復(fù)合式瀝青路面早期破壞成因案例分析

劉建鋒

（鄭州市公路事業(yè)發(fā)展中心 鄭州450052）

0 引言

早期水泥混凝土路面加鋪瀝青混合料形成復(fù)合式路面，是目前常見的舊水泥路面養(yǎng)護(hù)方式［1-3］。復(fù)合式路面兼具了水泥混凝土路面和瀝青路面的優(yōu)點(diǎn)，下層水泥混凝土具有較高的強(qiáng)度和承載能力，上層瀝青路面具有表面平整、行車舒適、噪音低等優(yōu)點(diǎn)［4-6］。實(shí)際使用過程中，部分復(fù)合式路面出現(xiàn)早期病害。為針對(duì)早期病害制定科學(xué)的養(yǎng)護(hù)方案，需要對(duì)路面病害進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)，準(zhǔn)確分析病害成因［7-8］。

本文以某市郊干線公路復(fù)合式路面為依托工程，針對(duì)路面病害狀況，制定針對(duì)性檢測(cè)方案，詳細(xì)調(diào)查病害類型，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析病害成因，形成復(fù)合式路面早期病害成因分析典型案例，以期為相關(guān)類似工程提供參考。

1 工程概況及主要病害

本文依托工程為某市郊道路A，于1995年按照水泥混凝土路面設(shè)計(jì)建成通車，經(jīng)自然環(huán)境及長期車輛荷載作用，路面性能不再滿足使用要求。之后在水泥混凝土面板上加鋪瀝青混凝土面層（3 cm AC-13上面層+4 cm AC-20 下面層）以改善舊水泥混凝土路面的行車條件。

自2011 年底改造通車至2013 年5 月該路面整體運(yùn)營狀況良好，因毗鄰省道施工維修，導(dǎo)致大量分流繞行車輛匯入道路A，短時(shí)間內(nèi)造成道路全線出現(xiàn)多種路面早期損壞病害。其中，路面橫向反射裂縫間隔較小，局部唧漿，坑槽、麻面頻發(fā)且破損面積較大，屬于典型的復(fù)合式瀝青路面早期破壞。道路南北幅損害情況差異明顯，病害位置多集中于北幅，以橫向反射裂縫為例，南幅橫向裂縫共計(jì)39 條，對(duì)應(yīng)北幅橫向裂縫數(shù)量為762條，接近南幅數(shù)量的20倍。

2 檢測(cè)方案

對(duì)道路全線進(jìn)行詳細(xì)勘察檢測(cè)，全線路段普查，典型車道重點(diǎn)加密檢測(cè)，以掌握全線路面損壞類型、特點(diǎn)、嚴(yán)重程度及位置分布等，為后期室內(nèi)試驗(yàn)提供研究基礎(chǔ)。主要檢測(cè)項(xiàng)目包括：①路面破損狀況調(diào)查；②路面彎沉檢測(cè)；③取芯檢測(cè)；④基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)；⑤鉆探檢測(cè)；⑥路面雷達(dá)檢測(cè)。

3 檢測(cè)結(jié)果分析

3.1 路面破損狀況調(diào)查

現(xiàn)場(chǎng)勘察采用人工徒步的方式，統(tǒng)計(jì)道路A 全線早期損壞類型、數(shù)量、分布等［9］。全線路面病害調(diào)查結(jié)果如表1 所示。道路A 主要病害以橫向裂縫、縱向裂縫、麻面為主，全線伴隨局部坑槽。對(duì)比南、北半幅路面病害可知，北半幅快車道各類早期損壞產(chǎn)生頻率較高，北幅路面橫縫、縱縫、坑槽、麻面病害較南幅病害數(shù)量分別增加約18.5%、3.5%、2.7%、0.5%。

表1 病害調(diào)查統(tǒng)計(jì)Tab.1 Disease Survey Statistics

3.2 路面彎沉檢測(cè)

道路A 橫向、縱向裂縫頻發(fā)，橫向反射裂縫發(fā)生位置多為水泥混凝土面板間預(yù)留接縫位置，長度約為水泥混凝土面板長度，屬“白加黑”路面結(jié)構(gòu)常見的反射型裂縫。為了解全線面層與基層層間接觸情況、路面板底支撐狀況及板邊接縫傳荷能力，采用落錘式彎沉儀（FWD）對(duì)復(fù)合式路面水泥混凝土面板的板中、板角及板邊進(jìn)行彎沉檢測(cè)。

依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程：JTG E60-2008》，針對(duì)破損嚴(yán)重的北半幅快車道，檢測(cè)水泥混凝土混凝土板的板中、板角及板邊接縫的彎沉情況，檢測(cè)頻率1 點(diǎn)/100 m。板中彎沉以每1 000 m 作為評(píng)定單元，檢測(cè)結(jié)果如圖1所示，根據(jù)嚴(yán)重程度將板角彎沉值及板邊接縫彎沉差劃分成不同等級(jí)，檢測(cè)結(jié)果如圖2、圖3所示。

根據(jù)彎沉檢測(cè)結(jié)果可得：

⑴板中彎沉值較小，檢測(cè)值多介于6.5～10（0.01 mm）范圍內(nèi)，每千米彎沉值、代表彎沉值無明顯差異，全線平均彎沉值8.18（0.01 mm），代表彎沉值10.33（0.01 mm）。

圖1 北半幅快車道板中彎沉檢測(cè)結(jié)果Fig.1 Results of Deflection Detection in the North Half Fast Track Plate

圖2 北半幅快車道板角彎沉檢測(cè)結(jié)果Fig.2 Detection Results of Plate Angle Deflection in North Half Fast Lane

⑵從板角單點(diǎn)彎沉值、嚴(yán)重程度占比情況可以看出，板角彎沉值小于20（0.01 mm）的點(diǎn)位占比全線的64%，板底無明顯脫空，路基承載能力及傳遞荷載能力滿足路面使用性能要求。部分點(diǎn)位的彎沉情況較為嚴(yán)重，K1+500～K1+900 路段數(shù)個(gè)單點(diǎn)彎沉值高達(dá)60（0.01 mm）左右，數(shù)據(jù)離散程度較大。病害嚴(yán)重路段約25%板角彎沉值介于20～30（0.01 mm）范圍內(nèi)，此時(shí)板底支撐狀況相對(duì)較差，存在輕度板底脫空現(xiàn)象，脫空量約為3～5mm；當(dāng)板角彎沉值大于30（0.01 mm）時(shí)，板底脫空嚴(yán)重，對(duì)應(yīng)路段脫空量大于5 mm，屬于重度脫空范圍，約占道路全線的11%，需進(jìn)行板底脫空治理。

⑶從圖3板邊接縫彎沉檢測(cè)結(jié)果可得，板邊接縫彎沉差同板角彎沉離散規(guī)律相似，板角彎沉值變異性大的位置，板邊接縫彎沉差同樣擁有較大的變異性，如K1+500～K1+900、K3+200～K4+000 路段；全線彎沉差值小于6（0.01 mm）的單點(diǎn)占較為密集，但數(shù)據(jù)變異性過大，當(dāng)板邊彎沉差大于6（0.01 mm）時(shí)，混凝土板間傳荷能力較差，板接縫處縱向變形量差異較大，易引起接縫處瀝青層產(chǎn)生剪切型反射裂縫。根據(jù)彎沉差值檢測(cè)結(jié)果，劃分為不同程度損壞，符合技術(shù)要求的路段約占全線的53%，超于20（0.01 mm）、30（0.01 mm）的路段分別占比12%、2.8%，部分差值接近50（0.01 mm），超出規(guī)定上限值約7倍之多，縱向變形量差異巨大，極易形成橫向反射裂縫。彎沉檢測(cè)結(jié)果表明，板底脫空多位于板角、板邊處，板中底部無明顯脫空現(xiàn)象，混凝土板間傳遞荷載能力總體相對(duì)較差，板塊協(xié)同受力能力不足，部分單點(diǎn)區(qū)域承載能力及傳荷能力嚴(yán)重不足。

3.3 路面取芯檢測(cè)

3.3.1 典型芯樣各結(jié)構(gòu)層厚度

典型芯樣各結(jié)構(gòu)層厚度檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。根據(jù)圖4可得，面層厚度多介于7～8.5 cm之間，部分芯樣厚度較薄，最小厚度5 cm，厚度最大差值達(dá)3.5 mm。由于瀝青路面長期遭受自然環(huán)境及車輛荷載作用，瀝青-礦料間的黏附力逐漸降低，短時(shí)間內(nèi)經(jīng)重載、重壓車輛碾壓，面層瀝青混合料易產(chǎn)生集料脫落、缺失，出現(xiàn)大面積的坑槽、麻面，芯樣瀝青面層厚度逐漸減?。?0］?；鶎雍穸榷嘟橛?3～26 cm，大部分基層狀況完整、良好，但存在少量破損、斷裂情況，面層與基層黏結(jié)能力較弱，大部分芯樣面層與基層之間已分離。

圖3 北半幅快車道板邊接縫彎沉差測(cè)結(jié)果Fig.3 Results of Deflection Difference of Plate Edge Seam in North Half Fast Lane

圖4 典型芯樣結(jié)構(gòu)層厚度Fig.4 Thickness of Typical Core-like Structure

3.3.2 瀝青面層芯樣性能

選取部分典型瀝青混凝土芯樣，依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程：JTG E20-2011》，檢測(cè)芯樣毛體積密度、穩(wěn)定度，如圖5和表2所示。道路瀝青面層芯樣毛體積密度最小值為2.282 g/cm3，最大值為2.448 g/cm3，均值為2.377 g/cm3；芯樣穩(wěn)定度的離散程度較大，穩(wěn)定度最小值4.1 kN，最大值10.1 kN，約70%的芯樣穩(wěn)定度滿足5.0 kN的設(shè)計(jì)要求。

圖5 瀝青面層芯樣性能參數(shù)Fig.5 Performance Parameters of Core-sample Surface

表2 瀝青混凝土面層毛體積密度及穩(wěn)定度統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of Gross Volume Density and Stability of Asphalt Concrete Surface

3.4 基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)

將已知厚度的水泥混凝土板和貧混凝土C15 基層芯樣切成長徑比為1∶1 的圓柱形試樣，依據(jù)規(guī)范檢測(cè)芯樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7 所示，試驗(yàn)評(píng)定結(jié)果如表3 所示。水泥混凝土板芯樣的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度均滿足30 MPa 的設(shè)計(jì)要求值，芯樣平均強(qiáng)度達(dá)到40.4 MPa；C15 素混凝土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度最小值11.1 MPa，最大值17.8 MPa，抗壓強(qiáng)度離散性較大，變異系數(shù)接近20%，40%的芯樣無法滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5 路面鉆探檢測(cè)

圖6 水泥混凝土面層抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果Fig.6 Test Results of Compressive Strength of Cement Concrete Surface

圖7 基層無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果Fig.7 Test Results of Unconfined CompressiveStrength of Base

表3 芯樣無側(cè)限抗壓強(qiáng)度檢測(cè)評(píng)價(jià)Tab.3 Evaluation of Unconfined Compressive Strength of Core Samples（MPa）

路基的干濕狀況將直接影響路基路面的承載能力。為了解道路路基土質(zhì)及含水量狀況，選取4 個(gè)典型位置檢測(cè)路基土性能指標(biāo)。檢測(cè)深度為路表下2.0 m，每50 cm 隨機(jī)選取1 處路基土樣品，檢測(cè)土質(zhì)、含水量，結(jié)果如表4所示。

從路基土土質(zhì)性質(zhì)及含水量可得：針對(duì)不同樁號(hào)、不同深度，路基土土質(zhì)大多數(shù)為粉土，個(gè)別層位土質(zhì)為粉質(zhì)粘土；當(dāng)路基土深度小于1.5 m 時(shí)，含水量約10%左右，處于干燥或中濕狀態(tài)，當(dāng)深度大于1.5 m，含水量多介于20%～25%，整體約為1.5 m含水率的2倍，土質(zhì)含水率明顯增加。

3.6 水泥混凝土路面雷達(dá)檢測(cè)

為準(zhǔn)確掌握道路A 全線結(jié)構(gòu)層情況，采用地質(zhì)雷達(dá)（500 MHz 天線）無損檢測(cè)技術(shù)與前述研究結(jié)果相互驗(yàn)證［11］。根據(jù)病害分布特點(diǎn)，選取北1 測(cè)線（北半幅快車道左側(cè)輪跡線）、北2 測(cè)線（北半幅行車道左側(cè)輪跡線）和南1 測(cè)線（南半幅快車道右側(cè)輪跡線）共計(jì)3條測(cè)線作為檢測(cè)控制位置。結(jié)合芯樣情況分析地質(zhì)雷達(dá)剖面圖（幅度、相位等變化），確定瀝青路面內(nèi)部缺陷狀況，如基層松散、基層碎裂及局部脫空等，典型病害雷達(dá)圖譜如圖8 所示。從雷達(dá)檢測(cè)結(jié)果可知，路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部缺陷主要病害類型為：老混凝土板塊下基層松散和破碎、新澆筑混凝土板塊板角下基層脫空。

表4 路基土土質(zhì)及含水量檢測(cè)Tab.4 Determination of Soil Quality and Water Content of Subgrade Soil

圖8 各病害類型雷達(dá)典型剖面Fig.8 Typical Radar Profiles of Various Disease Types

4 成因分析

通過上述檢測(cè)分析及實(shí)地調(diào)研，分析道路A 病害成因如下：

4.1 路面結(jié)構(gòu)層厚度設(shè)計(jì)不盡合理，日常養(yǎng)護(hù)不夠及時(shí)

根據(jù)路面原始設(shè)計(jì)資料可得，道路A 瀝青面層結(jié)構(gòu)為3 cm AC-13 上面層+4 cm AC-20 下面層，依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范：JTA D50-2017》規(guī)范要求，AC-13、AC-20 型瀝青混合料的最小攤鋪厚度分別為3.5 cm 和5 cm，道路A 瀝青混凝土面層厚度小于規(guī)范要求下限值，鋪筑碾壓時(shí)易造成混合料局部離析，路面壓實(shí)度、平整度難以把控。查閱施工資料，道路A于年底11 月施工，氣溫環(huán)境較低，熱拌瀝青混合料溫度散失過快，黏度隨溫度降低而顯著提高，對(duì)施工和易性造成了較大影響。道路A 通行車輛多為運(yùn)送砂石的超載車輛，散落砂石料若未及時(shí)清掃，經(jīng)重載、重壓車輛碾壓，易對(duì)瀝青面層造成侵割、破壞、麻面。

4.2 交通量大、超載情況較為嚴(yán)重

結(jié)合交通量調(diào)查結(jié)果及路面病害分布特征，交通量過大、超載嚴(yán)重是造成路面破損的主要原因。道路A 病害分布存在明顯特征，道路北幅路面病害數(shù)量明顯多于南幅，北幅快車道病害頻率最為密集，這是由于裝載砂石料的重載車輛從北幅向外省運(yùn)輸，裝載車輛由南幅空載返回，加快了北幅橫向反射裂縫和坑槽等病害的產(chǎn)生。

依據(jù)24 h 車流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，利用路面設(shè)計(jì)軟件換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量軸次約8 000 輛/d，約為特重交通（特重交通的當(dāng)量軸次為＞3 000輛/d）的2.7倍，已遠(yuǎn)超過原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有路面的結(jié)構(gòu)承載能力無法滿足該交通量水平。

5 結(jié)語

通過上述對(duì)復(fù)合式路面病害狀況調(diào)查，以及檢測(cè)結(jié)果分析，確定了道路A 目前的病害程度及分布，確定了病害成因，為下一步制定科學(xué)養(yǎng)護(hù)方案及病害防治方案提供了依據(jù)。復(fù)合式路面道路A 病害檢測(cè)方案及分析方法，可作為一般復(fù)合式路面及類似結(jié)構(gòu)路面病害檢測(cè)分析方法的典型實(shí)操案例，為道路養(yǎng)護(hù)工作中類似工程提供參考和借鑒。