季冻区沥青混凝土路面施工技术要点研究

沈 荣

(中铁十九局集团第三工程有限公司， 辽宁 沈阳 110136)

目前，我国季冻区高速公路总里程已达到5万多公里，施工质量与养护将直接影响交通运输安全[1]。但由于季冻区公路长期处于较恶劣的环境中，受干湿循环、冻融循环及车辆荷载的循环往复作用，易导致各种典型病害发生，比如路基冻胀翻浆，路面的裂缝和坑槽等。病害严重影响了道路交通的正常运行，严重时可能会造成人民生命财产安全，如果不能及时对破损路段进行维修养护，破损范围将会继续扩大，维修成本继续增加，而且还极大地缩短了现有公路使用年限[2]。早在20世纪80年代我国就开始对季冻区公路沥青路面病害问题展开研究，并取得了丰硕成果。张毅[3]等对新疆岩对沥青混合料性能的影响规律进行了研究，通过室内试验，对比分析添加工艺、岩沥青粒径及不同掺量对沥青混合料性能产生的影响，认为岩沥青粒径越小，改性效果越好。董正阳[4]等对季冻区高速公路沥青路面病害成因进行了分析，认为冻融循环是产生沥青路面病害的主要原因，并给出了相应的解决发法和处治措施。仲玉侠[5]等对三种改性沥青材料材料进行了低温抗裂特性试验研究，结果表明钢纤维改性剂是最好的抗裂材料。

综上分析可知，温度交替变化对季冻区公路沥青路面影响显著。因此，本文在总结已有研究成果的基础上，对季冻区沥青路面所处的自然气候条件、病害类型、破坏机理、防治措施、施工技术要点进行全面分析与研究，给出季冻区沥青路面抗冻技术施工方法，为同类工程提可靠的施工技术支撑。

1 季冻区的自然气候条件研究

根据我国出版的《公路自然区划》规范可将我国划分为常冻区、季冻区和不冻区。我国东北地区四季分明，冬季寒冷多雪，夏季炎热多雨，春季、秋季温度适中，因此东北地区属于典型的季冻区。东北地区的公路路面结构每年要历经近70 ℃的温度变化，夏季最高温度能达到35 ℃以上，冬季最低温度能达到-35 ℃以下，甚至更低，夏季一般持续3个月左右，冬季则相对较长，持续时间4～5个月左右。长期处于季冻区的路面极易发生冻融开裂破坏[4]。

2 导致季冻区沥青路面破坏的因素研究

季冻区沥青路面破坏模式较为复杂，其主要破坏模式为以下几方面：

2.1 裂缝导致破坏

目前，各省市绝大部分公路建设已经完成，且大部分公路已经进入了养护维修阶段，养护维修所要解决的问题主要是路面开裂。对于沥青路面裂缝的研究多停留在裂缝产生原因、生成机理、试验方法以及防治措施等方向，也取得了较为显著的成果，但对于裂缝扩展与公路其他结构之间的相互作用关系方面研究则较少。东北地区是我国典型的季冻区，由冻融作用导致的路面裂缝普遍存在，在冬季随处可见因冻胀作用产生的地裂缝，有时裂缝的宽度甚至与人脚面同宽，破坏严重。然而对此种自然病害却有不同看法，有专家学者认为，因冻融作用产生的裂缝属正常自然现象，转年气温升高会自然闭合，不会产生大的影响。然而因冻融作用导致的沥青路面裂缝不仅不会自然闭合，反而损伤加重，最后导致交通事故发生。如果路面所在地区雨水较少，则路面完整性还能勉强维持，而在东北地区夏季雨水充沛，冬季雪量较大，加之冻融作用导致的路面裂缝，水分会大量渗入，一旦温度降低至冰点以下，就会产生冻胀裂缝，不仅影响公路整体的外观和完整性，还会促进水分流动至路基内部，使路基承载力下降，最终导致公路丧失使用功能。

2.2 冻融循环导致破坏

当温度从+20 ℃下降至-20 ℃再升至+20 ℃，整个过程持续时间不低于6h形成一个完整的冻融过程。而冻融循环则为多次冻融作用耦合。根据相关资料可知，我国各季冻区冻融循环次数差异较大，其中哈尔滨年均冻融循环次数为129次，长春为119次，沈阳与长春接近，年均冻融循环次数为114次，大连为79次，北京为84次。在进行沥青路面抗冻性能评价时应对考虑半刚性基层的层位分布情况，层位靠近底基层，所承受的冻融循环次数越少，受冻融损伤作用相对较小；与之相反，层位越靠近顶面，所承受的冻融循环次数相对较多，受冻融损伤作用则较为严重。

2.3 地形地貌导致破坏

研究认为，沥青路面车辙是由不同基层形变而成，认为产生车辙的原因是由于路基基层薄弱所致，该观点与我国高速公路车辙的形成原因不符，我国高速公路车辙的形成原因是沥青路面形变量远大于其他基层永久形变总和。因此，单从公路组成结构来分析沥青路面破坏情况并不严谨，应综合考虑多方面因素对沥青路面的共同破坏作用。实际上，沥青路面车辙的产生与地形地貌密切相关，比如车辆在斜坡道路上行驶，当车速较慢时，由车辆自重给路面带来的横向荷载较大，对于热拌沥青混合料，很容易造成路面的黏塑性破坏和剪切流动破坏，因此，地形地貌是沥青路面破损所要考虑的影响因素。

2.4 车辙导致破坏

沥青路面车辙主要是由于面层混合料的黏塑性变形、公路基层的变形所致，同时压实效果不好，材料磨损同样会产生车辙破坏。我国学者普遍认为，公路半刚性基层及其下部底基层并不会产生变形或者变形很小，可以忽略不计，产生车辙变形主要是由于沥青面层所致。公路柔性基层通常都有车辙变形，其主要原因是由于柔性基层的变形包括路床和匹配碎石层变形。但是从实际情况来看，虽然产生车辙路面是以柔性基层沥青路面为主，但不必过分考虑柔性基层导致的路面车辙。沥青路面的破坏形式复杂多样，即便是同一种病害的产生原因也可能不同。本文结合东北地区公路病害情况及地理气候条件，认为当地公路车辙破坏的原因是：(1)路面车辙逐渐由之前的V型向W型转变，且比例不断攀升；(2)日趋严重的车辙导致路面逐渐下沉；(3)沥青面层厚度对车辙影响显著，厚度越大，产生车辙的概率越小，厚度越薄，产生车辙的概率越大。

2.5 水导致破坏

20世纪90年，我国修建了第一批高速公路，经过多年运营后，该批高速公路沥青路面病害并不严重，仅产生局部微弱破坏。而在1996年开通的沪宁高速，进入冬季之间沥青路面便开始产生局部松散破坏，入冬后受冻融循环作用，出现了较大坑槽，水损破坏也是随着降雨量的增大产生。从此以后，我国大部分公路都出现了水毁情况。水对公路的破坏作用主要有两方面，即由上到下破坏和由下到上破坏。早年修筑的公路主要是由上到下破坏，包括沥青的松散剥落，裂纹破坏等。对于季冻区的辽宁省来说，水是公路沥青路面破坏的重要因素，由于水分的侵入导致路面和路基均处于饱和状态，一旦进入冬季，水分开始结冰，体积膨胀，导致公路内部结构破损，缝隙加大，促进水的渗入，第二年再经冻融循环，公路整体破坏损伤再次加深，如此循环反复，最终导致公路丧失使用性能。

3 季冻区温度对沥青混合料性能影响研究

季冻区温差受季节影响较大，沥青路面产生多次循环冻融，会使沥青材料产生较大程度劣化，具体包括：

(1)沥青材料抗压强度降低：温度降至冰点以下，水开始结冰，导致沥青材料内部结构劣化，内部孔隙增大，骨架承载力降低，最终导致沥青路面整体抗压强度下降。

(2)沥青材料回弹模量降低：当温度升高至冰点以上时，混合料里面的冰开始融化，被因冻胀撑大的孔隙结构产生回缩，但还是形成了永久塑性变形，当经历多次冻融循环后，损伤不断积累，导致回弹模量降低。

(3)劈裂强度降低：沥青路面受长期冻融循环作用，水分逐渐渗入沥青混合料各个位置，沥青混合料之间的黏结力下降，导致劈裂强度降低。

4 季冻区沥青路面施工技术要点

由于季冻区冻融循环使沥青混合料的力学性质劣化，沥青路面质量降低，不能满足交通荷载的要求，因此，对季冻区沥青路面的病害问题应予以重视尽可能延长公路使用年限。根据季冻区路面设计规范和同类工程经验，归纳总结季冻区施工技术要点如下：

(1)调查分析道路交通量情况，并根据调查结果设计合理的汽车载重，考虑到国内交通的实际情况，应该将超载情况和重交通量情况纳入考虑范畴，设计出符合我国实际交通情况的路面设计方案。

(2)详细调查道路修建区自然气候条件，获取当地气象资料，为沥青路面设计提供可靠的数据支持，调查内容包括：降雨、温度、降雪、湿度，夏季时长、冬季时长等，优化季冻区路面结构设计，延长沥青路面使用年限。

(3)对道路选线地段进行详细的地质勘查，科学处理路基填挖方量。

(4)开展沥青路面材料的试验研究，掌握沥青材料的力学性质，尤其对沥青混合料冻融循环后的力学特性进行详细的试验研究，并通过SEM显微成像技术分析沥青混合料受冻融循环作用后的微观结构破坏形式，并基于试验结果提出处治措施。

(5)在确保安全的情况下，应综合考虑交通量、沥青材料性质、气候温度、地质概况等因素，制定出合理的路面厚度设计方案。

(6)根据路面设计方案进行道路施工，并及时对已经修筑好的路面定期进行质量检测，给出质量检测报告。

(7)将检测结果与设计方案进行对比分析，检查其是否满足设计规范要求，如若与设计值之间相差较多，则应及时对相应路段进行补救维修。

(8)经多种沥青路面设计方案对比，选出既能保证安全，又可节约资金的合理设计方案。

5 季冻区沥青路面施工抗冻抗裂技术研究

当前对于季冻区沥青路面的抗裂技术主要包括：裂缝填封、应力吸收层设置、冷再生技术、改性路面材料更换等。由于前两种施工技术较为成熟，且研究较多，因此本文仅对后两种技术进行分析。

5.1 冷再生技术

冷再生是在室温下采用专业的施工机械对路面破损区域进行铣刨和破碎，加入再生沥青材料，搅拌均匀后在原有破损处进行摊铺，使破损沥青路面再次具有一定承载能力。冷再生技术包括3种形式：

(1)浅部现场冷再生技术：这项技术主要是针对沥青路面面层再生，经过再生技术操作的路面面层厚度一般在80～150 mm范围内。

(2)无摊铺面的冷再生技术：这项技术主要是对岩石沥青路面的基层进行冷再生，若采用沥青作为稳定剂，则冷再生后的厚度一般在100～150 mm，若当稳定剂为水泥时，则冷再生路面厚度大约在200 mm左右。

(3)深部现场冷再生技术：该项技术主要是针对原始路面面层和基层两部分进行冷再生，通常厚度都在150 mm之上，再生后的沥青材料成为新路面基层或底基层。

冷再生技术的使用范围：

(1)沥青路面年久老化，车辆荷载反复作用且受冻融循环作用而引起的路面损坏和破裂；

(2)车辙作用导致的路面损坏；

(3)由于沥青材料在生产时油量少，颗粒和层间的粘聚力较小导致路面断裂破损。

5.2 改性路面材料更换技术

改性路面材料的更换主要是更换沥青材料稳定剂，包括两种类型：水泥类和沥青类。其中，水泥稳定剂的添加方式：(1)在路面上方均匀摊铺细粉状的水泥，经再生操作后即可完成原始路面与新水泥材料的结合；(2)采用专业的拌和车，将已经拌好的水泥泵入再生机内部；(3)通过撒布车进行布料。沥青稳定剂普遍采用乳化沥青稳定剂和泡沫沥青稳定剂。沥青稳定剂与水泥稳定剂材料不同，不会产生收缩裂缝，且能够更快实现通行。沥青稳定剂与原始路面沥青混合料之间能够产生一定的粘聚力，经过再生处理后的沥青路面具有一定强度，不容易被压坏。采用沥青稳定剂处理后的路面，其强度、抗水性及抗疲劳性均得到显著提升。

6 结语

本文通过对季冻区沥青路面病害产生原因进行了详细分析，总结了不同因素对沥青路面病害的影响，总结了季冻区沥青路面施工技术要点，并给出了季冻区沥青路面施工抗冻抗裂技术处理措施，为季冻区沥青路面施工提供了可靠的技术支撑，具有一定的工程实际意义和应用价值，可为类似工程提供参考。