就地热再生整形工艺处治沥青路面车辙病害

时间：2024-07-28

丁中才，朱建华，王大明，张自鑫

（1.合肥市公路桥梁工程有限责任公司，安徽合肥 230000；2.江苏远锦滨江港港务有限公司，江苏南京 211100；3.南京林业大学，江苏南京 210037）

0 引言

随着我国交通基础设施的迅速发展，沥青路面逐渐成为公路、城市道路的主要铺装材料。然而，在长期的使用过程中，沥青路面容易出现车辙病害，影响道路的舒适性和安全性。近年来，国内外学者对就地热再生处治沥青路面车辙病害进行了广泛的研究，为解决这一问题提供了理论支持和实践指导。

根据文献资料，就地热再生技术在处理沥青路面车辙病害中具有显著的经济、环保以及社会效益。廖彬等［1］指出就地热再生养护技术可充分使用旧料，在解决了旧料处理问题的情况下，还可使施工成本降低一半；董艳梅［2］阐述了就地热再生技术在对中上面层处置时，具有效果好，时间短，节约成本等优点；张建坤［3］在文献中指出就地热再生可有效修复非结构性病害，尤其是裂缝，车辙等问题。

本文以一处需要进行大型修缮的路段为依托工程，结合实际案例探讨了不同就地热再生技术在具体工程中的应用效果和优势，从原路面路况调查，结合病害成因分析及相关试验结果，发现整形热再生工艺对处置沥青路面车辙病害有着更加优良的效果。本论文旨在为沥青路面的维修和改进提供更有效的技术手段，为实现可持续的道路交通基础设施发展做出一定的贡献。

1 工程概况

2004 年某公路按照一级公路标准建成，并于2014 年进行扩建，以符合高速公路标准。由于使用时间长和车流量大，该公路的道路质量出现了严重的下降，需要进行大型修缮。该公路的宽度为 32 m，共有双向六车道和紧急车道，是城市的主要交通干道之一。然而，经过多年的磨损和多次小型维护和保养，该公路的表面已经出现了明显的车辙和裂缝，不仅影响了行车效率和舒适度，也增加了交通事故的风险。

2020 年 4 月，业主计划对 K1+278～K3+678 的公路进行维修，该路段长 2.4 km。本次修缮工程的目的是提高该公路的道路质量和性能，除去快车道与紧急车道，并以其余两个主车道为此次试验段的主要施工范围。路面由三层复合式结构构成，分别由改性沥青（AC-16）玄武岩，中粒式沥青（AC-20）混凝土和连续配筋水泥混凝土组成，层厚分别为 5 cm，7 cm 和 22 cm。施工面积总计为 36 000 m2。

2 原路面调查

2.1 病害调查

就路面破损情况而言，随着高速公路通车运营，沥青路面会因行车荷载和自然条件等因素的作用而产生不同程度的早期病害［4］。这些病害包括裂缝、坑槽和沉陷等［5］，其中车辙和横向裂缝是主要的路面病害。本工程详细调查了全线道路，并通过人工步行调查收集数据。具体来说，车辙深度＞2 cm 的路面病害是全线的主要问题之一，破损率达到 21.64 %，路面破损面积为 7 905 m2。根据 PCI 的计算公式，该公路的路面状况指数为 46.8，所得评价等级为差。得到如表1 所示的病害统计情况。

表1 病害类型统计分析表T m2

根据现场观察可知，反射裂缝为所有贯通型横向裂缝的主要形式，而修补处亦出现同样的问题，并且在严重的地方出现了坑槽［6］。

现场观测发现，所有机动车道（紧急车道除外）均存在不同程度的车辙，并呈自南向北深度逐渐加深现象，在特定路段（K3+678～K2+300），车辙深度均不低于 2.6 cm，其中在接近终点 K3+678 的爬坡路段，最深处的车辙达到了 3.6 cm。

上行线的东侧车道车辙最为严重，相比之下超车道则较为浅薄；而下行线的西侧车道中，中间车道的车辙最为严重，而超车道的车辙则相对较轻。在里程桩号为K2+200 处，对车辙深度为 2.5 cm 处进行钻芯取样测试，得到如图1 所示的芯样对比测试结果。

图1 芯样对比

为了探究路面构造的厚度和车辙的发生之间的关系，本文对波峰、正常路段和波谷处的路面构造进行了对比分析。结果表明，路面构造的厚度和车辙的发生有关，波峰处的路面构造最厚（6 cm+7 cm），波谷处最薄（4 cm+7 cm），而正常路段处介于两者之间（5 cm+7 cm）。

对于路面基层强度，路面上汽车轮胎痕迹留下的压痕比较严重，但由于这些压痕仅仅对上面层造成影响，基层强度是满足需求的，不会发生结构性车辙。

2.2 病害成因分析

为了分析路面车辙病害的成因，本文对该路段的交通情况进行了调查和统计。结果表明，车流量和重载超载车辆是导致路面车辙病害的主要原因［7］。

具体来说，该路段的交通量非常大，高峰时可达每天 70 000 辆，平均每天约有 50 000 辆车经过该路段。其中，重载超载车辆占比达到了 20 %，对路面造成了极大的压力和损耗。通过对路面变形的监测和模拟，发现路面变形随着累计荷载的增加而加剧，形成了明显的车辙。由于连续配筋混凝土基层强度高，横向反射裂缝数量达到了 72 条，平均每隔 67 m 就有一条，在后期的使用中刚性基层更容易出现反射裂缝。

3 原路面就地热再生工艺比选

为了选择合适的就地热再生方法，本文从试验和施工效果对整形和复拌两种工艺进行了对比分析，两种工艺都可以用于修复车辙和横向裂缝等路面病害，但它们有各自的优缺点和适用范围。

复拌再生工艺是一种将旧沥青路面刨除、加热、搅拌、再铺设的破损路面修复技术。该工艺主要包括了旧沥青路面的刨除、破碎、筛分、加热、搅拌和再铺设。在这个过程中，通过添加新的沥青、再生剂以及其他添加剂，对旧沥青的性能进行了改进，整个复拌再生工艺流程较为复杂。而整形再生工艺是一种适用于透水沥青路面的翻修技术。其工艺原理是在无需移除旧沥青路面的情况下，通过高温加热使沥青软化，实现通过整形机的整形、压实，并保证新旧沥青融合。

与复拌再生相比，整形再生具有施工速度快，资源利用率高，对基层损伤小以及环保等优势［8］。整形工艺无需进行复杂的路面刨除、破碎、筛分等步骤，施工流程较简单，并且整形工艺直接利用原有的旧沥青材料，避免了破碎、筛分等环节中的资源损失，减少了新沥青的使用量。因为整形工艺是通过高温软化旧路面沥青，避免了复拌工艺部分环节对基层的损伤，因此对基层以及环境的影响也较小。

然而，整形再生工艺也存在一定的局限性，比如对旧路面路基损坏程度、沥青层厚度等有一定要求，适用性有限。因此，在选择热再生方法时，需要根据具体路面状况进行综合评估和比较，选择最适合的热再生工艺。

本次试验方案如图2 所示。

图2 两种热再生工艺对比试验方案

3.1 原路面评价试验分析

1）下面层分析。为了评价就地热再生后的路面性能，本文对不同位置的沥青混合料进行了性能试验。其中，下层的沥青混合料需要进行特别的处理，因为它们受到了原有路面的影响，可能存在老化或变质的问题。例如，位于西半幅 K2+200 的芯样，取样如同图1 所示，上层约 4 cm 深的沥青混合料可以直接进行试验，但下层暂时无法处理，需要进行进一步的分析和调整。测试结果为空隙率为 4.2 %，马歇尔稳定度 16.7kN，流值 28.4，动稳定度2 108 次/min，残留强度比 83.0 %，均符合规范要求。

试验结果显示，AC-20 下层沥青混合料动稳定度为每分钟 2 108 次，抗车辙能力性能良好。再借助芯样调查情况，认为上面层的车辙问题为主要病害。

2）上面层分析。原路面沥青混合料的级配情况可以由试验结果得出，具体数据如图3 所示。上面层沥青及沥青混合料性能试验如表2 所示。由此可见，沥青上面层的老化程度并不严重。

图3 沥青混合料级配图（上面层）

表2 上面层沥青及沥青混合料试验结果

3.2 就地热再生工艺分析

1）整形工艺分析。新料级配可以与原路面顶层的 AC-16 型级配一致，但由于原路面级配较细，因此可以向其中添加稍粗的沥青混合料，如 AC-16 偏粗型，级配如图4 所示，新料的试验结果如下：空隙率为 4.2 %，马歇尔稳定度 12.7 kN，流值 34.3，动稳定度 2 988 次/min，残留强度比 88.0 %，符合规范要求。

图4 新添加混合料理论级配图（整形再生）

再生试验分析如下，当没有掺再生剂时，沥青三大指标的试验结果为针入度 45（0.1mm），软化点 50.0 ℃，延度为 1 cm；混合料试验结果空隙率为 4.1 %，马歇尔稳定度 19.8 kN，流值 29.3，残留稳定度 88.7 %。

当再生剂掺量为 3 % 时，试验结果针入度变为 68（0.1mm），软化点 47.0 ℃，延度 5.2 cm，混合料空隙率为 3.9 %，马歇尔稳定度为 14.4 kN，流值为 38.4，其他性能试验结果如表3 所示。

表3 上面层再生混合料试验结果

根据上述试验结果显示，原本的路面沥青表层经历了相当严重的老化过程。不过，在使用了 3 % 的再生剂进行再生后，再生沥青以及混合了再生沥青的混合料的性能指标大体上已经可以符合规范要求。

2）复拌工艺分析。复拌再生工艺与整形再生工艺中添加的新料一致，所以，只需试验添加再生剂的原路面与新混合料拌合而成的材料的性能。试验结果如表4 所示。

表4 混合料试验结果（复拌再生）

3.3 工艺比选

上面层采用整形和复拌两种再生工艺后的性能表现如表5 所示。

表5 两种再生工艺混合料试验结果

由试验结果可以看出，整形再生处理后的混合料具有良好的高温稳定性和耐久性，残留强度也较高，这些指标都符合规范要求，可以有效地修复车辙病害。因此，建议使用整形工艺进行路面维修［9］。

热再生施工时的再生剂用量，应根据沥青含量确定，大体为原路面上层 4 cm 沥青含量的 3 %。另外，新料采用 AC-16 混合料，级配如图4 所示。设计新添加沥青混合料参数如下，材料为 AC-16 沥青混凝土（玄武岩），15 ℃抗压模量为 2 000 MPa，20 ℃ 抗压模量为1 400 MPa，劈裂强度为 1.2 MPa。

材料要求：沥青品质不低于 B 级，且应满足相关规范的所有规定。粗集料需选取满足硬度要求的、洁净的，粒径≥4.75 mm 的玄武岩碎石，近似立方体状，且不含风化颗粒。细集料需选取坚硬、洁净、干燥的玄武岩细集料，人工轧制后具有适当的级配，且无风化、无杂质。矿粉应选用碱性的石灰岩石料，不可采用回收矿粉［10］。原材料的指标也均应符合上述规范的相关要求。