溫拌瀝青路面實體工程病害調(diào)查與分析評價

楊彥海， 胡艷麗， 劉巖， 張旭， 楊野

(1.沈陽建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168； 2.朝陽市公路管理處； 3.中南置地東北區(qū)域公司)

在當(dāng)今提倡“低碳節(jié)能、循環(huán)經(jīng)濟”理念的社會大背景下，綠色環(huán)保成為公路建設(shè)的首要需求，能夠同時滿足低碳節(jié)能需求與路用性能標(biāo)準(zhǔn)的溫拌技術(shù)得以迅猛發(fā)展。溫拌瀝青技術(shù)能夠有效降低施工拌和溫度10～40 ℃，每單位產(chǎn)量可節(jié)省燃油量約30%，有害氣體及有毒物質(zhì)排放量減少20%～90%，并且路用性能可達(dá)到熱拌瀝青混合料技術(shù)要求。但由于對實體工程的監(jiān)測較少，溫拌瀝青路面建成投入使用后的實際效果能否達(dá)到傳統(tǒng)熱拌瀝青的路面性能，有待進(jìn)一步探究。為正確把握溫拌技術(shù)的發(fā)展方向，對比分析溫拌瀝青路面與非溫拌瀝青路面的實際使用效果，該文以遼寧省為例，考慮氣候、水文、地質(zhì)及降水等自然條件差異性，對不同氣候分區(qū)的公路進(jìn)行路面技術(shù)狀況調(diào)查，并與非溫拌瀝青路面進(jìn)行橫向比較?？偨Y(jié)溫拌瀝青路面出現(xiàn)的病害并剖析病害成因，提升溫拌技術(shù)的應(yīng)用水平。

1 遼寧省氣候分區(qū)下溫拌瀝青混合料調(diào)查路段選取

考慮到遼寧省自然狀況和氣候影響因素，在系統(tǒng)聚類法的指導(dǎo)下，根據(jù)極端最高和最低氣溫、極端年降水量等指標(biāo)，確立了5個不同特性的氣候分區(qū)。溫拌瀝青路面在遼寧省內(nèi)應(yīng)用廣泛，主要分布在Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅴ區(qū)內(nèi)。筆者分別在這4個氣候分區(qū)內(nèi)，對采用溫拌瀝青技術(shù)使用年限相近的干線公路進(jìn)行篩選，最終確定了覆蓋9個區(qū)縣的14條二級公路， 調(diào)查路段共計51.5 km，其中G203公路采用泡沫瀝青溫拌技術(shù)，其他公路均采用表面活性劑法實現(xiàn)瀝青混合料溫拌化，調(diào)研路段具體情況見表1。

表1 遼寧省溫拌技術(shù)公路選線情況

續(xù)表1

為提高結(jié)果的正確性與針對性，對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，選出公路等級相同、路齡相同、路面結(jié)構(gòu)相同、交通量相近的5條代表性路段。每條代表路段均由溫拌瀝青路面和非溫拌瀝青路面組成，分布于4條遼寧省干線公路，見表2。為了對比分析溫拌瀝青路面和非溫拌瀝青路面的差異性，對每條公路路面技術(shù)狀況進(jìn)行逐一現(xiàn)場調(diào)查，路段分布如圖1所示。

表2 溫拌瀝青路段與非溫拌瀝青路段對比情況

2 調(diào)查方法

為研究溫拌瀝青技術(shù)的使用效果，采取現(xiàn)場統(tǒng)計與測量、鉆芯取樣和室內(nèi)試驗3種方法相結(jié)合。首先進(jìn)行各個調(diào)查路段的病害調(diào)查，分別對病害類型與破損程度進(jìn)行統(tǒng)計，并計算路面損壞狀況指數(shù)(PCI)和路面行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)，然后對調(diào)查路段的使用狀況良好處和主要病害處進(jìn)行鉆芯取樣，分析各類病害特征及其損害程度。

圖1 遼寧省瀝青路面氣候分區(qū)及選線位置

3 路面技術(shù)狀況調(diào)查數(shù)據(jù)分析

3.1 PCI與RQI總體對比

PCI和RQI是評價路面使用性能的重要指標(biāo)，PCI通過路面破損狀況反映路面結(jié)構(gòu)完好程度，RQI反映路面平整程度。對比溫拌瀝青路面與非溫拌瀝青路面的PCI和RQI可在總體上評價路面的技術(shù)狀況，對比結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫拌瀝青路面與非溫拌瀝青路面路用性能對比

由圖2可知:溫拌瀝青路面和非溫拌瀝青路面二者的整體技術(shù)狀況均為優(yōu)良。由圖2(a)可知：由于施工工藝不同，X441撫順段(非溫拌瀝青路面)采用單面層結(jié)構(gòu)，PCI為83.29。X408新賓段(溫拌瀝青路面)采用單面層結(jié)構(gòu)，PCI為91.21。其余路段采用雙面層結(jié)構(gòu)，PCI均為85以上，溫拌瀝青路面的PCI與非溫拌瀝青路面基本持平，甚至優(yōu)于非溫拌瀝青路面。由圖2(b)可知：溫拌瀝青路面與非溫拌瀝青路面的RQI值均為92以上，且每條代表路段中溫拌瀝青路面與非溫拌瀝青路面的RQI基本相等，最大僅差2.87。說明當(dāng)使用年限為兩年時，溫拌技術(shù)能夠使瀝青路面保持較高或正常水平，甚至優(yōu)于非溫拌瀝青路面，這與參考文獻(xiàn)[4]研究結(jié)論基本一致。

3.2 病害類型分布

由圖2、3可知:溫拌瀝青路面與非溫拌瀝青路面狀況良好。為深入探究溫拌瀝青路面的使用效果，以5條代表路段的溫拌瀝青路段與非溫拌瀝青路段為分析對象，對各類病害做更具體的對比分析。對車轍、松散、縱向裂縫、橫向裂縫、修補、泛油、龜裂共7種常見病害進(jìn)行分類統(tǒng)計，分別計算溫拌瀝青路段和非溫拌瀝青路段的路面破損率DR，病害統(tǒng)計分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 病害總體分布

由圖3可知：

(1) 溫拌瀝青路面和非溫拌瀝青路面在修補與橫、縱縫上的破損率差異很小，溫拌瀝青路面與非溫拌瀝青路面的DR值基本相等，可視為無差異病害。其中，修補和橫縫破損率較低，對瀝青路面技術(shù)狀況影響較小?？v縫的破損率較高，二者均值達(dá)19.67%，病害分布相對密集，對瀝青路面技術(shù)狀況影響較大。

(2) 溫拌瀝青路面的龜裂和松散病害較為突出，破損率較非溫拌瀝青路面分別增加10.19%、5.10%。即溫拌瀝青路面相對于非溫拌瀝青路面更容易發(fā)生龜裂、松散、坑槽等典型病害。

(3) 采用溫拌技術(shù)的瀝青路面出現(xiàn)泛油和車轍的情況較少，泛油破損率、車轍破損率較非溫拌瀝青路面分別降低6.45%、9.80%，溫拌技術(shù)能夠有效減少瀝青路面泛油和車轍病害的發(fā)生。

4 溫拌瀝青路面病害分析

通過以上統(tǒng)計分析可知，各調(diào)查路段路面狀況指數(shù)PCI>80，RQI>90，即路面狀況較為良好，進(jìn)而深層次分析病害特征差異性。其中，修補和橫、縱縫在溫拌瀝青路面與非溫拌瀝青路面上的破損率未表現(xiàn)出明顯差異，可視為溫拌技術(shù)對修補和橫、縱縫的產(chǎn)生和發(fā)展無明顯影響，此處不做具體分析。重點分析溫拌瀝青路面破損率高于非溫拌瀝青路面的突出病害和低于非溫拌瀝青路面的優(yōu)化病害，并將其與對應(yīng)的溫拌瀝青混合料的路用性能相對比，探究溫拌瀝青路面實際使用效果與溫拌瀝青混合料路用性能之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

4.1 溫拌瀝青路面突出病害

通過與大量非溫拌瀝青路面實體工程對比分析，龜裂、松散在溫拌瀝青路面的破損率明顯高于非溫拌瀝青路面。在使用過程中，溫拌瀝青路面的表面層混合料更易出現(xiàn)松散、剝落的現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)展為龜裂、松散、坑槽等病害。

4.1.1 龜裂

對溫拌瀝青路面重度龜裂處取芯樣，發(fā)現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)基本無明顯變形，基層基本保持完好。初步判定龜裂不是由于瀝青層底拉應(yīng)變和基層層底拉應(yīng)力產(chǎn)生，主要原因在于面層材料本身。

為探究溫拌瀝青路面產(chǎn)生龜裂的原因、不同級配類型對溫拌瀝青混合料路用性能的影響以及實體工程的病害特征與室內(nèi)試驗的相關(guān)性。在調(diào)研的溫拌瀝青代表路段中，選取3段位于撫順市內(nèi)采用不同級配類型混合料的溫拌瀝青路段作為研究對象。其中X403撫順段作為AC-10級配瀝青混合料的代表路段，X435撫順段作為AC-13級配瀝青混合料的代表路段，X431撫順段作為AC-16級配瀝青混合料的代表路段，具體對比結(jié)果見圖4。

從圖4可以看出:隨X403、X435、X431的混合料粒徑增大，龜裂現(xiàn)象越嚴(yán)重。從后文低溫性能室內(nèi)試驗結(jié)果可見，相同級配的情況下，溫拌瀝青路面最大彎拉破壞應(yīng)變低于非溫拌瀝青路面，更易產(chǎn)生裂縫，加之瀝青膠結(jié)料黏聚力不足，在各種荷載反復(fù)作用下，材料最終形成疲勞龜裂。

圖4 不同級配類型代表路段病害對比

4.1.2 松散

由于拌和條件差異，溫拌瀝青混合料內(nèi)部有大量水分存在，在水分蒸發(fā)后留下較多空隙造成瀝青與礦料之間的黏附性降低導(dǎo)致松散。從后文分析可以看出，隨著溫拌瀝青混合料的粒徑增大，水穩(wěn)定性有劣化趨勢。水穩(wěn)定性下降引起瀝青與集料之間的黏附性降低，瀝青與集料發(fā)生脫離，從而出現(xiàn)松散病害。

4.2 溫拌瀝青路面優(yōu)化病害

溫拌瀝青路面的優(yōu)化病害為泛油和車轍，二者的破損率相比于非溫拌瀝青路面明顯減少。調(diào)查路段中，溫拌瀝青路面的車轍平均深度為1.7 cm，程度較輕，多為壓密性車轍，輪跡帶處常有少量泛油現(xiàn)象；非溫拌瀝青路面的車轍平均深度為2.3 cm，程度較重，輪跡帶處及路表其他位置均有泛油現(xiàn)象發(fā)生。

5 溫拌瀝青混合料路用性能試驗對比

瀝青路面病害形成與發(fā)展受瀝青混合料路用性能的影響，筆者在實際調(diào)查前期做了大量的室內(nèi)試驗與數(shù)據(jù)分析，針對溫拌瀝青混合料的路用性能展開相關(guān)試驗研究。原材料采用石灰?guī)r、機制砂、礦粉、遼河90#道路石油瀝青，混合料級配類型選擇AC-13、AC-16、AC-20型，經(jīng)馬歇爾試驗確定最佳瀝青用量分別為4.6%、4.4%、4.2%。

5.1 低溫性能

瀝青混合料試件在破壞時的彎拉應(yīng)變越大，表示彎曲勁度模量越小，說明低溫時混合料的脆性越小，路面越不容易開裂。分別對3種級配類型的混合料進(jìn)行低溫彎曲試驗，以最大彎拉破壞應(yīng)變指標(biāo)來評價混合料的低溫抗裂性能，試驗結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知:溫拌瀝青混合料的最大彎拉破壞應(yīng)變均略低于非溫拌瀝青混合料。AC-13、AC-16、AC-20共3種級配條件下，分別下降了2.6%、2.1%、2.0%，說明在實現(xiàn)瀝青混合料的溫拌化過程中降低了混合料的低溫抗裂性，而病害調(diào)查顯示龜裂和松散為溫拌瀝青路面突出病害，其形成、發(fā)展與瀝青混合料低溫性能有關(guān)，與溫拌瀝青混合料路用性能試驗結(jié)果互為驗證。

圖5 低溫性能對比

5.2 高溫性能

瀝青混合料的高溫性能對瀝青路面使用效果存在影響，高溫穩(wěn)定性不足會導(dǎo)致瀝青路面產(chǎn)生車轍、推移、擁包等病害。分別測定瀝青混合料在不同級配下的車轍動穩(wěn)定度，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 高溫性能對比

由圖6所知:3種不同的級配條件下，溫拌瀝青混合料的動穩(wěn)定度均比非溫拌瀝青混合料高，說明溫拌技術(shù)提高了瀝青混合料的高溫性能。瀝青路面病害調(diào)查顯示車轍和泛油的破損率優(yōu)于非溫拌瀝青路面，其產(chǎn)生和發(fā)展均受高溫性能影響，與溫拌瀝青混合料路用性能試驗結(jié)果互為驗證。

6 結(jié)論及建議

6.1 主要結(jié)論

(1) 5條公路等級為二級、輕交通量、路齡兩年且路面結(jié)構(gòu)一致的溫拌瀝青路段和非溫拌瀝青路段中，PCI和RQI保持優(yōu)良水平，溫拌瀝青路面甚至更優(yōu)。

(2) 溫拌瀝青路面與非溫拌瀝青路面的修補和橫縱縫無明顯差異，修補和橫縱縫的產(chǎn)生與溫拌技術(shù)的應(yīng)用并無明顯相關(guān)性。

(3) 溫拌瀝青路面的突出病害是龜裂和松散，破損率分別增大10.19%和5.10%，與溫拌瀝青混合料的低溫抗裂性能低于熱拌瀝青混合料互為驗證。

(4) 溫拌技術(shù)的應(yīng)用能夠有效減少泛油和車轍等病害的產(chǎn)生，其破損率分別減小6.45%和9.80%；與溫拌瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性高于熱拌瀝青混合料互為驗證。

6.2 應(yīng)用建議

基于以上研究，建議在冬季寒冷地區(qū)應(yīng)用溫拌技術(shù)時，考慮其低溫抗裂性能不足，應(yīng)用在交通量較輕、采取預(yù)防裂縫發(fā)生技術(shù)措施路段；建議在夏季高溫炎熱地區(qū)采用溫拌技術(shù)時，在保證路用性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化泛油和車轍等受高溫穩(wěn)定性能影響的病害，提高行車舒適度和道路美觀效果。