沥青路面病害成因分析及处治研究

郝财国 郝才平 严国全 张振良 郝 丽 吴大勇

(1.湖北省路桥集团公司 武汉 430050; 2.武汉交通技术职业学院 武汉 430060; 3.黄石大冶市交通投资公司 大冶 435100; 4.湖北交投翻坝江北高速公路有限公司 宜昌 443000)

黄石市铁山区黄石(铁山)至鄂州(东沟)公路路面采用了路面结构为 12 cm普通沥青混凝土(4 cm AC(重交)-13C+8 cm AC(重交)25C)下设16 cm+18 cm水泥稳定碎石基层、18 cm水泥稳定碎石底基层。该段建成通车不久后半年路面出现较为严重的车辙，局部高差部分达到8 cm，部分路段出现的沉陷病害尤为突出，严重影响了路面的使用性能，造成了交通安全隐患。

1 路段现状

1.1 病害调查结果

该路段长20 km，主要病害为车辙，现场照片图略。

该路段沥青面层厚12 cm，右幅超、行车道上存在严重车辙(大于25 mm)，从外观看：车辙断面轮迹处下凹(见图1)，轮迹间隆起，呈W形，是典型的由于剪切形变引起的失稳性车辙。具体调查统计见表1、表2。

图1 车辙断面轮迹处下凹示意图

表1 行车道车辙统计

表2 超车道车辙统计

该路段沥青路面施工日期为2016年12月-2017年1月，施工完成至今半年多，局部路段出现了较为严重的车辙病害，见图2。试验选取了该路段典型病害的26个断面并进行钻芯取样，共取59芯样，典型芯样情况见图3～5。

图2 下面层不密实

图3 表面空洞

图4 黏结层污染

图5 路面典型病害图

1.2 动稳定试验结果

选取未出现病害的位置，现场切割路面，进行动稳定试验，试验结果见表3。

表3 动稳定度试验结果

2 病害成因分析

2.1 交通荷载的影响

根据施工单位提供的调查资料，该路段在通车后主要以运输石方、矿料车为主，设计极限荷载为300 kN，而现场测量满载货车净重640 kN，远远超过极限使用工况。重载、超载、慢速和严重的渠化交通共同作用下造成该路段形成早期严重车辙。

2.2 气候条件

2018年进入夏季以来，7月份高温持续时间长，7月6日-8月7日最高气温持续超过35 ℃。极端最高温度39.9 ℃。

施工单位在道路现场于14∶00左右，气温为39 ℃时测得沥青路面路表温度为67 ℃。根据美国SUPERPAVE沥青路面性能分析，要求沥青应满足的等级为PG76，但该路段设计文件对所用沥青要求仅为普通的A-70号道路石油沥青。显然不能满足使用要求[1]。

2.3 路面弯沉结果分析

针对病害现场勘查情况，对沥青路面出现较大车辙的K10+000—K20+422，选取典型断面及位置进行弯沉试验，结果见表4。

表4 实测弯沉值 0.01 mm

左幅抽样的行车道和超车道弯沉代表值均小于路面设计弯沉，说明路基和基层承载力足够。右幅抽样的行车道和超车道弯沉代表值局部略大于路面设计弯沉，局部路段弯沉值超标，检查发现沥青面层水损害，芯样多空隙，层间黏结较差,雨水极易渗入基层。

2.4 路面厚度及空隙率分析

2.4.1厚度分析

本次调查共取芯59处，其中完整芯样58个，右幅 K15+160超车道芯样破损。所有芯样平均总厚度10.9 cm，上面层平均厚度3.6 cm，结构层厚度偏低(设计值上面层4 cm，合格值3.2 cm；总厚度12 cm，合格值10.8 cm)，具体分析如下[2]。

1) 右幅同一断面上，超、行车道位置与停车道位置芯样的总厚度已经发生了较大改变。除去桥面及桥头搭板的铺装，右幅K18+260断面病害处车辙峰、谷处芯样最大高差达到2.8 mm；超车道位置芯样的总厚度为8.9～12.4 cm，平均厚度为10.7 cm；行车道位置芯样的总厚度为6.5～12.7 cm，平均厚度为10.7 mm；停车道位置的芯样为10.4～12.7 cm，平均厚度为11.1 cm，可见超、行车道轮迹位置路面结构的厚度平均被挤压了40 mm。

2) 对右幅超、行车道与停车道芯样上、中、下面层的厚度分别进行比较，超车道上面层的厚度为3.1～4.1 cm，平均厚度为3.6 cm；下面层的厚度为5.8～8.4 cm，平均厚度为7.0 cm。行车道上面层的厚度为1.2～4.7 cm，平均厚度为3.4 cm；下面层的厚度为5.3～9.0 cm，平均厚度为7.3 cm。停车道上面层的厚度为3.1～4.8 cm，平均厚度为3.7 cm；下面层的厚度为6.5～8.1 cm，平均厚度为7.5 cm。见图6。

图6 右幅芯样上面层厚度

2.4.2空隙率分析

对同一断面超车道和行车道轮迹位置上、下面层的空隙进行检测：

右幅超、行车道上面层的空隙率为1.3%～6.2%，平均空隙率为3.0%；下面层的空隙率1.3%～8.8%，平均空隙率为3.7%。下面层的空隙率2.9%～7.9%，平均空隙率为4.9%。

以上统计数据表明，沥青路面施工后的部分路段(主要是右幅路段)，由于下面层的空隙率太小，下面层部分只有2%～3%，给车辙的产生带来了隐患。对比超、行车道轮迹位置，路面的空隙率更小，这说明沥青混合料在交通荷载的作用下进一步压密。在高温及重载交通的作用下，路面压密到了一定程度后，由于混合料的空隙率太小，将导致沥青混合料抗剪能力的降低，在重载交通作用下易发生剪切流动变形，产生推移及车辙。

2.5 级配及油石比

选取典型位置的级配及油石比进行检测，并结合原路面的设计及施工资料进行分析和对比。各面层级配筛分汇总见图7～8。

图7 上面层级配筛分汇总

图8 下面层级配筛分汇总

由图7～8可见，各结构层级配和油石比基本在规定的范围内，普遍存在0.075 mm通过率实测值偏低(上面层设计值7.9%、下面层设计值6.4%)可能是施工中集料含泥量偏大所致。(泥土通过率经过燃烧试验后小于0.075 mm)上面层级配关键筛孔通过率2.36 mm为21.1%～38.1%变化大，小于设计值37%；下面层级配关键筛孔4.75 mm通过率为24.4%～35.3%，变化大且基本小于设计值35%。面层级配总体趋势表现为粗集料偏少，中间档筛孔集料过多，整体离析严重、多孔，起不到设计C型级配所要求的骨架密实结构的作用[3]。

2.6 劈裂强度

对典型路段的行车道及停车道的强度进行分析，采用设计规范中的15 ℃的劈裂强度作为评价指标。

强度试验结果表明：左幅上面层劈裂强度平均值0.85 MPa，下面层劈裂强度平均值0.84 MPa；右幅上面层劈裂强度平均值0.84 MPa，下面层劈裂强度平均值0.77 MPa；左右幅沥青混合料各层劈裂强度小于设计值。强度较低是由于路面压实不足，施工时空隙率较大造成的。

3 调查结论

该路段主要病害形式为车辙，综合以上分析结果表明，路面车辙主要发生在下面层，面层抗剪强度不足[4]。根据病害特征和检测结果对病害原因初步分析如下。

1) 新建成的路面，在开放交通初期车辆超载严重，重载车比例大。特别是右幅路段路面承受的竖向和车辆走向的剪应力都比左幅路段要大得多，承受轮胎荷载的作用时间也翻了几倍，从力学响应时间的角度相当于累计轴载次数翻了几倍，加上持续高温一并产生了早期严重车辙。

2) 该路段超载、重载车多，这是设计时无法预见的。原路面结构设计没有采用改性沥青，不能适应如此特殊的交通量需要。路面切割试块的动稳定度试验结果也表明该段落若在正常交通量行车作用下，不会发生如此严重的车辙病害。

3) 面层级配整体不良，关键筛孔通过率变化大，粗集料太少，中间档集料过多，不能形成设计要求的骨架密实结构，引起抗剪强度不足，致使路面出现车辙。沥青混合料由于细料或矿料的含泥量过大，导致沥青混合料的劲度模量过大，路面也容易在交通荷载作用下产生剪切形变。这是影响沥青混合料的高温抗车辙能力的一个重要原因。

4) 由于施工中压实度控制不足，空隙率变化大。雨水渗入基层，引起超、行车道局部路段弯沉值超标。

4 处治方案建议

4.1 处治原则及总体思路

处治遵循技术先进、经济合理、使用安全、合理选材、施工方便、利用环保的原则在保证各项技术方案可靠的基础上，以全寿命周期养护成本最小化的理念进行经济性比较和技术可行性比选，最终确定切实可行、经济合理的路面技术方案[5]。

4.2 养护路面设计方案

拟定2种路面结构方案供业主考察，根据结构层最小施工厚度、材料、交通量以及施工器具的功能等因素，初步确定路面结构组合与各层厚度见表5。

表5 沥青路面结构一览

4.3 方案说明

基于以上试验检测结果，方案一选择的是部分路段铣刨后产生废弃沥青类材料，由于材料的变异性和强度，再生后直接恢复AC-25C依然会存在问题。而EME2 0/14高模量沥青混凝土对石料的要求更为宽容，高模量沥青混合料的模量高，能减少荷载作用下沥青混合料的应变，因具有减少车辙病害，延长路面使用寿命；提高路面高温稳定性[6]；减薄路面厚度，节约资源等优势被广泛应用[7]。

4.4 经济比选

路面结构设计方案优劣势比对见表6。

表6 方案比对

5 结语

沥青路面的病害贯穿于道路整个使用过程，做好病害预防和处理工作，是路面正常使用的保障。沥青路面的病害受设计、材料、环境、施工等因素影响，本文在分析铁东线沥青路面病害及产生机理基础上，提出沥青路面的病害处理及处治养护措施，为此类路面病害的预防和治理提供参考。业主通过比选和专家咨询最后选取了方案二。由于时间紧迫和检测设备上的要求较高未做高温抗车辙试验，对极端高温天气路面抗车辙能力还需进一步分析。本次调查不足之处：未对路面基层性能进行进一步调查，后续可对废弃类沥青材料再生利用进行评价。