水泥混凝土路面瀝青加鋪層病害分析及預防性養護技術研究

鄒德彪,龔小斌

(1. 湖北省電力規劃設計研究院有限公司 武漢市 430000;2.北京市市政工程設計研究總院有限公司武漢分公司 武漢市 430000)

加鋪瀝青層是水泥混凝土路面改造常用手段,該技術不僅能修復破損路面,還能夠改善路面行車舒適性,但受原水泥混凝土路面結構破損以及材料差異性的影響,瀝青加鋪層的病害程度與規模均高于普通瀝青路面。瀝青路面預防性養護技術能改善路面病害情況并減緩病害的發展,但該技術在瀝青加鋪層養護中的適應性及養護效果尚不清晰。因此,對瀝青加鋪層病害及其產生機理進行分析,并對預防性養護技術在瀝青加鋪層中的應用進行研究,對于提高瀝青加鋪層路面的行車舒適性、降低道路后期維護成本而言都是十分重要的[1]。

1 瀝青加鋪層常見病害及其產生機理研究

(1)反射裂縫。反射裂縫是水泥混凝土路面加鋪瀝青層最常見的病害形式,該類病害的產生主要有以下原因:一方面,在瀝青加鋪層施工前,水泥混凝土路面就已經產生不同程度的開裂,在上部交通荷載的影響下,水泥混凝土層裂縫會逐漸擴大,導致瀝青加鋪層產生反射裂縫;另一方面,當溫度急劇變化時,瀝青加鋪層與原混凝土路面的變形程度存在差異,會引發瀝青加鋪層產生較大溫度應力,進而產生反射裂縫[2]。

(2)車轍。瀝青加鋪層路面與普通瀝青混凝土路面存在很大結構差異,與普通瀝青路面的半剛性基層相比,水泥混凝土路面剛度較大;在車輛荷載的作用下,瀝青加鋪層受到的壓力與剪應力遠遠大于普通瀝青路面,在環境溫度的影響下,瀝青加鋪層產生車轍的概率也大大增加[3]。

2 瀝青路面預防性養護技術在瀝青加鋪層路面中的應用

瀝青路面預防性養護技術是指在路面尚未發生大規模病害前,采用一定技術手段對路面進行處理的一種路面養護技術。與治療型養護相比,預防性養護技術能夠以較低成本獲得較好的養護效果。通過對瀝青加鋪層的常見病害及其產生原因進行研究得出,水泥混凝土路面瀝青加鋪層在運營過程中出現反射裂縫及車轍等病害的概率較大,在預防性養護中常通過以下技術該類病害處理:(1)對于瀝青加鋪層出現的反射性裂縫,可以采用瀝青填縫、抗裂貼片等技術進行填補,阻斷路面積水向路面內部滲透的渠道,降低瀝青路面水損壞可能性;(2)對于瀝青加鋪層出現的車轍病害,實際工程中可采用罩面層技術及微表處技術進行處理,該類技術可以填補瀝青路面車轍并改善瀝青路面滲透性能,并可以減緩瀝青路面病害的發展[4]。

3 依托工程概況

文章依托湖北某水泥混凝土路面瀝青加鋪層養護工程,對瀝青加鋪層常見病害及其預防性養護技術進行研究。依托工程路段全長87km(K1450+000～K1537+000),是湖北省較早建成通車的高速公路之一,道路為雙向四車道結構,路面最初為水泥混凝土路面。為改善道路路用性能,相關部門于道路通車運營5年后對該路段進行瀝青層加鋪,加鋪后瀝青路面結構如圖1所示。隨著運營年限的增長,瀝青加鋪層出現了較為嚴重的病害,文章選取K1460+000～K1462+000作為試驗路段,對試驗路段病害情況進行調查,并對預防性養護技術進行研究。

圖1 瀝青路面結構圖

3.1 瀝青加鋪層路面病害調查與評價方法研究

文章對試驗路段瀝青路面的病害情況進行調查,根據《公路技術狀況評定標準》(JTG 5210—2018)對試驗段病害類型及其嚴重程度進行了統計。根據相關研究可知[5],常規瀝青路面病害評價通常采用路面狀況指數PCI、路面行駛質量指數RQI、路面車轍指數RDI、路面抗滑性能指數SRI,并按照式(1)計算后進行道路狀態整體評價。

PQI=WPCI×PCI+WRQI×RQI+WRDI×RDI+WSRI×SRI

(1)

式中:PQI為路面使用性能指數;WPCI為PCI在PQI中的權重;WRQI為RQI在PQI中的權重;WRDI為RDI在PQI中的權重;WSRI為SRI在PQI中的權重。

通過前文研究可知,受材料差異性和基層剛度影響,瀝青路面加鋪層病害以反射裂縫和車轍為主,道路在縱向上平整度較高,式(1)中舒適性指數RQI以及路面抗滑指標SRI在瀝青加鋪層病害評價中代表性較差。因此,文章擬采用路面狀況指數PCI、路面車轍指數RDI對試驗段瀝青路面病害程度進行評價,并給出相應道路情況分級標準,如表1所示。

表1 試驗段瀝青路面分級情況

3.2 瀝青加鋪層路面病害調查與評價

文章對試驗路段每100m范圍內瀝青加鋪層的路面狀況指數PCI進行測定,得到圖2。由圖2可知,與初始階段相比,試驗段路面狀況指數PCI有很大程度的降低;對試驗段范圍內PCI數值進行統計可知,試驗段瀝青加鋪層路面分級為優∶良∶中∶差=0%∶20%∶35%∶45%。通過以上數據可知,試驗段瀝青加鋪層破損較為嚴重,若不及時進行修復處理,會加劇路面積水向瀝青與混凝土層間結合處滲透,瀝青加鋪層水損害的概率也會大幅增加。

圖2 試驗段路面狀況指數PCI分布

文章對試驗路段每100m處路面車轍指數RDI進行測定,得到圖3。

圖3 試驗段路面車轍指數RDI分布

由圖3可知,與初始階段相比,瀝青路面車轍指數RDI均存在一定程度的降低。根據該指標可將試驗段路面分級為,優∶良∶中∶差=0%∶15%∶35%∶50%。值得注意的是,不同截面處路面車轍指數RDI變化幅度存在較大差異,其中樁號K1460+150～K1460+966段為上坡路段,該路段范圍內路面車轍指數RDI變化幅度較大。通過以上數據可知,試驗段瀝青路面車轍病害嚴重,且道路上坡段會加劇這一現象。

4 瀝青路面加鋪層預防性養護措施

4.1 瀝青加鋪層反射裂縫處治

(1)瀝青加鋪層反射裂縫分類及其占比

瀝青加鋪層反射裂縫的處治方法受道路裂縫寬度影響。根據病害調查數據,對瀝青加鋪層裂縫種類進行了統計,得到圖4。

圖4 試驗段各類裂縫占比

由圖4可知,試驗段瀝青加鋪層不同程度裂縫存在以下關系,大裂縫∶中裂縫∶小裂縫∶微小裂縫=6.51%∶37.84%∶47.96%∶7.69%。這表明雖然試驗段路面破損程度較大,但裂縫以中小裂縫為主。根據相關研究可知,路面中小裂縫常采用填縫手段進行處理;當瀝青路面裂縫超過20mm時,應進行灌縫處理。

(2)填縫材料與工藝

由于試驗段瀝青加鋪層裂縫以中小裂縫為主,綜合考慮養護成本及路面結構等因素,試驗段采用乳化瀝青作為填縫材料。為確保養護效果,瀝青加鋪層裂縫處理應遵循以下工藝流程:(a)清理裂縫。為保證填縫材料能夠與路面材料之間形成良好的粘合效果,在進行填縫施工前應采用鋼絲刷以及氣槍等工具對裂縫內部雜質進行清掃。(b)填縫。為防止清理后的裂縫再次污染,應將填縫材料加熱后進行儲存,并在裂縫清理完畢后立刻進行填縫作業。(c)封邊修整。為保證填縫施工質量,填縫作業完成后應采用專用工具進行壓實封邊;填縫施工結束后還應在其表面覆蓋一層薄砂,防止填縫材料被車輪帶走。

(3)瀝青加鋪層反射裂縫養護效果

為更加直觀地對瀝青加鋪層反射裂縫預防性養護效果進行研究,試驗選取未進行預防性養護處理的路段作為對照組,并對試驗段和對照段加鋪瀝青層以來路面狀況指數PCI的變化趨勢進行對比,得到圖5。

圖5 路面狀況指數PCI隨時間變化趨勢

由圖5可知,瀝青加鋪層在運營第1年就已經出現明顯的劣化現象,其路面狀況指數PCI值逐漸下降;對于未進行預防性養護的路段,隨著運營年限的增長,PCI降低曲線斜率逐漸增大,這表明若不及時對破損路面進行養護,會導致瀝青路面病害突發式增長;采取填縫處理后,試驗段路面PCI值有一定程度的提高,且隨著運營年限的增長,其曲線的斜率與對照路段相比較小,這表明對瀝青加鋪層路面進行填縫處理不僅能改善當時的路面狀況,還能夠減緩病害發展趨勢。

4.2 瀝青加鋪層車轍處治

(1)瀝青加鋪層車轍病害分布

根據相關研究可知[6],瀝青加鋪層車轍在不同車道間的分布是不均勻的。根據瀝青加鋪層車轍病害調查資料,得到試驗段路面車轍分布情況,見圖6。

圖6 試驗段瀝青路面車轍分布情況

由圖6可知,試驗路段緊急停車帶車轍病害程度最低,行車道車轍病害程度最為嚴重,超車道車轍病害程度介于兩者之間;在長大上坡路段,此現象更加明顯。產生上述現象的原因是不同車道承擔上部車輛荷載不同。因此,在瀝青加鋪層車轍病害處治過程中,應對不同程度的車轍采取差異性處治措施。

(2)瀝青加鋪層車轍處治措施與工藝

文章擬采用微表處工藝對試驗段瀝青加鋪層車轍進行處理。當路面車轍深度超過10mm時,先對車轍銑刨再進行微表處施工;當路面車轍深度小于10mm時,可直接對車轍進行填補處理。瀝青加鋪層微表處施工還應遵循以下工藝:(a)施工準備:在施工前應對施工設備的機械狀態進行檢查,并根據室內試驗結果確定微表處材料配合比;(b)路面銑刨與清掃:施工準備工作完成后,根據車轍深度確定是否進行路面銑刨;為保證微表處施工質量,施工前應對路面灰塵、泥土、銑刨殘渣等進行清掃;(c)攤鋪面整平:為保證路面平整度,應對微表處施工后不平整位置進行人工找平;(d)攤鋪結束,待混合料強度上升后方可開放交通。

(3)瀝青加鋪層車轍病害處治效果分析

對試驗段以及對照段加鋪瀝青層以來的路面車轍指數RDI進行對比,得到圖7。

圖7 路面車轍指數RDI隨時間變化趨勢

根據圖7可知,當運營年限在3～4年時,RDI曲線斜率最大,說明該期間路面車轍病害日趨嚴重,在行車道還會產生擁包等更為嚴重的病害;但隨著運營年限的增長,RDI曲線斜率有所減小,這說明在車輛荷載作用下路面材料會逐漸密實,車轍發展趨勢逐漸減緩。對瀝青加鋪層進行微表處施工后,RDI值有一定程度的提高,這說明微表處施工能夠有效解決瀝青加鋪層的車轍問題;隨著運營年限的增長,試驗段RDI值呈下降趨勢,但其曲線斜率略高于對照段,這也印證了混合料的壓密作用是瀝青加鋪層車轍病害產生的重要原因。

5 結論

文章對水泥混凝土路面瀝青加鋪層常見病害及其產生原因進行了分析,并對預防性養護技術在瀝青加鋪層中的應用進行了研究。主要得出以下結論:

(1)受原混凝土路面開裂及溫度影響,瀝青加鋪層會出現反射裂縫。與普通半剛性基層相比,混凝土路面剛度較大,在車輛荷載的作用下瀝青加鋪層的車轍病害較為嚴重。對于瀝青加鋪層出現的反射裂縫,可通過瀝青填縫、抗裂貼片等技術進行處理;對于路面車轍病害,可采用微表處、罩面層等技術進行處理。

(2)通過對預防性養護技術在瀝青加鋪層中的應用進行研究可知:在較短時間內,瀝青加鋪層已經出現了不同程度的裂縫與車轍等病害,且隨著運營時間增長,程度會逐漸加重。對瀝青加鋪層進行預防性養護處理,不僅能夠改善路面運營狀態,還能夠減緩瀝青加鋪層病害的發展。