水泥混凝土路面“白加黑”路面工程設計與研究

劉軍軍，高建榮

（山西省交通規劃勘察設計院,山西 太原 030006）

水泥混凝土路面“白加黑”路面工程設計與研究

劉軍軍，高建榮

（山西省交通規劃勘察設計院,山西 太原 030006）

結合實際工程闡述了舊水泥路面的加鋪瀝青（白加黑）改造施工,分析了水泥路面的病害情況并進行了定量評定,提出加鋪瀝青層的設計方案:4cm細粒式瀝青混凝土+6cm粗粒式瀝青混凝土+2.5cm應力吸收層,設計驗算滿足規范要求,施工與運營效果良好,可為類似工程提供參考。

“白加黑”；水泥混凝土路面；設計；驗算；應力吸收層

0 引言

水泥混凝土路面是我國道路結構應用較多的路面結構型式,由于我國貨運交通的發展,交通量和荷載等級在近年來都有很大的增長,這對道路路面工程造成了顯著的損傷影響,再加上溫度荷載作用,使得很多水泥路面出現了開裂、破損、錯臺等病害。為了盡可能利用原有的水泥路面結構,同時又能夠滿足現有交通運輸需求,采用瀝青罩面（俗稱“白加黑”）是一種有效的技術手段。

結合朔州高速公路在山西境內部分路段為工程依托,分析了該路段內水泥路面的病害發生情況,并對路面的性能等級進行了定量評判,從而確定加固改造方法。通過對原始路面的處理并加鋪10 cm瀝青層,能夠達到病害修復和道路運營使用需求。

1 依托工程概述

朔州高速公路大新段是國道主干線二連浩特至河口公路在山西省境內的一部分,通車運營十多年來,隨著交通量和軸載逐年增大,路面出現了裂縫、破碎板、錯臺、板角斷裂、接縫料損壞等病害,局部路段路面損壞非常嚴重,對行車安全、行車舒適性有較大影響,一定程度上該段高速公路的服務能力大不如前,為了保證大新高速公路安全運營,提高其服務水平,對該段路面前15 km水泥混凝土路面進行了“白加黑”加鋪設計。

2 原路面病害及其評定

2.1 水泥路面病害分布

根據實地調查,本段路面破損形式主要有以下五種:裂縫、破碎板、錯臺、板角斷裂、接縫料損壞。其余破損形式在該段路面出現較少,以下詳述這些病害的分布情況和損傷程度。

（1）裂縫。絕大部分裂縫在日常養護過程中已經進行了灌縫處治,少量近期開裂縫寬小于3 mm,且裂縫邊緣基本無碎裂、錯臺,破損程度以輕微為主。

（2）破碎板。大同至新光武方向破碎板主要被中等裂縫分割成3～4塊,破損程度為中等；新光武至大同方向,破損板破損較為嚴重,主要為被嚴重裂縫分割成4～5塊,破損程度為嚴重。

（3）錯臺。錯臺主要分布在行車道板塊兩側縱縫及橫縫處,錯臺高度多在5～10 mm,以中等到嚴重為主。

（4）板角斷裂。板角斷裂處縫隙邊緣存在不同程度破碎,錯臺多超過10 mm,縫隙寬度10～20 mm不等,破損程度為中等到嚴重。

（5）接縫料損壞。沿線接縫料出現老化、擠出、缺損等狀況,整個路段接縫料長度約1/3左右出現損壞,破損程度以中等為主。

2.2 路面狀況評定

以“全面系統的調查和局部段落精確測量相結合,外業測量結果與內業計算分析結果相結合,與歷史數據結果相結合”為原則,系統地對水泥路面各類參數進行檢測評定,包括路面彎沉、路面厚度、強度、彈性模量等指標。

2.2.1 路面損傷狀況評定

路面損傷一般可以通過斷板率和平均錯臺兩個指標進行評定,斷板率通過式（1）計算,計算斷板率權重次數見表1。

表1 計算板塊率權數Wij

式中:DBij為i類裂縫病害j種輕重程度板塊數；W'ij為i類裂縫病害j種輕重程度修正權系數；BS為評定路段內的板塊總數。

錯臺的調查通過測試接縫兩邊的板的高程差確定,測試點選擇在錯臺嚴重的車道右側邊緣內0.3m處,并以測試結果的平均值代表平均錯臺水平。通過對本路段的調查分析,斷板率為6.66%,平均錯臺值0.63mm,病害等級為中等,見表2。

表2 路面損壞狀況分級標準

2.2.2 接縫傳荷能力評定

水泥混凝土路面較為薄弱的部位是接縫位置,大多數病害都是由接縫處開始發生的,因此接縫的傳荷能力變得重要。本項目采用落錘彎沉儀測試,如式（2）所示,Kj是接縫的傳荷系數,%；w1是受荷板側接縫邊緣的彎沉值；wu為未受荷板側接縫邊緣的彎沉值,通過評估本路面的接縫傳荷系數為75%。

2.2.3 板底脫空狀況評定

水泥混凝土路面實際使用過程中,板底脫空往往是導致混凝土面板整板斷裂、角隅斷裂、錯臺、唧泥、裂縫等破壞的重要原因,因此對使用中水泥混凝土路面脫空狀況的評定判斷及確定有效的修復措施,是恢復路面使用性能的基礎。本項目采用探地雷達結合鉆芯檢驗的方法對該段路面進行板底脫空檢測。

2.2.4 路面結構參數評定

路面結構參數包含厚度、面層彎拉強度和模量。路面厚度通過在板中心鉆芯取樣測試其真實的厚度根據實測資料舊混凝土面層量測厚度均值e為27.791 cm,經計算舊混凝土面層厚度量測值標準差Sh為0.271 cm。舊混凝土面層厚度的標準值he按式（3）計算確定:

根據鉆芯試樣的劈裂試驗測定舊混凝土劈裂強度測定值均值fsp為3.29 MPa,經計算舊混凝土劈裂強度測定值的標準差 Ssp為 0.284 MPa,則fr=1.87×（fsp-1.04Ssp）0sp.87=4.86（MPa）,彈性模量為34 755 MPa。

采用落錘式彎沉儀（設計荷載100 kN,承載板半徑150 mm）量測板中荷載作用下的彎沉曲線,以測試舊混凝土路面基層頂面的當量回彈模量標準值。檢測結果為:荷載中心處彎沉值w0為300 μm,距離荷載中心300 mm、600 mm、900 mm處彎沉值w300、w600、w900分別為40 μm、10 μm、5 μm,則Et= 281.8 MPa。

3 加鋪前舊路面施工處理

根據水泥混凝土面板斷板率6.66%,評價為中,考慮斷板率偏低,且碎石化使原路面結構強度整體降低,對舊水泥混凝土路面的處理采用第一種方法。針對不同病害具體處治方法如下:

（1）破碎板。采用鋼筋網格混凝土面板對破碎板進行更換:新廣武至大同下行方向,受毛皂、懷仁等地重車作用的影響,車輛載重較大使得軸載也很大,軸載作用下路面的損傷與破壞非常嚴重,需要設置雙層鋼筋網進行加固,其余區域則可以采用單層鋼筋網格進行加固。破碎板的基層損壞的區域需要進行清除才能利于更換,施工中采用C15混凝土對清除區域進行整平和壓實,使得整平的標高值與舊路面的基層頂面標高保持一致。

（2）板底脫空。采用探地雷達技術對板底脫空情況進行檢測,并利用現場的動態控制技術,將檢測結果及時進行驗證。板底脫空的處理方式按照注漿、檢測、再次注漿補強、重新檢測的過程,指導測試的板底填實情況滿足彎沉值L≥12為止。

（3）裂縫。不同病害程度的裂縫采用針對性的修補手段,輕度的采用SBS改性乳化瀝青進行灌注修復；中度以及重度裂縫進行擴縫灌漿處置,順著裂縫拓寬成為1.5～2.0 cm的溝槽,溝槽的深度按照實際的裂縫深度確定,但不宜大于板厚的2/3。

（4）板體錯臺等病害采用注漿處置,板角斷裂的病害則需要進行填補,必要情況需要進行板體更換,路面坑洞等病害需要清除垃圾并采用灌注水泥砂漿填補。

4 瀝青加鋪層的設計實施

水泥路面的瀝青加鋪設計,需要滿足如下兩個條件:其一,加鋪瀝青層的厚度通過能夠承受荷載應力和溫度應力在設計基準期內的綜合疲勞作用,并同時能夠承受最大軸載在最高溫度梯度下的一次性強度作用；其二,以盡可能延緩或者減少反射裂縫的產生為目標。

4.1 瀝青厚度層的驗算

本工程的公路自然區劃為Ⅲ1,原始的路面結構為27.51 cm水泥混凝土面板+15 cm水泥穩定級配碎石上基層+15 cm三灰穩定級配碎石下基層+20 cm水泥穩定砂礫底基層。水泥混凝土面板寬3.5～5 m,長5 m,橫縫設傳力桿,縱縫設拉桿。通過對區域內的交通運輸調研,設計的軸載噸位為PS=100 kN,最大軸載水平Pm=200 kN,設計車道目前設計軸載累計作用次數為Ns=18 565。

高速公路設計基準期t=30年,2002年通車,至今已通車11年,安全等級為一級,交通量年平均增長率為gr=5.9%,通過設計規范可知車輪輪跡橫向分布系數為0.2,則通過式（4）計算可知屬于重交通等級:

根據規范設計思路,初步擬定瀝青路面的加鋪層厚度為10 cm,并由4 cm細粒式瀝青混凝土和6 cm粗粒式瀝青混凝土兩層組成。計算舊混凝土路面的剛度半徑如下:首先,混凝土面層彎拉強度標準值為fr=4.86 MPa,相應彎拉彈性模量為Ec=34 755 MPa,泊松比為vc=0.15,基層頂面當量回彈模量Et=281.8 MPa,則路面剛度半徑可以計算如下:

4.1.1 計算荷載疲勞應力

根據he=0.275 m,Ec/Et=123.3,得ζ=1.54；取折減系數Kr=0.92,綜合系數Kc=1.15；經計算,疲勞應力系數Kf=Nne=2.745；瀝青層加鋪厚度ha=0.1 m。因此,可以計算混凝土面層的荷載疲勞應力σpr及最大荷載應力σr,max如下:

4.1.2 計算溫度疲勞應力

本路面為Ⅲ區,無瀝青上面層時溫度梯度為92℃/m；ha=0.1 m時,溫度梯度修正系數ζt=0.59,則溫度梯度Tg=92×0.59=55（℃/m）；面板長度L=5 m,混凝土面層板的翹曲應力系數CL=0.98；自然區劃為Ⅲ區,則a=0.855,b=1.355,c=0.041,由公式求得kt=0.222；由he=0.275和Ec=34 755 MPa,可得由瀝青上面層的混凝土板的溫度梯度修正系數ζ'=0.53；粗集料的混凝土熱膨脹系數αc=10×10-6℃-1,則溫度疲勞應力如下:

綜合瀝青混凝土面層的混凝土面板溫度疲勞應力σtra和最大溫度應力σtma:

4.1.3 極限設計狀態的校核

高速公路安全等級為一級,目標可靠度為95%,變異水平等級為低,可靠度系數γr=1.3,校核結果如下:

綜合上述分析,所設計的瀝青路面加鋪厚度10 cm可以使得舊混凝土面層能夠承受設計基準期內的荷載應力和溫度應力的疊加疲勞效應,也能夠滿足最大軸重荷載在最大溫度梯度下的一次性作用。

4.2 抑制反射裂縫舉措

反射裂縫是瀝青加鋪層的典型病害問題,為了消除反射裂縫,可以采用土工合成材料夾層、應力吸收層及級配碎石中間層等措施。

土工合成材料較薄,一般在0.5～5 mm,可減小由溫度作用引起的水平應力。土工合成材料自身的強度較低且較薄,使得車輛荷載作用下土工合成材料很難抵抗剪切效應,容易導致自身破壞。

級配碎石中間層及大粒徑瀝青碎石混合料中間層由于其散粒結構,含有連同的空隙,可以阻礙以及減緩裂縫尖端的擴展過程,然而由于其厚度較大,一般在10～15 cm,對現有公路護欄高度及沿線天橋凈空等影響較大。

應力吸收層是通過使用特殊的聚合物改性瀝青混合料,通過混合料中聚合物性能進行應力吸收,由于該混合料中細礦料比例較高,一般需要鋪設2～3 cm,且有高彈性、不透水、黏附性強及抗裂性好等優點。

綜合比較,項目采用2.5 cm厚度的應力吸收層。

5 結語

舊水泥路面加鋪瀝青鋪裝可以充分利用原有水泥路面,同時減少環境污染。結合朔州高速公路山西境內路段水泥路面病害的修復和改造,提出了4 cm細粒式瀝青混凝土+6 cm粗粒式瀝青混凝土+2.5 cm應力吸收層方案,施工效果良好,病害得到了有效抑制。

[1]陳拴發,楊斌.水泥混凝土路面瀝青加鋪層設計與施工[M].北京:人民交通出版社,2011.

[2]朱剛,張鴻.淺談水泥混凝土路面瀝青加鋪層反射裂縫的防治措施[J].西南公路,2010(1):22-25.

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U416.2

B

1009-7716（2017）07-0230-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.071

2017-03-15

劉軍軍（1981-）,男,山西柳林人,路橋工程師,從事路基、路面工程工作。