沥青加铺层使用指标检测与早期病害防治——以泉州市政道路为例

朱 朴，肖启扬，蔡芬芳

黎明职业大学 土木建筑工程学院,福建 泉州 362000

0 引言

福建省属亚热带湿润季风气候,西北有山脉阻挡寒风,东南又有海风调节,温暖湿润为气候的显著特点.年平均气温15 ℃～22 ℃,从西北向东南递升.极端最低气温-9.5 ℃,极端最高气温为43.2 ℃，年平均降水量800 mm～1 900 mm,每年5～6月降水最多,多台风且常有暴雨.雨水对路面结构(特别是沥青路面)的损坏不容忽视.水损害是指沥青路面在水的作用下,沥青逐渐丧失与矿料的黏结力,从矿料表面脱落,在车辆的作用下沥青面层呈现松散状态,以至集料从路面脱落形成坑槽,沥青路面水损害是一项技术复杂、施工难度大的灾害防治工程[1].秦康康对不同浸水状态对沥青混凝土路面损坏的程度及影响因素开展研究,试验表明浸水状态对路面破坏影响的大小依次为饱水>干湿循环>无水[2].沥青路面与混凝土路面相比具有无缝、少尘、抗滑、方便维修等诸多优点.城市旧水泥路面加铺沥青面层(这里简称“白改黑”)以其施工便捷、行车舒适的优势被广泛采用.截止2020年,福建泉州市主要城区市政道路基本完成“白改黑”的升级改造.但随着时间的推移,加铺沥青层的病害也日益显现,且部分路段的病害超出预期.与普通公路相比,市政道路有其不同的行车特点,路面病害及破坏机理与普通公路略有差异.李辉提出城市道路的变形类病害以车辙形式为主,这也符合城市道路交通渠化、行车缓慢、方向不定、刹车启动频繁的行车特点[3].袁照杰通过对市政道路沥青路面改造工程病害处治及加铺结构设计要点进行有效分析,提出了旧路的综合评价、病害处治原则与对策、市政道路沥青路面改造工程加铺结构设计要点[4].城市建设中沥青道路在应用时出现的相关病害问题种类多样,并且造成这些病害的原因也相对比较复杂,必须细致研究导致病害的因素,并有针对性地选择合适方法,尽可能提前且有效预防,从而提升道路的管理水平[5].于玲运用路面数值计算程序Bisar分析在车辆不同行驶状况和不同荷载状况下，信号交叉路口路面结构的力学响应,建议根据交叉路口不同车流量种类来设计相应路面结构层材料参数，以减少交叉路口路面受损[6].

因此,不同类型沥青路面在不同使用工况及气候条件下产生的病害及机理有所差异,各种病害的防治方法也不同.以泉州市城区某市政沥青道路为例,对其开展路面使用指标检测及早期病害分析,提出适合高温多雨地区沥青加铺层的早期病害防治措施.

1 沥青路面病害

1.1 市政道路普通沥青路面病害

由于沥青路面存在抗弯拉强度低、温度稳定性差、抗疲劳和耐久性不足等缺点，因此在城市日益增长的交通活载作用及自然气候条件的双重影响下,市政道路中的沥青路面主要病害按其严重程度可以分为“功能性衰退”和“结构性破损”.所谓功能性衰减是指路面的服务能力降低(如抗滑性、抗渗性、平整性降低)，而结构性破损主要指路面出现如裂缝、车辙、坑槽等损坏.实践表明,市政沥青路面的主要结构性破损病害,按其出现频次由高到低分别是:裂缝、车辙、松散、坑槽、沉陷、泛油等.

1.2 市政道路沥青加铺层路面病害

城市已投入使用的水泥路面由于交通量激增导致水泥板过早出现断裂、错台等病害,其维修工作量大且对交通影响显著,同时考虑水泥路面强度高、刚度大、寿命长等优点没有得到充分发挥,因此“白改黑”的处治方法因其施工便捷、对交通影响小而被广泛采用.而加铺的沥青面层经常在使用初期就容易出现各类病害,其常见主要病害有裂缝、松散、坑槽、推移、拥包等.

2 实际市政道路路面指标检测

福建泉州市丰泽区通港西街建于“十五”期间,是泉州台商区进出市区、惠安往来晋江石狮的交通要道,车流量大且重型车辆多,属于城市主干道,总长约2.5 km,设计时速为60 km/h,双向六车道,为水泥混凝土路面,见图1.

(a)横断面示意图(m)

通港西街在服役10年后出现混凝土路面板开裂、破碎、错台等病害.泉州市相关政府部门于2017年6月进行了“白改黑”的升级改造,而加铺的沥青面层在使用初期便出现一些病害.这里以泉州市丰泽区通港西街为研究对象,对其开展路面使用功能的指标检测及病害分析.

2.1 路面平整度检测

路面平整度是评定路面使用质量、施工质量以及现有路面破坏程度的重要指标之一.路面平整度直接关系到行车安全性、舒适性以及营运经济性,并影响路面的使用寿命.目前路面平整度的检测设备分为断面类与反应类两大类.断面类检测设备是测定路面表面凸凹情况的一种仪器,如最常用的3 m直尺及连续式平整度仪,国际平整度指数便是以此为基准建立的,是平整度最基本指标.反应类检测设备是测定由于路面凹凸不平引起车辆颠簸的情况,这是驾驶员和乘客直接感受到的平整度指标,它实际上是舒适性能指标,最常用的检测手段是车载式颠簸累积仪.考虑被测道路长度不大,故采用国际通用的3 m直尺检测法,严格按照相关规范要求对本工程开展路面平整度检测,检测过程见图2.道路平整度实测结果汇总见表1和表2,为便于说明,这里将东北一侧(左幅)定义为黎明大学一侧,将西南一侧(右幅)定义为泉州市丰泽区第四中心小学一侧,下同.

图2 路面平整度检测过程

表1 通港西街(黎明大学一侧)沥青路面平整度测试结果

表2 通港西街(第四中心小学一侧)沥青路面平整度测试结果

道路平整度沿纵向的分布情况见图3.由图可知,黎明大学一侧路面平整度有4处超规范规定值(规范限值≤5 mm),其测点合格率为88 %,说明该侧路面在服役2年后其平整度出现了明显下降.而中心小学一侧路面仅有1处平整度超规范限值,其测点合格率为96 %,说明该侧路面的平整度在使用阶段保持了较高的水平.

图3 道路平整度沿道路纵向分布示意

由表1、表2可知,通港西街两侧路面平整度在使用2年后出现了超规范限值情况,但其超出幅度保持较低水平,大概2 mm左右，对市政道路交通的行车舒适性及安全性尚未构成影响.从平整度超规范限值测点的位置分布来看,大致位于学校门口及通港西街和云鹿路的十字交叉路口附近,其原因可能是该处通行车辆启停或刹车比较频繁,对沥青面层产生剪切作用较为明显.

2.2 路面渗水性检测

大气降水(雨、雪)通过路面孔隙或裂缝渗入沥青路面结构中会导致道路基层软化、沥青面层开裂、坑槽、松散等病害，在多雨地区应特别重视路面结构层的水稳定性和面层的透水性问题.而衡量路面透水性的重要指标就是路面渗水系数,渗水系数是指在规定的条件下,单位时间内渗入路面结构中水的体积.这里采用路面渗水仪严格按照检测规范对通港西街沥青路面的渗水系数进行检测,检测过程见图4,路面渗水参数沿纵向分布情况见图5.检测数据详见表3和表4.

图4 路面渗水系数检测过程

图5 路面渗水系数沿道路纵向分布情况

表3 通港西街(黎明大学一侧)沥青路面渗水系数检测结果

表4 通港西街(第四中心小学一侧)沥青路面渗水系数检测结果

从表3可得出，黎明大学一侧平均渗水系数为13.6，最大渗水系数67.3，标准差17.61，变异系数130 %，合格率100 %；从表4可得出第四吣小学一侧平均渗水系数为83.3，最大渗水系数147.3，标准差26.56，变异系数32 %，合格率92 %.

由图5可知,黎明大学一侧路面路面渗水系数平均值为13.6 mL/min,各测点的渗水系数均远低于规范限值120 mL/min,合格率为100 %,因此可以判定黎明大学一侧的沥青路面几乎不渗水.而中心小学一侧路面的平均渗水系数为83.3 mL/min,明显高出黎明大学一侧的路面实测值,且有一处渗水系数(147.3>120)超规范限值,合格率为92 %.从两侧路面的渗水系数总体测试结果来看,说明通港西街沥青面层在使用阶段仍保持较高的抗渗性,但道路两侧的渗水系数实测结果存在明显差异.在两侧路面施工质量一致的前提下,初步判定与沥青路面受到的日照条件有一定关系.由于受到绿化植物遮挡和太阳光斜射角度的影响,黎明大学一侧路面受到的全年总体日照时间略大于第四中心小学一侧的路面,路面保持干燥时间相对较长,可推断其沥青面层受到水损害影响相对较小,沥青对集料的包裹性和混合料的密实性保持在较高水平.

2.3 路面抗滑性检测

轮胎打滑极易导致车辆失控及刹车距离明显增长,因此路面具备较好的抗滑性对车辆行驶安全十分重要.目前衡量路面抗滑性指标有路面粗糙度(构造深度)和路表抗滑系数两种.路表抗滑系数常用的测定方法有摆式仪摆值测试法、横向力系数测试法等.横向力系数测试法比较适用于高速公路和一级公路等车速较高的路段,因此这里采用标准摆式仪严格按照相关检测规范要求进行测试.其检测过程见图6,路面摩擦系数沿纵向分布情况见图7.检测数据详见表5和表6.

图6 路面摩擦系数检测过程

图7 路面摩擦系数沿道路纵向分布情况

表5 通港西街(黎明大学一侧)沥青路面摩擦系数检测结果

表6 通港西街(第四中心小学一侧)沥青路面摩擦系数检测结果

由表5可以得出，黎明大学一侧沥青路面摩擦系数检测结果测点数13个，不合格点数(规定≥45)2个，平均值52.8，标准差6.7，变异系数12.7 %，合格率85 %；由表6可以得出第四中心小学侧沥青路面摩擦系数检测结果测点数13个，不合格点数(规定≥45)为0，平均值62.4，标准差7.86，变异系数12.6 %，合格率100 %.

由图7可知,黎明大学一侧路面路面摩擦系数平均值为52.8 BPN,有两处的摩擦系数略低于规范限值(42.0<45，41.6<45),合格率为85 %,说明该侧路面在服役2年后的总体抗滑性略有下降.而第四中心小学一侧路面的平均抗滑系数为62.4 BPN,合格率为100 %,说明该侧路面在使用2年后仍具备较高的抗滑性,且总体上略高于黎明大学一侧路面抗滑性.两侧路面抗滑系数检测结果的变异系数相当,说明其检测结果离散性相当.若两侧路面施工质量基本一致,当使用完一段时间后,路面摩擦系数的变化规律与路面渗水系数变化规律在一定程度上呈正比例关系.路面渗水系数越大,说明路面材料越不密实,其骨料间的空隙则越大,一定程度上表现为路面面层的构造深度越大,构造深度也是路面抗滑性指标之一,构造深度越大可导致其摩擦系数较大.然而过大的构造深度容易积水,在水和轮载共同作用下可能带来坑槽等病害.

3 实际工程路面早期病害与原因分析

3.1 沥青路面裂缝病害与原因分析

从路面外观调查结果看出,通港西街的沥青加铺层在通车2年后出现大小不一的纵横向裂缝(见图8)，这些纵横向裂缝间距较大且裂缝深度较深,大多数集中在交叉路口附近.从裂缝的形状和分布位置看,初步判定为反射裂缝,主要由于作为基层的旧水泥路面板在汽车荷载作用下变形开裂带动上部沥青加铺层开裂导致.

图8 交叉路口出现的纵横向裂缝

3.2 沥青路面坑槽病害与原因分析

通港西街沥青加铺层在服役2年左右出现了局部坑槽病害,如图9、图10所示.沥青加铺层出现坑槽的位置主要集中在公交停靠站、交叉路口和最右侧车道附近.最右侧车道为慢车道且多为重型车行驶车道.路口及公交车停靠站站附近车辆刹车和频繁启停对路面产生的作用效应较为明显.由此可初步判断其加铺沥青层坑槽产生的原因为重载车辆的碾压作用及汽车频繁刹车启停带来的剪切作用.同时由于路面横坡及平整度超标导致最右侧车道积水概率增大(包括雨水、绿化洒水),使其更易受到汽车轮载和水损害的综合作用,加剧其坑槽病害的产生.

图9 位于最右侧车道及公交停靠站附近的坑槽

图10 位于交叉路口附近的坑槽

4 加铺层沥青路面病害防治措施

4.1 优化结构设计

在旧水泥路面进行“白改黑”的改造设计之前,设计单位应对旧路进行承载力和功能性评价,准确掌握旧路的运行状况,为后期的加铺层结构设计提供更准确的基础资料.对通港西街“白改黑”项目运营2年后的检测结果来看,市政道路中的沥青加铺层遭受的破坏从力学角度上可大致归纳为剪切性破坏或疲劳性破坏.因此，在结构设计中应注重沥青加铺层的抗剪强度设计,在不超预算前提下优先选用骨架稳定密实型的改性沥青混凝土(如SMA混合料).在交叉口、公交停靠站、重载车道、大纵坡路段,加铺层混合料中建议添加抗剥落剂.设计中应考虑在结构层中增设应力吸收层以减少反射裂缝的产生,可采用沥青基防水粘结应力吸收层,既能吸收旧水泥路面板裂缝扩展产生的应力，又能防止地表水经沥青层下渗到旧水泥路面[7].同时做好路表排水设施设计，以减少积水对加铺层的水损害.

4.2 严控施工工艺

在进行“白改黑”升级改造施工前,应对旧水泥路面进行铣刨、刻槽、抛丸、撒布粘层油等处理,提高加铺层与旧路面的粘结力,并确保摊铺施工前旧水泥路面处于洁净、干燥状态.施工单位应对旧水泥路面存在的脱空、错台、破碎板等病害处治到位,减少其在重载交通下带来的反射裂缝.加强对沥青混合料施工配合比的控制，采用标准化、规范化的设备生产符合质量要求的集料尤为重要(建议采用碱性集料).加强沥青混合料在拌和、运输、摊铺过程中的温度控制，并采取防离析的技术措施.合理部署施工现场，使沥青混合料在规定温度下尽快完成初压、复压、终压.加强沥青混合料施工过程的质量动态控制,注重施工过程的监督管理,避免操作不当及违规操作等情况,发现不合格的坚决返工处理,不留隐患.

4.3 加强路面养护

保持沥青路面良好的使用性能离不开强有力的养护维修保障.路面养护维修是道路建设的延续,在路面还处于良好状态下进行预防性养护尤为重要.预防性养护作为一种周期性的强制保养措施,并不考虑路面是否已经有病害,而当路面刚好出现病害先兆时对路面进行养护比发生较大病害后再处理更省钱省力[5].加强对路面排水系统的检查维护,及时清理市政道路雨水篦、排水沟、路肩等处的堆积物(如落叶、生活垃圾等),确保路面排水通畅,减少沥青路面积水产生的水损坏.市政交通主管部门应加强对超载车辆的管控,减少超载车辆对路面造成的损坏.

5 结语

以福建泉州丰泽区通港西街“白改黑”升级改造工程为研究对象,对其早期运营的路面使用指标及外观进行检测与分析,得出以下结论:

(1)用3 m直尺法测得左右幅路面平整度合格率分别为88 %,96 %,有5个测点超出规范限值(超出约2 mm),路面平整性良好.

(2)采用渗水仪法测得左右幅路面渗水系数合格率分别为100 %，92 %.有1个测点略超规范限值,左幅路面渗水系数平均值为13.6 mL/min,说明该路面仍保持较高的抗渗性.

(3)采用摆式仪法测得左右幅路面摩擦系数合格率分别为85 %，100 %,有2个测点摩擦系数比规范限值略小一些,说明该路面仍具备较高的抗滑性.

(4)该工程的沥青加铺层早期病害主要为反射裂缝及坑槽,主要原因有路面抗剪强度不足、水损坏、重载交通等.

市政道路“白改黑”升级改造项目正在不断推进,而沥青加铺层的病害却在短期内显现.本文从沥青加铺层的结构设计、施工工艺及路面养护3个角度提出几点建议,旨在为工程相关技术人员提供参考.