干線公路改擴建工程新舊路面拼接關鍵技術的研究

羅闖旦

[摘要]為研究干線公路改擴建工程路面設計的關鍵技術，以相關干線公路改擴建工作為研究對象，采用調研分析、室內試驗、理論分析相結合的研究方式，開展干線公路路面拼接形式、水穩基層拼接技術、瀝青面層拼接、拼接處防裂措施等系列試驗研究，獲取和得出了相關數據和結論，分析證明了該研究的有效性和實用性，在此基礎上形成了標準化的設計技術。該研究對于干線公路改擴建工程新舊路面拼接技術水平的提高具有積極的意義，具有一定的推廣應用價值。

[關鍵詞]干線公路；擴建工程；新舊路面拼接；技術；研究 文章編號：2095 - 4085（ 2018） 02 - 0028 - 04

近年來，隨著諸多干線公路提前達到設計使用壽命，對低等級干線公路升級改建的要求越來越迫切。而近10年來，由于各級公路的新建工程遠多于拓寬改造工程，以致在公路拓寬改造方面的設計、施工經驗較少。對于干線公路新舊路面拼接技術問題，國內外學者進行了大量研究，1994年，美國出現了水泥混凝土路面瀝青加鋪層的施工指導手冊。同時期，形成了相應的瀝青路面加鋪水泥混凝土路面的設計方法，并對拓寬工程的加鋪方案和拼接方法進行了說明，實例大多是普通道路，應用于高速公路的較少。目前，水泥混凝土路面拓寬的細節措施還沒有形成標準和規范。

相對低等級公路改擴建，國內研究熱點更多集中于高速公路改擴建工程的關鍵技術，早期實施改擴建的高速公路都針對本身的特點，開展了科研攻關，研究成果較為豐碩。高速公路改擴建的研究成果和工程實踐經驗，是低等級公路改擴建的技術參考和支撐。針對行業現狀，很有必要根據我國國情，對低等級公路改擴建的新舊路面拼接設計關鍵技術進行研究。本文借鑒國內外研究成果，通過一系列試驗，對公路拓寬改造的相關技術進行了較為系統的研究，得出了重要數據和結論，形成了標準化的設計技術，借得推廣應用。

1 路面拼接形式研究

從對部分干線公路改擴建工程的調研來看，在硬路肩能滿足技術性能要求的前提下，盡量不挖除舊路硬路肩，充分利用原路面結構，發揮其使用價值；避免新舊路面拼縫位置行車道輪跡帶位置，以免拼縫在行車荷載的作用下出現縱向反射裂縫。從實體工程應用效果來看，低等級干線公路改擴建工程新舊路面一般不設置臺階，直接拼接新舊路面結構層。如：南京市239省道高淳東段擴建工程和平頂山市311國道徐西線魯山縣八里倉至堯山鎮段改建工程。而高等級公路擴建，宜在瀝青面層部位設置一級臺階，以臺階的形式拼接新舊路面，臺階寬度為30cm～ 40cm，從而使水穩基層、瀝青面層拼縫錯開，提高新舊路面拼接方案的技術可靠度。如我國最早建設的沈大、滬寧高速公路的拓寬改造。

2 水穩基層拼接技術研究

2.1 新舊水穩基層拼接分析

道路擴建工程中，確保新舊基層形成整體，減少拼接裂縫的反射以及對路面結構承載力的影響，是基層拼接需要解決的關鍵問題。具體是兩個問題：一是提高新舊水泥穩定碎石基層豎向拼接界面粘結強度；二是拼接部位新建水泥穩定碎石基層的離析現象較為明顯，粗集料較多，影響新舊水泥穩定碎石基層拼縫的強度。通過對不同劑量界面處理劑的粘結面進行拉拔等試驗可解決第一個問題。采取減少攤鋪機收斗的次數，改進熨平板等，可減少界面處水泥穩定碎石的離析可解決第二個問題。

2.2 水穩基層拼接試驗研究

采用室內試驗，比選不同的水泥混凝土豎向界面粘結材料乳化瀝青、水泥凈漿、水泥界面劑的粘結效果，期望能減少界面處的空隙率，增加界面粘結強度。

2.2.1 拉拔試驗

從中部將水穩試件切割為2個半體，對半體水穩試件切割面采用3種處理方式，試件在25℃室溫條件下養生4d，待表面處理劑凝固，分別用高性能結構AB膠將5個拉拔扣粘結于每個半體試件表面，拉拔扣直徑為20mm。其后在25℃室溫條件下繼續養生ld，待AB膠強度形成時，進行拉拔試驗。結果表明：界面劑A：B：水泥=1：3：6時的拉拔強度最高（平均值1. 62，CV27. 02%）；水泥凈漿的拉比強度次之（平均值1. 08，CV16. 415），乳化瀝青的拉拔強度最差（平均值0.91，CV19.10%）。

2.2.2 復合水穩板試驗

本研究采用特制的模具（ 60cm×60cm×20cm）和空壓機改制的振動器在實驗室內進行水穩板的震動成型，水泥劑量取4.5%，用水量取5.2%～5.6%，水泥穩定碎石級配情況（圖1）。

試驗過程：對模具成型60cm×60cm×15cm的水穩板，分兩層擊實，第一層約9cm，第二層約6cm，標準溫度25℃條件下濕養，齡期14d。待強度形成后，沿直線將水穩板切割4部分，取其二放入模具兩側。在中間空區拌制新水泥穩定石料，進行新舊水穩板復合分層振動成型，接縫處分別采用界面劑組分A、B與水泥質量比為1：3：6，水泥凈漿：水灰比0.6以及乳化瀝青：水泥=2：1共三種界面處理劑處理。

根據《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》（ JTJ057 - 94）劈裂強度試驗方法（T0806 - 94），測試儀器為多功能路面材料強度試驗儀，測試壓條的寬度采用18. 75mm，弧面半徑為75mm，溫度20CC，加載速度0.5kN/s，壓力施加方向平行于試件接縫，劈裂強度按下式計算。

式中：α——壓條的寬度（mm），取18.75；α——半壓條寬對應的圓心角；P——試件破壞時的最大壓力（N）；d——試件的直徑（mm），取150；H——試件的高度（ mm），取150。

對于大試件：

試件分為3種，即界面劑A：B：水泥=1：3：6，水泥凈漿：水灰比0.6，乳化瀝青：水泥=2：1，每種試件各4個，進行劈裂試驗，按規程計算劈裂強度、平均值、變異系數見表1。

界面劑的劈裂強度值最高，達0.571MPa，而水泥凈漿的劈裂強度變異系數最小，為7. 720/0，不同處理方案下的強度損失百分比情況（即跨縫劈裂強度與板中芯樣劈裂強度平均值的比值）：界面劑51. 03%；水泥凈漿35. 48%；郛化瀝青22. 14%。

2.2.3 方案比選

不同界面粘結材料的室內拉拔、劈裂試驗結果，見表2。

由匯總結果得出，界面劑的性能明顯優于水泥凈漿和乳化瀝青，但界面劑處理方式非常難充分溶解和攪拌融合，導致變異系數較大，可能導致施工質量難以控制，埋下巨大隱患。

相關研究成果表明：半剛性基層層底的抗拉強度達到0. 288MPa，即可滿足重載交通和路堤沉降的要求，表2結果完全滿足上述要求?？紤]到界面劑工程造價較高，建議干線公路改擴建工程新舊水泥穩定碎石基層拼接豎向界面涂刷水泥凈漿，水灰比為0.6，涂刷量為1.5～2kg/m2。

3 瀝青面層拼接試驗研究

瀝青面層拼接主要解決新舊瀝青結構層豎向界面粘結力學性能問題。

3.1 拼接材料試驗方案

利用室內成型的新舊面層跨縫處的試件，通過劈裂、剪切、拉拔試驗來評價拼縫處不同施工工藝和粘結材料的優劣。試件采用車轍板成型，車轍板尺寸30cm×30cm×6cm，將舊車轍板切成兩半，側面涂刷乳化瀝青、熱瀝青、環氧（瀝青和樹脂的比例為1：4.5），采用火烤和不火烤兩種形式，火烤時間15s，火烤采用火焰噴槍。成型新板碾壓平行縱縫，溫度不低于1500C，初壓溫度不低于145℃，碾壓終了溫度不低于lOO℃。成型后在跨縫處鉆芯取樣。

3.2 拼接材料試驗結果

3.2.1 劈裂試驗

拼接車轍板成型后在跨縫處鉆芯取樣進行劈裂試驗，劈裂試驗時施加力方向平行拼縫，試驗溫度15℃，加載速率50mm/min，劈裂試驗結果分別是：界面處理劑為環氧+火的劈裂抗拉強度（ MPa）0.67，變異系數18.6%；環氧的劈裂抗拉強度（MPa）0.71，變異系數13.8%；乳化瀝青+火的劈裂抗拉強度（ MPa）0.78，變異系數14.5%；乳化瀝青的劈裂抗拉強度（ MPa）0. 89，變異系數9.2%；熱瀝青+火的劈裂抗拉強度（ MPa）1.10，變異系數13. 7%；熱瀝青的劈裂抗拉強度（ MPa）1.14，變異系數7.O%。可以看出：熱拼火烤后劈裂強度有所降低。使用不同的粘結劑得到的劈裂強度相差不大，熱瀝青稍好。

3.2.2 凍融劈裂試驗

試件分為兩組，第一組在25℃恒溫水槽中浸泡2h后測試劈裂強度；第二組將芯樣在25℃恒溫水槽中浸泡2h，然后在0.09MPa壓力下浸水抽真空15min，再放到- 18℃冰箱中放置16h，取出試件立即放入60℃的恒溫水槽中保持24h，接著再放入25℃的恒溫水槽中浸泡2h后測試其劈裂強度。比較兩組試件的凍融劈裂試驗結果，可以得到如下結論：（1）室內試驗再次證明火烤處理反而使得劈裂強度降低，凍融前和凍融后均是如此。（2）乳化瀝青的TSR值最小。（3）熱瀝青凍融劈裂強度比最高，這說明使用熱瀝青作為粘結材料有著較好的抗水損害能力。

3.2.3 剪切試驗

試驗對不同粘結劑的抗剪能力在常溫下測定，并對比。試驗數據半自動采集，從常溫剪切試驗結果可以得到結論：（1）與劈裂試驗的結果有些不同，熱拼火烤后剪切強度有一定程度的增加，火烤后剪切強度數據的變異系數減小。（2）乳化瀝青+熱拼火烤處理的試件剪切強度最高，冷拼乳化瀝青處理的試件強度最低。

凍融剪切強度試驗。為了考察季節循環凍融后，拼縫拼接抗水損壞的能力，仿效凍融劈裂試驗，把剪切試件放到- 18℃冰箱中放置16h，取出試件立刻放入60℃的恒溫水槽中保持24h，接著再放入25℃的恒溫水槽中浸泡2h后測試其剪切強度。試驗結論為：（1）使用乳化瀝青并火烤處理的試件剪切強度最高，乳化瀝青處理的試件強度最低。（2）凍融后，除使用乳化瀝青的試件外，使用熱瀝青和環氧并且火烤處理的試件剪切強度都比冷拼接的試件強度低。（3）火烤熱拼縫凍融后強度降低百分比比冷拼縫大的多，平均熱拼縫強度降低多30%左右。

3.2.4 拉拔試驗

拼接車轍板待成型兩天后鉆芯取樣或鋸成直徑為52mm的圓形試件，試驗溫度為常溫25 +1℃，試件為干態。試驗前一天把拉拔頭用環氧樹脂粘牢，保持24h待拉拔頭粘結牢固，再進行拉拔試驗。拉拔速率采用人為手動控制10 mm/min，試驗數據半自動采集。試驗結果：拉拔試驗結果和劈裂試驗結果相吻合。對于三種材料試件，經過火烤熱拼接，拉拔強度下降；冷拼接時拉拔強度相差不大，乳化瀝青稍高。鑒此，國省干線公路改擴建工程新舊瀝青混凝土面層拼接方案可采用冷拼+乳化瀝青，乳化瀝青涂刷量按純瀝青計為0.9kg/m2～1.lkg/m2。

3.3 防裂措施適用性分析

（1）鋪設土工織布。此類土工織布多為機織、針織或非織造的可滲透或不可滲透的聚合物材料，工程中應用較為廣泛。但隨著車輛荷載提升，累積軸載作用次數加大，氣候環境惡化，路基干濕循環變化無常，路面防止反射裂縫材料要求隨之提高。而某些型號的土工布如未經特殊加工處理，難以滿足要求，有些反而造成對瀝青罩面層的反效應。

（2）鋪設土工格柵。此類土工格柵多由規則網狀加筋抗拉條帶組成，為了增強格柵的整體抗拉強度，部分型號格柵還加入玻璃纖維（即玻纖格柵）。玻纖格柵在我國水泥穩定碎石防裂中應用較廣。美國德州公路局對其長期使用性能調研后，發現其應用效果甚至不能達到防裂的目的。

（3）鋪設聚酯（玻纖）布。一種新型玻纖復合防裂材料，是我國近年來開始采用的裂縫防止措施，滬寧高速擴建工程部分路段采用了這種裂縫防治。

4 瀝青路面防裂措施試驗比選研究

參照《公路工程土工合成材料試驗規程》的規定，裁剪200mm（縱向）×lOOmm（橫向）試樣，每種材料5個平行樣本，室內拉伸試驗，拉伸速率50 mm/min。試驗結果：縱向拉伸強力測試后，高性能聚酯布中部發生“勁縮”伸長至極限斷裂，伸長率最大；玻纖格柵在網格帶被拉伸至極限的掙斷，伸長率很低；聚酯玻纖布則是發生撕扯斷裂，伸長率亦較低，見表3。

（1）拉拔試驗。拉拔速率lOmm/min，設備自動化讀取數據，記錄最大拉拔強力，結果表明，玻纖格柵強度最高；玻纖格柵抗拉強度變異系數最大，粘結情況較其他兩種材質差。

（2）剪切試驗。45。斜剪，剪切速率lOmm/min，設備自動化讀取數據，記錄最大豎向壓力，剪切試驗驗結果與拉拔試驗結果相吻合。

（3）方案比選。各種防裂措施在不同試驗條件下的使用性能匯總。

相比土工織布（聚酯玻纖布、高性能聚酯布），土工格柵（玻纖格柵）的抗拉、抗剪切性能較好。此結論可應用于干線公路改擴建工程，以提高拼接部位抗裂性能。

5 結語

試驗表明：（1）為消除老路硬路肩病害，充分利用原路面，避免拼接臺階處于輪跡帶，干線公路改擴建工程在舊路面外側使拼縫距車道左側1/4至1/2范圍內，設置一級臺階，以臺階形式拼接新舊路面，臺階寬度為30cm是可行的。（2）干線公路改擴建工程新舊水泥穩定碎石基層拼接豎向界面涂刷水泥凈漿，水灰比為0.6，涂刷量為1.5～2kg/m2是可行的。（3）干線公路改擴建工程瀝青混凝土面層拼接方案為冷拼+乳化瀝青，乳化瀝青涂刷量按純瀝青計為0.9kg/m2～1.1kg/m2是可行的。（4）干線公路改擴建工程新舊基層縱向拼接位置鋪設土工格柵；新舊面層縱向拼接位置鋪設高性能聚酯布或聚酯玻纖布，提高拼縫位置的防水抗裂性能是可行的。

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