浅议公路路面设计使用寿命

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  【摘 要】 目前国家公路的使用现状不甚理想,许多道路普遍存在早期病害现象,沥青混凝土路面出现车辙、网裂和松散等病害,而水泥混凝土路面出现断板、断角和错台等,这些早期破坏降低了路面结构承载能力,严重影响使用的舒适性,而公路路面很快就进入维修期或直接报废,其实际使用寿命远小于其设计使用寿命,造成巨大的资源和能源浪费。由此,如何保证我国公路路面质量以延长其使用寿命是当前我们公路建设者面对的一个重要问题。
  【关键词】 公路路面;设计使用;寿命延长措施
  一、目前公路路面出现的问题
  1、相当一部分沥青公路的路基、沟槽填土施工没有按照相关的技术规范进行,主要表现在以下几个方面:(1)无论是路基还是沟槽填方、填土,都没有根据规定要求的虚铺厚度进行,超厚回填的现象较为普遍。(2)根据相关技术规范的要求,在路基地面的横坡或纵坡陡于1:5时,应在制作台阶后分层填压,在进行沟槽回填时,应分层倒退进行,以留出台阶。但是不少施工人员却并没有给予这些要求以足够的重视,不设置台阶、沟槽填筑高度不一致的现象较为普遍,这样就就会使碾轮因存在纵坡的影响而无法让土基密实度达到规范要求的水平。(3)部分施工单位在完成路基填筑施工时,才发现填筑宽度没有达到标准要求,但他们的应对方法却是将一些松散的土倾倒在边坡之上,通过人工的方法进行夯实,这样的施工成果虽然看上去并无一样,但是在实际使用的过程中,极易导致路基滑坡,使路面寿命因沉降、裂缝而大幅缩短。
  受施工环境的影响,在一部分沥青公路的路面施工过程中,无法对先进的施工技术和设备进行应用,人工铺设或人工配合机械铺设的情况相对较多,受技术水平低下的影响,很难对沥青公路路面的平整度进行有效控制,主要表现在以下几个方面:(1)由于在摊铺过程中受到卸料冲击、铁锹高抛、乱压乱踩等因素的影响,使等厚的松铺层存在密度差异,压实系数因此大幅降低,最终导致路面平整度较差。(2)沥青混合料在碾压前已经摊铺较长一段时间,其内部温度较高,可塑性强,但是表面却已经变冷,形成僵皮。这样一来,压路机在碾压过程中,前轮就会出现波浪,进而产生推移横裂纹。(3)很多沥青公路的两侧设置有路缘石,所以在碾压过程中就容易出现操作人员担心将路缘石碰坏而留有余度的现象,因未经受碾压,边缘部分容易出现低洼、松散掉渣等问题。(4)路面接茬松散、平整度不足,产生原因分别为两幅之间皆属每幅边缘,没有充分压实;两幅虚铺厚度不一致,进而产生高差。
  2、设计不完善。现有的路面设计理论主要是用来解决路面厚度和设计计算的问题,对结构组合和材料选择及组成等方面仅做了指导性的规定,没有更多的涉及具体细节的说明。这就造成了在公路工程实际中,见仁见智现象的出现。以路面强度为例,主要考虑的设计因素是路基强度,而路基强度是用路槽顶面土基回弹模量来度量的,工程中常见的错误设计是未根据路基填挖情况分段采用或分段错误或未考虑土基地质和填料的物理力学性质而盲目取用。
  2、施工管理不善。工程实践中,质量不达标不能通过验收、重复建设导致实际工程费用缩水等现象时有发生。究其原因,除了设计出现的问题外主要在于施工阶段缺乏对在建项目的有效管控。一方面,由于缺乏有效地统筹管理和实效的监督体系,从原料的采购、运输及使用,工程机械的使用,人员的安排等容易出现谎报、重复、闲置或冗余等额外的支出,造成极大地浪费,限制了预算应有的经济社会效益。另一方面,由于现场路基、基层及路面等施工质量控制不当,极易导致公路不能按期投入使用、返工或出现“豆腐渣”工程,影响公路的效能发挥,缩短其使用寿命。
  3、超载、超限问题。公路建设大发展的同时,超限超载运输却日益泛滥,特别是在高等级路面上,超重型、特重型车辆随处可见,超出极限荷载的行驶无疑将导致路面结构严重受损,使得路面开裂、拱起、甚至局部下陷,从而导致路面破坏,缩短公路的使用寿命。
  4、维护方面的问题。公路养护与管理是公路建设的延续和发展,对公路使用功能的长期有效性,即公路的使用寿命,发挥起着重要的保障作用。但在公路具体实践中,重建轻养的现象十分严重,特别是经济欠发达地区,养护资金匮乏、专业人员不足,养护管理机制短期内难以实现。制定定期的巡检计划,能够尽早地掌握公路的运行状态,特别是路面的完整状况,以便按需及时地采取措施对存在的或潜在的病害进行处理,避免损坏的进一步扩展,改善公路的舒适性和延长其使用寿命。相反,如果不能及时地发现路面的损坏状况,则可能导致重大的交通事故,造成人员伤亡和财产损失。当前的公路养护管理中还存在有养护管理体制不顺、养护运行机制落后、养路员工文化素质偏低、养护机械设备陈旧(缺乏)等问题亟待解决。
  二、影响沥青路面使用寿命的因素
  1、路面变形因素。车辙属变形因素,指路面上沿行车轮迹产生的纵向带状凹槽,深度1.5cm以上。车辙是在行车荷载重复作用下,路面产生永久性变形积累形成的带状凹槽。车辙降低了路面平整度,当车辙达到一定深度时,由于辙槽内积水,极易发生汽车飘滑而导致交通事故。产生车辙的原因主要是由于设计不合理以及车辆严重超载导致的。影响沥青路面车辙深度的主要因素是沥青路面结构和沥青混凝土本身的內在因素,以及气候和交通量及交通组成等的外界因素。车辙产生的主要原因有:
  1)沥青混合料油石比过大。
  2)表面磨损过度。
  3)雨水侵入沥青混凝土内部。
  4)由于基层含不稳定夹层而导致路面横向推挤形成波形车辙。
  2、路面裂缝因素。裂缝主要有三种形式:纵向裂缝,横向裂缝和网裂。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,在大量行车荷载作用下,使沥青路面产生结构性破坏。沥青路面裂缝的形式是多种多样的,裂缝从表现形式可分为横向裂缝、纵向裂缝和网状裂缝三种。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。坑槽(裂缝类)是常见的沥青路面早期病害,指路面破坏成坑洼深度大于2cm,面积在0.04m2以上。形成坑槽主要是车辆修理或机动车用油渗入路面,污染使沥青混合料松散,经行车碾压逐步形成坑槽。   3、路面松散因素。沥青路面的松散是指路面结合料失去粘结力、集料松动,面积0.1m2以上。松散是直接影响行车安全的路面病害,松散可能出现在整个路面表面。也可能在局部区域出现,但由于行车作用,一般在轮迹带比较严重。其产生的主要原因有:
  1)局部路基和基层不均匀沉降引起路面破坏。
  2)碎石中含有风化颗粒,水侵入后引起沥青剥离。
  3)随着使用时间的增多,沥青结合料本身的粘结性能降低,促使面层与轮胎接触部分的沥青磨耗,造成沥青含量减少,细集料散失。
  4)机械损害或油污染。脱皮(松散类)沥青路面脱皮是指路面面层层状脱落,面积0.1m2以上。导致沥青路面脱皮主要是因为水损害。
  三、延长沥青路面使用寿命的措施
  影响道路沥青路面使用寿命的因素是多方面的。因此,要延长道路沥青路面使用寿命,必须相应地从以下几个方面采取措施。消除每种因素存在的隐患,从总体上提高路面质量,延长路面使用寿命。
  1、沥青路面变形(车撒)因素的治理措施。
  1)如果车道表面因车辆行驶推移面产生的车辙。应将出现车辙的面层切削或铣刨清除,然后重铺沥青面层。然后采用沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)或SBS改性沥青单混合料、或聚乙烯改性沥青混合料来修补车辙。
  2)如果路面受横向推挤形成的横向波形车辙,如果已经稳定,可将凸出的部分削除,在波谷部分喷洒或涂刷粘结沥青并填补沥青混合料并找平、压实。
  3)如果由于基层强度不足、水稳性能不好,使基层局部下沉而造成的车辙,应先处治基层。将面层和基层完全挖除。
  2、沥青路面裂缝及坑槽因素的治理措施。
  1)沥青路面裂缝产生后,如果在高温季节全部或大部分可愈合的轻微裂缝,可不加处理。如果在高温季节肯定是不能愈合的轻微裂缝,要及时进行维修,控制裂缝的进一步扩大,防止导致路面早期破坏,提高公路使用效率。同样在沥青路面裂缝的维修时,要严格工艺操作和规范要求。
  2)灌油修补法。在冬季节,将纵横裂缝处清扫干净,用液化气将缝壁加热至粘性状态后,再把沥青或沥青砂浆(在低温潮湿季节宜喷洒乳化沥青),喷抹到缝中,再匀撒一层2~5mm的干燥洁净石屑或粗砂加以保护,最后用轻型压路机将矿料碾压。如果是细小的裂缝,则要预先用盘式铣刀进行扩宽,再按上述方法做处理,沿裂缝涂刷少量稠度较低的沥青。
  3)对开裂的沥青路面进行修补。施工时,先把裂缝的旧迹凿掉,形成V形槽;再用空压机吹除V形槽中及其周围的松动部分和尘土等杂物,然后通过挤压枪把已经拌和均匀的修补材料灌入裂缝中,使之饱满。待修补材料凝固后,约一天左右即可开放交通。此外,如果由于土基、基层强度不足或路基翻浆等引起严重龟裂,应先处治好基层再重作面层。
  4)路面的基层完好,仅面层有坑槽时的护理方法。按“圆洞方补”的原则,划出与路中心线平行或垂直的坑槽修补轮廓线,按长方形或正方形来进行,凿开坑槽到稳定部分,用空压机将槽底,槽壁的尘土和松动部分清除干净,然后在干净的槽底;槽壁喷洒薄层粘结沥青,随即填铺备好的沥青混合料。然后手压路机碾压,压时要确保压实力直接作用在摊铺后的沥青混合料上。采用这种方法,不会发生裂缝、裂纹等现象。
  5)热补法修补。采用热修补养护车,将加热板加热坑槽处路面,翻松被加热软化铺装层,喷洒乳化沥青,加入新的沥青混合料,然后搅拌摊铺,压路机压实成型。
  四、影响水泥混凝土路面使用寿命的因素
  1、水泥材料因素的影响由于生产技术的落差,当前很多水泥的物化性质及型号质量不尽相同,一般来说,水泥质量的高低直接影响着混疑土路面的强度性能,使用不同批号生产的特别是不同标号质量的水泥混用,其强度性能得不到保障;另外,水泥中的硅铝酸钙等化学成分级其它有害杂质含量过多,会致使水泥混凝土稳定性降低,產生过大的收缩应力,增大了水泥混凝土路面产生早期裂缝的可能性。
  2、骨料质量因素的影响作为水泥混凝土路面的重要材料,骨料在路面结构中发挥着骨架支撑作用,特别是对于骨料中相关粗质集料的针片状石子含量过高,耐压度不高时会造成路面结构孔隙率较大,使用偏细砂料时会使水泥混凝土收缩值增大,如果骨料中二氧化硅等活性材料过多,会与水泥中碱性氧化物发生反应生成凝胶状体,吸水膨胀后导致路面板体开裂和破坏,将会较大程度的影响水泥混凝土路面使用性能。
  3、路基强度因素的影响路基是公路结构中发挥承载性能的重要部分,其强度性能及稳定性,对于水泥混凝土路面的使用寿命影响极大,路基开挖回填夯筑施工过程中如果使用了沼泽淤泥土等不适宜材料,基层混合料松铺、碾压施工强度不均匀,平整度与密实度控制不足,对于松软塑性性等不良土质处理不当,排水施工不合理,会造成路基稳固性不强而发生沉陷、滑移或塌方等现象,影响其路面性能。
  4、施工技术工艺的影响水泥混凝土路面属于密实性板体结构,施工技术中各环节的质量控制对于水泥混凝土路面使用性能影响极为关键。基层路面施工设计方案的科学合理性,施工参数与水灰比级配控制不严,混凝土拌制、摊铺,振捣施工中离析现象严重,水分散失过快,振捣次数太多或出现漏振现象,高填方路段基层压实强度不足,切缝处理不及时,养护管理措施不到位等等都会对混凝土路面使用性能造成影响。
  5、外部环境因素的影响温度与湿度等自然环境因素对于水泥混凝土路面的使用性能的影响尤为明显,施工过程中水分蒸发过快以及水化热温度变化过大对于体积或面积较大的水泥混凝土路面硬化形成内胀外缩效应,从而产生相应的温度应力造成水泥混凝土路面出现早期裂缝。路面施工完毕初期,如果对于路面养护管理措施不够,将会发生温缩或干缩应力,交通开放过早,造成裂缝产生影响其使用寿命。
  五、提高水泥混凝土路面使用寿命的措施
  1、加强施工材料质量控制   水泥混凝土路面施工前要对水泥、砂石、集料、等等施工材料进行合理的物化性质优化选择,严格控制其质量性能,粒径尺寸、纯净度以及耐压度预测,严格按照施工设计参数方案进行材料级配混合,骨料选用尽量选择级配适宜、杂质较少、活性氧化物质较少的材料,保障水泥混凝土路面施工强度需求。
  2、加强施工技术程序控制
  施工时要严格控制设计方案,特别注重混凝土拌合与振捣施工,加强路基施工排水、压实处理,增强其稳定性,控制水泥水灰比的拌合时间以及均匀度,适量控制路面面板厚度及均匀度,避免施工过程中发生严重的离析现象,优化养生措施,及时进行切缝与养护处理,防止路面早期裂缝发生。
  3、加强路基强度施工控制
  水泥路机施工时要合理选择粉煤灰与石灰土等施工材料性能,严格处理开挖回填路段的夯实度,对于基层表面松铺材料的厚度与压实需要均匀,合理设置排水设施,控制路面基层平整度,根据不同路段的地质水文以及自然环境变化情况,加强路基软土不良施工地段的稳固性保障控制,防止路基出现沉陷塌方病害。
  4、加强水泥路面养护管理
  水泥混凝土为水硬性材料,养护期较长,施工和养护用水量大。路面板体遭到破坏后进行修补相对麻烦困难,在施工完毕后应采用合理的养护措施及时进行洒水养护,避免在高温和大风天气下造成水泥混凝土表面迅速失水引起水泥混凝土表面干缩,产生表面裂纹,影响路面使用效果。
  六、结语
  公路路面的设计使用寿命是一项复杂的系统工程,要从设计部门、管理部门、施工部门到养护部门,按照行业规范标准,严格履行各自职能,层层重视、层层控制、层层落实。同时,也要从材料选择、结构设计、施工组织、质量控制等各个环节严格把关,从总体上提高路面质量。此外,还需要对加深对路面损坏机理的认识,做到有的放矢。最终才能延长公路路面的设计使用寿命,降低公路运行成本,使其更好地服务于社会生活和经济的发展。
  参考文献:
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