我國舊水泥混凝土路面改造技術決策初步研究

周淑芬，匡虹橋，游強盛，吳光華，黃俊文，王子軒

（1.南昌工程學院土木與建筑工程學院，江西 南昌 330099；2.江西省市政工程設計研究院有限公司，江西 南昌 330077）

0 引言

上世紀60 年代以來，伴隨著水泥工業(yè)的發(fā)展，國內開始大規(guī)模鋪筑水泥混凝土路面。截止2019 年底，據(jù)不完全統(tǒng)計，全國有路面鋪裝的公路總里程約為191.80 萬km，其中水泥混凝土路面達137.55 萬km，約占總里程的72%，數(shù)量十分巨大。水泥混凝土路面的大量應用出現(xiàn)在上世紀八九十年代，至今已遠超了30 a 的設計使用年限。近幾年修成的水泥混凝土路面，設計使用年限雖未到，但受交通量增加迅猛，特別是重載交通的增量及施工和養(yǎng)護質量控制不佳等原因，也大量出現(xiàn)了路面破損，行駛質量不佳、道路交通噪聲大等弊病，與各級政府倡導的品質提升、改善人居環(huán)境和構建和諧社會的總體要求存在一定差距。相比于瀝青路面，水泥混凝土路面的修補工作相對較難。水泥混凝土的傳統(tǒng)改造方式就是路面快速修補、局部挖除和加鋪罩面，一般僅憑經(jīng)驗確定，因此往往存在較大的主觀性和不確定性。道路改造時，病害處理不得當、改造效果不理想的情況常有發(fā)生，經(jīng)濟效益和社會效益遭受很大損失。如某城市主干路原結構采用24 cm 水泥混凝土+18 cm 水泥穩(wěn)定碎石基層+18 cm 水泥穩(wěn)定碎石底基層+15 cm 級配碎石墊層。該主干路建成約10 a，路面狀況和接縫傳荷良好，僅路面平整度及抗滑性等使用指標有一定下降。為提升道路品質，該路擬采用白改黑方案，具體方案為多錘頭碎石化方案。路面破碎后，頂部設置了36 cm 厚水泥穩(wěn)定碎石補強層及17 cm厚瀝青混凝土面層。該方案將既有水泥混凝土路面的結構強度白白舍棄，沒有利用原路面的“剩余價值”，轉而增設半剛性基礎補強，造成了資源的嚴重浪費。

因此，對舊水泥混凝土路面應先進行調查評價，根據(jù)不同的要求和不同的道路狀況，如何選擇適宜的改造方案，以使原路面結構發(fā)揮最大的剩余價值，是目前舊混凝土路面改造中急需解決的技術問題。

1 舊水泥混凝土路面改造技術路線

我國早期對舊水泥混凝土路面的處理一般有兩種方法。一種是采用特種混凝土（如環(huán)氧或快凝混凝土）對混凝土板塊進行修復，另一種是在舊板塊上加鋪瀝青混合料。一段時間后，路面病害又一次地顯現(xiàn)出來，改造效果較差。路面改造涉及的問題比較多，情況比較復雜。現(xiàn)結合我國近些年在舊混凝土路面改造方面的科技成果及相關項目經(jīng)驗，針對不同目標，不同路況的路面，提出了適宜的舊水泥混凝土路面改造路線框圖，見圖1 所示。

由圖1 可知，對改造道路而言，首先應開展有針對性的調查分析工作，為改造方案決策和設計施工提供依據(jù)。舊路面狀況調查，主要包含舊路基礎資料、氣候條件、交通量、舊路面技術狀況及沿線設施等內容。當舊水泥路面的路面損壞狀況和接縫評價等級為A或B 時，可采用加鋪方案；當評價等級為C 或D 時，則宜采用改建方案，即把舊水泥混凝土面板打碎作為基層或者底基層使用。

圖1 舊水泥混凝土路面改造技術路線框圖

對于加鋪方案，加鋪厚度一般較薄，加鋪層僅能有限地降低舊混凝土板的荷載應力，混凝土面板仍起主要承載作用。對于改建方案，舊板破碎后承載能力急劇下降，僅能作基層或底基層使用，加鋪層需重新設計，加鋪厚度一般較厚。

綜上，舊水泥混凝土路面的改造，須先對舊路進行調查評價，然后根據(jù)評價結果可按路面加鋪和路面改建兩種方案進行改造。下面針對這兩種不同技術方案的決策作進一步的研究分析。

2 舊路調查與評價

舊水泥混凝土路面的調查與評價是為了解路面現(xiàn)狀，選擇相應的改造措施和改造對策。調查內容主要包括：斷板率、接縫傳荷能力、板底脫空、板厚、舊板強度及基層頂面當量回彈模量等。此外，還要調查改造路段的交通量情況、路基含水率等其他資料。

舊路的等級評價一般包括路面損壞狀況等級評價和接縫傳荷能力等級評價。評價指標有斷板率、平均錯臺量和彎沉差、接縫傳荷系數(shù)。根據(jù)不同路面情況，將舊水泥混凝土路面分成優(yōu)良、中、次、差四個等級，也即A、B、C、D 四個等級。

3 路面加鋪

當路面的綜合評價等級為優(yōu)良或中級時，可根據(jù)使用需要選擇路面加鋪方案。路面加鋪也即在舊混凝土面板的面上加鋪水泥混凝土結構層或瀝青混合料結構層，俗稱“白改白”和“白改黑”。

當采用水泥混凝土加鋪方案時，當舊水泥混凝土路面的路面評價等級為優(yōu)良等級時，可選擇結合式混凝土面層加鋪方案，否則應選用分離式混凝土面層加鋪方案。因為結合式加鋪層的厚度一般在8 cm左右，面層主要起鋪裝及面層改善功能，起主要承載的作用仍是舊混凝土面板，因此必須確保舊混凝土面板有良好的路面結構性能，也就是說路面損壞狀況和接縫傳荷能力的評價等級需為優(yōu)良時方可應用。相對而言，分離式混凝土面層加鋪方案的加鋪厚度至少在18 cm 以上。分離式加鋪層和舊混凝土面層之間設有瀝青混凝土隔離層，上層板和下層板完全隔離，上下層板根據(jù)各自的板厚及彎拉強度的關系協(xié)調受力。混凝土加鋪層實際上分擔了部分載荷，對舊水泥混凝土路面起到了卸載作用。因此，對舊混凝土面板的路面結構結構性能要求可以弱一些，也即路面損壞狀況和接縫傳荷能力評價等級可降低為中級。

因此，在進行板塊受力分析時，對于結合式混凝土面層加鋪方案，應按復合板模型進行分析計算；而分離式混凝土面層加鋪方案，則應按雙層板模型進行分析計算。“白改白”方案的實際工程應用較少，本文不作深入研究。

當采用瀝青混凝土加鋪方案時，需根據(jù)舊路面的評價等級來確定是把舊混凝土面板當作基層還是剛性底基層。路面加鋪涉及加鋪層結構設計理論、舊混凝土面板反射裂縫處理、舊混凝土面板與瀝青加鋪層的層間結合性能、舊混凝土面板的病害處理及補強層等一系列問題。

3.1 加鋪層結構設計理論

瀝青加鋪層的結構設計，目前仍沒有統(tǒng)一的方法。國外的研究較早，主要的設計方法有：有效厚度法、美國瀝青協(xié)會的彎沉法、美國AASHTO 經(jīng)驗法和基于斷裂力學的瀝青加鋪層法等。

3.1.1 有效厚度法

原理是加鋪厚度是新修路面的所需要的厚度與舊路面的有效厚度之差。

式中：ha為加鋪層厚度；hn為新修路面厚度；he為舊路面的有效厚度。

該方法假定路面在運營一段時候后，出現(xiàn)了部分損壞，也就是道路的有效厚度減少了。道路的有效厚度同路面層次類型、狀況及厚度息息相關。計算時，所有新鋪的路面結構和舊路面結構均需根據(jù)其類型和狀況換算成瀝青混凝土當量厚度。

3.1.2 美國瀝青協(xié)會的彎沉法

該方法認為，瀝青加鋪層的開裂，最重要的原因就是舊水泥混凝土在路面接縫（或裂縫）處的彎沉或彎沉差引起的。在舊混凝土面板上加鋪瀝青層，可以有效降低接縫或裂縫處的彎沉值，通常認為每1 cm厚密級配瀝青加鋪層可降低2%的彎沉量。同時按以下標準作為控制指標：

接縫（或裂縫）兩側的板邊彎沉差≤0.05 mm；

接縫（或裂縫）兩側的板邊平均彎沉≤0.36 mm；

接縫（或裂縫）兩側的彎沉差和平均彎沉的降低，除增加瀝青加鋪層厚度外，尚可以通過提高舊混凝土路面接縫（或裂縫）處的剛度、設置補強層和應力吸收層等方式來解決。

3.1.3 美國AAS HTO 經(jīng)驗法

美國AASHTO 法實用性較強，常常作為參照比對對象。所需的加鋪層厚度考慮了路面損壞情況及修復系數(shù)、耐久性系數(shù)、疲勞損壞程度系數(shù)；引入了混凝土厚度缺額函數(shù)，將混凝土層與瀝青層厚度進行了當量轉換，再按新瀝青路面設計的方法，來確定瀝青加鋪層的厚度。AASHTO 法還引入了可靠度的概念，同時與新路面的設計步驟類似，因此應用廣泛。唯一的缺點是確定舊混凝土面板的有效厚度時，引入了路面損壞情況、修復系數(shù)、耐久性系數(shù)、疲勞損壞程度系數(shù)等。這些系數(shù)在確定時，受人為判斷影響較大，因此，在確定舊面板的有效厚度時，存在一定主觀性。

3.1.4 基于斷裂力學的瀝青加鋪層法

在荷載裂縫應力強度因子和溫度裂縫應力強度因子的基礎上，引入了加筋對加鋪層開裂的影響，建立了瀝青加鋪層的加筋材料受力模型。據(jù)此，利用Paris 疲勞斷裂公式，計算瀝青加鋪層的厚度。

以上幾種瀝青加鋪層結構設計方法，充分考慮了舊混凝土路面的狀況及相關工程經(jīng)驗。但由于國外的氣候、材料、交通組成及路面設計理論與我國的實際情況均有一定差異，因此很難照搬套用。

我國的瀝青層加鋪改造技術研究起步較晚，尚未形成完善的理論及設計體系。現(xiàn)行規(guī)范僅對舊混凝土路面的瀝青加鋪層作了些指導性的要求[1-9]，如《公路水泥混凝土路面設計規(guī)范》要求，高速、一路公路的加鋪層最小厚度宜為10 cm，其他等級公路的最小厚度宜為8 cm。《城鎮(zhèn)道路路面設計規(guī)范》要求，在穩(wěn)定的舊水泥混凝土板上加鋪瀝青層時，對快速路、主干路（或中及中以上交通）厚度不宜小于10 cm，其他道路不宜小于7 cm。

瀝青加鋪層下舊混凝土板的應力分析按規(guī)范給定的方法進行。主要驗算在極限承載狀態(tài)下，舊混凝土板在荷載和溫度梯度綜合作用下不超過混凝土的彎拉強度為控制指標。計算未考慮接縫（或裂縫）等其他病害的影響，也未考慮補強層、調平層影響。

可以看出，國內外各種瀝青加鋪層的設計理論，無論是厚度控制，還是彎沉控制，都指向一個共同的問題，那就是反射裂縫的控制處理。

3.2 反射裂縫的處理

反射裂縫的控制是瀝青加鋪層設計的重點。反射裂縫處理是否得當，將直接影響路面加鋪效果的好壞。

3.2.1 反射裂縫的成因和危害

反射裂縫是由于舊混凝土面層出現(xiàn)較大位移，引起其瀝青加鋪層出現(xiàn)應力集中。它包括水平位移豎向剪切位移（見圖2）。

圖2 反射裂縫形成機理示意圖

反射裂縫不僅影響行車舒適性，而且會引起雨水下滲，進而影響路基的穩(wěn)定性。在荷載的反復作用下，會引起裂縫迅速擴展，大大縮短了加鋪層的使用壽命。

3.2.2 反射裂縫的主要防治技術

反射裂縫的處治措施很多，但單一的方法效果不明顯，往往需要多管齊下、綜合治理。綜合處置技術總體來講可以分成三大措施：舊混凝土板的穩(wěn)定技術，瀝青加鋪層與舊混凝土板間應力集中消解技術及耐疲勞、高韌性材料的應用。只有這三大技術綜合使用，才能有效地防止和控制好反射裂縫的出現(xiàn)。

3.2.2.1 舊混凝土板的穩(wěn)定技術

舊路加鋪的前提是舊混凝土面板仍有一定的承載能力，可作為整體式加鋪路面的一部分，因此在瀝青面層加鋪之前，應對舊水泥混凝土路面進行穩(wěn)定處理。對舊混凝土面板的穩(wěn)定處理，是反射裂縫防治的基石。一般來講，對舊混凝土面板穩(wěn)定處理的主要方式包括：接縫（或裂縫）的處理、整板更換、板塊的局部處置及板底的脫空處理。根據(jù)《城鎮(zhèn)道路路面設計規(guī)范》（CJJ 169—2012）的要求，經(jīng)處治后的路段代表彎沉需低于0.20 mm、接縫（或裂縫）兩側的板邊彎沉差小于0.06 mm 時，方可加鋪瀝青層。

3.2.2.2 板間應力集中消解技術

在交通荷載與溫度梯度作用下，舊混凝土面板接縫或裂縫處，會產(chǎn)生垂直和水平相對位移，進而引起瀝青加鋪層內產(chǎn)生較大的拉剪應力，引發(fā)反射裂縫。如果在舊混凝土面板和瀝青加鋪層之間設置一層緩沖層，它依靠自身的塑性變形來釋放變形，將兩者之間的能量傳遞全部或部分消耗掉，緩解應力集中現(xiàn)象，因而能起到較明顯的防裂作用。國內外對此種防裂措施開展了大量試驗研究，并取得了一定成果。常用的措施有：

（1）土工合成材料，包括玻纖格柵、聚酯玻纖無紡土工織物、長絲紡粘針刺非織造土工織物、聚丙烯非織造土工織物等，其既有較高的抗拉強度，又有塑性變形能力，對溫度和荷載引起的反射裂縫都有一定的抑制能力。

（2）碎石封層，包括橡膠瀝青、改性SBS 瀝青或改性乳化瀝青碎石封層，厚度一般1～2 cm，其作用為降低舊混凝土面層與瀝青加鋪層之間的黏附阻力，從而減少溫度下降引起的反射裂縫。

（3）應力吸收層，包括改性瀝青砂、橡膠瀝青（SAMI）、ISAC、STRATA 等，厚度一般為2～3 cm，作用原理與碎石封層類似。

（4）裂縫緩解層，包括大孔隙瀝青穩(wěn)定碎石和水泥穩(wěn)定碎石，厚度分別為8～12 cm 和10～15 cm，其作用為削弱拉應力與剪應力的傳遞能力，同時消散荷載應力和溫度應力。

3.2.2.3 耐疲勞、高韌性材料的應用

瀝青加鋪層直接承受荷載和溫度等的疲勞作用，同時受舊混凝土面板反射裂縫的影響。因此，要求具備耐疲勞、高韌性的特點。在瀝青混合料中一般要求加入橡膠及纖維等改性劑。如橡膠瀝青一般將廢胎硫化橡膠粉加入到基質瀝青中形成高彈性、高韌性的橡膠瀝青，替代SBS 改性瀝青。這樣既保證路面結構承載能力，又顯著提高疲勞耐久能力。

3.3 舊混凝土面板與瀝青加鋪層的層間結合性能分析

瀝青加鋪層與舊水泥混凝土層是兩種不同特性的材料，兩者結合面的摩阻力遠低于瀝青混合料，層間界面存在抗剪不足的薄弱環(huán)節(jié)。當路面受到較大的水平剪切力時，極易發(fā)生剪切位移，從而使瀝青加鋪層發(fā)生水平推移、車轍及擁包等病害（見圖3）。

圖3 路面推移、擁包病害示意圖

為保證復合式路面的使用性能，必須在瀝青加鋪層與舊水泥混凝土層間設置粘結層。因此，所選擇的粘結材料必須能滿足復合式路面的層間力學特征。

一般粘結材料有改性乳化瀝青、改性熱瀝青及AMP-LM 二階反應型防水粘結材料等。以下是對三種常用層間防水粘結材料的比較分析（見表1）。

表1 層間防水粘結材料的比較分析表

AMP-LM 二階反應型防水粘結材料，應用不廣泛，投資成本也高于普通粘結材料，故一般推薦采用改性乳化瀝青粘結材料。

3.4 補強層和調平層的設置

瀝青加鋪層一般為兩層或三層。但當舊混凝土面板的強度或基層頂面當量回彈模量不足時，應按要求設置補強層。補強層一般采用瀝青穩(wěn)定碎石或水泥穩(wěn)定碎石，具體的厚度需根據(jù)計算決定。

此外，舊水泥混凝土路面修復后應保證平整度小于5 mm，否則應設置調平層。調平層一般采用瀝青砂或細粒式瀝青混凝土，厚度一般不超過4 cm。

4 路面改建

當路面的綜合評價等級為次或差級時，應選擇路面改建方案。改建方案包含了整體翻挖重建方案，但考慮該方案在資源節(jié)約及環(huán)境保護方面社會影響較大，同時其經(jīng)濟性及交通影響上劣勢明顯。現(xiàn)僅對發(fā)裂再生和碎石化再生兩種目前較為成熟的水泥混凝土路面再生利用技術進行研究分析。

當舊水泥混凝土路面的路面評價等級為次等級時，路面改建宜選擇發(fā)裂再生方案，當路面評價等級為差等級時，路面改建宜選擇碎石化再生方案。

4.1 發(fā)裂再生

發(fā)裂再生技術是采用板式破碎機或沖擊壓實機等專用設備將舊水泥混凝土路面原位破碎成不規(guī)則的塊狀嵌擠體，作為底基層使用的技術。這種施工工藝將水泥混凝土板塊破碎成邊長45～75 cm 的碎塊，發(fā)裂后裂紋貫穿塊與塊直接的形成的嵌鎖體，保全了原路面大部分結構剛度。發(fā)裂處理后，能有效減少板的過度位移，又能使發(fā)裂板作為加鋪層的穩(wěn)定基礎。

目前，發(fā)裂再生工藝的質量控制目標一般從破碎程度和沉降量兩方面進行控制。

在破碎程度上，要求從垂直向裂縫要貫穿，水平向要求尺寸控制45～75 cm，塊與塊之間保持嵌鎖狀態(tài)。在沉降量上，破碎壓穩(wěn)的過程，沉降量一般經(jīng)歷從小到大，再從大到小的過程。板塊脫空先是得到克服，碎塊穩(wěn)固，而后板下土基得到進一步壓密。一般要求，相鄰的兩次作業(yè)，沉降量小于5 mm 才算合格。

發(fā)裂再生后，路面的平均強度降低，加鋪是必然的。瀝青加鋪層的結構設計分為預估設計和優(yōu)化設計兩個階段。破裂完成后，在實測舊混凝土板頂當量回彈模量后，可按我國彈性層狀體系理論進行路面設計。加鋪路面包括補強層和瀝青面層，補強層可以選用瀝青穩(wěn)定碎石或水泥穩(wěn)定碎石。瀝青面層宜為兩層或三層。一般地，快速路、主干路、高速公路、一級公路等高等級道路采用三層式瀝青面層，次干路、支路、三級公路、四級公路采用兩層式瀝青面層。

4.2 碎石化再生

碎石化再生技術是采用多錘頭破碎機或共振破碎機等專用設備將舊水泥混凝土路面原位破碎成具有一定尺寸的顆粒嵌擠體，作為基層或底基層使用的技術。這種施工工藝將水泥混凝土板塊破碎成7.5～37.5 cm 的顆粒，碎石化層的剛度大約是普通級配碎石的3 倍。碎石化處理后，既解決了板底脫空等難題，又解決了反射裂縫的問題。

根據(jù)國內外的工程經(jīng)驗，水泥板破碎粒徑是控制加鋪層結構不出現(xiàn)早期反射裂縫及保留舊路面板殘余強度的關鍵參數(shù)。破碎粒徑太小會使舊板塊強度損失過大，經(jīng)濟性較差。而破碎粒徑過大破碎后再生層的強度不均勻，板底脫空和反射裂縫出現(xiàn)的風險又會增高。因此要對破碎粒徑范圍作出限制：要求表面層粒徑小于7.5 cm，中層小于22.5 cm，底部小于37.5 cm。

碎石化路面結構的計算理論和計算過程與發(fā)裂再生技術類似，本文不再贅述。

5 改造決策實例

作者有幸參與了江西省鷹潭市城區(qū)14 條老舊道路綜合提升改造的前期研究工作。研究的重點之一就是對其中7 條舊水泥混凝土路面的改造技術進行決策分析。研究首先對體育館東路、湖東路等7 條混凝土道路進行了舊路檢測和評價。表2 是道路的斷板率檢測結果。

表2 水泥路面斷板率檢測結果匯總表

從表2 可以看出，各道路的斷板率均在4%以內，路面損壞狀況等級均為優(yōu)良級別。根據(jù)舊混凝土路面改造決策分析的結論，該項道路改造宜選用路面加鋪方案。這與建設單位初擬的碎石化方案相比，無論在利用舊混凝土面板的剩余強度，降低工程造價上，還是在環(huán)境友好，提升社會效益上，均有較大優(yōu)勢。具體做法是，先對舊混凝土板塊進行灌縫等穩(wěn)定處理后，選用經(jīng)我院驗證可靠的2.5 cm 厚的STRATA 應力吸收層，各道路加鋪的面層根據(jù)道路等級及交通量情況等選用兩層式或三層式瀝青面層。

6 結語

本文分析了國內外舊水泥混凝土路面改造的各種方法，并結合實際案例，提出了一套行之有效的舊混凝土路面改造技術的決策思路，主要結論包括：

（1）提出了根據(jù)舊混凝土路面的不同狀況,采取適宜的改造技術決策體系,旨在充分利用舊路面的剩余價值。

（2）提出了瀝青加鋪層需重點考慮反射裂縫的整治。整治方案需綜合考慮舊混凝土面板的穩(wěn)定處理、板間應力消解及高韌性材料，才能起到較好的防治效果。

（3）當采用路面改建方案時，需對施工過程中發(fā)裂指標及碎石化要求作出具體要求，以期達到適宜的碎裂效果。改造設計時，尚應特別注意優(yōu)化設計階段相關設計參數(shù)的調整。