黃海峰 張 超 王力武 丁翹橋

(1.中國(guó)土木工程集團(tuán)有限公司 北京 100038； 2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 西安 710075)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，公路等交通行業(yè)需求也逐年提高，在不停新建高等級(jí)公路的同時(shí)，對(duì)既有道路改造升級(jí)、維修加固也刻不容緩。除去簡(jiǎn)單的加鋪、罩面，在對(duì)既有瀝青道路進(jìn)行養(yǎng)護(hù)、改擴(kuò)建施工的同時(shí)，往往會(huì)產(chǎn)生大量的廢料。這些廢料以舊路瀝青材料及基層材料為主，對(duì)公路行業(yè)來(lái)說(shuō)回收瀝青路面材料(RAP)、基層材料(RBP)的再生利用問(wèn)題將是今后長(zhǎng)期面臨的巨大挑戰(zhàn)。以水泥、乳化瀝青、泡沫瀝青等[1-3]為摻合料的就地冷再生技術(shù)在上世紀(jì)20年代初被引入國(guó)內(nèi)，而后逐漸推廣開(kāi)來(lái)。全深式就地冷再生技術(shù)[4-5]就是利用專(zhuān)門(mén)的冷再生設(shè)備，將既有老路面層、基層及部分底基層銑刨，加入水、水泥(乳化瀝青等)以及新集料進(jìn)行翻拌，按照一定施工工藝重新碾壓成型后用作新建路面結(jié)構(gòu)基層或底基層的工程技術(shù)。相比于其他瀝青穩(wěn)定類(lèi)再生技術(shù)(熱再生、溫再生等)，全深式就地冷再生技術(shù)均在常溫下進(jìn)行，具有早期強(qiáng)度高、污染小、材料利用率高、工藝相對(duì)簡(jiǎn)單、修復(fù)深度大等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[6]。關(guān)于RAP、RBP類(lèi)材料再生后用作基層、底基層材料，在國(guó)內(nèi)及歐美等地區(qū)已有廣泛研究[7-8]。

在非洲等經(jīng)濟(jì)條件較為落后地區(qū)，公路建設(shè)水平較低，多數(shù)公路都缺乏有效養(yǎng)護(hù)，破損嚴(yán)重，不能滿足非洲經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，亟須對(duì)既有老路進(jìn)行升級(jí)改造，這也為中國(guó)企業(yè)進(jìn)軍非洲提供了良好的契機(jī)。

本文以西非地區(qū)科特迪瓦西部公路改造工程達(dá)洛亞-迪埃奎段為依托，對(duì)基于法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)下的既有道路全深式冷再生修復(fù)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行探討，結(jié)合室內(nèi)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，為我國(guó)企業(yè)在非洲全深式水泥穩(wěn)定就地冷再生技術(shù)的推廣及同類(lèi)工程應(yīng)用提供借鑒。

1 項(xiàng)目概況

科特迪瓦西部公路改造項(xiàng)目達(dá)洛亞-迪?？温肪€全長(zhǎng)102.124 km，道路建于20世紀(jì)七八十年代，雖然后期局部路段進(jìn)行過(guò)多次維修加固，但是現(xiàn)有道路的破壞狀況已經(jīng)不滿足交通需求及行車(chē)安全性要求。全線公路路面均存在不同程度的裂縫，路面裂縫主要以網(wǎng)狀裂縫為主，局部路段路面存在破損和車(chē)轍、硬路肩完全損毀及路基邊坡溜坍等病害。部分路段受病害影響或雨天泥濘，安全行車(chē)速度不足30 km/h，全線道路亟須維修改造，依托工程擬采用的全深式就地冷再生修復(fù)技術(shù)是中國(guó)企業(yè)在該區(qū)域?qū)嵤┑牡谝焕湓偕?xiàng)目。

2 老路狀況調(diào)查

2.1 路面病害調(diào)查

根據(jù)1991年12月法國(guó)路橋中心實(shí)驗(yàn)室(LCPC)發(fā)布的VIZIR方法，匯總既有老路路面破損情況記錄，見(jiàn)表1。

表1 老路路面病害調(diào)查結(jié)果匯總表

達(dá)洛亞-迪?？渭扔欣下分饕『σ跃W(wǎng)裂、車(chē)轍及坑洼為主，整體處于嚴(yán)重破損狀態(tài)。

2.2 路面彎沉檢測(cè)

在法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中，彎沉檢測(cè)結(jié)果不僅是評(píng)估既有路面結(jié)構(gòu)的疲勞狀態(tài)的重要依據(jù)，也為后期采用Alizé-Lcpc軟件進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算、制定養(yǎng)護(hù)或加固方案提供重要參數(shù)。LCPC制定的《熱帶國(guó)家柔性路面加固指南》[9]中推薦采用整條道路或整個(gè)單元路段上計(jì)算出的特征彎沉值D90作為后期道路加固設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，其根據(jù)彎沉值的大小將路表彎沉分類(lèi)，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 基于法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的路表彎沉值分類(lèi)

本次彎沉檢測(cè)依據(jù)法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)采用貝克曼梁和雙輪后軸負(fù)載130 kN的卡車(chē)進(jìn)行，測(cè)量步距為50 m，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 現(xiàn)狀道路路表彎沉檢測(cè)結(jié)果表

由表3可知，依托工程達(dá)洛亞-迪埃奎段路表彎沉分類(lèi)以D1、D2、D3類(lèi)為主，其中D1類(lèi)路面占比約為30%、D2類(lèi)路面占比約為60%、D3類(lèi)路面占比約為10%。

2.3 路面加固方案選擇

LCPC發(fā)布的加固指南中通過(guò)交叉表面指數(shù)值Is及特征彎沉值D90將路面質(zhì)量等級(jí)分為Q1～Q9類(lèi)，其中Q1～Q3類(lèi)路面加固推薦以日常巡查、路面局部修復(fù)為主的養(yǎng)護(hù)方案；Q4～Q6類(lèi)路面推薦以加強(qiáng)常規(guī)養(yǎng)護(hù)頻率，局部修復(fù)(可能涉及整個(gè)路面結(jié)構(gòu))為主；Q7～Q9類(lèi)路面加固則直接推薦為對(duì)整個(gè)路面進(jìn)行修復(fù)。依據(jù)上述分類(lèi)及調(diào)查結(jié)果，推薦維修方案見(jiàn)表4。

表4 依托工程根據(jù)路段質(zhì)量等級(jí)推薦的修護(hù)類(lèi)型

3 基于Alizé-Lcpc軟件的冷再生修復(fù)方案設(shè)計(jì)

由于工期緊、任務(wù)重，采用加鋪罩面的方式修復(fù)既有道路使用年限達(dá)不到業(yè)主要求，全線采用挖除新建的方式，成本較高、污染大且工期不能滿足，綜合考慮在滿足業(yè)主工期及使用年限要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)老路狀況調(diào)查結(jié)果，制定出對(duì)老路進(jìn)行全深式就地冷再生的加固設(shè)計(jì)方案，將既有老路的面層、基層及部分底基層通過(guò)冷再生處理后改做新建道路底基層使用,采用Alizé-Lcpc軟件對(duì)老路冷再生過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)諸如再生層深度，控制指標(biāo)等進(jìn)行探討。

3.1 Alizé-Lcpc軟件簡(jiǎn)介

Alizé-Lcpc是用于路面結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)軟件，由IFSTTAR(法國(guó)交通、發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)研究所)材料和結(jié)構(gòu)部開(kāi)發(fā)。其應(yīng)用領(lǐng)域包括道路路面、港口區(qū)或物流平臺(tái)等特殊路面和機(jī)場(chǎng)路面。在考慮到累計(jì)交通量的情況下，它提供了一種多層彈性線性模型用于計(jì)算道路的彈性應(yīng)力和應(yīng)變，也可以通過(guò)彎沉等數(shù)值反算現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度?；贏lizé-Lcpc軟件的冷再生設(shè)計(jì)方案將按照交通量預(yù)測(cè)、現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)建模擬，及新建路面結(jié)構(gòu)計(jì)算等順序開(kāi)展。

3.2 新建路面結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算

我國(guó)路面設(shè)計(jì)以雙輪組單軸載100 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載，與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)不同，法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中以雙輪組單軸載130 kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載作為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、交通量劃分，以及后期道路各結(jié)構(gòu)層彎沉檢測(cè)依據(jù)。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察及指南中推薦方法，對(duì)依托工程重載交通量預(yù)測(cè)(20年)、相應(yīng)交通量等級(jí)及CAM取值見(jiàn)表5。

表5 依托工程交通量劃分及對(duì)應(yīng)彎沉等級(jí)表

基于上述調(diào)查結(jié)果，制定出瀝青混凝土(BB)+瀝青碎石(GB)+水泥就地冷再生材料(MRC)+基礎(chǔ)的路面維修加固方案，冷再生層作為新建道路底基層使用。法國(guó)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室新路面的設(shè)計(jì)和計(jì)算手冊(cè)及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)NF P 98-086中路面結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算方法如式(1)～(3)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

瀝青類(lèi)材料容許應(yīng)變

(1)

水穩(wěn)類(lèi)材料容許應(yīng)力

(2)

路基垂直應(yīng)變

εz,ad=0.012×(NE)-0.222

(3)

式中：ε6為對(duì)應(yīng)于106個(gè)加載循環(huán)的應(yīng)變水平；NE為通過(guò)累計(jì)交通量和侵蝕系數(shù)CAM計(jì)算出的等量標(biāo)準(zhǔn)軸數(shù)；E(10 ℃)為10 ℃下材料模量，MPa；E(θeq)為θeq℃下材料模量，MPa；b為材料疲勞曲線的斜率；kc為設(shè)定系數(shù)；kr為風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；kd為不連續(xù)系數(shù)；ks為路基系數(shù)。

表6 路面各層的容許應(yīng)力和應(yīng)變

3.3 現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)計(jì)算

現(xiàn)狀路面建模的目的是通過(guò)Alizé軟件的反向計(jì)算確定現(xiàn)有路面各層的剩余強(qiáng)度。在依據(jù)彎沉檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行反向計(jì)算之前，需要對(duì)現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)中的基層、底基層及路基模量之間的關(guān)系做出假定，根據(jù)規(guī)范及當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)，本次計(jì)算中假定基層模量與底基層模量、底基層模量與路基模量之間均為2倍關(guān)系。計(jì)算剩余模量所采用的老路路面結(jié)構(gòu)為5 cm瀝青混凝土(面層)+16 cm機(jī)軋碎石(基層)+24 cm精選紅土粒料(底基層)+路基。

對(duì)D1、D2、D3 3種等級(jí)路面結(jié)構(gòu)剩余模量分別進(jìn)行反算，結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 舊路路面結(jié)構(gòu)剩余模量反算結(jié)果

3.4 新建路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)及當(dāng)?shù)毓方ㄔO(shè)經(jīng)驗(yàn)，本次全深式就地冷再生修復(fù)段落新建路面結(jié)構(gòu)層中面層、基層分別定為5 cm瀝青混凝土、8 cm瀝青碎石。下文將基于3.2節(jié)中的各路面結(jié)構(gòu)層容許應(yīng)力、應(yīng)變，以及3.3節(jié)中反算出的現(xiàn)狀道路底基層及路基模量，借助Alizé軟件進(jìn)行試算以確定合理的冷再生層厚度。

表8即為不同彎沉等級(jí)下新建路面結(jié)構(gòu)試算結(jié)果。

表8 不同等級(jí)下新建路面結(jié)構(gòu)層試算結(jié)果

由圖8可見(jiàn)，當(dāng)冷再生層厚度分別為18,20,23 cm時(shí)即可滿足結(jié)構(gòu)層容許應(yīng)力、應(yīng)變的要求。結(jié)合表3各彎沉等級(jí)路面的里程長(zhǎng)度及占比可以看出，雖然全線83%路段彎沉等級(jí)處于D1和D2區(qū)間，處于D3彎沉等級(jí)區(qū)間的路段僅占17%，但是由于各區(qū)間路段長(zhǎng)度較短且不連續(xù)，且多為路面已經(jīng)破壞后期填補(bǔ)的路段。從施工中不同彎沉區(qū)間的工藝銜接及工程質(zhì)量管控的角度出發(fā)，對(duì)全線采用彎沉等級(jí)D3的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加固控制，且出于安全考慮將冷再生層厚度定為25 cm。通過(guò)全深式水泥就地冷再生技術(shù)將老路的瀝青混凝土面層、級(jí)配碎石基層及部分紅土粒料底基層采用冷再生機(jī)破碎、拌和均勻后，添加適量水、水泥壓實(shí)后作為新建路面結(jié)構(gòu)底基層使用。新建路面結(jié)構(gòu)為5 cm瀝青混凝土面層+8 cm瀝青碎石基層+25 cm水泥就地冷再生底基層，新老路面結(jié)構(gòu)對(duì)比見(jiàn)圖1。

圖1 新老路面結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

4 冷再生層配合比設(shè)計(jì)

在通過(guò)理論計(jì)算給出合理的全深式老路冷再生修復(fù)深度的基礎(chǔ)上，本節(jié)將就依托工程冷再生施工工程中所遇到的冷再生層水泥摻量、再生料級(jí)配、是否需要新加骨料等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討。參照西非地區(qū)高等級(jí)公路中基層、底基層相關(guān)工程案例，結(jié)合依托工程CCTP技術(shù)文件，本次冷再生混合料配合比設(shè)計(jì)相關(guān)控制指標(biāo)見(jiàn)表9。

表9 對(duì)冷再生底基層材料要求 %

4.1 冷再生層級(jí)配

根據(jù)需要選用0.08～50 mm的一組標(biāo)準(zhǔn)方孔套篩分別對(duì)冷再生混合料進(jìn)行篩分試驗(yàn)，考慮到材料組成離散性的影響，為保證試驗(yàn)結(jié)果能夠真實(shí)地反映材料特性，在室內(nèi)試驗(yàn)過(guò)程中分別從混合料中隨機(jī)抽取了8份樣品進(jìn)行篩分試驗(yàn)，每次都按規(guī)定的方法從料堆的不同部位均勻取樣，再按四分法縮分至一次試驗(yàn)所需質(zhì)量。表10即為冷再生混合料原樣篩分結(jié)果,冷再生混合料級(jí)配曲線。

表10 冷再生混合料篩分試驗(yàn)結(jié)果

圖2 冷再生混合料級(jí)配曲線

通過(guò)將圖2與《熱帶國(guó)家道路尺寸手冊(cè)》[10](1984版)中路面結(jié)構(gòu)中底基層材料級(jí)配上、下限比較可以發(fā)現(xiàn)，冷再生混合料中細(xì)粒含量偏少，級(jí)配組成接近于手冊(cè)中的級(jí)配下限，整體表現(xiàn)為粗粒料偏多，細(xì)粒料偏少?？傮w而言，能夠滿足手冊(cè)中級(jí)配的相關(guān)要求，可以認(rèn)為依托工程中冷再生混合料中不需要添加新骨料。

4.2 水泥摻量選擇

法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)公路填料的強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)主要體現(xiàn)在壓實(shí)度、承載比CBR等指標(biāo)，基于法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的CBR試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)既有冷再生混合料開(kāi)展水泥摻量試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 冷再生混合料不同水泥摻量CBR試驗(yàn) %

由表9中對(duì)路面底基層材料要求可知，依托工程冷再生混合料CBR值隨著無(wú)機(jī)結(jié)合料的加入量增加而增大，天然狀態(tài)下加入水泥時(shí)，對(duì)混合料的CBR值影響更加明顯，隨著無(wú)機(jī)結(jié)合料摻量繼續(xù)增加，CBR值增幅減小。冷再生混合料在1%水泥摻量時(shí)即可滿足路面結(jié)構(gòu)底基層材料的要求，出于安全原因考慮，最終選擇2%水泥摻量作為本項(xiàng)目就地冷再生施工配合比。

5 結(jié)語(yǔ)

以西非地區(qū)舊路修復(fù)工程為依托，從老路狀況調(diào)查、冷再生方案設(shè)計(jì)、冷再生混合料相關(guān)室內(nèi)試驗(yàn)等角度出發(fā)，對(duì)基于法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的老路全深式就地冷再生設(shè)計(jì)思路進(jìn)行探討，得出如下結(jié)論。

1) 對(duì)于既有舊路修復(fù)，當(dāng)新建路面結(jié)構(gòu)選取5 cm瀝青混凝土(面層)+8 cm瀝青碎石(基層)+25 cm水泥冷再生層(底基層)+路基時(shí)，能夠滿足相關(guān)控制指標(biāo)要求。

2) 在對(duì)老路進(jìn)行病害調(diào)查、彎沉檢測(cè)的基礎(chǔ)上，修復(fù)方案中對(duì)老路路表彎沉的合理分類(lèi)及冷再生層的厚度選擇是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，需要重點(diǎn)論證。法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的路面結(jié)構(gòu)計(jì)算理論及相關(guān)試驗(yàn)方法與中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)有一定區(qū)別，但是原理基本相同，在對(duì)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值深入研究的基層上，能夠較快地適應(yīng)法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)需求。

3) 從冷再生混合料的級(jí)配及水泥摻量選擇可知，本次依托工程全深式冷再生修復(fù)對(duì)既有老路的廢料利用率基本達(dá)到100%，在不添加新骨料的情況下，摻2%水泥處置后，CBR數(shù)值能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這也從側(cè)面說(shuō)明了冷再生工藝在舊路修復(fù)項(xiàng)目中的優(yōu)越性。