（道路与铁道工程专业论文）高速公路预防性养护与罩面材料的研究.pdf

摘要 针对高速公路沥青路面的病害，我国主要采取抢救性养护措施，在病害出现而不得 不进行维修时才进行处治，导致病害发展越来越严重。而预防性养护是在病害有微兆时 便采取措施，防患于未然，使路面在长时间内都能保持较好的性能。预防性养护技术的 研究和应用，对我国沥青路面养护有着重大意义。 本文对河南省高速公路沥青路面进行早期病害产生原因和机理分析，发现我国高速 公路沥青路面在级配组成设计与施工控制等方面还存在很大不足，导致路面在较短时间 内就出现病害。在分析国内外常用预防性养护措施基础上，以商开高速两路段为例，研 究路面病害发展情况，确定最佳预防性养护时机及措施。 根据河南省商开高速公路具体情况，对试验路段采取铣刨加铺薄层罩面的措施进行 病害处治，对确定的4 个级配分别进行不同击实次数的马歇尔试验和旋转压实试验，分 析指标的变化情况。试验结果表明，提高马歇尔击实次数设计的混合料最佳油石比变小、 试件密度提高、空隙率和矿料间隙率变小、饱和度增大，并且当马歇尔击实次数提高到 1 0 0 次以后，各项指标变化趋于平稳，变化不大，且马歇尔击实1 0 0 次所得到的油石比 与旋转压实成型得出的结果相当：对设计的沥青混合料进行高温稳定性、抗水害能力、 低温抗裂性研究，研究表明设计的混合料各项路用性能良好，由此确定出最优级配及最 佳击实次数1 0 0 次进行混合料设计。通过上述研究建议在工地缺少旋转压实仪器时，可 以采用提高马歇尔击实次数到1 0 0 次的方法进行级配设计与施工压实度控制。 关键词：预防性养护，沥青路面早期损坏，级配成型方式，路用性能，沥青罩面层 a b s t r a c t f o rt r e a t i n gd i s e a s e so fa s p h a l tp a v e m e n t ，o u rc o u n t r ym a i n l ya d o p t st h ec o r r e c t i n g m a i n t e n a n c et oc u r e ，b e i n gi np r o g r e s sj u s ta f t e rd i s e a s e sa p p e a r e da n dh a st ob em a i n t a i n e d ， w h i c hm a k e sd i s e a s e sm o r ea n dm o r eg r a v e p r e v e n t i v em a i n t e n a n c ep r e v e n t st r o u b l e sb e f o r e t h e yh a p p e n e d ，m a k e st h er o a ds u r f a c ek e e pf a i r l yg o o df u n c t i o ni nt h el o n g t i m e s t u d ya n d a p p l yt op r e v e n t i v em a i n t e n a n c eh a sg r e a ti m p o r t a n c ef o rc u r i n gt oo u rc o u n t r yh i g h w a y a s p h a l tp a v e m e n t s t h et h e s i sa n a l y s i s e dc a u s e sa n dm e c h a n i s mo fh i g h w a yp a v e m e n t s p r e m a t u r ef a i l u r ei n h en a np r o v i n c e ，f i n dt h a th i g h w a ym a t c h e sc o m p o s i t i o na n dc o n s t r u c t i o n c o n t r o l l e dh a d i n s u f f i c i e n t e sa tp r e s e n t ，w h i c hl e a dt op r e m a t u r ef a i l u r eo f h i g h w a ya s p h a l tp a v e m e n tw i t h i n s h o r tt i m e t h et h e s i sa n a l y s i s e dc o m m o nu s e so f p r e v e n t i v em a i n t e n a n c em e a s u r ea th o m e a n da b r o a d ，t a k et w os e c t i o n so fh en a np r o v i n c eh i g h w a yf o re x a m p l e ，s t u d yd i s e a s e s d e v e l o p e dc o n d i t i o n ，w o r ko u tc o r r e s p o n d i n gp r e v e n t i v em a i n t e n a n c em e a s u r e b a s e d0 1 1t h ed i s e a s e sc o n d i t i o no fh en a n s h a n g - k a ih i g h w a y ，w em a k et h ed e c i s i o nt h a t t a k et h em e a s u r eo fh o t m i xo v e r l a y st ot r e a t t h i st h e s i sc h o o s e s4c o m m i x t u r em a t e r i a l g r a d et od e s i g n ，a d o p tm a r s h a l la n dr e v o l u t i o nc o m p a c t i o nm e a s u r et oc a t t yo u tt e s t ，s t u d y r e s u l t si n d i c a t et h a tr i s i n gm a r s h a l ls t r k i n gt i m e sh a si t sn e wc h a r a c t e r i s t i c s n e wm i x t u r e d e s i g h e db yt h i sm e t h o dh a sl e s s e ra s p h a l tc o n t e n t ，h i g h e rd e n s i t y , s m a l l e rw a n dv m aa n d l a r g e rv f a i na d d i t i o n ，w h e ns t r k ea t 10 0t i m e st h ei n d e x e so ft h em i x t u r ea l ea tn e a r h o r i z o n t a ll a y i n g ，a n di nc o n t r a s tw i t hs g c ，t h eb e s ta s p h a l tc o n t e n ti sa tc l o s er a n g e a n d t h e nc o m p a r e dw i t hp e r f o r m a n c e sa b o u t7 5a n d10 0o fm a r s h a l ls t r k i n gt i m e s ，f i n dt h a t m i x t u r eo f10 0s t r k i n gt i m e sh a sb e t t e r r u t t i n g r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e ，h i g h e rw a t e r d a m a g e r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c ea n db e t t e rc r a c k r e s i s t a n c ep e r f o r m a n c e s ow eg i v et h e a d v i c et h a tf o rb e t t e rp e r f o r m a n c eo far o a d ，w ec a nt a k et h em e a s u r et h a tr i s em a r s h a l l s t r k i n gt i m e s k e yw o r d s ：p r e v e n t i v em a i n t e n a n c e ，p r e m a t u r ef a i l u r eo fa s p h a l tp a v e m e n t ，m e t h o do f o p t i m a lg r a d a t i o n ，r o a dp e r f o r m a n c e ，h o t m i xo v e r l a y s 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 秆宇宁加年月矿日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 敝作者签名：布守守 铷签名：韵骤 闽年6 只| o b 7 年6 弱l p 日 长安大学硕l 学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出及项目研究的意义 1 1 1 高速公路早期损坏情况 随着改革开放的不断深入和国民经济的飞速发展，公路建设作为我国经济建设的重 点项目，近十几年来得到了长足的发展。1 9 8 8 年高速公路实现了零的突破，到2 0 0 5 年 年底高速公路通车里程已突破4 万公里，短短1 7 年，我国就走了西方国家需要4 0 年才 走完的发展路程，取得了举世瞩目的成就! 而由于沥青路面具有足够的力学强度和较好 的弹性、塑性变形能力，有较好的减震性，行车平稳舒适、噪声低，且不扬尘等特剧， 高速公路9 0 以上都采用了沥青路面。但我们也应看到，在沥青路面高速发展的同时， 我国近几年来大量修筑的高速公路沥青路面，由于各种原因而出现早期损坏，虽然设计 寿命一般为1 2 - - 1 5 年【2 】，但某些路面甚至第一年修建，第二年便出现破损。高速公路 沥青路面早期损坏已成为我们面临的一大难题。 河南省地处中原，素有“九州腹地、十省通衢”之称，连贯南北，通达东西，在全国 公路运输中的地位举足轻重。近年来，河南投巨资修建高速公路，使本省的交通区位优 势更为突出。2 0 0 4 年河南省高速公路通车里程突破1 0 0 0 公里，2 0 0 5 年突破2 0 0 0 公里， 2 0 0 6 年通车里程达到3 4 3 9 公里，名列全国第一【3 l 。在高速公路如此飞速发展的同时， 河南省高速公路也不可避免的出现各种各样的损坏。由此，选择2 0 0 1 年底通车的几条 高速公路( 安阳一新乡、洛阳三门峡、商丘开封) 进行路况调查。调查发现，安新高速、 洛三高速自通车以来，连续不断的出现各种损坏：车辙情况严重，裂缝情况明显，行车 舒适性大大降低。许多路段通车仅仅5 年就先后进行了多次的小修、中修，有些路段小 修、中修根本无法恢复其路用性能，只能进行大修，造成了极大的损害和浪费。 商开高速商丘段2 0 0 1 底通车后，虽不可避免地出现早期损坏，但商丘养护公司人 员及时采取措施进行养护，运营效果基本良好，被评为河南养护标兵示范路。从道路沿 线来看，有灌缝和车辙填补的痕迹，但是，早期损坏并没有完全消除，有些路段车辙和 裂缝现象明显。例如k 3 5 7 - 、, k 3 5 8 段车辙情况严重，车辙最深处达8 c m ，并伴随有纵向 裂缝及横向贯通裂缝，局部的养护措施已经很难满足整治需要，需重新铣刨并进行加铺 处理。从对以上三条路段的调查来看，商开高速在路面出现轻微损坏时及时采取措施进 行处治，使得大部分路段运营情况良好，推迟了道路中修、大修的年限。而其他两条路 第一章绪论 段，在路面轻微损坏时采取措施不够及时，致使损坏越来越严重，只好进行中修甚至大 修，影响了交通，缩短了道路的使用寿命。 1 1 2 预防性养护的意义 从河南省所调查的高速公路情况来看，高速公路在运营过程中会出现各种各样的早 期损坏，致使我们不得不采取各种各样的措施去维护道路的使用性能，但如果维修措施 采用不及时、不得当，不但不能达到较好的维修目的，反而会缩短道路的使用寿命。公 路养护一般分为抢救性养护和预防性养护两种，从河南省的维修情况来看，商开高速公 路采用了一些预防性养护手段，及时发现病害，及时进行处理，使道路在运营期间保持 了较好的使用性能；而多数高速公路还是采用抢救性养护手段，等到病害出现不得不采 取维修措施时才被动的采取相应的措施，使得病害发展越来越严重，在5 年之内就进行 大修，缩短了道路的使用寿命，浪费了大量的人力、物力资源。 所谓预防性养护是指一条质量合格的道路在使用寿命前7 5 的时间内性能下降 4 0 ，这一阶段称为预防性养护阶段。如不能及时养护，在随后的1 2 使用寿命时间内， 性能再次下降4 0 ，从而造成养护成本大幅度增加，这一阶段称为抢救性养护阶段【4 1 。 抢救性养护往往是哪坏修哪，无计划性、周期性，仅仅保持在对病害维持的阶段， 缺乏全局意识，往往补了这块坏那块，重复投资，重复修补，养护跟着破损转，不能很 好的估计道路的破损状况，投资大，效果差，公路养护不能形成良性循环；其次是社会 影响不好，受条件限制较多，如气候、季节、交通量等，使公路病害不能得到及时处治， 所以可能造成道路更大程度的损坏，造成不良的社会影响；第三，当由于修补不及时造 成更大程度的损坏，而不得不进行大修时，抢救性养护就严重影响了交通安全通畅。 预防性养护采用科学的方法与检测手段对路况进行科学的预测与评价，对公路路 况按优劣进行排序，为制定科学的养护计划提出了依据【4 】。在资金分配上首先处理那些 病害出现先兆的路段，使道路的各种病害在出现前或轻微时即通过养护手段进行处理， 使公路路况始终保持良好的状态，使有限的资金得到合理利用。另外预防性养护的依据 是路况的信息及现代化的检测和评价手段，从而准确地掌握了公路病害的发展规律1 4 】。 对公路采取了科学的养护手段，使各种病害处于萌芽状态。能够充分发挥专业技术人员 的能动性和现代科学技术的优势，为公路养护事业服务。采取预防性养护，公路路况始 终保持在较高的水平，为社会提供了高质量的服务，预防性养护已经成为高速公路养护 的主要发展方向。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 国内外预防性养护发展概况 1 2 1 预防性养护在国外发展情况 1 9 3 2 年德国建成了世界上第一条高速公路，二战后，国外的高速公路发展很快，大 部分发达国家的高速公路网早就建成，全面进入了养护维修期。高速公路的养护维修和 新建一样，需要一整套先进的科学技术，近年来得到了令人瞩目的发展。 下面以美国为例，来了解一下国外的预防性养护情况。美国a a s h t o 路面预防性 养护研究组l t p p ( l a n ds t a t e st e a mo np a v e m e n tp r e s e r v a t i o n ) 是一个研 究、统计北美地区路面预防性养护的机构，它的调查包括：是否有预防性养护规划、建 立预防性养护规划的时间，每年的预防性养护经费，采用何种预防性养护方法以及在何 种情况下使用预防性养护等内容1 5 】。该结构对美国4 0 个州和波多黎各调查报告显示： ( 1 ) 1 9 9 9 年，接受调查的4 1 个州中有3 6 个已经建立了路面预防性养护体系，占 被调查总数的8 5 ，2 个州正在建立预防性养护体系，4 1 个州都在采用不同种类的预防 略 性养护方法进行路面的养护；1 9 9 6 年，在接受调查的4 3 个州中有2 6 的州有完善的预 防性养护体系，5 6 的州有预防性养护体系，1 9 的州没有i 熨。 ( 2 ) 在已经有预防性养护体系的各个州，有接近一半的州( 1 7 ) 的预防性养护体 系已经建成使用了l o 年以上，具体情况见表1 1 【5 j o 表1 1 美国各州建成使用预防性养护体系的时间 年数州的个数 3 年 7 3 1 0 年9 l o 年以上 1 7 附注1 ：调查对象：3 3 个州 ( 3 ) 美国各州预防性养护经费来源于年度建设预算，尽管不是专项资金，但优先 予以满足，各州用于预防性养护的经费情况如表1 2 所示5 1 。 表1 2 美国各州预防性养护经费 年经费数目( 万美元)州的个数 1 0 0 0 以下 6 1 0 0 0 2 5 0 0 1 2 2 5 0 0 5 0 0 06 3 第一章绪论 表1 。2 美国各州预防性养护经费( 续) 年经费数目( 万美元)州的个数 5 0 0 0 7 5 0 04 7 5 0 0 以上8 附注1 ：调孬对象：3 6 个州 ( 4 ) 在2 6 个州已经建立了预防性养护技术指南，并且在不断的修订和完善；另有 4 个州的预防性养护指南正在制定过程中f 5 1 。 ( 5 ) 超过一半的州( 2 5 个) 是在路面状况好的情况下使用预防性养护，尽管有部 分州因资金不足也将预防性养护用于路面状况较差的情况，但仍认为必须将预防性养护 严格限定在路面状况好( g o o d ) 和较好( f a i r ) 的情况【5 1 。 ( 6 ) 在众多的路面预防性养护方法中，罩面技术在3 8 个州得到应用；其次是石屑 封层、裂缝处治和单层微表处，分别在3 0 个左右的州得到应用，具体情况见表1 3 【5 】。 表1 3 美国不同养护方法普及情况对比 使用该技术的州的使用该技术的州 养护技术名称养护技术名称 个数( 个)的个数( 个) 铣刨后罩面 3 8 多层微表处 2 1 沥青罩面 4 0 m m 3 7 就地冷再生 2 1 冷再生后沥青罩面3 4稀浆封层 1 4 单层石屑封层 3 3就地热再生1 4 裂缝修补 3 0 超薄罩面 1 4 单层微表处 2 8 雾封层 1 2 从上述美国a a s h t o 路面预防性养护研究组的调查结果可以看出，预防性养护已 经在美国各个州中得到了广泛应用，已经形成了一整套适合不同场合的预防性养护方 法，很多地方还建立了适合本地实际情况的预防性养护指南。 1 2 2 预防性养护在国内应用情况 我国实行的是“预防为主，防治结合”的公路养护方针【6 】。近几年来，我国在预防性 养护方面的研究与应用也取得了一定的进展。1 9 8 2 年，我国在赞比亚的塞曼公路上铺筑 了稀浆封层面层，取得了初步的经验。“六五”到“八五”期间，通过交通部公路科学研究 所等单位承担的交通部项目“阳离子乳化沥青及其路用性能研究”和国家重点新技术推 4 长安大学硕上学位论文 广项目“阳离子乳化沥青筑养路技术”、“乳化沥青稀浆封层成套技术”等实施，稀浆封层 技术在我国有了较大发展，已经成为我国公路养护的主要形式之一。另外，为了适应我 国高速公路养护工作需要，微表处技术开始进入我国并受到国内广大公路五作者的关 注，开始在我国得到初步应用，其中相当数量应用在了高速公路的养护工程中，如山西 太旧高速公路、四川内宜高速公路、河北石太高速公路、京沪高速公路天津段、沪杭高 速公路上海段、江苏宁沪高速公路、沈哈高速公路铁岭段等都进行了面积不等的微表处 罩面，取得了良好的应用效果【7 l 【8 1 。 但是，我们也必须认识到，预防性养护在我国贯彻起来有一定难度，这一方面是人 们的观念问题，另一方面也反映我国缺少经济、有效、便于操作的预防性养护方法。研 究和推广经济的、行之有效的预防性养护方法在我国具有特别重要的意义。我国的养护 资金短缺，进行预防性养护是降低养护成本的有效途径。我国现在的养护很大程度上是 被动养护，哪坏修哪，无计划，无周期性和目的性。耗资大，效果也差，造成了养护资 金的极大浪劐。 1 3 本文研究的主要内容及技术路线 1 3 1 研究的主要内容 本文主要对河南省高速公路沥青路面早期病害情况及预防性养护技术进行研究，研 究主要内容如下： ( 1 ) 高速公路早期病害类型及产生机理； ( 2 ) 商开高速公路主要病害调查及原因分析； ( 3 ) 高速公路常见的预防性养护措施实施情况； ( 4 ) 针对商开试验路段破损情况，进行沥青罩面层材料组成设计，提出一种较好 的级配方案。 1 3 2 研究的技术路线 ( 1 ) 通过对河南省主要高速公路的路况调查，研究高速公路早期病害类型，并对 其产生原因进行分析： ( 2 ) 通过河南商开高速材料组成情况及试验检测资料，分析病害产生的原因； ( 3 ) 通过研究预防性养护技术及其实施情况，分析各种预防性养护措施的适用条 件； 5 第一章绪论 ( 4 ) 采用贝雷法进行沥青混合料级配设计，采用s u p e r p a v e 旋转压实成型与马歇尔 成型两种成型方式进行试件成型，并进行指标参数比较； ( 5 ) 分析不同击实次数下马歇尔指标变化情况，推荐混合料成型时较佳的马歇尔 击实次数； ( 6 ) 通过对不同级配沥青混合料路用性能的比较，选择最优级配和最佳油石比以 及成型条件。 6 长安大学硕士学位论文 第二章高速公路沥青路面病害类型及机理分析 2 1 高速公路沥青路面常见病害及分类 路面破损分类最早是由h u b b a r d 于1 9 2 4 年提出的9 1 。根据沥青路面破损的原因、 严重程度、和几何形状的不同，各国对路面破损有不同的分类方法。我国公路养护技 术规范把沥青路面常见的破损形式分为4 大类【6 1 ( 如表2 1 ) ： 表2 1 我国沥青路面破损分类 1 裂缝类 ( 1 ) 龟裂( 2 ) 不规则裂( 3 ) 纵裂( 4 ) 横裂 2 松散类 ( 5 ) 坑槽( 含啃边) ( 6 ) 松散( 含脱皮、麻面) 3 变形类 ( 7 ) 沉陷( 8 ) 车辙( 9 ) 波浪( 1 0 ) 拥包 4 其它 ( 1 1 ) 泛油( 1 2 ) 修补损坏 美国s h i 冲计划对沥青路面破损分类如下表2 2 【1 0 】： 表2 2 美国s h r p 沥青路面破损分类 1 裂缝 ( 1 ) 龟裂( 2 ) 块裂( 3 ) 路面端部裂缝( 4 ) 纵裂( 5 ) 横裂( 6 ) 反射裂缝 2 路面的坑槽和修补 ( 7 ) 坑槽( 8 ) 修补不良 3 ：表面变形 ( 9 ) 车辙( 1 0 ) 拥包 4 表面损坏 ( 1 1 ) 泛油( 1 2 ) 磨光0 3 1 剥落和老化 5 其他损坏 ( 1 4 ) 路肩损坏( 1 5 ) 主车道与路肩接缝处开裂( 1 6 ) 泛水和冒泥现象 上述对沥青路面破损形式的不同分类方法，各有各特点。从中可看出，沥青路面的 主要破损形式的分类大致是相同的，并互有补充。相比较来说，美国s h r p 计划对沥青 7 第二章高速公路沥青路面病害类型及机理分析 路面破损的分类更全面些【9 1 。但这些分类都是针对路面整个的损坏过程来说的，在分析 上述不同沥青路面破损分类方法的基础上，本文主要以沥青路面早期破损形式为依据， 对常见的、典型的破损进行较为全面、细致的总结，将沥青路面的早期破损形式分为以 下几类( 表2 3 ) ： 表2 3 沥青路面早期破损分类 1 裂缝 ( 1 ) 纵裂( 2 ) 横裂( 3 ) 反射裂缝( 纵向、横向反射裂缝) ( 4 ) 网裂 2 变形 ( 1 ) 沉陷( 2 ) 车辙( 3 ) 推移 3 表面损坏 ( 1 ) 泛油( 2 ) 磨光 4 水损坏 ( 1 ) 松散( 2 ) 坑洞( 3 ) 唧浆 此分类方式只考虑路面早期可能出现的病害形式，不再加入沥青路面早期病害延伸 产生的严重的坑槽、修补等破坏。使得病害轻微时即可采用措施进行预防性养护，病害 不至于向更深更严重的程度发展，避免了抢救性养护的弊端，发扬了预防性养护的优点， 使路面的使用寿命有所延长。在道路运营期间，保证了较好的服务水平，推迟了大中修 年限，节约了资金。 2 2 高速公路沥青路面常见病害的原因及机理分析 2 2 1 高速公路常见病害形成原因 沥青路面产生各种病害的原因多种多样，但基本可归结为以下几个方面：( 1 ) 交 通荷载( w h e e ll o a d s ) ；( 2 ) 自然环境( e n v i r o n m e n t ) ；( 3 ) 排水不良( p o o r d r a i n a g e ) ； ( 4 ) 材料缺陷( m a t e r i a ld e f i c i e n c i e s ) ；( 5 ) 施工不足( c o n s t r u c t i o nl 之e l a t e dd e f i c i e n c i e s ) ； ( 6 ) 外在原因( e x t e n a lc a u s e s ) i l l 】。 ( 1 ) 交通荷载 车辆荷载的作用是影响路面使用寿命的关键因素之一，它一般以车辆总重、各轴型 的轴重、各轮组的轮重来表征。 我国及其他一些国家对道路上行驶车辆有一个最大车辆总重和轴重的许可值，见下 长安大学硕士学位论文 表2 4 【9 1 ： 表2 4 道路上行驶车辆的轴重和车辆总重最大容许值t 欧洲各 国家名称中国美国各州加拿大 州 单轴 1 08 2 1 0 0 5 5 ( 前轴) ，9 1 9 1 3 轴 双轴 1 0 ( 单轮) ，1 8 ( 双轮) 1 4 5 1 8 11 71 6 2 2 重 三轴1 2 ( 单轮) ，2 2 ( 双轮) 2 02 4 2 0 2 6 2 3 7 ( 三轴) ，3 1 6 ( 4 ) ，3 9 5 ( 5 ) ， 车辆总重 4 03 3 - - - 7 43 5 5 0 4 6 5 ( 6 ) ，5 3 5 ( 7 ) 然而，在我国以及其他一些发展中国家，超载现象十分普遍。杨士炯等统计了天津 市津围公路、京福公路、外环线及京塘公路等干线公路的超载情况。统计发现：津围公 路1 0 2 6 辆重车超载4 3 1 辆，占总数的4 2 ，外环线西段2 4 9 2 辆重车，超载7 0 1 辆，占 重车总数的2 8 5 ，津京公路1 1 4 5 辆重车中超载8 0 8 辆，占重车总数的7 0 6 ，8 t 以上 的重车平均超载率为5 0 - - 7 0 ，最大超载率为1 7 0 1 2 1 。王选仓等对河南几条干线公路 调查发现，单轴超过l o t 的车辆超过2 3 3 4 ，甚至超过1 ；双轴超过2 0 t 的车辆约为 8 8 5 1 ，超载比例更大，其中最大双轴重超过5 0 t ，超载率超过了1 7 0 。河南省公路工 作人员，对境内1 0 7 国道进行了超载情况调查，结果表明，重车超载率一般在7 0 - - 2 0 0 之间，最大超载达额定荷载的3 0 0 9 1 。由此，车辆的超载现象就可见一斑。车辆超载 对路面的影响有以下几个方面： a 车辆轴载增加时，路面结构内部的应力分布必然发生变化，结构的压应力、拉应 力和剪应力也随着增加。 b 超载运输使公路使用寿命大大缩短。据有关人士测算，一条设计使用年限为1 5 年 的公路，如果行驶车辆轴载超出1 倍，其实际使用年限仅为设计使用年限的1 0 左右， 即实际使用年限仅为一年半到两年，影响极为严重。 c 超载与路面的永久变形密切相关，一般认为，沥青路面的永久变形与轴载大小的 高次方成比例关系。有文献表明，在轮载作用时间为o o l s 下，路面沉降的增量几乎与 超载同步增长，增加了约0 5 倍。并且保持基层弹性模量不变，将轮载从0 7 0 m p a 增加 5 0 到1 0 5 m p a 时，产生的路表车辙则为正常荷载( 0 7 0 m p a ) 引起车辙的 18 5 9 1 9 1 1 3 1 1 4 l 。 9 第_ 二章高速公路沥青路面病害类型及机理分析 ( 2 ) 环境 在环境作用诸多因素中，温度和湿度对路面性能的影响最为严重，路面体系的温度 和湿度状况随周围温度和湿度的变化而变化，从而使路面材料的力学性质和结构强度发 生变化。温度和湿度对路基路面材料物理状态的改变，使路面结构即便在没有受到行车 荷载的叠加作用下，损坏也极为迅速【9 1 。 温度对路面的影响包括： a 沥青混和料的力学性能发生变化。随着温度交化，沥青混合料的强度和劲度都发 生明显的变化【9 1 。例如，温度较高时，在车辆荷载的作用下，路面会出现车辙，车辙的 出现妨碍了雨水的排除，影响了行车安全，并加速了路面的损坏。温度较低时，沥青混 合料变脆变硬，在车辆荷载作用下，路面很容易产生低温裂缝，水分从裂缝中不断进入， 使基层甚至路基软化，导致路面承载力下降，产生唧浆、台阶、网裂，加速路面破坏。 b 实验表明，沥青混合料的刚度随温度变化很大，温度由o c 升高到4 0 时，动弹 性模量降低了4 0 倍【1 5 】。沥青动弹性模量降低，沥青混合料的抗变形能力变差，在车辆 荷载作用下，沥青路面不可恢复的残余变形变大，即产生严重的车辙变形，影响道路的 使用性能。 c 路面材料和路基土随温度的升降而胀缩。由于温度沿路面体系深度成不均匀分布， 不同深度处的胀缩变化也不相同。这种不均匀的胀缩变形受到各种因素的约束而不能实 现时，路面结构内便会产生附加的内应力，在严寒的冬季，这种内应力极易使脆硬的路 面产生低温开裂1 1 4 1 1 5 1 。 d 路基土发生冻融。在季节性冰冻地区容易发生冻胀和翻浆，给路面造成极为严重 的损坏。 e 温度梯度的反复作用，导致路面强度下降，结构承载能力削弱，在长期作用下， 强度的损伤就愈加剧烈，路面所能承受的应力和应变值变小，导致路面的疲劳寿命缩短。 湿度对路面的影响包括： a 路基土刚度随湿度增大而急剧下降，使得整个路面体系的结构承载力下降，因此 极易产生开裂损坏【1 7 】。而且水的渗透力极强，当路面有裂缝或路面、路肩的排水状况差 时，水分渗入地基，路面的损坏就会加剧、加速。 b 湿度也会在路面内产生内应力，并且也是造成冻胀和翻浆的主要原因。 c 湿度同样会影响材料的性质，不同湿度条件下，材料老化的速度不一致。 ( 3 ) 排水不良 l o 长安大学硕士学位论文 在我国高速公路沥青路面中，水损坏已经成为沥青路面主要病害之一。沥青路面 的水损坏是指沥青路面在有水存在的条件下，经受交通荷载和温度胀缩的反复作用， 一方面水分对沥青起乳化作用i i6 j ，导致沥青混合料强度下降，同时水分逐步侵入到沥 青与集料界面上，由于动水压力冲击作用，沥青膜逐渐从集料表面剥离，导致集料之 间的粘结力丧失而发生路面损坏【2 0 j 。 自然降水通过路面的横坡来排除，所以雨天路表常被一层水膜所覆盖。当车辆在 水膜覆盖的路面高速行驶时，轮胎与路面间的水不断被高速运转的轮胎挤压，便产生 了动水压力。对于路面与轮胎相接触的某一点而言，这种动水压力是瞬时的，而对于 车辆行驶的整条轮迹而言，动水压力如同车辆荷载一样是始终存在的。 孙立军等对动水压力的理论计算得出，动水压力与行车速度的平方成正比，即随 行车速度呈级数增长【9 】。有实测值得出，车速l o o k m h 时的动水压力达到了3 m 多高水 头，长期承受如此之大的动水压力，雨水通过空隙进入路面内部，极易造成路面水损 坏。 在普通道路上，行车速度不高，常规的沥青混合料技术指标已经足以抵抗动水压 力的作用，但对于高速公路来说，行车速度达到l l o k m h 以上，所造成的动水压力可 达普通道路的2 5 3 0 倍，所以按照一般的设计、施工标准设计出的沥青路面就会由于 难以抵抗动水压力的作用而产生水损坏。 ( 4 ) 材料缺陷 a 沥青 在沥青混合料设计中，沥青是非常重要的因素。国内外沥青品种多种多样，沥青的 品质对路用性能的影响极大，沥青质量的好坏对沥青混合料的性质起决定性作用。有关 研究表明，在一定温度和加载速率下，沥青粘度越大，混合料的粘滞阻力也越大，抗剪 切变形能力越强，沥青混合料抗车辙性能越好【2 3 】。沥青粘度随温度变化而变化，沥青的 温度敏感性越低，形成的沥青混合料则相应具有更好的高温稳定性能1 5 1 。为保证道路的 质量，我们在使用沥青时，应注意沥青质量的检查，尤其是其含蜡量应小于国家规范值， 因为含蜡量高的沥青延度小、粘结力差【2 l 】，沥青混凝土的低温抗裂性能和高温稳定性能 都不好，容易导致沥青混凝土路面产生开裂和车辙。国内外许多试验证明，使用改性沥 青铺筑的沥青路面抗车辙能力比较强。 就沥青混合料的高温稳定性来说，沥青含量的多少可能比沥青本身的特性更重要， 矿料表面裹覆的沥青膜分为结构沥青与自由沥青【2 1 1 ，沥青用量太低，沥青混合料难以压 第二章高速公路沥青路面病害类型及机理分析 实，抗车辙能力差：而随着沥青用量的增加，自由沥青所占的比例越来越大，其润滑作 用也越来越强，使沥青混合料的高温稳定性急剧下降。美国w e s t t r a c k 环道试验表明： 高沥青含量( o a c + 0 7 ) 对应了最大的车辙，同时低沥青含量的混合料抗车辙能力比最 优沥青含量的混合料差。也有研究认为用马歇尔方法确定的最佳沥青用量比用于控制车 辙的最佳沥青用量高0 3 - - 0 5 1 2 3 1 。 b 砂石料 目前大部分高速公路对沥青的选择比较注重，但是却忽视砂石料的影响。近几年来 我国高速公路发展迅速，但与之配套的材料市场却比较混乱，没有统一标准，缺乏有关 部门的引导和监督，大多是由当地群众自发组织的小料厂，产量低、规格少、质量差。 而往往一条公路定的目标高、工期短，业主要进度，承包商抓效益，材料问题就被忽视 了，用于高速公路面层的砂、石材料并非全为合格品，更谈不上优质品了。有的砂石材 料含泥量和风化料远远超标。据有关资料显示，有的高速公路用于面层的粗集料含泥量 在1 5 - - 一2 o ，扁平颗粒含量占3 0 一- 8 0 ，有的风化严重，有的细集料在饱水情况 下能捏成团，这样差的集料，根本无法保证矿料结构，与沥青结合效果极差，用这样的 集料铺筑的道路，会更快更早的出现各种损坏。 c 填料 对于沥青混合料填料应采用石灰岩或岩浆岩中的强基性( 憎水性) 石料经磨细得到 的矿粉【2 ，而实际在施工过程中有的矿粉并非用碱性石灰岩研磨而成。拌合机回收的矿 粉按规范可用作填料的一部分，但用量不能超过总量的5 0 ，且不得含有杂质，掺有回 收矿粉的填料的塑性指数不得大于4 等要求，而事实上有的路段全部采用回收矿粉作 为填料使用，回收矿粉最大的隐患就是本身含泥量过高，必将影响沥青与集料的粘结。 此外对于附着在粗集料上的小于0 0 7 5 r a m 的颗粒部分用常规的干筛是不可能筛干净的， 有时在0 6 m m , - 一2 3 6 m m 细集料中用水洗法测定的小于0 0 7 5 m m 颗粒含量竟高达 1 0 2 1 1 7 ，这无形中增加了矿粉的用量，由于矿粉偏多，沥青被矿粉吸走造成沥青 用量偏低，就很容易造成沥青路面的早期松散剥落，最终发展成为坑槽等病害。 ( 5 ) 施工不足 目前，沥青路面的施工是通过机械化施工得以实现的，而机械化施工过程是个连续 的过程，一个工序出现问题，就会影响到整个过程，造成极大的质量隐患。 沥青混凝土路面的施工过程包括：沥青混凝土混合料的制备、基层的检查、基层的 处理、混合料的运输和摊铺、压实等【2 5 1 。 1 2 长安大学硕t = 学位论文 在混合料运输过程中，应注意运输过程的保温，即保证沥青混合料的温度不低于规 范要求，并在运输过程中避免急刹车，以减少混合料离析，摊铺时，要首先根据需要调 整摊铺机的工作参数，工作参数选择不当，就不能很好的保证沥青混合料摊铺的均匀性， 不能保证摊铺出较高水平的沥青混凝土路面，对于相邻的摊铺带的接缝要进行处理，接 缝处理的好坏直接影响路面面层的平整度。摊铺过程的实时检查是良好摊铺效果的保证 【2 5 】【2 6 l o 压实是沥青路面施工中最重要的一道工序。路面压实直接影响沥青路面的强度、稳 定性及抗疲劳等各种特性，沥青混合料的施工密实度越大，空隙率越小，其稳定度、抗 压强度就越大，疲劳寿命也较长，行车过程中产生的压密形变就越小。目前，高速公路 沥青面层一般要求压实度术9 8 2 6 】，以减少压密形变，提高抗车辙能力。施工压实度不 足，路面在行车荷载作用下产生进一步压密变形，很容易导致沥青路面早期车辙等各种 病害。 ( 6 ) 其他 除了以上原因外，级配也是一个相当重要的因素。不同级配类型的沥青混合料具 有不同的路用性能，沥青混合料的高温稳定性，首先取决于矿料的骨架，尤其是集料 的相互嵌挤作用。有关资料表明，通常情况下，沥青混合料的抗车辙能力，矿料相互 嵌挤作用的贡献率占6 0 ，而沥青胶结材料的性质提供4 0 的抗变形能力【2 7 】，所以进 行优良的级配设计在沥青路面设计中占有举足轻重的地位。通过对一些沥青路面的调 查发现众多出现问题的路面均存在级配不良的状况，有些工程不考虑地区与材料等因 素的差异，均统一采用规范中值级配，而这种级配很可能出现集料颗粒在行车荷载作 用下重排达到最密实状态，致使路面不可避免的出现各种各样的病害，严重影响道路 的使用寿命。进行级配设计时，应综合考虑地区、料源、气候等多种因素，选择适用 于当地的具有良好路用性能的沥青混合料级配，以使道路在使用期内有良好的性能。 2 2 。3 高速公路常见病害机理分析 在高速公路沥青路面众多形式的早期损害中，我国最常见、最难克服是车辙、裂缝 以及水损坏，分析这三种病害产生的机理，了解它们发生及发展规律，对我们在最佳时 机采取最佳的预防性养护措施有很好的指导作用，以避免病害向纵深方向发展，延缓道 路的中修、大修年限，延长道路的使用寿命。 ( 1 ) 车辙 第二章高速公路沥青路面病害类型及机理分析 沥青混合料是一种粘弹性材料，沥青路面在与时间相关的荷载和气候的共同作用 下，在轮迹带处逐渐产生下凹变形并形成两条纵向的槽，形成车辙，严重时辙槽的两侧 会有膨起变形 5 0 】。 一般来说，沥青路面车辙有四种类型： a 结构型车辙。这类车辙是由于路面结构在车辆荷载作用下产生永久变形而形成， 这种变形主要发生在沥青面层以下的包括路基在内各结构层中，在柔性基层沥青路面中 较多发生。这类车辙的一般宽度较大，两侧没有隆起现象，横断面成v 字形( 凹形) 。 b 失稳型车辙。沥青路面在车轮荷载的反复作用下，在轮迹处沥青混凝土产生侧向 流动变形并不断累积形成车辙。这种情况在夏季高温时容易发生，主要是由于沥青混合 料高温稳定性不足所致。往往一方面是在轮迹处产生下凹，另一方面轮迹两侧产生向上 隆起，在弯道处还明显向外推挤。尤其容易发生在上坡路段、交叉口附近，即车速慢、 轮胎接地产生的剪切力大的地方。 c 磨损性车辙。在一些寒冷地区的冬季，由于路面结冰，为保证行车安全，需要在 轮胎上加挂防滑链或采用埋钉式防滑轮胎，这样会对路面造成比较严重的磨损，在轮迹 带上形成车辙。 在我国，由于基层大都采用半刚性基层，车辙基本上都属于沥青混合料的失稳型车 辙。结构型车辙较少，但当半刚性基层质量较差时也有较为严重的车辙产生。而磨损性 车辙在我国是很少的，基本上不加考虑。 d 还有一种在国外较少发生，而在我国却较多发生的车辙。它是由于沥青面层本身 的压实造成的，可以称为压密型车辙。主要是由于在沥青面层施工时为了片面地追求平 整度，没有进行充分地压实，而是在降低温度后碾压，造成压实度不足，致使通车后的 第一个高温季节混合料继续压密产生。这种车辙两侧没有隆起，只有下凹，成v 字形 或w 形。这主要是由于对沥青混合料压实度及空隙率控制不良造成的。 针对不同种类型产生的原因、形状，对于我国半刚性基层沥青路面最常见的失稳性 车辙，仅对凹下部分进行填充不能达到很好的修补要求，采用预防性养护措施进行车辙 填充时。需对轮迹两侧凸起部分进行铣刨，使得处理完后的路面不至于有拥包的出现。 ( 2 ) 裂缝 我陶高速公路沥青路面结构，通常由半刚性材料底基层，半刚性材料基层和沥青面 层组成，在沥青路面裂缝损坏中，钻芯取样发现裂缝中有5 0 以上为半刚性基层开裂而 导致沥青面层开裂的反射裂缝。 1 4 长安大学硕上学位论文 半刚性基层材料属于水硬性材料，基层建成后，基层内部物理化学反应还会持续一 段时间，基层材料的强度和刚度也会随龄期增长不断较强，这一类材料对温度和湿度的 变化比较敏感，在温度、湿度长期不断反复变化下，就会导致基层产生干缩和温缩裂缝， 而其下卧层与该层间的摩阻力抑制了其收缩，从而在该层内部产生拉应力，当该应力超 过其抗拉强度时就产生开裂。半刚性基层开裂后，在沥青面层与基层裂缝处形成一个薄 弱点，在温度应力和荷载共同作用下，该点的沥青面层底面便产生应力集中，如面层较 薄就会引起开裂，随后，裂缝逐渐向上扩展，直至沥青表面。 目前国内外对减少半刚性路面反射裂缝的主要思路是：使用防裂效果更好的面层 或基层材料；通过增加沥青面层厚度以防止基层反射裂缝；从结构本身入手防止和 减少半刚性沥青路面基层的反射裂缝，在沥青面层和半刚性基层之间设置一层弹性模量 低，韧性好的材料作为应力吸收层以吸收半刚性基层裂缝，目前这种方法是国内外工程 实践中用得较多的一项工程措施。 ( 3 ) 水损坏 由于我国高速公路沥青路面的特殊结构形式，即由半刚性基层作为汽车荷载的主要 承重层，沥青面层只作为结构层。在这种结构形式下，高速公路沥青路面中常见的水损 坏破坏形式有以下几种： a 唧浆 水透过沥青