瀝青路面擁包成因分析及預防措施

周澤華,康 明,吳俊豐,容洪流

(1.蘇交科集團股份有限公司,江蘇 南京 210000;2.蘇交科集團檢測認證有限公司,江蘇 南京 210000;3廣西大學 土木建筑工程學院,廣西 南寧 530000)

隨著改革開放以來我國經濟的高速發展,瀝青路面已在我國交通領域占據了舉足輕重的地位。瀝青路面具有行車舒適度高、維修周期短、開放交通快的特點和優點,在各等級道路工程中得到了愈發廣泛的應用。然而,假如建設各方盲目追求效率,可能無法保證路面的工程質量,使瀝青結構在運營初期即產生大量病害,嚴重威脅行車安全。

瀝青路面耐久性是業界關注的重點。截至目前,相關人員已針對瀝青路面材料、工作環境、服役狀態等方面進行了深入的研究[1-3]。一般來說,改擴建路面比新建路面性能更差,姜利等[4]針對“白改黑”道路工程反射裂縫進行了破壞機理分析與防治方法研究。吳發明[5]指出銑刨技術是改擴建瀝青路面質量控制的關鍵因素。李剛[6]分析了道路基層沉降差異的影響因素。由此可見,瀝青路面的耐久性能已經引起了各方重視。但是,目前關于路面擁包病害的相關研究較少。

擁包是指路面在行車荷載作用下,瀝青材料無法抵抗剪應力的作用產生橫向推移,從而導致局部隆起形成鼓包[7]。擁包病害不僅影響道路服役期間的安全性、舒適性,還會直接破壞路面原始結構狀態。按《公路技術狀況評定標準》的有關規定,瀝青路面擁包超過25 mm即為重度病害。劉剛等[8]指出地表不均勻變形超過5 mm時即可產生顯著的沖擊荷載,容易引發路面材料彎拉破壞。長期以來,關于路面擁包的產生機理研究較少,將原因簡單歸結為原材料、施工工藝、服役環境等寬泛的因素上,缺乏針對性的試驗與模擬分析。

以浙江省S212省道紹興段改擴建公路瀝青路面病害處置實踐為例,通過外觀調查、取芯試驗、有限元模擬等手段,探討了擁包病害的主要成因、產生機理與防治方法。

1 工程概況

S212省道紹興段為二級公路,路面寬度14 m,設計軸載BZZ-100。該路于2022年6月進行了大中修改造,改建方法為病害路段局部處置、其他路段銑刨3 cm舊路AC-20瀝青面層,并加鋪同厚度SMA-10瀝青路面。為滿足交通需要,施工分左、右幅分別進行。建成通車22 d后發現擁包病害。

經調查發現,該路段擁包在全線多處均有分布,最大拱起高度超過4 cm,按《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210—2018)屬于重度病害。病害集中于左右幅施工冷接縫位置,且周邊區域可見輕度車轍。

2 病害成因分析

2.1 試驗

為直觀了解道路整體結構情況,深入分析病害產生原因,對典型病害處及其周邊區域進行鉆芯取樣。病害區域外觀如圖1所示,從圖中可以看出,擁包產生于道路分幅施工的冷接縫處。鉆芯取樣結果顯示,擁包區域新鋪路面與老路的黏結層出現斷裂,老路中下面層結構松散且出現疲勞性磨損,說明新舊路面層間黏結性能不佳。

圖1 擁包病害形貌代表圖

基于室內試驗,檢測了病害及周邊區域的混合料性能和粒料級配,結果如表1、圖2所示。瀝青面層性能基本良好,但仍存在油石比偏高、含有少量超尺寸粒徑等問題。以上原因客觀影響了瀝青結構層的抗剪承載力,導致路面更容易出現擁包、車轍等病害。

表1 SMA-10瀝青混合料基本性能

圖2 礦料級配檢測結果

壓實度試驗結果如圖3所示,從圖中可以看出,病害區域路表壓實度不滿足設計要求,存在松散或超密現象。這是因為擁包區域在行車荷載的作用下橫向推擠。原有的骨架結構受剪產生不均勻變形,從而導致原本均勻密實的混合料結構出現松散和局部堆積現象。

圖3 壓實度檢測結果

另一方面試驗結果表明無病害區域性能良好,說明軟弱區域僅出現在病害局部,未對周邊區域產生根本性影響。

2.2 有限元模擬

路面病害的常見原因有層間黏結性不良、面層或基層材料強度差等。為進一步探究不同破壞形式對應的病害成因,采用Abaqus軟件對可能存在的病害類型進行有限元擬合[9],分析結果如圖4所示。圖4(a)是預期路面的受力-變形情況,從圖中可以看出,理想狀態下瀝青路面車轍和擁包均較淺,路用性能良好。圖4(b)是瀝青黏層薄弱所對應的破壞形式,可以看出該情況下薄弱區域會產生明顯擁包,且黏層下方的瀝青結構層同樣產生明顯變形,但路表沉降并不明顯?？梢钥闯?此類型最接近路面實際的破壞形式。圖4(c)表示材料性能不佳后的應變狀態,該情況下病害表現為路面發生顯著沉降,但擁包并不明顯,且黏層位置也不會出現應力集中。結合現場實例分析,可認為施工縫處瀝青黏層薄弱是道路擁包的主要原因。

圖4 基于有限元擬合的路面損壞情況

通過外觀檢測、鉆芯取樣和有限元分析結果,可認為路面擁包病害主要是瀝青局部層間黏結性能不良導致的。由于施工接縫處是黏層油鋪灑的死角區域,可能該處未均勻撒布或撒后未待破乳即進行下一道工序。外加開放交通時間較早,加劇了局部層間黏結性能損傷,最終導致擁包病害?；诖?有關單位銑刨病害路面及周邊影響區域,并且重新鋪裝。維修后通車至今,服役效果良好。

3 路面擁包的主要成因及防治方法

3.1 原材料

瀝青混合料產生擁包病害的根本原因是材料抗剪承載力不足,油石比是瀝青混合料剪切性能的決定性因素。葉長建[10]指出普通瀝青油石比超過4.3%后材料抗剪能力即迅速下降。SMA混合料中瀝青摻量較高,但出于抗剪性能考慮油石比也不應超過7%[11]。

礦料級配是影響瀝青抗剪性能的關鍵。廣泛的實踐表明,按現行標準推薦級配制造的瀝青混合料路用效果較好。在實際工程中礦料級配只要符合規范要求,就可在很大程度上保障混合料的抗剪能力。但隨著集料篩分技術的成熟,現階段完全可以因時、因地采用指定級配,進一步提升材料的綜合品質。關宏信等[12]提出采用TS級配取代傳統AC級配,能夠將整體路面黏聚力提升兩倍以上。此外,提升集料自身強度也能在一定程度上改善路面抗剪能力,但影響幅度不大[13]。

此外,出于經濟因素和交通流量的考慮,舊路翻新往往不會重做全部道路結構,而是在舊路基礎上對嚴重病害進行局部處置。如果舊路病害處置不徹底、處置面清掃不干凈,不僅會導致擁包,還可能造成反射裂縫、沉降、水損害等更加復雜的隱患,威脅行車安全與道路服役質量[14]。對改擴建路面,必須徹底挖除舊路病害,并根據實際需要選擇換填、修補方案。保證舊路清掃干凈、處置層邊緣整齊、攤鋪面干燥無積水。

3.2 施工工藝

大量道路工程實踐指出,瀝青路面的結構性能不僅取決于材料自身的物理性能,還與瀝青各層間黏結質量關系密切。瀝青黏接層能夠起到層間黏結、變形協調的作用。當黏接層質量不佳,路面結構層就可能在車輛荷載的作用下產生橫向推擠與滑移,造成擁包病害。常艷婷等[15]調查了乳化瀝青撒布量、溫度和應力條件對路面抗剪承載力承載力的影響,指出黏層油自身品質是影響瀝青層間黏結性能的關鍵因素。張巍[16]指出黏層施工質量不佳是引發翻新路面擁包病害的重要原因之一。

由此可以看出,道路各層之間的黏結性能是決定路面抗剪能力的重要指標。在施工過程中,應當嚴格控制黏層油瀝青摻量;注重黏、透層油鋪灑均勻;鋪灑后給予足夠的養生時間,待水份蒸發后進行下一步施工。以保障不同結構層間具有良好的整體性。

近年我國交通量增長特別迅猛,為緩解道路養護帶來的擁堵,部分建設單位選擇采用灑水的方式迅速降低路面溫度,以期盡早開放交通。然而瀝青混合料碾壓終了溫度往往在90 ℃以上,灑水只能降低表層溫度,現場技術人員也無法保證瀝青內部溫度降至與表面一致。因此過早開放交通無法保障中下面層瀝青結構穩定,也不利于瀝青路面強度的形成,各地紛紛基于實際情況提升了瀝青路面養護時間,例如江蘇省標[17]建議高性能瀝青采用自然冷卻的降溫方法,浙江省標[18]要求高速公路改性瀝青應在施工2～3 d后開放交通。

3.3 道路服役環境

在內部因素方面,路面擁包主要取決于行車荷載的大小。行車荷載不僅會引起垂直向下的壓力,還會造成橫向的剪力。當車輛給路面的橫向推擠作用超過了抗剪承載力就會引發橫向變形。因此高于預期的交通量或車輛超載往往是引發擁包的關鍵因素。在實際工程中,擁包也常發生于陡坡、急彎、汽車制動頻繁的區域。這是因為上述路段受到的剪切應力明顯大于其他位置,行車荷載的反復作用導致路面產生塑性變形造成擁包病害。對于翻新路面,應當特別注重路口、橋頭、平曲線與縱坡重疊路段等重點區域的施工質量,必要時可在設計階段針對新鋪材料進行剪切承載能力驗算。

在外部因素方面,高溫天氣是誘發擁包的關鍵因素。相關統計[19]表明,環境溫度39 ℃時,瀝青路面表層溫度可能接近70 ℃,接近瀝青軟化點。因此夏季是擁包病害的高發季節,過高的路表溫度導致瀝青軟化、抗剪能力下降,面層結構無法承受車輛荷載引發的塑性變形,在車輪擠壓作用下產生擁包、車轍等一系列病害。因此在設計階段,需要因時因地選擇瀝青材料,必要時可選擇熱穩定性更好的SMA瀝青、SBS改性瀝青等。

4 結 語

結合浙江S212省道紹興段瀝青路面病害成因分析實例,分析了瀝青路面擁包的主要成因及應對方法。得到主要結論如下。

(1)基于外觀檢查、取芯試驗和有限元模擬,分析了浙江S212省道紹興段改建公路的病害形成原因。結果表明,對于擁包嚴重但周邊車轍程度較輕的情況,瀝青黏層局部軟弱是導致該類型擁包的主要因素。

(2)路面擁包是多因素共同作用的產物,可能在短時間內產生較為嚴重的病害。因此必須從原材料品質、施工工藝、道路服役環境三個方面入手,切實預防病害發生,提升工程質量。