沈 榮

(中鐵十九局集團(tuán)第三工程有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110136)

目前，我國(guó)季凍區(qū)高速公路總里程已達(dá)到5萬(wàn)多公里，施工質(zhì)量與養(yǎng)護(hù)將直接影響交通運(yùn)輸安全[1]。但由于季凍區(qū)公路長(zhǎng)期處于較惡劣的環(huán)境中，受干濕循環(huán)、凍融循環(huán)及車(chē)輛荷載的循環(huán)往復(fù)作用，易導(dǎo)致各種典型病害發(fā)生，比如路基凍脹翻漿，路面的裂縫和坑槽等。病害嚴(yán)重影響了道路交通的正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)造成人民生命財(cái)產(chǎn)安全，如果不能及時(shí)對(duì)破損路段進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，破損范圍將會(huì)繼續(xù)擴(kuò)大，維修成本繼續(xù)增加，而且還極大地縮短了現(xiàn)有公路使用年限[2]。早在20世紀(jì)80年代我國(guó)就開(kāi)始對(duì)季凍區(qū)公路瀝青路面病害問(wèn)題展開(kāi)研究，并取得了豐碩成果。張毅[3]等對(duì)新疆巖對(duì)瀝青混合料性能的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比分析添加工藝、巖瀝青粒徑及不同摻量對(duì)瀝青混合料性能產(chǎn)生的影響，認(rèn)為巖瀝青粒徑越小，改性效果越好。董正陽(yáng)[4]等對(duì)季凍區(qū)高速公路瀝青路面病害成因進(jìn)行了分析，認(rèn)為凍融循環(huán)是產(chǎn)生瀝青路面病害的主要原因，并給出了相應(yīng)的解決發(fā)法和處治措施。仲玉俠[5]等對(duì)三種改性瀝青材料材料進(jìn)行了低溫抗裂特性試驗(yàn)研究，結(jié)果表明鋼纖維改性劑是最好的抗裂材料。

綜上分析可知，溫度交替變化對(duì)季凍區(qū)公路瀝青路面影響顯著。因此，本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)季凍區(qū)瀝青路面所處的自然氣候條件、病害類(lèi)型、破壞機(jī)理、防治措施、施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行全面分析與研究，給出季凍區(qū)瀝青路面抗凍技術(shù)施工方法，為同類(lèi)工程提可靠的施工技術(shù)支撐。

1 季凍區(qū)的自然氣候條件研究

根據(jù)我國(guó)出版的《公路自然區(qū)劃》規(guī)范可將我國(guó)劃分為常凍區(qū)、季凍區(qū)和不凍區(qū)。我國(guó)東北地區(qū)四季分明，冬季寒冷多雪，夏季炎熱多雨，春季、秋季溫度適中，因此東北地區(qū)屬于典型的季凍區(qū)。東北地區(qū)的公路路面結(jié)構(gòu)每年要?dú)v經(jīng)近70 ℃的溫度變化，夏季最高溫度能達(dá)到35 ℃以上，冬季最低溫度能達(dá)到-35 ℃以下，甚至更低，夏季一般持續(xù)3個(gè)月左右，冬季則相對(duì)較長(zhǎng)，持續(xù)時(shí)間4～5個(gè)月左右。長(zhǎng)期處于季凍區(qū)的路面極易發(fā)生凍融開(kāi)裂破壞[4]。

2 導(dǎo)致季凍區(qū)瀝青路面破壞的因素研究

季凍區(qū)瀝青路面破壞模式較為復(fù)雜，其主要破壞模式為以下幾方面：

2.1 裂縫導(dǎo)致破壞

目前，各省市絕大部分公路建設(shè)已經(jīng)完成，且大部分公路已經(jīng)進(jìn)入了養(yǎng)護(hù)維修階段，養(yǎng)護(hù)維修所要解決的問(wèn)題主要是路面開(kāi)裂。對(duì)于瀝青路面裂縫的研究多停留在裂縫產(chǎn)生原因、生成機(jī)理、試驗(yàn)方法以及防治措施等方向，也取得了較為顯著的成果，但對(duì)于裂縫擴(kuò)展與公路其他結(jié)構(gòu)之間的相互作用關(guān)系方面研究則較少。東北地區(qū)是我國(guó)典型的季凍區(qū)，由凍融作用導(dǎo)致的路面裂縫普遍存在，在冬季隨處可見(jiàn)因凍脹作用產(chǎn)生的地裂縫，有時(shí)裂縫的寬度甚至與人腳面同寬，破壞嚴(yán)重。然而對(duì)此種自然病害卻有不同看法，有專(zhuān)家學(xué)者認(rèn)為，因凍融作用產(chǎn)生的裂縫屬正常自然現(xiàn)象，轉(zhuǎn)年氣溫升高會(huì)自然閉合，不會(huì)產(chǎn)生大的影響。然而因凍融作用導(dǎo)致的瀝青路面裂縫不僅不會(huì)自然閉合，反而損傷加重，最后導(dǎo)致交通事故發(fā)生。如果路面所在地區(qū)雨水較少，則路面完整性還能勉強(qiáng)維持，而在東北地區(qū)夏季雨水充沛，冬季雪量較大，加之凍融作用導(dǎo)致的路面裂縫，水分會(huì)大量滲入，一旦溫度降低至冰點(diǎn)以下，就會(huì)產(chǎn)生凍脹裂縫，不僅影響公路整體的外觀和完整性，還會(huì)促進(jìn)水分流動(dòng)至路基內(nèi)部，使路基承載力下降，最終導(dǎo)致公路喪失使用功能。

2.2 凍融循環(huán)導(dǎo)致破壞

當(dāng)溫度從+20 ℃下降至-20 ℃再升至+20 ℃，整個(gè)過(guò)程持續(xù)時(shí)間不低于6h形成一個(gè)完整的凍融過(guò)程。而凍融循環(huán)則為多次凍融作用耦合。根據(jù)相關(guān)資料可知，我國(guó)各季凍區(qū)凍融循環(huán)次數(shù)差異較大，其中哈爾濱年均凍融循環(huán)次數(shù)為129次，長(zhǎng)春為119次，沈陽(yáng)與長(zhǎng)春接近，年均凍融循環(huán)次數(shù)為114次，大連為79次，北京為84次。在進(jìn)行瀝青路面抗凍性能評(píng)價(jià)時(shí)應(yīng)對(duì)考慮半剛性基層的層位分布情況，層位靠近底基層，所承受的凍融循環(huán)次數(shù)越少，受凍融損傷作用相對(duì)較小；與之相反，層位越靠近頂面，所承受的凍融循環(huán)次數(shù)相對(duì)較多，受凍融損傷作用則較為嚴(yán)重。

2.3 地形地貌導(dǎo)致破壞

研究認(rèn)為，瀝青路面車(chē)轍是由不同基層形變而成，認(rèn)為產(chǎn)生車(chē)轍的原因是由于路基基層薄弱所致，該觀點(diǎn)與我國(guó)高速公路車(chē)轍的形成原因不符，我國(guó)高速公路車(chē)轍的形成原因是瀝青路面形變量遠(yuǎn)大于其他基層永久形變總和。因此，單從公路組成結(jié)構(gòu)來(lái)分析瀝青路面破壞情況并不嚴(yán)謹(jǐn)，應(yīng)綜合考慮多方面因素對(duì)瀝青路面的共同破壞作用。實(shí)際上，瀝青路面車(chē)轍的產(chǎn)生與地形地貌密切相關(guān)，比如車(chē)輛在斜坡道路上行駛，當(dāng)車(chē)速較慢時(shí)，由車(chē)輛自重給路面帶來(lái)的橫向荷載較大，對(duì)于熱拌瀝青混合料，很容易造成路面的黏塑性破壞和剪切流動(dòng)破壞，因此，地形地貌是瀝青路面破損所要考慮的影響因素。

2.4 車(chē)轍導(dǎo)致破壞

瀝青路面車(chē)轍主要是由于面層混合料的黏塑性變形、公路基層的變形所致，同時(shí)壓實(shí)效果不好，材料磨損同樣會(huì)產(chǎn)生車(chē)轍破壞。我國(guó)學(xué)者普遍認(rèn)為，公路半剛性基層及其下部底基層并不會(huì)產(chǎn)生變形或者變形很小，可以忽略不計(jì)，產(chǎn)生車(chē)轍變形主要是由于瀝青面層所致。公路柔性基層通常都有車(chē)轍變形，其主要原因是由于柔性基層的變形包括路床和匹配碎石層變形。但是從實(shí)際情況來(lái)看，雖然產(chǎn)生車(chē)轍路面是以柔性基層瀝青路面為主，但不必過(guò)分考慮柔性基層導(dǎo)致的路面車(chē)轍。瀝青路面的破壞形式復(fù)雜多樣，即便是同一種病害的產(chǎn)生原因也可能不同。本文結(jié)合東北地區(qū)公路病害情況及地理氣候條件，認(rèn)為當(dāng)?shù)毓奋?chē)轍破壞的原因是：(1)路面車(chē)轍逐漸由之前的V型向W型轉(zhuǎn)變，且比例不斷攀升；(2)日趨嚴(yán)重的車(chē)轍導(dǎo)致路面逐漸下沉；(3)瀝青面層厚度對(duì)車(chē)轍影響顯著，厚度越大，產(chǎn)生車(chē)轍的概率越小，厚度越薄，產(chǎn)生車(chē)轍的概率越大。

2.5 水導(dǎo)致破壞

20世紀(jì)90年，我國(guó)修建了第一批高速公路，經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)后，該批高速公路瀝青路面病害并不嚴(yán)重，僅產(chǎn)生局部微弱破壞。而在1996年開(kāi)通的滬寧高速，進(jìn)入冬季之間瀝青路面便開(kāi)始產(chǎn)生局部松散破壞，入冬后受凍融循環(huán)作用，出現(xiàn)了較大坑槽，水損破壞也是隨著降雨量的增大產(chǎn)生。從此以后，我國(guó)大部分公路都出現(xiàn)了水毀情況。水對(duì)公路的破壞作用主要有兩方面，即由上到下破壞和由下到上破壞。早年修筑的公路主要是由上到下破壞，包括瀝青的松散剝落，裂紋破壞等。對(duì)于季凍區(qū)的遼寧省來(lái)說(shuō)，水是公路瀝青路面破壞的重要因素，由于水分的侵入導(dǎo)致路面和路基均處于飽和狀態(tài)，一旦進(jìn)入冬季，水分開(kāi)始結(jié)冰，體積膨脹，導(dǎo)致公路內(nèi)部結(jié)構(gòu)破損，縫隙加大，促進(jìn)水的滲入，第二年再經(jīng)凍融循環(huán)，公路整體破壞損傷再次加深，如此循環(huán)反復(fù)，最終導(dǎo)致公路喪失使用性能。

3 季凍區(qū)溫度對(duì)瀝青混合料性能影響研究

季凍區(qū)溫差受季節(jié)影響較大，瀝青路面產(chǎn)生多次循環(huán)凍融，會(huì)使瀝青材料產(chǎn)生較大程度劣化，具體包括：

(1)瀝青材料抗壓強(qiáng)度降低：溫度降至冰點(diǎn)以下，水開(kāi)始結(jié)冰，導(dǎo)致瀝青材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)劣化，內(nèi)部孔隙增大，骨架承載力降低，最終導(dǎo)致瀝青路面整體抗壓強(qiáng)度下降。

(2)瀝青材料回彈模量降低：當(dāng)溫度升高至冰點(diǎn)以上時(shí)，混合料里面的冰開(kāi)始融化，被因凍脹撐大的孔隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生回縮，但還是形成了永久塑性變形，當(dāng)經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，損傷不斷積累，導(dǎo)致回彈模量降低。

(3)劈裂強(qiáng)度降低：瀝青路面受長(zhǎng)期凍融循環(huán)作用，水分逐漸滲入瀝青混合料各個(gè)位置，瀝青混合料之間的黏結(jié)力下降，導(dǎo)致劈裂強(qiáng)度降低。

4 季凍區(qū)瀝青路面施工技術(shù)要點(diǎn)

由于季凍區(qū)凍融循環(huán)使瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)劣化，瀝青路面質(zhì)量降低，不能滿(mǎn)足交通荷載的要求，因此，對(duì)季凍區(qū)瀝青路面的病害問(wèn)題應(yīng)予以重視盡可能延長(zhǎng)公路使用年限。根據(jù)季凍區(qū)路面設(shè)計(jì)規(guī)范和同類(lèi)工程經(jīng)驗(yàn)，歸納總結(jié)季凍區(qū)施工技術(shù)要點(diǎn)如下：

(1)調(diào)查分析道路交通量情況，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果設(shè)計(jì)合理的汽車(chē)載重，考慮到國(guó)內(nèi)交通的實(shí)際情況，應(yīng)該將超載情況和重交通量情況納入考慮范疇，設(shè)計(jì)出符合我國(guó)實(shí)際交通情況的路面設(shè)計(jì)方案。

(2)詳細(xì)調(diào)查道路修建區(qū)自然氣候條件，獲取當(dāng)?shù)貧庀筚Y料，為瀝青路面設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支持，調(diào)查內(nèi)容包括：降雨、溫度、降雪、濕度，夏季時(shí)長(zhǎng)、冬季時(shí)長(zhǎng)等，優(yōu)化季凍區(qū)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，延長(zhǎng)瀝青路面使用年限。

(3)對(duì)道路選線地段進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘查，科學(xué)處理路基填挖方量。

(4)開(kāi)展瀝青路面材料的試驗(yàn)研究，掌握瀝青材料的力學(xué)性質(zhì)，尤其對(duì)瀝青混合料凍融循環(huán)后的力學(xué)特性進(jìn)行詳細(xì)的試驗(yàn)研究，并通過(guò)SEM顯微成像技術(shù)分析瀝青混合料受凍融循環(huán)作用后的微觀結(jié)構(gòu)破壞形式，并基于試驗(yàn)結(jié)果提出處治措施。

(5)在確保安全的情況下，應(yīng)綜合考慮交通量、瀝青材料性質(zhì)、氣候溫度、地質(zhì)概況等因素，制定出合理的路面厚度設(shè)計(jì)方案。

(6)根據(jù)路面設(shè)計(jì)方案進(jìn)行道路施工，并及時(shí)對(duì)已經(jīng)修筑好的路面定期進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，給出質(zhì)量檢測(cè)報(bào)告。

(7)將檢測(cè)結(jié)果與設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析，檢查其是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)范要求，如若與設(shè)計(jì)值之間相差較多，則應(yīng)及時(shí)對(duì)相應(yīng)路段進(jìn)行補(bǔ)救維修。

(8)經(jīng)多種瀝青路面設(shè)計(jì)方案對(duì)比，選出既能保證安全，又可節(jié)約資金的合理設(shè)計(jì)方案。

5 季凍區(qū)瀝青路面施工抗凍抗裂技術(shù)研究

當(dāng)前對(duì)于季凍區(qū)瀝青路面的抗裂技術(shù)主要包括：裂縫填封、應(yīng)力吸收層設(shè)置、冷再生技術(shù)、改性路面材料更換等。由于前兩種施工技術(shù)較為成熟，且研究較多，因此本文僅對(duì)后兩種技術(shù)進(jìn)行分析。

5.1 冷再生技術(shù)

冷再生是在室溫下采用專(zhuān)業(yè)的施工機(jī)械對(duì)路面破損區(qū)域進(jìn)行銑刨和破碎，加入再生瀝青材料，攪拌均勻后在原有破損處進(jìn)行攤鋪，使破損瀝青路面再次具有一定承載能力。冷再生技術(shù)包括3種形式：

(1)淺部現(xiàn)場(chǎng)冷再生技術(shù)：這項(xiàng)技術(shù)主要是針對(duì)瀝青路面面層再生，經(jīng)過(guò)再生技術(shù)操作的路面面層厚度一般在80～150 mm范圍內(nèi)。

(2)無(wú)攤鋪面的冷再生技術(shù)：這項(xiàng)技術(shù)主要是對(duì)巖石瀝青路面的基層進(jìn)行冷再生，若采用瀝青作為穩(wěn)定劑，則冷再生后的厚度一般在100～150 mm，若當(dāng)穩(wěn)定劑為水泥時(shí)，則冷再生路面厚度大約在200 mm左右。

(3)深部現(xiàn)場(chǎng)冷再生技術(shù)：該項(xiàng)技術(shù)主要是針對(duì)原始路面面層和基層兩部分進(jìn)行冷再生，通常厚度都在150 mm之上，再生后的瀝青材料成為新路面基層或底基層。

冷再生技術(shù)的使用范圍：

(1)瀝青路面年久老化，車(chē)輛荷載反復(fù)作用且受凍融循環(huán)作用而引起的路面損壞和破裂；

(2)車(chē)轍作用導(dǎo)致的路面損壞；

(3)由于瀝青材料在生產(chǎn)時(shí)油量少，顆粒和層間的粘聚力較小導(dǎo)致路面斷裂破損。

5.2 改性路面材料更換技術(shù)

改性路面材料的更換主要是更換瀝青材料穩(wěn)定劑，包括兩種類(lèi)型：水泥類(lèi)和瀝青類(lèi)。其中，水泥穩(wěn)定劑的添加方式：(1)在路面上方均勻攤鋪細(xì)粉狀的水泥，經(jīng)再生操作后即可完成原始路面與新水泥材料的結(jié)合；(2)采用專(zhuān)業(yè)的拌和車(chē)，將已經(jīng)拌好的水泥泵入再生機(jī)內(nèi)部；(3)通過(guò)撒布車(chē)進(jìn)行布料。瀝青穩(wěn)定劑普遍采用乳化瀝青穩(wěn)定劑和泡沫瀝青穩(wěn)定劑。瀝青穩(wěn)定劑與水泥穩(wěn)定劑材料不同，不會(huì)產(chǎn)生收縮裂縫，且能夠更快實(shí)現(xiàn)通行。瀝青穩(wěn)定劑與原始路面瀝青混合料之間能夠產(chǎn)生一定的粘聚力，經(jīng)過(guò)再生處理后的瀝青路面具有一定強(qiáng)度，不容易被壓壞。采用瀝青穩(wěn)定劑處理后的路面，其強(qiáng)度、抗水性及抗疲勞性均得到顯著提升。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)季凍區(qū)瀝青路面病害產(chǎn)生原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，總結(jié)了不同因素對(duì)瀝青路面病害的影響，總結(jié)了季凍區(qū)瀝青路面施工技術(shù)要點(diǎn)，并給出了季凍區(qū)瀝青路面施工抗凍抗裂技術(shù)處理措施，為季凍區(qū)瀝青路面施工提供了可靠的技術(shù)支撐，具有一定的工程實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值，可為類(lèi)似工程提供參考。