机场高速公路沥青路面大修改造试验研究

邓 滔， 杨 梦， 宋 涛

(1.长沙理工检测咨询有限责任公司， 湖南 长沙 410076； 2.湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015；3.江西省交通投资集团有限责任公司宜春管理中心， 江西 宜春 336000)

0 引言

为节省工程投资，我国早期修筑的高速公路一般采用“强基薄面”的设计理念，部分高速公路基层水泥用量偏大、强度高，导致半刚性基层的反射裂缝大量出现[1]。

旧路面的大修改造不但要考虑如何有效处治反射裂缝问题，而且要在全寿命周期理念下，科学合理选择养护改造方案，在费用效益比最佳的情况下提升路用性能和行车舒适程度是大修工程旧路面改造结构设计中必须着重考虑的因素[2]。

笔者通过近年来大修工程设计与施工管理的工作实践，结合湖南省机场高速公路大修工程试验段的路面结构设计进行归纳总结。

1 项目概况

长沙机场高速公路为长沙城区连接黄花机场的快速通道，2015年进行罩面养护后，路况较好，但经过2年多的运营，大量病害重新出现且发展速度较快，特别是其PCI值下降较快。

目前机场高速公路沥青路面结构组合为：加铺层4 cm改性沥青AC-13+上面层4 cm改性沥青AC-16(I)+中面层5 cm改性沥青AC-25(I)+下面层6 cm沥青稳定碎石AM-25+基层20 cm水泥稳定碎石(6%)+底基层20 cm水泥稳定碎石(4%)，鉴于机场高速公路已通车运营15 a，达到了设计使用年限，为更好地保证机场高速公路的路用品质，提高行车舒适性，确保湖南省省门第一路的良好形象，并为后续路面养护工程积累经验和提供技术支撑，2018年对部分典型病害严重的路段(K7+720～K8+120左幅局部)开展大修试验段工程。

2 路面典型病害及原因分析

经调查，路面病害主要有横向裂缝、纵向裂缝、块状裂缝、起拱、龟裂等。其中，试验路段典型芯样的统计情况如表1所示,其病害原因分析如下。

1) 机场高速公路横向裂缝绝大多数是反射裂缝，这是由于其水泥稳定碎石基层水泥用量为6%，剂量大，强度高，同时级配采用的是悬浮密实型结构，导致开裂严重，最终反射至沥青面层，造成横向裂缝较多。

2) 从钻芯结果来看，原机场高速公路的基层与面层之间黏结差，使沥青面层底面出现较大的拉应力，并在沥青面层内部和底面产生较大的剪应力，从而导致网裂、龟裂、纵向裂缝等疲劳裂缝的产生。

表1 芯样统计情况序号桩号位置芯样描述、分析1K7+535左幅超车道横向裂缝处断裂、底部松散,面基不连续2K7+570左幅行车道起拱处完整,面基不连续3K7+597左幅超车道横向裂缝处断裂,面基不连续4K7+730左幅行车道龟裂处破碎、松散,面基不连续5K7+930左幅行车道纵向裂缝处断裂、底部松散,面基不连续、面层间也存在黏结不良的问题6K8+040左幅行车道纵向裂缝处断裂、底部松散,面基不连续7K8+065左幅行车道横向裂缝处断裂、底部松散,面基不连续

3) 纵向裂缝绝大多数分布在行车道路幅中心或轮隙带位置。路幅中心的纵向裂缝主要是由基层纵向施工缝反射上来；轮隙带的纵向裂缝则更多是由于拉应力和剪应力反复作用产生的疲劳裂缝。

4) 部分网裂、龟裂出现在纵向裂缝与横向裂缝交叉处，这是在雨水渗入、裂缝啃边以及车辆荷载作用下，沿纵横裂缝交叉逐渐发展而来。

5) 唧泥、唧浆病害是由于雨水沿裂缝或孔隙渗入路面结构层及路基，在车辆荷载和动水压力的作用下，反复冲刷基层或路基而产生，并逐渐出现脱空，产生龟裂、坑槽等病害。

3 沥青路面大修结构方案设计

3.1 常用沥青路面大中修养护技术

根据我国现有规范，结合国内外加铺设计的成功经验，目前旧沥青混凝土路面大中修改造设计主要有以下7种类型[3-10]，即：直接加铺、铣刨重铺、厂拌热再生、厂拌冷再生、就地热再生、翻修、就地冷再生后加铺等处治方案。

3.2 机场高速大修改造路面结构与排水设计研究

机场高速公路的路面病害主要为半刚性基层的反射裂缝，包括横向反射裂缝和纵向反射裂缝。基于对原基层及原沥青混合料RAP料充分利用的原则，其路面大修试验段方案设计，主要就旧路面病害处治方案、结构组合方案进行研究。

3.2.1 旧路面病害处治方案

考虑旧路面基层反射裂裂缝病害特别严重，必须对旧基层的自身裂缝进行防裂处治。结合旧路面实际情况，综合考虑交通量分布特征、试验段分析评价等因素，具体处治方案如下：

1)超车道和硬路肩路面铣刨后，基层有裂缝的地方采用抗裂贴进行处治。

2)行车道路面铣刨后，基层顶面不同路段分别采用满铺玻纤格栅、满铺双绞合钢丝网、满铺玄武岩纤维格栅等3种方案与不铺设任何防止反射裂缝措施的方案进行比较。

3)沥青面层结构组合设计方面，主要考虑2种路面结构层防裂处理技术：① 增加沥青面层的总厚度；② 沥青面层的结构组合中设置一层防反射裂缝性能优秀的结构层。

4)设置改性沥青同步碎石封层，洒布“大剂量的改性沥青+单粒径碎石”，既作防水封层、层间黏结层，同时起到应力吸收层效果。

3.2.2 结构组合设计方案

考虑机场高速公路的实际情况，既要延缓半刚性基层的反射裂缝，又不考虑抬高波形梁护栏，拟定2个推荐对比方案：

1)铣刨加铺(采用乳化沥青厂拌冷再生下面层)方案。① 行车道、超车道结构组合设计：行车道、超车道铣刨21 cm，包括原沥青面层厚度19cm与水泥稳定碎石上基层2 cm，保证铣刨到上基层顶面。铺筑路面结构为：乳化沥青透层+1 cm改性沥青碎石应力吸收层+11 cm乳化沥青厂拌冷再生+0.5 cm改性沥青碎石封层+6 cm改性沥青AC-20C+黏层+4 cm改性沥青AC-13C，共计：22.5 cm，标高增加1.5 cm。② 硬路肩结构组合设计：铣刨2.5 cm，重铺4.0 cm，标高增加1.5 cm。局部开槽至基层顶面，处理基层的裂缝。

2) 铣刨加铺(采用大粒径大孔隙防裂排水沥青混凝土技术)方案。①行车道、超车道结构组合设计：行车道、超车道铣刨21 cm，包括原沥青面层厚度19 cm与水泥稳定碎石上基层2 cm，确保铣刨到上基层顶面。铺筑路面结构为：乳化沥青透层+1 cm改性沥青碎石应力吸收层+11 cm LSPM大粒径大孔隙沥青混合料+0.5 cm改性沥青同步碎石封层+6 cm改性沥青AC-20C+黏层+4 cm改性沥青AC-13C，共计：22.5 cm，标高增加1.5 cm。②硬路肩结构组合设计：铣刨2.5 cm，重铺4.0 cm，标高增加1.5 cm。局部开槽至基层顶面，处理基层的裂缝。

4 路面内部排水设计方案

大修试验段每50～100 m在硬路肩处或超高路段的左侧路缘带设置横向排水沟(50 cm宽×25 cm深)，其与纵向中线的夹角为45°～60°，沟底纵坡2%，施工期间作为临时排水设施。路面施工完成后，沟内设置2根φ5 cm的PVC-U管，并回填大粒径排水沥青稳定碎石LSPM-25或ATPB-25混合料至中面层顶面，作为永久性的横向渗沟，如图1所示。土路肩设置较深的横向渗沟，排除路面结构层及路基顶面的渗水。

图1 大修试验段内部及边缘排水方案示意(单位： cm )

5 裂缝统计

5.1 裂缝统计

试验路施工过程中，对K7+720～K8+120(左幅)铣刨前沥青路面表面的裂缝与铣刨后水泥稳定碎石表面的裂缝进行统计，结果如表2所示。

表2 裂缝数量一览处位置横裂纵裂龟裂铣刨前沥青路面裂缝23112铣刨后半刚性层裂缝45264 注: 纵、横向裂缝形成的交叉网状裂缝,已分别计入纵裂与横裂之内,未单独统计。

5.2 试验段后期跟踪效果分析

2021年5月对试验段进行了回访，试验段范围未见任何反射裂缝，表面粗糙密实，无裂缝、坑槽、车辙、不平整等病害，试验段具有良好的路用性能。

2021年6月，为研究不同防裂处治方案的处治效果，通过GPS测量定位确定水泥稳定碎石基层顶面部分交叉裂缝位置后进行钻芯取样，观测其裂缝反射情况及发展规律，具体情况见表3。

对芯样分析可知： ① 试验段防裂措施均有良好效果，经历2年8个月未出现反射裂缝的产生；② 采用LASM结构的沥青路面，芯样完整;采用厂拌冷再生路段,芯样底部有部分松散现象；③ 4种防反射裂缝措施，均有明显的效果，仅玻纤格栅段出现了裂缝反射的痕迹。

表3 芯样情况一览序号桩号病害处治方案面层厚度/mm芯样描述1K7+885未处理上面层37,芯样185芯样破碎,下层裂缝宽、上层裂缝窄2K7+920满铺玄武岩格栅上面层36,芯样183面层芯样完整,无裂缝反射情况3K7+950满铺玄武岩格栅上面层30,芯样168面层芯样完整,冷再生层底部松散,未取出完整芯样,面层芯样无裂缝反射情况4K8+000满铺玻纤格栅上面层39,芯样177面层及基层芯样完整,基层可见明显裂缝,伴随有唧泥病害,面层芯样无裂缝反射情况5K8+020满铺玻纤格栅上面层38,芯样185面层芯样完整,冷再生层底部轻微松散,芯样底部存在裂缝反射,面层芯样无裂缝反射情况6K8+065满铺双铰合钢丝网上面层45,芯样193面层及冷再生层芯样完整,面层芯样无裂缝反射情况7K8+110满铺双铰合钢丝网上面层47,芯样195面层及冷再生层芯样完整,面层芯样无裂缝反射情况

试验路采用了3种裂缝处治技术：路面结构层防裂技术、应力吸收层(兼防水黏结层)技术、防裂网技术，其效果分析如下。

1)路面结构层防裂技术：K7+880～K8+120(左)全部采用乳化沥青厂拌冷再生技术；K7+720～K7+880(左)采用了LSPM大孔隙沥青稳定碎石技术。后续跟踪观测表明，这2种结构可通过消减裂缝尖端应力集中现象，有效缓解半刚性基层的反射裂缝问题。因LSPM大孔隙沥青混合料采用了改性沥青，其芯样较好，具有良好的高温稳定性和防反射裂缝性能等。乳化沥青厂拌冷再生存在下部松散等问题，其原因可能为：①旧RAP料不是原机场高速的旧沥青混合料，可能存在含泥量大或老化过于严重等问题；②乳化沥青厂拌冷再生混合料级配不良，或压实不足等问题。因此，后续大修工程中，应加强对混合料和施工质量的控制。

2)应力吸收层(兼防水黏结层)技术：试验段400 m范围内，均采用改性沥青同步碎石应力吸收层(2.0 kg/m2)。由于该层沥青用量大，改性沥青黏度高，能有效起到防水黏结作用，保证与下层水泥稳定碎石层黏结的同时，较厚的沥青膜对裂缝反射也有一定的阻断作用。从近3年的钻芯结果来看，大部分裂缝未通过该层，其防裂效果明显。

3)防裂网技术：近3年的钻芯抽检证明,试验路段采用双铰合钢丝网、玄武岩纤维格栅、玻璃格栅、抗裂贴等4种裂缝处治方案可行，在施工质量能得到保证的前提下，均有一定的抗裂效果。从跟踪观测来看，这几种方案看不出太明显的差异，主要原因有：应力吸收层的效果好，裂缝被应力吸收层阻断；再者内部结构层的防裂效果起到了一定作用，同时与交通量有关，重载车不是很多。导致双铰合钢丝网、玄武岩纤维格栅、玻璃格栅、抗裂贴在短时间内，其差异性未体现出来。综合进行比较，满铺双铰合钢丝网和满铺玄武岩纤维裂缝反射处治方案的耐久性优于满铺玻纤格栅裂缝反射防治方案。

6 结语

1)半刚性基层的反射裂缝是目前机场高速的主要病害，其中横向裂缝病害主要是由于水泥稳定碎石基层水泥用量为6%，剂量大，强度高，同时级配采用的是悬浮密实型结构导致。

2)对机场高速公路水泥稳定碎石的裂缝进行了充分处治，在研究不同处理方式的防裂效果上，取得了一定的效果。4种防裂网技术中，满铺双铰合钢丝网和满铺玄武岩纤维裂缝反射处治方案的耐久性优于满铺玻纤格栅裂缝反射防治方案。

3)机场高速公路的水泥稳定碎石基层的裂缝比沥青表面的裂缝严重得多，对比分析试验段铣刨前后裂缝数量得出如下结论： ① 行车道半刚性基层的横向裂缝几乎全部反射到沥青面层，证明反射裂缝跟行车荷载有明显关系。② 行车道连续的纵向裂缝反射到沥青面层并没有连续，应该与基层顶面纵向裂缝的宽度、是否在轮迹带有一定关系。③ 超车道、硬路肩部位的半刚性基层纵向裂缝很少反射上来，与行车荷载、是否处在轮迹带有直接关系。④试验路段运营时间较短，建议后期继续对试验段进行观测，通过综合分析获得更全面的评价结果。