严寒地区沥青路面病害防治措施研究

魏志远

（新疆生产建设兵团第九师交通运输事业发展中心,新疆 塔城 834601）

0 引言

沥青混合料的路用性能较好，在我国公路项目建设中应用较广泛。但是，沥青路面可能因材料性能不合格、施工工艺差、交通量增加、养护不及时等运营而产生各种病害，影响行车安全性和舒适度，甚至会造成严重的交通事故。尤其是在严寒地区，因温度较低、昼夜温差大等，会导致沥青路面施工难度加大，受力机理更加复杂，交通事故频发[1]。因此，进一步研究严寒地区沥青路面病害成因和防治措施具有重要的意义。

1 工程概况

1.1 建设标准

研究对象为某严寒地区二级公路，探讨其沥青路面病害成因及防治措施。该二级公路路线全长38.5 km，建设标准为双车道，路基宽12 m，以填方路基为主（平均填高约5.0 m），一级、二级、三级边坡坡率分别为1 ∶1.5、1 ∶1.75、1 ∶2.0。当边坡高度＜4 m 时，采用植草防护；反之，采用拱形骨架或空心六棱块防护。同时，沥青路面结构层厚68 cm，路面结构组合为3 cm AC-13+5 cm AC-16+1 cm 碎石下封层+25 cm 水泥稳定砾石基层+30 cm级配砾石底基层。

1.2 气候气象

项目所在区域的气温较低，年平均气温约-6.8～6.5 ℃，每年有4~5 个月冻结期，沿线分布大量冻土，对沥青路面结构性能影响较大。按地温不同，可将公路沿线的冻土划分为稳定多年的冻土区、亚稳定多年冻土区、不稳定多年冻土区、极不稳定多年冻土区。在同一地貌单元中，不同区域的含冰量也不相同，山岭区含冰量最高，河谷平原区含冰量最低。同时，阴坡含冰量明显大于阳坡。

2 严寒地区沥青路面病害类型和成因

2.1 沥青路面病害类型

经过现场调查，发现该二级公路的沥青路面病害以纵向裂缝、横向裂缝、网裂、车辙、沉陷等病害为主，具体比例见图1。

图1 不同沥青路面病害占比

由图1 可知：严寒区沥青路面病害以横向裂缝为主（46.5%）、纵向裂缝次之（28.8%），车辙病害最小（5.0%）。其他路面病害占比过小，该文分析时暂不考虑。

（1）路面裂缝病害。横向裂缝大部分为贯穿裂缝，即在左、右两幅路面贯通，裂缝宽度在1.0~2.5 cm。而非贯穿裂缝的宽度较小，基本在0.2~1.0 cm。横向裂缝的发育程度与路面养护情况密切相关，如果横向裂缝出现后没有及时灌缝处理，容易发育成贯穿性裂缝。纵向裂缝直接受路基变形、边坡损毁等影响，常出现在高填方路基区域。纵裂裂缝的宽度要明显大于横向裂缝，宽度大多在3.0~6.5 cm。纵向裂缝一旦出现，会快速发展，一般的灌缝措施对纵向裂缝的控制效果有限；网裂是严寒地区沥青路面的典型病害，常伴随有横向裂缝，但裂缝较细，网裂面积约10~25 m2。

（2）路面沉陷病害。严寒地区的沥青路面沉陷具有突发性、蔓延性等特点，对行车安全性和舒适性影响较大。经调查，低路基出现重度沉陷的比例远大于高路基。出现在低路基路段的重度沉陷，大多在高含冰量地区，主要原因在于：路基高度较低时，路面热量会向下传递[2]。由于路面热量不均匀，在相同外界荷载作用下路基底部沉降也不均匀，从而导致路面沉陷。

（3）路面车辙病害。车辙是指公路沥青路面在车辆荷载反复作用下所出现的凹、凸变形，包括结构性车辙、失稳性车辙、磨损性车辙三类。根据统计数据，沥青路面车辙病害大多发生在纵坡、路侧积水、车辆频繁启动制动的等路段，且大部分车辙属于失稳性车辙。

2.2 沥青路面病害成因

（1）材料原因。沥青混合料原材料是影响沥青路面病害的基础因素，恶劣的外界环境会使沥青路面的性能衰减。比如在严寒地区，半刚性基层材料无法快速形成高强度板体，无法有效承担车辆荷载。半刚性基层的干缩、温缩现象明显，收缩裂缝会向上传递，产生大量的反射裂缝；再比如沥青延度减小、脆性增大，使得低温抗裂性能变差，在相同车辆荷载下容易产生裂缝。根据相关研究成果，严寒区沥青路面的材料性能可用式（1）表达[3]：

式中，τ——材料所受剪应力（kPa）；σ——材料所受正应力（kPa）；c——沥青混合料黏聚力（kPa）；φ——沥青混合料内摩擦角（°）。

（2）施工工艺原因。相对于一般地区，严寒地区的公路施工工期短、施工温度低，且昼夜温差较大，很难完全按照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中的施工工艺施工。大量工程实践表明，严寒地区沥青路面的最佳施工时间为每年的5—9 月，不利于路面的连续铺筑，导致路面路用性能差。

（3）交通荷载原因。一般情况下，严寒地区的经济发展较慢。由于投资金额的限制，前期的公路建设质量较差，比如路面结构层厚度小、沥青混合料性能指标差、排水设施少等。随着经济的发展，公路沿线交通量迅速增加，尤其是超载车辆的占比越来越高。当交通累计作用轴次超出沥青路面的设计承载能力，路面结构就会发生疲劳破坏。超载对严寒地区沥青路面的破坏程度可用有限元法模拟。该文计算了沥青路面在不同工况下的应力峰值，如图2 所示。

图2计算结果表明：在超载条件下，沥青路面的各项应力均大幅度地增大。比较无坡、0.7 MPa、匀速和5°坡、1.3 MPa、加速两种工况，后者的纵向拉应力峰值、纵向压应力峰值、水平剪应力峰值分别是前者的755%、290%、380%。这说明超载对严寒地区的沥青路面破坏十分严重，尤其是在长大纵坡段路。

（4）养护原因。部分沥青路面病害可能是因为养护不及时或养护方案选择不当而产生的，具体阐述如下：一是公路在反复冻融作用下，路肩土密度减小，路肩抬高，路面形成积水槽。在连续降雨天气下，雨水径流在路面长期集聚，并渗入路面结构层内部，破坏沥青混合料结构；二是路基两侧的边沟或排水沟清理不及时，使其丧失了排水、导水等作用，从而造成路面浸水受损。

3 严寒区沥青路面病害防治措施

3.1 材料性能控制

在沥青路面正式铺筑之前，施工单位要调查公路沿线的料场，对不同厂家的沥青路面原材料的性能指标、单价、运输条件等进行对比，以筛选出最合适的原材料。需注意，沥青路面原材料不得为了追求低成本而选择无生产日期、无生产合格证、无生产厂家的劣质材料。沥青路面原材料在进场后，要按设计文件要求对其各项性能指标进行检验，合格后才能用于施工，不能将生产厂家提交的生产合格证明作为材料进场验收依据[4]。同时，要将沥青路面原材料储存在通风、干燥的环境中，不得将材料露天储存，以免降雨影响材料物理力学性能。

3.2 施工工艺控制

（1）混合料拌和技术。为了克服严寒环境对沥青路面施工质量的影响，延长施工时间，建议沥青混合料拌和采用温拌技术，即在沥青混合料中加入各种温拌剂，使其能低温条件下正常拌和。根据机理不同，可将沥青路面温拌技术划分为降黏型温拌技术、发泡型温拌技术、表面活性温拌技术等，其在拌和期间的优势体现在以下几方面；产生有害气体少、消耗的能源少、基质沥青老化程度低、混合料温度降低速度慢，且混合料与周围环境温差小，易于压实。

（2）混合料运输。相对于一般地区，严寒地区沥青混合料温度下降较快，在运输前要规划好路线，以免运输期间长时间拥堵，导致混合料摊铺温度不满足施工要求。同时，还要在沥青混合料运输的车厢底部和两侧涂抹隔离油，并覆盖薄膜进行保温处理。

（3）有效压实时间。有效压实时间对严寒区沥青路面的压实质量起着决定性作用，且决定了沥青混合料的冷却速度。沥青路面的有效压实时间受外界环境的气温和风速的影响最大。一般情况下，外界环境气温越低，与沥青混合料的温差越大，沥青混合料的有效压实时间越短。而在外界环境气温相同的条件下，风速越大，沥青混合料内部热量向外部的传递速度越快，有效压实时间也会减小。该文利用Pavecool 软件计算了不同气温和不同风速下的沥青路面的有效压实时间，见表1。

表1 气温和风速对沥青路面有效压实时间的影响

由表1 可知：随着外界气温的增加，沥青路面的有效压实时间不断增大，且两者基本呈线性正相关关系。外界气温每增加2 ℃，沥青路面的有效压实时间平均增加1.5 min。同时，随着外界风速的增加，沥青路面的有效压实时间减小，两者之间的关系可用二次多项式函数模拟，见式（2）：

式中，y——有效压实时间（min）；x——外界风速（m·s-1）。

3.3 沿线交通量控制

为了避免交通量过大加剧沥青路面病害，应在二级公路沿线安装“限重”“禁止超载”等交通标志。大量工程实践表明，交通标志的支撑方式有有柱式、悬臂式、门架式等，在设计时主要考虑恒载、风荷载等，并确保交通标志在荷载效应组合设计值下的变形量d满足式（3）：

式中，dG——交通标志在恒载的变形量（cm）；dQ——交通标志在风荷载作用下的变形量（cm）；[d]——允许变形量（cm）。

3.4 预防性养护技术选择

严寒地区沥青路面采用预防性养护措施能及时恢复路面性能，防止病害的进一步扩展。目前，国内比较成熟的沥青路面养护措施有裂缝填封、表面封层、薄层罩面三类。

（1）裂缝填封技术。裂缝填封技术是利用高黏度的裂缝密封胶来填封裂缝的方法，能有效地防止雨水、冰雪等沿着裂缝渗入路面结构层，从而使裂缝继续发育，并延长公路的运营寿命。裂缝填封技术一般只用于路面局部裂缝处理，且周边没有大面积的轻微网裂。

（2）表面封层技术。表面封层技术是在沥青路面上敷设一层养护层来保护旧路面。常用的封层技术有雾封层、碎石封层、稀浆封层、微表处等，不同封层技术的对比见表2[5]：

表2 严寒地区表面封层技术对比

（3）薄层罩面技术。薄层罩面技术是沥青混合料加铺在路面上，补强路面结构，从而延缓路面性能劣化，罩面厚度一般不大于2.5 cm。相对于其他预防性养护措施，薄层罩面技术费用较高，且施工难度大，多用于沥青路面破损严重的路段。

4 结语

该文以某严寒地区二级公路为研究对象，研究了沥青路面常见病害的成因，并提出了相应的防治措施，得到了以下几个结论：

（1）严寒地区沥青路面病害以纵、横向裂缝为主，车辙或沉陷等病害的占比较少。

（2）严寒地区沥青路面病害主要是由材料不合格、施工工艺不当、交通荷载过大、养护不及时等因素造成。

（3）为了减少或避免严寒地区沥青路面病害，要严格控制原材料进场，合理确定沥青混合料的拌和、运输工艺及有效压实时间。

（4）严寒地区沥青路面预防性养护技术有裂缝填封、表面封层、薄层罩面三类，应结合项目实际情况选择。