重载干线公路沥青路面检测与病害成因分析

摘要：针对沥青路面早期的破坏问题，通过对西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线路面的破损状况与病害特征进行调查，并基于马歇尔试验、层间剪切试验、抽提试验以及无侧限抗压强度试验，对原有路面结构性能进行测试与评价，在此基础上系统研究沥青路面早期破坏原因，为确定合理的道路养护方案提供可靠依据。

关键词：重载；沥青路面；干线公路；检测

中图分类号：U418.6文献标志码：B

0引言

随着国民经济的快速发展，交通量日益增加，中国道路结构形式也从适应低、中交通量的级配碎石路面、泥结碎石路面和沥青灌入式路面，向适应重交通量的半刚性基层沥青路面和水泥混凝土路面转变。其中沥青路面由于具有施工期短、表面平整、养护维修方便、行车舒适、噪声小等优点，在中国干线公路建设中得到了广泛应用[13]。但在重载交通和自然环境等因素的综合作用下，沥青路面早期损坏现象普遍存在，其中包括裂缝、车辙、泛油、松散以及坑槽等不同形式的病害。诸多调查表明，部分干线公路通车2～3年，甚至仅几个月，就出现路面破损，严重影响行车安全和通行能力[45]。因此，在公路建设过程中必须重视沥青路面产生的各种病害，分析其病害原因，为实施科学的养护措施奠定理论基础，对于延长沥青路面使用寿命及减少养护成本具有重要的现实意义[68]。

本文对西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线路面破损状况与病害特征进行调查取样，对样品进行力学性能分析，并通过抽提试验以及无侧限抗压强度试验研究沥青混合料的级配组成、沥青路用性能和半刚性基层强度，在此基础上对沥青路面早期破坏原因进行研究，为后期确定合理的道路养护方案提供依据。

1工程概况

西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线，设计速度60 km・h-1，路线全长3.391 km，设计标准为二级公路。上面层采用5 cm厚的中粒式沥青混凝土（AC16C），下面层采用7 cm厚的中粒式沥青混凝土（AC16C），基层为18 cm厚的水泥稳定级配碎石和18 cm厚的石灰粉煤灰稳定级配碎石。西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线的日交通量达到31 100辆，其中小型车（包括小汽车、中客车和小货车）所占的比例高达544%；中型车（包括大客车和中货车）占165%；大型货车和特大型货车所占比例为291%。

2沥青路面性能检测与评价

通过对路面破损状况与病害特征进行调查取样，并基于马歇尔试验、层间剪切试验、抽提试验以及无侧限抗压强度试验，对路面结构力学性能、级配组成以及沥青路用性能进行测试与评价，为确定重载交通路面病害早期破坏原因奠定基础。

2.1路面破损状况调查

西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线路面破损主要形式为裂缝、车辙、抗滑性能不足等。具体病害特征状况调查如下。

（1） 裂缝调查。路面裂缝病害主要形式为纵向裂缝、横向裂缝以及网状裂缝，局部地段出现龟裂。其中纵向裂缝多出现在轮迹带处，且为几道平行纵向裂缝，多条裂缝相交，局部已发展为带状网裂。横向裂缝明显，每隔10～20 m出现一道。横向裂缝与纵向裂缝相交处，在轮迹带附近形成了面积较大的网状裂缝，裂缝分布比较规律。

（2） 车辙调查。在进行车辙病害调查前，将车辙病害程度进行等级划分：车辙深度大于15 mm为严重车辙，小于10 mm为轻度车辙，介于10～15 mm之间为中度车辙。现场调查表明，西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线主车道的总体车辙深度并不大，上下行方向左、右轮迹带的车辙平均深度都小于10 mm，可暂不作处理。

（3） 抗滑能力调查。西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线的部分路段路表被磨光，抗滑能力下降，总体并未出现抗滑能力不足现象。

2.2沥青路面结构性能测试与评价

2.2.1芯样力学性能检测

为确定沥青路面两面层之间的粘结性，对粘结状态良好的芯样进行层间剪切试验，并按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20―2011） 进行马歇尔试验，以测试上、下面层芯样的稳定度。试验结果表明，沥青路面上、下面层高度均满足设计要求，且数值比较均匀；沥青上、下面层层间粘结充分，芯样刨面矿料分布均匀，未出现施工离析；防水层与水稳层粘结较好，且水稳层能够整体取出，未出现松散，试样表面矿料均匀，说明路面施工时质量控制严格。沥青路面芯样上、下面层稳定度均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40―2004）要求。

2.2.2芯样矿料级配检测

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20―2011）中关于沥青混合料沥青含量试验的有关规定，利用前期芯样进行离心分离试验，测定沥青混合料中的沥青含量及矿料级配组成。

（1） 沥青路面上面层矿料筛分通过百分率如表1所示。

由设计文件可知，西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线上面层采用的是5 cm中粒式沥青混凝土。由表1分析可知，除上面层矿料13.2 mm筛通过率不满足规范要求外，其余矿料筛分通过率满足规范要求。可能是由于在钻芯取样时，大粒径矿料被切割，从而导致了13.2 mm筛通过率较高。综合分析，该路段沥青路面上面层矿料级配满足规范要求。

（2） 沥青路面下面层矿料筛分通过百分率如表2所示。表1上面层筛分结果级配通过以下各方孔筛（mm）的百分率/%26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075K1+600（3#）100.098.794.184.774.352.532.925.618.310.36.74.2K1+740（2#）100.098.693.088.577.952.932.824.617.410.47.55.9规范下限100907862502616128543规范上限1009280725644332417137表2下面层筛分结果级配通过以下各方孔筛（mm）的百分率/%31.526.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075K1+600（2#）100.099.192.181.967.042.725.120.915.59.46.75.1K1+740（3#）100.093.188.181.773.247.024.820.115.310.17.65.7规范下限10090756557452416128543规范上限10090837665524230241737由设计文件可知，西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线下面层采用7 cm中粒式沥青混凝土，由表2分析可得，下面层芯样粗集料的通过率大于规范上限值的要求，而细集料通过率在规范要求范围之内。由于下面层矿料粒径较大，在钻芯取样时，大粒径矿料被切割，从而导致了95 mm以上筛孔通过百分率增高，但仍在规范允许的范围内。综合分析，该路段沥青路面下面层矿料级配满足规范要求。

2.2.3芯样沥青性质检测

对离心分离试验中收集的沥青进行三大指标试验，确定沥青路用性能，试验结果表明，西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线上面层沥青针入度、软化点以及延度均满足基质沥青的规范要求。

2.2.4半刚性基层性能测试与评价

为合理确定路面破损原因，对基层钻芯取样，按照《公路工程无机结合料稳定材料试验规程》（JTG E51―2009） 有关规定进行水泥稳定碎石物理力学性能测试。

图1路面良好地段钻芯试验选取典型路段取样，并进行初步测量。水泥稳定碎石层的高度为18 cm，满足设计文件要求。在钻芯过程中，水泥稳定碎石基层没有出现破碎松散等现象，能够完整取出，且其刨面整洁、均匀、密实，表观检测正常。力学性能检测结果如表3所示。

3沥青路面病害原因分析

前期对西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线路面状况进行调查，并对其表观性能、力学性能进行测试，同时重点研究了芯样矿料的级配组成以及沥青混合料中沥青的性质，最后分析了路面半刚性基层的性能。试验结果表明，芯样的力学性能、矿料级配、沥青性质以及水泥稳定碎石的性质均能满足规范要求，本文在以上工作基础上对路面病害成因进行分析。

3.1路面裂缝病害成因分析

沥青路面开裂原因和裂缝表现形式是多种多样的，影响裂缝轻重程度的主要因素有：沥青及沥青混合料的性质、基层材料的性能、路基状况、气候条件（气温和降雨）、交通量和车辆荷载类型以及施工因素等。根据前期调查和室内分析，不同类型裂缝病害产生的原因有如下几点。

（1） 西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线交通繁忙，日交通量可达20 000辆，其中重型货车4 000辆左右，且集中出现在晚上21点到凌晨5点之间，属于特重交通；然而设计资料表明，该道路设计属于中等交通，这造成在路面结构选型、结构组合设计、结构层位确定、路面材料选定上不能满足特重交通量的需求，造成路面破坏。

（2） 西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线典型裂缝病害段的纵向裂缝都是由上往下发展的，且随裂缝轻重程度的不同，其向下扩展的深度也有所差异。究其原因，主要是由于车辆荷载的剪切应力超出了路面混合料的抗剪强度造成的。

（3） 反射裂缝主要是由于基层出现干缩和温缩开裂后，失去了抵抗拉应力的能力，在开裂位置将应力传递给面层，导致面层在裂缝处产生应力集中而形成的。特别是在冬季低温条件下，沥青面层的模量较大，仅能承受较小的温度应力，裂缝处的应力集中使交通荷载产生在沥青面层下部的拉应力比没有裂缝的部位要大，易超过沥青混凝土的极限强度，致使沥青面层开裂。

3.2路面车辙病害成因分析

西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线路面车辙病害主要分为两种：一种为失稳型车辙，其产生原因为沥青路面结构层在超重车辆荷载作用下，内部材料产生横向位移；另一种为磨耗型车辙，这类车辙是由于沥青路面结构顶层的材料在车轮磨耗和自然环境因素作用下的持续不断的损失而形成的，尤其是在冬季，汽车为防滑使用防滑链和突钉，使路面顶层石料磨损更为严重。

3.3抗滑能力不足成因分析

一般情况下，新建路面的各项抗滑指标均能满足规范要求，但通车一段时间后，随着沥青混合料逐渐密实，空隙率下降，导致构造深度减小，路面抗滑性能有不同程度的衰减。衰减逐渐趋于稳定之后，路面抗滑性能下降的原因则以磨光和磨耗为主。由交通调查可知，西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线交通繁忙，日交通量可达20 000辆，且车辆超载、超限严重，造成表面集料磨光或路面泛油，从而导致沥青路面抗滑性能下降。

3.4坑槽病害成因分析

坑槽是沥青路面最常见的一种病害，它是沥青路面裂缝、龟裂、松散等病害发展延续的结果，具有突发性、频发性和蔓延性的特点。坑槽的出现严重影响路面的平整度和行车的舒适性，若不及时修补，在交通荷载和水的综合作用下，破坏会快速发展，造成养护费用增加，并给行驶在路上的车辆带来极大的安全隐患。西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线局部地段出现坑槽病害，主要原因是：路面在车辆荷载反复作用下出现裂缝，雨水沿裂缝等灌入，导致基层失稳，沥青路面出现凹陷。高温时雨水在车辆荷载的作用下产生动水压力，低温时水易结冰，经过多次冻融循环后，沥青混合料酥松，最终导致坑槽病害的出现。

4结语

（1） 西柏坡高速公路高庄至北沟段平山连接线路面裂缝病害形式主要为纵向裂缝、横向裂缝以及网状裂缝，车辙病害较轻，局部路段抗滑性能不足，部分路段有坑槽病害。

（2） 沥青路面上、下面层高度均满足设计文件要求，且上、下面层层间粘结充分，矿料分布均匀，沥青路面上、下面层矿料级配均满足设计要求，沥青路用性能也满足规范对基质沥青性能的要求。

（3） 水泥稳定碎石层的高度满足设计文件要求，其芯样能够完整取出，刨面整洁、均匀、密实，表观检测正常；基层无侧限抗压强度较高，表明水泥稳定碎石基层性能良好。

（4） 该路段的设计标准为中等交通，路面材料检测结果满足规范要求，表明路面结构不合理、车辆超载超限严重是造成车辙、裂缝，尤其是大面积网状裂缝等病害的主要原因。

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