；技术发展期，即路面基层采用双基层的结构形式，基层厚度达到40cm左右，施工工艺逐渐从路拌法转为厂拌机摊，沥青面层设计厚度为15cm，分三层沥青混凝土施工；技术提升期，即根据设计交通量的不同，路面基层采用双基层或三层基层的结构形式，基层厚度达到40～55cm，考虑层厚和最大公称粒径的匹配关系，沥青面层总厚度较上一阶段有所增加，沥青面层设计厚度一般为15～18cm，分三层施工[1]；技术多样化时期，即该阶段逐渐形成了具有辽宁特色的技术规定，初步体现了各层按功能设计，提出了SMA-13L、AC-20L和AC-25L型级配要求和最低沥青用量的要求，同时在辽开、桓永等交通量较小的高速公路采用了三层设计两层修建的路面设计策略。

虽然辽宁省在高速公路沥青路面结构设计方面尝试了多种改变，但沥青路面破损是受环境、交通、管理、施工等因素的影响，病害产生的机理和原因也各不相同，可能是一种因素或者几种因素共同作用的结果[2]。因此为分析路面病害产生原因，选取典型路段，对路面冻胀、裂缝进行了跟踪观测，并钻取芯样，初步分析病害产生原因、发展趋势和可利用程度，为进一步提出针对性的沥青路面病害维修方案奠定基础。

1 路面冻胀观测

1.1 观测路段

西开、桓永高速公路位于辽宁省北部和东部山区，气候分区属于2-1、2-2，西丰冬季极端最低气温为全省最低，达-43.4℃，开原-33.2℃；新宾永陵地区为-34.1℃，桓仁为-29.2℃，同时桓永高速位于辽宁省东部，属于省内多雨地区，路面受低温冻胀作用在省内属于较严重地区。由于该两条高速公路修建时路面面层只铺筑了两层，沥青面层相对较薄，经过7年运行，路面破损技术指标衰减较严重，路面出现大量纵、横向裂缝等病害。为分析路面病害产生原因，选取典型路段，对路面冻胀、裂缝进行了跟踪观测，路段汇总见表1。

表1 路面冻胀、裂缝观测路段汇总

1.2 观测方案

表面冻胀观测点1组共计30个，采用6×5布置，沿道路纵向间隔2m布置一个，共布置5个点，在道路行车道与硬路肩内横向等间距布置6个，对于横缝、纵缝的观测布置示意图分别如图1、图2所示。靠近观测者的6个点为第一行，靠近路缘石的5个点为第一列，从第一行第一列开始，先沿行后沿列按照蛇形顺序依次立尺，利用水准仪测量各点高程。对于每处裂缝的观测，均选择了天桥桥墩、通道壁板或公铁立交桥上的合适部位立尺作为校核基点，将其高程作为基点高程。对于基点与布置的观测点距离较远的情况，难以通过水准仪一次性读出标尺读数的，在基点与观测点中间选取一点，进行高程的传递，从而保证数据的可读性与准确性。

图1 横向裂缝观测布置图

图2 纵向裂缝观测布置图

2 路面裂缝观测

选取双层、三层、四层沥青层路面结构高速公路典型代表路段，对路面裂缝进行了现场调查，裂缝调查按横向贯通缝、横向非贯通缝和纵向裂缝每公里条数进行统计，并结合2017年观测情况分析不同沥青面层厚度路面结构裂缝发展情况。

3 路面钻芯取样试验

先后通过辽开、桓永、沈四、抚通和鹤大五条高速公路沥青路面双层、三层、四层沥青路面结构代表路段中观测冻胀段的不规则裂缝处、横向贯通裂缝处、长大纵缝处等病害位置进行取芯观测，同时在行车道和硬路肩无病害位置进行取芯对比。

4 调研结果整理分析

4.1 冻胀观测结果分析

通过冻胀前、冻胀中两次路面高程观测，整理数据分析：辽开K32+400(半填半挖)，本路段前后两次测量路面高程发生了较大变化，各个测量点高程升高范围在1～2.5cm之间，有可能发生了冻胀导致的高程变化。如图3所示。

图3 辽开K32+400测量点高程变化示意图

永桓K15+850(挖方)，本路段前后两次测量路面高程发生了较大变化，路面高度平均抬升了1cm，有可能发生了冻胀产生的高程变化。如图4所示。第一列观测位置是在路缘石附近，考虑可能受雪的影响，有测量误差。

图4 永桓K15+850测量点高程变化示意图

永桓K27+700(填方)，本路段前后两次测量路面高程发生了较大变化，部分点高程升高了近2.3cm，初步分析是路面冻胀所致。如图5所示。

图5 永桓K27+700测量点高程变化示意图

4.2 路面裂缝观测结果分析

4.2.1典型结构路面通车5年、7年裂缝情况

将所调研的路段按两层、三层、四层沥青面层典型结构进行分类，按通车5年、7年对各个典型结构产生的路面横向贯通缝、横向非贯通缝、纵向裂缝进行统计，分析结果如图6。初步得出如下结论：

图6 裂缝数量统计

(1)横向贯通缝两层、三层路面结构通车5年大致相当，每公里30条左右，四层沥青路面结构明显较少，每公里10条左右；通车7年后，横向贯通缝随沥青面层增大呈现逐渐减少趋势。

(2)横向非贯通缝两层路面结构通车5年较多，通车7年二层、三层结构相当(其中三层结构的鹤大观测段中面层为橡胶沥青路面结构，通车7年横向非贯通缝较多，但横向贯通缝较两层结构明显减少)，四层路面结构横向非贯通缝较少。

(3)纵向裂缝，这里统计的大多是纵向不规则温缩裂缝，对于半刚性基层沥青路面的低温开裂除沥青面层的缩裂外，还包括半刚性基层温度缩裂的反射裂缝，这也是半刚性基层沥青路面低温裂缝较柔性基层沥青路面多的原因。当沥青路面结构成为连续整体时，层间接触阻力可减缓沥青面层开裂，但基层的温度收缩会导致面层出现温缩反射裂缝[3]。由图6可知，两层、三层路面结构通车5年大致相当；通车7年后，两层结构最多，四层结构最少。因此沥青路面低温开裂与结构组合、层间接触状态密切相关，与此同时，产生温缩裂缝的最主要的因素是沥青材料的性质，改善沥青性能对减小温缩裂缝能起到90%的贡献[4]。

4.2.22017年到2019年典型路面结构裂缝发展情况分析

(1)对比分析2017年和2019年不同沥青面层结构高速公路横向贯通裂缝数量变化情况，和图7可知，三层、四层沥青面层结构的横向贯通裂缝发展速度明显低于两层沥青面层结构的永桓高速。

图7 2017年和2019年不同沥青面层结构高速公路横向贯通裂缝数量变化图

(2)对比分析2017年和2019年不同沥青面层结构高速公路横向非贯通裂缝数量变化情况，如图8可知，除鹤大的两条路段，其他调研路段内三层沥青面层结构的横向非贯通裂缝发展速度明显低于两层沥青面层结构的永桓高速。

图8 2017年和2019年不同沥青面层结构高速公路横向非贯通裂缝数量变化图

(3)对比分析2017年和2019年不同沥青面层结构高速公路纵向裂缝数量变化，如图9可知，三层沥青面层结构的纵向裂缝发展速度明显低于两层沥青面层结构的永桓高速。

图9 2017年和2019年不同沥青面层结构高速公路纵向裂缝数量变化图

4.3 路面钻芯结果分析

(1)辽开高速K80+260(下行)和K59+900(下行)

K80+260(下行)处病害位置上的芯样和芯孔上可以看出，横向贯通缝是自下而上的开裂形式，短纵缝处的开裂形式基本表现在表面层，未开裂至下面层。本路段在无病害位置取芯共计9个，其中有2个芯样层间结合状态呈现分离状态，路面病害处，芯样层间结合状态均为分离状态。

K59+900(下行)处病害位置上的芯样和芯孔上可以看出，横向贯通缝是自下而上的开裂形式，硬路肩非贯通横向裂缝处层间断开但裂缝开裂是自上而下的形式。

(2)桓永高速K15+850(上行)

K15+850(上行)处病害位置上的芯样和芯孔上可以看出，横向贯通缝是自下而上的开裂形式，短纵缝和短横缝的开裂形式基本表现在表面层，未开裂至下面层。该路段1个横向贯通缝处和1个纵向裂缝处层间断且横向贯通缝处3个芯样全部破碎。

(3)沈四高速K799+244(上行)和K822+200(上行)

K799+244(上行)路段取芯处路面结构为：3.5cmSMA-13L+6cmLAC-20高模量+7cmLAC-25+11cm厂拌冷再生沥青混合料。从病害位置上的芯样和芯孔上可以看出，横向贯通缝是自下而上的开裂形式，其中层间断开处有2个，分别为硬路肩横向贯通缝处和硬路肩良好处(可能敲击芯样操作导致)，且横向贯通缝处芯样破碎，由于面层厚度的原因，并未钻取到基层部位。

K822+200(上行)路段取芯处路面结构为：3.5cmSMA-13L(硬路肩位置无面层)+7cmLAC-20高模量+11cmATB-25。从病害位置上的芯样和芯孔上可以看出，横向贯通缝是自下而上的开裂形式且所有芯样并无层间断开，但横缝位置芯样中3个呈破碎状，由于面层厚度的原因，并未钻取到基层部位。

(4)抚通高速K42+200(下行)

K42+200(下行)路段从病害位置上取出的3个芯样可以看出，芯样悬浮密实结构明显，无骨料缺失，粒径合理且级配良好，取出的芯样均为沥青层，开裂程度较为轻微，芯样完整，在芯样上能观测到微裂缝且未导致芯样断开，同时没有破碎的情况发生，但芯样面层之间的连接较差，层间基本全部断开。

(5)鹤大高速K970+200(上行)

K970+200(上行)路段病害位置取芯分别位于硬路肩不规则横向裂缝处1个、短纵缝处2个，无病害位置取芯位于硬路肩上3个。其中硬路肩良好处芯样层间断开，但所有芯样均无破碎，短纵缝位置裂缝开裂明显为自上而下的方式，但裂缝开裂深度较浅，仅停留在面层，开裂深度在3cm左右。

5 总结

(1)以双层沥青路面结构为代表的辽开、桓永高速公路：辽开、桓永高速冻胀观测表明个别路段，尤其是半填半挖路段，存在轻微路面冻胀，高程升高范围在1～2.5cm之间，这也是造成路面裂缝的原因之一，但冻胀程度较轻，暂不需要对冻胀进行特殊处理。

通车7年后，辽开、桓永高速公路路面横向不规则裂缝、网裂、块裂以及不规则纵向裂缝，多为Top-down裂缝，在冬季发展也不明显，此种裂缝在维修时可以不做处理，只对表面层老化、脱粒进行铣刨处理即可，路面规则长大纵向裂缝，钻芯取样观测也多数只有路面面层开裂，此种裂缝可根据实际开裂深度，确定处理方案。

(2)综合分析双层、三层、四层沥青路面层结构：高速公路双层路面典型结构(辽开和桓永)在通车5年左右，横向贯通缝与三层路面结构相当，但发展较快，到通车7年要比三层结构多；横向非贯通缝两层路面结构通车5年较多，通车7年二层、三层结构相当；纵向裂缝，这里统计的大多是纵向不规则温缩裂缝，两层、三层路面结构通车5年大致相当，但发展较快，通车7年后，两层结构明显比三层结构多。高速公路三层路面典型结构(鹤大和抚通)，对于轻中交通等级路段，表现较好，裂缝呈现稳定增长趋势。高速公路四层路面典型结构(沈四)，在抗路面开裂能力上最优，对于轻中交通等级路段，具有良好的耐久性。

对于已经通车5年的鹤大和抚通高速，建议1～2年内对路面实施预防性养护措施，抑制沥青老化，防止路面温缩裂缝快速增多。

(3)沥青路面低温开裂与结构组合、层间接触状态密切相关。与此同时，产生温缩裂缝的最主要的因素是沥青材料的性质，改善沥青性能对减小温缩裂缝能起到90%的贡献。

(4)无论是两层、三层还是四层沥青面层结构，为延长道路的使用寿命，在预防性或大中修养护维修方案制定时还应根据科学的病害调研分析结果，针对不同病害和病害程度给出合理、经济的维修方案。