福建省組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析

孫亦純（泉州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院）

福建省組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析

孫亦純
（泉州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院）

隨著我國(guó)交通狀況的變化，半剛性基層瀝青路面遭遇到重載交通和早期損壞兩大挑戰(zhàn)，因此，提出能適應(yīng)重載交通的長(zhǎng)壽命與性能瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)方法，對(duì)目前重載交通高速公路的工程建設(shè)和養(yǎng)護(hù)將具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。本文通過(guò)對(duì)福建省組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的性能綜合分析，得出組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)比典型半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)在車(chē)轍、水損壞、耐久性、開(kāi)裂等各項(xiàng)性能上更具結(jié)構(gòu)優(yōu)越性，滿(mǎn)足長(zhǎng)壽命路面的要求。

組合式結(jié)構(gòu)；瀝青路面；級(jí)配碎石；瀝青穩(wěn)定碎石

1　前言

我國(guó)高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，至2013年底，高速公路通車(chē)總里程達(dá)到10.4萬(wàn)km，已超過(guò)美國(guó)躍居世界第一位。但在高速公路快速發(fā)展的同時(shí)，由于我國(guó)的公路整體建設(shè)起步較晚，技術(shù)力量?jī)?chǔ)備較弱，前期經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較差，高速公路瀝青路面建設(shè)中的一些問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。一些高速公路建成通車(chē)后不久，就發(fā)生了車(chē)轍、水損害、開(kāi)裂、坑槽、泛油等早期損壞現(xiàn)象，不得不進(jìn)行大面積維修，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失及不良的社會(huì)影響。

造成我國(guó)瀝青路面早期損壞的原因是多方面的，材料、施工質(zhì)量等是一方面原因，半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)暴露出的一些缺陷和不足也是另一個(gè)重要原因。長(zhǎng)期以來(lái)半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)是我國(guó)主要的結(jié)構(gòu)型式，為我國(guó)的公路建設(shè)，尤其是高速公路、一級(jí)公路的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。在我國(guó)嚴(yán)重缺乏瀝青，經(jīng)濟(jì)能力有限的情況下，半剛性基層承擔(dān)了日益增長(zhǎng)的荷載，為發(fā)展瀝青路面起到了無(wú)可替代的作用，并寫(xiě)下了光輝的一頁(yè)。因此發(fā)展半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足了我國(guó)公路發(fā)展初期的國(guó)情需要。但是，隨著我國(guó)高速公路飛速發(fā)展和總里程的不斷增加，現(xiàn)有的半剛性瀝青路面早期損壞突出、耐久性差，達(dá)不到設(shè)計(jì)年限就開(kāi)始大修的使用問(wèn)題逐漸突顯，特別是近些年來(lái)隨著對(duì)公路工程的耐久性和長(zhǎng)期性能的要求越來(lái)越高，我國(guó)廣大工程技術(shù)人員開(kāi)始研究半剛性基層瀝青路面的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。在這種背景下進(jìn)行新型瀝青路面結(jié)構(gòu)型式的應(yīng)用研究已經(jīng)成為我國(guó)提高瀝青路面的耐久性、延長(zhǎng)使用壽命的重要課題。

2　福建省組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

2.1福建省自然條件

福建省處于北緯23°31′～28°18′之間，靠近北回歸線(xiàn)，境內(nèi)溫暖濕潤(rùn)，年平均氣溫17～21℃，平均降雨量1400～2000mm，省內(nèi)以山地丘陵為主，占80%以上。

按照中華人民共和國(guó)《公路自然區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》（JTJ003-86），福建省自然區(qū)劃為Ⅳ4浙閩沿海山地中濕區(qū)、Ⅳ6武夷南嶺山地過(guò)濕區(qū)和Ⅳ6a武夷副區(qū)。按《公路瀝青施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）氣候分區(qū)為1-4-1區(qū)。

福建地形以山地丘陵為主，由西、中兩列大山帶構(gòu)成福建地形的骨架。兩列大山帶均呈東北-西南走向，與海岸平行。

福建省屬于暖熱濕潤(rùn)的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，冬短夏長(zhǎng)。高溫炎熱天氣天數(shù)和高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、日照時(shí)間長(zhǎng)，以2009年為例，全省高溫時(shí)間從7月份持續(xù)到9月中旬，共出現(xiàn)5次高溫天氣過(guò)程，49個(gè)縣（市）日最高氣溫≥38℃；日最高氣溫≥35℃的最長(zhǎng)連續(xù)日數(shù)達(dá)到16d。同時(shí)，福建降雨量充沛，且暴雨頻率高。

綜上所述，福建省氣候炎熱、多雨潮濕，夏季時(shí)間長(zhǎng)，這些自然條件將增加高速公路的鋪筑難度。

2.2福建省高速公路交通荷載情況

福建省高速公路目前交通量不太大，但是隨著福建省高速公路與周邊省份的聯(lián)通以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，將使后期的交通量迅速增加。從福建省的貨車(chē)發(fā)展趨勢(shì)看，專(zhuān)用汽車(chē)呈現(xiàn)出向廂式化、重型化、智能化、高檔化、多極化發(fā)展的趨勢(shì)，其中表現(xiàn)比較明顯的是：普通貨物運(yùn)輸箱式化；專(zhuān)用汽車(chē)運(yùn)輸重型化；貨物運(yùn)輸專(zhuān)業(yè)化；特種用途車(chē)輛發(fā)展迅速。同時(shí)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)有許多運(yùn)輸業(yè)主將新車(chē)買(mǎi)回后，通過(guò)更換彈簧鋼板、加固大梁、加高車(chē)廂、變換厚輪胎增加剎車(chē)水箱等途徑進(jìn)行加固改裝，改裝后的貨車(chē)承載能力增強(qiáng)，帶來(lái)的超載情況也非常嚴(yán)重，統(tǒng)計(jì)表明大、中型貨車(chē)的超載重量是標(biāo)準(zhǔn)載重量的50～120%。通過(guò)調(diào)查南平地區(qū)交通特性發(fā)現(xiàn)，貨車(chē)在所有交通量占到了75.5%，貨車(chē)軸型較多，其中后單軸貨車(chē)最多，后雙軸及以上貨車(chē)也占了很大比例。而龍巖地區(qū)后雙軸、三軸比例更高；部分地區(qū)超載嚴(yán)重，平均超載率最大的為限值30t貨車(chē)，即后雙軸貨車(chē)，其中20t最大的超載率達(dá)38.2%，30t達(dá)77.8%，40t達(dá)50%，50t達(dá)27.9%。對(duì)福建省3條高速公路治超時(shí)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)（WIM）測(cè)得的實(shí)際軸重?cái)?shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算可以得到福建省不同軸載的軸重分布情況，按照《我國(guó)超限車(chē)輛行駛公路管理規(guī)定》（交通部2000年2號(hào)令），單軸、雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸載重分別超出10t、18t和22t為超限，按照此標(biāo)準(zhǔn)三軸軸載類(lèi)型超限比例分別達(dá)到6.6%、37.7%、59%，三軸軸載類(lèi)型合計(jì)占總分析交通量的17.8%，占總貨車(chē)交通量的30.7%。

荷載的增加導(dǎo)致車(chē)輛輪胎印跡寬度變化較小，長(zhǎng)度變長(zhǎng)，輪胎接觸壓強(qiáng)變大，已經(jīng)超出了規(guī)范的0.7MPa設(shè)計(jì)要求，如一般解放CA10B、東風(fēng)EQ140主車(chē)額定載重50kN，而實(shí)際載重高達(dá)80～100kN，輪胎氣壓普遍為0.9～1.0MPa，紅巖、斯太爾主車(chē)額定載重150kN，實(shí)際載重可達(dá)380kN，輪胎氣壓一般為1.0～1.1MPa。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，福建省多數(shù)貨車(chē)的輪胎充氣壓力從0.7MPa增加到0.9MPa，少數(shù)超過(guò)1.0MPa。

在高溫情況下，重載在瀝青路面中產(chǎn)生較大的剪應(yīng)變，使瀝青路面抵抗剪切變形、側(cè)向流動(dòng)的能力降低，導(dǎo)致瀝青路面過(guò)早地產(chǎn)生車(chē)轍。

2.3福建省高速公路組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

福建省早些年某些高速公路路段發(fā)生不同程度的早期損壞，其主要損壞表現(xiàn)型式有：

（1）瀝青面層早期損壞：水損害、唧漿、松散、坑槽、車(chē)轍、泛油等破壞；

（2）橋面鋪裝局部破損；

（3）結(jié)構(gòu)物連接不順暢、橋頭及接縫跳車(chē)；

（4）路基沉降，如軟土路段、高填方路堤；

（5）高邊坡滑塌；

（6）半填半挖路段的沉降和開(kāi)裂。

由此可見(jiàn)，水損害、松散、坑槽、車(chē)轍、泛油等病害是福建省高速公路瀝青面層早期損壞主要形式。福建省氣候炎熱、多雨潮濕，高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，山區(qū)丘陵比例多，高速公路縱坡較大，同時(shí)重車(chē)比例大，高速公路的外部條件比較復(fù)雜，高速公路的鋪筑技術(shù)難度大。

為此，福建省以提高高速公路瀝青路面長(zhǎng)期性能和耐久性為目標(biāo)，通過(guò)充分論證和鋪筑試驗(yàn)路及實(shí)體工程驗(yàn)證，開(kāi)展南方濕熱地區(qū)高速公路瀝青路面新型結(jié)構(gòu)的研究，最終推薦表1路面結(jié)構(gòu)形式。

表1　

該路面結(jié)構(gòu)形式做為福建省組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的典型代表，廣泛應(yīng)用于后期建設(shè)的高速公路當(dāng)中，包括沈海高速擴(kuò)建、浦南高速、龍長(zhǎng)高速等。

3　組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析

現(xiàn)選取典型半剛性結(jié)構(gòu)和組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)等兩種結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其各項(xiàng)路用性能進(jìn)行綜合比較分析，結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)表2。

表2　路面結(jié)構(gòu)形式對(duì)比表

3.1車(chē)轍分析

一年之中溫度、荷載等因素是不斷變化的，如交通量、荷載大小以及每一時(shí)刻的溫度均隨時(shí)間在不斷變化，同時(shí)路面材料的性質(zhì)也隨時(shí)間會(huì)產(chǎn)生較大的變化，最終瀝青路面車(chē)轍量應(yīng)該是每天每一時(shí)刻的變形不斷累積的結(jié)果。在白天或夏季，路面結(jié)構(gòu)溫度較高，瀝青混合料的模量降低。在春季或雨季土基的含水量增加，也會(huì)造成路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度下降。如果在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)，路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度因環(huán)境因素的影響而下降，且這一時(shí)間段交通又較為集中，則路面結(jié)構(gòu)在這一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的破壞將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他的時(shí)間段。為此有必要對(duì)福建省典型溫度、交通荷載條件下的高速公路瀝青路面的車(chē)轍損壞進(jìn)行進(jìn)一步影響分析。

為了全面分析福建省的溫度條件和典型荷載條件對(duì)瀝青路面車(chē)轍的影響，借助AASHTO 2002年ME-PDG軟件程序進(jìn)行天氣、交通荷載和不同車(chē)速耦合作用下車(chē)轍分析。

圖1　典型半剛性結(jié)構(gòu)與組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)車(chē)轍分析對(duì)比圖

根據(jù)圖1分析結(jié)果，相同情況下，新型結(jié)構(gòu)的車(chē)轍要明顯小于半剛性基層結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的半剛性結(jié)構(gòu)相比較，26cm瀝青面層的組合式結(jié)構(gòu)的車(chē)轍量可以降低45～50%。

3.2水損壞分析

水損害是瀝青路面早期破壞的主要表現(xiàn)形式，福建地區(qū)夏季天氣炎熱，雨季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，雨量大，在大交通量的作用下，瀝青路面的水損害現(xiàn)象顯得較為突出。半剛性瀝青路面的水損壞主要有兩種形式：①?gòu)臑r青路面表面層開(kāi)始的，即“自上而下”的水損壞，瀝青膜逐漸從骨料上脫落，進(jìn)而出現(xiàn)瀝青混合料松散、掉粒，并逐漸發(fā)展成為路面坑槽；②從瀝青路面中下面層開(kāi)始，即“自下而上”的水損壞，致使其承載力下降，表面層出現(xiàn)泛漿、網(wǎng)裂等病害，典型路段發(fā)生水損害破壞的地方一般是滲水較嚴(yán)重且排水不暢的部位，挖開(kāi)路面可見(jiàn)其下有積水或浮漿，自下而上的水損壞發(fā)生的結(jié)構(gòu)層位較深，對(duì)路面結(jié)構(gòu)影響大，屬于結(jié)構(gòu)性破壞，因此危害性更大。

與半剛性材料相比，級(jí)配碎石具有一定滲水性能，能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的有效滲水，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)材料的飽水時(shí)間，同時(shí)級(jí)配碎石基層能夠極大降低瀝青層的動(dòng)孔隙水壓力，從而能夠極大降低結(jié)構(gòu)性水損壞的產(chǎn)生。級(jí)配碎石的良好滲水性能是保持新型結(jié)構(gòu)路面耐久性的一個(gè)前提條件。設(shè)置級(jí)配碎石基層，增加結(jié)構(gòu)內(nèi)部的滲水，降低動(dòng)水壓力、特別是中下面層內(nèi)部的動(dòng)孔隙水壓力，提高結(jié)構(gòu)抗水損壞性能，對(duì)于減少福建省多雨潮濕條件下的瀝青路面水損壞具有重大意義。

3.3結(jié)構(gòu)耐久性影響分析

半剛性材料由于濕度和溫度的收縮作用會(huì)在使用初期即出現(xiàn)橫向收縮裂縫，使結(jié)構(gòu)層斷裂成板塊狀。結(jié)合料的膠結(jié)作用較弱，粗集料同結(jié)合料和細(xì)集料基質(zhì)之間的粘結(jié)在受到較小的拉應(yīng)變或拉應(yīng)力時(shí)便會(huì)喪失，從而在基層內(nèi)產(chǎn)生微裂隙，受其影響，混合料的抗拉強(qiáng)度以及相應(yīng)的抗拉回彈模量隨之降低。因此，半剛性基層在使用過(guò)程中，隨著荷載的反復(fù)作用，微裂隙由基層的底面逐漸向上發(fā)展，使具有抗拉能力的基層有效厚度逐漸減小，在裂隙發(fā)展到基層頂面時(shí)，整個(gè)基層碎裂成小塊，其有效模量便降低為接近于粒料的模量值。因此，半剛性材料有著模量隨時(shí)間不斷衰減特性。

而級(jí)配碎石對(duì)干濕、溫度的變化不太敏感，不會(huì)產(chǎn)生干縮、溫度裂縫而導(dǎo)致自下而上的結(jié)構(gòu)性反射裂縫，同時(shí)其強(qiáng)度不會(huì)隨齡期逐漸衰減，因而具有較好的耐久性和穩(wěn)定性，這對(duì)于長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性非常重要。

考慮到半剛性材料的模量衰減特性，而級(jí)配碎石的承載能力又較低，可以通過(guò)增加瀝青層的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)瀝青路面長(zhǎng)壽命和耐久性。在較薄瀝青層時(shí)，增加瀝青層厚度對(duì)于疲勞壽命影響不明顯，但是一旦瀝青層厚度增加到一定程度，結(jié)構(gòu)疲勞壽命會(huì)隨著瀝青層厚度增加將非常顯著，每增加1cm將增加結(jié)構(gòu)疲勞壽命近1000萬(wàn)次。因此對(duì)于大交通量道路，采用較厚瀝青層路面對(duì)于提高路面耐久性具有非常重要的意義。

3.4縱向開(kāi)裂分析

縱向裂縫是瀝青路面較為典型的開(kāi)裂形式，主要原因在于：

（1）路表產(chǎn)生較大溫度梯度，從而使得瀝青混合料模量?jī)?nèi)也產(chǎn)生較大梯度，在荷載作用下路表產(chǎn)生較大應(yīng)力；

（2）路表瀝青老化，瀝青層模量較高，在荷載作用下路表產(chǎn)生較高剪應(yīng)力。同時(shí)路面基礎(chǔ)剛度增加會(huì)增加表面開(kāi)裂，特別是對(duì)于半剛性基層或者硬路基；較硬的結(jié)構(gòu)層離路表瀝青混合料越近，較軟的瀝青混合料更容易產(chǎn)生表面縱向開(kāi)裂。

圖2分別為兩種結(jié)構(gòu)的縱向開(kāi)裂累計(jì)發(fā)展情況，可以看出18cm的典型半剛性結(jié)構(gòu)的縱向開(kāi)裂較26cm組合式結(jié)構(gòu)的縱向開(kāi)裂大得多，前后結(jié)構(gòu)縱向開(kāi)裂量相差11.5倍。同時(shí)模量較低的瀝青混合料較為柔軟，而模量很高半剛性材料具有較高的板體性，這樣結(jié)構(gòu)層之間變形不協(xié)調(diào)會(huì)增加路表的拉應(yīng)力，從而會(huì)加大表面裂縫的產(chǎn)生。此時(shí)如設(shè)置級(jí)配碎石層，會(huì)顯著改善基層與面層的變形隨從性，會(huì)顯著降低表面裂縫。

圖2　典型半剛性結(jié)構(gòu)與組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)縱向開(kāi)裂累計(jì)分析圖

4　結(jié)語(yǔ)

較典型半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)而言，組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)具有一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性，在車(chē)轍、水損壞、耐久性、開(kāi)裂等各項(xiàng)性能上均具有較好的路用效果。組合式瀝青路面由于有較厚的瀝青層，極大降低了傳統(tǒng)的貫穿裂縫，主要表現(xiàn)為表面裂縫，只需對(duì)面層進(jìn)行再生等表面修復(fù)就可以迅速恢復(fù)其路面的使用性能。

在福建省的自然、交通荷載條件下，組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)能夠有效減少目前典型半剛性結(jié)構(gòu)的各種損壞，能夠達(dá)到30～50年分析期內(nèi)新型結(jié)構(gòu)無(wú)結(jié)構(gòu)性損壞的長(zhǎng)壽命要求。

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U416.217

A

1673-0038（2015）06-0153-03

2015-1-12

孫亦純（1983-），男，工程師，本科，主要從事路橋工程設(shè)計(jì)工作。