舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結構優選與設計

但瑞強

（長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南長沙 410004）

與水泥混凝土加鋪層相比，瀝青混凝土加鋪層能有效改善原水泥混凝土路面的路用性能，提高路面行車的安全性和舒適性，同時充分利用原水泥混凝土路面的結構剛度，使路面的使用壽命增加，施工成本降低，施工時對路面交通的影響小［1］。作者擬依托長益高速大修工程進行研究。

長益高速原有路面結構層設計為：25cm水泥混凝土路面面層＋18cm水泥穩定砂礫基層＋15cm水泥穩定砂礫底基層。通過對路面調查和試驗檢測，長益高速水泥混凝土路面以斷裂類病害（交叉裂縫、角隅斷裂及縱橫斜向裂縫）為主，接縫傳荷能力較差，板底脫空比例較大，板下基礎支撐均勻性較差。在養護部門不斷及時維護的情況下，病害仍頻繁出現，說明路面結構存在問題。

在前人研究［2］的基礎上，結合長益高速大修工程的具體情況，作者擬對該段公路的瀝青混凝土加鋪層結構進行設計并對提出的多種大修方案進行優選。擬定方案后，以層間剪應力為控制指標，進行瀝青面層厚度驗算，確定瀝青面層厚度，以期為舊水泥混凝土加鋪改建技術的研究積累經驗。

1 路面加鋪層設計方法

與普通的彈性層狀體系不同，在舊水泥混凝土路面上，采用瀝青混合料，進行加鋪。該加鋪層是一種特殊的復合結構，這一特殊結構的設計方法一直是學者們開展研究的重點［3］，但目前還沒有一個統一的設計方法。在國外，相關的研究與設計多采用經驗—半經驗方法，如：ARE法、AI法及COE法等；在中國，相關的設計則是以理論分析為基礎的方法，如：彈性層狀體理論和彈性地基板理論［4－5］等。

由于不同路面加鋪層組合設計方案直接決定了加鋪層結構設計的方法，因此，先對給出的幾種可能的路面加鋪層設計方案進行比選，并根據設計經驗初步擬定各加鋪層厚度，在決定加鋪層設計方案后，再以此確定加鋪層結構設計方法，選擇合適的控制指標進行驗算。若驗算合格，則厚度設計符合要求；若驗算不合格，則根據實際情況調整加鋪層厚度，并再次驗算，直至合格為止。

2 路面加鋪層結構方案比選

根據長益高速的使用情況、當地的氣象和水文條件及施工條件，結合路面加鋪層結構計算方法，進行路基路面綜合設計，對初步擬定的4種加鋪方案進行比較。

2.1 方案一

5cm改性瀝青SMA－16＋7cm改性瀝青AC－20C＋10cm瀝青穩定碎石ATB－25＋防水防裂粘結層＋舊水泥混凝土路面碎石化處治，加鋪總厚度為22cm。

該方案中，采用碎石化技術，對舊路面進行處治，可有效解決瀝青面層的反射裂縫問題，同時施工方便，速度快。

將瀝青穩定碎石混合料ATB－25作為基層，作為柔性基層的一種，由于與面層結構同屬于柔性結構，因此整個路面結構受力變形更加協調。密集配瀝青穩定碎石ATB－25相比于通常使用的半剛性基層，具有更高的抗剪、抗彎拉強度及耐疲勞性能。

就整體而言，該方案加鋪總厚度最薄，能有效控制反射裂縫的生成和發展，且施工簡便，利于控制。但該方案存在著較為明顯的缺點：結構承載能力較弱，無法滿足重載交通的需求，且施工過程中對環境影響較大。

2.2 方案二

4cm改性瀝青SMA－13＋6cm改性瀝青AC－20C＋1cm橡膠瀝青SAMI＋16cm連續配筋混凝土層＋2cmAC－10隔離調平層＋舊水泥混凝土板換板灌漿綜合處治，加鋪總厚度為29cm。

該方案采用16cm連續配筋混凝土層作為對路面結構強度的補充，屬于一種復合式基層路面結構。采用該結構兼顧了剛、柔2種路面的優點，對路面結構層的強度、穩定性、承載能力及耐久性等性能有很大的改善，大大提高了路面使用壽命。

該方案采用連續配筋混凝土作為剛性補強層，連續配筋混凝土結構是一種不設橫向接縫的路面結構，因此，它不會在自身的裂縫兩側產生彎沉差，因而有效地減少了荷載型反射裂縫產生的可能。

該方案的缺點在于：加鋪層厚度較大，容易造成施工不便，同時也使造價過高，不經濟。

2.3 方案三

4cm改性瀝青SMA－13＋6cmAC－20C中粒式瀝青混凝土＋8cmAC－25C粗粒式瀝青混凝土＋1cm封層＋透層＋20cm5%水泥穩定碎石＋舊水泥混凝土板碎石化，加鋪總厚度為39cm。

該方案將舊混凝土板碎石化后，重做瀝青混凝土路面。較徹底地解決了舊混凝土板對上覆瀝青層的反射裂縫問題，使整個路面結構層變成了半剛性基層瀝青路面結構。

該方案的缺點在于：厚度過大，不利于施工的進行及整個工程的經濟性。

2.4 方案四

4cm橡膠瀝青ARHM－13＋5cm橡膠瀝青ARHM－20＋1cm橡膠瀝青SAMI＋16cm連續配筋混凝土加鋪層＋2cmAC－10隔離調平層＋舊水泥混凝土板換板灌漿綜合處治，加鋪總厚度為28cm。

該方案利用高強度的剛性結構層作為路面的補強層，提高了路面結構的整體強度和穩定性，其與方案二的區別在于：上面層和中面層采用橡膠瀝青ARAC。該方案由于采用雙層橡膠雙復合改性瀝青混凝土，其抗疲勞、抗老化及抗車轍等路用性能較SBS改性瀝青混凝土的好。但該方案對施工要求非常高，對于拌合溫度和攤鋪溫度的要求高于普通瀝青混凝土的，對于攤鋪的連續性要求也高于普通瀝青混凝土的。同時，施工過程中對環境會造成一定的影響。

綜合考慮工程的實際情況和整個路面結構的使用性能，擬采用結構設計方案四，即4cm改性瀝青ARHM－13＋5cmARHM－20＋1cm橡膠瀝青SAMI＋16cm連續配筋混凝土加鋪層＋2cmAC－10隔離調平層＋舊水泥混凝土板換板灌漿綜合處治，加鋪總厚度為28cm。

3 瀝青加鋪層厚度的驗算

方案四采用連續配筋混凝土層作為基層，有效避免了反射裂縫的產生和發展，但這種結構易產生基－面層之間的滑移破壞，因此，采用層間剪應力τα為控制指標，以控制層間剪應力τα不大于層間粘結材料的容許剪應力τR為標準，對瀝青加鋪層厚度進行驗算。

3.1 瀝青加鋪層的最小厚度和經濟厚度

驗算結果表明：當瀝青加鋪層厚度小于4cm時，其功能為改善路面行車的舒適性，對路面受力沒有影響［6］。同時由于厚度較薄，此時瀝青加鋪層隔熱效果并不明顯，使得連續配筋混凝土層溫度梯度增大；當瀝青加鋪層厚度大于4cm時，由于瀝青混合料傳熱能力較低，使得由瀝青面層傳到連續配筋混凝土基層的熱量較少，使得基層內溫度梯度減小。為了充分向下擴散面層承受的荷載和減小溫度應力，面層的最小厚度不宜小于4～5cm；同時考慮結構層間剪應力，當瀝青面層厚度大于6cm時，層間剪應力較小，衰變平緩。經綜合考慮，瀝青加鋪層厚度應不小于6cm。

由于瀝青混合料本身具有一定的隔熱效果，因此，達到一定厚度的瀝青面層可有效改善下部基層的溫度場。研究結果表明：當瀝青面層為4，8和12cm時，連續配筋混凝土基層最大溫度梯度分別減小了15%，20%和30%。連續配筋混凝土基層的最大溫度梯度隨著瀝青面層厚度的增加而減小。從減小的趨勢來看，當瀝青面層厚度在0～12cm之間時，基層溫度梯度的減小迅速；當瀝青面層厚度超過12cm時，基層溫度梯度的減小趨于緩慢。同時考慮結構層間剪應力，當瀝青面層厚度超過12cm時，層間剪應力的衰變明顯減緩，因此建議瀝青面層經濟厚度不宜超過12cm。

本方案提出：采用4cm橡膠瀝青ARHM－13＋5cm橡膠瀝青ARHM－20的瀝青加鋪層方案，符合最小厚度和經濟厚度的要求。

3.2 層間結構方案的比選

對于層間結構方案，設計考慮了2種方案的比選。

3.2.1 方案A：改性乳化瀝青同步碎石封層

采用同步碎石封層車，將改性乳化瀝青和碎石同時撒布在基層板上，并通過自然行車碾壓成型，形成瀝青碎石磨耗層。這一方案的優點在于乳化瀝青和碎石同步鋪撒，瀝青與碎石之間能夠在高溫條件下牢固結合，從而保證了封層具有足夠的強度。

1）優點：①具有良好的抗滑性能和防滲水性能；②具有良好的裂縫密封性能；③采用機械化施工，質量容易控制。

2）缺點：①工程造價較高；②對材料和工藝控制相當嚴格，加大了施工組織的難度；③其抗裂、抗剪性能不如橡膠瀝青SAMI的。

3.2.2 方案B：橡膠瀝青SAMI

橡膠瀝青由橡膠和熱瀝青通過熱反應制成，橡膠的加入顯著提高了瀝青的性能。

1）優點：①橡膠瀝青SAMI本身具有良好的抗裂性能，可有效阻止下層裂縫延伸至上面層；②形成的富油層起到很好的防水作用；③橡膠瀝青SAMI具有良好的抗老化性能；④橡膠瀝青SAMI具有良好的層間粘結性能。

2）缺點：施工中要嚴格控制用油量，避免過量而導致泛油。

經過綜合考慮，推薦采用方案B，即采用橡膠瀝青SAMI作為層間結構。

3.3 以層間剪應力為控制指標的瀝青面層厚度驗算

在連續配筋混凝土基層＋瀝青面層的結構中，容易出現層間剪應力超過粘結層材料容許剪應力的情況，從而引起層間滑移破壞，導致路面出現開裂和形成擁包等路面病害。而層間剪應力受瀝青面層厚度和荷載的影響，因此，必須合理設計面層厚度，防止層間出現破壞［7］。本研究對連續配筋混凝土基層上瀝青加鋪層進行了設計和驗算，連續配筋混凝土基層＋瀝青面層的結構以在不同方向荷載綜合作用下產生剪切疲勞破壞作為極限狀態，即：

式中：τα為層間界面的剪應力，MPa；τR為層間界面粘結材料的容許剪應力，MPa。

3.3.1 層間剪應力計算

連續配筋混凝土基層＋瀝青面層層間的水平應力來源于路面承受的水平荷載，包括：①車輛行駛對路面產生的摩阻力；②車輛加（減）速度而產生的加（減）速度阻力；③剎車過程中可能產生的滑動阻力；④車輛在上坡或下坡時對路面產生的水平力；⑤彎道處由于離心作用對路面產生的向外的水平力［8］。其中以緊急制動時的水平力最大，因此，要采用緊急制動時產生的剪應力進行計算。

面層厚度是影響層間剪應力的主要因素，因此，計算時考慮最不利狀態（緊急制動）下厚度對層間剪應力的影響，瀝青面層厚度ha與層間最大剪應力τα之間的關系可表示為：

本次設計采用4cm改性瀝青ARHM－13＋5cmARHM－20的瀝青加鋪層厚度方案，瀝青面層總厚度為9cm，代入式（2）進行計算，得出結構層間最大剪應力τα為0.264 2MPa。

3.3.2 層間抗剪強度與容許剪應力計算

層間界面容許剪應力τR的計算公式為：

式中：τf為一次荷載作用下層間粘結材料的抗剪強度，由剪切試驗確定，MPa；KT為層間界面抗剪結構強度系數，表征層間粘結材料的抗剪強度因疲勞而降低的系數。

層間抗剪結構強度系數與行車荷載作用狀態有關，如：公路等級、交通量、荷載、水平力及行車速度等。緊急制動時，層間界面抗剪結構強度系數KT的計算公式為：

式中：Ac為道路等級系數（高速公路和一級公路取1.0；二級公路取1.1；三、四級公路取1.2）。

層間粘結層抗剪強度受粘結層材料種類和用量、試驗溫度及剪切速率等因素的共同影響。而溫度是其中的主要影響因素，層間粘結層抗剪強度與溫度之間的回歸公式為：

式中：T為連續配筋混凝土板頂夏季最高氣溫，℃。

連續配筋混凝土板頂夏季最高氣溫在不同路表溫度和瀝青面層厚度情況下的回歸公式為：

式中：ha為瀝青面層厚度，cm；T20mm為路表以下深度20mm處的溫度。

路表以下20mm處的溫度T20mm計算公式為：

式中：Tair為氣溫，長沙地區為40℃；Lat為緯度，長沙地區緯度為28.2°。

根據式（3）～（7），可計算出緊急制動狀態下擬定方案中瀝青加鋪層層間粘結材料的容許應力。根據式（7），得T20mm＝62.15℃，瀝青面層厚度9cm。根據式（6），得T＝48.17℃。根據式（5），得τf＝0.399 6MPa。根據式（4），得KT＝1.2。根據式（3），得τR＝τf／KT＝0.333MPa。

根據式（2）進行計算，得出結構層間最大剪應力τα為0.264 2MPa，小于層間界面容許剪應力τR，滿足設計要求，驗算合格。因此，可確定瀝青加鋪層方案為4cm橡膠瀝青ARHM－13＋5cm橡膠瀝青ARHM－20，總厚度9cm。

4 結語

通過對初步擬定的4種瀝青加鋪層結構的探討和分析，對加鋪層設計方案的比選和對瀝青加鋪層厚度的驗算，得出的結論為：

1）不同的路面加鋪層組合方案對加鋪層結構設計方法有決定性的影響。在設計過程中，應根據選定的路面加鋪層組合方案選擇適合的結構設計方法及控制指標，本設計采用以連續配筋混凝土層作基層的加鋪層組合方案，以層間剪應力為控制指標。

2）綜合考慮工程的實際情況和整個路面結構的使用性能，推薦采用結構設計方案四，即4cm橡膠瀝青ARHM－13＋5cm橡膠瀝青ARHM－20＋1cm橡膠瀝青SAMI＋16cm連續配筋混凝土加鋪層＋2cmAC－10隔離調平層＋舊水泥混凝土板換板灌漿綜合處治，加鋪總厚度為28cm。

3）以層間剪應力為控制指標對瀝青加鋪層厚度進行驗算，驗算結果表明：本研究采用的9cm瀝青混凝土面層符合設計要求。

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