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        福建省組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析

        2015-11-01 05:57:53孫亦純泉州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院
        建材與裝飾 2015年6期
        關(guān)鍵詞:耐久性瀝青路面高速公路

        孫亦純(泉州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)

        福建省組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析

        孫亦純
        (泉州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院)

        隨著我國(guó)交通狀況的變化,半剛性基層瀝青路面遭遇到重載交通和早期損壞兩大挑戰(zhàn),因此,提出能適應(yīng)重載交通的長(zhǎng)壽命與性能瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)方法,對(duì)目前重載交通高速公路的工程建設(shè)和養(yǎng)護(hù)將具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)意義。本文通過(guò)對(duì)福建省組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的性能綜合分析,得出組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)比典型半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)在車轍、水損壞、耐久性、開(kāi)裂等各項(xiàng)性能上更具結(jié)構(gòu)優(yōu)越性,滿足長(zhǎng)壽命路面的要求。

        組合式結(jié)構(gòu);瀝青路面;級(jí)配碎石;瀝青穩(wěn)定碎石

        1 前言

        我國(guó)高速公路建設(shè)發(fā)展迅速,至2013年底,高速公路通車總里程達(dá)到10.4萬(wàn)km,已超過(guò)美國(guó)躍居世界第一位。但在高速公路快速發(fā)展的同時(shí),由于我國(guó)的公路整體建設(shè)起步較晚,技術(shù)力量?jī)?chǔ)備較弱,前期經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)較差,高速公路瀝青路面建設(shè)中的一些問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。一些高速公路建成通車后不久,就發(fā)生了車轍、水損害、開(kāi)裂、坑槽、泛油等早期損壞現(xiàn)象,不得不進(jìn)行大面積維修,造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失及不良的社會(huì)影響。

        造成我國(guó)瀝青路面早期損壞的原因是多方面的,材料、施工質(zhì)量等是一方面原因,半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)暴露出的一些缺陷和不足也是另一個(gè)重要原因。長(zhǎng)期以來(lái)半剛性基層瀝青路面的結(jié)構(gòu)是我國(guó)主要的結(jié)構(gòu)型式,為我國(guó)的公路建設(shè),尤其是高速公路、一級(jí)公路的發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。在我國(guó)嚴(yán)重缺乏瀝青,經(jīng)濟(jì)能力有限的情況下,半剛性基層承擔(dān)了日益增長(zhǎng)的荷載,為發(fā)展瀝青路面起到了無(wú)可替代的作用,并寫下了光輝的一頁(yè)。因此發(fā)展半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)滿足了我國(guó)公路發(fā)展初期的國(guó)情需要。但是,隨著我國(guó)高速公路飛速發(fā)展和總里程的不斷增加,現(xiàn)有的半剛性瀝青路面早期損壞突出、耐久性差,達(dá)不到設(shè)計(jì)年限就開(kāi)始大修的使用問(wèn)題逐漸突顯,特別是近些年來(lái)隨著對(duì)公路工程的耐久性和長(zhǎng)期性能的要求越來(lái)越高,我國(guó)廣大工程技術(shù)人員開(kāi)始研究半剛性基層瀝青路面的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。在這種背景下進(jìn)行新型瀝青路面結(jié)構(gòu)型式的應(yīng)用研究已經(jīng)成為我國(guó)提高瀝青路面的耐久性、延長(zhǎng)使用壽命的重要課題。

        2 福建省組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

        2.1福建省自然條件

        福建省處于北緯23°31′~28°18′之間,靠近北回歸線,境內(nèi)溫暖濕潤(rùn),年平均氣溫17~21℃,平均降雨量1400~2000mm,省內(nèi)以山地丘陵為主,占80%以上。

        按照中華人民共和國(guó)《公路自然區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》(JTJ003-86),福建省自然區(qū)劃為Ⅳ4浙閩沿海山地中濕區(qū)、Ⅳ6武夷南嶺山地過(guò)濕區(qū)和Ⅳ6a武夷副區(qū)。按《公路瀝青施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF40-2004)氣候分區(qū)為1-4-1區(qū)。

        福建地形以山地丘陵為主,由西、中兩列大山帶構(gòu)成福建地形的骨架。兩列大山帶均呈東北-西南走向,與海岸平行。

        福建省屬于暖熱濕潤(rùn)的亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,冬短夏長(zhǎng)。高溫炎熱天氣天數(shù)和高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、日照時(shí)間長(zhǎng),以2009年為例,全省高溫時(shí)間從7月份持續(xù)到9月中旬,共出現(xiàn)5次高溫天氣過(guò)程,49個(gè)縣(市)日最高氣溫≥38℃;日最高氣溫≥35℃的最長(zhǎng)連續(xù)日數(shù)達(dá)到16d。同時(shí),福建降雨量充沛,且暴雨頻率高。

        綜上所述,福建省氣候炎熱、多雨潮濕,夏季時(shí)間長(zhǎng),這些自然條件將增加高速公路的鋪筑難度。

        2.2福建省高速公路交通荷載情況

        福建省高速公路目前交通量不太大,但是隨著福建省高速公路與周邊省份的聯(lián)通以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,將使后期的交通量迅速增加。從福建省的貨車發(fā)展趨勢(shì)看,專用汽車呈現(xiàn)出向廂式化、重型化、智能化、高檔化、多極化發(fā)展的趨勢(shì),其中表現(xiàn)比較明顯的是:普通貨物運(yùn)輸箱式化;專用汽車運(yùn)輸重型化;貨物運(yùn)輸專業(yè)化;特種用途車輛發(fā)展迅速。同時(shí)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)有許多運(yùn)輸業(yè)主將新車買回后,通過(guò)更換彈簧鋼板、加固大梁、加高車廂、變換厚輪胎增加剎車水箱等途徑進(jìn)行加固改裝,改裝后的貨車承載能力增強(qiáng),帶來(lái)的超載情況也非常嚴(yán)重,統(tǒng)計(jì)表明大、中型貨車的超載重量是標(biāo)準(zhǔn)載重量的50~120%。通過(guò)調(diào)查南平地區(qū)交通特性發(fā)現(xiàn),貨車在所有交通量占到了75.5%,貨車軸型較多,其中后單軸貨車最多,后雙軸及以上貨車也占了很大比例。而龍巖地區(qū)后雙軸、三軸比例更高;部分地區(qū)超載嚴(yán)重,平均超載率最大的為限值30t貨車,即后雙軸貨車,其中20t最大的超載率達(dá)38.2%,30t達(dá)77.8%,40t達(dá)50%,50t達(dá)27.9%。對(duì)福建省3條高速公路治超時(shí)動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)測(cè)得的實(shí)際軸重?cái)?shù)據(jù),通過(guò)計(jì)算可以得到福建省不同軸載的軸重分布情況,按照《我國(guó)超限車輛行駛公路管理規(guī)定》(交通部2000年2號(hào)令),單軸、雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸載重分別超出10t、18t和22t為超限,按照此標(biāo)準(zhǔn)三軸軸載類型超限比例分別達(dá)到6.6%、37.7%、59%,三軸軸載類型合計(jì)占總分析交通量的17.8%,占總貨車交通量的30.7%。

        荷載的增加導(dǎo)致車輛輪胎印跡寬度變化較小,長(zhǎng)度變長(zhǎng),輪胎接觸壓強(qiáng)變大,已經(jīng)超出了規(guī)范的0.7MPa設(shè)計(jì)要求,如一般解放CA10B、東風(fēng)EQ140主車額定載重50kN,而實(shí)際載重高達(dá)80~100kN,輪胎氣壓普遍為0.9~1.0MPa,紅巖、斯太爾主車額定載重150kN,實(shí)際載重可達(dá)380kN,輪胎氣壓一般為1.0~1.1MPa。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù),福建省多數(shù)貨車的輪胎充氣壓力從0.7MPa增加到0.9MPa,少數(shù)超過(guò)1.0MPa。

        在高溫情況下,重載在瀝青路面中產(chǎn)生較大的剪應(yīng)變,使瀝青路面抵抗剪切變形、側(cè)向流動(dòng)的能力降低,導(dǎo)致瀝青路面過(guò)早地產(chǎn)生車轍。

        2.3福建省高速公路組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

        福建省早些年某些高速公路路段發(fā)生不同程度的早期損壞,其主要損壞表現(xiàn)型式有:

        (1)瀝青面層早期損壞:水損害、唧漿、松散、坑槽、車轍、泛油等破壞;

        (2)橋面鋪裝局部破損;

        (3)結(jié)構(gòu)物連接不順暢、橋頭及接縫跳車;

        (4)路基沉降,如軟土路段、高填方路堤;

        (5)高邊坡滑塌;

        (6)半填半挖路段的沉降和開(kāi)裂。

        由此可見(jiàn),水損害、松散、坑槽、車轍、泛油等病害是福建省高速公路瀝青面層早期損壞主要形式。福建省氣候炎熱、多雨潮濕,高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),山區(qū)丘陵比例多,高速公路縱坡較大,同時(shí)重車比例大,高速公路的外部條件比較復(fù)雜,高速公路的鋪筑技術(shù)難度大。

        為此,福建省以提高高速公路瀝青路面長(zhǎng)期性能和耐久性為目標(biāo),通過(guò)充分論證和鋪筑試驗(yàn)路及實(shí)體工程驗(yàn)證,開(kāi)展南方濕熱地區(qū)高速公路瀝青路面新型結(jié)構(gòu)的研究,最終推薦表1路面結(jié)構(gòu)形式。

        表1 

        該路面結(jié)構(gòu)形式做為福建省組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)的典型代表,廣泛應(yīng)用于后期建設(shè)的高速公路當(dāng)中,包括沈海高速擴(kuò)建、浦南高速、龍長(zhǎng)高速等。

        3 組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)性能分析

        現(xiàn)選取典型半剛性結(jié)構(gòu)和組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)等兩種結(jié)構(gòu)形式,對(duì)其各項(xiàng)路用性能進(jìn)行綜合比較分析,結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)表2。

        表2 路面結(jié)構(gòu)形式對(duì)比表

        3.1車轍分析

        一年之中溫度、荷載等因素是不斷變化的,如交通量、荷載大小以及每一時(shí)刻的溫度均隨時(shí)間在不斷變化,同時(shí)路面材料的性質(zhì)也隨時(shí)間會(huì)產(chǎn)生較大的變化,最終瀝青路面車轍量應(yīng)該是每天每一時(shí)刻的變形不斷累積的結(jié)果。在白天或夏季,路面結(jié)構(gòu)溫度較高,瀝青混合料的模量降低。在春季或雨季土基的含水量增加,也會(huì)造成路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度下降。如果在某個(gè)時(shí)間段內(nèi),路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度因環(huán)境因素的影響而下降,且這一時(shí)間段交通又較為集中,則路面結(jié)構(gòu)在這一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的破壞將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他的時(shí)間段。為此有必要對(duì)福建省典型溫度、交通荷載條件下的高速公路瀝青路面的車轍損壞進(jìn)行進(jìn)一步影響分析。

        為了全面分析福建省的溫度條件和典型荷載條件對(duì)瀝青路面車轍的影響,借助AASHTO 2002年ME-PDG軟件程序進(jìn)行天氣、交通荷載和不同車速耦合作用下車轍分析。

        圖1 典型半剛性結(jié)構(gòu)與組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)車轍分析對(duì)比圖

        根據(jù)圖1分析結(jié)果,相同情況下,新型結(jié)構(gòu)的車轍要明顯小于半剛性基層結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的半剛性結(jié)構(gòu)相比較,26cm瀝青面層的組合式結(jié)構(gòu)的車轍量可以降低45~50%。

        3.2水損壞分析

        水損害是瀝青路面早期破壞的主要表現(xiàn)形式,福建地區(qū)夏季天氣炎熱,雨季持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),雨量大,在大交通量的作用下,瀝青路面的水損害現(xiàn)象顯得較為突出。半剛性瀝青路面的水損壞主要有兩種形式:①?gòu)臑r青路面表面層開(kāi)始的,即“自上而下”的水損壞,瀝青膜逐漸從骨料上脫落,進(jìn)而出現(xiàn)瀝青混合料松散、掉粒,并逐漸發(fā)展成為路面坑槽;②從瀝青路面中下面層開(kāi)始,即“自下而上”的水損壞,致使其承載力下降,表面層出現(xiàn)泛漿、網(wǎng)裂等病害,典型路段發(fā)生水損害破壞的地方一般是滲水較嚴(yán)重且排水不暢的部位,挖開(kāi)路面可見(jiàn)其下有積水或浮漿,自下而上的水損壞發(fā)生的結(jié)構(gòu)層位較深,對(duì)路面結(jié)構(gòu)影響大,屬于結(jié)構(gòu)性破壞,因此危害性更大。

        與半剛性材料相比,級(jí)配碎石具有一定滲水性能,能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的有效滲水,降低結(jié)構(gòu)內(nèi)材料的飽水時(shí)間,同時(shí)級(jí)配碎石基層能夠極大降低瀝青層的動(dòng)孔隙水壓力,從而能夠極大降低結(jié)構(gòu)性水損壞的產(chǎn)生。級(jí)配碎石的良好滲水性能是保持新型結(jié)構(gòu)路面耐久性的一個(gè)前提條件。設(shè)置級(jí)配碎石基層,增加結(jié)構(gòu)內(nèi)部的滲水,降低動(dòng)水壓力、特別是中下面層內(nèi)部的動(dòng)孔隙水壓力,提高結(jié)構(gòu)抗水損壞性能,對(duì)于減少福建省多雨潮濕條件下的瀝青路面水損壞具有重大意義。

        3.3結(jié)構(gòu)耐久性影響分析

        半剛性材料由于濕度和溫度的收縮作用會(huì)在使用初期即出現(xiàn)橫向收縮裂縫,使結(jié)構(gòu)層斷裂成板塊狀。結(jié)合料的膠結(jié)作用較弱,粗集料同結(jié)合料和細(xì)集料基質(zhì)之間的粘結(jié)在受到較小的拉應(yīng)變或拉應(yīng)力時(shí)便會(huì)喪失,從而在基層內(nèi)產(chǎn)生微裂隙,受其影響,混合料的抗拉強(qiáng)度以及相應(yīng)的抗拉回彈模量隨之降低。因此,半剛性基層在使用過(guò)程中,隨著荷載的反復(fù)作用,微裂隙由基層的底面逐漸向上發(fā)展,使具有抗拉能力的基層有效厚度逐漸減小,在裂隙發(fā)展到基層頂面時(shí),整個(gè)基層碎裂成小塊,其有效模量便降低為接近于粒料的模量值。因此,半剛性材料有著模量隨時(shí)間不斷衰減特性。

        而級(jí)配碎石對(duì)干濕、溫度的變化不太敏感,不會(huì)產(chǎn)生干縮、溫度裂縫而導(dǎo)致自下而上的結(jié)構(gòu)性反射裂縫,同時(shí)其強(qiáng)度不會(huì)隨齡期逐漸衰減,因而具有較好的耐久性和穩(wěn)定性,這對(duì)于長(zhǎng)壽命結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性非常重要。

        考慮到半剛性材料的模量衰減特性,而級(jí)配碎石的承載能力又較低,可以通過(guò)增加瀝青層的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)瀝青路面長(zhǎng)壽命和耐久性。在較薄瀝青層時(shí),增加瀝青層厚度對(duì)于疲勞壽命影響不明顯,但是一旦瀝青層厚度增加到一定程度,結(jié)構(gòu)疲勞壽命會(huì)隨著瀝青層厚度增加將非常顯著,每增加1cm將增加結(jié)構(gòu)疲勞壽命近1000萬(wàn)次。因此對(duì)于大交通量道路,采用較厚瀝青層路面對(duì)于提高路面耐久性具有非常重要的意義。

        3.4縱向開(kāi)裂分析

        縱向裂縫是瀝青路面較為典型的開(kāi)裂形式,主要原因在于:

        (1)路表產(chǎn)生較大溫度梯度,從而使得瀝青混合料模量?jī)?nèi)也產(chǎn)生較大梯度,在荷載作用下路表產(chǎn)生較大應(yīng)力;

        (2)路表瀝青老化,瀝青層模量較高,在荷載作用下路表產(chǎn)生較高剪應(yīng)力。同時(shí)路面基礎(chǔ)剛度增加會(huì)增加表面開(kāi)裂,特別是對(duì)于半剛性基層或者硬路基;較硬的結(jié)構(gòu)層離路表瀝青混合料越近,較軟的瀝青混合料更容易產(chǎn)生表面縱向開(kāi)裂。

        圖2分別為兩種結(jié)構(gòu)的縱向開(kāi)裂累計(jì)發(fā)展情況,可以看出18cm的典型半剛性結(jié)構(gòu)的縱向開(kāi)裂較26cm組合式結(jié)構(gòu)的縱向開(kāi)裂大得多,前后結(jié)構(gòu)縱向開(kāi)裂量相差11.5倍。同時(shí)模量較低的瀝青混合料較為柔軟,而模量很高半剛性材料具有較高的板體性,這樣結(jié)構(gòu)層之間變形不協(xié)調(diào)會(huì)增加路表的拉應(yīng)力,從而會(huì)加大表面裂縫的產(chǎn)生。此時(shí)如設(shè)置級(jí)配碎石層,會(huì)顯著改善基層與面層的變形隨從性,會(huì)顯著降低表面裂縫。

        圖2 典型半剛性結(jié)構(gòu)與組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)縱向開(kāi)裂累計(jì)分析圖

        4 結(jié)語(yǔ)

        較典型半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)而言,組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)具有一定的結(jié)構(gòu)優(yōu)越性,在車轍、水損壞、耐久性、開(kāi)裂等各項(xiàng)性能上均具有較好的路用效果。組合式瀝青路面由于有較厚的瀝青層,極大降低了傳統(tǒng)的貫穿裂縫,主要表現(xiàn)為表面裂縫,只需對(duì)面層進(jìn)行再生等表面修復(fù)就可以迅速恢復(fù)其路面的使用性能。

        在福建省的自然、交通荷載條件下,組合式瀝青路面結(jié)構(gòu)能夠有效減少目前典型半剛性結(jié)構(gòu)的各種損壞,能夠達(dá)到30~50年分析期內(nèi)新型結(jié)構(gòu)無(wú)結(jié)構(gòu)性損壞的長(zhǎng)壽命要求。

        [1]沈金安,等.“高速公路瀝青路面早期病害預(yù)防措施的研究”報(bào)告[R].交通部公路科研所,2004,5.

        [2]李福普,嚴(yán)二虎,等.瀝青穩(wěn)定碎石與級(jí)配碎石應(yīng)用技術(shù)研究[J].公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2007.

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        U416.217

        A

        1673-0038(2015)06-0153-03

        2015-1-12

        孫亦純(1983-),男,工程師,本科,主要從事路橋工程設(shè)計(jì)工作。

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