基于舊水泥路面加鋪層的層間功能層研究

秦先濤，祝斯月

(1.長安大學 公路學院，陜西西安710064;2.長安大學材料科學與工程學院，陜西西安710064)

水泥混凝土路面由于其承載能力大、壽命長、原材料豐富等優(yōu)點廣泛應用于各等級道路中。但隨著通車時間的增加，水泥路面會不可避免地出現(xiàn)破壞。目前，根據(jù)舊水泥混凝土路面的破壞程度，國內(nèi)外常用的舊水泥混凝土路面改造措施主要有：(1)加鋪新水泥混凝土面層;(2)舊水泥混凝土路面翻修;(3)加鋪瀝青混凝土面層［1-2］。考慮到加鋪路段原路面病害嚴重、交通組成混雜等實際情況，本試驗路采用加鋪新水泥混凝土面層(26 cm)。但由于舊水泥混凝土路面普遍存在接縫和裂縫，在車輛荷載與環(huán)境因素作用下，易產(chǎn)生反射裂縫，嚴重影響加鋪層的使用壽命，特別是剛度較大的水泥混凝土加鋪層。因此，為了延長新加鋪水泥混凝土路面使用壽命，本文在新舊混凝土層之間設置瀝青混合料功能層，以減少水泥混凝土路面的早期破壞，改善混凝土路面使用性能。

1 層間功能層簡述

由于舊水泥路面和新加鋪的混凝土路面剛度均較大，屬于“剛+剛”的接觸形式，功能層即為新舊混凝土面層之間鋪筑的一層厚度較小、模量較低的瀝青混凝土夾層，如圖1所示。研究表明［3］在混凝土基層上直接加鋪水泥混凝土面層，在使用一定時間后面板開裂和基層沖刷較嚴重，而在混凝土基層與新加鋪水泥混凝土面層之間增設瀝青混凝土層后，面板出現(xiàn)裂縫和其它早期破壞的幾率明顯減少。功能層的作用主要是改善新加鋪混凝土路面與舊混凝土面層的層間結(jié)合，減少由于原水泥路面的裂縫和接縫等原因產(chǎn)生的反射裂縫，減小應力集中作用，同時防止因水通過新加鋪路面的接縫等途徑下滲而導致的路基破壞或強度降低，從而提高加鋪路面的使用性能，有效延長其使用壽命。

圖1 設置功能層的舊水泥路面加鋪結(jié)構(gòu)示意圖

2 試驗路概況及病害處理

2.1 試驗路概況

試驗路段屬于某市縣級公路，為城鄉(xiāng)交通要道，該路段交通情況復雜，載貨卡車、農(nóng)用車等混合交通均存在，超載現(xiàn)象時常發(fā)生。原路面結(jié)構(gòu)為20 cm石灰穩(wěn)定土+20cm水泥穩(wěn)定沙礫+18cm水泥混凝土面層。調(diào)查發(fā)現(xiàn)目前舊路面病害嚴重，例如，表層露骨、坑洞、縱橫向裂縫、板破碎、接縫料損壞等等，為了避免加劇路面破損以至于發(fā)生路面、路基結(jié)構(gòu)性破壞，決定在病害修復后對其實施水泥混凝土加鋪改造。

2.2 病害處理

針對調(diào)查中原水泥路面的各種病害，采取適合的修補措施并找平，為功能層以及加鋪混凝土面層的施工做好準備工作。清理舊路面接縫，更換接縫材料，如熱瀝青、橡膠瀝青等灌逢材料;對于縱橫向裂縫以及網(wǎng)狀裂縫，在全部清縫后進行灌縫處理，對于網(wǎng)裂非常嚴重的區(qū)域進行換板處理;對于坑洞，挖除坑洞后適當拓展修補面積，用C15混凝土填筑修補;對于破碎板，挖除破碎板，用C15混凝土更換舊板。此外，完善加鋪路段的排水設施。

3 功能層瀝青混凝土設計

結(jié)合國內(nèi)外目前關于功能層研究成果，以及加鋪路段原路面、交通組成等實際情況，功能層瀝青混合料擬采用AC-10，功能層厚度取4cm，根據(jù)室內(nèi)試驗進行配合比設計及性能驗證，并利用有限元軟件分析設置功能層后結(jié)構(gòu)的應力改善情況。

3.1 原材料

3.1.1 基質(zhì)瀝青

本加鋪工程采用中海70#基質(zhì)瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTJ052-2000)相關試驗的要求進行，試驗結(jié)果見表1。

表1 中海70#主要技術(shù)指標

3.1.2 集料

本加鋪工程集料采用漢中拌和廠的石灰?guī)r，按照《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTJ 058-2000)的要求對集料進行性能測試，其各項指標滿足規(guī)范要求。各檔集料篩分結(jié)果如表2所示。

表2 各檔集料篩分結(jié)果 /%

3.2 最佳用油量的確定

首先根據(jù)AC-10的級配范圍及集料篩分結(jié)果確定目標級配(如圖2所示)和各檔集料用量。

圖2 AC-10礦料級配圖

根據(jù)目標級配可確定各檔集料的用量比例為：5—10mm檔集料用量為49%，0—5mm檔集料用量為47%，礦粉用量為4%。然后采用馬歇爾試驗確定最佳油石比，根據(jù)室內(nèi)馬歇爾試驗結(jié)果，最終確定的AC-10混合料的最佳油石比為5.0%。

3.3 功能層作用分析

根據(jù)以上內(nèi)容確定功能層的材料設計，為了更好地研究在舊水泥路面加鋪混凝土面層時設置瀝青混合料功能層后對加鋪層和基層的應力改善情況，本文建立有限元模型，分析加鋪層和基層底部溫度應力和荷載應力的變化情況。計算采用8節(jié)點等參單元，邊界條件為土基底部完全約束，側(cè)面水平方向位移為零，層間按照完全光滑的條件進行計算，其模型如圖3所示?？紤]到原路面結(jié)構(gòu)的實際情況，計算時假設舊水泥混凝土面層(18 cm)為新路面結(jié)構(gòu)的基層，而原路面20cm石灰穩(wěn)定土+20 cm水泥穩(wěn)定沙礫基層在計算時按最不利原則假設為土基，各結(jié)構(gòu)層參數(shù)見表3。

圖3 計算模型示意圖

表3 各結(jié)構(gòu)層基本材料參數(shù)

本文采取圖3所示模型進行溫度應力和荷載應力計算，計算時，路面荷載均采用標準軸載。在計算溫度應力時，溫度梯度取 0.88℃/cm［4］。溫度應力和荷載應力結(jié)算結(jié)果見表4。

表4 標準軸載作用下溫度應力和荷載應力計算結(jié)果 /MPa

根據(jù)表4溫度應力計算結(jié)果可知，設置瀝青功 能層之后，面層底部的拉應力明顯減小，降幅為18%，這說明設置瀝青混合料功能層可以明顯改善新舊混凝土面層之間的層間接觸狀態(tài)，從而改善加鋪結(jié)構(gòu)的受力情況，延長路面的疲勞壽命。根據(jù)表4荷載應力計算結(jié)果可知，設置瀝青功能層之后，基層底所受到的最大拉應力減小了16%，這在一定程度上可延緩基層底部開裂，進而減少反射裂縫的出現(xiàn)。但是設置瀝青功能層，也相當于在面層底部設置了一個軟弱夾層，使面層荷載應力有所增大，但是增大程度較小，可以忽略不計。

除了改善加鋪結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)以外，以密級配瀝青混合料為主要成份的層間功能層由于孔隙率小、密實程度好，還可以起到很好的封水作用，可阻止從面板接縫或裂縫處滲透下來的水繼續(xù)下滲至基層，從而減少基層的沖刷，避免唧泥等破壞的發(fā)生，延長基層使用壽命。另外，在水泥混凝土面層與舊路面之間增設瀝青混合料功能層，由于其具有模量小、有一定彈性的特征，可類似地視為應力吸收層，起到應力消散、延緩反射裂縫的產(chǎn)生等作用。在實際施工過程中，層間功能層的鋪筑也相當于對舊路面進行的一次較為全面徹底的修復處理，兼具有調(diào)平層的作用。

4 結(jié)束語

通過力學分析計算可知，設置4 cm厚的AC-10瀝青混合料功能層，可使面層底部溫度應力降低18%，可使基層底部的荷載應力降低16%。通過試驗路鋪筑效果可知，在舊水泥路面上加鋪混凝土面層，設置瀝青混合料功能層能有效抑制反射裂縫、唧泥等病害的產(chǎn)生，使用性能優(yōu)異。密級配瀝青混凝土功能層由于其模量小、有一定彈性特征，可類似地視為應力吸收層，起到延長使用壽命的作用;還能起到封水、防止基層沖刷等作用。

［1］ 申愛琴.水泥與水泥混凝土［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ 徐濤，張煒，顏杰飛.舊水泥混凝土路面加鋪瀝青層的應用研究［J］.山西建筑，2010，25(36)：273-274.

［3］ 唐伯明，蒙華，劉志軍.歐美水泥混凝土路面設計使用現(xiàn)狀綜述［J］.公路，2003，10：37-39.

［4］ 王維民.舊瀝青混凝土路面加鋪水泥混凝土層路面結(jié)構(gòu)溫度應力分析［J］.公路，2010(4)：26-29.

［5］ 胡苗.水泥混凝土路面瀝青混合料功能層研究［D］.西安：長安大學，2009.