劉軍軍，高建榮

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院,山西 太原 030006）

水泥混凝土路面“白加黑”路面工程設(shè)計與研究

劉軍軍，高建榮

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院,山西 太原 030006）

結(jié)合實際工程闡述了舊水泥路面的加鋪瀝青（白加黑）改造施工,分析了水泥路面的病害情況并進行了定量評定,提出加鋪瀝青層的設(shè)計方案:4cm細粒式瀝青混凝土+6cm粗粒式瀝青混凝土+2.5cm應(yīng)力吸收層,設(shè)計驗算滿足規(guī)范要求,施工與運營效果良好,可為類似工程提供參考。

“白加黑”；水泥混凝土路面；設(shè)計；驗算；應(yīng)力吸收層

0 引言

水泥混凝土路面是我國道路結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多的路面結(jié)構(gòu)型式,由于我國貨運交通的發(fā)展,交通量和荷載等級在近年來都有很大的增長,這對道路路面工程造成了顯著的損傷影響,再加上溫度荷載作用,使得很多水泥路面出現(xiàn)了開裂、破損、錯臺等病害。為了盡可能利用原有的水泥路面結(jié)構(gòu),同時又能夠滿足現(xiàn)有交通運輸需求,采用瀝青罩面（俗稱“白加黑”）是一種有效的技術(shù)手段。

結(jié)合朔州高速公路在山西境內(nèi)部分路段為工程依托,分析了該路段內(nèi)水泥路面的病害發(fā)生情況,并對路面的性能等級進行了定量評判,從而確定加固改造方法。通過對原始路面的處理并加鋪10 cm瀝青層,能夠達到病害修復(fù)和道路運營使用需求。

1 依托工程概述

朔州高速公路大新段是國道主干線二連浩特至河口公路在山西省境內(nèi)的一部分,通車運營十多年來,隨著交通量和軸載逐年增大,路面出現(xiàn)了裂縫、破碎板、錯臺、板角斷裂、接縫料損壞等病害,局部路段路面損壞非常嚴重,對行車安全、行車舒適性有較大影響,一定程度上該段高速公路的服務(wù)能力大不如前,為了保證大新高速公路安全運營,提高其服務(wù)水平,對該段路面前15 km水泥混凝土路面進行了“白加黑”加鋪設(shè)計。

2 原路面病害及其評定

2.1 水泥路面病害分布

根據(jù)實地調(diào)查,本段路面破損形式主要有以下五種:裂縫、破碎板、錯臺、板角斷裂、接縫料損壞。其余破損形式在該段路面出現(xiàn)較少,以下詳述這些病害的分布情況和損傷程度。

（1）裂縫。絕大部分裂縫在日常養(yǎng)護過程中已經(jīng)進行了灌縫處治,少量近期開裂縫寬小于3 mm,且裂縫邊緣基本無碎裂、錯臺,破損程度以輕微為主。

（2）破碎板。大同至新光武方向破碎板主要被中等裂縫分割成3～4塊,破損程度為中等；新光武至大同方向,破損板破損較為嚴重,主要為被嚴重裂縫分割成4～5塊,破損程度為嚴重。

（3）錯臺。錯臺主要分布在行車道板塊兩側(cè)縱縫及橫縫處,錯臺高度多在5～10 mm,以中等到嚴重為主。

（4）板角斷裂。板角斷裂處縫隙邊緣存在不同程度破碎,錯臺多超過10 mm,縫隙寬度10～20 mm不等,破損程度為中等到嚴重。

（5）接縫料損壞。沿線接縫料出現(xiàn)老化、擠出、缺損等狀況,整個路段接縫料長度約1/3左右出現(xiàn)損壞,破損程度以中等為主。

2.2 路面狀況評定

以“全面系統(tǒng)的調(diào)查和局部段落精確測量相結(jié)合,外業(yè)測量結(jié)果與內(nèi)業(yè)計算分析結(jié)果相結(jié)合,與歷史數(shù)據(jù)結(jié)果相結(jié)合”為原則,系統(tǒng)地對水泥路面各類參數(shù)進行檢測評定,包括路面彎沉、路面厚度、強度、彈性模量等指標。

2.2.1 路面損傷狀況評定

路面損傷一般可以通過斷板率和平均錯臺兩個指標進行評定,斷板率通過式（1）計算,計算斷板率權(quán)重次數(shù)見表1。

表1 計算板塊率權(quán)數(shù)Wij

式中:DBij為i類裂縫病害j種輕重程度板塊數(shù)；W'ij為i類裂縫病害j種輕重程度修正權(quán)系數(shù)；BS為評定路段內(nèi)的板塊總數(shù)。

錯臺的調(diào)查通過測試接縫兩邊的板的高程差確定,測試點選擇在錯臺嚴重的車道右側(cè)邊緣內(nèi)0.3m處,并以測試結(jié)果的平均值代表平均錯臺水平。通過對本路段的調(diào)查分析,斷板率為6.66%,平均錯臺值0.63mm,病害等級為中等,見表2。

表2 路面損壞狀況分級標準

2.2.2 接縫傳荷能力評定

水泥混凝土路面較為薄弱的部位是接縫位置,大多數(shù)病害都是由接縫處開始發(fā)生的,因此接縫的傳荷能力變得重要。本項目采用落錘彎沉儀測試,如式（2）所示,Kj是接縫的傳荷系數(shù),%；w1是受荷板側(cè)接縫邊緣的彎沉值；wu為未受荷板側(cè)接縫邊緣的彎沉值,通過評估本路面的接縫傳荷系數(shù)為75%。

2.2.3 板底脫空狀況評定

水泥混凝土路面實際使用過程中,板底脫空往往是導(dǎo)致混凝土面板整板斷裂、角隅斷裂、錯臺、唧泥、裂縫等破壞的重要原因,因此對使用中水泥混凝土路面脫空狀況的評定判斷及確定有效的修復(fù)措施,是恢復(fù)路面使用性能的基礎(chǔ)。本項目采用探地雷達結(jié)合鉆芯檢驗的方法對該段路面進行板底脫空檢測。

2.2.4 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)評定

路面結(jié)構(gòu)參數(shù)包含厚度、面層彎拉強度和模量。路面厚度通過在板中心鉆芯取樣測試其真實的厚度根據(jù)實測資料舊混凝土面層量測厚度均值e為27.791 cm,經(jīng)計算舊混凝土面層厚度量測值標準差Sh為0.271 cm。舊混凝土面層厚度的標準值he按式（3）計算確定:

根據(jù)鉆芯試樣的劈裂試驗測定舊混凝土劈裂強度測定值均值fsp為3.29 MPa,經(jīng)計算舊混凝土劈裂強度測定值的標準差 Ssp為 0.284 MPa,則fr=1.87×（fsp-1.04Ssp）0sp.87=4.86（MPa）,彈性模量為34 755 MPa。

采用落錘式彎沉儀（設(shè)計荷載100 kN,承載板半徑150 mm）量測板中荷載作用下的彎沉曲線,以測試舊混凝土路面基層頂面的當(dāng)量回彈模量標準值。檢測結(jié)果為:荷載中心處彎沉值w0為300 μm,距離荷載中心300 mm、600 mm、900 mm處彎沉值w300、w600、w900分別為40 μm、10 μm、5 μm,則Et= 281.8 MPa。

3 加鋪前舊路面施工處理

根據(jù)水泥混凝土面板斷板率6.66%,評價為中,考慮斷板率偏低,且碎石化使原路面結(jié)構(gòu)強度整體降低,對舊水泥混凝土路面的處理采用第一種方法。針對不同病害具體處治方法如下:

（1）破碎板。采用鋼筋網(wǎng)格混凝土面板對破碎板進行更換:新廣武至大同下行方向,受毛皂、懷仁等地重車作用的影響,車輛載重較大使得軸載也很大,軸載作用下路面的損傷與破壞非常嚴重,需要設(shè)置雙層鋼筋網(wǎng)進行加固,其余區(qū)域則可以采用單層鋼筋網(wǎng)格進行加固。破碎板的基層損壞的區(qū)域需要進行清除才能利于更換,施工中采用C15混凝土對清除區(qū)域進行整平和壓實,使得整平的標高值與舊路面的基層頂面標高保持一致。

（2）板底脫空。采用探地雷達技術(shù)對板底脫空情況進行檢測,并利用現(xiàn)場的動態(tài)控制技術(shù),將檢測結(jié)果及時進行驗證。板底脫空的處理方式按照注漿、檢測、再次注漿補強、重新檢測的過程,指導(dǎo)測試的板底填實情況滿足彎沉值L≥12為止。

（3）裂縫。不同病害程度的裂縫采用針對性的修補手段,輕度的采用SBS改性乳化瀝青進行灌注修復(fù)；中度以及重度裂縫進行擴縫灌漿處置,順著裂縫拓寬成為1.5～2.0 cm的溝槽,溝槽的深度按照實際的裂縫深度確定,但不宜大于板厚的2/3。

（4）板體錯臺等病害采用注漿處置,板角斷裂的病害則需要進行填補,必要情況需要進行板體更換,路面坑洞等病害需要清除垃圾并采用灌注水泥砂漿填補。

4 瀝青加鋪層的設(shè)計實施

水泥路面的瀝青加鋪設(shè)計,需要滿足如下兩個條件:其一,加鋪瀝青層的厚度通過能夠承受荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力在設(shè)計基準期內(nèi)的綜合疲勞作用,并同時能夠承受最大軸載在最高溫度梯度下的一次性強度作用；其二,以盡可能延緩或者減少反射裂縫的產(chǎn)生為目標。

4.1 瀝青厚度層的驗算

本工程的公路自然區(qū)劃為Ⅲ1,原始的路面結(jié)構(gòu)為27.51 cm水泥混凝土面板+15 cm水泥穩(wěn)定級配碎石上基層+15 cm三灰穩(wěn)定級配碎石下基層+20 cm水泥穩(wěn)定砂礫底基層。水泥混凝土面板寬3.5～5 m,長5 m,橫縫設(shè)傳力桿,縱縫設(shè)拉桿。通過對區(qū)域內(nèi)的交通運輸調(diào)研,設(shè)計的軸載噸位為PS=100 kN,最大軸載水平Pm=200 kN,設(shè)計車道目前設(shè)計軸載累計作用次數(shù)為Ns=18 565。

高速公路設(shè)計基準期t=30年,2002年通車,至今已通車11年,安全等級為一級,交通量年平均增長率為gr=5.9%,通過設(shè)計規(guī)范可知車輪輪跡橫向分布系數(shù)為0.2,則通過式（4）計算可知屬于重交通等級:

根據(jù)規(guī)范設(shè)計思路,初步擬定瀝青路面的加鋪層厚度為10 cm,并由4 cm細粒式瀝青混凝土和6 cm粗粒式瀝青混凝土兩層組成。計算舊混凝土路面的剛度半徑如下:首先,混凝土面層彎拉強度標準值為fr=4.86 MPa,相應(yīng)彎拉彈性模量為Ec=34 755 MPa,泊松比為vc=0.15,基層頂面當(dāng)量回彈模量Et=281.8 MPa,則路面剛度半徑可以計算如下:

4.1.1 計算荷載疲勞應(yīng)力

根據(jù)he=0.275 m,Ec/Et=123.3,得ζ=1.54；取折減系數(shù)Kr=0.92,綜合系數(shù)Kc=1.15；經(jīng)計算,疲勞應(yīng)力系數(shù)Kf=Nne=2.745；瀝青層加鋪厚度ha=0.1 m。因此,可以計算混凝土面層的荷載疲勞應(yīng)力σpr及最大荷載應(yīng)力σr,max如下:

4.1.2 計算溫度疲勞應(yīng)力

本路面為Ⅲ區(qū),無瀝青上面層時溫度梯度為92℃/m；ha=0.1 m時,溫度梯度修正系數(shù)ζt=0.59,則溫度梯度Tg=92×0.59=55（℃/m）；面板長度L=5 m,混凝土面層板的翹曲應(yīng)力系數(shù)CL=0.98；自然區(qū)劃為Ⅲ區(qū),則a=0.855,b=1.355,c=0.041,由公式求得kt=0.222；由he=0.275和Ec=34 755 MPa,可得由瀝青上面層的混凝土板的溫度梯度修正系數(shù)ζ'=0.53；粗集料的混凝土熱膨脹系數(shù)αc=10×10-6℃-1,則溫度疲勞應(yīng)力如下:

綜合瀝青混凝土面層的混凝土面板溫度疲勞應(yīng)力σtra和最大溫度應(yīng)力σtma:

4.1.3 極限設(shè)計狀態(tài)的校核

高速公路安全等級為一級,目標可靠度為95%,變異水平等級為低,可靠度系數(shù)γr=1.3,校核結(jié)果如下:

綜合上述分析,所設(shè)計的瀝青路面加鋪厚度10 cm可以使得舊混凝土面層能夠承受設(shè)計基準期內(nèi)的荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力的疊加疲勞效應(yīng),也能夠滿足最大軸重荷載在最大溫度梯度下的一次性作用。

4.2 抑制反射裂縫舉措

反射裂縫是瀝青加鋪層的典型病害問題,為了消除反射裂縫,可以采用土工合成材料夾層、應(yīng)力吸收層及級配碎石中間層等措施。

土工合成材料較薄,一般在0.5～5 mm,可減小由溫度作用引起的水平應(yīng)力。土工合成材料自身的強度較低且較薄,使得車輛荷載作用下土工合成材料很難抵抗剪切效應(yīng),容易導(dǎo)致自身破壞。

級配碎石中間層及大粒徑瀝青碎石混合料中間層由于其散粒結(jié)構(gòu),含有連同的空隙,可以阻礙以及減緩裂縫尖端的擴展過程,然而由于其厚度較大,一般在10～15 cm,對現(xiàn)有公路護欄高度及沿線天橋凈空等影響較大。

應(yīng)力吸收層是通過使用特殊的聚合物改性瀝青混合料,通過混合料中聚合物性能進行應(yīng)力吸收,由于該混合料中細礦料比例較高,一般需要鋪設(shè)2～3 cm,且有高彈性、不透水、黏附性強及抗裂性好等優(yōu)點。

綜合比較,項目采用2.5 cm厚度的應(yīng)力吸收層。

5 結(jié)語

舊水泥路面加鋪瀝青鋪裝可以充分利用原有水泥路面,同時減少環(huán)境污染。結(jié)合朔州高速公路山西境內(nèi)路段水泥路面病害的修復(fù)和改造,提出了4 cm細粒式瀝青混凝土+6 cm粗粒式瀝青混凝土+2.5 cm應(yīng)力吸收層方案,施工效果良好,病害得到了有效抑制。

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U416.2

B

1009-7716（2017）07-0230-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.071

2017-03-15

劉軍軍（1981-）,男,山西柳林人,路橋工程師,從事路基、路面工程工作。