高速公路沥青路面的早期损坏与防护

来源:公路监理工程师    发布时间:2013-04-01    公路监理工程师辅导视频    评论

    前言
    高速公路的路面工程量大、牵涉面广。一条高速公路长数十 公里甚至数百公里,沿线遇到的土壤、水文、气候等环境条件有 显著差别。路面经常由多层各不相同的材料所组成,特别是沥青 面层所用材料品种多、要求严格,每层都有各自要求的工艺水 平。同一条路上往往又由多个甚至十多个机械水平、管理水平和 技术熟练程度各不相同的承包单位实施工程。因此不同高速公 路,甚至同一条高速公路不同标段的新建路面质量都会有显著差 异。路面质量的不均匀性远远比工厂生产的产品要大得多,实际 上任何工厂产品很难百分之百都是优质品,路面产品更是如此。 同一条高速公路的不同路段上的交通量和交通组成有显著差异,开放交通后路面原先的缺陷就会 导致各种程度不同的路面早期损坏。因此高速公路开放交通的初 期(1~2年内),产生路面早期损坏是完全可以理解的。随着路龄增 长,沥青逐渐老化,沥青混凝土的抗温度裂缝能力、抗疲劳破坏 能力、抗水破坏和抗松散能力逐渐减弱,沥青面层的破坏现象逐 渐增多,此时要采取养护措施来改善和恢复路面应有的使用性 能。
    1 高速公路沥青路面早期损坏情况
    1.1 几种主要路面早期损坏现象
    1.1.1 软土地基继续沉降产生的路面(含桥头)沉陷
    花高价进行处理的软土地基未得到应有效果的主要原因在于:采取处理措施后到铺筑路面 前允许软土地基固结沉降的时间太短。我国高速公路除在构造物 头上采用粉喷桩、搅拌桩、石灰粉煤灰土桩和碎石桩等桩基处理 措施外,通常都采用袋装砂井或塑料排水板与砂垫层、加载预压 相结合的排水固结法处理措施。即使是打穿软土层的排水固结 法,也需要有较长的时间供软土层固结基本完成。我国高速公路 的计划施工期往往较短,而实际施工期则更短,导致不得不在软 土地基继续明显沉降的情况下铺筑路面,这样就造成了上述后 果。造成软土地段路面大量沉陷的另一个重要原因是,袋装砂井 或塑料排水板或粉喷桩、搅拌桩等没有打穿软土层,致使砂井 底、排水板下端以及桩尖下部仍有一个层厚不一的软土层。排水固结法不能使这个软土层中的水 较快排出,在上层荷载作用下此层中的水需要更长的时间才能逐 渐排出并使土体固结到稳定状态。未打穿软土层的各种桩实际 是悬浮在软土层中,只能靠桩周的摩擦力起支撑其上的路面荷载 的作用。桩下的软土层在上层荷载作用下,需要更长的时间才能 逐渐固结稳定。当前的施工技术要将塑料排水板或袋装砂井打入 深25m以上的软土层是困难的,粉喷桩的有效深度也只有约 15m.
    1.1.2 路基压实度不够导致路面的早期损坏
    路基路面局部沉陷变形、构造物相邻接的填土路堤压实度不 够以及对原地基(介于软土地基和坚硬地基之间的地基)未做适 当处理,使相邻构造物的路面明显下沉,产生了俗称的桥头跳 车。
    1.1.3 基层质量不好造成的损坏
    基层是沥青路面最重要的承重层,其质量优劣直接影响路面 的早期破坏和寿命。半刚性材料层之间或半刚性层下部有一定厚 度的素土夹层,素土夹层潮湿后使路面承载能力显著下降。载重 卡车通过产生“弹簧”现象的路段,容易产生块状裂缝。半刚性 基层厚度不足,而底基层又不是半刚性材料层的路面结构,特别 在土路基压实度不够和承载能力差的情况下,也会产生块状裂 缝。这种块状裂缝的面积有时仅1m2左右。如果沥青混合料在间 歇式拌和机中拌的时间过长、拌和温度过高或在贮料仓中贮存时 间过长都会使沥青氧化变硬,使沥青对拉应变特别敏感,一旦拉应变超过沥青混凝土抗拉能力就会产生块状裂缝。在冰冻地区, 特别在重冰冻地区由于低温作用会产生块状裂缝(长3~4m)。
    1.1.4 水损坏
    沥青路面(含半刚性路面和刚性组合式路面)水损坏现象十 分普遍,使用一年以上的高速公路都会产生程度不同的水损坏。 差别仅在于有的严重、有的较轻。水损坏来得快,情况严重,因 此它是路基路面的大敌。降水进入沥青面层后视水的滞留位置而 异,在大量高速行驶车辆作用下,可能产生以下几种不同情况 的水损坏现象。
    1)表面层产生坑洞。即降雨过程中雨水会进入并滞留在表面 层沥青混凝土的孔隙中,在大量快速行车的作用下,一次一次产 生的动水压力(孔隙水压力)使沥青从碎石表面剥落下来,局部沥 青混凝土变成松散,碎石被车轮甩出,路面产生坑洞。
    2)表面层和中面层同时产生坑洞以及局部表面产生网裂和形 变。降水过程中如自由水渗入并滞留在表面层和中面层内,大量 快速行车使两层沥青混凝土部分碎石上的沥青剥落,导致表面产 生网裂、形变(下陷)和向外侧推挤,或产生坑洞。
    3)唧浆、网裂、坑洞同时发生。如水透过沥青面层(两层式或三层式)滞留在半刚性基层顶面,在大量快速行车作用下,自 由水产生很大的压力并冲刷基层混合料表层的细料,形成灰白色 浆,灰浆被行车压唧到路表面。沥青混凝土本身的空气率大、压 实度不够和不均匀性是导致沥青面层产生水破坏的主要内因。
    1.1.5 辙槽
    辙槽原定义为沥青路面轮迹带的凹陷(较轻的辙槽),实际上 严重辙槽处轮迹带产生凹陷的同时,其两侧的沥青混凝土常常臌 起,此时的辙槽就是轮迹带的凹陷深度与其两侧臌起高度之和。
    造成高速公路沥青路辙槽的原因及影响因素有:一是车的数 量及其轴重和轮胎压力。重载卡车的数量愈多、轴重和轮胎压力 愈大,要求沥青混凝土的抗辙槽能力愈大;二为行车速度,承受 慢速交通或有停车情况的路面与承受快速交通的路面相比较而 言,前者要求沥青混凝土有较大的抗辙槽能力,即车速愈慢,要 求沥青混凝土的抗辙槽能力愈大。因此,用于交叉路口、公共 汽车停车站等的沥青混合料必须适应车辆的质量、速度和数量。 同理,在山区高速公路的上坡路段上,特别是行驶重载和超重载 车辆的情况下往往车速缓慢,容易产生较严重的辙槽。用于这种上坡路段上的沥青混凝土需要有较大的抗辙槽能力。
    1.1.6 泛油
    高速公路沥青路面的泛油现象与以往渣油路面的泛油现象有 明显差别。高速公路沥青路面的泛油现象主要产生在行车道上, 超车道上的泛油现象很少。行车道上的泛油现象主要是间隔式和 条片状,而且间隔距离往往大于泛油条片的长度。连续泛油和整 个行车道全面泛油的现象不多。早期使用LH-20Ⅰ和LH-20Ⅱ 或AK-13B型沥青混凝土做表面层的高速公路都有这种泛油现象, 但并未引起大家重视。随后建成通车的其他高速公路也有类似现 象。实际上,每条高速公路的沥青路面都有泛油现象,只是数量 多少和程度轻重的差别。有的路段泛油严重且连续,有的路段间 隔式条片状较严重的泛油和中等泛油都有。近几年来铺筑的SMA 试验路段和正式工程也都有轻重不一的泛油现象。某高速公路部 分路段的改性沥青SMA也有泛油现象。
    1.1.7 松散
    松散是由于沥青混凝土表面层中的集料颗粒脱落,从表面向 下发展的渐进过程,集料颗粒与裹覆沥青之间丧失粘结力是颗粒 脱落的原因。有多种情况可能导致松散:
    1)集料颗粒被足够厚的粉尘包覆,使沥青膜粘结在粉尘上, 而不是粘结在集料颗粒上,表面的摩擦力磨掉沥青膜,并使集料 颗粒脱落。
    2)表面有离析,离析处缺少大部分细集料。
    3)沥青混凝土面层内局部密实度低,需要有高密实度才能保证沥青混合料的粘聚力。如混合料的压实度不够,集料就容易从 混合料中脱落……
    1.1.8 横向裂缝
    横向裂缝是沥青面层发生最多的一种裂缝。每条沥青路面道 路和每条沥青路面高速公路上都有或多或少的横向裂缝,通常也 把它看作是沥青路面早期破坏现象之一。高速公路沥青路面的横 向裂缝绝大部分是温度裂缝。在冰冻地区温度裂缝有两种:一是 冬季突然大幅度降温引起沥青面层产生低温收缩裂缝;二是气温 变化引起沥青面层产生温度应力,温度应力的反复作用使沥青 面层产生温度疲劳裂缝。在冬季和气温低的地区,通常低温裂缝 是主要的。温度裂缝起始于表面大风降温过程中,面层表面的温 度最低,温度变化时也是表面的温度变化率最大。因此,表面产 生的温度拉应力最大以及温度裂缝总是起始于表面并向下较快延 伸。
    半刚性路面的裂缝率与柔性路面的裂缝率没有明显差别,德 国对170个路段进行了长达18年的跟踪观察后得出结论,半刚性 路面的裂缝率与柔性路面的裂缝率没有明显差别。
    温度裂缝逐年增加由于沥青随时间增长而老化,沥青面层的 抗裂缝能力(或抗拉强度)会逐年降低,因此,温度裂缝也是逐年 增加。采用优质沥青会明显减少温度裂缝,特别是减少早期温度 裂缝。沥青较稀、粘度较高有利于减少温度裂缝在其他条件相同 的情况下,采用较稀(针入度较大)的沥青有利于减少温度裂缝。
    面层沥青混凝土的强度大幅度降低时,面层表面产生的温度应力大于表层沥青混凝土的拉应力时,面层就会开裂。
    沥青混凝土的均匀性是沥青路面温度裂缝的重要影响因素。 沥青混凝土的均匀性包括矿料级配的一致性、拌和的均匀性、有 无粗细集料离析和离析现象的轻重程度、沥青混凝土压实度或空 气率的一致性以及层厚的一致性。沥青混凝土的均匀性愈好, 其强度就愈均匀,面层表面的薄弱处也就愈少。因此,在其他条 件相同的情况下,沥青混凝土面层的均匀性愈好,表面产生温度 裂缝的时间可能愈晚,温度裂缝的数量也会愈少。
    沥青路面的面层厚度是温度裂缝的又一影响因素。面层愈厚 并不意味温度裂缝愈少,在其他条件相同的情况下面层愈厚,表 面产生的温度应力可能愈大,因此产生温度裂缝的可能性愈大、 情况愈严重。

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