郭 高，戰(zhàn)宏宇，張 旭，遲文仲*，郭梓爍

（1：長春市市政工程設(shè)計(jì)研究院，吉林 長春130033；2：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150001）

0 引言

長壽命瀝青路面又稱為耐久性瀝青路面，我國耐久性半剛性基層瀝青路面定義為：路面使用40年不發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞，瀝青面層罩面或重建的時(shí)間間隔≥10年。目前我國普遍使用的瀝青路面結(jié)構(gòu)為15 cm～20 cm厚度瀝青層，加20 m～40 m厚度半剛性基層，達(dá)到設(shè)計(jì)壽命10年～15年的十分罕見，路面難以達(dá)到正常的大修年限和使用壽命[1]，給國家造成極大的經(jīng)濟(jì)損失和資源浪費(fèi)[2]。因此，提高道路工程質(zhì)量和耐久性是我國道路建設(shè)需要解決的主要問題。

長春市政院多年來持續(xù)開展關(guān)于基塊的嵌擠度[3]、頂面粗糙度和柔性耐候涂層及插板等防溫縮技術(shù)措施的試驗(yàn)，還與哈爾濱工業(yè)大學(xué)、吉林大學(xué)聯(lián)合開展瀝青路面裝配式基層道路結(jié)構(gòu)計(jì)算及灌漿料性能研究與試驗(yàn)[4]，對(duì)如何提升裝配式基層道路結(jié)構(gòu)耐久性做了大量探索性工作。

1 實(shí)驗(yàn)、發(fā)明與設(shè)計(jì)

1.1 基塊與基層試驗(yàn)

大連路位于長春市二道區(qū)，道路等級(jí)為城市次干路，我們?cè)诖藢?duì)裝配式基層進(jìn)行了一系列研究。該道路裝配式基層瀝青路面組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，鋪裝的基塊為混凝土預(yù)制件，嵌擠度1/4[5]，厚度為300 mm，基塊接縫采用灌漿工藝填充。根據(jù)吉林大學(xué)報(bào)告表明：砂漿摻加1%的A類膠粉，28 d抗折強(qiáng)度為5.2 MPa、抗壓強(qiáng)度28.0 MPa，劈裂強(qiáng)度2.5 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度21.3 MPa，靜力受壓彈性模量5.48 GPa，吸水率11.9%，抗?jié)B強(qiáng)度1.3 MPa，抗凍性為50次，疲勞加載200萬次的累計(jì)變形0.08 mm，未發(fā)生破壞，符合以配合比滿足力學(xué)和耐久性及抗疲勞性指標(biāo)作為專用水泥砂漿的技術(shù)要求的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[6]，可作為東北地區(qū)裝配式路面基層結(jié)構(gòu)中的專用水泥砂漿。

圖1 裝配式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)圖

根據(jù)哈工大研究報(bào)告表明：①瀝青路面裝配式基層結(jié)構(gòu)，瀝青層底最大拉應(yīng)力51.0 με；荷載作用位置正下方瀝青層層底的水平應(yīng)變最大值也遠(yuǎn)小于瀝青混合料的抗拉應(yīng)變，面層受到疲勞破壞的可能性較低；②裝配式基層瀝青路面結(jié)構(gòu)路基頂面豎向壓變較小，路基頂面最大豎向應(yīng)變?yōu)?4.9 με，路基能夠處于良好的安定狀態(tài)。哈工大董澤蛟通過瀝青路面裝配式基層結(jié)構(gòu)有限元模型建模、計(jì)算及結(jié)果分析，確定裝配式基層瀝青路面各結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)與傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分布規(guī)律大體上相似，屬于類板體半剛性基層結(jié)構(gòu)，可將該層等效為半剛性基層開展路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。按嵌擠結(jié)構(gòu)鋪裝的塊體之間能建立豎向互鎖及平面聯(lián)鎖關(guān)系[7]，將點(diǎn)荷載逐漸擴(kuò)散到全面積?；鶎雍奢d傳遞率見圖2。

圖2 基層荷載傳遞率

標(biāo)準(zhǔn)彎沉＜0.1 mm的路面有可能成為長壽命路面，而大連路道路竣工彎沉平均值、彎沉差及彎沉代表值分別為0.061 mm，0.07 mm，0.072 mm。國內(nèi)外研究將瀝青路面的主要破壞分為裂縫和永久變形，為保證路面結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損壞，Monishmith and Long建議HMA層底彎拉應(yīng)變不應(yīng)高于60 με，路基頂面壓應(yīng)變不高于200 με，據(jù)此認(rèn)為裝配式基層瀝青路面已滿足耐久性對(duì)應(yīng)變的要求。

1.2 井筒周邊的異形塊裝配發(fā)明

行車路面的檢查井及周邊在使用中產(chǎn)生的不均勻沉降會(huì)降低路面舒適性，為此采用在檢查井周邊裝配異形塊結(jié)構(gòu)預(yù)防井周沉降。該結(jié)構(gòu)利用太陽輪與行星輪減速器機(jī)械原理，能實(shí)現(xiàn)圓形井筒與矩形基塊的適配，并將井具安置在預(yù)制塊上預(yù)防井具沉降[8]（見圖3）。

圖3 日月形異形塊裝配

1.3 瀝青層與基層的結(jié)合面處理

為增加與瀝青層的結(jié)合，在基塊頂面設(shè)置有縱橫網(wǎng)格狀槽，槽深6 mm，槽間距55 mm，槽斷面為三角形，底角90°（見圖4）。槽斷面可以容納瀝青混合料并形成嵌擠，槽的深度給嵌入的瀝青混合料提供用于緩解車輪沖擊應(yīng)力的應(yīng)變區(qū)間。縱橫槽將基塊頂面分隔成多個(gè)四棱臺(tái)，四棱臺(tái)頂面及底面積較大，可抗水平力剪切力以保持自身牢固，并使嵌入的瀝青混合料具有較高的抗滑能力。這種由混凝土與瀝青混合料形成相互插入的復(fù)合式過度結(jié)構(gòu)，還能提高瀝青層的抗車轍能力。經(jīng)過多年實(shí)踐，效果較好。現(xiàn)已將縱橫網(wǎng)狀槽按與縱向呈45°布置，可避免通透的縱向槽對(duì)抗滑能力的不利影響，進(jìn)一步提高瀝青層抗滑能力。基塊頂面凸臺(tái)將瀝青層局部分割，對(duì)于道路瀝青層也可以分散溫縮應(yīng)力，并發(fā)揮錨固作用。

圖4 基塊頂面構(gòu)造（mm）

1.4 防水隔離層的設(shè)置

裝配式基層下增設(shè)有隔離層，材料選用AC-5瀝青砂，厚度20 mm。隔離層的作用首先是頂面平整度好，有利于基塊的裝配和提高瀝青面層的平整度；其次，瀝青砂具有較好的防水作用；最后，瀝青砂有一定的柔韌性，有利于緩解基塊底部的應(yīng)力集中。

1.5 預(yù)防基層溫縮開裂措施

由于環(huán)境溫濕度變化與土基密實(shí)度差異性及荷載的影響，在剛?cè)釓?fù)合式路面接縫處產(chǎn)生的反射裂縫仍然是水泥路面加鋪層的主要病害[9]，通常將溫縮和干縮引起的瀝青路面反射裂縫統(tǒng)稱為溫度型反射裂縫，預(yù)防或延緩反射裂縫的出現(xiàn)是延長瀝青混凝土加鋪層使用壽命的關(guān)鍵。

鋪裝時(shí)基塊之間由空隙隔開，接縫灌漿后使各基塊濕接為基層整體?；鶋K之間的空隙是相互聯(lián)通的，使得灌縫砂漿凝固后可以形成網(wǎng)格式整體框架，為減少干縮與溫縮裂縫，我們采用涂層包裹基塊與植入塑料插板隔斷接縫體的兩項(xiàng)試驗(yàn)，取得了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)成果。

涂層試驗(yàn)：2019年10月在長春市的2條城市支路——丙45路和大連盛海路開展基塊側(cè)面噴涂可再分散膠粉涂層的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)路膠粉用量1.2 kg/塊。2020年12月初進(jìn)行溫縮開裂數(shù)據(jù)檢測(cè)，試驗(yàn)路長612 m，出現(xiàn)裂縫4條，低溫開裂指數(shù)為0.65。對(duì)比路段長594 m，出現(xiàn)裂縫數(shù)9條，低溫開裂指數(shù)為1.5，試驗(yàn)表明涂層使溫縮裂縫數(shù)降低55.6%，效果顯著。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

插板試驗(yàn)：在砂漿縱向通道內(nèi)設(shè)置硬隔斷（見圖5），使連續(xù)的砂漿網(wǎng)格被分隔成短段，避免溫縮應(yīng)力積累作用的影響。

圖5 基層插板試驗(yàn)

塑料插板尺寸為30 cm×15 cm，板面設(shè)有杯形凹坑，插板沿縱斷間距6 m設(shè)置1處。試驗(yàn)段長度512 m，在同一路段的南北兩幅進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見表2。2020年12月初，氣溫下降到-24℃，經(jīng)檢測(cè)試驗(yàn)路段裂縫數(shù)量降低80%，試驗(yàn)表明，采用在預(yù)制件側(cè)面增設(shè)柔性涂層及在縱向接縫內(nèi)設(shè)置插板的工藝可預(yù)防基層反射裂縫。

表2 插板試驗(yàn)結(jié)果

1.6 耐沖刷下基層

下基層的主要作用是為上基層提供均勻支承，并有一定的剛度和足夠的耐沖刷能力，以防止唧泥和錯(cuò)臺(tái)導(dǎo)致的板底脫空。下基層采用不同厚度水泥穩(wěn)定碎石的對(duì)比試驗(yàn)，厚度及彎沉數(shù)據(jù)為：20 cm，0.09 mm；30 cm，0.07 mm。根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTGD 50—2017，基層與底基層之間的模量比不宜大于2.5。裝配式基層與下基層水泥穩(wěn)定碎石層模量相差較大，建議在長壽命道路組合設(shè)計(jì)時(shí)增加一層貧混凝土層，既減少模量差又可提高整體強(qiáng)度，減少路面彎沉值衰減率。

1.7 墊層試驗(yàn)

2013年在飛躍中路[10]、2014年在世紀(jì)大街道路工程中采用在土基上鋪5 cm碎石,再鋪鋼塑雙向凸點(diǎn)土工格柵鋪的工藝，意圖使用格柵拉緊基塊防止松散[11]（見圖6）。由于試驗(yàn)路段較短，為100 m，盡管至今沒有出現(xiàn)反射裂縫，但是格柵復(fù)雜的鋪裝工藝和較低作業(yè)效率可能并不適合大面積使用。

圖6 基層下加鋪土工格柵

2 長壽命道路結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)方案

根據(jù)之前各分項(xiàng)試驗(yàn)成果，擬定長壽命道路組合設(shè)計(jì)具體方案：4 cm AC-13SMA瀝青混凝土、6 cm AC-20SBS瀝青混凝土、30 cm裝配式基層（強(qiáng)度為C40，涂層+插板,砂漿摻膠粉+纖維）、2 cm AC-5瀝青砂、18 cm貧混凝土（8%）切橫縫、18 cm水泥碎石（4%）切橫縫、10 cm填隙碎石或排水板、增強(qiáng)土基50 Mpa，總厚度88 cm。

其中①粘層油：瀝青層之間的粘層油噴灑之后易被瀝青層攤鋪時(shí)運(yùn)輸瀝青混合料的車輪帶走，減弱層間結(jié)合效果，應(yīng)采取措施改進(jìn)?？梢圆扇r青混合料攤鋪與粘層油噴灑同步作業(yè)的模式，避免混合料運(yùn)輸車輪行走在粘層油表面。②基塊采用涂層工藝，選用單組份水溶性聚氨酯Ⅰ型或AB雙組分Ⅰ型聚脲，主要性能應(yīng)滿足低溫韌性、延伸率、抗老化、耐疲勞、可噴涂指標(biāo)；同時(shí)采用插板預(yù)防反射裂縫工藝；摻加膠粉及易分散纖維提高砂漿耐久性[12]。③土基，土基模量由30 MPa增至50 MPa，可選用沖擊壓實(shí)及聚合物土基等新材料技術(shù)，土基四周及橫斷分段切縫，縫深易超過冰凍最大深度，內(nèi)填充苯板，形成側(cè)面于自然土體孤立的狀態(tài)。④擬定設(shè)計(jì)壽命40年，各類基層綜合評(píng)價(jià)見表3，根據(jù)表3可見，裝配式基層性能綜合得分高于其他類型基層。

表3 各類基層性能綜合評(píng)估表[13]

3 結(jié)語

1）瀝青路面裝配式基層結(jié)構(gòu)屬于半剛性基層，裝配式基層瀝青路面各結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)與傳統(tǒng)的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)分布規(guī)律大體上相似。針對(duì)耐久性道路要求進(jìn)一步優(yōu)化組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可提高路面整體強(qiáng)度和耐久性。

2）基層采用涂層及插板措施可降低路面溫縮開裂，遴選材料性能及價(jià)格均適合裝配式基層的涂層材料是獲得高性價(jià)比的重點(diǎn)。

3）裝配式基層鋪裝工期短，可用于城市道路的快速鋪筑，且預(yù)制的塊體可重復(fù)使用。其質(zhì)量控制屬于加權(quán)模式，對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性更為有利，裝配式路面基層在緩解施工單位質(zhì)量負(fù)擔(dān)的同時(shí)，帶動(dòng)上游質(zhì)量管理投入，是一種更具公益性的工程形式。與傳統(tǒng)半剛性基層瀝青路面比較，裝配式基層結(jié)構(gòu)全壽命周期造價(jià)最低。開展裝配式基層瀝青路面的耐久性試驗(yàn)與應(yīng)用，對(duì)提高道路質(zhì)量，提倡全壽命周期費(fèi)用管理模式有促進(jìn)作用，符合市政建設(shè)長遠(yuǎn)發(fā)展需要。