黄河堤防防汛路沥青路面早期破坏影响因素探讨

姜志伟

(山东黄河勘测设计研究院有限公司，山东 济南 250013)

1 概述

黄河大堤的堤顶道路按照三级道路标准修建，不仅是黄河防洪工程的重要组成，也是防汛抢险的交通要道[1]。1998年以前，下游堤防堤顶主要是土路面，个别堤段为碎石路面，沥青路面相对较少。黄河下游主汛期与雨季同期，每逢多雨季节，堤防泥泞难行，这种路况难以保证防汛抢险的交通需要。自1998年开始逐渐黄河临黄大堤堤顶防汛路逐渐进行堤顶路面硬化，现黄河下游山东境内黄河堤顶防汛道路路面结构基本为沥青路面。

沥青路面在运行几年后，有的已经大面积破坏出现路基破坏，主要表现为：纵向裂缝、横向裂缝、网裂等病害[2]。

裂缝：沥青路面建成后，都会产生各种形式的裂缝。初期产生的裂缝对沥青路面的使用性能基本上没有影响，但随着表面雨水的侵入，导致路面强度下降，在抢险车辆高密度的荷载作用下，使沥青路面产生结构性破坏[3]。沥青路面裂缝表现形式可分为横向裂缝、纵向裂缝。影响裂缝的主要因素有：沥青的品种和等级、沥青混合料的组成、面层的厚度、基层材料的收缩性、土基和气候条件等。

网裂：路面产生相互交错的疲劳裂缝，形成一系列多边形小块组成的网状开裂，在纵缝间出现横向和斜向连接缝，形成缝网。主要是由于路面的整体强度不足而引起的。

2 影响因素

2.1 沥青料因素

沥青路面材料要求高温稳定、低温抗裂、耐疲劳和耐久性等[4]，这些特性受沥青料的影响很大，沥青料性能对于强化路面材料的抗剪能力具有十分重要的作用，抗剪特性与混合料的其他特性是密不可分的。

在沥青混合料组成设计时，沥青品种的选择和混合料的沥青含量的确定是控制各种病害的主要手段，同时能够很大程度上影响路面混合材料的抗剪能力[5]。沥青混合料的粘结力与沥青本身的粘度有密切的关系，沥青黏滞性越高，混合料的抗剪能力就越大，就越不容易变形。材料的强度也会随之提高；而沥青的稠度越高，软化点就越高，在温度变化时受影响越小，即使温度在不断升高到情况，沥青混合料仍具有良好的黏滞性，保证混合料保持良好的的强度和韧度，防止出现过大的形状变化而产生破坏；耐久性好的沥青料能够长期保持混合料性能，不但有利于路面的长期性能，对路面早期破坏也有积极的作用。目前沥青的分级标准的是依据国标，以沥青25℃时的针人度作为分级依据。这种方法简便易行，但是无法准确的区分多种不同种类沥青的性能之间的差异，且PI指标敏感性大，难以准确衡量沥青的高温稳定度。而根据SHRP的PG沥青性能分级规范，依据路面性能的要求来划分，这种方法可以清楚的明确各种沥青的耐高温稳定性、低温抗开裂能力和抵抗疲劳能力，有非常大的实用价值。

沥青在高温下的稳定性对混合料的性能有非常明显的影响，由马歇尔试验可知，不同的沥青用量会引起马歇尔稳定度的变化，而当马歇尔稳定度达到最大时的沥青量就是最佳沥青用量，其原因在于如果沥青的用量不足，混合料的表层沥青厚度较单薄，混合料也会呈现干枯形态，造成混合料缺乏有效的粘结力，无法形成足够的强度，进而影响稳定度。如果加入足够的沥青，混合料会产生足够的黏结力，同时稳定度也将大大提升，但是如果加入的沥青用量过大，将会造成混合料表面沥青层过厚，形成沥青层流淌，降低混合料中颗粒之间的摩擦力，颗粒因为受到外荷载的作用产生相对位移，降低了混合料的稳定度。

沥青混合料中材料在路面各方面性能的影响作用大小不同，在防止低温开裂方面，沥青的性能占90%的作用；减少疲劳损坏方面沥青和集料的作用各占一半；而在减少车辙方面，集料质量和级配的作用占60%以上。对于抗剪特性来说，低温时，沥青料的影响作用大于集料，高温时沥青料模量降低，抗剪作用主要受集料影响。

2.2 集料骨架形式

混合料的骨架构造直接影响到沥青混合料的抗剪强度[7]，较低温度时，骨架结构与非骨架结构的抗剪强度差别为34.5%；较高温度时，骨架结构与非骨架结构的抗剪强度差别将减小；但温度达到60℃时，骨架结构抗剪强度增长幅度达到78.6%。可知，较低温度时，集料颗粒相互的挤压作用和沥青料的黏结力共同保障混合料的抗剪强度，在密实悬浮结构中，集料的嵌挤力较小，是形成二者之间抗剪强度差异的主要原因。由于低温时沥青料的粘聚力和粘结力对抗剪强度产生的作用很大，所以抗剪强度差别的幅度因为基数的增大而相对显得较小；当温度升高直至60℃时，沥青粘聚力在抗剪中的作用急剧降低，甚至起到润滑作用，混合料大部分的抗剪强度指标来源与集料颗粒相互挤压作用，骨架结构的作用显得十分突出，抗剪强度差异幅度达到了78.6%。

在路面的设计与施工中，混合料的抗剪性能是十分重要的因素，需要严格控制扁平料的含量。我国公路建设集料来源广泛，很多是由地方小生产企业提供，机器设备落后，集料品质不能得到很好的控制，这与工业化大生产的方式是不相适应的，形成了公路建设中的薄弱环节。要建设高质量的路面，需要对集料品质加强认识，并重视其在路面性能中的重要作用。

2.3 路面结构

路面的沥青面层因直接受到外荷载作用[8]，其内部将会生成很大的剪切应力，最大剪应力的位置发生在轮载作用的沥青表面层附近，且最大剪应力随着荷载分布形式、基层模量和面层模量等因素的变化而不断变化。

目前黄河堤防防汛路的路面结构大多是半刚性结构，半刚性基层模量改变，面层内剪应力最大值也会随之改变，并呈现出明显的非线性关系，半刚性基层模量在较小值(≤1500MPa)范围内变化时，面层的剪应力最大值的变化较大；而当半刚性基层模量在较大值(≥1500MPa)范围内变化时，面层内剪应力的最大值变化较小。面层模量对最大剪应力的影响规律与半刚性基层模量的影响规律相反，当面层的模量增大时，其内的剪应力最大值反而会减小，即面层模量的提高有利于降低路面结构内的最大剪应力值。

为保证路面结构的稳定，减小路面面层内的最大剪应力值，提高道路的耐久性能，可以用减小半刚性基层模量和增大路面面层的模量。黄河堤防的防汛路采用加强基层提高整体强度，面层较薄的设计思路，虽然使得防汛路的路面结构的整体强度较高，但因面层较薄，使得表面层材料受剪力影响增加，对路面结构尤其是面层的抗剪特性是不利的。

2.4 施工质量

随着行车速度的提高和人们对行车舒适性及安全性要求的提高，路面性能的要求也越来越高，不断有新型的路面材料涌现出来。如AC-13V和SAC沥青混合料、SUPERPAVE沥青混合料以及排水式的开级配混合料等[9]。但研究表明，以上材料都是以提高粗骨料用量的方法，在混合料中形成较合理的结构深度，增加骨料之间相互的挤压力，从而形成骨料之间较强的黏结力。

图1 集料离析

粗集料用量的增加，提高了集料间的挤压力却也降低了混合料之间的和易性，使得材料在使用过程中有着不同程度的离析(如图1—2所示)，分别形成了骨架空隙结构和密实悬浮结构，造成混合料的抗剪强度更差；施工过程中的压实度是影响路面结构抗剪特性的重要因素，路面压实度不够，使得空隙率增加，抗剪强度大幅度降低，有的施工单位为了达到验收标准，采取牺牲压实度来实现平整度的方法，结果还没到验收时间就发生全路段初期损坏，不得不进行更大规模的修复工作。

图2 同一试件的两个不同切面

施工过程是把设计蓝图变成现实事物的重要过程[10]，施工控制不好，再好的设计都不能达到设想的效果，在做好材料、结构和各方面工作的同时，必须把好施工这个最后且最重要的环节，全面提高黄河堤防防汛路的施工水平。

3 结语

综上所述，黄河防汛路的路面早期破坏原因很大程度来源于面层的剪切破坏，所以降低路面结构内的剪切应力，提高路面的抗剪能力，可以有效防止防汛路路面早期破坏，延长使用寿命。

(1)沥青料是柔性路面结构的主要材料之一，其性能对结构的抗剪特性有一定的影响，尤其是在低温情况下，在工程中选用改性沥青料能有效提高路面结构的抗剪特性。

(2)混合料的骨料合理级配和骨料品质可以极大影响沥青混合料高温时的抗剪性能，级配良好的骨料之间可以形成挤嵌构造，抗剪性能显著增加，要严格控制其集料级配，否则会严重降低抗剪特性。

(3)防汛路的路面结构层的模量和厚度也影响抗剪特性，可以在加强基层强度的前提下，适当提高面层的厚度也可以提高面层的抗剪能力。