海南省典型瀝青路面結(jié)構(gòu)早期損壞原因分析*

王志斌，石 勇，羅蘇平，陳嘉祺，李 亮，但漢成

(1.湖南科技大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙 410075;3.海南省交通質(zhì)量監(jiān)督局，海南?？?571100)

建國以來特別是改革開放以來，以瀝青路面為代表的高等級公路在海南省得到了迅猛發(fā)展。海南省地處熱帶和亞熱帶氣候區(qū)，受海洋性氣候影響，具有降雨豐富、日照強(qiáng)烈、氣溫高且持續(xù)時間長、空氣潮濕等氣候特點(diǎn)，再加之道路設(shè)計水平、車輛超載、交通渠化及施工質(zhì)量控制等多方面原因的影響，瀝青路面車轍、水損害等早期破壞日益突出［1－7］，已經(jīng)成為海南瀝青路面質(zhì)量控制的關(guān)鍵問題。瀝青路面早期病害形成機(jī)理較為復(fù)雜，分析其病害原因不能一概而論［8－12］。針對性地開展海南地區(qū)瀝青路面病害研究，不僅可以明確當(dāng)?shù)貫r青路面早期病害的原因與解決辦法，還可以為高溫多雨地區(qū)瀝青路面的設(shè)計、施工和養(yǎng)護(hù)提供依據(jù)。本文主通過分析自然環(huán)境、交通狀況及其對路面病害的影響，研究以海南地區(qū)為代表的高溫多雨地區(qū)瀝青路面病害的主要成因。

1 公路技術(shù)狀況調(diào)查與分析

根據(jù)規(guī)范的要求對海南省西線高速K107+000～K123+000，K213+000～K218+000，K329+000～K333+000和東線高速K170+000～K181+000共4個路段進(jìn)行公路技術(shù)狀況調(diào)查。根據(jù)調(diào)查結(jié)果分別求出路面損壞狀況指數(shù)PCI、路面行駛質(zhì)量指數(shù)RQI、路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)SSI、路面抗滑系數(shù)BPN和路面綜合評價指標(biāo)PQI。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 典型路段技術(shù)狀況調(diào)查情況Table 1 Pavement performance investigation of typical sections

從表1可以看出:在所調(diào)查項目中，路面抗滑性能整體最好，而路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度整體最差，說明海南地區(qū)公路瀝青路面普遍存在強(qiáng)度不足的問題。而大部分路段的路面行駛質(zhì)量均為良，約占調(diào)查總里程的47%。

2 海南省氣候特點(diǎn)

由于地理位置原因，海南地區(qū)自然環(huán)境特點(diǎn)明顯。主要包括以下幾點(diǎn)。

2.1 常年高溫

與我國其他地區(qū)相比，海南地區(qū)一個最顯著的氣候特征為常年高溫，主要包含2層含義:一是“高溫”，指海南地區(qū)氣溫比全國其它大部分地區(qū)高;二是“常年”，指海南地區(qū)高溫持續(xù)時間長，無明顯低溫時段。我國有代表性地區(qū)主要城市1971—2000年累年各月平均氣溫如圖1所示。

從圖1可以看出:全年絕大部分時間，海南地區(qū)的平均氣溫都高于全國其他大部分地區(qū)。只有在某些夏季會出現(xiàn)極端高溫的地區(qū)，如長沙、廣州等地，其氣溫最高的2～3月的平均氣溫才會略高于海南地區(qū)。同時，海南地區(qū)累年各月平均氣溫的最低值也接近20℃，說明海南地區(qū)無明顯低溫時段。

圖1 各地區(qū)累年各月平均氣溫Fig.1 Average temperature for ages in different regions

2.2 太陽輻射強(qiáng)烈

由于在我國所有省份中，海南省最為接近赤道，因此，海南也成為我國太陽輻射最為強(qiáng)烈的地區(qū)之一。

2.3 年降雨量大

海南各地年降水量一般分布在1 000～2 500 mm范圍內(nèi)。其中西部降雨最少，東方市累年年降水量為961 mm;中東部地區(qū)降雨最多，瓊中地區(qū)累年年降水量可達(dá)2 359 mm。省會?？谑欣勰昴杲邓繛? 652 mm。

表2表示1971－2000年間累年年降水量最多的5個省會城市及其降水量。

表2 累年年降水量最多的5個省會城市及其降水量Table 2 The five capital cities which have the most accumulated annual precipitation and their precipitation

從表2可以看出:在全國所有省會城市中，海口市累年年降水量排名第二，超過全國省會城市累年年降水量的平均值近1倍，僅次于廣州市。但海口市的年降水量在海南省為平均水平，海南很多地區(qū)如瓊中地區(qū)的累年年降水量就遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過廣州市。即便是海南降水最少的西部地區(qū)，如東方市，其累年年降水量也超過了全國省會城市累年年降水量的平均值。

2.4 暴雨次數(shù)多

表3表示1971－2000年間年均暴雨次數(shù)最多的5個省會城市及其年均暴雨次數(shù)。

表3 年均暴雨次數(shù)最多的五個省會城市及其年均次數(shù)Table 3 The five capital cities which have the most number of heavy rain and their numbers of heavy rain

從表3可以看出:全國所有省會城市中，?？谑械睦勰昴瓯┯耆諗?shù)排名第一。

3 海南省交通特點(diǎn)及其對路面病害的影響

車輛荷載是路面結(jié)構(gòu)所承受的最主要荷載。公路所在地區(qū)的實際交通狀況對路面使用狀況的影響非常顯著。路面的使用壽命會由于超載現(xiàn)象而大大縮短。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研，海南地區(qū)對路面結(jié)構(gòu)起主要破壞作用的車輛主要分為六大類，分別為中貨、大貨、特大貨、小客、大客和拖掛車。對于其各自的代表車型，如表4所示。

表4 海南地區(qū)常見的代表車型Table 4 Representative vehicle in Hainan

車輛對路面的影響隨著其裝載條件的不同而變化。為反映實際裝載條件下車輛對瀝青路面的影響，需要調(diào)查各種車型的實際裝載情況，并進(jìn)行軸載換算。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，海南各主要車型的裝載情況如表5所示(各類客車超載與空載情況較少，故全部視為滿載)。

表5 各車型不同裝載條件占該車型車輛總數(shù)比例Table 5 The proportion of vehicles of different loading conditions %

根據(jù)規(guī)范［13］中軸載換算的公式，并參考文獻(xiàn)［14］計算超載時所用的分類方法，可以得到各類車型平均軸載換算系數(shù)并列于表6。其中，拖掛車中4軸車和6軸車分別占拖掛車的70%和30%，因此，可以得到拖掛車的平均軸載換算系數(shù)為17.481 2。

表6 加權(quán)平均軸載換算系數(shù)Table 6 Weighted average axle load conversion factor

根據(jù)當(dāng)?shù)亟煌抠Y料，利用表6中的軸載換算系數(shù)，可以計算出海南省高速公路2002－2009年的累計當(dāng)量軸次如表7所示。為便于對比，表7同時給出各路段不計超載(即認(rèn)為所有車輛均滿載)時的累計當(dāng)量軸次。

表7 2002－2009年累計當(dāng)量軸次Table 7 Cumulative equivalent standard axle from 2002－2009(ten thousand/lane) 萬次/車道

從表7可以發(fā)現(xiàn):考慮超載時，該高速公路運(yùn)營至2009年的累計當(dāng)量軸次平均值為999萬次，最高值出現(xiàn)在瓊海立交觀測站，為1 352萬次。只考慮滿載時，該高速公路運(yùn)營至2009年的累計當(dāng)量軸次平均值為335萬次，最高值出現(xiàn)在瓊海立交觀測站，為454萬次。根據(jù)對海南省高速公路設(shè)計資料的調(diào)查，海南省各段高速公路設(shè)計累計當(dāng)量軸次一般是15 a 900～2 100(萬次/車道)之間，平均每年60～140萬次/車道;考慮超載情況時，該高速公路平均每年累計當(dāng)量軸次為90～160萬次/車道;不考慮超載情況時，每年累計當(dāng)量軸次為30～60萬次/車道?？梢?，不考慮超載的情況下，海南公路瀝青路面設(shè)計年限內(nèi)的累計軸載作用次數(shù)不會超過設(shè)計值，而在考慮超載情況的時候，設(shè)計年限內(nèi)的累計軸載作用次數(shù)很可能會超過設(shè)計值。這說明在實際的交通情況下(超載、交通量增幅大)，海南省公路瀝青路面的使用壽命會大大降低。

4 海南省公路瀝青路面早期病害主要原因

4.1 自然環(huán)境的原因

如前文所述，海南地區(qū)部分自然環(huán)境特點(diǎn)是瀝青路面病害形成的重要誘因。主要包括以下幾點(diǎn)。

4.1.1 常年高溫、太陽輻射強(qiáng)烈

高溫條件下瀝青混凝土的彈性模量會減小，粘塑性會增強(qiáng)，抗車轍性能會降低。在其他條件相同的情況下，溫度越高，瀝青路面越容易產(chǎn)生車轍。而前文研究已指出，氣溫是影響瀝青路面溫度的最主要自然因素。海南有著常年高溫的氣候特點(diǎn)。其中，“高溫”降低了海南地區(qū)瀝青混凝土路面的抗車轍性能，“常年”則使上述作用貫穿全年。因此，與我國其它大部分地區(qū)相比，海南地區(qū)的氣溫特點(diǎn)更容易引起車轍病害的發(fā)生。

太陽輻射是影響路面最高溫度的重要自然因素，海南強(qiáng)烈的太陽輻射，顯著提高了海南公路瀝青路面在白天的最高溫度從而增強(qiáng)瀝青混凝土粘塑性，加劇粘塑性變形的效果，引起車轍的發(fā)生。

4.1.2 年降水量大、暴雨次數(shù)多

如前文所述，海南地區(qū)年降水量和暴雨次數(shù)都位居全國前列。同等條件下，降雨量越大的地區(qū)，當(dāng)?shù)貫r青路面發(fā)生水損壞的可能性就越大。而集中的強(qiáng)降雨會對路面、路基等產(chǎn)生較大破壞。因此，海南地區(qū)降水量大，暴雨次數(shù)多，是造成海南公路瀝青路面水損壞的最主要自然因素。

4.2 交通狀況的原因

車轍的產(chǎn)生與交通狀況的特點(diǎn)密不可分。海南地區(qū)交通狀況的某些特點(diǎn)對當(dāng)?shù)貫r青路面車轍的發(fā)展起到了促進(jìn)作用。主要包括以下幾個方面。

(1)交通量增長迅猛。隨著近年來國際旅游島的建設(shè)，海南各地交通量迅猛增長。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，近年來海南省東線高速公路年平均交通量增長率為17.4%，西線高速公路年平均交通量增長率為22.5%。交通量過快增長加速了瀝青路面的疲勞破壞，同時也加速了動水壓力下集料與瀝青的剝離，是造成當(dāng)?shù)貫r青路面早期病害的重要交通因素之一。

(2)超載現(xiàn)象嚴(yán)重。海南地區(qū)各軸型車輛都普遍存在著超載現(xiàn)象。其中，超載最嚴(yán)重的3軸車，超載車的比例約40%。超載現(xiàn)象一方面增大了作用于瀝青路面的行車荷載，另一方面降低了機(jī)動車地行駛速度，這都會加重瀝青路面的車轍病害。同時，較大的行車荷載會加重瀝青路面的疲勞開裂，而較大的動水壓力則會加劇集料與瀝青的剝離。因此，海南地區(qū)嚴(yán)重的超載現(xiàn)象是引起當(dāng)?shù)貫r青路面早期病害重要因素之一。

4.3 設(shè)計的原因

(1)瀝青面層厚度偏薄，不利于施工壓實。調(diào)查研究表明，海南地區(qū)大部分公路瀝青路面厚度與規(guī)范推薦的適宜厚度相比偏小。這種情況容易誘發(fā)路面壓實不足，通車后瀝青混凝土路面在行車荷載作用下的二次壓密較為明顯，從而誘發(fā)車轍病害。同時，壓實不足會導(dǎo)致路面空隙率偏大，增加路表水的入滲通道，為水損害的發(fā)生創(chuàng)造條件。

(2)對海南氣候特點(diǎn)考慮不足。公路瀝青路面的設(shè)計要考慮當(dāng)?shù)氐臍夂蛱卣?。目前，我國公路瀝青路面主要依據(jù)《公路自然區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》［15］進(jìn)行設(shè)計。在上述規(guī)范中，海南大部分地區(qū)被劃分在Ⅳ7華南沿海臺風(fēng)區(qū)。通過對比，海南與同一氣候分區(qū)內(nèi)的其他地區(qū)存在著較為明顯氣候差異，其高溫持續(xù)時間明顯高于其它地區(qū)。因此，僅參考現(xiàn)有規(guī)范，并不能保證海南地區(qū)瀝青路面的設(shè)計滿足當(dāng)?shù)貧夂虻囊蟆?/p>

(3)防排水設(shè)計考慮不足。海南地區(qū)公路瀝青路面基本采用了半剛性基層，并沒有考慮路面內(nèi)部排水層的設(shè)置。研究表明，不設(shè)排水基層的路面結(jié)構(gòu)排出入滲雨水的50%所需要的時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)有排水基層的路面結(jié)構(gòu)［16］。海南地區(qū)降雨量大，路面結(jié)構(gòu)又很少設(shè)置排水基層，導(dǎo)致滲入路面的水分難以排出，延長了路面中水分滯留的時間，不利于海南地區(qū)路面水損壞的預(yù)防。

4.4 施工的原因

(1)路面壓實不足。調(diào)查和試驗表明，海南地區(qū)路段的瀝青路面存在壓實不足的情況，一方面會導(dǎo)致瀝青路面在行車荷載作用下產(chǎn)生壓密型車轍，另一方面會導(dǎo)致路表水很快地滲入路面結(jié)構(gòu)，從而誘發(fā)水損壞。海南地區(qū)瀝青路面施工階段壓實不足的情況，是由多種原因造成的。首先，海南屬于氣候炎熱地區(qū)，在路面設(shè)計時，會較多地使用偏粗的集料。而海南地區(qū)瀝青路面厚度又偏薄，這會增加施工階段壓實的難度。其次，海南的突發(fā)性降水較為頻繁，會影響正在進(jìn)行的路面施工。

(2)施工不均勻性較大。對高速公路鉆取芯樣的觀察與量測表明，海南部分路段各面層厚度的變異性較大。路面厚度的變異性使路面內(nèi)部某些部位出現(xiàn)了應(yīng)力集中，并在應(yīng)力集中部位率先產(chǎn)生破壞。

4.5 材料的原因

(1)瀝青選擇不當(dāng)。海南地區(qū)公路瀝青路面所使用的瀝青絕大部分都是普通70號瀝青。50號瀝青和改性瀝青的應(yīng)用非常少。提高瀝青黏度或使用改性瀝青可以顯著增強(qiáng)骨料與瀝青的粘附能力，減少車轍與水損壞的發(fā)生。海南目前所使用的瀝青材料并不能滿足當(dāng)?shù)貝毫幼匀画h(huán)境的要求。

(2)當(dāng)?shù)厥蠅A值普遍偏小。調(diào)查表明，海南地區(qū)除北部少部分地區(qū)出產(chǎn)玄武巖外，絕大部分地區(qū)主要出產(chǎn)花崗巖。花崗巖的堿值偏小，屬于酸性礦料。同堿性礦料相比，花崗巖與瀝青的粘結(jié)能力相對較弱，在動水壓力的作用之下，與瀝青粘結(jié)力較弱的集料更容易發(fā)生剝離，從而造成水損壞。同時，這也是造成車轍病害的重要原因之一。

(3)集料把關(guān)不嚴(yán)。調(diào)查表明:海南高速公路用于面層的粗集料含泥量較高，扁平顆粒所占比例很大，大大降低了集料與瀝青的粘附力，成為車轍形成的隱患之一。

5 結(jié)論

(1)公路技術(shù)狀況調(diào)查表明，海南地區(qū)公路瀝青路面抗滑性能較好，但普遍存在強(qiáng)度不足的問題。

(2)海南地區(qū)常年高溫、太陽輻射強(qiáng)烈，年降雨量與暴雨次數(shù)均位居全國前列。

(3)不考慮超載的情況下，海南公路瀝青路面設(shè)計年限內(nèi)的累計軸載作用次數(shù)不會超過設(shè)計值，而在考慮超載情況的時候，設(shè)計年限內(nèi)的累計軸載作用次數(shù)很可能會超過設(shè)計值。這說明在實際的交通情況下(超載、交通量增幅大)，海南省公路瀝青路面的使用壽命會大大降低。

(4)海南地區(qū)瀝青路面早期病害原因可以分為自然環(huán)境方面的原因、交通狀況方面的原因、設(shè)計方面的原因、施工方面的原因和材料方面的原因等五類。應(yīng)該分別針對上述原因采取相應(yīng)措施預(yù)防瀝青路面早期病害。

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