舊水泥混凝土路面改造方案設計

王樹波

(經緯高速公路養護工程有限公司，江蘇淮安 223005)

我國公路修建水泥混凝土路面已有幾十年的歷史，隨著我國公路建設事業迅速發展和水泥混凝土路面里程不斷增長，路面危害問題日顯突出，養護維修工作日益繁重。特別是近年來，隨著國民經濟的迅速發展，交通荷載的日益重型化，交通量的大幅度增長，超載車輛日趨嚴重，加速了水泥混凝土路面的損壞。因此，加強水泥混凝土路面的養護與改造，延長水泥混凝土路面的使用壽命，是地方公路交通部門面臨的一個刻不容緩的任務。

1 舊水泥混凝土路面病害現狀

對舊水泥路路面結構、性能、路面損壞、使用品質等進行全面調查與分析是進行舊水泥混凝土路面改造設計的重要依據，也是提出有針對性的處治方法、有效改善舊水泥混凝土路面行車條件的前提。由于水的防治、路基土質條件、路基地下水位、路基沉降、面層強度、超重荷載、設計和施工等原因，使得舊水泥路在接近或未達到設計年限時就存在眾多病害狀況。其中，其路面病害可以概括為斷裂類病害、豎向位移類病害、接縫類病害、表層類病害等[1]。

2 舊水泥混凝土路面病害成因分析

2.1 水泥混凝土路面材料的特性

水泥混凝土路面是一種剛度較大、擴散荷載應力能力強、穩定性好和使用壽命長的路面結構，然而由于其面層材料的極限變形能力小、材料的脆性大，使得面層的變形適應能力較弱，面層與基層之間輕微的均勻脫空或者基層的彎沉超標均可使面層的承載力顯著降低。同時由于脫空、彎沉位移等原因，使得水泥混凝土路面依然常常遭到破壞，路面強度降低。此外，水泥混凝土面層下基層的首要要求是給面層提供一個均勻的支撐面，要滿足這個條件就要求基層的抗沖刷能力強，因此，不耐沖刷的基層表面，在滲入水和荷載的共同作用下，會產生泵吸、唧泥現象，造成板底脫空和錯臺等病害，引起路面行車顛簸，導致行車的不舒適，并加速和加劇板的斷裂。

可見，普通水泥混凝土路面不適應于基層和路基不均勻變形和不均勻沉降，要求具有相對穩固、均勻的路基和基層支撐條件。水泥混凝土路面的致命缺點之一在于水泥混凝土的脆性，致使剛性面層難以適應基層的較大變形或脫空，從而發生結構性破壞。

2.2 水造成板底脫空的機理

水沿著路面之間的橫縫進入板下，會在路面板縫隙處聚集，因為路面板和基層間總是有縫隙的，在行車荷載作用下路面板產生泵吸、唧泥現象。板端脫空和不均勻支撐在引起板端出現橫向裂縫的同時，還會導致角隅斷裂;板中的不均勻支承導致板中部出現橫向裂縫;另外，板底沿長邊方向的脫空會導致板中出現縱向裂紋。

2.3 面層與基層間的界面狀況分析

現行的水泥混凝土路面結構是將水泥混凝土直接澆筑在基層表面形成的，將混凝土直接澆筑在基層表面后，水泥砂漿滲入基層后形成的具有一定深度的，力學性質介于面層與基層之間的一個中間層。在面層混凝土澆筑在基層上后，中間層將面層與基層粘結為一個整體。

水泥混凝土面層與基層分離后，面層底面嚴重損傷且極不平整，層間將出現非均勻脫空。層間支承狀況與路面破壞之間存在因果關系，面層與基層從初始的結合狀態逐漸發展演變，這一過程中，路面結構的層間支承邊界條件將發生變化，這些變化直接影響路面的受力狀態。面層與基層之間破碎層的出現，將對路面的破壞產生多種綜合性的影響。

3 舊水泥混凝土路面改造方案設計

3.1 防治反射裂縫的技術措施

由于舊水泥混凝土路面延性差，容易收縮，產生干縮裂縫和低溫收縮裂縫，同時在車輛荷載和溫度變化影響下，很容易使得舊水泥混凝土路面產生反射裂縫，從而使得路面整體強度、剛度、穩定性、美觀性和行車舒適性大大降低，同時縮短了公路的整體使用壽命。

1)設置中間夾層。考慮路面交通量及交通組成特點，保持路面結構組合對交通荷載承受能力要求，在舊水泥混凝土路面和加鋪層之間設置夾層，通過調整結合料用量與比例，增加粗骨料含量并嚴格設計級配，以盡可能的減小其溫縮和干縮系數，增加半剛性基層材料強度與剛度，增加抗裂性能。

2)設置裂縫緩解層。使用防裂效果更好的面層或基層材料，設置裂縫緩解層，如在加鋪層下部設置瀝青穩定碎石、瀝青碎石組成的裂縫緩解層，同時緩解層還能充當具有排水功能的基層，從而降低反射裂縫發生的可能性。

3)設置補強層。基于材料加筋機理、常規性能的試驗比較，可在原水泥混凝土路面上加鋪半剛性基層補強層，既可以提高路面的承重能力，又可以降低加鋪層形成反射裂縫的可能性。如加鋪土工織物、鋼絲網、油氈、鋸口封縫或格柵，設置瀝青橡膠層、瀝青砂層、瀝青混合料連接層(過渡層)等可對加鋪層起少量加筋作用。

3.2 路面加鋪方案設計

水泥混凝土路面加鋪方案設計，應根據道路使用任務、性質和要求，結合當地氣候、水土、材料、施工技術、實踐經驗以及環境保護要求等，通過技術經濟分析，以最低的壽命周期費用提供一種合適的路面結構。

對路面加鋪方案設計，初步擬定以下三種方案 :

1)舊水泥混凝土碎石化基層+瀝青穩定碎石+瀝青混凝土;2)舊水泥混凝土碎石化基層+LSPM+高模量瀝青混凝土;3)舊水泥混凝土碎石化基層+橡膠瀝青應力吸收層+瀝青混凝土。

路面受力方向如圖1所示，對以上改建方案利用APBIH97軟件做力學計算(三種方案做了力學計算，根據軟件使用方法依次輸入表1中數據，彈性模量、泊松比、厚度。計算時取面層厚度6 cm，基層厚度10 cm，載荷數目為1即單圓荷載，載荷集度為0.707 MPa，載荷半徑為10.65 cm)，再進行經濟成本等方面比較選優。

表1 加鋪方案力學計算時利用的數據

3.3 路面加鋪方案的力學計算與比較

利用APBIH97軟件對a，b，c三種方案進行力學計算比較。由于對道路結構破壞形成的因素有許多，而最大的影響因素就是拉應力的大小，故對三種方案的拉應力作比較，如圖2所示。

由圖2可以看出三種方案中，方案a的拉應力最大，其次是方案b，最小的是方案c，故方案c是最優方案(三種方案的拉應力相差不大，所以在技術性能上，三種方案都可推薦，但是在經濟方面，需要結合當地經濟條件考慮)。

3.4 路面加鋪方案的經濟分析

將技術方案和經濟評價有機結合起來進行設計方案比選是工程建設中亟待解決的問題之一。通過對三種結構設計方案的路面通車后使用性能和建設投資進行分析評價，及對各結構方案的性能—費用比的分析，為加鋪方案優選提供參考。

通過估算，三種方案在改造后的使用壽命差不多，一般可以投入使用3年～4年不用大修，在使用性能上，方案都比較理想，然而方案里所用到的材料在價格上一定有差別。對這三種方案基層材料做個比較，基層材料假設厚度10 cm，面積以平方米為單位，其價格如表2所示。

表2 中間層材料價格 元/m2

三種方案的材料單價顯示方案a建設投入資金少，造價低。在力學分析時，方案c要比其他兩種方案好，在經濟充裕的條件下，方案c是很好的選擇。

3.5 混凝土路面加鋪層結構設計

考慮到加鋪層需要承受交通荷載和氣溫變化的影響，同時需要保證表面平整、耐磨、抗滑，因此其應滿足以下要求，即混凝土的彎拉強度應滿足表3的要求[5]。

表3 拉彎強度表

混凝土路面的平整度以3 m直尺量測為準，3 m直尺與路面表面之間的最大間隙，高速公路和一級公路不應大于3 mm;其他各級公路不應大于5 mm;混凝土路面的平整度也可用平整度儀測定。

混凝土路面的抗滑性以構造深度(TD)為指標。其竣工驗收值，對高速公路和一級公路不應低于0.8 mm，對其他各級公路不應低于0.6 mm。

4 結語

舊水泥混凝土路面改造方案的設計要根據道路使用任務、性質和要求，結合當地氣候、水土、材料、施工技術、實踐經驗以及環境保護要求等，通過技術經濟分析，以最低的壽命周期費用設計一種合適的路面結構。本文提出三種改造方案，分別是舊水泥混凝土碎石化基層+瀝青穩定碎石+瀝青混凝土;舊水泥混凝土碎石化基層+LSPM+高模量瀝青混凝土;舊水泥混凝土碎石化基層+橡膠瀝青應力吸收層+瀝青混凝土。通過力學計算分析和技術經濟評價，對三種方案進行了詳細的比較分析，進而在防治反射裂縫、混凝土路面加鋪層結構設計等方面針對性的提出了舊水泥混凝土路面改造對策。

[1] 劉 滎.水泥混凝土路面改建技術[M].北京:人民交通出版社，2006.

[2] 閆寶杰，陳榮生.城市水泥混凝土路面改造工程中破裂穩固技術的應用[J].公路交通科技，2005(2):16-22.

[3] 王松根，張 宏，曹茂坤，等.水泥混凝土路面碎石化技術應用與探討[J].公路，2004(5):5-8.

[4] 惠 勇，盧擁軍，林 琳，等.舊水泥混凝土城市道路加鋪新型瀝青層方案研究[J].現代交通技術，2006(6):20-26.

[5] 中華人民共和國行業標準.公路混凝土路面養護技術規范[M].北京:人民交通出版社，2001.