对沥青路面结构层设计的思考

刘贤生

（1.东北林业大学；2.黑龙江省公路勘察设计院）

近年来,随着黑龙江省交通事业的飞速发展,高等级沥青混凝土路面设计和修建里程越来越多,在高等级路面设计中有成功的经验也有相应的教训,目前黑龙江省沥青路面出现的主要病害为车辙和低温横向裂缝以及纵向裂缝。

黑龙江省沥青混凝土路面最早开始于1988年设计的绥满公路哈尔滨至大庆段起点的13 km,之后为1993年设计的同三公路宾县至哈尔滨段。高速公路采用沥青混凝土路面的是1997～1998年设计的哈双及呼绥高速公路,哈双及呼绥高速公路于2001年交工通车。之后黑龙江省开始在高速、一级公路及二级公路中采用沥青混凝土的路面结构。设计采用的规范为《公路沥青路面设计规范》JTJ014-97,沥青采用重交通石油沥青AH 110#,哈双呼绥改性沥青采用现场掺加3％SBS改性剂的制作方式。哈尔滨绕城高速公路西段路面面层沥青混凝土开始采用厂家生产的成品改性沥青。沥青面层的级配除表面层采用交通部公路科研所为黑龙江省研究设计的黑龙江调整型的AC-16Ⅰ,其余均采用规范给定的级配。设计在基层顶面洒铺透层油,沥青面层之间洒铺粘层油。

1 车辙产生的原因

黑龙江省主要公路的交通量增长虽不大,但公路建成通车后载重货车的增长明显高于可研预测的比率,并且一般的载重货车均处于超载状态。相关调查情况表明,超限超载车辆夜间明显多于白天,特别是四轴以上的超载车辆,这就造成交通量不是均匀分布的,即某一时段的车道上通行的全部是重载,造成路面的疲劳损坏,沥青路面出现龟裂和严重的车辙。另外黑龙江省通车的沥青混凝土路面均采用1997版的《公路沥青路面设计规范》,沥青只在表面层进行改性,并对表面层 AC-16Ⅰ的级配曲线进行了调整,而中、下面层均采用普通沥青,级配采用了规范规定的中值,配合比没有针对车辙问题进行研究与调整。此外,施工过程中沥青混凝土的压实度不足亦是产生车辙的原因。

2 横向裂缝

横向裂缝主要为低温横向裂缝及半刚性基层的温缩裂缝及干缩裂缝而产生的反射性裂缝。黑龙江省处于高纬度地区,冬季时间漫长,昼夜温差大,路面受冻胀的影响较大,所以黑龙江省路面的冻害较重。沥青路面的主要病害是低温缩裂。由于路面基层多采用水泥稳定砂砾的半刚性基层,此类半刚性基层不可避免地会产生温缩裂缝及干缩裂缝,在行车荷载与环境条件的反复作用下,这些裂缝逐渐反射到面层上,加速路面裂缝的发展。

3 纵向裂缝

纵向裂缝主要是土基的不均匀沉降产生的。

这几年,特别是三年决战项目中,为了较好地解决沥青混凝土的主要病害问题,黑龙江省高等级沥青路面设计中,对路面结构做了以下几个方面调整。（1）将沥青标号由110#调整为90#。（2）三层结构面层普遍采用双层改性,交通量小的高速公路及一级公路采用双面层结构,均采用改性沥青。（3）个别项目中采用SMA表面层。（4）将基层由20 cm单层厚度调整为36 cm双层结构,底基层由30 cm厚度调整为20 cm。（5）上面层强制要求采用机制砂,中、下面层有条件的亦应全部使用。这些措施主要是提高了半刚性基层的强度和路面结构层有效抗车辙的作用,但在提高路面整体使用寿命上仍存在不足之处。

黑龙江省沥青路面的结构层设计几乎千篇一律地采用半刚性基层。对沥青路面的力学模式,国际上都采用沥青层的弯拉应变和土基模量作为设计指标,而我国是采用表面弯沉这个指标,其他指标实际上都没有作用。

黑龙江省许多公路竣工验收阶段时的弯沉很小,几乎接近于零,但通车后经过轴载的累计作用,基层开裂比较严重或路面离析严重,从路表裂缝和孔隙进去的水不能很快从基层排走,基层与沥青面层的层面成为不连续的状态,在重载交通的作用下,出现大的拉应变,出现裂缝,产生唧浆、龟裂、坑槽,这些水损坏如果得不到有效的维修和控制,将很快发展成为大面积的损坏,为此许多路面普遍达不到设计要求的年限,10年左右就必须进行大修,不仅成本很高,而且对工程所在地的经济和社会影响都很大。

这种情况与黑龙江省几乎千篇一律地使用半刚性基层沥青路面的结构有一定关系。国际上在20世纪70年代以前,半刚性基层沥青路面也曾经用得很普遍,后来,柔性基层和全厚式路面得到了很大发展,逐渐成为主流,被大量应用于高速公路和重交通公路。其原因是半刚性基层在其优点的背后,也有不少缺点,有些无法克服。

（1）半刚性基层的收缩开裂易引起沥青路面的反射性裂缝。发现裂缝后如不及时进行封缝,裂缝中进水,导致沥青层和基层界面条件发生变化,使基层底基层路基的状况恶化,承载力迅速降低,表面产生水力冲刷,出现灰浆,继而形成裂缝处唧浆、坑槽。

（2）半刚性基层沥青路面的内部排水性能差是其致命的弱点。半刚性基层非常致密,它基本上是不透水或者渗水性很差的材料。水从各种途径进入路面并到达基层后,不能从基层迅速排走,只能沿沥青层和基层的界面扩散、积聚。界面上水的存在改变了界面连续的边界条件,使路面的受力状态变得十分不利,成为导致路面破坏的直接原因。

（3）半刚性基层有很好的整体性,但是在使用过程中,半刚性基层材料的强度、模量会由于干湿和冻融循环（尤其在黑龙江省）,在反复荷载的作用下因疲劳而逐渐衰减。

（4）半刚性基层沥青路面对重载车来说具有更大的轴载敏感性。

（5）半刚性基层损坏后没有愈合的能力,且无法进行修补。一旦破坏,只能挖掉重建。这将对沥青路面的维修养护造成很大的困难。

根据以前的室内疲劳方程和力学设计程序,无论沥青结构层多厚,结构都必然会产生疲劳开裂、车辙。而最新的理论发现当沥青层超过一定厚度时,良好施工的路面结构不会产生源于层底的疲劳开裂和结构性车辙。当标准轴次超过一定次数后,沥青层厚度无须增加。也就是说,沥青路面的下部将可以无限期地使用下去,表面层的损坏只需通过预防性养护、加铺沥青层得以补救,这种方式具有不封闭交通、大量节约费用、立即通车等优点。

值得一提的是,我国现行的《公路沥青路面设计规范》仍采用弯沉这个惟一的设计指标,甚至成为施工质量检验的指标。但值得欣慰的是,新规范增加了柔性基层方面的内容,这对黑龙江省今后高等级沥青路面设计柔性基层的采用提供了很好的理论依据。

鉴于我国的实际情况,由于全厚式路面的沥青层要求很厚,短期内在我国应用尚不现实,引进发展柔性基层沥青路面和混合式基层沥青路面是重要的。由于黑龙江省对半刚性基层有丰富的应用经验,当前应该首先发展混合式基层路面。即以沥青混凝土作面层,沥青稳定碎石作基层,无机结合料稳定集料作底基层这种结构型式,也可以在半刚性基层上加铺级配碎石过渡层,以防止反射性裂缝产生并有利于排水。不应对半刚性基层沥青路面全盘否定,但是需要认真总结和吸取国内外成功的经验与失败的教训,结合黑龙江省的具体情况,完善它的设计与应用,明确它的适用范围,扬长避短,最大限度地减少半刚性基层沥青路面早期损坏,延长沥青路面的使用寿命。