展宏圖

(1.公路交通安全與應急保障技術及裝備交通運輸行業(yè)研發(fā)中心，廣東 廣州 510420;2.華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420)

我國早期修建的水泥混凝土路面在經(jīng)過多年的交通荷載和雨水作用后，路面出現(xiàn)不同程度卿泥、錯臺、脫空、斷板等病害［1］，嚴重影響行車的安全性和舒適性。隨著人民生活水平的日益提高，對出行的要求也隨之提升，“白+黑”的復合式路面是目前國內(nèi)外最常用的一種提質(zhì)改造方案。

舊水泥混凝土路面加鋪改造技術關鍵是如何消除舊混凝土板的影響和綜合利用舊板的結構強度，針對這一特點，論文以京港澳國家高速公路(G4)湘潭至耒陽段提質(zhì)改造工程為依托，從路面結構強度、經(jīng)濟性等方面分別對直接加鋪、共振碎石化以及CRC+AC 復合式路面等3 種路面結構形式分別進行比較分析，比選出適用于潭耒高速公路重載交通環(huán)境的路面結構形式。

1 提質(zhì)改造加鋪方案

針對南方氣候條件，結合潭耒高速公路重載交通環(huán)境，原有水泥路面設有傳力桿的狀況，施工經(jīng)驗和養(yǎng)護條件以及當?shù)刂凡牧系墓獱顩r，考慮加鋪改造結構方案的針對性、可行性、適應性和全面性，提出了3 種瀝青層加鋪方案。

1.1 加鋪層結構方案

根據(jù)現(xiàn)有加鋪改造工程的經(jīng)驗，并根據(jù)潭耒高速公路特點，提出直接加鋪、共振碎石化以及CRC+AC 復合式路面3 種路面結構形式，如表1 所示。

表1 瀝青加鋪層結構方案

1.2 方案選用原則

為使高速公路舊水泥路面加鋪改造工程適應交通荷載和環(huán)境的要求，具有整體性好、均勻穩(wěn)定，且滿足防反射裂縫、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗滑性能、平整度好等使用功能，選取路面結構方案應考慮如下原則:

1)方案的全面、系統(tǒng)與適應性原則。結合潭耒高速公路水泥路面特點，交通荷載條件與自然環(huán)境，針對水泥路面損壞狀況和程度，結構接縫傳荷能力。采用的加鋪改造方案，應充分考慮方案的適應性。

2)舊板充分利用原則。盡可能充分利用現(xiàn)有水泥路面，少廢棄，減少舊水泥路面改造工程對周邊環(huán)境的影響。

3)技術成熟、工期短與可行性原則。所提出的舊水泥路面改造方案技術上應成熟，結構上應簡單、層次盡可能少，施工工藝不復雜、工序少，工期短，實施上應可行，并能滿足湖南的交通與氣候條件。

4)因地制宜原則。全面了解、掌握湖南省現(xiàn)有高速公路水泥路面的現(xiàn)狀，結合潭耒高速公路水泥路面的技術狀況(設有傳力桿)，根據(jù)不同路面病害程度和結構強度提出針對性改造方案。

5)結構安全可靠原則。在滿足交通量及道路服務功能的前提下，盡可能選擇結構耐久、工藝成熟可靠的加鋪路面結構方案。

6)兼顧全壽命周期成本原則。統(tǒng)籌考慮改造、養(yǎng)護、運營的全過程成本，降低工程造價，選取全壽命周期最經(jīng)濟的加鋪路面方案。

2 方案技術比選

2.1 直接加鋪瀝青面層方案

潭耒高速公路舊水泥路面換板壓漿加鋪瀝青面層結構，由于舊板厚度27 cm，且橫向接縫設有傳力桿，并有兩層半剛性基層，舊板通過換板壓漿綜合處理后，仍是復合加鋪結構的承重層，瀝青面層主要起溫度效應、減緩荷載應力水平和表面功能作用。

采用《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》JTG D40－2011 中的方法計算對舊混凝土層厚度進行計算和驗算［2］。設計基準期為30 a，設計基準期內(nèi)標準軸載累計作用次數(shù)2 748.170 萬次，舊板彎拉強度按3.0 MPa，舊板厚度27 cm，考慮舊板的磨耗，按26 cm 進行計算結構應力:

結構綜合疲勞應力滿足30 a 設計基準期的要求，且溫度應力較小，說明厚瀝青加鋪層對水泥面板溫度梯度和溫度翹曲應力影響較大，瀝青面層的溫度效益明顯。

由于潭耒高速公路舊水泥路面板設置了橫向接縫傳力桿，相對于長潭、長益、長永、蓮易高速公路水泥路面結構，減弱了瀝青加鋪層結構荷載作用下接縫處的豎向剪切應力與剪切破壞;溫度變化下板的水平變形所造成的板接縫處的水平位移所產(chǎn)生的反射裂縫，在厚瀝青面層下雖然存在，但大為緩和，但通過對潭耒高速公路舊水泥路面板接縫傳荷能力的調(diào)查發(fā)現(xiàn)左右兩幅超、行車道面板接縫傳荷能力均較差，其中右幅評價為中及中以下的面板比例均超過95%，左幅甚至達到100%。其中，“次、差”的比例右幅超過20%，左幅超過34%，因此，此加鋪結構仍需考慮橫向接縫處反射裂縫的延緩問題。

本項目主要針對接縫處的豎向與水平變形問題，擬采取可靠的厚瀝青面層方案，并對舊水泥混凝土板進行清縫、SBS 改性瀝青(或其他性能優(yōu)良瀝青基灌縫材料)灌縫和道路專用防水卷材(或玻璃纖維防裂布、聚酯長絲土工布)貼縫，既延緩反射裂縫又防止雨水下滲至舊板結構內(nèi)，同時加強舊板邊緣結構內(nèi)部排水。

2.2 共振碎石化方案

國內(nèi)外防治反射裂縫的常用做法就是將舊水泥混凝土板進行破碎后再進行加鋪。共振破碎工藝，克服了沖擊打裂工藝對周邊環(huán)境的影響和沖擊、多錘工藝不適應軟弱地基的情況［3，4］。共振碎石化以后的水泥混凝土面板作為加鋪改造后路面結構層的承重層，其抵抗變形性能優(yōu)于級配碎石的變形性能［5，6］。

振動錘并不在一個點上連續(xù)振動，而是快速向前移動的，使碎石化層上部的破碎顆粒較小，下部的破碎顆粒較大。這樣的結構首先是小粒度可更好地消除反射裂縫，同時下部的較大的粒度相互緊密嵌鎖，提高了結構的承載能力;其次是上部小粒度穩(wěn)定密實有利于路面滲水的橫向排除，下部的大粒度又可橫向排水，防止雨水滲入下部結構。

舊水泥路面共振破碎加鋪瀝青面層結構，按瀝青路面多層彈性體系模型［7］，采用軟件HPDS－2011 進行承載能力計算。設計基準期為15 a，參照京港澳高速公路湖南耒宜段瀝青路面設計彎沉Ld=18.51(0.01 mm)，反算設計基準期內(nèi)標準軸載累計作用次數(shù)為3 578.69 萬次，屬特重交通。共振破碎后結構轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝越Y構，路面結構類型系數(shù)Ab取1.6，則設計彎沉Ld=29.6(0.01 mm)。舊混凝土板共振層厚度考慮1 cm 的磨耗，取為26 cm。

現(xiàn)行的規(guī)范對碎石化后的回彈模量的參數(shù)的取值尚無明確的規(guī)定。由于共振破碎層與級配碎石性質(zhì)相似，故本文將共振破碎層的回彈模量按現(xiàn)行規(guī)范中級配碎石要求以及實際工程經(jīng)驗，分別取共振破碎后、光輪壓路機碾壓過后、灑鋪乳化瀝青后3 種情況，取400、600、900 MPa 進行計算。AC－30 粗粒式瀝青層的厚度，如表2 所示。

表2 不同回彈模量下AC－30 粗粒式瀝青層的厚度

通過上述計算可看出，方案2 基本滿足承載力要求。但舊板共振破碎后，如舊板結構承載能力下降幅度較大時，會使瀝青面層底面的彎拉應力增大，在潭耒高速公路重載交通以及湖南多雨、氣候條件惡劣等情況作用下，瀝青加鋪結構可能產(chǎn)生疲勞開裂。故對此路面結構應慎重采用。

2.3 CRC+AC 復合式路面結構

舊水泥路面加鋪CRC+AC 復合式路面結構，已在湖南長潭高速公路(2003 年45 km)、長永高速公路黃花至永安段(2006 年8 km)、常吉高速公路新建試驗路(2008 年1 km)、長益高速公路西半幅(2011 年58.3 km)中應用，取得了較好的效果。

連續(xù)配筋水泥混凝土路面在縱向配置連續(xù)鋼筋，中間不設橫向接縫，不僅提高了路面板的整體性，防止瀝青面層的反射裂縫，并且連續(xù)配筋層作為路面結構的主要承重層，為面層提供了可靠的支持，使彎沉、車轍減少，并能相應減少柔性面層所需厚度。瀝青面層主要作用為降低混凝土板的荷載應力與溫度應力(溫度梯度)，并對車輛沖擊荷載起到緩沖作用，并加強了結構的防水作用，減少了雨水對混凝土板的影響。

CRC+AC 復合式瀝青路面是彈性半空間地基上的連續(xù)配筋混凝土彈性薄板上覆瀝青混合料彈性層的復雜結構，并承受交通荷載和環(huán)境溫度變化多種因素作用，在結構分析與計算上，目前技術規(guī)范還沒有明確的設計方法，并且該結構結構層次多，施工不方便、工期較長，工程造價相對較高，路面破壞以后很難修復。

CRC+AC 復合式路面是一種使用性能良好的結構，能充分滿足重載交通條件下路面結構的耐久性要求，是我國重載交通高速公路長壽命路面結構的發(fā)展方向。

3 方案經(jīng)濟比選

根據(jù)湖南省造價站造價信息及項目部提供的投標價格清單，估算各種加鋪改造方案造價如表3 ～表6。

表3 試驗路方案造價及工期比較

表4 方案1 直接加鋪瀝青面層造價估算

表5 方案2 共振破碎加鋪瀝青面層造價估算

表6 方案3CRC+AC 復合式路面造價估算

對已投入使用的高速公路，尤其是國家高速公路網(wǎng)主干線，進行封閉式施工，將對人民的出行和運輸造成影響，臨時改變了人民的出行方式，造成社會的關注和不滿，甚至造成沿線居民的生活方式的改變。目前潭耒高速公路改造采取半幅封閉式施工方式，需借道潭衡西高速公路分流，需繞行50 km 左右。對社會車輛造成直接經(jīng)濟損失，包括繞行時間、燃油費用、車輛機械損耗、車輛折舊、通行費等費用。如小車燃油按10 L/100 km 計，則多用5 L(7.2 元/L)，日交通量按3 萬計，消耗108 萬元，6 個月則為1.944 億元。按照CRC+AC 復合式路面結構工期較直接加鋪方案長1 個月計算，CRC+AC 復合式路面方案費用增加3 240 萬。CRC+AC 方案需2 套施工設備，拌和場建設場地需增加1 倍左右，增加臨時用地和費用，相比直接加鋪方案需多投入1 000萬元。

對方案1，2，3 不同路面結構使用性能進行調(diào)查，采用CRC+AC 復合式路面方案的湖南長潭高速公路通車近12 a，路面使用性能良好;采用直接加鋪方案改造通車5 a 內(nèi)路面狀況一直較好，5 a 后反射裂縫增多，使用7 ～8 a 需要進行中修罩面維修。采用CRC+AC 方案可減少1 ～2 次路面大中修，故雖CRC+AC 方案前期投入較多，從路面全壽命周期看CRC+AC 方案較為經(jīng)濟。因此，需要在重載交通條件下延長路面使用壽命，為我省建設四化兩型社會，為交通基本設施建設做出貢獻。

直接加鋪適用路況良好路段，共振方案適用斷板和破碎板較多、路況較差路段。共振段如不破碎而按換板壓漿直接加鋪瀝青面層方案，其舊板處治費用將較高，如換板20%、壓漿60%，換板單價160.39 元/m2，壓漿單價23.51 元/m2，則舊板處治平均費用48.91 元/m2。比直接加鋪舊板處治費用至少增加28.41 元/m2，綜合改造費用單價將達到339.96 元/m2，超過共振破碎方案，因此，對于舊水泥路面損壞嚴重、舊板處治費用較高時，交通量不大時宜采取破碎加鋪方案、交通量大且重車多時宜采取CRC+AC 方案可靠。

4 結論

1)通過承載能力計算，直接加鋪路面結構方案可承受設計年限內(nèi)的累積當量軸次，其主要需考慮橫向接縫處反射裂縫的延緩問題;舊板共振破碎后，如舊板結構承載能力下降幅度較大時，會使瀝青面層底面的彎拉應力增大，在潭耒高速公路重載交通以及湖南多雨、氣候條件惡劣等情況作用下，瀝青加鋪結構可能產(chǎn)生疲勞開裂。

2)加鋪瀝青面層前舊板處治費較高，如換板20%、壓漿60%，直接加鋪綜合改造費用單價將達到339.96 元/m2，超過共振破碎方案。因此，直接加鋪適用路況良好路段，共振方案適用斷板和破碎板較多、路況較差路段。

3)CRC+AC 復合式路面是一種使用性能良好的結構，能充分滿足重載交通條件下路面結構的耐久性要求，雖前期投入較大，從路面結構全壽命周期考慮該結構可降低路面大修和養(yǎng)護費用。

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