機場高速公路瀝青路面大修改造試驗研究

鄧 滔， 楊 夢， 宋 濤

(1.長沙理工檢測咨詢有限責任公司， 湖南 長沙 410076； 2.湖南省交通科學研究院有限公司， 湖南 長沙 410015；3.江西省交通投資集團有限責任公司宜春管理中心， 江西 宜春 336000)

0 引言

為節(jié)省工程投資，我國早期修筑的高速公路一般采用“強基薄面”的設(shè)計理念，部分高速公路基層水泥用量偏大、強度高，導致半剛性基層的反射裂縫大量出現(xiàn)[1]。

舊路面的大修改造不但要考慮如何有效處治反射裂縫問題，而且要在全壽命周期理念下，科學合理選擇養(yǎng)護改造方案，在費用效益比最佳的情況下提升路用性能和行車舒適程度是大修工程舊路面改造結(jié)構(gòu)設(shè)計中必須著重考慮的因素[2]。

筆者通過近年來大修工程設(shè)計與施工管理的工作實踐，結(jié)合湖南省機場高速公路大修工程試驗段的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計進行歸納總結(jié)。

1 項目概況

長沙機場高速公路為長沙城區(qū)連接黃花機場的快速通道，2015年進行罩面養(yǎng)護后，路況較好，但經(jīng)過2年多的運營，大量病害重新出現(xiàn)且發(fā)展速度較快，特別是其PCI值下降較快。

目前機場高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)組合為：加鋪層4 cm改性瀝青AC-13+上面層4 cm改性瀝青AC-16(I)+中面層5 cm改性瀝青AC-25(I)+下面層6 cm瀝青穩(wěn)定碎石AM-25+基層20 cm水泥穩(wěn)定碎石(6%)+底基層20 cm水泥穩(wěn)定碎石(4%)，鑒于機場高速公路已通車運營15 a，達到了設(shè)計使用年限，為更好地保證機場高速公路的路用品質(zhì)，提高行車舒適性，確保湖南省省門第一路的良好形象，并為后續(xù)路面養(yǎng)護工程積累經(jīng)驗和提供技術(shù)支撐，2018年對部分典型病害嚴重的路段(K7+720～K8+120左幅局部)開展大修試驗段工程。

2 路面典型病害及原因分析

經(jīng)調(diào)查，路面病害主要有橫向裂縫、縱向裂縫、塊狀裂縫、起拱、龜裂等。其中，試驗路段典型芯樣的統(tǒng)計情況如表1所示,其病害原因分析如下。

1) 機場高速公路橫向裂縫絕大多數(shù)是反射裂縫，這是由于其水泥穩(wěn)定碎石基層水泥用量為6%，劑量大，強度高，同時級配采用的是懸浮密實型結(jié)構(gòu)，導致開裂嚴重，最終反射至瀝青面層，造成橫向裂縫較多。

2) 從鉆芯結(jié)果來看，原機場高速公路的基層與面層之間黏結(jié)差，使瀝青面層底面出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，并在瀝青面層內(nèi)部和底面產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，從而導致網(wǎng)裂、龜裂、縱向裂縫等疲勞裂縫的產(chǎn)生。

表1 芯樣統(tǒng)計情況序號樁號位置芯樣描述、分析1K7+535左幅超車道橫向裂縫處斷裂、底部松散,面基不連續(xù)2K7+570左幅行車道起拱處完整,面基不連續(xù)3K7+597左幅超車道橫向裂縫處斷裂,面基不連續(xù)4K7+730左幅行車道龜裂處破碎、松散,面基不連續(xù)5K7+930左幅行車道縱向裂縫處斷裂、底部松散,面基不連續(xù)、面層間也存在黏結(jié)不良的問題6K8+040左幅行車道縱向裂縫處斷裂、底部松散,面基不連續(xù)7K8+065左幅行車道橫向裂縫處斷裂、底部松散,面基不連續(xù)

3) 縱向裂縫絕大多數(shù)分布在行車道路幅中心或輪隙帶位置。路幅中心的縱向裂縫主要是由基層縱向施工縫反射上來；輪隙帶的縱向裂縫則更多是由于拉應(yīng)力和剪應(yīng)力反復(fù)作用產(chǎn)生的疲勞裂縫。

4) 部分網(wǎng)裂、龜裂出現(xiàn)在縱向裂縫與橫向裂縫交叉處，這是在雨水滲入、裂縫啃邊以及車輛荷載作用下，沿縱橫裂縫交叉逐漸發(fā)展而來。

5) 唧泥、唧漿病害是由于雨水沿裂縫或孔隙滲入路面結(jié)構(gòu)層及路基，在車輛荷載和動水壓力的作用下，反復(fù)沖刷基層或路基而產(chǎn)生，并逐漸出現(xiàn)脫空，產(chǎn)生龜裂、坑槽等病害。

3 瀝青路面大修結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

3.1 常用瀝青路面大中修養(yǎng)護技術(shù)

根據(jù)我國現(xiàn)有規(guī)范，結(jié)合國內(nèi)外加鋪設(shè)計的成功經(jīng)驗，目前舊瀝青混凝土路面大中修改造設(shè)計主要有以下7種類型[3-10]，即：直接加鋪、銑刨重鋪、廠拌熱再生、廠拌冷再生、就地熱再生、翻修、就地冷再生后加鋪等處治方案。

3.2 機場高速大修改造路面結(jié)構(gòu)與排水設(shè)計研究

機場高速公路的路面病害主要為半剛性基層的反射裂縫，包括橫向反射裂縫和縱向反射裂縫?；趯υ鶎蛹霸瓰r青混合料RAP料充分利用的原則，其路面大修試驗段方案設(shè)計，主要就舊路面病害處治方案、結(jié)構(gòu)組合方案進行研究。

3.2.1 舊路面病害處治方案

考慮舊路面基層反射裂裂縫病害特別嚴重，必須對舊基層的自身裂縫進行防裂處治。結(jié)合舊路面實際情況，綜合考慮交通量分布特征、試驗段分析評價等因素，具體處治方案如下：

1)超車道和硬路肩路面銑刨后，基層有裂縫的地方采用抗裂貼進行處治。

2)行車道路面銑刨后，基層頂面不同路段分別采用滿鋪玻纖格柵、滿鋪雙絞合鋼絲網(wǎng)、滿鋪玄武巖纖維格柵等3種方案與不鋪設(shè)任何防止反射裂縫措施的方案進行比較。

3)瀝青面層結(jié)構(gòu)組合設(shè)計方面，主要考慮2種路面結(jié)構(gòu)層防裂處理技術(shù)：① 增加瀝青面層的總厚度；② 瀝青面層的結(jié)構(gòu)組合中設(shè)置一層防反射裂縫性能優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)層。

4)設(shè)置改性瀝青同步碎石封層，灑布“大劑量的改性瀝青+單粒徑碎石”，既作防水封層、層間黏結(jié)層，同時起到應(yīng)力吸收層效果。

3.2.2 結(jié)構(gòu)組合設(shè)計方案

考慮機場高速公路的實際情況，既要延緩半剛性基層的反射裂縫，又不考慮抬高波形梁護欄，擬定2個推薦對比方案：

1)銑刨加鋪(采用乳化瀝青廠拌冷再生下面層)方案。① 行車道、超車道結(jié)構(gòu)組合設(shè)計：行車道、超車道銑刨21 cm，包括原瀝青面層厚度19cm與水泥穩(wěn)定碎石上基層2 cm，保證銑刨到上基層頂面。鋪筑路面結(jié)構(gòu)為：乳化瀝青透層+1 cm改性瀝青碎石應(yīng)力吸收層+11 cm乳化瀝青廠拌冷再生+0.5 cm改性瀝青碎石封層+6 cm改性瀝青AC-20C+黏層+4 cm改性瀝青AC-13C，共計：22.5 cm，標高增加1.5 cm。② 硬路肩結(jié)構(gòu)組合設(shè)計：銑刨2.5 cm，重鋪4.0 cm，標高增加1.5 cm。局部開槽至基層頂面，處理基層的裂縫。

2) 銑刨加鋪(采用大粒徑大孔隙防裂排水瀝青混凝土技術(shù))方案。①行車道、超車道結(jié)構(gòu)組合設(shè)計：行車道、超車道銑刨21 cm，包括原瀝青面層厚度19 cm與水泥穩(wěn)定碎石上基層2 cm，確保銑刨到上基層頂面。鋪筑路面結(jié)構(gòu)為：乳化瀝青透層+1 cm改性瀝青碎石應(yīng)力吸收層+11 cm LSPM大粒徑大孔隙瀝青混合料+0.5 cm改性瀝青同步碎石封層+6 cm改性瀝青AC-20C+黏層+4 cm改性瀝青AC-13C，共計：22.5 cm，標高增加1.5 cm。②硬路肩結(jié)構(gòu)組合設(shè)計：銑刨2.5 cm，重鋪4.0 cm，標高增加1.5 cm。局部開槽至基層頂面，處理基層的裂縫。

4 路面內(nèi)部排水設(shè)計方案

大修試驗段每50～100 m在硬路肩處或超高路段的左側(cè)路緣帶設(shè)置橫向排水溝(50 cm寬×25 cm深)，其與縱向中線的夾角為45°～60°，溝底縱坡2%，施工期間作為臨時排水設(shè)施。路面施工完成后，溝內(nèi)設(shè)置2根φ5 cm的PVC-U管，并回填大粒徑排水瀝青穩(wěn)定碎石LSPM-25或ATPB-25混合料至中面層頂面，作為永久性的橫向滲溝，如圖1所示。土路肩設(shè)置較深的橫向滲溝，排除路面結(jié)構(gòu)層及路基頂面的滲水。

圖1 大修試驗段內(nèi)部及邊緣排水方案示意(單位： cm )

5 裂縫統(tǒng)計

5.1 裂縫統(tǒng)計

試驗路施工過程中，對K7+720～K8+120(左幅)銑刨前瀝青路面表面的裂縫與銑刨后水泥穩(wěn)定碎石表面的裂縫進行統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。

表2 裂縫數(shù)量一覽處位置橫裂縱裂龜裂銑刨前瀝青路面裂縫23112銑刨后半剛性層裂縫45264 注: 縱、橫向裂縫形成的交叉網(wǎng)狀裂縫,已分別計入縱裂與橫裂之內(nèi),未單獨統(tǒng)計。

5.2 試驗段后期跟蹤效果分析

2021年5月對試驗段進行了回訪，試驗段范圍未見任何反射裂縫，表面粗糙密實，無裂縫、坑槽、車轍、不平整等病害，試驗段具有良好的路用性能。

2021年6月，為研究不同防裂處治方案的處治效果，通過GPS測量定位確定水泥穩(wěn)定碎石基層頂面部分交叉裂縫位置后進行鉆芯取樣，觀測其裂縫反射情況及發(fā)展規(guī)律，具體情況見表3。

對芯樣分析可知： ① 試驗段防裂措施均有良好效果，經(jīng)歷2年8個月未出現(xiàn)反射裂縫的產(chǎn)生；② 采用LASM結(jié)構(gòu)的瀝青路面，芯樣完整;采用廠拌冷再生路段,芯樣底部有部分松散現(xiàn)象；③ 4種防反射裂縫措施，均有明顯的效果，僅玻纖格柵段出現(xiàn)了裂縫反射的痕跡。

表3 芯樣情況一覽序號樁號病害處治方案面層厚度/mm芯樣描述1K7+885未處理上面層37,芯樣185芯樣破碎,下層裂縫寬、上層裂縫窄2K7+920滿鋪玄武巖格柵上面層36,芯樣183面層芯樣完整,無裂縫反射情況3K7+950滿鋪玄武巖格柵上面層30,芯樣168面層芯樣完整,冷再生層底部松散,未取出完整芯樣,面層芯樣無裂縫反射情況4K8+000滿鋪玻纖格柵上面層39,芯樣177面層及基層芯樣完整,基層可見明顯裂縫,伴隨有唧泥病害,面層芯樣無裂縫反射情況5K8+020滿鋪玻纖格柵上面層38,芯樣185面層芯樣完整,冷再生層底部輕微松散,芯樣底部存在裂縫反射,面層芯樣無裂縫反射情況6K8+065滿鋪雙鉸合鋼絲網(wǎng)上面層45,芯樣193面層及冷再生層芯樣完整,面層芯樣無裂縫反射情況7K8+110滿鋪雙鉸合鋼絲網(wǎng)上面層47,芯樣195面層及冷再生層芯樣完整,面層芯樣無裂縫反射情況

試驗路采用了3種裂縫處治技術(shù)：路面結(jié)構(gòu)層防裂技術(shù)、應(yīng)力吸收層(兼防水黏結(jié)層)技術(shù)、防裂網(wǎng)技術(shù)，其效果分析如下。

1)路面結(jié)構(gòu)層防裂技術(shù)：K7+880～K8+120(左)全部采用乳化瀝青廠拌冷再生技術(shù)；K7+720～K7+880(左)采用了LSPM大孔隙瀝青穩(wěn)定碎石技術(shù)。后續(xù)跟蹤觀測表明，這2種結(jié)構(gòu)可通過消減裂縫尖端應(yīng)力集中現(xiàn)象，有效緩解半剛性基層的反射裂縫問題。因LSPM大孔隙瀝青混合料采用了改性瀝青，其芯樣較好，具有良好的高溫穩(wěn)定性和防反射裂縫性能等。乳化瀝青廠拌冷再生存在下部松散等問題，其原因可能為：①舊RAP料不是原機場高速的舊瀝青混合料，可能存在含泥量大或老化過于嚴重等問題；②乳化瀝青廠拌冷再生混合料級配不良，或壓實不足等問題。因此，后續(xù)大修工程中，應(yīng)加強對混合料和施工質(zhì)量的控制。

2)應(yīng)力吸收層(兼防水黏結(jié)層)技術(shù)：試驗段400 m范圍內(nèi)，均采用改性瀝青同步碎石應(yīng)力吸收層(2.0 kg/m2)。由于該層瀝青用量大，改性瀝青黏度高，能有效起到防水黏結(jié)作用，保證與下層水泥穩(wěn)定碎石層黏結(jié)的同時，較厚的瀝青膜對裂縫反射也有一定的阻斷作用。從近3年的鉆芯結(jié)果來看，大部分裂縫未通過該層，其防裂效果明顯。

3)防裂網(wǎng)技術(shù)：近3年的鉆芯抽檢證明,試驗路段采用雙鉸合鋼絲網(wǎng)、玄武巖纖維格柵、玻璃格柵、抗裂貼等4種裂縫處治方案可行，在施工質(zhì)量能得到保證的前提下，均有一定的抗裂效果。從跟蹤觀測來看，這幾種方案看不出太明顯的差異，主要原因有：應(yīng)力吸收層的效果好，裂縫被應(yīng)力吸收層阻斷；再者內(nèi)部結(jié)構(gòu)層的防裂效果起到了一定作用，同時與交通量有關(guān)，重載車不是很多。導致雙鉸合鋼絲網(wǎng)、玄武巖纖維格柵、玻璃格柵、抗裂貼在短時間內(nèi)，其差異性未體現(xiàn)出來。綜合進行比較，滿鋪雙鉸合鋼絲網(wǎng)和滿鋪玄武巖纖維裂縫反射處治方案的耐久性優(yōu)于滿鋪玻纖格柵裂縫反射防治方案。

6 結(jié)語

1)半剛性基層的反射裂縫是目前機場高速的主要病害，其中橫向裂縫病害主要是由于水泥穩(wěn)定碎石基層水泥用量為6%，劑量大，強度高，同時級配采用的是懸浮密實型結(jié)構(gòu)導致。

2)對機場高速公路水泥穩(wěn)定碎石的裂縫進行了充分處治，在研究不同處理方式的防裂效果上，取得了一定的效果。4種防裂網(wǎng)技術(shù)中，滿鋪雙鉸合鋼絲網(wǎng)和滿鋪玄武巖纖維裂縫反射處治方案的耐久性優(yōu)于滿鋪玻纖格柵裂縫反射防治方案。

3)機場高速公路的水泥穩(wěn)定碎石基層的裂縫比瀝青表面的裂縫嚴重得多，對比分析試驗段銑刨前后裂縫數(shù)量得出如下結(jié)論： ① 行車道半剛性基層的橫向裂縫幾乎全部反射到瀝青面層，證明反射裂縫跟行車荷載有明顯關(guān)系。② 行車道連續(xù)的縱向裂縫反射到瀝青面層并沒有連續(xù)，應(yīng)該與基層頂面縱向裂縫的寬度、是否在輪跡帶有一定關(guān)系。③ 超車道、硬路肩部位的半剛性基層縱向裂縫很少反射上來，與行車荷載、是否處在輪跡帶有直接關(guān)系。④試驗路段運營時間較短，建議后期繼續(xù)對試驗段進行觀測，通過綜合分析獲得更全面的評價結(jié)果。