黑龙江省高等级公路路面破损原因分析

郝晓冬

(黑龙江省公路勘察设计院)

黑龙江省处于我国东北边陲,北部、东部隔黑龙江、乌苏里江与俄罗斯相望,国界线长 3045km,西部与内蒙古自治区毗邻,南部与吉林省相接壤。全省平原、丘陵、山地各占三分之一,属大陆性季风气候区,冬季严寒,春季干燥,夏季炎热湿润、降雨集中,降雨量在450～600mm之间,秋季降温急骤,常有冻害发生。降水主要集中在 6月 ～9月,占全年总降水量的 80%左右。冬季时间漫长,从每年的 10月下旬至翌年的 4月上旬,达 6个月之久。黑龙江省位于我国严寒地区,冬季长达六个月之久,最低气温可达 -35～-40℃,而且寒流频繁发生,一次寒流可急剧降温 10～15℃,南部地区地表冻结深度1.8～2.0m,北部可达3.0m以上。

近几年来,随着黑龙江省高等级公路建设事业的迅猛发展,交通及气候条件对公路路面使用性能的要求也越来越高,一方面公路路面行驶重载、超载车辆现象严重,并且渠化交通加重了车辆轴载对路面的破坏;另一方面,黑龙江省冬季严寒、春季干燥,夏季炎热湿润、降雨集中的气候条件,对路面也是一个严峻的考验。

沥青混凝土路面,具有表面平整、无接缝、行车舒适、振动噪音小、便于养护等优点,但也具有强度和稳定性受季节性影响,养护费用高等缺点。因低温收缩而产生裂缝是黑龙江省沥青路面最主要的病害,导致路面裂缝渗水、面层结构松散,基层甚至路基软化、承载能力降低,影响路面使用寿命。其次为早期车辙、水损坏、坑槽等。

水泥混凝土路面具有较高的结构强度、稳定性,防滑能力强、养护费用少等优点,但也有接缝较多、易引起行车跳动,振动噪音大、损坏后修补困难等缺点,其最大的缺点是韧性差,与抗压强度相比其抗拉强度较低。

针对黑龙江省公路所处的自然条件、设计、施工及养护中出现的问题对黑龙江省公路路面破损原因进行了调研分析,主要有以下几个方面。

(1)土基的原因:路基的压实质量要求没有达到规定的压实度值和弯沉值,没有保证路基有足够的、均匀的强度。

排水设计不完善,没有充分考虑地下水对路基的影响,这种现象在挖方路堑中发生的较多,地下水主要是在挖方路段槽底出现的地下含水层,采用换填砂砾并不能将水排出,大量的水积存于路槽下,在行车荷载及冻胀的作用下,垫层被污染而失去作用,水对底基层、基层产生浸润破坏,产生冻胀、翻浆现象而失去强度变成松散的结构层,失去承载作用从而引起路面破损。

路基的换填深度不足,特别是挖方路堑槽底处理深度不足,原设计规范只对槽底 30cm的压实度提出了要求,造成路基确定不足而产生破损。

填挖交界、半填半挖:对于地面纵坡及横坡较陡的路段,早期的设计只考虑了对原地面挖台阶的简单处理方式,故在填挖交界处及半填半挖路基经常发生路表面层开裂。现有的设计除在填挖交界处及半填半挖路段加强处理外并增设土工格栅并强夯,以增强结合部的整体性,并且新颁布执行的《公路水泥混凝土设计规范》中规定此处的水泥混凝土路面应加设钢筋网,以增加强度。

(2)黑龙江省处于高纬度地区,冬季时间漫长,昼夜温差较大,路面受冻胀的影响较大,所以路面的冻害较重。沥青路面的主要病害是低温缩裂。普遍出现横向裂缝及少量的纵向裂缝。这种裂缝在寒冷地区是不可避免的,设计上只能在结构上、材料上考虑减少收缩裂缝,延长裂缝距离。通车第一年的横缝间距一般在 25～30m一道,以后逐年加密至约 15m一道,且表现为路面结构越粗,间距越大,但裂缝越宽。如采用SMA结构,早期裂缝间距可达 50～80m,但缝宽大 2.0cm以上。参考日本北海道高寒地区路面结构,为尽量减少低温裂缝的发生,要求沥青层具有一定的厚度,其路面结构中的基层基本采用沥青碎石结构,而我省在这方面还没有进行研究,建议对沥青碎石基层进行设计、混合料的配合比及应用性研究。

水泥混凝土路面的主要病害是盐冻剥蚀破坏,相比较而言,水泥混凝土的抗冻性要好于沥青混凝土,但其在多次冻融循环后亦可以产生破坏,但主要还是冬季降雪后为了除雪而撒布的融雪剂,由于其主要成分为盐类,故混凝土表面产生了大面积的剥蚀破坏。

(3)路面结构设计时,计算理论对超载车没有考虑。路面结构计算标准轴载为BZZ-100,路面计算程序中对各种车型只有正常的轴重(最大不超过130kN),而对于超载车在结构计算时根本没有考虑。黑龙江省主要公路的交通量增长虽然不大,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,沥青路面出现的龟裂和严重的车辙,水泥混凝土路面出现的断板、碎裂等就体现出路面强度不足。

设计中已经在考虑重载时尽量选用轴载较大的车型进行结构计算,尽量避免路面出现龟裂和严重的车辙,正在修订的沥青混凝土路面设计规范中已经将超载考虑进了路面结构计算中。

(4)早期的沥青路面设计对于下面层选用Ⅱ型沥青混凝土,由于Ⅱ型沥青混凝土空隙率较大、透水而容易产生早期水损坏,故现已采用Ⅰ型沥青混凝土。

为提高水泥混凝土路面的强度及抗冻性,现在的水泥混凝土路面规范中已要求抗冰(盐)冻地区的水泥混凝土路面必须掺加引气剂。现行的水泥混凝土路面设计及施工规范都对冰冻地区提出了具体的要求。

(5)设计中沥青混凝土规定采用碱性石料及中性石料,当采用酸性石料时,规范规定:可掺入适量的消石灰、水泥或抗剥落剂。建议规范给出一个比较合适的掺入剂量范围,这样使设计阶段的试验有据可依。

(6)由于路面基层多采用半刚性基层,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,这些裂缝会逐渐反射到面层上,加速路面的破坏。而且半刚性基层压实后本身非常致密,几乎成为完全不透水的层次,在多雨潮湿地区和季节性冰冻地区,来自面层渗下的水,包括从路面裂缝(低温裂缝、结构收缩裂缝)进入的水、沥青混合料离析及较大的空隙率渗入的水以及冰冻地区毛细管积冰在融化期增加的水等三种情况而不可避免渗水。这些水在动力作用下对基层产生冲刷,造成基层破损而引起路面的破坏。沥青混凝土路面已采用密实型沥青混凝土,尽量避免产生水损坏;水泥混凝土路面就要求养护部门及时对横缝、纵缝及裂缝进行灌缝,以避免水份的进入。

早期的设计中基层、底基层材料一般采用就地取材的原则,有很多采用水泥稳定风化砂砾、水泥稳定碎石土等结构,造成施工时对材料难以控制,风化砂砾及碎石土等材料的质量难以保证,此种结构遇水强度衰减很快,造成使用不久就产生破坏。

(7)早期路面结构中,对基层、底基层混合料没有强制要求拌合站集中拌和,而允许有路拌的方法。现在设计中已经要求基层、底基层混合料必须拌合站集中拌和,摊铺机整体性摊铺。

(8)路面设计中对路面结构层排水考虑的不完善,结构层的排水基本无设计,特别是对挖方路堑亦没有考虑地下水及层间水的排出,使水进入基层,造成基层湿软、强度损失、路面破坏。目前的设计已逐步开始考虑结构层排水,并考虑了挖方路堑的排水问题,如在挖方路堑中设置盲沟以排出地下水及层间滞水等措施。

(9)材料的品质:目前大部分公路建设对沥青、水泥的选择还是比较慎重的,一般均由建设单位统一采购,大多都选用优质的沥青和水泥,但是忽略了砂石料的影响。近几年公路建设发展迅速,但与之配套的材料市场却比较混乱,没有统一的标准,缺乏有关部门的引导和监督,大多是由当地群众自发组织的小料场,产量低、规格少、质量差。而公路建设速度快,用量大,形成明显的反差。往往一条公路定的目标高、工期短,业主要进度,承包商抓效益,材料就成了被忽视的问题。真正用于公路建设的砂、石材料并非全部合格品,更谈不上优质品了。

(10)施工配合比控制不当,压实度不足:在实际生产中,多年来形成了一种习惯,那就是严格按照试验室配合比中的骨料用量应用于实际生产,熟不知这种方法生产的混合料往往达不到设计要求,有的甚至出现较大偏差,这就是常说的重“目标配合比设计”,轻“生产配合比设计”的倾向。

多年来,很多项目采用一台摊铺机整幅摊铺,造成材料离析。甚至个别项目片面追求平整度,忽视压实度,致使实际空隙率远大于目标配合比设计值。

(11)施工工序不合理:目前大部分项目为了竣工通车时有一个漂亮的外表,要求沥青混凝土路面在做完中面层后,将交通工程、绿化、通讯等一次做完,最后全幅摊铺上面层。这样势必造成中面层放置时间过长,污染严重。施工单位为了清除污染,采取用水冲的方法,不但层间污染不能清除,而且使大量泥水进入中、下面层,形成层间积水。又由于层间施工时间相距较长,加重污染,致使中、上面层粘结不好,达不到层间连续的规范要求,给工程留下永久隐患。

(12)现有的沥青混凝土混合料采用马歇尔设计方法,而美国SHRP的研究成果Superpave及欧洲CEN沥青及沥青混合料研究成果要好于马歇尔的评价标准,我国交通发达省份已经开始采用Superpave混合料设计方法,建议我省开始对此进行研究及引进。

(13)养护不及时,养护应改变观念,以预防性养护观念为主,提前预防,防治出现破损。