季凍區(qū)瀝青混凝土路面施工技術(shù)要點研究

沈 榮

(中鐵十九局集團第三工程有限公司， 遼寧 沈陽 110136)

目前，我國季凍區(qū)高速公路總里程已達到5萬多公里，施工質(zhì)量與養(yǎng)護將直接影響交通運輸安全[1]。但由于季凍區(qū)公路長期處于較惡劣的環(huán)境中，受干濕循環(huán)、凍融循環(huán)及車輛荷載的循環(huán)往復(fù)作用，易導(dǎo)致各種典型病害發(fā)生，比如路基凍脹翻漿，路面的裂縫和坑槽等。病害嚴(yán)重影響了道路交通的正常運行，嚴(yán)重時可能會造成人民生命財產(chǎn)安全，如果不能及時對破損路段進行維修養(yǎng)護，破損范圍將會繼續(xù)擴大，維修成本繼續(xù)增加，而且還極大地縮短了現(xiàn)有公路使用年限[2]。早在20世紀(jì)80年代我國就開始對季凍區(qū)公路瀝青路面病害問題展開研究，并取得了豐碩成果。張毅[3]等對新疆巖對瀝青混合料性能的影響規(guī)律進行了研究，通過室內(nèi)試驗，對比分析添加工藝、巖瀝青粒徑及不同摻量對瀝青混合料性能產(chǎn)生的影響，認為巖瀝青粒徑越小，改性效果越好。董正陽[4]等對季凍區(qū)高速公路瀝青路面病害成因進行了分析，認為凍融循環(huán)是產(chǎn)生瀝青路面病害的主要原因，并給出了相應(yīng)的解決發(fā)法和處治措施。仲玉俠[5]等對三種改性瀝青材料材料進行了低溫抗裂特性試驗研究，結(jié)果表明鋼纖維改性劑是最好的抗裂材料。

綜上分析可知，溫度交替變化對季凍區(qū)公路瀝青路面影響顯著。因此，本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，對季凍區(qū)瀝青路面所處的自然氣候條件、病害類型、破壞機理、防治措施、施工技術(shù)要點進行全面分析與研究，給出季凍區(qū)瀝青路面抗凍技術(shù)施工方法，為同類工程提可靠的施工技術(shù)支撐。

1 季凍區(qū)的自然氣候條件研究

根據(jù)我國出版的《公路自然區(qū)劃》規(guī)范可將我國劃分為常凍區(qū)、季凍區(qū)和不凍區(qū)。我國東北地區(qū)四季分明，冬季寒冷多雪，夏季炎熱多雨，春季、秋季溫度適中，因此東北地區(qū)屬于典型的季凍區(qū)。東北地區(qū)的公路路面結(jié)構(gòu)每年要歷經(jīng)近70 ℃的溫度變化，夏季最高溫度能達到35 ℃以上，冬季最低溫度能達到-35 ℃以下，甚至更低，夏季一般持續(xù)3個月左右，冬季則相對較長，持續(xù)時間4～5個月左右。長期處于季凍區(qū)的路面極易發(fā)生凍融開裂破壞[4]。

2 導(dǎo)致季凍區(qū)瀝青路面破壞的因素研究

季凍區(qū)瀝青路面破壞模式較為復(fù)雜，其主要破壞模式為以下幾方面：

2.1 裂縫導(dǎo)致破壞

目前，各省市絕大部分公路建設(shè)已經(jīng)完成，且大部分公路已經(jīng)進入了養(yǎng)護維修階段，養(yǎng)護維修所要解決的問題主要是路面開裂。對于瀝青路面裂縫的研究多停留在裂縫產(chǎn)生原因、生成機理、試驗方法以及防治措施等方向，也取得了較為顯著的成果，但對于裂縫擴展與公路其他結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系方面研究則較少。東北地區(qū)是我國典型的季凍區(qū)，由凍融作用導(dǎo)致的路面裂縫普遍存在，在冬季隨處可見因凍脹作用產(chǎn)生的地裂縫，有時裂縫的寬度甚至與人腳面同寬，破壞嚴(yán)重。然而對此種自然病害卻有不同看法，有專家學(xué)者認為，因凍融作用產(chǎn)生的裂縫屬正常自然現(xiàn)象，轉(zhuǎn)年氣溫升高會自然閉合，不會產(chǎn)生大的影響。然而因凍融作用導(dǎo)致的瀝青路面裂縫不僅不會自然閉合，反而損傷加重，最后導(dǎo)致交通事故發(fā)生。如果路面所在地區(qū)雨水較少，則路面完整性還能勉強維持，而在東北地區(qū)夏季雨水充沛，冬季雪量較大，加之凍融作用導(dǎo)致的路面裂縫，水分會大量滲入，一旦溫度降低至冰點以下，就會產(chǎn)生凍脹裂縫，不僅影響公路整體的外觀和完整性，還會促進水分流動至路基內(nèi)部，使路基承載力下降，最終導(dǎo)致公路喪失使用功能。

2.2 凍融循環(huán)導(dǎo)致破壞

當(dāng)溫度從+20 ℃下降至-20 ℃再升至+20 ℃，整個過程持續(xù)時間不低于6h形成一個完整的凍融過程。而凍融循環(huán)則為多次凍融作用耦合。根據(jù)相關(guān)資料可知，我國各季凍區(qū)凍融循環(huán)次數(shù)差異較大，其中哈爾濱年均凍融循環(huán)次數(shù)為129次，長春為119次，沈陽與長春接近，年均凍融循環(huán)次數(shù)為114次，大連為79次，北京為84次。在進行瀝青路面抗凍性能評價時應(yīng)對考慮半剛性基層的層位分布情況，層位靠近底基層，所承受的凍融循環(huán)次數(shù)越少，受凍融損傷作用相對較??；與之相反，層位越靠近頂面，所承受的凍融循環(huán)次數(shù)相對較多，受凍融損傷作用則較為嚴(yán)重。

2.3 地形地貌導(dǎo)致破壞

研究認為，瀝青路面車轍是由不同基層形變而成，認為產(chǎn)生車轍的原因是由于路基基層薄弱所致，該觀點與我國高速公路車轍的形成原因不符，我國高速公路車轍的形成原因是瀝青路面形變量遠大于其他基層永久形變總和。因此，單從公路組成結(jié)構(gòu)來分析瀝青路面破壞情況并不嚴(yán)謹(jǐn)，應(yīng)綜合考慮多方面因素對瀝青路面的共同破壞作用。實際上，瀝青路面車轍的產(chǎn)生與地形地貌密切相關(guān)，比如車輛在斜坡道路上行駛，當(dāng)車速較慢時，由車輛自重給路面帶來的橫向荷載較大，對于熱拌瀝青混合料，很容易造成路面的黏塑性破壞和剪切流動破壞，因此，地形地貌是瀝青路面破損所要考慮的影響因素。

2.4 車轍導(dǎo)致破壞

瀝青路面車轍主要是由于面層混合料的黏塑性變形、公路基層的變形所致，同時壓實效果不好，材料磨損同樣會產(chǎn)生車轍破壞。我國學(xué)者普遍認為，公路半剛性基層及其下部底基層并不會產(chǎn)生變形或者變形很小，可以忽略不計，產(chǎn)生車轍變形主要是由于瀝青面層所致。公路柔性基層通常都有車轍變形，其主要原因是由于柔性基層的變形包括路床和匹配碎石層變形。但是從實際情況來看，雖然產(chǎn)生車轍路面是以柔性基層瀝青路面為主，但不必過分考慮柔性基層導(dǎo)致的路面車轍。瀝青路面的破壞形式復(fù)雜多樣，即便是同一種病害的產(chǎn)生原因也可能不同。本文結(jié)合東北地區(qū)公路病害情況及地理氣候條件，認為當(dāng)?shù)毓奋囖H破壞的原因是：(1)路面車轍逐漸由之前的V型向W型轉(zhuǎn)變，且比例不斷攀升；(2)日趨嚴(yán)重的車轍導(dǎo)致路面逐漸下沉；(3)瀝青面層厚度對車轍影響顯著，厚度越大，產(chǎn)生車轍的概率越小，厚度越薄，產(chǎn)生車轍的概率越大。

2.5 水導(dǎo)致破壞

20世紀(jì)90年，我國修建了第一批高速公路，經(jīng)過多年運營后，該批高速公路瀝青路面病害并不嚴(yán)重，僅產(chǎn)生局部微弱破壞。而在1996年開通的滬寧高速，進入冬季之間瀝青路面便開始產(chǎn)生局部松散破壞，入冬后受凍融循環(huán)作用，出現(xiàn)了較大坑槽，水損破壞也是隨著降雨量的增大產(chǎn)生。從此以后，我國大部分公路都出現(xiàn)了水毀情況。水對公路的破壞作用主要有兩方面，即由上到下破壞和由下到上破壞。早年修筑的公路主要是由上到下破壞，包括瀝青的松散剝落，裂紋破壞等。對于季凍區(qū)的遼寧省來說，水是公路瀝青路面破壞的重要因素，由于水分的侵入導(dǎo)致路面和路基均處于飽和狀態(tài)，一旦進入冬季，水分開始結(jié)冰，體積膨脹，導(dǎo)致公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)破損，縫隙加大，促進水的滲入，第二年再經(jīng)凍融循環(huán)，公路整體破壞損傷再次加深，如此循環(huán)反復(fù)，最終導(dǎo)致公路喪失使用性能。

3 季凍區(qū)溫度對瀝青混合料性能影響研究

季凍區(qū)溫差受季節(jié)影響較大，瀝青路面產(chǎn)生多次循環(huán)凍融，會使瀝青材料產(chǎn)生較大程度劣化，具體包括：

(1)瀝青材料抗壓強度降低：溫度降至冰點以下，水開始結(jié)冰，導(dǎo)致瀝青材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化，內(nèi)部孔隙增大，骨架承載力降低，最終導(dǎo)致瀝青路面整體抗壓強度下降。

(2)瀝青材料回彈模量降低：當(dāng)溫度升高至冰點以上時，混合料里面的冰開始融化，被因凍脹撐大的孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生回縮，但還是形成了永久塑性變形，當(dāng)經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，損傷不斷積累，導(dǎo)致回彈模量降低。

(3)劈裂強度降低：瀝青路面受長期凍融循環(huán)作用，水分逐漸滲入瀝青混合料各個位置，瀝青混合料之間的黏結(jié)力下降，導(dǎo)致劈裂強度降低。

4 季凍區(qū)瀝青路面施工技術(shù)要點

由于季凍區(qū)凍融循環(huán)使瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)劣化，瀝青路面質(zhì)量降低，不能滿足交通荷載的要求，因此，對季凍區(qū)瀝青路面的病害問題應(yīng)予以重視盡可能延長公路使用年限。根據(jù)季凍區(qū)路面設(shè)計規(guī)范和同類工程經(jīng)驗，歸納總結(jié)季凍區(qū)施工技術(shù)要點如下：

(1)調(diào)查分析道路交通量情況，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果設(shè)計合理的汽車載重，考慮到國內(nèi)交通的實際情況，應(yīng)該將超載情況和重交通量情況納入考慮范疇，設(shè)計出符合我國實際交通情況的路面設(shè)計方案。

(2)詳細調(diào)查道路修建區(qū)自然氣候條件，獲取當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，為瀝青路面設(shè)計提供可靠的數(shù)據(jù)支持，調(diào)查內(nèi)容包括：降雨、溫度、降雪、濕度，夏季時長、冬季時長等，優(yōu)化季凍區(qū)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，延長瀝青路面使用年限。

(3)對道路選線地段進行詳細的地質(zhì)勘查，科學(xué)處理路基填挖方量。

(4)開展瀝青路面材料的試驗研究，掌握瀝青材料的力學(xué)性質(zhì)，尤其對瀝青混合料凍融循環(huán)后的力學(xué)特性進行詳細的試驗研究，并通過SEM顯微成像技術(shù)分析瀝青混合料受凍融循環(huán)作用后的微觀結(jié)構(gòu)破壞形式，并基于試驗結(jié)果提出處治措施。

(5)在確保安全的情況下，應(yīng)綜合考慮交通量、瀝青材料性質(zhì)、氣候溫度、地質(zhì)概況等因素，制定出合理的路面厚度設(shè)計方案。

(6)根據(jù)路面設(shè)計方案進行道路施工，并及時對已經(jīng)修筑好的路面定期進行質(zhì)量檢測，給出質(zhì)量檢測報告。

(7)將檢測結(jié)果與設(shè)計方案進行對比分析，檢查其是否滿足設(shè)計規(guī)范要求，如若與設(shè)計值之間相差較多，則應(yīng)及時對相應(yīng)路段進行補救維修。

(8)經(jīng)多種瀝青路面設(shè)計方案對比，選出既能保證安全，又可節(jié)約資金的合理設(shè)計方案。

5 季凍區(qū)瀝青路面施工抗凍抗裂技術(shù)研究

當(dāng)前對于季凍區(qū)瀝青路面的抗裂技術(shù)主要包括：裂縫填封、應(yīng)力吸收層設(shè)置、冷再生技術(shù)、改性路面材料更換等。由于前兩種施工技術(shù)較為成熟，且研究較多，因此本文僅對后兩種技術(shù)進行分析。

5.1 冷再生技術(shù)

冷再生是在室溫下采用專業(yè)的施工機械對路面破損區(qū)域進行銑刨和破碎，加入再生瀝青材料，攪拌均勻后在原有破損處進行攤鋪，使破損瀝青路面再次具有一定承載能力。冷再生技術(shù)包括3種形式：

(1)淺部現(xiàn)場冷再生技術(shù)：這項技術(shù)主要是針對瀝青路面面層再生，經(jīng)過再生技術(shù)操作的路面面層厚度一般在80～150 mm范圍內(nèi)。

(2)無攤鋪面的冷再生技術(shù)：這項技術(shù)主要是對巖石瀝青路面的基層進行冷再生，若采用瀝青作為穩(wěn)定劑，則冷再生后的厚度一般在100～150 mm，若當(dāng)穩(wěn)定劑為水泥時，則冷再生路面厚度大約在200 mm左右。

(3)深部現(xiàn)場冷再生技術(shù)：該項技術(shù)主要是針對原始路面面層和基層兩部分進行冷再生，通常厚度都在150 mm之上，再生后的瀝青材料成為新路面基層或底基層。

冷再生技術(shù)的使用范圍：

(1)瀝青路面年久老化，車輛荷載反復(fù)作用且受凍融循環(huán)作用而引起的路面損壞和破裂；

(2)車轍作用導(dǎo)致的路面損壞；

(3)由于瀝青材料在生產(chǎn)時油量少，顆粒和層間的粘聚力較小導(dǎo)致路面斷裂破損。

5.2 改性路面材料更換技術(shù)

改性路面材料的更換主要是更換瀝青材料穩(wěn)定劑，包括兩種類型：水泥類和瀝青類。其中，水泥穩(wěn)定劑的添加方式：(1)在路面上方均勻攤鋪細粉狀的水泥，經(jīng)再生操作后即可完成原始路面與新水泥材料的結(jié)合；(2)采用專業(yè)的拌和車，將已經(jīng)拌好的水泥泵入再生機內(nèi)部；(3)通過撒布車進行布料。瀝青穩(wěn)定劑普遍采用乳化瀝青穩(wěn)定劑和泡沫瀝青穩(wěn)定劑。瀝青穩(wěn)定劑與水泥穩(wěn)定劑材料不同，不會產(chǎn)生收縮裂縫，且能夠更快實現(xiàn)通行。瀝青穩(wěn)定劑與原始路面瀝青混合料之間能夠產(chǎn)生一定的粘聚力，經(jīng)過再生處理后的瀝青路面具有一定強度，不容易被壓壞。采用瀝青穩(wěn)定劑處理后的路面，其強度、抗水性及抗疲勞性均得到顯著提升。

6 結(jié)語

本文通過對季凍區(qū)瀝青路面病害產(chǎn)生原因進行了詳細分析，總結(jié)了不同因素對瀝青路面病害的影響，總結(jié)了季凍區(qū)瀝青路面施工技術(shù)要點，并給出了季凍區(qū)瀝青路面施工抗凍抗裂技術(shù)處理措施，為季凍區(qū)瀝青路面施工提供了可靠的技術(shù)支撐，具有一定的工程實際意義和應(yīng)用價值，可為類似工程提供參考。