黃河堤防防汛路瀝青路面早期破壞影響因素探討

姜志偉

(山東黃河勘測設(shè)計研究院有限公司，山東 濟南 250013)

1 概述

黃河大堤的堤頂?shù)缆钒凑杖壍缆窐?biāo)準(zhǔn)修建，不僅是黃河防洪工程的重要組成，也是防汛搶險的交通要道[1]。1998年以前，下游堤防堤頂主要是土路面，個別堤段為碎石路面，瀝青路面相對較少。黃河下游主汛期與雨季同期，每逢多雨季節(jié)，堤防泥濘難行，這種路況難以保證防汛搶險的交通需要。自1998年開始逐漸黃河臨黃大堤堤頂防汛路逐漸進(jìn)行堤頂路面硬化，現(xiàn)黃河下游山東境內(nèi)黃河堤頂防汛道路路面結(jié)構(gòu)基本為瀝青路面。

瀝青路面在運行幾年后，有的已經(jīng)大面積破壞出現(xiàn)路基破壞，主要表現(xiàn)為：縱向裂縫、橫向裂縫、網(wǎng)裂等病害[2]。

裂縫：瀝青路面建成后，都會產(chǎn)生各種形式的裂縫。初期產(chǎn)生的裂縫對瀝青路面的使用性能基本上沒有影響，但隨著表面雨水的侵入，導(dǎo)致路面強度下降，在搶險車輛高密度的荷載作用下，使瀝青路面產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性破壞[3]。瀝青路面裂縫表現(xiàn)形式可分為橫向裂縫、縱向裂縫。影響裂縫的主要因素有：瀝青的品種和等級、瀝青混合料的組成、面層的厚度、基層材料的收縮性、土基和氣候條件等。

網(wǎng)裂：路面產(chǎn)生相互交錯的疲勞裂縫，形成一系列多邊形小塊組成的網(wǎng)狀開裂，在縱縫間出現(xiàn)橫向和斜向連接縫，形成縫網(wǎng)。主要是由于路面的整體強度不足而引起的。

2 影響因素

2.1 瀝青料因素

瀝青路面材料要求高溫穩(wěn)定、低溫抗裂、耐疲勞和耐久性等[4]，這些特性受瀝青料的影響很大，瀝青料性能對于強化路面材料的抗剪能力具有十分重要的作用，抗剪特性與混合料的其他特性是密不可分的。

在瀝青混合料組成設(shè)計時，瀝青品種的選擇和混合料的瀝青含量的確定是控制各種病害的主要手段，同時能夠很大程度上影響路面混合材料的抗剪能力[5]。瀝青混合料的粘結(jié)力與瀝青本身的粘度有密切的關(guān)系，瀝青黏滯性越高，混合料的抗剪能力就越大，就越不容易變形。材料的強度也會隨之提高；而瀝青的稠度越高，軟化點就越高，在溫度變化時受影響越小，即使溫度在不斷升高到情況，瀝青混合料仍具有良好的黏滯性，保證混合料保持良好的的強度和韌度，防止出現(xiàn)過大的形狀變化而產(chǎn)生破壞；耐久性好的瀝青料能夠長期保持混合料性能，不但有利于路面的長期性能，對路面早期破壞也有積極的作用。目前瀝青的分級標(biāo)準(zhǔn)的是依據(jù)國標(biāo)，以瀝青25℃時的針人度作為分級依據(jù)。這種方法簡便易行，但是無法準(zhǔn)確的區(qū)分多種不同種類瀝青的性能之間的差異，且PI指標(biāo)敏感性大，難以準(zhǔn)確衡量瀝青的高溫穩(wěn)定度。而根據(jù)SHRP的PG瀝青性能分級規(guī)范，依據(jù)路面性能的要求來劃分，這種方法可以清楚的明確各種瀝青的耐高溫穩(wěn)定性、低溫抗開裂能力和抵抗疲勞能力，有非常大的實用價值。

瀝青在高溫下的穩(wěn)定性對混合料的性能有非常明顯的影響，由馬歇爾試驗可知，不同的瀝青用量會引起馬歇爾穩(wěn)定度的變化，而當(dāng)馬歇爾穩(wěn)定度達(dá)到最大時的瀝青量就是最佳瀝青用量，其原因在于如果瀝青的用量不足，混合料的表層瀝青厚度較單薄，混合料也會呈現(xiàn)干枯形態(tài)，造成混合料缺乏有效的粘結(jié)力，無法形成足夠的強度，進(jìn)而影響穩(wěn)定度。如果加入足夠的瀝青，混合料會產(chǎn)生足夠的黏結(jié)力，同時穩(wěn)定度也將大大提升，但是如果加入的瀝青用量過大，將會造成混合料表面瀝青層過厚，形成瀝青層流淌，降低混合料中顆粒之間的摩擦力，顆粒因為受到外荷載的作用產(chǎn)生相對位移，降低了混合料的穩(wěn)定度。

瀝青混合料中材料在路面各方面性能的影響作用大小不同，在防止低溫開裂方面，瀝青的性能占90%的作用；減少疲勞損壞方面瀝青和集料的作用各占一半；而在減少車轍方面，集料質(zhì)量和級配的作用占60%以上。對于抗剪特性來說，低溫時，瀝青料的影響作用大于集料，高溫時瀝青料模量降低，抗剪作用主要受集料影響。

2.2 集料骨架形式

混合料的骨架構(gòu)造直接影響到瀝青混合料的抗剪強度[7]，較低溫度時，骨架結(jié)構(gòu)與非骨架結(jié)構(gòu)的抗剪強度差別為34.5%；較高溫度時，骨架結(jié)構(gòu)與非骨架結(jié)構(gòu)的抗剪強度差別將減?。坏珳囟冗_(dá)到60℃時，骨架結(jié)構(gòu)抗剪強度增長幅度達(dá)到78.6%。可知，較低溫度時，集料顆粒相互的擠壓作用和瀝青料的黏結(jié)力共同保障混合料的抗剪強度，在密實懸浮結(jié)構(gòu)中，集料的嵌擠力較小，是形成二者之間抗剪強度差異的主要原因。由于低溫時瀝青料的粘聚力和粘結(jié)力對抗剪強度產(chǎn)生的作用很大，所以抗剪強度差別的幅度因為基數(shù)的增大而相對顯得較小；當(dāng)溫度升高直至60℃時，瀝青粘聚力在抗剪中的作用急劇降低，甚至起到潤滑作用，混合料大部分的抗剪強度指標(biāo)來源與集料顆粒相互擠壓作用，骨架結(jié)構(gòu)的作用顯得十分突出，抗剪強度差異幅度達(dá)到了78.6%。

在路面的設(shè)計與施工中，混合料的抗剪性能是十分重要的因素，需要嚴(yán)格控制扁平料的含量。我國公路建設(shè)集料來源廣泛，很多是由地方小生產(chǎn)企業(yè)提供，機器設(shè)備落后，集料品質(zhì)不能得到很好的控制，這與工業(yè)化大生產(chǎn)的方式是不相適應(yīng)的，形成了公路建設(shè)中的薄弱環(huán)節(jié)。要建設(shè)高質(zhì)量的路面，需要對集料品質(zhì)加強認(rèn)識，并重視其在路面性能中的重要作用。

2.3 路面結(jié)構(gòu)

路面的瀝青面層因直接受到外荷載作用[8]，其內(nèi)部將會生成很大的剪切應(yīng)力，最大剪應(yīng)力的位置發(fā)生在輪載作用的瀝青表面層附近，且最大剪應(yīng)力隨著荷載分布形式、基層模量和面層模量等因素的變化而不斷變化。

目前黃河堤防防汛路的路面結(jié)構(gòu)大多是半剛性結(jié)構(gòu)，半剛性基層模量改變，面層內(nèi)剪應(yīng)力最大值也會隨之改變，并呈現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系，半剛性基層模量在較小值(≤1500MPa)范圍內(nèi)變化時，面層的剪應(yīng)力最大值的變化較大；而當(dāng)半剛性基層模量在較大值(≥1500MPa)范圍內(nèi)變化時，面層內(nèi)剪應(yīng)力的最大值變化較小。面層模量對最大剪應(yīng)力的影響規(guī)律與半剛性基層模量的影響規(guī)律相反，當(dāng)面層的模量增大時，其內(nèi)的剪應(yīng)力最大值反而會減小，即面層模量的提高有利于降低路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大剪應(yīng)力值。

為保證路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，減小路面面層內(nèi)的最大剪應(yīng)力值，提高道路的耐久性能，可以用減小半剛性基層模量和增大路面面層的模量。黃河堤防的防汛路采用加強基層提高整體強度，面層較薄的設(shè)計思路，雖然使得防汛路的路面結(jié)構(gòu)的整體強度較高，但因面層較薄，使得表面層材料受剪力影響增加，對路面結(jié)構(gòu)尤其是面層的抗剪特性是不利的。

2.4 施工質(zhì)量

隨著行車速度的提高和人們對行車舒適性及安全性要求的提高，路面性能的要求也越來越高，不斷有新型的路面材料涌現(xiàn)出來。如AC-13V和SAC瀝青混合料、SUPERPAVE瀝青混合料以及排水式的開級配混合料等[9]。但研究表明，以上材料都是以提高粗骨料用量的方法，在混合料中形成較合理的結(jié)構(gòu)深度，增加骨料之間相互的擠壓力，從而形成骨料之間較強的黏結(jié)力。

圖1 集料離析

粗集料用量的增加，提高了集料間的擠壓力卻也降低了混合料之間的和易性，使得材料在使用過程中有著不同程度的離析(如圖1—2所示)，分別形成了骨架空隙結(jié)構(gòu)和密實懸浮結(jié)構(gòu)，造成混合料的抗剪強度更差；施工過程中的壓實度是影響路面結(jié)構(gòu)抗剪特性的重要因素，路面壓實度不夠，使得空隙率增加，抗剪強度大幅度降低，有的施工單位為了達(dá)到驗收標(biāo)準(zhǔn)，采取犧牲壓實度來實現(xiàn)平整度的方法，結(jié)果還沒到驗收時間就發(fā)生全路段初期損壞，不得不進(jìn)行更大規(guī)模的修復(fù)工作。

圖2 同一試件的兩個不同切面

施工過程是把設(shè)計藍(lán)圖變成現(xiàn)實事物的重要過程[10]，施工控制不好，再好的設(shè)計都不能達(dá)到設(shè)想的效果，在做好材料、結(jié)構(gòu)和各方面工作的同時，必須把好施工這個最后且最重要的環(huán)節(jié)，全面提高黃河堤防防汛路的施工水平。

3 結(jié)語

綜上所述，黃河防汛路的路面早期破壞原因很大程度來源于面層的剪切破壞，所以降低路面結(jié)構(gòu)內(nèi)的剪切應(yīng)力，提高路面的抗剪能力，可以有效防止防汛路路面早期破壞，延長使用壽命。

(1)瀝青料是柔性路面結(jié)構(gòu)的主要材料之一，其性能對結(jié)構(gòu)的抗剪特性有一定的影響，尤其是在低溫情況下，在工程中選用改性瀝青料能有效提高路面結(jié)構(gòu)的抗剪特性。

(2)混合料的骨料合理級配和骨料品質(zhì)可以極大影響瀝青混合料高溫時的抗剪性能，級配良好的骨料之間可以形成擠嵌構(gòu)造，抗剪性能顯著增加，要嚴(yán)格控制其集料級配，否則會嚴(yán)重降低抗剪特性。

(3)防汛路的路面結(jié)構(gòu)層的模量和厚度也影響抗剪特性，可以在加強基層強度的前提下，適當(dāng)提高面層的厚度也可以提高面層的抗剪能力。