淺析冰雪災(zāi)害對福建某高速瀝青路面使用性能影響

2018-07-04 03:09:34吳建超

福建交通科技 2018年3期

■吳建超

（福州隆通公路工程監(jiān)理有限公司，福州 350007）

近年來，隨著我國低溫雨雪極端氣候的頻繁出現(xiàn)，福建山區(qū)北部普降雨夾雪已成為常態(tài)，若低溫持續(xù)時(shí)間長，道路往往會(huì)形成冰層，對行車安全構(gòu)成威脅，導(dǎo)致高速公路大面積癱瘓，對人民群眾生產(chǎn)、出行造成較大影響。為迅速開放交通，保障車輛行車安全，公路養(yǎng)護(hù)人員一般采取大量拋灑融雪劑（主要成分為NaCl），以達(dá)到快速除冰作用。從冰凍災(zāi)害發(fā)生后高速公路歷年路面病害的綜合檢測數(shù)據(jù)來看，瀝青路面裂縫、坑槽、松散及修補(bǔ)（灌縫類修補(bǔ)及坑槽修補(bǔ)）等病害數(shù)量較冰凍災(zāi)害前明顯增加，這些病害的產(chǎn)生一定程度上影響了原路面使用性能的衰減規(guī)律，但是其對路面使用性能各分項(xiàng)指標(biāo)影響的程度尚未清楚。因此，本文以福建某高速公路的歷年路面綜合檢測數(shù)據(jù)為依托，通過現(xiàn)場探坑、取芯，結(jié)合室內(nèi)瀝青粘附性實(shí)驗(yàn)，分析冰雪災(zāi)害對瀝青路面使用性能影響，為高速公路災(zāi)后科學(xué)制定養(yǎng)護(hù)決策提供依據(jù)。

1 工程概況

福建某高速公路全長24.021km，設(shè)計(jì)行車速度為80km/h，采用雙向四車道，路面類型為瀝青混凝土（原始路面結(jié)構(gòu)及養(yǎng)護(hù)結(jié)構(gòu)信息見表1），是福建連接江西，通向湖北、陜西、甘肅、寧夏的重要交通干道。

表1 福建某高速公路路面結(jié)構(gòu)信息

圖1 冰雪災(zāi)后路面損壞現(xiàn)場圖片

該段高速公路位于閩贛省際路段，屬福建山區(qū)北部，具有以丘陵山地為主的低山區(qū)地貌特征。年平均氣溫18～20℃，7月最熱，最高溫度為 38℃；1月最冷，最低氣溫為-3℃。冬季夜間氣溫較低，常在-1℃至-3℃之間，導(dǎo)致部分路段經(jīng)常出現(xiàn)積雪結(jié)冰現(xiàn)象。

2 路面技術(shù)狀況現(xiàn)場調(diào)查與分析

近年來，由于福建北部山區(qū)頻繁出現(xiàn)低溫雨雪極端天氣，冬季期間氣溫較低，路面常有結(jié)冰現(xiàn)象，夏季期間路面溫度則較高，年最高氣溫與最低氣溫之間溫差可相差40℃左右。路表溫差的拉大，經(jīng)長時(shí)間反復(fù)的溫度變化作用后，路面集中出現(xiàn)多種病害，如裂縫、坑槽、松散、反復(fù)修補(bǔ)等，通過對該路段上下行車道重點(diǎn)受災(zāi)路段路面病害進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，病害情況如圖1所示，病害數(shù)量統(tǒng)計(jì)見表 2。

表2 福建某高速冰凍災(zāi)后重點(diǎn)段落瀝青路面主要病害調(diào)查數(shù)量匯總表

從表2可知，路面百米PCI值絕大部分評(píng)價(jià)為“中”，個(gè)別路段已下降至“次”，甚至是“差”，現(xiàn)場路面破損較為嚴(yán)重。公路養(yǎng)護(hù)人員在路面病害出現(xiàn)后也積極開展道路養(yǎng)護(hù)工作，期間對全線路面表層加鋪1cm的微表處，并對個(gè)別損壞較嚴(yán)重的路段進(jìn)行銑刨重鋪，但路面病害并未因此停滯發(fā)展。本文結(jié)合歷年路面檢測數(shù)據(jù)，對導(dǎo)致路面技術(shù)狀況急劇下降的原因，具體分析如下：

（1）瀝青老化是導(dǎo)致路面開裂的主要因素，初步判斷拋灑融雪劑除冰后，形成的氯鹽溶液對瀝青路面的長期作用，是導(dǎo)致瀝青老化的重要原因。由于在每年的除冰過程中，公路管理方須拋撒大量融雪劑，以快速融冰，保障車輛通行，而融雪劑中的最主要成分——鹽，溶于水后形成氯鹽溶液，初步判斷氯離子對瀝青具有一定的腐蝕作用，會(huì)加速瀝青的老化。待路表面瀝青老化后，瀝青混和料的自愈能力逐漸喪失，極限拉伸應(yīng)變不斷減小，在車載荷載直接作用下，在輪跡部位產(chǎn)生強(qiáng)大的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力，導(dǎo)致路面開裂程度進(jìn)一步加強(qiáng)，最終在路表處形成大量裂縫。

（2）冰凍災(zāi)害除持續(xù)低溫外，路面冰層的反復(fù)凍融也是路面損壞的原因之一。路面冰層在融雪劑的作用下快速融化為水，但由于低溫作用又重新凝結(jié)成冰，處于一種反復(fù)凍融狀態(tài)。瀝青混合料空隙中的水，在冰凍時(shí)體積膨脹，而在融化時(shí)膨脹應(yīng)力又消失，在這種反復(fù)凍融作用下，混合料的強(qiáng)度必然衰減。同時(shí)，冰災(zāi)期間的持續(xù)低溫，使得半剛性基層收縮應(yīng)力變大，造成基層更多裂縫的形成，而這些裂縫在冰災(zāi)過后的1～2年內(nèi)便會(huì)集中反射到路面，形成反射裂縫。

（3）在歷年幾次的路況調(diào)查中，裂縫類病害數(shù)量均呈快速發(fā)展勢態(tài)，伴隨裂縫的快速發(fā)展，路面局部開始出現(xiàn)坑槽。雖然管理方及時(shí)采取灌縫封水處理的養(yǎng)護(hù)方式，但無法較好的完全封閉縫隙，因此裂縫得以繼續(xù)發(fā)展，下滲的路表水在車輛動(dòng)載的作用下對路面造成更大破壞，嚴(yán)重影響路面使用性能和壽命。

（4）動(dòng)載和內(nèi)部水的共同作用是加速路面破壞的主因，在現(xiàn)場局部段落發(fā)現(xiàn)個(gè)別裂縫和修補(bǔ)處有唧漿現(xiàn)象，說明病害已擴(kuò)展至水穩(wěn)層進(jìn)行破壞。因此，在路面的日常養(yǎng)護(hù)方面，對于路面上裂縫、松散、坑槽類等病害要及時(shí)發(fā)現(xiàn)、有效封堵、合理治愈，防止加劇加速路面的早期損壞。

（5）部分段落坑槽存在反復(fù)修補(bǔ)現(xiàn)象，是由于基層的層間水無及時(shí)排出，在汽車荷載直接作用下，對瀝青路面造成沖刷破壞，導(dǎo)致該瀝青面層在修復(fù)以后，很快又遭到水沖刷破壞，形成循環(huán)反復(fù)修補(bǔ)。同時(shí)，由于坑槽的修補(bǔ)都是小面積，往往造成碾壓不充分，壓實(shí)度不足，以及修補(bǔ)塊周邊接縫的不夠密實(shí)，水分極易再次進(jìn)入修補(bǔ)塊內(nèi)，在車輛的碾壓下形成動(dòng)水壓力，導(dǎo)致坑槽修復(fù)不久后又復(fù)發(fā)。

3 路面探坑、取芯分析

為判斷路面損壞情況，對路面較典型病害處進(jìn)行多處探坑、取芯（見圖2），并作了原因分析：

（1）結(jié)合現(xiàn)場取芯和挖坑探方來看，部分裂縫類病害為溫縮裂縫，裂縫僅存在于上、中面層表面。據(jù)近幾年氣候數(shù)據(jù)資料顯示，冬季期間氣溫較低，路面常有結(jié)冰現(xiàn)象，夏季期間路面溫度則較高，年最高氣溫與最低氣溫之間溫差可相差40℃左右，路表溫差的拉大，經(jīng)長時(shí)間反復(fù)的溫度變化作用，以及行車荷載直接作用下，在輪跡帶部位產(chǎn)生大的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力，導(dǎo)致路面產(chǎn)生開裂，形成大量的裂縫類病害。同時(shí)沖刷也對瀝青面層造成較大破壞，導(dǎo)致瀝青老化，造成混合料自愈能力下降，上、中面層混合料呈碎散且潮濕，石料表面無瀝青包裹，瀝青粘結(jié)力差。

圖2 路面探坑、取芯現(xiàn)場圖片

（2）路面病害位置基本都能取出完整芯樣，但芯樣層間粘結(jié)力均較差，同時(shí)基底大部分都有積水現(xiàn)象，芯樣及孔壁處均可見水沖刷損壞痕跡；在橫向裂縫密集段落橫縫處取芯，芯樣沿裂縫處開裂，且各層間均分離，芯樣完全碎散。對碎散的部位進(jìn)行觀察，斷裂面都有明顯水沖刷的痕跡，石料裸露，表面無瀝青裹附。原本應(yīng)該包裹在石料表面的瀝青已老化，粘結(jié)力變差，失去粘彈性，而造成瀝青混凝土結(jié)構(gòu)松散。

4 融雪劑作用下瀝青粘附性試驗(yàn)

由于瀝青材料是一種復(fù)雜的多成分混合物，其組成相當(dāng)復(fù)雜，氯離子對瀝青膠結(jié)料的影響仍處于研究階段。但可以肯定的是氯離子對石灰?guī)r等骨料是具有侵蝕作用的，尤其當(dāng)瀝青從礦料表面剝落后，礦料露出與氯鹽溶液直接作用而受蝕?，F(xiàn)通過水煮法對標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行瀝青粘附性試驗(yàn)，對兩組水煮后的粘附性進(jìn)行評(píng)價(jià)對比，可以看出有添加融雪劑溶液的試樣，粘附性明顯劣于不添加的試樣，粘附性等級(jí)從5級(jí)下降到3級(jí)，甚至是2級(jí)，說明融雪劑對瀝青混合料的抗剝落性能有較大的不利影響。冰凍天氣下為了快速除冰采取拋灑融雪劑，導(dǎo)致氯鹽溶液滲入路面結(jié)構(gòu)，經(jīng)車輛動(dòng)載的反復(fù)擠壓，對瀝青混合料造成沖蝕，一定程度上削弱了瀝青的粘附性能，導(dǎo)致了路面快速出現(xiàn)裂縫，并最終形成松散、坑槽。

5 結(jié)論

（1）冰災(zāi)期間路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的氯鹽溶液反復(fù)凍融引起瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的衰減，其抗水損壞能力隨之下降。

（2）氯鹽溶液對瀝青路面的瀝青與集料的粘附性能有一定影響，易導(dǎo)致路面松散、開裂。

（3）對于冰災(zāi)過后的路面主要養(yǎng)護(hù)方式，小范圍的坑槽修補(bǔ)已不能完全消除路面病害的快速發(fā)展，甚至出現(xiàn)修補(bǔ)區(qū)域的反復(fù)修復(fù)現(xiàn)象，建議采取10cm銑刨重鋪的路面中修方式，擴(kuò)大修補(bǔ)范圍，集中處治路面病害，避免病害繼續(xù)向下面層及底基層滲透發(fā)展?？v觀采取路面中修方式路段，目前修補(bǔ)狀況仍舊良好。

（4）冰災(zāi)對路面性能的影響具有一定的滯后性，即冰災(zāi)的最大影響值一般出現(xiàn)在冰災(zāi)過后的1～2年內(nèi)。因此，公路管理者有必要在災(zāi)后加強(qiáng)路面巡查力度，加大養(yǎng)護(hù)力度，防止路面技術(shù)狀況出現(xiàn)急劇下降，同時(shí)，應(yīng)開展道路防冰抗凍的預(yù)防性養(yǎng)護(hù)研究，做好道路管養(yǎng)工作。

[1]JTGD50-2017，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JTGH20-2007，公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3]JTGE60-2008，公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程[S].