摘 要:本文根據專家們對我國開放交通兩年以上的半剛性基層高速公路瀝青路面使用情況調查，介紹了我國高速公路半剛性路面結構及其承載能力和面層功能狀況;簡單分析了瀝青路面的早期損壞現(xiàn)象和產生原因，并提出了預防措施。
關鍵詞:高速公路 瀝青路面 早期損壞 防護
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前 言
高速公路的路面工程量大、牽涉面廣。一條高速公路長數(shù)十公里甚至數(shù)百公里，沿線遇到的土壤、水文、氣候等環(huán)境條件有顯著差別。路面經常由多層各不相同的材料所組成，特別是瀝青面層所用材料品種多、要求嚴格，每層都有各自要求的工藝水平。同一條路上往往又由多個甚至十多個機械水平、管理水平和技術熟練程度各不相同的承包單位實施工程。因此不同高速公路，甚至同一條高速公路不同標段的新建路面質量都會有顯著差異。路面質量的不均勻性遠遠比工廠生產的產品要大得多，實際上任何工廠產品很難百分之百都是優(yōu)質品，路面產品更是如此。同一條高速公路的不同路段上的交通量和交通組成有顯著差異，開放交通后路面原先的缺陷就會導致各種程度不同的路面早期損壞。因此高速公路開放交通的初期(1~2年內)，產生路面早期損壞是完全可以理解的。隨著路齡增長，瀝青逐漸老化，瀝青混凝土的抗溫度裂縫能力、抗疲勞破壞能力、抗水破壞和抗松散能力逐漸減弱，瀝青面層的破壞現(xiàn)象逐漸增多，此時要采取養(yǎng)護措施來改善和恢復路面應有的使用性能。
1 高速公路瀝青路面早期損壞情況
1.1 幾種主要路面早期損壞現(xiàn)象
1.1.1軟土地基繼續(xù)沉降產生的路面(含橋頭)沉陷
花高價進行處理的軟土地基未得到應有效果的主要原因在于:采取處理措施后到鋪筑路面前允許軟土地基固結沉降的時間太短。我國高速公路除在構造物頭上采用粉噴樁、攪拌樁、石灰粉煤灰土樁和碎石樁等樁基處理措施外，通常都采用袋裝砂井或塑料排水板與砂墊層、加載預壓相結合的排水固結法處理措施。即使是打穿軟土層的排水固結法，也需要有較長的時間供軟土層固結基本完成。我國高速公路的計劃施工期往往較短，而實際施工期則更短，導致不得不在軟土地基繼續(xù)明顯沉降的情況下鋪筑路面，這樣就造成了上述后果。造成軟土地段路面大量沉陷的另一個重要原因是，袋裝砂井或塑料排水板或粉噴樁、攪拌樁等沒有打穿軟土層，致使砂井底、排水板下端以及樁尖下部仍有一個層厚不一的軟土層。排水固結法不能使這個軟土層中的水較快排出，在上層荷載作用下此層中的水需要更長的時間才能逐漸排出并使土體固結到穩(wěn)定狀態(tài)。未打穿軟土層的各種樁實際是懸浮在軟土層中，只能靠樁周的摩擦力起支撐其上的路面荷載的作用。樁下的軟土層在上層荷載作用下，需要更長的時間才能逐漸固結穩(wěn)定。當前的施工技術要將塑料排水板或袋裝砂井打入深25m以上的軟土層是困難的，粉噴樁的有效深度也只有約15m。
1.1.2路基壓實度不夠導致路面的早期損壞
路基路面局部沉陷變形、構造物相鄰接的填土路堤壓實度不夠以及對原地基(介于軟土地基和堅硬地基之間的地基)未做適當處理，使相鄰構造物的路面明顯下沉，產生了俗稱的橋頭跳車。
1.1.3基層質量不好造成的損壞
基層是瀝青路面最重要的承重層，其質量優(yōu)劣直接影響路面的早期破壞和壽命。半剛性材料層之間或半剛性層下部有一定厚度的素土夾層，素土夾層潮濕后使路面承載能力顯著下降。載重卡車通過產生“彈簧”現(xiàn)象的路段，容易產生塊狀裂縫。半剛性基層厚度不足，而底基層又不是半剛性材料層的路面結構，特別在土路基壓實度不夠和承載能力差的情況下，也會產生塊狀裂縫。這種塊狀裂縫的面積有時僅1m2左右。如果瀝青混合料在間 歇式拌和機中拌的時間過長、拌和溫度過高或在貯料倉中貯存時間過長都會使瀝青氧化變硬，使瀝青對拉應變特別敏感，一旦拉應變超過瀝青混凝土抗拉能力就會產生塊狀裂縫。在冰凍地區(qū)，特別在重冰凍地區(qū)由于低溫作用會產生塊狀裂縫(長3～4m)。
1.1.4水損壞
瀝青路面(含半剛性路面和剛性組合式路面)水損壞現(xiàn)象十分普遍，使用一年以上的高速公路都會產生程度不同的水損壞。差別僅在于有的嚴重、有的較輕。水損壞來得快，情況嚴重，因此它是路基路面的大敵。降水進入瀝青面層后視水的滯留位置而異，在大量高速行駛車輛作用下，可能產生以下幾種不同情況的水損壞現(xiàn)象。
1)表面層產生坑洞。即降雨過程中雨水會進入并滯留在表面層瀝青混凝土的孔隙中，在大量快速行車的作用下，一次一次產生的動水壓力(孔隙水壓力)使瀝青從碎石表面剝落下來，局部瀝青混凝土變成松散，碎石被車輪甩出，路面產生坑洞。
2)表面層和中面層同時產生坑洞以及局部表面產生網裂和形變。降水過程中如自由水滲入并滯留在表面層和中面層內，大量快速行車使兩層瀝青混凝土部分碎石上的瀝青剝落，導致表面產生網裂、形變(下陷)和向外側推擠，或產生坑洞。
3)唧漿、網裂、坑洞同時發(fā)生。如水透過瀝青面層(兩層式或三層式)滯留在半剛性基層頂面，在大量快速行車作用下，自由水產生很大的壓力并沖刷基層混合料表層的細料，形成灰白色漿，灰漿被行車壓唧到路表面。瀝青混凝土本身的空氣率大、壓實度不夠和不均勻性是導致瀝青面層產生水破壞的主要內因。
1.1.5轍槽
轍槽原定義為瀝青路面輪跡帶的凹陷(較輕的轍槽)，實際上 嚴重轍槽處輪跡帶產生凹陷的同時，其兩側的瀝青混凝土常常臌起，此時的轍槽就是輪跡帶的凹陷深度與其兩側臌起高度之和，見圖1所示。
圖1 高速公路瀝青路面實際形成的轍槽
HDi—內輪跡帶的轍槽深度;HD0—外輪跡帶的轍槽深度
造成高速公路瀝青路轍槽的原因及影響因素有:一是車的數(shù) 量及其軸重和輪胎壓力。重載卡車的數(shù)量愈多、軸重和輪胎壓力愈大，要求瀝青混凝土的抗轍槽能力愈大;二為行車速度，承受 慢速交通或有停車情況的路面與承受快速交通的路面相比較而言，前者要求瀝青混凝土有較大的抗轍槽能力，即車速愈慢，要求瀝青混凝土的抗轍槽能力愈大。因此，用于交叉路口、公共汽車停車站等的瀝青混合料必須適應車輛的質量、速度和數(shù)量。同理，在山區(qū)高速公路的上坡路段上，特別是行駛重載和超重載 車輛的情況下往往車速緩慢，容易產生較嚴重的轍槽。用于這種上坡路段上的瀝青混凝土需要有較大的抗轍槽能力。
1.1.6泛油
高速公路瀝青路面的泛油現(xiàn)象與以往渣油路面的泛油現(xiàn)象有明顯差別。高速公路瀝青路面的泛油現(xiàn)象主要產生在行車道上，超車道上的泛油現(xiàn)象很少。行車道上的泛油現(xiàn)象主要是間隔式和條片狀，而且間隔距離往往大于泛油條片的長度。連續(xù)泛油和整個行車道全面泛油的現(xiàn)象不多。早期使用LH-20Ⅰ和LH-20Ⅱ或AK-13B型瀝青混凝土做表面層的高速公路都有這種泛油現(xiàn)象，但并未引起大家重視。隨后建成通車的其他高速公路也有類似現(xiàn)象。實際上，每條高速公路的瀝青路面都有泛油現(xiàn)象，只是數(shù)量多少和程度輕重的差別。有的路段泛油嚴重且連續(xù)，有的路段間隔式條片狀較嚴重的泛油和中等泛油都有。近幾年來鋪筑的SMA試驗路段和正式工程也都有輕重不一的泛油現(xiàn)象。某高速公路部分路段的改性瀝青SMA也有泛油現(xiàn)象。
1.1.7松散
松散是由于瀝青混凝土表面層中的集料顆粒脫落，從表面向下發(fā)展的漸進過程，集料顆粒與裹覆瀝青之間喪失粘結力是顆粒脫落的原因。有多種情況可能導致松散:
1)集料顆粒被足夠厚的粉塵包覆，使瀝青膜粘結在粉塵上，而不是粘結在集料顆粒上，表面的摩擦力磨掉瀝青膜，并使集料顆粒脫落。
2)表面有離析，離析處缺少大部分細集料。
3)瀝青混凝土面層內局部密實度低，需要有高密實度才能保證瀝青混合料的粘聚力。如混合料的壓實度不夠，集料就容易從混合料中脫落……
1.1.8橫向裂縫
橫向裂縫是瀝青面層發(fā)生最多的一種裂縫。每條瀝青路面道路和每條瀝青路面高速公路上都有或多或少的橫向裂縫，通常也把它看作是瀝青路面早期破壞現(xiàn)象之一。高速公路瀝青路面的橫向裂縫絕大部分是溫度裂縫。在冰凍地區(qū)溫度裂縫有兩種:一是冬季突然大幅度降溫引起瀝青面層產生低溫收縮裂縫;二是氣溫變化引起瀝青面層產生溫度應力，溫度應力的反復作用使瀝青面層產生溫度疲勞裂縫。在冬季和氣溫低的地區(qū)，通常低溫裂縫是主要的。溫度裂縫起始于表面大風降溫過程中，面層表面的溫度最低，溫度變化時也是表面的溫度變化率最大。因此，表面產生的溫度拉應力最大以及溫度裂縫總是起始于表面并向下較快延伸。
半剛性路面的裂縫率與柔性路面的裂縫率沒有明顯差別，德國對170個路段進行了長達18年的跟蹤觀察后得出結論，半剛性路面的裂縫率與柔性路面的裂縫率沒有明顯差別。
溫度裂縫逐年增加由于瀝青隨時間增長而老化，瀝青面層的抗裂縫能力(或抗拉強度)會逐年降低，因此，溫度裂縫也是逐年增加。采用優(yōu)質瀝青會明顯減少溫度裂縫，特別是減少早期溫度裂縫。瀝青較稀、粘度較高有利于減少溫度裂縫在其他條件相同的情況下，采用較稀(針入度較大)的瀝青有利于減少溫度裂縫。面層瀝青混凝土的強度大幅度降低時，面層表面產生的溫度應力大于表層瀝青混凝土的拉應力時，面層就會開裂。
瀝青混凝土的均勻性是瀝青路面溫度裂縫的重要影響因素。瀝青混凝土的均勻性包括礦料級配的一致性、拌和的均勻性、有無粗細集料離析和離析現(xiàn)象的輕重程度、瀝青混凝土壓實度或空氣率的一致性以及層厚的一致性。瀝青混凝土的均勻性愈好，其強度就愈均勻，面層表面的薄弱處也就愈少。因此，在其他條件相同的情況下，瀝青混凝土面層的均勻性愈好，表面產生溫度裂縫的時間可能愈晚，溫度裂縫的數(shù)量也會愈少。
瀝青路面的面層厚度是溫度裂縫的又一影響因素。面層愈厚 并不意味溫度裂縫愈少，在其他條件相同的情況下面層愈厚，表面產生的溫度應力可能愈大，因此產生溫度裂縫的可能性愈大、情況愈嚴重。
2 瀝青路面早期損壞的原因分析和防護措施
鑒于上述早期損壞現(xiàn)象，筆者根據自己的實踐提出如下的原因分析和防護措施。
2.1水損壞
2.1.1半剛性路面產生水損壞的內因和外因
瀝青路面產生水損壞的外因是降水量、交通量和交通組成以及行車速度。通常降水量大的地區(qū)，水損壞現(xiàn)象較降水量小的半干旱和干旱地區(qū)為嚴重。交通量大和載重車輛多的高速公路較交通量小和載重車輛少的高速公路更嚴重;產生水損壞的內因:第一是羅型瀝青混凝土的空氣率較大和羅型瀝青混凝土的壓實度偏小，現(xiàn)場實際空氣率較大，以及瀝青混凝土不均勻造成的局部空氣率更大。第二是瀝青與碎石的粘結力不足。第三是我國的路面 設計方法習慣上不考慮路面結構層排水和不設置有效防水層。
2.1.2減少瀝青路面水損壞的措施
瀝青混合料的壓實度不夠，使原本空氣率較大的羅型瀝青混凝土的現(xiàn)場空氣率更大，也使羅型瀝青混凝土的空氣率偏大，其結果是水容易侵入面層。瀝青混凝土礦料顆粒組成過大的變異性以及混合料的離析，都會使竣工后瀝青混凝土的密實度、空氣率和瀝青用量變異性大。瀝青混凝土的這種不均勻性在面上形成了許多小面積的孤立水容易侵入的通道。必須從設計和施工兩方面考慮采取多種措施，才能基本解決路面的早期水損壞，使水損壞現(xiàn)象降到最少。需要和可能采取的措施如下:
1)瀝青面層的各層都用空氣率不大于5%的密實瀝青混凝土。
2)提高瀝青與礦料的粘結力要求。
3)提高壓實標準，增加現(xiàn)場空氣率指標。
4)路面結構中設排水層或防水層。
5)解決礦料級配和溫度變異性。
2.2泛油
瀝青用量過大是瀝青面層泛油的最根本原因，而瀝青用量過大的主要原因有:
1)瀝青混合料設計時的擊實功不夠。我國在設計瀝青混合料 時通常采用馬歇爾試驗方法。當初在開發(fā)和確定馬歇爾試驗方法時，選定室內試驗的壓實功是要使室內產生的密度等于野外行車荷載作用下最終達到的密度。如果室內所用擊實功產生的密度小于使用過程中所達到的最終密度，所選定的瀝青用量就會偏多。布朗(Brown)和克勞斯(Cross)指出，熱拌瀝青混合料的實際(路上的)密度常超過室內的密度。
2)施工控制不嚴和管理不善。礦料級配常有明顯變化，而 瀝青用量保持不變。
3)少數(shù)施工單位習慣于使用瀝青用量較大的混合料。
2.3 縱向形變和裂縫
2.3.1縱向形變產生原因
1)地基的固結形變。在未填筑路堤之前，地基上沒有任何荷 載，地基處于平衡狀態(tài)，一旦填筑路堤后地基受到外加恒載的作用(未計行車荷載)，填土路堤愈高，地基受到的外加恒載愈大。 1m高的路堤讓地基承受的恒載常達17kN/m2~18kN/m 2以上，外加恒載使地基原有的平衡狀態(tài)遭到破壞。地基土在路堤恒載作用下逐漸產生固結形變，直到達到新的平衡狀態(tài)為止。地基產生固結形變的大小，既與填土高度有關，又與地基內部各層土的性質(壓縮性)有關。即使是非軟土地基，在土的壓縮性大的情況下，在約10m高的路堤作用下，產生的固結形變可能高達50cm以上。
2)路堤的固結形變。路堤固結形變的大小與填土高度、土的性質和壓實度密切相關。通常土的性質不好，路堤產生的固結形 變可能大;土的壓實度不好(偏小)，路堤產生的固結形變就大; 路堤愈高，總的固結形變量就愈大。增加路基的壓實度可以顯著減少路堤的固結形變，同時增加路基的強度和穩(wěn)定性。
2.3.2減少早期縱向裂縫
客觀上每條高速公路都有或多或少的縱向裂縫。路堤下的地基在橫向不可能是均勻一致的，路堤的壓實度在橫向也不可能均勻一致，因此細而短的縱向裂縫幾乎是不可避免的。但是，有的高速公路路面產生縱向裂縫過多、過早，裂縫的寬度過大和長度過長，嚴重影響路面的使用性能和使用壽命。路線設計和路基施工都應該盡力避免產生嚴重的早期路面縱向形變。產生嚴重早期縱向裂縫有下列多種不同情況:
1)路線從局部洼地通過，路堤位于洼地內，洼地的土層上部往往土質較細。
2)路堤位于坡面上。
3)路堤邊部壓實度不足，其實際密實度與路堤中部的密實度有顯著差異。
4)路堤外側有擋土墻，部分高速公路路堤外側有擋土墻。
為了預防或減輕這類縱向裂縫，可考慮或使用下述兩種方案之一:
1)需要設置較深的盲溝，或將盲溝與排表面水的邊溝相結合，即在邊溝下再設置盲溝，并將盲溝中的水設法引出到附近的河溝中。在無天然河溝的情況下，也可以在路堤附近設置一個集水蒸發(fā)池。這些預防措施宜盡早實施，愈早實施，愈有利。
2)靠近擋土墻的路堤寬度內選用小型壓實設備(如小型振動壓路機，爆破夯等)進行壓實。同時要顯著減薄壓實層的厚度，盡可能達到要求的壓實度。在條件許可的情況下，在此寬度內采用砂礫、砂或石屑等透水性較大的材料。
3)在上述寬度內，用二灰、二灰土、石灰土或水泥土分層填 筑和分層壓實。這些材料的強度不需要符合用做底基層時的強度 標準，要求可以低得多。
2.4 優(yōu)質基層
十多年的我國高速公路的使用經驗表明，半剛性基層的設計 通常沒有明顯的問題或不足。從設計厚度看，特別是近10年來往 往具有較大安全儲備，或者說一些高速公路的半剛性基層設計成 兩層，通常是過厚的。在材料設計上唯一不足的是，有些高速公路設計文件中沒有針對本路的具體交通條件，對所采用的半剛性 基層提出具體的強度要求，而是籠統(tǒng)照抄《公路路面基層施工技 術規(guī)范》(JTJ034)中針對多種不同交通狀況規(guī)定的強度范圍。
上述設計上的不足，一般不會導致路面早期破壞，在某種情況下可能影響路面的長期使用性能和使用壽命。因此，由基層質量不好引起的多種瀝青路面早期損壞，通常是由基層施工質量不好或基層施工管理不善和控制不嚴引起的。以下就基層施工中值得注意的幾個問題簡述如下:
2.4.1基層材料
1)集料的最大粒徑。《公路路面基層施工技術規(guī)范》(JTJ034) 中規(guī)定用作高等級公路路面基層的集料的最大粒徑為31.5mm， 大于26.5mm的顆粒最多可達10%。
2)集料級配。集料級配對混合料，特別是水泥混合料的強度有顯著影響。例如，對于級配不好的缺細集料的天然砂礫，要用 7%~8%水泥穩(wěn)定才能達到規(guī)定的強度。而添加部分細集料使其達到最佳級配后，只要用4%~5% 水泥穩(wěn)定就可以達到要求的強度。水泥穩(wěn)定最佳級配砂礫的強 度比穩(wěn)定天然砂礫的強度高50%~100%。為了滿足凍融試驗的要求，最佳級配砂礫只要用 2%水泥，而天然砂礫要用5%~6%水泥。
2.4.2半剛性材料拌和廠
拌和廠的任務是根據室內確定的各種不同粒級礦料的配合 比，特別是規(guī)定的級配范圍、結合料劑量和最佳含水量拌制均勻的混合料。通常實際拌和時的含水量較最佳含水量大1%~2%左 右，以彌補混合料在運輸和攤鋪過程中的水分損失，使碾壓時混合料的含水量在最佳含水量與最佳含水量加1%之間(穩(wěn)定粒料)， 對于水泥或石灰穩(wěn)定細粒土，碾壓時的含水量可較最佳含水量大 1%~2%。
1)保持混合料級配的幾個重要環(huán)節(jié)。在拌和廠有多個環(huán)節(jié)會 影響混合料的級配。一些拌和廠生產的混合料的級配往往有較大變化，與不注意控制這些環(huán)節(jié)有密切關系。
(1)要建立不同規(guī)格集料的進場驗收制度。
(2)不同粒級的集料要分別堆放應事先計算各種不同粒級集 料的需要量，計劃進料的時間，并計算各種不同粒級集料所需堆 放場地的面積。
(3)細集料要覆蓋。
(4)下料斗上口之間要用隔板隔開。
2)嚴格控制水泥劑量。
3)運料車裝料出廠時，車廂應該覆蓋，車廂覆蓋的目的是防止表層混合料含水量損失過多。特別在氣溫較高季節(jié)和陽光好和有風的氣候條件下，更應重視防止水分蒸發(fā)。常發(fā)現(xiàn)在一些工地水泥混合料運到現(xiàn)場時車廂內表 面的混合料已部分變干，粗集料顏色已變白。通過攤鋪機攤鋪，不會將混合料重新拌和均勻，只會將較干的混合料較集中的分布在含水量合適的混合料中，造成結構層內部局部混合料的含水量偏小和強度偏低，埋下開放交通后路面產生局部損壞的禍根。
2.4.3鋪筑現(xiàn)場
鋪筑現(xiàn)場的主要任務是將運到現(xiàn)場的半剛性材料及時鋪成符合設計要求的厚度和寬度，碾壓密實，使其壓實度符合規(guī)定的要求，同時具有良好的平整度，最后進行合適的養(yǎng)生。
2.5 科學的高速公路運營管理有助于延長其使用年限
隨著高速公路建設的蓬勃發(fā)展，我國的高速公路的運營管理也開始受到了人們的廣泛關注，人們普遍認識到，一條沒有卓越管理的高速公路是很難發(fā)揮其優(yōu)良使用性能的。
是“集中、統(tǒng)一、高效、特管”的系統(tǒng)管理，是多專業(yè)的綜合管理，是技術密集的現(xiàn)代化管理，是向用戶全面服務的社會化管理。這些基本認識以及我國高速公路運營管理部門多年來在實踐中形成的諸多成熟經驗，對推動高速公路管理起到了積極作用，但我國高速公路的運營管理畢竟只有10余年時間，加之近年高速公路產業(yè)化的進程逐漸加快，很多問題尚需進一步探索。建立一套適合我國國情的高速公路運營管理體系，仍是今后相當一段進期內高速公路運營部門的任務。
2.6 治理超限超載
我國高速公路設計標準沒有考慮車輛的嚴重超限超載，而國內的運輸市場載貨車輛普遍超限超載，幾乎每一條已建成的高速公路都在沒有到達使用年限就出現(xiàn)了不同程度的早期損壞。車輛的超限超載嚴重影響高速公路的 使用功能，縮短公路使用壽命，導致高速公路出現(xiàn)車轍、坑槽、涌包、泛油、沉陷，嚴重的會引起惡性交通事故，破壞沿線設施、機械式損壞路面和路基等。
3 結語
高速公路是我國的重要基礎設施之一，是經濟發(fā)展的必然產物，也是我國現(xiàn)代化水平的重要標志之一。完備的公路性能為我國社會的持續(xù)發(fā)展提供強有力的保障，預防高速公路的早期損壞及合理防護顯得尤其重要。
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