劉志勝，劉鵬飛，Susan Tighe，孫曉龍

“白改黑”路面不同結構組合抗裂性能分析

劉志勝1，劉鵬飛1，Susan Tighe2，孫曉龍3

(1.山西省交通科學研究院黃土地區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室，山西太原 030006;2.滑鐵盧大學加拿大路面與交通技術中心，安大略滑鐵盧 N2L 3G1;3.長安大學公路學院，陜西西安 710064)

為更加直觀地了解“白改黑”路面不同結構組合的抗裂性能，采用多功能道路檢測車對在役不同加鋪結構“白改黑”路面進行檢測，對比分析不同結構組合路面的橫向裂縫間距、縱向裂縫貫穿率、龜裂分布律，并評價其對路面平整度和抗車轍性能的影響，驗證不同加鋪結構的抗裂性能。研究結果表明:增加結構層厚度、增設聚酯玻纖布或高彈性應力吸收層均可起到一定的抗裂縫反射性能;不同加鋪結構不會對路面的平整度、抗車轍性能產生較大影響。

道路工程;“白改黑”;結構組合;抗裂性能

0 引言

目前，瀝青路面已經成為中國高速、干線公路的主要形式，但在山西省這一典型煤運重交通特殊區(qū)域，水泥混凝土路面仍占有一定的比例。此外，據不完全統(tǒng)計，水泥混凝土路面占中國鋪裝路面的70%，故水泥混凝土路面的服務能力仍是研究的重點。為改善舊水泥混凝土路面的行車條件，提高道路運營效率和服務水平，道路管理部門開展了加鋪改造工程，在充分利用舊水泥混凝土路面板的剩余承載能力的基礎上，提高水泥混凝土路面的行駛舒適性。加鋪瀝青面層后，在外部交通荷載作用及環(huán)境溫度的影響下，瀝青加鋪層的裂縫反射成為其運營期內的主要破壞類型［1-2］。若瀝青加鋪層防裂措施處理不當，雨水很容易通過反射裂縫滲入路面基層甚至土基，造成基層沖刷、土基軟化、路面沉陷等更大的安全隱患［3-4］?，F(xiàn)有舊水泥混凝土加鋪抗裂縫反射技術主要包括滿鋪應力吸收層［5］以及鋪設聚酯玻纖布［6-7］或橡膠瀝青應力吸收膜［8］等方法，但關于這些加鋪技術性能對比的研究未見報道。

本文采用多功能檢測車對在役的不同加鋪方案的路面開裂情況進行檢測分析，對山西省典型的舊水泥混凝土路面“白改黑”工程中多種加鋪方案進行對比，評價其工程適用性，為今后舊水泥混凝土路面加鋪改造的設計、施工提供技術參考。

1 工程概況

夏家營—汾陽高速公路(簡稱夏汾高速)位于山西省呂梁市境內，雙向四車道，是青島至銀川高速公路在山西境內的重要組成部分，也是晉煤外運的主要通道。項目初期，夏汾高速公路采用水泥混凝土路面，按重交通量進行設計，各項指標滿足當時執(zhí)行的94設計規(guī)范要求，但并未預測到交通量和車輛軸載的迅猛增長，故面板采用了素混凝土。由于原設計結構相對薄弱，交通量預計不足，加上重載、超載車輛的長期作用，在通車第3年開始路面陸續(xù)產生病害;為改善路面行車條件和服務功能，養(yǎng)護部門將嚴重損壞的水泥混凝土板更換為鋼筋混凝土板，但運營不到2年又開始出現(xiàn)開裂、脫空等病害，且無法徹底解決［9］。2008年，據夏汾高速重交通方向的出入口交通量計算，7年累計軸載次數為5.66×108次，遠遠超過了原30年設計累計軸載次數;同時，現(xiàn)場調查顯示路面開裂、脫空等病害嚴重，存在較大的安全隱患［10］。

為提升夏汾高速路面服務水平，采用舊水泥混凝土路面綜合處治后的瀝青加鋪(“白改黑”)方案進行路面改造。在改造過程中，采用了6種不同的抗裂縫反射結構組合，形成了典型的“白改黑”復合式路面結構形式，不同類型的結構如表1所示。

方案2～4采用山西交科新材料有限公司研發(fā)的高彈性橡膠馬蹄脂應力吸收帶處治舊水泥混凝土板的接縫，作為防治反射裂縫的局部處治措施［11-13］。橡膠瑪蹄脂由高摻量SBS改性劑與膠粉復合改性，并輔以細集料等按一定比例配制成聚合物改性瀝青膠漿［14］，按照《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)測試其基本性能指標，結果如表2所示。

高彈性橡膠瑪蹄脂應力吸收帶為現(xiàn)場澆筑，橡膠瑪蹄脂經專用輸送罐運輸到現(xiàn)場，用移動模板推車鋪筑到水泥混凝土接縫處，隨后緊鋪玻纖布，形成應力吸收帶［15］。

夏汾高速“白改黑”路面已經運營5年之久，本文對在役的路面性能狀況進行調查分析，對比不同結構組合下的“白改黑”路面抗裂性能，驗證不同瀝青加鋪層結構在實際道路使用過程中的效果，為“白改黑”技術在山西省運煤重載道路中的推廣應用提供指導。

表2 橡膠瑪蹄脂基本性能

2 路面性能檢測

本文采用山西省交通建設工程質量檢測中心的ARAN9000多功能道路檢測車(圖1)，對夏汾高速公路“白改黑”改造工程不同加鋪結構路面的技術性能進行信息數據采集［16］。ARAN9000多功能道路檢測車集成應用了現(xiàn)代信息技術，以改裝的奔馳機動車為平臺，將光電、IT和3S技術集成一體［17］;在正常行駛狀態(tài)下，能自動完成對道路路面圖像、路面形狀、道路設施立體圖像、平整度及道路幾何參數等數據的采集、分析、分類及存儲［18-21］。

圖1 ARAN9000多功能道路檢測車

2．1 橫向裂縫間距

橫向裂縫間距可直觀地評價橫向裂縫的嚴重程度，如圖2所示。橫向裂縫間距計算公式如下。

式中:STC為橫向裂縫間距;l為評價路段長度;n為評價路段橫向裂縫系數。

圖2 裂縫拍攝圖像

2．2 縱向裂縫貫穿度

用縱向裂縫的長度占評價路段總長度的比例來表現(xiàn)縱向裂縫的嚴重程度比較直觀，因此引入縱向裂縫貫穿度的概念。在進行路面病害檢測時，將縱向裂縫貫穿度進行了統(tǒng)計分析，其計算公式如下。

式中:RLL為縱向裂縫貫穿度;m為評價路段內縱向裂縫的總長度。

2．3 平整度

路面平整度是反映路面功能性和舒適性的重要指標，也是路面評價及路面施工驗收的一個重要指標。本文采用國際平整度(IRI)作為復合式路面表層功能性評價參數。

2．4 車轍

車轍病害嚴重影響行車安全性能，是評價道路使用性能的重要指標，本文采用路面車轍深度(RD)和路面車轍深度指數(RQI)作為復合式路面表層功能性評價參數。

3 路面抗裂性能分析

依據《公路技術狀況評定標準》(JTG H20—2007)，公路技術狀況檢測以1 km為基本檢測和調查單元，評定路段長度不應超過2 000 m，路面平整度應以20 m(快速檢測)為單位長期保存，路面車轍宜采用快速檢測設備以10 m(快速檢測)為單位長期保存。只有當快速檢測設備自動識別軟件的準確率達到一定程度(如90%以上)時，其識別結果才能被直接用于技術狀況評定及路面養(yǎng)護分析。為更加準確地進行病害分析，本文對識別結果進行人工核實后再匯總，結果如表3所示。

表3 不同加鋪方案裂縫調查結果

從表3可以看出，路面裂縫以橫向裂縫為主，行車道內的反射裂縫遠多于超車道內的裂縫，且超車道內的裂縫分布離散，因此后續(xù)內容主要對行車道內的裂縫情況進行分析。

3．1 橫向裂縫間距分析

將各路面結構內的裂縫數量與其對應的長度進行取均值評比，以裂縫間隔距離進行評價，不同結構對舊水泥混凝土板裂縫反射性能的影響結果如圖3所示。

圖3 不同加鋪方案路面裂縫間距

從圖3可以看出:不同路面結構內行車道的裂縫程度遠大于超車道，而不同路面結構對行車道與超車道的裂縫間距的影響沒有明顯的變化規(guī)律。行車道內，方案1、2、4、5表現(xiàn)出較好的抗裂性能，方案6相對較差;超車道內，不同加鋪結構中的裂縫間距相差較大，方案4、5、6表現(xiàn)出較好的抗裂性能;總體而言，方案4和方案5行車道與超車道內的裂縫間距較大，且維持在相對較低的水平。這和行車道內重載比例較大的現(xiàn)狀較為吻合。

(1)對比方案1和方案2發(fā)現(xiàn)，滿鋪聚酯玻纖抗裂布可以起到一定的抗裂功能，但以聚酯玻纖抗裂布替代4 cm厚的瀝青混合料達不到相同的抗裂效果。

(2)對比方案3、4可知，增大下面層材料最大粒徑對行車道內的抗裂性能沒有明顯影響。

(3)對比方案4、5可知，以高彈性應力吸收層替代相當厚度的下面層可以提高行車道內路面的抗裂性能。

(4)對比方案 2、3、5、6 可知，增加下面層厚度可以起到一定的抗裂作用。

3．2 縱向裂縫貫穿分析

將各路面結構內的裂縫長度與其對應的長度進行取均值評比，以裂縫間隔距離進行評價，不同結構對舊水泥混凝土板裂縫反射性能的影響結果見圖4。

圖4 不同加鋪方案路面裂縫貫穿率

從圖4可以看出:在超車道和行車道內，縱向裂縫貫穿度都維持在較低的水平，各種路面加鋪結構的整體抗豎向裂縫性能良好。方案3中，超車道中裂縫貫穿度為4%，而對應的行車道內裂縫貫穿度僅為0．8%;方案2、5、6都沒有檢測到縱向裂縫。同時，根據原始檢測結果得知，行車道內縱向裂縫的嚴重程度僅為50%，超車道內縱向裂縫嚴重的嚴重程度為80%。

上述現(xiàn)象的原因主要在于，交通管制一般要求大車靠右行，導致行車道內重載車輛所占比例遠大于超車道，故行車道內出現(xiàn)裂縫之后，將產生擴展而增加病害程度，所以縱向裂縫的破壞程度較高;超車之所以產生縱向裂縫是由于部分路段車輛變換車道引起的，但縱向裂縫相對較少，而超車道內縱向裂縫嚴重程度更大的原因是已有裂縫處的材料強度降低，致使橫向抗剪切性能下降，荷載重復作用下縱向裂縫破壞程度更大。

3．3 龜裂分布分析

將各路面結構內的龜裂面積與其對應的車道的面積的比值進行取均值評比，以龜裂比例進行評價，不同加鋪方案對舊水泥混凝土板裂縫反射性能的影響結果見圖5。

圖5 不同加鋪方案路面龜裂擴展比例

從圖5可以看出:在超車道內沒有龜裂病害的出現(xiàn)，這反映出較輕軸載對路面的破壞程度遠小于重載作用，也說明重載是加鋪結構破壞的主要影響因素。同時，結合檢測時拍攝的原始照片可知，龜裂往往與橫向裂縫相伴而生，可以推測大部分的龜裂是由橫向裂縫引起的，即為橫向裂縫的衍生病害。

結合表3可以發(fā)現(xiàn):方案1、2、6具有較好的防止龜裂擴散的作用。同時，對比方案1、3可知，在層間增設聚酯玻纖抗裂布可起到較好的防龜裂病害作用;對比方案2、3可知，增加下面層厚度也可發(fā)揮較好的防龜裂病害作用;對比方案4、5、6可知，高彈性應力吸收層可有效防止路面龜裂的產生;而對比方案2、4可知，增加下面層的材料粒徑對于加鋪層的整體抗裂性有不利的影響。因此，不論增加聚酯玻纖抗裂布、改用高彈性應力吸收層，還是降低加鋪層材料粒徑，都有利于提高加鋪層抗疲勞性能。

4 路面平整度分析

依據《公路技術狀況評定標準》(JTG H20—2007)對各檢測指標的評定指數，利用國際平整度指數(IRI)，計算路面行駛質量指數(RQI)。國際平整度指數(IRI)評定結果見表4。

表4 平整度檢測指標及評定等級劃分結果

從表4可以看出，行車道和超車道內的評價等級中“優(yōu)”占100%，表明對于不同類型的加鋪層結構，其路面的平整度和行駛質量指數沒有明顯的區(qū)別，方案2～4采用的應力吸收帶不會對加鋪結構的行駛特性帶來較大的變化。

5 路面車轍分析

依據《公路技術狀況評定標準》(JTG H20—2007)對各檢測指標的評定指數，利用車轍深度檢測結果(RD)，計算車轍深度指數(RDI)。車轍深度指數(RDI)評定結果見表5。

從表5可以看出，行車道和超車道內的車轍等級中“良”占100%，表明加鋪層結構的類型不同對其高溫穩(wěn)定性沒有較大的影響，方案5、6中的高彈性應力吸收層不會對路面的抗車轍性能產生明顯的影響。

6 結語

(1)不同加鋪結構的反射裂縫主要發(fā)生在行車道內，提高加鋪層厚度可以增強結構的抗裂性能，以高彈性應力吸收層替代相當厚度的下面層可以提高路面的抗裂性能，增設聚酯玻纖抗裂布可以起到一定的抗橫向裂縫反射作用，但不可為此降低加鋪層厚度。

表5 不同類型加鋪層路面車轍深度評定結果

(2)縱向裂縫發(fā)現(xiàn)較少，主要發(fā)生在變換車道較頻繁的路段，且超車道內縱向裂縫的嚴重程度大于行車道。增加加鋪層厚度、設置高彈性應力吸收層均可起到抗縱向裂縫的作用。

(3)“白改黑”路面中的龜裂主要發(fā)生在行車道內，多與橫縫相伴出現(xiàn)，是重載作用下的一種疲勞破壞。增設聚酯玻纖抗裂布、高彈性應力吸收層和減小加鋪層材料粒徑均可增強加鋪層的抗龜裂性能。

(4)不同加鋪結構的路面平整度、抗車轍性能相差不大，應力吸收帶不會對加鋪結構的行駛特性帶來較大的變化，高彈性應力吸收層也不會對路面的抗車轍性能產生明顯的影響。

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Crack Resistance of Combination of Different Pavement Structures Used in AC Layer on PCC

LIU Zhi-sheng1，LIU Peng-fei1，Susan Tighe2，SUN Xiao-long3
(1．Key Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region of Ministry of Transport，Shanxi Transportation Research Institute，Taiyuan 030006，Shanxi，China;2．Centre for Pavement and Transportation Technology，University of Waterloo，Waterloo N2L 3G1，Ontario，Canada;3．School of Highway，Chang'an University，Xi'an 710064，Shaanxi，China)

In order to research the crack resistance of the combination of different pavement structures used in ACLayer on the PCC，multi-functional pavement measuring car was adopted to detect the service performance of overlay structure，and the transverse crack spacing，penetration rate of longitudinal cracks，parching distribution，roughness and rutting depth were compared to verify the crack resistance of different overlays．The results show that the increase of structure layer thickness，the addition of polyester glass fiber and high elastic stress absorbing layer could improve the resistance to reflective cracks;different overlay structures will not have great impact on the roughness of road surface and the rut resistance．

road engineering;AC layer on PCC;structure combination;crack resistance

U418．8

B

1000-033X(2017)10-0049-05

2017-03-11

山西省交通運輸廳科技項目(2015-1-26);山西省交通建設科技項目(15-2-04)

劉志勝(1989-)，男，山西朔州人，碩士，工程師，主要從事瀝青路面新材料的研究工作。

［責任編輯:杜衛(wèi)華］