湿热地区白加黑路面典型病害特征及机理研究

揭继兴, 曲大海, 刘嘉俊

(1.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司, 广州 510641; 2.广东省南粤交通英怀高速公路管理处, 广东 肇庆 526400)

自20世纪90年代以来,广东省修建了超过60 000 km的水泥混凝土路面,有力地支撑区域间人员物资的流通输送。然而,经济社会的快速发展使得区域道路交通量与车辆轴载逐年急剧提升,早期建设的水泥混凝土路逐渐因表面破损严重或结构破坏而丧失服务功能。目前,旧水泥混凝土路面的功能性修复主要采取“清除重铺”“白加白(加铺水泥混凝土层)”“白加黑(加铺沥青混凝土层)”三种方式。其中,白加黑路面改造方案充分利用原路面的残余强度、工程造价较低、对交通影响周期短、承载力强、行驶舒适度好、摩阻系数更高、产生建筑废物少[1],因而在以广州、深圳、佛山为代表的广东地区得到了较为广泛的尝试和研究,取得了一定的实践经验。

欧美国家对白加黑路面研究开始时间较早,技术较为成熟。近年来我国在该领域研究成果也逐渐增多,但主要集中在“旧水泥混凝土路面状况评估”“反射裂缝预防”“白加黑路面结构设计”“加铺层混合料设计”等方面,而对于“白加黑路面病害发育机理及处治措施”的研究尚不完善。随着服役时间的增长,白加黑路面逐渐产生裂缝、坑槽、松散、脱空等病害,且通常养护维修效果较差[2],尤其在广东持续高温、潮湿多雨气候环境条件下,交通量大、重载车多的路段罩面层病害程度更为严重,行业亟须结合路用环境对白加黑路面病害发育机理与特征进行针对性分析,并提出适用性更加良好的病害处治措施,以指导白加黑路面运营维护。

本文依托茂湛高速改扩建项目实地开展研究工作,通过新型无损检测手段采集白加黑路段的路表及路面结构内部病害数据,统计湿热重载交通环境下白加黑路面病害分布特征,分析病害发育机理,并提出白加黑路面状况的评价指标以及病害处治措施,研究成果可为类似白加黑项目养护与处治提供参考借鉴。

1 工程概况

依托项目“沈阳至海口国家高速公路茂名至湛江段”为国高网G15沈阳至海口高速公路的重要段落,路线自茂名市观珠延伸至湛江市高阳,总里程为108.6 km,其中沥青路面约为26.7 km,白加黑路面约为81.9 km,原水泥路面中,坡心至官渡段(约为63.9 km)于2000年12月建成通车,官渡至源水段(约为18 km)在1999年11月完成建设。

项目原水泥路面结构为18 cm厚水稳下基层(水稳石屑)+18 cm厚水稳上基层(水稳碎石)+25 cm 厚C40混凝土面板,于2015年维修后加铺 5～6 cm厚改性沥青GAC-16,而后主要采用裂缝维修、坑槽修补、局部铣刨重补等维养措施,全线路面结构及养护历史如图1所示。项目拟开展改扩建工程拓宽至8车道,以满足沿线日益剧增的通行需求。为对旧白加黑路面改扩建提供设计依据以及技术保障,项目开展白加黑路面典型病害特征及机理研究。

图1 茂湛高速养护历史情况

图2 探地雷达数据处理病害分布

图3 探地雷达网裂病害识别与开挖验证

2 路面状况评定与病害分布调查

截至目前,白加黑路面没有明确的病害检测与评估规范,通常参考旧水泥路面检测方法,采用多功能检测车与人工调查结合的检测手段,测试平整度、破损系数等常规指标表征其路用性能。但白加黑路面加铺了沥青混凝土,遮盖了部分水泥板的破损病害,同时,柔性的沥青混凝土加铺层弱化了水泥板之间的弯沉差异,影响接缝传荷系数的检测准确度,故该检测方法存在较大局限,检测结果并不足以表征白加黑路面路用性能[3]。

因此,在采用传统检测手段基础上,结合三维探地雷达测试路面结构内部脱空、贯穿裂缝等病害情况,采用车载式FWD测试行车道承载力衰减情况,以此对白加黑路段路面现状开展综合评估。

2.1 路表病害情况

调查茂湛高速白加黑路段路面破损、车辙等病害,统计分析各类型病害,根据《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)将病害长度统计转换为病害面积,汇总分析如表1所示。经计算,下行车道路面破损等级PCI优良率超车道为100%,下行行车道PCI优良率达97.06%,上行行车道PCI优良率达96.53%、上行超车道路面PCI优良率达97.62%,车辙病害仅上行行车道有3处轻微车辙,仅从以上指标来看,白加黑路面加自2015年加铺沥青层至今功能状况良好。

表1 不同车道各类病害面积统计

2.2 路面内部病害情况

2.2.1 路面结构承载能力衰减情况

对白加黑路面路段上下行车道分别选取两段长度为1 km的病害相对密集路段,采用落锤式弯沉仪对路段行车道、硬路肩进行动态弯沉测试,计算动态弯沉差值,反算结构模量,对比分析路面结构承载能力衰减情况。测试结果如表2所示,行车道相对于硬路肩弯沉代表值更高、整体模量更低,结构承载能力略有衰减,但并不显著;两车道间弯沉差较小(<6(0.01 mm)),可认为接缝传荷性能良好[4]。

表2 行车道与硬路肩弯沉、模量测试分析结果

2.2.2 路面结构内部病害

分别选取道路上、下行路面病害较多的典型白加黑路面段共7.5 km,采用探地雷达分别检测超车道、主车道结构内部病害,结果汇总检测数据如表3所示。经分析,白加黑路面裂缝主要以分布在沥青加铺层中的反射裂缝为主,行车道裂缝、脱空病害面积显著较超车道严重,证明路面重车荷载加剧了路面裂缝、脱空等病害的形成及发育[5-6]。

表3 白加黑路面结构内部病害情况

表4 湿热重载地区白加黑路面病害处治推荐方案

2.3 路面检测结果分析

根据路面破损情况检测,白加黑路面路表病害占比较大的依次是横向裂缝、纵向裂缝、龟裂、坑槽、网裂、松散、车辙,占比分别为82.83%、15.97%、0.83%、0.25%、0.08%、0.02%和0.01%,上下行病害分布情况相当,路段PCI均值为92.6,评估等级为“优”,损坏情况较轻。仅从路况调查数据分析,沥青加铺层的破损状况较轻。

根据路面结构承载力分析,白加黑路面沥青加铺层的行车道与硬路肩弯沉差较小,接缝传荷能力好,行车道各结构层动态模量整体上略低于硬路肩,行车道相对于硬路肩结构承载能力略有衰减,但并不明显;此外,路面病害较密集路段水泥混凝土面层动态模量小于病害较少路段,说明病害对水泥混凝土面层结构强度产生了一定衰减影响。

根据路面结构内部病害检测,白加黑路面内部病害以裂缝、水泥面板脱空为主;沥青加铺层内部病害多为对应水泥板接缝、裂缝等处发育的反射裂缝,旧水泥面层、基层多以相互对应的贯穿裂缝为主;行车道裂缝、脱空等病害显著较超车道密集。

结合白加黑路面路表破损、车辙、弯沉、贯穿裂缝、脱空等情况,由于白加黑路面沥青加铺层应用年限远小于水泥板的使用年限,在长期的车辆荷载作用下,水稳基层与水泥混凝土板不可避免出现破碎、断裂、脱空、沉陷等病害,而相当部分病害短时间内未能反映到沥青加铺层,导致路面破损状况指标仍呈现为优良,但加铺层下隐藏的病害在雨水、车载等因素作用下进一步发育,继而引起路面的结构性破坏。

3 典型病害特征与形成机理分析

研究对茂湛高速白加黑路面路表及内部结构病害情况开展检测分析,根据破损调查、雷达扫描数据分析结果,白加黑路面旧水泥面板病害主要包括裂缝及其所发育形成的各类结构病害;沥青加铺层病害以反射裂缝为主,其次是松散、坑槽病害,下对各类病害特征与形成机理做具体分析。

3.1 旧水泥路面病害分析

白加黑路面旧水泥板病害主要包括裂缝、脱空病害,另有少量破碎(断板)、沉陷、唧浆等病害,行车道的病害频率显著高于硬路肩,说明病害形成与交通轴载作用关系密切。结合雷达扫描所确定上下层中病害位置的对应关系特征,分析其病害生成与发育机理与常规水泥路面类似,分为下述几个方面。

水泥路面板由于自身材料特性,在3个月龄期内强度形成过程中,材料失水产生干缩现象,在混凝土与路面整体互锁的约束下,材料本身的拉伸弹性应变、蠕变应变和自由收缩应变逐渐积累后释放,导致收缩裂缝的形成。

水泥面板还受到长期气温变化影响。材料自身具有热缩冷胀特性,但面板内外温度升降速度不一,因缩胀幅度不均而产生应力,水泥面板温度应力积累曲线如图4所示。同时,沥青加铺层与基层也随温度变化发生缩胀,二者与水泥板紧密黏结形成约束关系,但材料对温度变化的敏感性存在差异,产生不同程度缩胀反应,也因此产生应力[7]。随着时间的推移,应力累积至大于混凝土路面的抗拉强度,使其在薄弱点处开裂,裂缝尖端承受应力导致裂缝生长,最终形成穿透表层的裂缝[8]。

图4 温度应力积累曲线

水泥面板产生微小裂缝后,在车辆载荷的进一步作用下断裂,最终破碎成小块混凝土。而在湿热地区,道路会受到雨水的长期侵蚀,雨水渗入微小裂缝、灌缝材料等防水措施失效的接缝、路肩等部位到达内部,在轴载影响下循环冲刷,导致结构层间产生空隙、路基细集料流失、形成软基等,继而发育为脱空、沉陷、唧浆病害(图5)。

图5 白加黑路面水泥面板内部裂缝发育

3.2 沥青加铺层病害分析

白加黑路面沥青加铺层主要病害包括横向裂缝、纵向裂缝、松散、坑槽病害,其中横向裂缝、纵向裂缝占比较高,松散、坑槽等占比较低。结合病害调查情况、雷达扫描分析,发现沥青加铺层裂缝位置与水泥面板接缝或贯通裂缝位置多为对应,分析为反射裂缝,按其成因有剪切开裂、张拉开裂两种[9]。

剪切开裂往往表现为纵向裂缝,当车辆轮载于相邻两块水泥面板或纵向裂缝两侧时形成偏载作用,产生的弯沉差或高差导致约束于面板上的沥青加铺层受到剪切力,从而自底部产生微裂纹,长期作用下向上扩展为该贯通裂缝,其裂缝发育机理如图6(a)所示。

沥青加铺层的张拉开裂大致可分为三种类型。第一种是荷载作用下的张拉开裂,荷载作用在旧路面接缝或裂缝处的上方时,于加铺层底部产生拉应力形成微裂缝,在荷载反复加载下发生应力集中,使裂缝迅速向上扩展;第二种是旧水泥板的收缩导致,旧水泥板在温度荷载的影响下反复缩胀,使得与其互相约束的加铺层受到拉应力,最终导致张拉开裂[10],其裂缝发育机理如图6(b)所示;第三种材料性能差异导致,不同材料的膨胀系数和温度传递速度不均,导致加铺层与水泥面板受温度影响产生的缩胀幅度不一致,相互之间又因黏结力而约束,水泥板因此发生翘曲,引起加铺层张拉开裂[11],其裂缝发育机理如图6(c)所示。

对沥青加铺层的松散病害进行分析,其下部水泥路面往往未产生明显关联病害,病害主要特征为集料间黏结力丧失。结合施工资料分析,病害位置多为施工薄弱点,由碾压压实度不足、碾压温度设计不匹配或控制不准确、未处理好界面积水等原因导致[12]。

对沥青加铺层的坑槽病害进行分析,结合不同发育阶段的病害特征,坑槽病害往往伴生在反射裂缝处。裂缝在交通轴载、温度的耦合作用下,逐渐延伸为网裂,加速渗入雨水的侵蚀作用,在车辆轴载的作用下反复冲刷,沥青加铺层与水泥面板黏结界面逐渐失效,从而脱落形成坑槽。

4 白加黑路面病害处治方案——基于广东省高温、潮湿、重载交通环境条件

茂湛高速白加黑路段路线区属亚热带海洋性季风气候区,以及Ⅳ7华南沿海台风区,地处北回归线南侧,特征为春天湿冷,夏长炎热,秋冬较暖,年平均气温23.3 ℃,年降雨量为1 942～2 300 mm,约80%集中在5～9月的雨季。茂湛高速沿线交通量大,重车比例高。根据调研,预计2025年该路段平均日交通量将达到41 308pcu/日,属特重交通荷载等级。

根据探地雷达扫描结果分析,即使白加黑路面PCI等级判定为优良,其路面结构内部仍可能存在潜在病害迅速发育。因此,按照PCI指标不能准确反映病害的严重程度及类型特征,使用该指标决策制定病害处治方案的效果往往不够理想[13]。白加黑路面以反射裂缝为主要病害,横向反射裂缝病害面积占比超过80%,因此采用与横向裂缝相关的指标来评价路面状况更为恰当,故引入横向裂缝反射率为控制指标评价白加黑路面病害的严重程度并制定病害处治方案[14]。白加黑路面横向裂缝反射率计算公式为

式中:DL为白加黑路面横向裂缝反射率(%);n为评价单元内横缝的条数;N为评价单元内水泥面板接缝的数量。

根据项目所在地区高温、潮湿、重载的交通环境条件,结合横向裂缝反射率指标,参考“深汕西”“机荷”等近年开展的相似条件改扩建高速公路项目,针对不同白加黑路面典型病害的处治措施及效果进行调研,给出如下推荐处治措施。根据交验评定,处治后的路面承载能力均远高于规范要求,改善效果显著,可为相关项目提供参考。

5 结论

白加黑路面路表典型病害包括横向裂缝、纵向裂缝、龟裂、坑槽、网裂、松散和车辙等,在茂湛项目占比分别为82.83%、15.97%、0.83%、0.25%、0.08%、0.02%和0.01%,内部病害以反射裂缝为主,水泥面板脱空情况较为普遍,长期运营荷载下路面结构承载力略有衰减。

沥青加铺层应用年限远小于水泥板,下部病害未能及时反映到沥青加铺层,导致路面破损状况指标虽呈现为优良,但加铺层下潜在的病害仍迅速发育。

分析白加黑路面典型病害特征与形成机理,旧水泥面板裂缝由于材料失水干缩、温度应力累积而形成内部裂缝,并进一步发育形成各类结构病害。沥青加铺层主要病害为反射裂缝,发生位置多对应于水泥面板接缝或贯通裂缝;松散病害往往由施工因素造成;坑槽病害往往由基础病害在渗水与温度耦合作用下发育形成。

根据广东省湿热与重载的环境条件,采取横向裂缝反射率可契合反映病害的严重程度,针对不同病害的处治措施及效果进行调研,按照严重程度分别推荐了处治措施。