[分享]我国高速公路沥青路面建设目前应关注的几个问题

发表于2018-05-03    722人浏览    1人跟帖    总热度:79  

编前语:路面材料与公路的使用寿命密切相关,采用什么样的路面材料最适合我国国情呢,本栏目所编发的一组文章,集中研究沥青材料,特别是著名公路路面专家沈金安所撰写的文章,多方面分析了沥青材料在公路上的应用现状,针对热点问题提出了有见地的观点,值得业界人士关注。

改革开放以来的20年,是中国公路历史上交通发展速度最快,规模最大,最具活力的时期,自1988年沈大高速公路建成通车以来,中国的公路事业进入了以建设高速公路、一级公路等高等级公路为主的新时代。1998年以来,中国已经连续4年每年将超过2000亿元的投资用于公路建设,2002年达到公路建设3211.73亿元。到2002年末,全国公路总里程达到176.5公里,比1989年增长了74%,公路密度以国土面积计算,达到每百平方公里18.4公里,13年增长了7.7%,以人口总数计算达到13.6公里/万人,通公路的乡镇比重达到99.5%,通公路的行政村比重达到92.3%。高速公路里程,1989年全国仅为271公里,到1999年突破1万公里,到2002年突破2万公里,一年新增5693公里,达到25130公里,高速公路的总里程已经跃居世界第二位,明年就将超过30000公里。用短短的十多年时间走完了发达国家半个多世纪的发展历程。我国已经有10个省的高速公路里程突破1000公里,其中山东达到了2411公里。2002年二级及二级以上公路占总里程的比重达到14.1%,比上年增加了0.7%。由于公路建设的发展,带动了交通运输事业的发展,在各种运输方式的总运量中,公路运输完成的客货运量和客货周转量所占比重大幅度提高。

在已经建成的高速公路沥青路面中,大部分路面的使用状况是比较好的。例如1991年建成的京津塘高速公路,至今已经12年,情况良好,现正进行微表处理或再生进行预防性养护。1988年建成的沈大高速公路,沈阳至鞍山段除进行了局部修补外,仍在正常使用。1993年建成的广深高速公路,至今没有发生严重的破坏,现正进行表面功能性的维修养护。另外,1996年建成的沪宁高速公路,八达岭高速公路以及随后建成的京沪、京哈、京珠三大高速公路主干线,大部分路段都达到了相当高的使用水平。

不过,我们也清楚地认识到,由于我国高速公路的建设起步晚,技术力量的储备较少,经济基础较差,以及中国的气候和交通荷载条件恶劣,车辆超载严重,优质的道路石油沥青等原料缺乏等原因,铺筑的高速公路路面结构还存在种种问题,一些路段的建设水平并不如人意,甚至发生了通车头几年就不得不大规模维修的车辙、开裂、泛油、坑槽等早期损坏现象。如何预防高速公路的早期病害是我国重要的研究课题。

本文谈谈中国目前高速公路建设中普遍关注的几个技术问题,抛砖引玉,以期引起广泛的重视和思考。

Snap10

关于沥青路面的结构形式

中国沥青路面的结构有其自身的特点,这是中国国情决定的,是公路建设发展历史的必然结果。

在2O世纪的60年代以前,中国的公路路面基本上只能用砂石材料铺筑。从60年代中国开发大庆油田起,开始利用质量很差、蜡含量很高的渣油,铺筑薄层的渣油表面处治,厚度一般为50px左右。为了提高承载能力,基层主要采用石灰稳定土。当时的目标仅仅是为了做到“晴雨通车”,解决晴天扬灰、雨天泥泞的问题。渣油表处加上石灰土的简易式结构起到了重大作用,渣油路面和双曲拱桥、钻孔灌柱桩成为当时中国公路行业的三大科研成果之一。

2O世纪的70年代起开始建设胜利油田并正式生产道路沥青,但严重缺乏沥青资源的情况并没有改变。渣油、沥青是国家计划分配物资,每年只有5O~1O0万吨左右,远远不能满足全国需要,中国当时的经济条件也不可能从国外进口沥青。再加上筑路机械主要是沥青喷洒车,为数很少的国产小型拌和楼的拌和能力很低,且不能添加矿粉,许多还停留在人工拌和的水平上。我国在努力实现公路路面黑色化的同时,竭力减薄沥青面层的厚度,为满足日益增长的交通荷载的需要,水泥、石灰、粉煤灰等无机结合料稳定粒料成为最普遍的基层结构。沥青面层由沥青表面处治向贯入式路面、上拌下贯式路面,及半开级配的沥青碎石路面过渡,沥青层的厚度充其量只能做到150px~200px。当时的主要认为是加快路面“黑色化”。这个国情决定了中国长期来奉行“强基、薄面、稳土基”的方针。它使我国公路沥青路面的水平有了显著的改善。

进入20世纪的80年代后,交通量迅速增加,开始修建二级公路、一级公路,沥青面层逐步向沥青混凝土发展,半刚性基层和底基层的强度要求也随之增加。尤其是1984年开始设计京津塘高速公路,沥青缺乏和路面承载能力的矛盾更加激化。为了提高沥青路面的使用性能,中国的石化与石油部门对生产高质量的道路沥青进行了艰苦的努力,并开发了一些优质的国产道路沥青,但面对蓬勃发展高速公路建设的形势,这些沥青仍然是杯水车薪,不得不从国外进口大量沥青,这在经济上是个沉重的负担。80年代末期的“七五”,国家科技攻关项目就是应当时的生产形势开设的研究课题。由此形成了“半刚性基层重交通道路沥青路面及抗滑表层成套技术”,这个引人注目的研究成果获得了国家科技进步二等奖,成为这以后沥青路面设计和施工的重大技术依据,促进了高速公路建设的大发展。与此同时,道路沥青进口数量继续飙升,路面造价居高不下,成为发展沥青路面的重大障碍。半刚性基层沥青路面继续在“强基薄面”的思想下发展,半刚性基层沥青路面成为中国沥青路面结构的主要型式,并几乎成为包括高速公路在内的唯一的结构形式。现在,除少部分干线高速公路已经将沥青面层加厚至450px外,普遍采用沥青面层3层总厚度为375px~400px的结构,而基层的强度则逐渐从3MPa提高到5MPa以上,在施工中甚至强度更高。

图2显示了我国道路沥青进口数量的增长情况,沥青及沥青混合料的成本甚至超过国外发达国家的价格。由于沥青路面的初期投资昂贵,一方面大力发展水泥混凝土路面,一方面继续努力减薄沥青面层,加强半刚性基层。

因此,我国广泛采用半刚性基层沥青路面这种结构是有其长期的历史发展过程的,而且为我国沥青路面的发展做出了巨大贡献。

但是,多年来许多沥青路面发生严重的早期病害,不得不使人们对此结构提出一些质疑。长期以来人们普遍认为半刚性基层的最大优点是板体性强,有很高的承载能力。我们一直在充分利用它的这个优点,但是对它的缺点却并不很重视。这就引发人们开始思考,为什么在国际上发达国家很少采用半刚性基层沥青路面这种结构,而且越是重交通量道路,越不采用。除了造价一个因素外,在技术上是怎么考虑的呢?按照“与时惧进”的思想,我们不能固步自封,必须认真考虑这一点。

据了解,国际上在20世纪70年代以前,半刚性基层沥青路面也曾经用得很普遍,并发生了关于基层的“黑白之争”,后来,柔性基层和全厚式路面得到了很大的发展,逐渐成为主流。

我们分析,其原因可能是半刚性基层在其优点的反面,也有不少缺点,有些是无法克服的。

1)半刚性基层的收缩开裂及由此引起沥青路面的反射性裂缝轻重不同地存在。在国外普遍采取对裂缝进行封缝,而在交通量繁重或者高速公路上,这种封缝工作十分困难,严重影响交通,也不安全。而在我国,目前根本就没有发现裂缝就进行沥青封缝的习惯,因而开裂得不到有效的处理。裂缝的存在导致两种后果,首先是裂缝中进水,导致沥青层和基层界面条件的变化,使基层、底基层、路基的水分状况恶化,承载能力迅速降低,表面产生水力冲刷,出现灰浆,并形成裂缝处唧浆、坑槽;第二是车轮从裂缝的一侧经过到达裂缝的另一侧时,荷载变化不再连续,使路面裂缝两侧发生大的应力突变,还形成很大的上下剪切和表面受拉。

2)半刚性基层非常致密,它基本上是不透水或者渗水性很差的材料。水从各种途径进入路面并到达基层后,不能从基层迅速排走,只能沿沥青层和基层的界面扩散、积聚。水进入路面的途径,除了降雨(尤其是梅雨、雨季集中降雨)、降雪、化雪的表面水外,还有多种来源,如冬季由于冰冻引起的水分积聚和春融期间产生的积水,超限超载车辆为了降温需要向轮毂不断喷水,以保持汽车的刹车性能,使路面常年处于潮湿状态。中央分隔带的绿化浇水、挖方路段的裂隙水、路面铺筑过程冲洗的水等等。可以说,水进入沥青路面是不可避免的,如不能及时排走就将造成危害。界面上水的存在改变了界面连续的边界条件,使路面的受力状态变得十分不利,成为导致路面破坏的直接原因。

3)半刚性基层有很好的整体性,但是受水的影响敏感,在长期浸水条件下,板体结构会逐渐破坏,反映为路面弯沉并不水龄期的增长不断减小,沥青路面开始出现破损,弯沉迅速增大,并导致结构性破损。现在许多高速公路竣工验收阶段的弯沉很小,以后逐步变大。许多路面在损坏初期开挖可见基层往往是完好的,弯沉并不大。说明除了少数确实是因为基层施工不好的原因外,大部分基层发生结构性损坏,是发生在沥青面层损坏之后。

4)半刚性基层损坏后没有愈合的能力,且无法进行修补。基层一旦破坏,便无可救药,除了挖掉重建,别无他法,这将对沥青路面的维修养护造成很大的困难,通常所说进行“补强”实际上是不现实的,也是不可能的。在半刚性基层是加铺基层也不能结合成为整体。

5)半刚性基层很难跨年度施工,无论是直接暴露还是铺上一层下面层过冬,都避免不了发生横向收缩裂缝,从而为沥青路面的横向裂缝埋下隐患。甚至在冬天就从缝中进水(融雪)、半刚性基层暴露的还可能冻疏,影响强度的形成。集中到一点,开裂和进水且难以排走是这种结构致命的缺点。

另外我们也发现我国的半刚性基层沥青路面与国外有诸多的不同,例如:

1)国外半刚性基层的作用主要是加强路基,用在路基不好的地方,并不是像我国是将其作为主要的承重层,承重层是沥青面层,设计理念不一样;

2)直接使用于沥青面层下的半刚性基层的强度一般并不太高,为了减少收缩和改善渗水性能,不能太致密,水泥剂量没有那么多,日本水泥剂量通常只有2%左右,只有在底基层的水泥土强度要求高一些。而我们现在水泥用量经常大于6%;

3)水泥稳定碎石基层通常切缝,以分散收缩裂缝。法国是每3~5m一道,缝中灌注沥青。我国东北地区也切过缝。一是间距较大,二是不灌沥青,效果不好,现在都不切了;

4)水泥稳定碎石基层上面经常设置级配碎石层作为过渡层,以减少反射缝和排水,成为倒装结构,我国设计规范也提到这种措施,但由于它将使弯沉增大而得不到采用;

5)国外很少使用石灰粉煤灰稳定碎石,因为它根本不可能形成嵌挤型结构,而且更加致密,外无法排水。

应该承认,半刚性基层收缩裂缝引起沥青路面的反射缝问题是很早就注意到了的,我们为此做了种种努力,使反射缝有了很大程度的减少。但近年来由于设计弯沉减小,半刚性基层强度过大的情况又有所发展,开裂的情况在不少路上还相当严重。

对半刚性基层不能排出水分的问题也已经引起了重视。尽可能减少半刚性基层中细粉部分的比例,使基层中的粗集料形成嵌挤,同时改善沥青路面结构层的排水性能。例如,近年来广泛在沥青层的边缘设置纵向排水沟,图3是两种美国AASHTO推荐的路面边缘排水结构图式。

由于以上种种原因,现在许多单位和学者已经开始考虑在中国适当地发展柔性基层沥青路面的结构型式。如果仅以初期投资来比,它的造价可能会稍有增加,但是毕竟我们现在的经济承受能力已经有了相当的提高,如果能够解决半刚性基层沥青路面结构带来的问题和困惑,能够有效地避免发生早期病害,那么所增加的经费将可以很快从维修养护费用中返回,总的全寿命成本经济效益将会是合算的。正是出于这种考虑,不少地方已经开始铺筑试验路,以探讨它对于我国高速公路使用的可行性,改进我国沥青路面结构单一的问题。

现在我们许多高速公路已经开始进入维修养护和加宽改造的阶段。对半刚性基层沥青路面来说,基本思想就是由基层作为承重层,路面的损坏往往是结构性的,经常无法通过沥青面层的维修得到解决,维修养护往往成为“开膛破肚”式的,这是目前面临的一个大难题。相比之下,国外沥青路面的设计寿命越来越长。现在又出现了“长寿命路面(perpetualpavement)”的思想。它的最大特点是确保路面各类损坏控制在路面表面层顶部很薄的范围内,如自上向下的温度疲劳开裂、车辙、表面磨耗、沥青老化都努力限制在磨耗层内,防止出现中面层以下的结构性损坏。表面层的损坏只需通过预防性养护得以补救。为了保持路面的行车舒适性和良好的服务性能,每隔一定时间进行一次沥青罩面或铣刨加铺,使路面结构具有50年以上的使用寿命。美国学者提出的3层式沥青路面的代表性结构如图4。在这个结构层中,下面层或者称基层(asphaltbase),具有很好的耐久性,特别具有优良的抗疲劳性能。它可以通过增加沥青用量达到目的,设计适宜的层厚也能取得同样的效果。中面层具有特别好的抗车辙性能。为了既有稳定性又有耐久性,通常推荐采用SMA结构,至少需要按Superpave方法设计混合料。表面层具有特别好的抗车辙性能,并且不透水,具有良好的水稳定性。为此,对重交通道路,需要采用SMA,也可以采用按Superpave方法设计混合料。

这种长寿命路面在美国、英国、澳大利亚都进行了一定的研究和实践,也已经引起了我国学者的注意,有的省正在开展这方面的研究,铺筑试验路,这是件很有意义的工作。

现在大家都深恶痛绝超限超载车辆,把超载成为公路的“第一杀手”,这是毫无疑义的。对沥青路面来说,车辙的产生往往是重载车和高温的同时作用的结果,而水损害及过早的疲劳损坏则是重载车与水共同作用的结果。

对重载车来说,半刚性基层沥青路面具有更大的轴载敏感性。重载车换算为标准轴载,对柔性基层通常是按4次方换算,而对半刚性基层来说,随着基层和沥青层的模量比的增大,换算荷载的次方数将不再是4次方,很可能是8~12次方。例如,通过1辆轴载300kN的超载车,如果是柔性基层,它相当于100kN标准车81辆,而按半刚性基层沥青路面12次方计算,将相当于53万辆。它对于路面的损伤将相差6000倍,其后果是很难设想的。

对车辙的产生来说,一般人都认为沥青层越厚越容易产生车辙。计算表明,当沥青层与基层处于完全连续的状态时,随沥青层的加厚,层底剪应力将有所增加,但增加的量很小。国际上普遍认为,当沥青层厚度在450px以下时,沥青层越厚则车辙也将越大,但是厚度超过450px时,与厚度的关系就不大了。我国的超载情况严重,影响深度会大一些。但当沥青层和基层的界面条件变为滑动时,沥青层层底剪应力将会随沥青层加厚而减小,薄的沥青层可能更容易产生车辙,这可能就是一些高速公路尽管沥青层不厚反而产生了很大的车辙,而像京津塘高速公路,广深高速公路尽管沥青层厚得多倒反而没有多大车辙的缘故。

通过以上分析,我们是不是应该认真考虑,在超限超载车辆短时期不能得到根治,高温和雨水更无法避免的现实情况下,究竟采用什么样的结构更加合理一些。

对沥青路面设计指标的看法

我国沥青路面结构一直以表面弯沉作为承载能力的主要设计指标,在现在的设计模式和界面条件情况下,沥青层底部的弯拉应变通常不成为控制性指标。对这个问题,许多人都在考虑,弯沉究竟能否代表路面的结构强度?能否控制路面的设计年限?这里有许多事情困惑着我们。现在这方面的研究已经开始。首先,现行路面结构设计理论是建筑在弹性层状体系理论的基础上的,以设计年限内的换算当量轴载作为交通量指标,按照路面损伤等效的原理确定容许弯沉和破坏应力,利用疲劳破坏的模式设计结构层厚度。在设计理念上是假定一个沥青层厚度,以基层作为承重层设计其厚度。那就意味着沥青层仅仅起到表面功能作用,路面荷载大、交通量大就需要加强基层强度和厚度,路面破坏意味着基层破坏。至于沥青层到底需要多厚,似乎无所谓,甚至沥青层厚了反而没有好处。而在国外,通常是对路基和基层提出一个起码的要求,以沥青层作为承重层考虑,计算沥青层的厚度,这就意味着只要路基和基层足够,路面破坏就是沥青层不足。两个设计理念是相反的。这种设计理念给路面的维修改造带来了很大的麻烦。现在沈大、杭甬、沪宁、广佛、京石高速公路等许多高速公路都进入维修、加宽、改造的阶段,以适应交通量快速增长的需要。由于表面弯沉是控制指标,而使用过程中弯沉都会增大,那么旧路面的弯沉超过原设计允许弯沉时将被判定为承载能力不足,而必须补强基层,维修沥青面层将无济于事。

事实上,表面弯沉受路基和基层的水分状况影响很大,一些高速公路尽弯沉超过了设计弯沉,但是因为经费关系,只加铺沥青层(哪怕只进行了微表处),把水封住了,过一段时间后弯沉又变小了。

现在普遍的问题是尽管沥青路面的设计容许弯沉已经很小很小,路面铺筑竣工验收时的弯沉也都能符合设计弯沉的指标。那么理论上可以认为这个路面应该能够达到规定的设计年限。那么为什么在不太长的时间里发生早期损坏了呢?而真等到路面破坏了再去测定弯沉,又可能大了许多。这不禁要问,到底是因为弯沉不足导致路面损坏呢?还是由于路面损坏进水,使工作状况变化,弯沉才变大的呢?

现在有的工程为了适应大交通量和重载交通的需要,设计弯沉越来越小,这就必然导致提高半刚性基层的强度,以减小路面弯沉。施工过程中大部分建设单位和监理都认为强度越高越好,只控制强度的下限,不控制强度的上限。其结果不仅是反射性裂缝明显增加,而且半刚性基层过于致密,由裂缝和空隙中下渗的水更难通过基层排走,积存在基层表面的水很容易产生灰浆。这样,半刚性基层与沥青层之间的界面条件,就不可能继续保持路面刚建成时的连续状态,而保证完全连续的界面条件对路面的使用状态是至关重要的。一旦成为半连续甚至滑动的界面条件,这将有可能在沥青层底面产生超过极限的拉伸应变,导致沥青面层开裂。对众多发生水损害破坏的沥青路面的开挖可知,破坏的起源往往是界面上有水,从而产生唧浆、龟裂、坑槽。

还有不少高速公路,即使路面已经开始出现破坏,可是对路面进行弯沉测定会发现弯沉往往并不大,基层也仍然保持完好。尤其是可以发现有不少纵向裂缝和龟裂是从横向裂缝处出发展形成的。

在这种情况下,我们是否应该考虑,究竟把各个层次定位在什么样的功能上好,又以什么指标作为路面的设计指标更加合理呢?

高速公路的加铺和维修养护技术

尽管我国的高速公路的建设时间都还不太长,但新一轮的维修养护的高潮已经到来。无疑这与沥青路面的早期病害已经预防性养护不足有很大的关系。对高速公路的维修养护,最重要的是改变观念。我们必须大声疾呼进行必要的预防性养护,这是至关重要的事。

长期以来,由于资金不足和“重建轻养”的思想,公路的维修养护一直处于从属的地位上,能拖则拖,一直拖到没有办法,路已经烂得实在说不过去了,才着手维修。这种在中低级公路养护中形成的坏习惯必须彻底抛弃。事实已经证明,高速公路在严重交通量和超载车作用下,提早发生了破坏,而破坏发展的速度是惊人的。就目前广泛使用的半刚性基层沥青路面来说,最普遍的问题是出现横向裂缝,裂缝的危害是要进水,为了防止进水,及时封缝是非常重要的。尽管封缝的效果可能不是太好,也许维持的时间较短,一般到冬天又会开裂,但如果一次封缝能够保住一年不进水,那就很合算了。

半刚性基层沥青路面上出现坑槽都是从唧浆开始,而唧浆开始时一般都局限于很小的面积,有的甚至只有1~50px的大小,或者从一条接缝处发生。如果加强巡逻,发现一个及时挖补一个,将能使损坏面积控制在很小的范围内,也不至于造成大的社会影响。

许多路面的损坏是由于沥青层渗水引起的,沥青层的密水性不足,可能是路面大规模损坏的根本原因。如果发现有这样的公路,及时进行罩面将起到事半功倍的作用,在高速公路上铺设改性沥青稀浆封层(微表处理)将是最省钱,又最有效果的措施。

必须注意,大部分高速公路的损坏与排水设施不完善有直接的关系。在旧路维修设计时,要把改善排水放到最重要的位置,包括沥青路面结构层内部排水在内,如果排水不解决,损坏将仍然不可避免。

旧路的维修设计必须仔细调查产生的原因,有针对性地提出详细的维修方案。有些路段由于破坏面积较大,已经需要全面罩面;有些需要修补坑槽;对已经磨光或者泛油的路面,急需恢复抗滑功能;路面普遍存在的裂缝需要灌缝封水;半刚性基层沥青路面的车辙情况相对较轻,但有些上坡和慢速路段,或者使用了较稀沥青的段落也存在明显的车辙。由于我们的沥青层一般较薄,维修时千万不要统统刨掉再加铺,能够保留使用的尽量保留。

现在许多地方开始采用沥青路面的再生技术对旧路进行维修养护。再生技术方法很多,至于什么样的路适用于什么样的再生方法,需要认真研究。在旧沥青路面的再生利用中,有许许多多的技术问题,我们比较陌生,需要进行探索。以就地热再生技术而言,如何测定已经老化的沥青性能?如何进行再生沥青混合料的配合比设计?如何进行施工质量管理等等都是我们面临的重要技术课题。


分享至

分享到微信朋友圈 ×

打开微信"扫一扫",扫描上方二维码
请点击右上角按钮 ,选择 

 发表于2018-05-03   |  只看该作者       筑龙币+10

2

很好的文章,对我国半刚性基层的使用和国外进行对比,指出目前我国的基层结构的合理性提出改进意见。

 回帖后跳转到最后一页


分享