瀝青加鋪層使用指標(biāo)檢測與早期病害防治
——以泉州市政道路為例

朱 樸，肖啟揚(yáng)，蔡芬芳

黎明職業(yè)大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院,福建 泉州 362000

0 引言

福建省屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候,西北有山脈阻擋寒風(fēng),東南又有海風(fēng)調(diào)節(jié),溫暖濕潤為氣候的顯著特點(diǎn).年平均氣溫15 ℃～22 ℃,從西北向東南遞升.極端最低氣溫-9.5 ℃,極端最高氣溫為43.2 ℃，年平均降水量800 mm～1 900 mm,每年5～6月降水最多,多臺風(fēng)且常有暴雨.雨水對路面結(jié)構(gòu)(特別是瀝青路面)的損壞不容忽視.水損害是指瀝青路面在水的作用下,瀝青逐漸喪失與礦料的黏結(jié)力,從礦料表面脫落,在車輛的作用下瀝青面層呈現(xiàn)松散狀態(tài),以至集料從路面脫落形成坑槽,瀝青路面水損害是一項技術(shù)復(fù)雜、施工難度大的災(zāi)害防治工程[1].秦康康對不同浸水狀態(tài)對瀝青混凝土路面損壞的程度及影響因素開展研究,試驗(yàn)表明浸水狀態(tài)對路面破壞影響的大小依次為飽水>干濕循環(huán)>無水[2].瀝青路面與混凝土路面相比具有無縫、少塵、抗滑、方便維修等諸多優(yōu)點(diǎn).城市舊水泥路面加鋪瀝青面層(這里簡稱“白改黑”)以其施工便捷、行車舒適的優(yōu)勢被廣泛采用.截止2020年,福建泉州市主要城區(qū)市政道路基本完成“白改黑”的升級改造.但隨著時間的推移,加鋪瀝青層的病害也日益顯現(xiàn),且部分路段的病害超出預(yù)期.與普通公路相比,市政道路有其不同的行車特點(diǎn),路面病害及破壞機(jī)理與普通公路略有差異.李輝提出城市道路的變形類病害以車轍形式為主,這也符合城市道路交通渠化、行車緩慢、方向不定、剎車啟動頻繁的行車特點(diǎn)[3].袁照杰通過對市政道路瀝青路面改造工程病害處治及加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)進(jìn)行有效分析,提出了舊路的綜合評價、病害處治原則與對策、市政道路瀝青路面改造工程加鋪結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)[4].城市建設(shè)中瀝青道路在應(yīng)用時出現(xiàn)的相關(guān)病害問題種類多樣,并且造成這些病害的原因也相對比較復(fù)雜,必須細(xì)致研究導(dǎo)致病害的因素,并有針對性地選擇合適方法,盡可能提前且有效預(yù)防,從而提升道路的管理水平[5].于玲運(yùn)用路面數(shù)值計算程序Bisar分析在車輛不同行駛狀況和不同荷載狀況下，信號交叉路口路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng),建議根據(jù)交叉路口不同車流量種類來設(shè)計相應(yīng)路面結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)，以減少交叉路口路面受損[6].

因此,不同類型瀝青路面在不同使用工況及氣候條件下產(chǎn)生的病害及機(jī)理有所差異,各種病害的防治方法也不同.以泉州市城區(qū)某市政瀝青道路為例,對其開展路面使用指標(biāo)檢測及早期病害分析,提出適合高溫多雨地區(qū)瀝青加鋪層的早期病害防治措施.

1 瀝青路面病害

1.1 市政道路普通瀝青路面病害

由于瀝青路面存在抗彎拉強(qiáng)度低、溫度穩(wěn)定性差、抗疲勞和耐久性不足等缺點(diǎn)，因此在城市日益增長的交通活載作用及自然氣候條件的雙重影響下,市政道路中的瀝青路面主要病害按其嚴(yán)重程度可以分為“功能性衰退”和“結(jié)構(gòu)性破損”.所謂功能性衰減是指路面的服務(wù)能力降低(如抗滑性、抗?jié)B性、平整性降低)，而結(jié)構(gòu)性破損主要指路面出現(xiàn)如裂縫、車轍、坑槽等損壞.實(shí)踐表明,市政瀝青路面的主要結(jié)構(gòu)性破損病害,按其出現(xiàn)頻次由高到低分別是:裂縫、車轍、松散、坑槽、沉陷、泛油等.

1.2 市政道路瀝青加鋪層路面病害

城市已投入使用的水泥路面由于交通量激增導(dǎo)致水泥板過早出現(xiàn)斷裂、錯臺等病害,其維修工作量大且對交通影響顯著,同時考慮水泥路面強(qiáng)度高、剛度大、壽命長等優(yōu)點(diǎn)沒有得到充分發(fā)揮,因此“白改黑”的處治方法因其施工便捷、對交通影響小而被廣泛采用.而加鋪的瀝青面層經(jīng)常在使用初期就容易出現(xiàn)各類病害,其常見主要病害有裂縫、松散、坑槽、推移、擁包等.

2 實(shí)際市政道路路面指標(biāo)檢測

福建泉州市豐澤區(qū)通港西街建于“十五”期間,是泉州臺商區(qū)進(jìn)出市區(qū)、惠安往來晉江石獅的交通要道,車流量大且重型車輛多,屬于城市主干道,總長約2.5 km,設(shè)計時速為60 km/h,雙向六車道,為水泥混凝土路面,見圖1.

(a)橫斷面示意圖(m)

通港西街在服役10年后出現(xiàn)混凝土路面板開裂、破碎、錯臺等病害.泉州市相關(guān)政府部門于2017年6月進(jìn)行了“白改黑”的升級改造,而加鋪的瀝青面層在使用初期便出現(xiàn)一些病害.這里以泉州市豐澤區(qū)通港西街為研究對象,對其開展路面使用功能的指標(biāo)檢測及病害分析.

2.1 路面平整度檢測

路面平整度是評定路面使用質(zhì)量、施工質(zhì)量以及現(xiàn)有路面破壞程度的重要指標(biāo)之一.路面平整度直接關(guān)系到行車安全性、舒適性以及營運(yùn)經(jīng)濟(jì)性,并影響路面的使用壽命.目前路面平整度的檢測設(shè)備分為斷面類與反應(yīng)類兩大類.斷面類檢測設(shè)備是測定路面表面凸凹情況的一種儀器,如最常用的3 m直尺及連續(xù)式平整度儀,國際平整度指數(shù)便是以此為基準(zhǔn)建立的,是平整度最基本指標(biāo).反應(yīng)類檢測設(shè)備是測定由于路面凹凸不平引起車輛顛簸的情況,這是駕駛員和乘客直接感受到的平整度指標(biāo),它實(shí)際上是舒適性能指標(biāo),最常用的檢測手段是車載式顛簸累積儀.考慮被測道路長度不大,故采用國際通用的3 m直尺檢測法,嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范要求對本工程開展路面平整度檢測,檢測過程見圖2.道路平整度實(shí)測結(jié)果匯總見表1和表2,為便于說明,這里將東北一側(cè)(左幅)定義為黎明大學(xué)一側(cè),將西南一側(cè)(右幅)定義為泉州市豐澤區(qū)第四中心小學(xué)一側(cè),下同.

圖2 路面平整度檢測過程

表1 通港西街(黎明大學(xué)一側(cè))瀝青路面平整度測試結(jié)果

表2 通港西街(第四中心小學(xué)一側(cè))瀝青路面平整度測試結(jié)果

道路平整度沿縱向的分布情況見圖3.由圖可知,黎明大學(xué)一側(cè)路面平整度有4處超規(guī)范規(guī)定值(規(guī)范限值≤5 mm),其測點(diǎn)合格率為88 %,說明該側(cè)路面在服役2年后其平整度出現(xiàn)了明顯下降.而中心小學(xué)一側(cè)路面僅有1處平整度超規(guī)范限值,其測點(diǎn)合格率為96 %,說明該側(cè)路面的平整度在使用階段保持了較高的水平.

圖3 道路平整度沿道路縱向分布示意

由表1、表2可知,通港西街兩側(cè)路面平整度在使用2年后出現(xiàn)了超規(guī)范限值情況,但其超出幅度保持較低水平,大概2 mm左右，對市政道路交通的行車舒適性及安全性尚未構(gòu)成影響.從平整度超規(guī)范限值測點(diǎn)的位置分布來看,大致位于學(xué)校門口及通港西街和云鹿路的十字交叉路口附近,其原因可能是該處通行車輛啟?；騽x車比較頻繁,對瀝青面層產(chǎn)生剪切作用較為明顯.

2.2 路面滲水性檢測

大氣降水(雨、雪)通過路面孔隙或裂縫滲入瀝青路面結(jié)構(gòu)中會導(dǎo)致道路基層軟化、瀝青面層開裂、坑槽、松散等病害，在多雨地區(qū)應(yīng)特別重視路面結(jié)構(gòu)層的水穩(wěn)定性和面層的透水性問題.而衡量路面透水性的重要指標(biāo)就是路面滲水系數(shù),滲水系數(shù)是指在規(guī)定的條件下,單位時間內(nèi)滲入路面結(jié)構(gòu)中水的體積.這里采用路面滲水儀嚴(yán)格按照檢測規(guī)范對通港西街瀝青路面的滲水系數(shù)進(jìn)行檢測,檢測過程見圖4,路面滲水參數(shù)沿縱向分布情況見圖5.檢測數(shù)據(jù)詳見表3和表4.

圖4 路面滲水系數(shù)檢測過程

圖5 路面滲水系數(shù)沿道路縱向分布情況

表3 通港西街(黎明大學(xué)一側(cè))瀝青路面滲水系數(shù)檢測結(jié)果

表4 通港西街(第四中心小學(xué)一側(cè))瀝青路面滲水系數(shù)檢測結(jié)果

從表3可得出，黎明大學(xué)一側(cè)平均滲水系數(shù)為13.6，最大滲水系數(shù)67.3，標(biāo)準(zhǔn)差17.61，變異系數(shù)130 %，合格率100 %；從表4可得出第四吣小學(xué)一側(cè)平均滲水系數(shù)為83.3，最大滲水系數(shù)147.3，標(biāo)準(zhǔn)差26.56，變異系數(shù)32 %，合格率92 %.

由圖5可知,黎明大學(xué)一側(cè)路面路面滲水系數(shù)平均值為13.6 mL/min,各測點(diǎn)的滲水系數(shù)均遠(yuǎn)低于規(guī)范限值120 mL/min,合格率為100 %,因此可以判定黎明大學(xué)一側(cè)的瀝青路面幾乎不滲水.而中心小學(xué)一側(cè)路面的平均滲水系數(shù)為83.3 mL/min,明顯高出黎明大學(xué)一側(cè)的路面實(shí)測值,且有一處滲水系數(shù)(147.3>120)超規(guī)范限值,合格率為92 %.從兩側(cè)路面的滲水系數(shù)總體測試結(jié)果來看,說明通港西街瀝青面層在使用階段仍保持較高的抗?jié)B性,但道路兩側(cè)的滲水系數(shù)實(shí)測結(jié)果存在明顯差異.在兩側(cè)路面施工質(zhì)量一致的前提下,初步判定與瀝青路面受到的日照條件有一定關(guān)系.由于受到綠化植物遮擋和太陽光斜射角度的影響,黎明大學(xué)一側(cè)路面受到的全年總體日照時間略大于第四中心小學(xué)一側(cè)的路面,路面保持干燥時間相對較長,可推斷其瀝青面層受到水損害影響相對較小,瀝青對集料的包裹性和混合料的密實(shí)性保持在較高水平.

2.3 路面抗滑性檢測

輪胎打滑極易導(dǎo)致車輛失控及剎車距離明顯增長,因此路面具備較好的抗滑性對車輛行駛安全十分重要.目前衡量路面抗滑性指標(biāo)有路面粗糙度(構(gòu)造深度)和路表抗滑系數(shù)兩種.路表抗滑系數(shù)常用的測定方法有擺式儀擺值測試法、橫向力系數(shù)測試法等.橫向力系數(shù)測試法比較適用于高速公路和一級公路等車速較高的路段,因此這里采用標(biāo)準(zhǔn)擺式儀嚴(yán)格按照相關(guān)檢測規(guī)范要求進(jìn)行測試.其檢測過程見圖6,路面摩擦系數(shù)沿縱向分布情況見圖7.檢測數(shù)據(jù)詳見表5和表6.

圖6 路面摩擦系數(shù)檢測過程

圖7 路面摩擦系數(shù)沿道路縱向分布情況

表5 通港西街(黎明大學(xué)一側(cè))瀝青路面摩擦系數(shù)檢測結(jié)果

表6 通港西街(第四中心小學(xué)一側(cè))瀝青路面摩擦系數(shù)檢測結(jié)果

由表5可以得出，黎明大學(xué)一側(cè)瀝青路面摩擦系數(shù)檢測結(jié)果測點(diǎn)數(shù)13個，不合格點(diǎn)數(shù)(規(guī)定≥45)2個，平均值52.8，標(biāo)準(zhǔn)差6.7，變異系數(shù)12.7 %，合格率85 %；由表6可以得出第四中心小學(xué)側(cè)瀝青路面摩擦系數(shù)檢測結(jié)果測點(diǎn)數(shù)13個，不合格點(diǎn)數(shù)(規(guī)定≥45)為0，平均值62.4，標(biāo)準(zhǔn)差7.86，變異系數(shù)12.6 %，合格率100 %.

由圖7可知,黎明大學(xué)一側(cè)路面路面摩擦系數(shù)平均值為52.8 BPN,有兩處的摩擦系數(shù)略低于規(guī)范限值(42.0<45，41.6<45),合格率為85 %,說明該側(cè)路面在服役2年后的總體抗滑性略有下降.而第四中心小學(xué)一側(cè)路面的平均抗滑系數(shù)為62.4 BPN,合格率為100 %,說明該側(cè)路面在使用2年后仍具備較高的抗滑性,且總體上略高于黎明大學(xué)一側(cè)路面抗滑性.兩側(cè)路面抗滑系數(shù)檢測結(jié)果的變異系數(shù)相當(dāng),說明其檢測結(jié)果離散性相當(dāng).若兩側(cè)路面施工質(zhì)量基本一致,當(dāng)使用完一段時間后,路面摩擦系數(shù)的變化規(guī)律與路面滲水系數(shù)變化規(guī)律在一定程度上呈正比例關(guān)系.路面滲水系數(shù)越大,說明路面材料越不密實(shí),其骨料間的空隙則越大,一定程度上表現(xiàn)為路面面層的構(gòu)造深度越大,構(gòu)造深度也是路面抗滑性指標(biāo)之一,構(gòu)造深度越大可導(dǎo)致其摩擦系數(shù)較大.然而過大的構(gòu)造深度容易積水,在水和輪載共同作用下可能帶來坑槽等病害.

3 實(shí)際工程路面早期病害與原因分析

3.1 瀝青路面裂縫病害與原因分析

從路面外觀調(diào)查結(jié)果看出,通港西街的瀝青加鋪層在通車2年后出現(xiàn)大小不一的縱橫向裂縫(見圖8)，這些縱橫向裂縫間距較大且裂縫深度較深,大多數(shù)集中在交叉路口附近.從裂縫的形狀和分布位置看,初步判定為反射裂縫,主要由于作為基層的舊水泥路面板在汽車荷載作用下變形開裂帶動上部瀝青加鋪層開裂導(dǎo)致.

圖8 交叉路口出現(xiàn)的縱橫向裂縫

3.2 瀝青路面坑槽病害與原因分析

通港西街瀝青加鋪層在服役2年左右出現(xiàn)了局部坑槽病害,如圖9、圖10所示.瀝青加鋪層出現(xiàn)坑槽的位置主要集中在公交?？空尽⒔徊媛房诤妥钣覀?cè)車道附近.最右側(cè)車道為慢車道且多為重型車行駛車道.路口及公交車?？空菊靖浇囕v剎車和頻繁啟停對路面產(chǎn)生的作用效應(yīng)較為明顯.由此可初步判斷其加鋪瀝青層坑槽產(chǎn)生的原因?yàn)橹剌d車輛的碾壓作用及汽車頻繁剎車啟停帶來的剪切作用.同時由于路面橫坡及平整度超標(biāo)導(dǎo)致最右側(cè)車道積水概率增大(包括雨水、綠化灑水),使其更易受到汽車輪載和水損害的綜合作用,加劇其坑槽病害的產(chǎn)生.

圖9 位于最右側(cè)車道及公交停靠站附近的坑槽

圖10 位于交叉路口附近的坑槽

4 加鋪層瀝青路面病害防治措施

4.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

在舊水泥路面進(jìn)行“白改黑”的改造設(shè)計之前,設(shè)計單位應(yīng)對舊路進(jìn)行承載力和功能性評價,準(zhǔn)確掌握舊路的運(yùn)行狀況,為后期的加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供更準(zhǔn)確的基礎(chǔ)資料.對通港西街“白改黑”項目運(yùn)營2年后的檢測結(jié)果來看,市政道路中的瀝青加鋪層遭受的破壞從力學(xué)角度上可大致歸納為剪切性破壞或疲勞性破壞.因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)注重瀝青加鋪層的抗剪強(qiáng)度設(shè)計,在不超預(yù)算前提下優(yōu)先選用骨架穩(wěn)定密實(shí)型的改性瀝青混凝土(如SMA混合料).在交叉口、公交?？空?、重載車道、大縱坡路段,加鋪層混合料中建議添加抗剝落劑.設(shè)計中應(yīng)考慮在結(jié)構(gòu)層中增設(shè)應(yīng)力吸收層以減少反射裂縫的產(chǎn)生,可采用瀝青基防水粘結(jié)應(yīng)力吸收層,既能吸收舊水泥路面板裂縫擴(kuò)展產(chǎn)生的應(yīng)力，又能防止地表水經(jīng)瀝青層下滲到舊水泥路面[7].同時做好路表排水設(shè)施設(shè)計，以減少積水對加鋪層的水損害.

4.2 嚴(yán)控施工工藝

在進(jìn)行“白改黑”升級改造施工前,應(yīng)對舊水泥路面進(jìn)行銑刨、刻槽、拋丸、撒布粘層油等處理,提高加鋪層與舊路面的粘結(jié)力,并確保攤鋪施工前舊水泥路面處于潔凈、干燥狀態(tài).施工單位應(yīng)對舊水泥路面存在的脫空、錯臺、破碎板等病害處治到位,減少其在重載交通下帶來的反射裂縫.加強(qiáng)對瀝青混合料施工配合比的控制，采用標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的設(shè)備生產(chǎn)符合質(zhì)量要求的集料尤為重要(建議采用堿性集料).加強(qiáng)瀝青混合料在拌和、運(yùn)輸、攤鋪過程中的溫度控制，并采取防離析的技術(shù)措施.合理部署施工現(xiàn)場，使瀝青混合料在規(guī)定溫度下盡快完成初壓、復(fù)壓、終壓.加強(qiáng)瀝青混合料施工過程的質(zhì)量動態(tài)控制,注重施工過程的監(jiān)督管理,避免操作不當(dāng)及違規(guī)操作等情況,發(fā)現(xiàn)不合格的堅決返工處理,不留隱患.

4.3 加強(qiáng)路面養(yǎng)護(hù)

保持瀝青路面良好的使用性能離不開強(qiáng)有力的養(yǎng)護(hù)維修保障.路面養(yǎng)護(hù)維修是道路建設(shè)的延續(xù),在路面還處于良好狀態(tài)下進(jìn)行預(yù)防性養(yǎng)護(hù)尤為重要.預(yù)防性養(yǎng)護(hù)作為一種周期性的強(qiáng)制保養(yǎng)措施,并不考慮路面是否已經(jīng)有病害,而當(dāng)路面剛好出現(xiàn)病害先兆時對路面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)比發(fā)生較大病害后再處理更省錢省力[5].加強(qiáng)對路面排水系統(tǒng)的檢查維護(hù),及時清理市政道路雨水篦、排水溝、路肩等處的堆積物(如落葉、生活垃圾等),確保路面排水通暢,減少瀝青路面積水產(chǎn)生的水損壞.市政交通主管部門應(yīng)加強(qiáng)對超載車輛的管控,減少超載車輛對路面造成的損壞.

5 結(jié)語

以福建泉州豐澤區(qū)通港西街“白改黑”升級改造工程為研究對象,對其早期運(yùn)營的路面使用指標(biāo)及外觀進(jìn)行檢測與分析,得出以下結(jié)論:

(1)用3 m直尺法測得左右幅路面平整度合格率分別為88 %,96 %,有5個測點(diǎn)超出規(guī)范限值(超出約2 mm),路面平整性良好.

(2)采用滲水儀法測得左右幅路面滲水系數(shù)合格率分別為100 %，92 %.有1個測點(diǎn)略超規(guī)范限值,左幅路面滲水系數(shù)平均值為13.6 mL/min,說明該路面仍保持較高的抗?jié)B性.

(3)采用擺式儀法測得左右幅路面摩擦系數(shù)合格率分別為85 %，100 %,有2個測點(diǎn)摩擦系數(shù)比規(guī)范限值略小一些,說明該路面仍具備較高的抗滑性.

(4)該工程的瀝青加鋪層早期病害主要為反射裂縫及坑槽,主要原因有路面抗剪強(qiáng)度不足、水損壞、重載交通等.

市政道路“白改黑”升級改造項目正在不斷推進(jìn),而瀝青加鋪層的病害卻在短期內(nèi)顯現(xiàn).本文從瀝青加鋪層的結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工工藝及路面養(yǎng)護(hù)3個角度提出幾點(diǎn)建議,旨在為工程相關(guān)技術(shù)人員提供參考.