浅析沥青路面早期破坏的成因与对策

　　一、沥青路面现状
　　近年来，沥青路面的早期破坏现象十分普遍，沙庆林院士在分析沥青路面早期破坏现象时，认为沥青混合料施工的质量控制和均匀性是造成路面不均匀性的一个重要原因。由于路面的局部离析，造成部分区域路面的空隙变大，使降落在路表面的部分水，直接通过这些缝隙或面层空隙下渗到路面结构内，渗入路面结构层内的地表水和自由水，不能尽快地排到路面外，而滞留在路面结构层内，在行车荷载的作用下，产生较大的毛细水压力，对路面造冲刷破坏，削弱了沥青和石料间的粘结力，由于汽车轮胎动载对路面的挤压、搓揉作用，进一步加快了沥青的剥落，直至路面出现水破坏、坑槽等早期破坏现象。或者由于摊铺机的结构原因，在熨平板的中缝、每个螺旋支撑处和螺旋链轮箱(中置驱动链轮箱)下方，填料不够充分，螺旋支撑阻滞混合料流动，形成带状离析，在车辆和自然因素的作用下，很快就发生纵向裂缝。
　　二、沥青路面早期破坏成因分析
　　通过对早期破坏现象严重的公路进行调查和试验分析认为，沥青路面因混合料的性能而遭到破坏的原因主要是沥青混合料的施工均匀性差，沥青混合料的施工均匀性包括压实温度的均匀性、混合料的级配均匀性、拌和的均匀性、粗细集料的聚集和分散程度、形成路面的空隙率的一致性和层厚的一致性。沥青混合料的施工均匀性愈好，其强度就愈均匀，面层表面的薄弱处也就愈少，发生破坏现象就愈少。沥青混合料的施工均匀性主要表现在以下方面：
　　1)压实温度的影响。通过不同压实温度下的室内对比试验表明：当沥青混合料的压实温度在171℃时，车辙为0.35mm，疲劳循环次数为30万次，空隙率为7.4%;当压实温度在116℃时，车辙为1.55mm，疲劳循环次数约5.2万次，空隙率为9.8%，温度相差56℃，后者的疲劳次数为前者的17.3%，后者的车辙为前者的4.4倍，后者的孔隙率为前者的1.3倍，路面的破坏可能就从施工温度较低的部位开始。有关试验资料表明，在104℃条件下制作的试件，其疲劳寿命大约只相当于在149℃条件下制作的试件的10%~12%。
　　2)混合料离析的影响。在沥青混合料生产过程中，由于集料堆放、运输、拌和、储存、装卸、摊铺工艺的影响，造成沥青混合料离析。粗集料较为集中的地方沥青路面的空隙率较大、沥青含量低，导致沥青路面产生水损害，从而产生疲劳裂缝、坑洞以及剥落等其它病害;细集料较为集中的区域，沥青路面的空隙率小、沥青含量大、容易产生车辙、泛油等病害，形成路面后，构造深度小，抗滑性能差。
　　据有关资料研究表明，在施工过程中，由于拌和、运输、摊铺等原因造成沥青混合料轻微不均匀，对路面的使用性能影响不太明显，如果发生严重不均匀，它的使用寿命就大大缩短，使沥青路面早期病害现象更早地出现。如果混合料发生严重不均匀，在湿润条件下的抗拉强度仅为均匀的30%，疲劳次数为均匀的10%左右，这样的路段易直接导致沥青路面的早期破坏。
　　3)技术和管理水平不良。国内公路建设项目材料绝大多数取自于社会料场，一个工程的集料往往来自多个料场，质量参差不齐，不仅石料质量不同，而且破碎和筛分机械规格不一致，筛孔尺寸混乱，导致集料产品质量及规格各不相同，实际级配与配合比设计所采用的级配有很大的差距。施工时实际使用的材料与设计并非完全一致，导致施工配合比发生较大变化，为路面的不均匀性埋下隐患。
　　沥青拌和厂的生产和材料堆放场地不规范，不同材料之间隔挡不严，集料存放的场地没有硬化，料场不设防雨棚，尤其是砂子、石屑等细集料不同部位的含水量也不一样，干燥和潮湿状态时的流动性差异很大，拌和机的供料控制会有很大的波动，直接影响配合比。
　　另外，拌和厂冷料仓的进料隔板过低，用装载机向冷料斗装料时，材料进入相邻冷料斗中，造成不同规格集料互相混掺，明显增大集料的不均匀性。
　　沙庆林院士对沥青路面的病害进行了深入的研究，认为沥青路面的一些早期破坏都与沥青混合料的病害密切相关，沥青混合料集料病害和温度病害是造成路面不均匀性的一个重要原因，是降低路面使用性能的“顽症”，混合料发生离析时，粗集料和细集料分别集中在铺筑层的某些位置，使实际使用级配和沥青用量与设计不符，不能达到预期的路用性能。
　　综上所述，在设计和施工过程中，由于技术人员的技术和管理水平的不同，导致沥青混合料在施工中产生较大的不均匀性，使沥青路面的使用性能大大降低。
　　三、预防沥青路面早期破坏的关键控制技术
　　1)施工准备
　　a)拌和机要求。目前，国内高速和一级公路一般要求4000型以上间歇式拌和机，确保总拌和能力满足施工进度要求，拌和机除尘设备完好，能达到环保要求。冷料仓的数量满足配合比需要，通常不宜少于5～6个，各种传感器必须定期检定，周期不少于每年一次。冷料供料装置需经标定得出集料供料曲线，并具有添加矿粉和抗剥落剂等材料的设备。
　　要求必须配备计算机设备，拌和过程中逐盘采集并打印各个传感器测定的材料用量和沥青混合料拌和量、拌和温度等各种参数，每个台班结束时打印出一个台班的统计量，按规范附录G的方法，进行沥青混合料生产质量及铺筑厚度的总量检验，总量检验的数据有异常波动时，应立即停止生产，分析原因。规范把高速公路和一级公路机械要求，由原规范的“宜”改为“必须”，而且要求拌和过程中逐盘“采集并打印"实际使用的材料用量、沥青混合料数量等，进行沥青混合料生产的过程控制和总量检验。
　　间隙式拌和机宜备有保温性能好的成品储料仓，贮存过程中混合料降温不得大于10℃、且不能有沥青滴漏，普通沥青混合料的贮存时间不得超过72h，改性沥青混合料的贮存时间不宜超过24h。
　　b)拌合楼的调试和拌合。要对拌合楼的标定，在空转和负荷运转正常后进行混合料级配调试。首先要调试冷料仓下料比例，确保冷料在进入滚筒前就符合级配设计要求，这个步骤最为关键，可保证少溢废料和配合比准确性。再按规定方法取样测试各热料仓的材料级配，确定各热料仓的配合比，供拌和机控制室使用。同时选择适宜的筛孔尺寸和安装角度，尽量使各热料仓的供料大体平衡。标准配合比的矿料合成级配中，在关键筛孔的通过率接近优选的工程设计级配范围的中值，并避免在0.3mm～0.6mm处出现“驼峰"。取目标配合比设计的最佳沥青用量OAC、OAC±0.3%等3个沥青用量进行马歇尔试验和试拌，通过室内试验及从拌和机取样试验综合确定生产配合比的最佳沥青用量，由此确定的最佳沥青用量与目标配合比设计的结果的差值不宜大于±0.2%。沥青混合料拌和时间根据具体情况经试拌确定，以沥青均匀裹覆集料为度。间歇式拌和机每盘的生产周期不宜少于45s(其中干拌10s 湿拌35s)。改性沥青混合料的拌和时间应为干拌15s湿拌45s。烘干集料的残余含水量不得大于1%。每天刚开始几盘集料应提高加热温度，并干拌几锅集料废弃，再正式加沥青拌和混合料。
　　生产配合比验证阶段：拌和机按生产配合比结果进行试拌、铺筑试验段，并取样进行马歇尔试验，同时从路上钻取芯样检测空隙率的大小，由此确定生产用的标准配合比。
　　2)沥青混合料的拌和。沥青混凝土拌和时严格按照试验室配合比执行，拌和出的混合料要及时做各类试验，以试验数据指导施工，确保沥青混合料的质量。沥青混合料出厂时应逐车检测沥青混合料的重量和温度，记录出厂沥青混合料的运输时间，签发运料单。
　　3)沥青混合料的运输。热拌沥青混合料宜采用较大吨位的运料车运输，但不得超载运输，或急刹车、急弯掉头，施工过程中摊辅机前方宜待等候的运料车不少于5辆后开始摊铺。
　　运料车车厢应涂一薄层防止沥青粘结的隔离剂或防粘剂，但不得有余液积聚在车厢底部。从拌和机向运料车装料时，应多次挪动汽车位置，平衡装料，以减少混合料离析。运料车运输混合料宜用苫布覆盖保温、防雨、防污染。摊铺时运料车应在摊辅机前100mm～300mm处停住，空挡等候，由摊辅机推动前进开始缓缓卸料，避免撞击摊辅机。
　　4)沥青混合料的摊铺。热拌沥青混合料应采用沥青摊铺机摊铺，宜使用履带式摊铺机。摊辅机的收料斗应涂刷薄层隔离剂或防粘结剂。 规范规定铺筑高速公路、一级公路沥青混合料时，一台摊铺机的铺筑宽度不宜超过6m(双车道)～7.5m(3车道以上)，通常宜采用两台或更多台数的摊铺机前后错开10m～20m成梯队方式同步摊铺，两幅之间应有30mm～60mm左右宽度的搭接，并躲开车道轮迹带，上下层的搭接位置宜错开200mm以上。
　　一些高速公路采用全幅摊铺作为提高平整度的重要措施，盲目追求平整度成了施工中的一个通病，造成不良后果。在欧美、日本对铺筑宽度有所限制，如日本通常限制为7m，欧洲一般是6m，不超过9m，美国基本上是一个车道的宽度，即3.5m～4m。
　　采用全幅摊铺能提高平整度的说法也是一种误解。全幅摊铺的缺点主要有：
　　螺旋布料器运送混合料距离过长，不可避免地会造成粗细集料的离析，越往边上温度下降多，导致温度不均匀和压实度不一样(边部不密实易渗水)。
　　摊铺机的重量和马力是一定的，摊铺宽度越大，平均振捣力越小，铺筑后的初始压实度越小。而初始压实度越大，混合料铺筑后的温度下降越慢，压实更好。
　　美国沥青杂志《Compaction Principles for Heavy-duty HMA》中介绍，为提高重载路面的压实度，首要的因素是利用摊铺机进行初始压实。这就要求摊铺机速度要慢，摊铺宽度要窄。
　　摊铺机开工前应提前0.5-1.0h预热熨平板不低于100℃，摊铺过程中应选择熨平板的振捣或夯锤压实装置具有适宜的振动频率和振幅，以提高路面的初始压实度。
　　摊铺机应缓慢、均匀、连续不间断的摊铺，不得随意变换速度或中途停顿，以提高平整度，减少混合料离析。摊铺机速度宜控制在2-4m/min的范围内;对改性沥青混合料宜放慢至1-3m/min。
　　沥青路面施工的最低气温应符合要求，寒冷季节遇大风降温，不能保证迅速压实时不得铺筑沥青混合料。热拌沥青混合料的最低摊铺温度根据铺筑层厚度、气温、风速及下卧层表面温度不得低于要求。每天施工开始阶段宜采用较高温度的混合料。
沥青混合料的最低摊铺温度

下卧层的表面温度 （℃）	相应与下列不同摊铺层厚度的最低摊铺温度（℃）
	普通沥青混合料			改性沥青混合料或SMA沥青混合料
	<50mm	50～80mm	>80mm	<50mm	50～80mm	>80mm
<5	不允许	不允许	140	不允许	不允许	不允许
5～10	不允许	140	135	不允许	不允许	不允许
10～15	145	138	132	165	155	150
15～20	140	135	130	158	150	145
20～25	138	132	128	153	147	143
25～30	132	130	126	147	145	141
>30	130	125	124	145	140	139

　　沥青混合料的松铺系数应根据混合料类型由试铺试压确定。摊铺机的螺旋布料器应相应于摊铺速度调整到保持一个稳定的速度均衡地转动，两侧应保持有不少于送料器2/3高度的混合料，以减少在摊铺过程中混合料的离忻。
　　在雨季铺筑沥青路面时，应加强气象联系，已摊铺的沥青层因遇雨未经压实的应予铲除。
　　5)沥青路面的压实及成型，我国沥青路面发生早期损坏，经常是由于压实不足造成的。改善压实工艺，保证混合料充分压实是提高沥青路面建设质量的关键。压路机应以慢而均匀的速度碾压，压路机的碾压速度应符合下表的规定。
压路机碾压速度（km/h）

压路机类型	初压		复压		终压
钢筒式压路机	适宜	最大	适宜	最大	适宜	最大
轮胎压路机	2～3	4	3～5	6	3～6	6
振动压路机	2～3	4	3～5	6	4～6	8
	2～3（静压或振动）	3（静压或振动）	3～4.5 （振动）	5 （振动）	3～6 （静压）	6 （静压）

　　a、热拌沥青混合料压实层的最大厚度与压路机的类型及吨位有密切的关系，对密级配沥青混合料，美国沥青协会规范MS一8规定不得大于100mm，日本规定一般不大于70mm(沥青稳定碎石基层不大于100mm)。但对大粒径沥青稳定碎石基层，由于沥青结合料数量较少，压实阻力也小，容许厚一些，工程中可以通过实验论证，通常以不超过120mm为好。
　　b、其中最重要的是压路机的数量和配置。原则上，需要的压路机台数可根据与铺筑速度匹配的原则，由压路机宽度、速度、要求的碾压遍数计算确定。规范首次提出了高速公路铺筑双车道沥青路面的压路机数量不宜少于5台的要求。
　　c、在高温下紧跟压路机碾压是提高碾压效果的重要手段，错过了时机将使压实很难进行。在美国SUPERPAVE的施工指南(SR 180)及一些论文中，提出了一个沥青混合料施工难于碾压的“敏感区tenderzone)"，或称为“不稳定区"，此温度范围约为93℃～115℃。很明显它是针对非改性沥青混合料而言的。在温度下降至不稳定区之前完成碾压是十分重要的。但是如果在温度下降至不稳定区以下碾压，这实际上是利用压路机的压力产生的剪切应力使集料强制变位，而达到稳定和密实的状态。很显然，它对于集料的破碎也是十分不利的，所以应该尽量避免，尤其是不要采用振动压路机在低温下碾压。在不产生严重推移和裂缝的前提下，初压、复压、终压都应在尽可能高的温度下进行。同时不得在低温状况下作反复碾压，使石料棱角磨损、压碎，破坏集料嵌挤。
　　复压是整个压实过程中的关键，采用什么样的压路机十分重要。近年来，国外不断出现一些较重型的压路机，甚至有30吨以上的振动压路机，有的压路机吨位太大，为防止骨料压碎，在压路机上“套靴子”。在法国，要求轮胎压路机的吨位保证每个轮胎不小于5吨，日本为增加轮胎压路机的压强，把轮胎减少为5~7个。近年来，我国开始重视采用大吨位轮胎压路机，有些采用轮胎压路机和振动压路机组合碾压，对防止水损坏已经起到了明显的效果。但对于粗集料含量多、粒径大的混合料，尤其是大粒径沥青稳定碎石基层以及SMA混合料，采用轮胎压路机碾压的效果不及振动压路机。对SMA混合料，由于沥青含量高，采用轮胎压路机碾压可能使沥青玛蹄脂胶浆挤出来，通常不能使用轮胎压路机。
　　6)接缝。由于沥青路面的纵向接缝不好造成纵向开裂的情况屡见不鲜，严重影响了路面寿命。沥青路面的施工必须接缝紧密、连接平顺，不得产生明显的接缝离析。上下层的纵缝应错开150mm(热接缝)或300～400mm(冷接缝)以上。相邻两幅及上下层的横向接缝均应错位1m以上。接缝施工应用3m直尺检查，确保平整度符合要求。
　　结束语
　　我国高速公路沿线地基和所用材料复杂多变，施工机械设备也是多种多样，施工工艺不一而足，气候条件复杂多变，受此不利因素的严重影响，高速公路竣工通车后产生少量早期破坏是无法避免的，也可以理解;但只要广大公路工作者共同努力认真研究解决这些重大技术问题，必将会减少沥青路面过多的早期破坏现象，并显著改善我国沥青路面使用性能和延长其使用寿命。
　　参考文献：
　　1、公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004)
　　2、高速公路沥青路面的早期破坏现象及预防/沙庆林著
　　3、陕西省沥青路面车辙防治指导意见(DBJTJ/T-002-2005)

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文章名称： 浅析沥青路面早期破坏的成因与对策

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