城市水泥混凝土路面白改黑設計要點分析

2023-10-18 08:28:24田旺龍郭小文

城市道橋與防洪 2023年9期

田旺龍，李黎，魏晉，郭小文

[上海市政工程設計研究總院集團第十市政設計院有限公司，甘肅蘭州 730000]

0 引言

水泥混凝土路面因承載力高、剛度大、耐久性好、疲勞壽命長、前期養護成本低等優點，被廣泛運用于早期城市道路建設中。隨著人們生活水平的提高，對出行環境的要求更高。水泥混凝土路面（以下簡稱“水泥路面”）行車噪聲大，平整度、舒適性差，揚塵多，景觀效果差，養護維修困難等缺陷日益凸顯，已無法滿足市民的使用要求。對水泥路面進行白改黑改造不僅能提升路面使用性能，降低工程造價，而且能縮短工期，減少對現狀交通的影響。但是，隨著瀝青加鋪層車輛累積通行時間的增長，路面反射裂縫逐漸顯現。路表水沿裂縫逐漸下滲引起路基、路面病害加劇，承載力下降，路面使用年限縮短。因此，如何有效抑制和延緩反射裂縫，是白改黑改造設計的重點，也是改造成功與否的關鍵指標之一。

1 反射裂縫的類型與破壞機理

反射裂縫是指白改黑路面在交通荷載和環境溫度及它們的耦合作用下使瀝青加鋪層在基層舊水泥路面的接縫或裂縫（以下簡稱“縫隙”）附近出現應力集中而產生的一種路面病害。反射裂縫分荷載型和溫度型兩類。

1.1 荷載型反射裂縫

在汽車荷載等各類交通工具的長期作用下，舊水泥面板接縫兩側因承受不同的豎向荷載而產生剪切應力，導致兩板塊產生豎向位移差而引起面層發生剪切破壞，裂縫在原接縫上方逐步延伸至瀝青加鋪層表面而形成荷載型反射裂縫（見圖1）。

圖1 荷載型反射裂縫形成機理

1.2 溫度型反射裂縫

路面長期暴露在外界環境中，使舊水泥面板及其上部瀝青加鋪層受大氣溫度溫差變化而產生熱脹冷縮現象。水泥板塊縫隙處會出現溫度應力集中而使相鄰板塊產生水平位移，引起板塊縫隙的擴張與收縮，其上部瀝青加鋪層因水泥面板縫隙處應力過大而出現開裂，形成溫度型反射裂縫（見圖2）。溫度型反射裂縫通常更易發生在冬季氣溫下降時段或加鋪層過薄的地方。

圖2 溫度型反射裂縫形成機理

1.3 反射裂縫破壞機理

路表水通過反射裂縫滲入瀝青加鋪層與舊水泥路面中間，形成層間水，在交通荷載作用下，層間水產生動水壓力，使加鋪層與水泥面板間黏結力降低，加鋪層剝離[2]。水的不斷下滲，會導致舊水泥路面基層強度變弱，出現唧泥，水泥板塊的抗彎拉強度和抗剪強度降低，加速瀝青加鋪層的破壞，使其出現網裂、坑槽、斷板等病害（見圖3）。

圖3 反射裂縫破壞機理

2 水泥路面白改黑設計要點

根據反射裂縫的形成及破壞機理，影響水泥路面白改黑的關鍵因素自下而上依次為對舊水泥路面的病害處治、水泥面板與加鋪層間的夾層設計、瀝青加鋪層設計。

2.1 舊水泥路面病害處治措施

水泥路面病害按性質分為功能性和結構性兩類。功能性病害通常為路面的淺層病害，不影響道路的正常使用，但路面行車舒適性會變差。結構性病害為路基或路面的深層病害，會使路面承載能力下降而影響正常使用。在白改黑中，根據路面的病害性質及破損程度，舊水泥路面病害處治方法有修繕加鋪、破碎改建、翻挖新建3 種。

2.1.1 修繕加鋪

存在功能性病害或局部輕度結構性病害的水泥路面，需進行病害處治和路面修繕。處治后的水泥路面在其上部加鋪瀝青面層形成組合路面結構。水泥路面病害類型及處治措施見表1[1]。

表1 水泥路面病害類型與處治

修繕加鋪是現階段我國水泥路面白改黑的常用方法。這種方法具有工期短，對現狀交通影響小，施工噪聲低、震動小等優點。缺點是只能延緩瀝青加鋪層反射裂縫的出現時間而無法消除，路面使用年限相對較短，后期養護復雜，成本高。

2.1.2 破碎改建

對存在嚴重結構性病害或水泥面板基本喪失結構承載力的路面，需將舊水泥板塊破碎后作為道路基層或底基層，再鋪設瀝青加鋪層。水泥板破碎壓實后不僅能降低溫度變化引起的熱脹冷縮現象，也能消除板塊間彎沉差，有效降低反射裂縫產生的的概率。

2.1.3 翻挖新建

為徹底消除舊水泥路面白改黑后所產生的各種弊端，將舊水泥面板破碎后廢棄，并結合舊路沿線地質概況對原路路基處理后重新鋪筑基層和瀝青面層。翻挖新建施工噪聲大，震動強烈，對道路沿線居民生活影響較大，廢棄的破碎板對環境也有影響。水泥路面病害處治方法與技術經濟比較見表2。

表2 舊水泥路面病害處治方法與技術經濟比較

2.2 水泥路面與瀝青加鋪層間夾層設計

舊水泥路面表面光滑，摩阻力小，若在其上部直接加鋪瀝青層，汽車荷載的剪切破壞會加速瀝青面層剝離水泥面板，影響加鋪層使用壽命。因此，在舊水泥面板和瀝青加鋪層間設置一道可防水、抗滑移、能吸收應力的夾層具有十分重要的工程意義。白改黑中常用的夾層有應力吸收層、格柵和土工織物[3]。

2.2.1 應力吸收層

白改黑中，為解決基層水泥路面在縫隙處的應力集中現象，通常在基層上部設置應力吸收層。該層能降低基層與面層之間的黏附阻力，消解基層的應力集中，防止面層在汽車荷載或環境溫度作用下產生推移、剝離或剪切破壞，從而有效地抑制和延緩面層中反射裂縫的出現。常見的應力吸收層有砂膠、橡膠瀝青碎石、改性瀝青及STRATA 等[4]。

2.2.2 格柵和土工織物

格柵包括土工格柵、玻纖格柵和金屬格柵。土工織物包括聚丙烯或聚酯織物和聚乙烯、聚丙烯或聚酯無紡織物[3]。二者厚度接近，因材料差異，其拉伸強度和彈性模量相差較大。格柵抗拉強度高（≥50 kN/m），彈性模量高，延伸率低（≤4%）和耐高溫性能好。土工織物抗拉強度低（≥7.5 kN/m），彈性模量低。加鋪格柵對削減舊水泥路面的應力集中效果顯著，對反射裂縫的產生有明顯的延緩作用。加鋪土工織物對減少應力集中作用小，但可阻止路表水下滲到道路基層，同時起黏結面層和基層的作用，延緩反射裂縫的出現。

2.3 瀝青加鋪層設計

舊水泥路面加鋪瀝青前需對路面損壞狀況（斷板率、平均錯臺量）、板底脫空狀況、路面結構參數（面層的厚度、彎拉強度、彎拉彈性模量、基層頂面當量回彈模量）、接縫傳荷能力進行調查評定[5]。根據綜合評定結果選擇加鋪方案。加鋪層厚度根據改建道路等級取值不同，一般不小于8 cm。

3 工程案例分析

3.1 項目概況

為迎接第十四屆全國運動會，西安市鄠邑區對老城區主要道路進行白改黑改造提升。改造道路人民路南起新城路，北至渼陂路，全長4.16 km，城市主干路，設計速度50 m/h，雙向六車道，紅線50 m（見圖4）。

圖4 改造道路位置

現狀道路為水泥路面，使用年限超過15 a，路面已出現縱向裂縫、橫向裂縫、角隅斷裂、斷板、脹起、板底脫空、填充料破壞等病害（見圖5）。

圖5 現狀道路病害與鉆芯

3.2 現狀路面使用狀況調查及評價

現狀路面結構：22 cm C30 水泥面層+50 cm 二灰碎石基層，總厚度72 cm。

人民路路面調查評定指標包括國際平整度指數（IRI）、路面行駛質量指數（RQI）、路面損壞狀況指數（PCI）、斷板率、脫空率、錯臺、彎沉值、路面彎拉強度、接縫傳荷能力等（見表3）。

式中:y i為氣樣中i組分的摩爾分數，%;y s i為標準氣中i組分的摩爾分數，%;A i為氣樣中i組分的峰面積，μV·s;A s i為標準氣中i組分的峰面積，μV·s。

表3 人民路路面調查評定

3.3 水泥路面白改黑方案設計

根據路面調查評定結果，人民路路面損壞狀況及接縫傳荷能力評定等級為次級以上，采用瀝青混凝土加鋪方案，具體改造步驟如下：

（1）水泥板塊修繕加固

a.板角斷裂或板邊破碎板塊，根據破裂面大小確定切割范圍進行補塊。

b.板塊坑洞較少，用水泥砂漿填充；坑洞較多，采取薄層修補。

c.斷板、網裂等病害嚴重板塊，需翻挖換板，并用C30 混凝土重新澆筑。板塊縱縫處設置長70 cm、直徑14 mm、最大間距60 cm 螺紋鋼筋（HRB335）拉桿。在橫縫處設置長40 cm、直徑28 mm、最大間距30 cm 光圓鋼筋（HPB235）傳力桿。若水泥路面基層損壞，應處治補強。

（2）板塊注漿

彎沉超過0.2 mm 的，應確定為脫空板[1]。對脫空板需進行注漿處理，步驟如下：確定注漿孔位置→水泥板打孔→安裝法蘭螺帽→注漿孔清理→壓力機注漿→封孔養生。注漿孔與注漿嘴大小應一致，為5 cm左右[2]，注漿孔距板邊的距離應大于0.5 m，同時鉆孔深度需延伸至面板以下5 cm 處。灌注孔布設見圖6。灌注漿分有機類和無機類。無機類應用較廣，通常由水泥、粉煤灰和水組成，外加早強減水劑。灌注漿應有較好的流動性、早強性、無離析、無泌水、無收縮等特性[5]。脫空板注漿后路面結構見圖7。