随着我国公路的迅速发展,极大地促进了人口与商品物资的流通,积极地拉动了经济发展。当前公路交通正朝着重型、量大、高速的方向发展,在拉动经济发展的同时也给公路运行带来了巨大压力。若公路路面频繁发生破坏,不仅需要耗费大量的人力物力进行修补,同时会造成经济损失和带来很多交通问题。所以提高路面的使用寿命具有长期的社会效益与经济效益。目前我国的高速公路设计年限一般为20~30年,但是,多数高速公路使用3~5年后就需要大修。因此提高路面的可靠性与耐久性是非常值得研究的课题。深圳润通www.csfhlm.com提出从根本上提高路面的可靠性与耐久性,应从结构方法和材料方法两方面来考虑。根据国内外一些研究成果,长寿命路面是一种十分可行且必要的技术。
路面破坏的原因简析
路面的破坏是在多种因素的的综合作用下产生的,主要可分为内在因素与外部因素两方面。
路面破坏的外部因素
这些因素包括公路上行驶的汽车所带来的垂直荷载与水平荷载和空气,水,温度等自然环境因素。垂直荷载是由汽车的重力通过动力作用进行传递,这种荷载是由于轮胎的变形对路面呈现出圆形到椭圆形面的分布。汽车在行驶过程中,除了带来垂直荷载,在制动,转弯,超车以及侧滑等过程中还会给路面带来水平荷载,最大制动力可以达到垂直荷载的70%~100%。路基路面体系的性质与状态会随着温度和湿度的变化而会发生变化。路基土和路面材料的体积会随着路基路面结构内部的温度和湿度的升降而产生热胀冷缩的现象由于温度和湿度在路基路面结构内部的变化沿深度方向是不均匀的,所以不同深度处胀缩的变化也是不同的,但这种不均匀胀缩受到某种原因的约束而不能实现时,路基路面结构内部就会产生附加应力,即温度应力和湿度应力,进而对路基路面产生破坏。并且我国幅员辽阔,环境条件多样,对路基路面体系的影响各不相同。
路面破坏的内在因素
主要是路面的结构与材料。路面结构的理化特征呈现在面层的抗剪切能力,材料的结构状态,路面各层以及路基的压实程度,土的类型及其性能上。而造成结构抗剪切能力不足,材料密度不够的情况主要是由于路面结构不合理,不符合使用现状所致。目前我国的高速公路沥青路面绝大多数采用半刚性基层沥青路面,这为发展高速公路建设起到重要作用,但此结构存在许多不足,不少高速公路沥青路面产生了耐久性差、使用寿命短的现象。并且现在我国公路实际的交通量和汽车荷载已经远远超过设计值,致使路面结构损坏,使用寿命急剧降低。
提高路面材料可靠性和耐久性的方法
路面材料是多种材料配制而成的复合材料,即同类性质的矿物骨料为主架结构,与另一类具有黏结性能的材料充填其中形成介质、且以各自不同的特性构成复合体。路面材料处于提高材料一种变形稳定性就会降低材料的另一变形稳定性的矛盾中,如增大了材料的塑性,材料的脆性必然会降低。因此不能单从路面材料方面着手考虑,同时也要考虑路面的结构方面。这就要求改变以往路面设计原则,设计新的结构与铺装层材料,从国外多年的研究成果来看,长寿命路面具有区别于传统路面的结构特性,良好性能与使用寿命。而材料方面则是以材料学为基础研究掌握能提高路面可靠性与耐久性的新材料与新施工工艺,提供性能优良的路面材料以达到设计要求。
长寿命路面
目前国内外尚未就长寿命路面的定义与使用寿命形成统一标准,一般来说都在30~50年。如根据美国沥青路面协会定义,长寿命路面是指设计使用年限达50年的沥青路面,在设计使用年限内无结构性的修复和重建,仅需根据表面层损坏状况进行周期性的修复。所以长寿命路面并非长时间不产生任何破坏,不需修补,而是产生破坏的只是表面的磨耗层而不会产生路面的结构性破坏,日常养护只需针对表面磨耗层进行,维修时只需将表面层混合料铣刨、并加铺等厚度的新拌混合料,方便快捷,成本低廉,。长寿命路面的设计理念是基于近年研究发现在沥青层层底存在一个极限弯拉应变水平,当路面在荷载作用下应变低于这个水平时,不会发生疲劳损坏,这一应变水平即为疲劳极限。因此,研究认为沥青路面存在一个面层厚度极限,当沥青厚度超过此限值后,路面结构将不会出现由下到上的疲劳开裂和结构性的车辙。所以思路是设计面层较厚的路面结构,控制住面层底部拉应变水平,路面结构以下部分具有较高的抗疲劳裂缝稳定性。因此破坏仅出现在直接承受交通与天气等环境因素作用下的面层上。
此种结构为:(1)抗磨损和抗塑性变形的上面层;(2)高模量抗塑性变形的中面层;(3)抗疲劳破坏的下面层。国外研究应用长寿命路面效果是显著的:如新泽西州运输部对I-287州际道路的路面损害情况进行调查。该道路1993年年平均日交通量为11.1019万次,货车占22%,重货车占9%。20年累计当量荷载5000万次。由于是重载交通,因此经常出现停车、慢速行车。使用多年来除了局部进行了小面积的补坑外,没有经过其他维修。调查发现路面维修很少,路表行车道处产生了纵向疲劳开裂,且车辙深度达到25mm以上。但是进一步研究表明这些病害深度都没有发展到路表75mm以下,因此决定铣刨掉表面75mm沥青面层,重新加铺100mmHMA。该工程1994年完工,2001年调查时没有发现任何开裂、车辙,预计结构能够使用40年以上。马里兰州的巴尔的摩环形公路也是一个很好的例子,日交通量是175000辆/日,货车占19%。结构为2英寸SMA19+2.5英寸HMA基层(大粒径石料)。总厚度为16英寸(1015px),没有发现自下而上的疲劳开裂,4年的观测表明,路面车辙正常,为1/8英寸。
但需要注意的是,国外主要基于柔性路面进行长寿命路面设计,前面也提到我国长期占主导的路面结构形式是半刚性路面,全面推广柔性路面尚有难度。目前长寿命路面在我国还处于学习,消化吸收阶段,我们也不能全盘照搬国外设计模式,还需结合我国地广人多,幅员辽阔,各种环境条件不一的特点进行长寿命路面设计。李福普对比了多种路面结构在我国的使用情况,认为组合式基结构是一种值得推广的路面结构。宋若原在此基础上进行结构优化提出了组合式基层长寿命路面结构的设计。国内也对各种长寿命路面的设计进行了研究实践提出了以沥青混凝土+水泥混凝土面层+沥青联结层为主体的长寿命路面结构,并在许昌至尉氏高速公路上进行了应用。是我国较有代表性的长寿命路面结构。
这种改性沥青面层+组合式基层+半刚性底基层的结构设计经计算分析在标准轴载下沥青层底应变,半刚性底基层层底应力,均小于相应的疲劳极限,弯沉也小于为实现路面长寿命而应满足的限值。此结构能够满足长寿命路面的要求。初期建设成本比普通高等级公路路面高30%左右,但其全寿命周期的年均投入远低于普通路面,在经济上具有优越性。调查研究表明该段路面也具有良好的可靠性与耐久性,并且具有良好的经济效益和社会效益。
提高路面使用寿命的材料学措施
(1)改进选择路面材料各组合成分。正如前文所提到的,路面材料是由多种成分组成的复合材料,在碎石,砂子,矿粉,胶结料和各种添加剂这些原始组成成分的基础上可以有上千种各有优劣的组合,根据具体的环境以及路面设计选择不同的组合成分对路面材料的可靠性与耐久性有重要影响。(2)面层结构设计及施工工艺。前文提到,路面材料的各种性能总是此消彼长,相互矛盾。所以可以提高材料的一种性能,对于相对应下降的的性能用结构上的设计和施工工艺来弥补。(3)新型高性能材料的使用及其施工工艺。新型的高性能材料具有优良的性能,如浇筑式沥青混凝土铺装的面层能在冷却时达到最大强度且不会形成气孔,由于其具有较好的和易性,一般情况下就不必再对所铺层进行压实。此外,浇筑式沥青混凝土摊铺出来的面层具有高耐磨性,腐蚀稳定性和高耐久性。
又如沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)是当前国际上公认的一种抗变形能力强,耐久性较好的沥青面层混合料。已广泛应用于各国的许多长寿命路面上。由于粗集料的良好嵌挤,混合料有非常好的高温抗车辙能力,同时由于沥青玛蹄脂的粘结作用,低温变形性能和水稳定性也有较多的改善。添加纤维稳定剂,使沥青结合料保持高粘度,其摊铺和压实效果较好。间断级配在表面形成大孔隙,构造深度大,抗滑性能好。同时混合料的空隙又很小,耐老化性能及耐久性都很好,从而全面提高了沥青混合料的路面性能。
在查阅分析有关资料的基础上,对路面的破坏原因进行基本的分析,从内外两个方面分析我国公路路面在外部条件多样,内部结构设计不是很合理的情况下较为频繁的产生破坏。针对这一问题分析了国内外研究如何提高路面使用寿命的一些方法,建议根据我国实际情况,消化吸收国外设计使用长寿命路面的经验,从结构和材料两方面设计符合我国使用情况的长寿命路面。提高路面使用寿命并非是路面材料或是路面设计的单一问题,通过分析发现两者相互影响,共同作用,可以相互弥补不足,优势互补,从而提高路面使用寿命。这也要求我们在考虑这些提高路面问题时思路应更宽泛,要掌握相关知识,不能单单局限于土木工程方面的考虑,也应了解材料方面相应的知识。并且施工工艺也会对路面使用寿命产生影响,所以正确的选择相应施工工艺,严格的施工质量控制也十分重要,因此实践经验的积累也相当重要。