水泥混凝土路面沥青加铺层病害分析及预防性养护技术研究

邹德彪,龚小斌

(1. 湖北省电力规划设计研究院有限公司 武汉市 430000;2.北京市市政工程设计研究总院有限公司武汉分公司 武汉市 430000)

加铺沥青层是水泥混凝土路面改造常用手段,该技术不仅能修复破损路面,还能够改善路面行车舒适性,但受原水泥混凝土路面结构破损以及材料差异性的影响,沥青加铺层的病害程度与规模均高于普通沥青路面。沥青路面预防性养护技术能改善路面病害情况并减缓病害的发展,但该技术在沥青加铺层养护中的适应性及养护效果尚不清晰。因此,对沥青加铺层病害及其产生机理进行分析,并对预防性养护技术在沥青加铺层中的应用进行研究,对于提高沥青加铺层路面的行车舒适性、降低道路后期维护成本而言都是十分重要的[1]。

1 沥青加铺层常见病害及其产生机理研究

(1)反射裂缝。反射裂缝是水泥混凝土路面加铺沥青层最常见的病害形式,该类病害的产生主要有以下原因:一方面,在沥青加铺层施工前,水泥混凝土路面就已经产生不同程度的开裂,在上部交通荷载的影响下,水泥混凝土层裂缝会逐渐扩大,导致沥青加铺层产生反射裂缝;另一方面,当温度急剧变化时,沥青加铺层与原混凝土路面的变形程度存在差异,会引发沥青加铺层产生较大温度应力,进而产生反射裂缝[2]。

(2)车辙。沥青加铺层路面与普通沥青混凝土路面存在很大结构差异,与普通沥青路面的半刚性基层相比,水泥混凝土路面刚度较大;在车辆荷载的作用下,沥青加铺层受到的压力与剪应力远远大于普通沥青路面,在环境温度的影响下,沥青加铺层产生车辙的概率也大大增加[3]。

2 沥青路面预防性养护技术在沥青加铺层路面中的应用

沥青路面预防性养护技术是指在路面尚未发生大规模病害前,采用一定技术手段对路面进行处理的一种路面养护技术。与治疗型养护相比,预防性养护技术能够以较低成本获得较好的养护效果。通过对沥青加铺层的常见病害及其产生原因进行研究得出,水泥混凝土路面沥青加铺层在运营过程中出现反射裂缝及车辙等病害的概率较大,在预防性养护中常通过以下技术该类病害处理:(1)对于沥青加铺层出现的反射性裂缝,可以采用沥青填缝、抗裂贴片等技术进行填补,阻断路面积水向路面内部渗透的渠道,降低沥青路面水损坏可能性;(2)对于沥青加铺层出现的车辙病害,实际工程中可采用罩面层技术及微表处技术进行处理,该类技术可以填补沥青路面车辙并改善沥青路面渗透性能,并可以减缓沥青路面病害的发展[4]。

3 依托工程概况

文章依托湖北某水泥混凝土路面沥青加铺层养护工程,对沥青加铺层常见病害及其预防性养护技术进行研究。依托工程路段全长87km(K1450+000～K1537+000),是湖北省较早建成通车的高速公路之一,道路为双向四车道结构,路面最初为水泥混凝土路面。为改善道路路用性能,相关部门于道路通车运营5年后对该路段进行沥青层加铺,加铺后沥青路面结构如图1所示。随着运营年限的增长,沥青加铺层出现了较为严重的病害,文章选取K1460+000～K1462+000作为试验路段,对试验路段病害情况进行调查,并对预防性养护技术进行研究。

图1 沥青路面结构图

3.1 沥青加铺层路面病害调查与评价方法研究

文章对试验路段沥青路面的病害情况进行调查,根据《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)对试验段病害类型及其严重程度进行了统计。根据相关研究可知[5],常规沥青路面病害评价通常采用路面状况指数PCI、路面行驶质量指数RQI、路面车辙指数RDI、路面抗滑性能指数SRI,并按照式(1)计算后进行道路状态整体评价。

PQI=WPCI×PCI+WRQI×RQI+WRDI×RDI+WSRI×SRI

(1)

式中:PQI为路面使用性能指数;WPCI为PCI在PQI中的权重;WRQI为RQI在PQI中的权重;WRDI为RDI在PQI中的权重;WSRI为SRI在PQI中的权重。

通过前文研究可知,受材料差异性和基层刚度影响,沥青路面加铺层病害以反射裂缝和车辙为主,道路在纵向上平整度较高,式(1)中舒适性指数RQI以及路面抗滑指标SRI在沥青加铺层病害评价中代表性较差。因此,文章拟采用路面状况指数PCI、路面车辙指数RDI对试验段沥青路面病害程度进行评价,并给出相应道路情况分级标准,如表1所示。

表1 试验段沥青路面分级情况

3.2 沥青加铺层路面病害调查与评价

文章对试验路段每100m范围内沥青加铺层的路面状况指数PCI进行测定,得到图2。由图2可知,与初始阶段相比,试验段路面状况指数PCI有很大程度的降低;对试验段范围内PCI数值进行统计可知,试验段沥青加铺层路面分级为优∶良∶中∶差=0%∶20%∶35%∶45%。通过以上数据可知,试验段沥青加铺层破损较为严重,若不及时进行修复处理,会加剧路面积水向沥青与混凝土层间结合处渗透,沥青加铺层水损害的概率也会大幅增加。

图2 试验段路面状况指数PCI分布

文章对试验路段每100m处路面车辙指数RDI进行测定,得到图3。

图3 试验段路面车辙指数RDI分布

由图3可知,与初始阶段相比,沥青路面车辙指数RDI均存在一定程度的降低。根据该指标可将试验段路面分级为,优∶良∶中∶差=0%∶15%∶35%∶50%。值得注意的是,不同截面处路面车辙指数RDI变化幅度存在较大差异,其中桩号K1460+150～K1460+966段为上坡路段,该路段范围内路面车辙指数RDI变化幅度较大。通过以上数据可知,试验段沥青路面车辙病害严重,且道路上坡段会加剧这一现象。

4 沥青路面加铺层预防性养护措施

4.1 沥青加铺层反射裂缝处治

(1)沥青加铺层反射裂缝分类及其占比

沥青加铺层反射裂缝的处治方法受道路裂缝宽度影响。根据病害调查数据,对沥青加铺层裂缝种类进行了统计,得到图4。

图4 试验段各类裂缝占比

由图4可知,试验段沥青加铺层不同程度裂缝存在以下关系,大裂缝∶中裂缝∶小裂缝∶微小裂缝=6.51%∶37.84%∶47.96%∶7.69%。这表明虽然试验段路面破损程度较大,但裂缝以中小裂缝为主。根据相关研究可知,路面中小裂缝常采用填缝手段进行处理;当沥青路面裂缝超过20mm时,应进行灌缝处理。

(2)填缝材料与工艺

由于试验段沥青加铺层裂缝以中小裂缝为主,综合考虑养护成本及路面结构等因素,试验段采用乳化沥青作为填缝材料。为确保养护效果,沥青加铺层裂缝处理应遵循以下工艺流程:(a)清理裂缝。为保证填缝材料能够与路面材料之间形成良好的粘合效果,在进行填缝施工前应采用钢丝刷以及气枪等工具对裂缝内部杂质进行清扫。(b)填缝。为防止清理后的裂缝再次污染,应将填缝材料加热后进行储存,并在裂缝清理完毕后立刻进行填缝作业。(c)封边修整。为保证填缝施工质量,填缝作业完成后应采用专用工具进行压实封边;填缝施工结束后还应在其表面覆盖一层薄砂,防止填缝材料被车轮带走。

(3)沥青加铺层反射裂缝养护效果

为更加直观地对沥青加铺层反射裂缝预防性养护效果进行研究,试验选取未进行预防性养护处理的路段作为对照组,并对试验段和对照段加铺沥青层以来路面状况指数PCI的变化趋势进行对比,得到图5。

图5 路面状况指数PCI随时间变化趋势

由图5可知,沥青加铺层在运营第1年就已经出现明显的劣化现象,其路面状况指数PCI值逐渐下降;对于未进行预防性养护的路段,随着运营年限的增长,PCI降低曲线斜率逐渐增大,这表明若不及时对破损路面进行养护,会导致沥青路面病害突发式增长;采取填缝处理后,试验段路面PCI值有一定程度的提高,且随着运营年限的增长,其曲线的斜率与对照路段相比较小,这表明对沥青加铺层路面进行填缝处理不仅能改善当时的路面状况,还能够减缓病害发展趋势。

4.2 沥青加铺层车辙处治

(1)沥青加铺层车辙病害分布

根据相关研究可知[6],沥青加铺层车辙在不同车道间的分布是不均匀的。根据沥青加铺层车辙病害调查资料,得到试验段路面车辙分布情况,见图6。

图6 试验段沥青路面车辙分布情况

由图6可知,试验路段紧急停车带车辙病害程度最低,行车道车辙病害程度最为严重,超车道车辙病害程度介于两者之间;在长大上坡路段,此现象更加明显。产生上述现象的原因是不同车道承担上部车辆荷载不同。因此,在沥青加铺层车辙病害处治过程中,应对不同程度的车辙采取差异性处治措施。

(2)沥青加铺层车辙处治措施与工艺

文章拟采用微表处工艺对试验段沥青加铺层车辙进行处理。当路面车辙深度超过10mm时,先对车辙铣刨再进行微表处施工;当路面车辙深度小于10mm时,可直接对车辙进行填补处理。沥青加铺层微表处施工还应遵循以下工艺:(a)施工准备:在施工前应对施工设备的机械状态进行检查,并根据室内试验结果确定微表处材料配合比;(b)路面铣刨与清扫:施工准备工作完成后,根据车辙深度确定是否进行路面铣刨;为保证微表处施工质量,施工前应对路面灰尘、泥土、铣刨残渣等进行清扫;(c)摊铺面整平:为保证路面平整度,应对微表处施工后不平整位置进行人工找平;(d)摊铺结束,待混合料强度上升后方可开放交通。

(3)沥青加铺层车辙病害处治效果分析

对试验段以及对照段加铺沥青层以来的路面车辙指数RDI进行对比,得到图7。

图7 路面车辙指数RDI随时间变化趋势

根据图7可知,当运营年限在3～4年时,RDI曲线斜率最大,说明该期间路面车辙病害日趋严重,在行车道还会产生拥包等更为严重的病害;但随着运营年限的增长,RDI曲线斜率有所减小,这说明在车辆荷载作用下路面材料会逐渐密实,车辙发展趋势逐渐减缓。对沥青加铺层进行微表处施工后,RDI值有一定程度的提高,这说明微表处施工能够有效解决沥青加铺层的车辙问题;随着运营年限的增长,试验段RDI值呈下降趋势,但其曲线斜率略高于对照段,这也印证了混合料的压密作用是沥青加铺层车辙病害产生的重要原因。

5 结论

文章对水泥混凝土路面沥青加铺层常见病害及其产生原因进行了分析,并对预防性养护技术在沥青加铺层中的应用进行了研究。主要得出以下结论:

(1)受原混凝土路面开裂及温度影响,沥青加铺层会出现反射裂缝。与普通半刚性基层相比,混凝土路面刚度较大,在车辆荷载的作用下沥青加铺层的车辙病害较为严重。对于沥青加铺层出现的反射裂缝,可通过沥青填缝、抗裂贴片等技术进行处理;对于路面车辙病害,可采用微表处、罩面层等技术进行处理。

(2)通过对预防性养护技术在沥青加铺层中的应用进行研究可知:在较短时间内,沥青加铺层已经出现了不同程度的裂缝与车辙等病害,且随着运营时间增长,程度会逐渐加重。对沥青加铺层进行预防性养护处理,不仅能够改善路面运营状态,还能够减缓沥青加铺层病害的发展。