沥青路面拥包成因分析及预防措施

周泽华,康 明,吴俊丰,容洪流

(1.苏交科集团股份有限公司,江苏 南京 210000;2.苏交科集团检测认证有限公司,江苏 南京 210000;3广西大学 土木建筑工程学院,广西 南宁 530000)

随着改革开放以来我国经济的高速发展,沥青路面已在我国交通领域占据了举足轻重的地位。沥青路面具有行车舒适度高、维修周期短、开放交通快的特点和优点,在各等级道路工程中得到了愈发广泛的应用。然而,假如建设各方盲目追求效率,可能无法保证路面的工程质量,使沥青结构在运营初期即产生大量病害,严重威胁行车安全。

沥青路面耐久性是业界关注的重点。截至目前,相关人员已针对沥青路面材料、工作环境、服役状态等方面进行了深入的研究[1-3]。一般来说,改扩建路面比新建路面性能更差,姜利等[4]针对“白改黑”道路工程反射裂缝进行了破坏机理分析与防治方法研究。吴发明[5]指出铣刨技术是改扩建沥青路面质量控制的关键因素。李刚[6]分析了道路基层沉降差异的影响因素。由此可见,沥青路面的耐久性能已经引起了各方重视。但是,目前关于路面拥包病害的相关研究较少。

拥包是指路面在行车荷载作用下,沥青材料无法抵抗剪应力的作用产生横向推移,从而导致局部隆起形成鼓包[7]。拥包病害不仅影响道路服役期间的安全性、舒适性,还会直接破坏路面原始结构状态。按《公路技术状况评定标准》的有关规定,沥青路面拥包超过25 mm即为重度病害。刘刚等[8]指出地表不均匀变形超过5 mm时即可产生显著的冲击荷载,容易引发路面材料弯拉破坏。长期以来,关于路面拥包的产生机理研究较少,将原因简单归结为原材料、施工工艺、服役环境等宽泛的因素上,缺乏针对性的试验与模拟分析。

以浙江省S212省道绍兴段改扩建公路沥青路面病害处置实践为例,通过外观调查、取芯试验、有限元模拟等手段,探讨了拥包病害的主要成因、产生机理与防治方法。

1 工程概况

S212省道绍兴段为二级公路,路面宽度14 m,设计轴载BZZ-100。该路于2022年6月进行了大中修改造,改建方法为病害路段局部处置、其他路段铣刨3 cm旧路AC-20沥青面层,并加铺同厚度SMA-10沥青路面。为满足交通需要,施工分左、右幅分别进行。建成通车22 d后发现拥包病害。

经调查发现,该路段拥包在全线多处均有分布,最大拱起高度超过4 cm,按《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)属于重度病害。病害集中于左右幅施工冷接缝位置,且周边区域可见轻度车辙。

2 病害成因分析

2.1 试验

为直观了解道路整体结构情况,深入分析病害产生原因,对典型病害处及其周边区域进行钻芯取样。病害区域外观如图1所示,从图中可以看出,拥包产生于道路分幅施工的冷接缝处。钻芯取样结果显示,拥包区域新铺路面与老路的黏结层出现断裂,老路中下面层结构松散且出现疲劳性磨损,说明新旧路面层间黏结性能不佳。

图1 拥包病害形貌代表图

基于室内试验,检测了病害及周边区域的混合料性能和粒料级配,结果如表1、图2所示。沥青面层性能基本良好,但仍存在油石比偏高、含有少量超尺寸粒径等问题。以上原因客观影响了沥青结构层的抗剪承载力,导致路面更容易出现拥包、车辙等病害。

表1 SMA-10沥青混合料基本性能

图2 矿料级配检测结果

压实度试验结果如图3所示,从图中可以看出,病害区域路表压实度不满足设计要求,存在松散或超密现象。这是因为拥包区域在行车荷载的作用下横向推挤。原有的骨架结构受剪产生不均匀变形,从而导致原本均匀密实的混合料结构出现松散和局部堆积现象。

图3 压实度检测结果

另一方面试验结果表明无病害区域性能良好,说明软弱区域仅出现在病害局部,未对周边区域产生根本性影响。

2.2 有限元模拟

路面病害的常见原因有层间黏结性不良、面层或基层材料强度差等。为进一步探究不同破坏形式对应的病害成因,采用Abaqus软件对可能存在的病害类型进行有限元拟合[9],分析结果如图4所示。图4(a)是预期路面的受力-变形情况,从图中可以看出,理想状态下沥青路面车辙和拥包均较浅,路用性能良好。图4(b)是沥青黏层薄弱所对应的破坏形式,可以看出该情况下薄弱区域会产生明显拥包,且黏层下方的沥青结构层同样产生明显变形,但路表沉降并不明显。可以看出,此类型最接近路面实际的破坏形式。图4(c)表示材料性能不佳后的应变状态,该情况下病害表现为路面发生显著沉降,但拥包并不明显,且黏层位置也不会出现应力集中。结合现场实例分析,可认为施工缝处沥青黏层薄弱是道路拥包的主要原因。

图4 基于有限元拟合的路面损坏情况

通过外观检测、钻芯取样和有限元分析结果,可认为路面拥包病害主要是沥青局部层间黏结性能不良导致的。由于施工接缝处是黏层油铺洒的死角区域,可能该处未均匀撒布或撒后未待破乳即进行下一道工序。外加开放交通时间较早,加剧了局部层间黏结性能损伤,最终导致拥包病害。基于此,有关单位铣刨病害路面及周边影响区域,并且重新铺装。维修后通车至今,服役效果良好。

3 路面拥包的主要成因及防治方法

3.1 原材料

沥青混合料产生拥包病害的根本原因是材料抗剪承载力不足,油石比是沥青混合料剪切性能的决定性因素。叶长建[10]指出普通沥青油石比超过4.3%后材料抗剪能力即迅速下降。SMA混合料中沥青掺量较高,但出于抗剪性能考虑油石比也不应超过7%[11]。

矿料级配是影响沥青抗剪性能的关键。广泛的实践表明,按现行标准推荐级配制造的沥青混合料路用效果较好。在实际工程中矿料级配只要符合规范要求,就可在很大程度上保障混合料的抗剪能力。但随着集料筛分技术的成熟,现阶段完全可以因时、因地采用指定级配,进一步提升材料的综合品质。关宏信等[12]提出采用TS级配取代传统AC级配,能够将整体路面黏聚力提升两倍以上。此外,提升集料自身强度也能在一定程度上改善路面抗剪能力,但影响幅度不大[13]。

此外,出于经济因素和交通流量的考虑,旧路翻新往往不会重做全部道路结构,而是在旧路基础上对严重病害进行局部处置。如果旧路病害处置不彻底、处置面清扫不干净,不仅会导致拥包,还可能造成反射裂缝、沉降、水损害等更加复杂的隐患,威胁行车安全与道路服役质量[14]。对改扩建路面,必须彻底挖除旧路病害,并根据实际需要选择换填、修补方案。保证旧路清扫干净、处置层边缘整齐、摊铺面干燥无积水。

3.2 施工工艺

大量道路工程实践指出,沥青路面的结构性能不仅取决于材料自身的物理性能,还与沥青各层间黏结质量关系密切。沥青黏接层能够起到层间黏结、变形协调的作用。当黏接层质量不佳,路面结构层就可能在车辆荷载的作用下产生横向推挤与滑移,造成拥包病害。常艳婷等[15]调查了乳化沥青撒布量、温度和应力条件对路面抗剪承载力承载力的影响,指出黏层油自身品质是影响沥青层间黏结性能的关键因素。张巍[16]指出黏层施工质量不佳是引发翻新路面拥包病害的重要原因之一。

由此可以看出,道路各层之间的黏结性能是决定路面抗剪能力的重要指标。在施工过程中,应当严格控制黏层油沥青掺量;注重黏、透层油铺洒均匀;铺洒后给予足够的养生时间,待水份蒸发后进行下一步施工。以保障不同结构层间具有良好的整体性。

近年我国交通量增长特别迅猛,为缓解道路养护带来的拥堵,部分建设单位选择采用洒水的方式迅速降低路面温度,以期尽早开放交通。然而沥青混合料碾压终了温度往往在90 ℃以上,洒水只能降低表层温度,现场技术人员也无法保证沥青内部温度降至与表面一致。因此过早开放交通无法保障中下面层沥青结构稳定,也不利于沥青路面强度的形成,各地纷纷基于实际情况提升了沥青路面养护时间,例如江苏省标[17]建议高性能沥青采用自然冷却的降温方法,浙江省标[18]要求高速公路改性沥青应在施工2～3 d后开放交通。

3.3 道路服役环境

在内部因素方面,路面拥包主要取决于行车荷载的大小。行车荷载不仅会引起垂直向下的压力,还会造成横向的剪力。当车辆给路面的横向推挤作用超过了抗剪承载力就会引发横向变形。因此高于预期的交通量或车辆超载往往是引发拥包的关键因素。在实际工程中,拥包也常发生于陡坡、急弯、汽车制动频繁的区域。这是因为上述路段受到的剪切应力明显大于其他位置,行车荷载的反复作用导致路面产生塑性变形造成拥包病害。对于翻新路面,应当特别注重路口、桥头、平曲线与纵坡重叠路段等重点区域的施工质量,必要时可在设计阶段针对新铺材料进行剪切承载能力验算。

在外部因素方面,高温天气是诱发拥包的关键因素。相关统计[19]表明,环境温度39 ℃时,沥青路面表层温度可能接近70 ℃,接近沥青软化点。因此夏季是拥包病害的高发季节,过高的路表温度导致沥青软化、抗剪能力下降,面层结构无法承受车辆荷载引发的塑性变形,在车轮挤压作用下产生拥包、车辙等一系列病害。因此在设计阶段,需要因时因地选择沥青材料,必要时可选择热稳定性更好的SMA沥青、SBS改性沥青等。

4 结 语

结合浙江S212省道绍兴段沥青路面病害成因分析实例,分析了沥青路面拥包的主要成因及应对方法。得到主要结论如下。

(1)基于外观检查、取芯试验和有限元模拟,分析了浙江S212省道绍兴段改建公路的病害形成原因。结果表明,对于拥包严重但周边车辙程度较轻的情况,沥青黏层局部软弱是导致该类型拥包的主要因素。

(2)路面拥包是多因素共同作用的产物,可能在短时间内产生较为严重的病害。因此必须从原材料品质、施工工艺、道路服役环境三个方面入手,切实预防病害发生,提升工程质量。