城市道路沥青路面病害成因分析及修复方法

□□ 孙俊洲

(北京市政投资有限公司,北京 100032)

引言

在城市现代化建设进程中,城市交通量逐年增长,重大型车辆数量不断增加,交通超限问题日益严重,加之环境、结构设计等诸多因素影响,我国城市道路沥青路面出现各种病害,对道路正常运营造成了较大的不利影响。研究城市道路沥青路面病害成因与修复方法,可以为路面病害处理提供理论支持,确保道路沥青路面使用品质。但是,当前关于城市道路沥青路面病害与修复的研究不全面,仅考虑沥青路面养护工作理论,未考虑不同城市道路沥青路面运行环境,无法为实践作业提供具体参考。因此,探究城市道路沥青路面病害成因及修复方法具有非常重要的现实意义。

1 城市道路沥青路面概述

某城市道路起止桩号为K6+700-K11+200,路线全长为4.5 km。道路按照城市主干路标准建设(双向六车道),设计速度为60 km·h-1。道路路面采用沥青路面,路面总厚度为12 cm,包括AC-13C细粒式沥青混凝土上面层(4 cm)和AC-25C粗粒式沥青混凝土下面层(8 cm)。

道路所在地为构造剥蚀残丘隆岗地貌区和河谷冲积平原地貌区。道路所在区域为亚热带季风气候,月最高降雨量达1 000 mm,年最低温度为-4.4 ℃,年最高温度为36 ℃。道路所在地区地震动反应谱特征周期为0.35 s,抗震设防烈度等级为6度。

2 城市道路沥青路面病害调查

2.1 调查方法

根据城市道路基本情况,以JTG 5210—2018《公路技术状况评定标准》为路面病害综合评价依据,调查道路沥青路面破损情况、结构形式、行驶质量以及整体强度。按照标准将沥青路面病害划分为裂缝类、松散类和变形类等,每种病害具有一些子类型。其中裂缝类病害的子类型为纵向裂缝、横向裂缝和龟裂;松散类病害的子类型为松散、坑槽、脱皮和麻面;变形类病害的子类型为车辙、沉陷、拥包和搓板。

2.2 调查结果

经调查得出城市道路沥青路面病害综合评价结果见表1。

表1 城市道路沥青路面病害综合评价结果

由表1可知,病害主要为裂缝、松散和变形三种类别,出现概率较高的病害为裂缝和坑槽,危害面积较大的病害为车辙。

3 城市道路沥青路面病害成因分析

3.1 交通超限

根据城市道路管理部门相关数据统计诊断标准汽车数量,2019年到2022年的交通量(仅考虑机动车)见表2。

表2 2019年到2022年的交通量

由表2可知,城市道路车流量显著增加,大型货车增加幅度明显,表明近几年城市大型车辆逐渐增多,对沥青路面造成了极大压力,造成了沥青路面裂缝和松散病害。如在重型车辆反复作用下,道路沥青路面底部面临的拉应力程度不一,在结构层产生瞬时拉应力超出道路结构设计极限抗拉强度后,结构层发生疲劳破坏,进而由底部向基层扩展,表现为微裂缝[1]。

重型车辆行驶在沥青路面时,车辆后轮对路面底部产生较大附加力,导致坑槽病害直接生成。在后期养护不及时情况下,坑槽会迅速发展成沉陷病害。部分大纵坡路段因车辆频繁制动而出现沥青面层与基层分离,不同面层之间出现脱皮。

在沥青路面运营期间,车辆荷载与大气环境共同作用,导致路面细小嵌缝料散失,伴随表面孔隙率增加和水分下渗问题,沥青与集料之间粘结力持续下降,形成大面积麻面。同时在重型车辆车轮持续作用下,轮迹位置沥青料被再次压密,导致相应位置沥青料体积减小并伴随侧向移动,受载位置持续压缩,表现为马鞍形车辙。

3.2 环境恶劣

城市道路沥青路面所处环境为亚热带季风气候,夏季炎热、冬季寒冷,2021年度天气情况见表3。夏季高温下,沥青料在荷载作用下流动和富集,引发结构骨架失稳,表现为失稳型车辙;冬季低温下,若温度应力超出沥青料极限强度,沥青路面易产生低温收缩裂缝,并在雨水进入基层后进一步软化,承载力进一步下降,出现龟裂问题。同时在当地环境温度上升或下降交替变化过程中,路面材料易产生温度疲劳,在温度疲劳持续累积下路面会产生细微裂缝,并随温度长期变化向下穿透,造成龟裂、结构松散和麻面等问题。

表3 城市道路沥青路面所处环境天气情况

由表3可知,城市道路所在地最高月降雨量达1 000 mm,沥青路面长时间被雨水浸泡,部分雨水会透过路面孔隙较大位置进入结构层,在沥青与集料粘结位置形成水膜,破坏粘结界面,导致沥青由集料表面剥落,整体处于松散状态,随后在车辆荷载下形成坑槽[2]。

3.3 施工不当

在城市道路沥青路面结构施工期间,材料选取与设计要求存在偏差,从而导致沥青料提前老化,与基层结合不均,进而在交通荷载作用下出现裂缝,特别是在道路沥青路面基层施工时细集料含量超出设计要求,基层表面1～2 cm极易在雨水冲刷下发生软化,造成对沥青面层支撑不均,引发横向裂缝;在面层沥青用量过多、级配不佳导致细集料集中时,还会造成拥包病害。在城市道路面层、基层之间存在不稳定夹层,面层极易在行车荷载下推移变形,进而形成波浪搓板病害[3]。

4 城市道路沥青路面病害修复方法

4.1 裂缝修复

4.1.1灌缝修复横纵缝

对于宽度<2 mm的裂缝,可以不做修复[4]。对于宽度>2 mm但<5 mm的细裂缝,需要依据工作性能优良、力学性能高、耐久性强、收缩变形能力强、经济环保、凝结时间短、界面粘结性能好和弯拉强度高的标准,选择恰当修补材料。一般利用改性乳化沥青、灌缝胶、HR和ERA-C路面再生剂灌缝。

在灌缝前期,摆放施工标志,局部封闭交通。在封闭交通情况下,标示待施工裂缝并登记桩号,利用米尺丈量长度,预先核算修复用材料量[5]。确定修复材料量后,根据标示裂缝位置宽度和深度,依据宽深比为1∶2进行开槽。对准裂缝中线,进行均匀U型槽开割。完成开槽后,借助吹风机将沥青道路裂缝内部破碎颗粒、垃圾、灰尘、松动沥青块和积水清除,连续处理2次。处理完毕,利用液压气罐外接喷火枪加热凹槽温度到80 ℃,加热后借助灌缝机将适量SBS乳化沥青(或路面灌缝胶)灌入裂缝内,灌缝料高度超出路面(2.5±0.5)mm,灌缝期间持续加热沥青至170 ℃,确保沥青料与裂缝面密切结合。若缺乏热灌缝条件,可以直接借助压力灌缝机直接将HR和ERA-C路面再生剂灌入缝内,灌缝后表面撒入石屑(或粗砂),表面撒料厚度为(4±1)mm。修复后检测效果见表4。由表4可知,后期检测灌缝效果良好,表明上述道路沥青路面纵横裂缝病害处理方法应用较好。

表4 道路沥青路面纵横裂缝病害修复前后检测

4.1.2稀浆封层修复龟裂

对于轻度块状龟裂病害,可以先铲除面层(含软弱层、不稳定结构层),再加设排水设施,向道路外部排放路面内部渗透水;再依据热沥青透层、热沥青预拌碎石下封层、中粒式沥青混凝土的顺序加铺新料;最后利用乳化沥青稀浆封层,如见图1所示。封层厚度为(4.5±1.5)mm,封层沥青用量为1.2～1.5 kg·m-2,改善路面外观,减少裂缝问题的重复出现。

图1 中粒式沥青混凝土摊铺

对于严重龟裂病害,铣刨面层、下基层和上基层,挖补尺寸超出4 m×6 m位置并回填2层水泥稳定碎石基层,回填厚度为18 cm。回填后进行AC-25C粗粒式沥青混凝土的填充。回填料需要根据前期设计下面层配合比,先借助导热油将沥青料加热到160～170 ℃,再加热矿料温度至170～180 ℃,最终拌和料温度在150～165 ℃之间。在沥青料温度为130～165 ℃时,借助2台ABG大型摊铺机进行并行摊铺。在沥青料温度处于120～140 ℃时,借助2台BW202AD-2双钢轮压路机依据1.5～2.0 km·h-1的速度进行初次静压;借助20 t以上胶轮压路机,以3.0 km·h-1的速度进行二次振动碾压;三次静压需再次利用双钢轮压路机,碾压车辆行驶速度为3.0 km·h-1,借助碾压终了温度>70 ℃[6]。已完成大修的道路沥青面层进行渗水试验,AC-25C粗粒式沥青混凝土渗水系数<30 mL·min-1。后期检测结果见表5。由表5可知,龟裂病害处理效果良好。

表5 龟裂病害修复后期检测结果

4.2 松散修复

4.2.1悬砂料修补麻面

悬砂料是一种新的沥青路面修补材料,较之稀浆封层工艺更为便捷,且耐久性佳。在悬砂料应用于路面修补时,需要按照质量份数将100～150份水、100份沥青、30～50份黏土(CaCO3质量分数>1.5%)、10～15份丙烯酸树脂、5～8份乳化剂(慢裂型酰胺类阴离子沥青乳化剂)均匀混合。施工时,先将部分水加热到90～95 ℃,并与乳化剂混合为乳化液,再将乳化液与黏土混合为泥浆型乳化皂液,最后将泥浆型乳化皂液与加热沥青(130～150 ℃)、丙烯酸树脂、剩余水混合得到修补料。进而按照质量份数将100份修补料、100份细砂(0.850 mm,20目)、8份水混合,获得悬砂料。悬砂料制备完毕,将沥青路面麻面病害位置积水、杂物清除,在病害周边5 cm范围内摊铺悬砂料,形成完整度较高的沥青路面结构,避免麻面病害进一步恶化影响行车安全。

4.2.2冷拌沥青修补坑槽脱皮

对于沥青路面出现的坑槽和脱皮病害,先确定坑槽破损位置与程度,再选择恰当的修补材料。因道路所在地雨水量较大,不宜选择需借助加热板加热修补区域的热拌沥青混合料修补方法,可选择冷拌沥青修补方法,将适宜级配矿质混合料、乳化沥青在常温下搅拌均匀,满足高温高湿下路面松散病害修复要求[7]。施工前,需要将待修补坑槽内部及周边的碎石、废渣清理干净,确定坑槽内无冰块和泥浆等杂物,铣刨深度≥3 cm(见固体坚固面)且边缘整齐。处理完毕,直接将沥青混合料填入坑槽内,分层填补,填料超出路面2 cm左右。借助人力夯(或冲击夯、平板夯)逐层压实,压实后修补区域高度超出沥青路面0.5 cm,且坑槽中央位置稍微超出周边,在12 h形成初期稳定强度后开放交通。紧急抢修情况下,可以人工借助铁锹拍打填料或者借助运料车的车轮多次碾压,加速填料稳定。

4.3 变形修复

4.3.1就地热再生修复车辙及拥包

针对车辙、拥包和搓板等变形病害,可以选择就地热再生修复技术。在就地热再生技术支持下,加热原有道路沥青料,并加入再生剂与新热拌沥青充分拌和,拌和后就地摊铺、碾压,一次性完成罩面修复,满足大流量、密集度高的城市主干道修复要求[8]。施工时,在沥青路面施工段标注方格网(横2 m×纵4 m),每个方格内均匀摊铺。摊铺碾压参数参照DB42/T 1477—2018《城镇沥青路面就地热再生技术规程》,后期检测车辙及拥包、沉陷病害处理结果见表6。由表6可知,车辙及拥包病害修复效果良好。

表6 车辙及拥包、沉陷病害处理检测

4.3.2铣刨再铺修复沉陷

对于明显沉陷且伴随若干细小裂缝路面,借助W2000型铣刨机(含拉线式高差传感器、数字式水准控制仪)铣刨裂缝两侧影响范围内8 cm,并利用吹风机清除灰尘、颗粒和积水[9]。确定铣刨位置干燥后,首先,借助沥青洒布车连续、均匀喷洒一层热沥青透层,喷洒设备喷嘴与撒油管夹角为15～25°,避免透层沥青在基层表面流淌,等待透层成型。

其次,清理基面并借助沥青洒布车喷洒粘层阴离子乳化沥青(用量为0.3～0.5 L·m-2)。随后借助沥青洒布车依据1.2～1.5 kg·m-2的用量铺设热沥青预拌碎石封层,借助6～8 t压路机,稳压碾压1～2遍。

最后,将热沥青均匀涂抹铣刨坑槽内壁,最后回填AC-25C粗粒式沥青混凝土(回填料拌和见4.1.2),回填厚度为8 cm。由表6可知,后期检测沉陷病害处理效果达标[10]。

5 结语

综上所述,裂缝、松散和变形是城市道路沥青路面常见病害类型,与城市道路沥青路面超载、恶劣环境和施工不当具有较大关系。根据路面病害类型,可以选择不同的修复方法。对于裂缝病害,可以根据裂缝宽度选择灌缝和稀浆封层修补等方式;对于松散病害,可以选择冷拌沥青等;对于变形病害,可以选择铣刨再铺和就地热再生等。在选择恰当修复方法的基础上,还应着重控制修复材料选择和修复工具应用等环节,确保城市道路沥青路面病害修复效果。