简析高速公路沥青路面的早期损坏与防护

前 言
高速公路的路面工程量大、牵涉面广。一条高速公路长数十公里甚至数百公里，沿线遇到的土壤、水文、气候等环境条件有显著差别。路面经常由多层各不相同的材料所组成，特别是沥青面层所用材料品种多、要求严格，每层都有各自要求的工艺水平。同一条路上往往又由多个甚至十多个机械水平、管理水平和技术熟练程度各不相同的承包单位实施工程。因此不同高速公路，甚至同一条高速公路不同标段的新建路面质量都会有显著差异。路面质量的不均匀性远远比工厂生产的产品要大得多，实际上任何工厂产品很难百分之百都是优质品，路面产品更是如此。同一条高速公路的不同路段上的交通量和交通组成有显著差异，开放交通后路面原先的缺陷就会导致各种程度不同的路面早期损坏。因此高速公路开放交通的初期(1~2年内)，产生路面早期损坏是完全可以理解的。随着路龄增长，沥青逐渐老化，沥青混凝土的抗温度裂缝能力、抗疲劳破坏能力、抗水破坏和抗松散能力逐渐减弱，沥青面层的破坏现象逐渐增多，此时要采取养护措施来改善和恢复路面应有的使用性能。


1 高速公路沥青路面早期损坏情况
1.1 几种主要路面早期损坏现象
1.1.1软土地基继续沉降产生的路面(含桥头)沉陷
花高价进行处理的软土地基未得到应有效果的主要原因在于:采取处理措施后到铺筑路面前允许软土地基固结沉降的时间太短。我国高速公路除在构造物头上采用粉喷桩、搅拌桩、石灰粉煤灰土桩和碎石桩等桩基处理措施外，通常都采用袋装砂井或塑料排水板与砂垫层、加载预压相结合的排水固结法处理措施。即使是打穿软土层的排水固结法，也需要有较长的时间供软土层固结基本完成。我国高速公路的计划施工期往往较短，而实际施工期则更短，导致不得不在软土地基继续明显沉降的情况下铺筑路面，这样就造成了上述后果。造成软土地段路面大量沉陷的另一个重要原因是，袋装砂井或塑料排水板或粉喷桩、搅拌桩等没有打穿软土层，致使砂井底、排水板下端以及桩尖下部仍有一个层厚不一的软土层。排水固结法不能使这个软土层中的水较快排出，在上层荷载作用下此层中的水需要更长的时间才能逐渐排出并使土体固结到稳定状态。未打穿软土层的各种桩实际是悬浮在软土层中，只能靠桩周的摩擦力起支撑其上的路面荷载的作用。桩下的软土层在上层荷载作用下，需要更长的时间才能逐渐固结稳定。当前的施工技术要将塑料排水板或袋装砂井打入深25m以上的软土层是困难的，粉喷桩的有效深度也只有约15m。
1.1.2路基压实度不够导致路面的早期损坏
路基路面局部沉陷变形、构造物相邻接的填土路堤压实度不够以及对原地基(介于软土地基和坚硬地基之间的地基)未做适当处理，使相邻构造物的路面明显下沉，产生了俗称的桥头跳车。
1.1.3基层质量不好造成的损坏
基层是沥青路面最重要的承重层，其质量优劣直接影响路面的早期破坏和寿命。半刚性材料层之间或半刚性层下部有一定厚度的素土夹层，素土夹层潮湿后使路面承载能力显著下降。载重卡车通过产生“弹簧”现象的路段，容易产生块状裂缝。半刚性基层厚度不足，而底基层又不是半刚性材料层的路面结构，特别在土路基压实度不够和承载能力差的情况下，也会产生块状裂缝。这种块状裂缝的面积有时仅1m2左右。如果沥青混合料在间 歇式拌和机中拌的时间过长、拌和温度过高或在贮料仓中贮存时间过长都会使沥青氧化变硬，使沥青对拉应变特别敏感，一旦拉应变超过沥青混凝土抗拉能力就会产生块状裂缝。在冰冻地区，特别在重冰冻地区由于低温作用会产生块状裂缝(长3～4m)。
1.1.4水损坏
沥青路面(含半刚性路面和刚性组合式路面)水损坏现象十分普遍，使用一年以上的高速公路都会产生程度不同的水损坏。差别仅在于有的严重、有的较轻。水损坏来得快，情况严重，因此它是路基路面的大敌。降水进入沥青面层后视水的滞留位置而异，在大量高速行驶车辆作用下，可能产生以下几种不同情况的水损坏现象。
1)表面层产生坑洞。即降雨过程中雨水会进入并滞留在表面层沥青混凝土的孔隙中，在大量快速行车的作用下，一次一次产生的动水压力(孔隙水压力)使沥青从碎石表面剥落下来，局部沥青混凝土变成松散，碎石被车轮甩出，路面产生坑洞。
2)表面层和中面层同时产生坑洞以及局部表面产生网裂和形变。降水过程中如自由水渗入并滞留在表面层和中面层内，大量快速行车使两层沥青混凝土部分碎石上的沥青剥落，导致表面产生网裂、形变(下陷)和向外侧推挤，或产生坑洞。
3)唧浆、网裂、坑洞同时发生。如水透过沥青面层(两层式或三层式)滞留在半刚性基层顶面，在大量快速行车作用下，自由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表层的细料，形成灰白色浆，灰浆被行车压唧到路表面。沥青混凝土本身的空气率大、压实度不够和不均匀性是导致沥青面层产生水破坏的主要内因。
1.1.5辙槽
辙槽原定义为沥青路面轮迹带的凹陷(较轻的辙槽)，实际上 严重辙槽处轮迹带产生凹陷的同时，其两侧的沥青混凝土常常臌起，此时的辙槽就是轮迹带的凹陷深度与其两侧臌起高度之和，见图1所示。
图1 高速公路沥青路面实际形成的辙槽
HDi—内轮迹带的辙槽深度;HD0—外轮迹带的辙槽深度
造成高速公路沥青路辙槽的原因及影响因素有:一是车的数 量及其轴重和轮胎压力。重载卡车的数量愈多、轴重和轮胎压力愈大，要求沥青混凝土的抗辙槽能力愈大;二为行车速度，承受 慢速交通或有停车情况的路面与承受快速交通的路面相比较而言，前者要求沥青混凝土有较大的抗辙槽能力，即车速愈慢，要求沥青混凝土的抗辙槽能力愈大。因此，用于交叉路口、公共汽车停车站等的沥青混合料必须适应车辆的质量、速度和数量。同理，在山区高速公路的上坡路段上，特别是行驶重载和超重载 车辆的情况下往往车速缓慢，容易产生较严重的辙槽。用于这种上坡路段上的沥青混凝土需要有较大的抗辙槽能力。
1.1.6泛油
高速公路沥青路面的泛油现象与以往渣油路面的泛油现象有明显差别。高速公路沥青路面的泛油现象主要产生在行车道上，超车道上的泛油现象很少。行车道上的泛油现象主要是间隔式和条片状，而且间隔距离往往大于泛油条片的长度。连续泛油和整个行车道全面泛油的现象不多。早期使用LH-20Ⅰ和LH-20Ⅱ或AK-13B型沥青混凝土做表面层的高速公路都有这种泛油现象，但并未引起大家重视。随后建成通车的其他高速公路也有类似现象。实际上，每条高速公路的沥青路面都有泛油现象，只是数量多少和程度轻重的差别。有的路段泛油严重且连续，有的路段间隔式条片状较严重的泛油和中等泛油都有。近几年来铺筑的SMA试验路段和正式工程也都有轻重不一的泛油现象。某高速公路部分路段的改性沥青SMA也有泛油现象。
1.1.7松散
松散是由于沥青混凝土表面层中的集料颗粒脱落，从表面向下发展的渐进过程，集料颗粒与裹覆沥青之间丧失粘结力是颗粒脱落的原因。有多种情况可能导致松散:
1)集料颗粒被足够厚的粉尘包覆，使沥青膜粘结在粉尘上，而不是粘结在集料颗粒上，表面的摩擦力磨掉沥青膜，并使集料颗粒脱落。
2)表面有离析，离析处缺少大部分细集料。
3)沥青混凝土面层内局部密实度低，需要有高密实度才能保证沥青混合料的粘聚力。如混合料的压实度不够，集料就容易从混合料中脱落……
1.1.8横向裂缝
横向裂缝是沥青面层发生最多的一种裂缝。每条沥青路面道路和每条沥青路面高速公路上都有或多或少的横向裂缝，通常也把它看作是沥青路面早期破坏现象之一。高速公路沥青路面的横向裂缝绝大部分是温度裂缝。在冰冻地区温度裂缝有两种:一是冬季突然大幅度降温引起沥青面层产生低温收缩裂缝;二是气温变化引起沥青面层产生温度应力，温度应力的反复作用使沥青面层产生温度疲劳裂缝。在冬季和气温低的地区，通常低温裂缝是主要的。温度裂缝起始于表面大风降温过程中，面层表面的温度最低，温度变化时也是表面的温度变化率最大。因此，表面产生的温度拉应力最大以及温度裂缝总是起始于表面并向下较快延伸。
半刚性路面的裂缝率与柔性路面的裂缝率没有明显差别，德国对170个路段进行了长达18年的跟踪观察后得出结论，半刚性路面的裂缝率与柔性路面的裂缝率没有明显差别。
温度裂缝逐年增加由于沥青随时间增长而老化，沥青面层的抗裂缝能力(或抗拉强度)会逐年降低，因此，温度裂缝也是逐年增加。采用优质沥青会明显减少温度裂缝，特别是减少早期温度裂缝。沥青较稀、粘度较高有利于减少温度裂缝在其他条件相同的情况下，采用较稀(针入度较大)的沥青有利于减少温度裂缝。面层沥青混凝土的强度大幅度降低时，面层表面产生的温度应力大于表层沥青混凝土的拉应力时，面层就会开裂。
沥青混凝土的均匀性是沥青路面温度裂缝的重要影响因素。沥青混凝土的均匀性包括矿料级配的一致性、拌和的均匀性、有无粗细集料离析和离析现象的轻重程度、沥青混凝土压实度或空气率的一致性以及层厚的一致性。沥青混凝土的均匀性愈好，其强度就愈均匀，面层表面的薄弱处也就愈少。因此，在其他条件相同的情况下，沥青混凝土面层的均匀性愈好，表面产生温度裂缝的时间可能愈晚，温度裂缝的数量也会愈少。
沥青路面的面层厚度是温度裂缝的又一影响因素。面层愈厚 并不意味温度裂缝愈少，在其他条件相同的情况下面层愈厚，表面产生的温度应力可能愈大，因此产生温度裂缝的可能性愈大、情况愈严重。
2 沥青路面早期损坏的原因分析和防护措施
鉴于上述早期损坏现象，笔者根据自己的实践提出如下的原因分析和防护措施。
2.1水损坏
2.1.1半刚性路面产生水损坏的内因和外因
沥青路面产生水损坏的外因是降水量、交通量和交通组成以及行车速度。通常降水量大的地区，水损坏现象较降水量小的半干旱和干旱地区为严重。交通量大和载重车辆多的高速公路较交通量小和载重车辆少的高速公路更严重;产生水损坏的内因:第一是罗型沥青混凝土的空气率较大和罗型沥青混凝土的压实度偏小，现场实际空气率较大，以及沥青混凝土不均匀造成的局部空气率更大。第二是沥青与碎石的粘结力不足。第三是我国的路面 设计方法习惯上不考虑路面结构层排水和不设置有效防水层。
2.1.2减少沥青路面水损坏的措施
沥青混合料的压实度不够，使原本空气率较大的罗型沥青混凝土的现场空气率更大，也使罗型沥青混凝土的空气率偏大，其结果是水容易侵入面层。沥青混凝土矿料颗粒组成过大的变异性以及混合料的离析，都会使竣工后沥青混凝土的密实度、空气率和沥青用量变异性大。沥青混凝土的这种不均匀性在面上形成了许多小面积的孤立水容易侵入的通道。必须从设计和施工两方面考虑采取多种措施，才能基本解决路面的早期水损坏，使水损坏现象降到最少。需要和可能采取的措施如下:
1)沥青面层的各层都用空气率不大于5%的密实沥青混凝土。
2)提高沥青与矿料的粘结力要求。
3)提高压实标准，增加现场空气率指标。
4)路面结构中设排水层或防水层。
5)解决矿料级配和温度变异性。
2.2泛油
沥青用量过大是沥青面层泛油的最根本原因，而沥青用量过大的主要原因有:
1)沥青混合料设计时的击实功不够。我国在设计沥青混合料 时通常采用马歇尔试验方法。当初在开发和确定马歇尔试验方法时，选定室内试验的压实功是要使室内产生的密度等于野外行车荷载作用下最终达到的密度。如果室内所用击实功产生的密度小于使用过程中所达到的最终密度，所选定的沥青用量就会偏多。布朗(Brown)和克劳斯(Cross)指出，热拌沥青混合料的实际(路上的)密度常超过室内的密度。
2)施工控制不严和管理不善。矿料级配常有明显变化，而 沥青用量保持不变。
3)少数施工单位习惯于使用沥青用量较大的混合料。
2.3 纵向形变和裂缝
2.3.1纵向形变产生原因
1)地基的固结形变。在未填筑路堤之前，地基上没有任何荷 载，地基处于平衡状态，一旦填筑路堤后地基受到外加恒载的作用(未计行车荷载)，填土路堤愈高，地基受到的外加恒载愈大。 1m高的路堤让地基承受的恒载常达17kN/m2~18kN/m 2以上，外加恒载使地基原有的平衡状态遭到破坏。地基土在路堤恒载作用下逐渐产生固结形变，直到达到新的平衡状态为止。地基产生固结形变的大小，既与填土高度有关，又与地基内部各层土的性质(压缩性)有关。即使是非软土地基，在土的压缩性大的情况下，在约10m高的路堤作用下，产生的固结形变可能高达50cm以上。
2)路堤的固结形变。路堤固结形变的大小与填土高度、土的性质和压实度密切相关。通常土的性质不好，路堤产生的固结形 变可能大;土的压实度不好(偏小)，路堤产生的固结形变就大; 路堤愈高，总的固结形变量就愈大。增加路基的压实度可以显著减少路堤的固结形变，同时增加路基的强度和稳定性。
2.3.2减少早期纵向裂缝
客观上每条高速公路都有或多或少的纵向裂缝。路堤下的地基在横向不可能是均匀一致的，路堤的压实度在横向也不可能均匀一致，因此细而短的纵向裂缝几乎是不可避免的。但是，有的高速公路路面产生纵向裂缝过多、过早，裂缝的宽度过大和长度过长，严重影响路面的使用性能和使用寿命。路线设计和路基施工都应该尽力避免产生严重的早期路面纵向形变。产生严重早期纵向裂缝有下列多种不同情况:
1)路线从局部洼地通过，路堤位于洼地内，洼地的土层上部往往土质较细。
2)路堤位于坡面上。
3)路堤边部压实度不足，其实际密实度与路堤中部的密实度有显著差异。
4)路堤外侧有挡土墙，部分高速公路路堤外侧有挡土墙。
为了预防或减轻这类纵向裂缝，可考虑或使用下述两种方案之一:
1)需要设置较深的盲沟，或将盲沟与排表面水的边沟相结合，即在边沟下再设置盲沟，并将盲沟中的水设法引出到附近的河沟中。在无天然河沟的情况下，也可以在路堤附近设置一个集水蒸发池。这些预防措施宜尽早实施，愈早实施，愈有利。
2)靠近挡土墙的路堤宽度内选用小型压实设备(如小型振动压路机，爆破夯等)进行压实。同时要显著减薄压实层的厚度，尽可能达到要求的压实度。在条件许可的情况下，在此宽度内采用砂砾、砂或石屑等透水性较大的材料。
3)在上述宽度内，用二灰、二灰土、石灰土或水泥土分层填 筑和分层压实。这些材料的强度不需要符合用做底基层时的强度 标准，要求可以低得多。
2.4 优质基层
十多年的我国高速公路的使用经验表明，半刚性基层的设计 通常没有明显的问题或不足。从设计厚度看，特别是近10年来往 往具有较大安全储备，或者说一些高速公路的半刚性基层设计成 两层，通常是过厚的。在材料设计上唯一不足的是，有些高速公路设计文件中没有针对本路的具体交通条件，对所采用的半刚性 基层提出具体的强度要求，而是笼统照抄《公路路面基层施工技 术规范》(JTJ034)中针对多种不同交通状况规定的强度范围。
上述设计上的不足，一般不会导致路面早期破坏，在某种情况下可能影响路面的长期使用性能和使用寿命。因此，由基层质量不好引起的多种沥青路面早期损坏，通常是由基层施工质量不好或基层施工管理不善和控制不严引起的。以下就基层施工中值得注意的几个问题简述如下:
2.4.1基层材料
1)集料的最大粒径。《公路路面基层施工技术规范》(JTJ034) 中规定用作高等级公路路面基层的集料的最大粒径为31.5mm， 大于26.5mm的颗粒最多可达10%。
2)集料级配。集料级配对混合料，特别是水泥混合料的强度有显著影响。例如，对于级配不好的缺细集料的天然砂砾，要用 7%~8%水泥稳定才能达到规定的强度。而添加部分细集料使其达到最佳级配后，只要用4%~5% 水泥稳定就可以达到要求的强度。水泥稳定最佳级配砂砾的强 度比稳定天然砂砾的强度高50%~100%。为了满足冻融试验的要求，最佳级配砂砾只要用 2%水泥，而天然砂砾要用5%~6%水泥。
2.4.2半刚性材料拌和厂
拌和厂的任务是根据室内确定的各种不同粒级矿料的配合 比，特别是规定的级配范围、结合料剂量和最佳含水量拌制均匀的混合料。通常实际拌和时的含水量较最佳含水量大1%~2%左 右，以弥补混合料在运输和摊铺过程中的水分损失，使碾压时混合料的含水量在最佳含水量与最佳含水量加1%之间(稳定粒料)， 对于水泥或石灰稳定细粒土，碾压时的含水量可较最佳含水量大 1%~2%。
1)保持混合料级配的几个重要环节。在拌和厂有多个环节会 影响混合料的级配。一些拌和厂生产的混合料的级配往往有较大变化，与不注意控制这些环节有密切关系。
(1)要建立不同规格集料的进场验收制度。
(2)不同粒级的集料要分别堆放应事先计算各种不同粒级集 料的需要量，计划进料的时间，并计算各种不同粒级集料所需堆 放场地的面积。
(3)细集料要覆盖。
(4)下料斗上口之间要用隔板隔开。
2)严格控制水泥剂量。
3)运料车装料出厂时，车厢应该覆盖，车厢覆盖的目的是防止表层混合料含水量损失过多。特别在气温较高季节和阳光好和有风的气候条件下，更应重视防止水分蒸发。常发现在一些工地水泥混合料运到现场时车厢内表 面的混合料已部分变干，粗集料颜色已变白。通过摊铺机摊铺，不会将混合料重新拌和均匀，只会将较干的混合料较集中的分布在含水量合适的混合料中，造成结构层内部局部混合料的含水量偏小和强度偏低，埋下开放交通后路面产生局部损坏的祸根。
2.4.3铺筑现场
铺筑现场的主要任务是将运到现场的半刚性材料及时铺成符合设计要求的厚度和宽度，碾压密实，使其压实度符合规定的要求，同时具有良好的平整度，最后进行合适的养生。
2.5 科学的高速公路运营管理有助于延长其使用年限
随着高速公路建设的蓬勃发展，我国的高速公路的运营管理也开始受到了人们的广泛关注，人们普遍认识到，一条没有卓越管理的高速公路是很难发挥其优良使用性能的。
是“集中、统一、高效、特管”的系统管理，是多专业的综合管理，是技术密集的现代化管理，是向用户全面服务的社会化管理。这些基本认识以及我国高速公路运营管理部门多年来在实践中形成的诸多成熟经验，对推动高速公路管理起到了积极作用，但我国高速公路的运营管理毕竟只有10余年时间，加之近年高速公路产业化的进程逐渐加快，很多问题尚需进一步探索。建立一套适合我国国情的高速公路运营管理体系，仍是今后相当一段进期内高速公路运营部门的任务。
2.6 治理超限超载
我国高速公路设计标准没有考虑车辆的严重超限超载，而国内的运输市场载货车辆普遍超限超载，几乎每一条已建成的高速公路都在没有到达使用年限就出现了不同程度的早期损坏。车辆的超限超载严重影响高速公路的 使用功能，缩短公路使用寿命，导致高速公路出现车辙、坑槽、涌包、泛油、沉陷，严重的会引起恶性交通事故，破坏沿线设施、机械式损坏路面和路基等。
3 结语
高速公路是我国的重要基础设施之一，是经济发展的必然产物，也是我国现代化水平的重要标志之一。完备的公路性能为我国社会的持续发展提供强有力的保障，预防高速公路的早期损坏及合理防护显得尤其重要。