城市舊水泥混凝土路面加鋪瀝青面層裂縫病害探究

曾憲龍，孫德強(qiáng)

（中建三局基礎(chǔ)設(shè)施事業(yè)部，湖北武漢 430070）

1 背景說明

近年來，城市舊混凝土路面加鋪瀝青面層越來越多，特別在水泥混凝土路面較多的武漢城區(qū)內(nèi)尤為普遍。但經(jīng)過5～7 a左右的使用期后，路面病害以裂縫類尤為突出，嚴(yán)重影響城市形象以及交通行車質(zhì)量。在加鋪瀝青路面病害分析方面，國(guó)內(nèi)對(duì)高速公路做得比較多，而城市道路由于其路況復(fù)雜，基層多樣，交通渠化，行車速度、方向以及行車載重都具有不確定性等因素，其病害因素與高速公路有一定的區(qū)別。本文結(jié)合武漢市珞獅南路改造舊路加鋪施工實(shí)踐，對(duì)瀝青面層裂縫產(chǎn)生原因及有效防范的施工技術(shù)控制進(jìn)行簡(jiǎn)明闡述和總結(jié)。

2 項(xiàng)目概況

武漢市珞獅南路改造工程全長(zhǎng)2 925 m，其中文秀街至高架橋起點(diǎn)765 m范圍為主線地面段。經(jīng)前期調(diào)查和路面檢測(cè)評(píng)定，此段大部分為現(xiàn)狀水泥混凝土路面，且路面等級(jí)良好，因此設(shè)計(jì)采用4 cmAC-13C細(xì)粒式改性瀝青混凝土（加纖維0.225%）+5 cmAC-16C中粒式改性瀝青混凝土+7 cmAC-25C粗粒式瀝青混凝土+抗裂防水粘結(jié)膜+現(xiàn)狀水泥混凝土舊路面，即保持水泥混凝土板路面不變直接加鋪瀝青混凝土路面。

通過對(duì)原路面進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)地調(diào)查分析，對(duì)于破壞嚴(yán)重的板塊進(jìn)行挖除后重新鋪筑，對(duì)裂縫、接縫、脫空、錯(cuò)臺(tái)等病害參考《城市道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ 36-2006)處理，但直接加鋪瀝青混凝土路面，對(duì)舊混凝土面板處理不易完全消除隱患。該工程施工前期，對(duì)裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行了詳細(xì)分析，制定了相應(yīng)預(yù)控處理方案，并在施工過程中加以技術(shù)控制，取得了良好效果。

3 裂縫成因分析

3.1 反射裂縫的產(chǎn)生

通過施工前期的調(diào)查顯示，文秀街至文治街的整個(gè)路段內(nèi)，舊混凝土路面基本都存在混凝土板縫或缺陷，但強(qiáng)度和水穩(wěn)定性均達(dá)標(biāo)，不會(huì)對(duì)裂縫的形成和擴(kuò)展產(chǎn)生不利影響。結(jié)合武漢市道路裂縫類病害學(xué)術(shù)界研究經(jīng)驗(yàn)分析，反射裂縫的產(chǎn)生大多由于舊水泥混凝土面層在接縫或裂縫附近產(chǎn)生位移，從而引起接縫或裂縫上方瀝青加鋪層內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力集中所造成的，而交通荷載及溫度荷載是引起加鋪層出現(xiàn)這一變化的主要因素。

溫度應(yīng)力引起反射裂縫的產(chǎn)生，并“參與”了其最初的擴(kuò)展；荷載應(yīng)力加速了裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。反射裂縫的產(chǎn)生階段主要是由于交通荷載、溫度應(yīng)力反復(fù)作用導(dǎo)致瀝青混凝土在裂縫和接縫處疲勞開裂，是一個(gè)疲勞破壞過程。如果基層裂縫反射到面層，并穿過面層出現(xiàn)在路面上時(shí)，雨水和其他各種污染物就可能進(jìn)入路面體，從面層裂縫穿過基層滲入到底基層，使基層和底基層滲水材料強(qiáng)度降低，從而引起路面結(jié)構(gòu)嚴(yán)重破壞。

3.2 斷裂力學(xué)分析

斷裂力學(xué)認(rèn)為，裂縫有3種擴(kuò)展模式：張開型（I型）、滑開型（Ⅱ型）、撕開型（1lI型）。其中溫度應(yīng)力或板翹曲對(duì)反射裂縫的影響模式為張開型；行車荷載對(duì)反射裂縫的影響模式主要為滑開型；撕開型的反射裂縫在加鋪路面中較少見。

斷裂力學(xué)中引入應(yīng)力強(qiáng)度因子來衡量裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度。表達(dá)如下（I型）：

式（1）中：

σ——遠(yuǎn)場(chǎng)拉力強(qiáng)度，MPa；

a——初始裂縫長(zhǎng)度，mm。不難看出，裂縫的初始長(zhǎng)度越大，裂縫周圍的應(yīng)力場(chǎng)強(qiáng)度越大。而且依據(jù)Paris提出的觀點(diǎn)，應(yīng)力強(qiáng)度因子幅度△K1控制著裂紋的擴(kuò)展速率，即疲勞裂紋擴(kuò)展速率是由裂紋尖端彈性應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化幅度所控制的?？梢宰C明，舊路面初始損傷的治理以及裂縫的修復(fù)對(duì)于延長(zhǎng)加鋪路面疲勞壽命是非常重要的。

當(dāng)構(gòu)件的尺值達(dá)到臨界值KC時(shí)，構(gòu)件失穩(wěn)斷裂。KC表征了材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是材料抵抗斷裂的一個(gè)韌性指標(biāo)，稱為斷裂韌性。引用文獻(xiàn)[6]研究成果，斷裂韌性KC與板厚B之間的關(guān)系式如下：

式（2）中：K0C——材料平面應(yīng)力狀態(tài)下的斷裂韌性，

N/mm（＞3/2）；

ro——σ外力作用下無限簿板裂紋尖端

塑性區(qū)域尺寸，mm；

B——試件厚度，mm；μ——材料泊松比。

由此可知，斷裂韌性隨著B的增大而斷裂韌性迅速減小，直到滿足平面應(yīng)變條件為止。圖1是斷裂韌性與試件厚度的定性關(guān)系。

圖1 斷裂韌性KC與試件厚度B的關(guān)系（I型裂紋）

從以上分析可知，增加瀝青面層的厚度可能對(duì)增強(qiáng)面層的抗裂能力意義不大，只能延緩剪切型反射裂縫反射的速度，但并不能有效地延緩純彎拉型反射裂縫反射的速度，也不經(jīng)濟(jì)。

4 施工控制及裂縫防控措施

針對(duì)裂縫產(chǎn)生的原因，在舊水泥混凝土路面加鋪瀝青過程中，應(yīng)做好相關(guān)不利因素的防控措施，并在施工過程中加以控制，大體可分為以下5個(gè)方面。

4.1 破損板塊處理

施工前針對(duì)板塊破損程度進(jìn)行探查，若大面積出現(xiàn)破碎、斷裂、沉陷和脫空板等情況，需用破碎錘進(jìn)行破除。在破除時(shí)一定不要破壞基礎(chǔ)，破碎板形狀控制為長(zhǎng)方形，保持與路中心線平行垂直，邊緣比破碎板寬出30 cm，鋸縫深度大于面板厚度的2/3。對(duì)破除部分進(jìn)行混凝土補(bǔ)強(qiáng)澆注處理時(shí)，選擇早期強(qiáng)度高、后期強(qiáng)度穩(wěn)定、收縮性小的混凝土，并適當(dāng)摻外加劑以控制凝結(jié)時(shí)間，澆筑后應(yīng)噴灑養(yǎng)護(hù)劑，保證溫、濕度進(jìn)行養(yǎng)生。

4.2 土基、基層處治

若混凝土板破壞是由于路基、基層原因引起，則首先應(yīng)處理路基與基層。路基采用換填低標(biāo)混凝土方法處理，路基處理完畢后立即用水泥穩(wěn)定碎石鋪筑新基層，水穩(wěn)材料采用集中機(jī)械拌合，水泥劑量控制在6%以內(nèi)，碎石要求連續(xù)級(jí)配，分層碾壓，保證壓實(shí)度。若施工條件不好，基層處理也可以C15水泥混凝土代替。

4.3 板塊接縫處理

板塊維修好后，要對(duì)板塊之間縱、橫縫進(jìn)行清縫處理，選用性能良好的密封材料機(jī)械嵌縫、充填，以防雨水及雜物下滲。經(jīng)過考察比選，嵌縫材料可選用聚氯乙烯膠泥等粘結(jié)性強(qiáng)、回彈性與溫度穩(wěn)定性好的材料，切勿選擇熱瀝青。對(duì)于接縫剝落嚴(yán)重的地方用瀝青砂等材料進(jìn)行修補(bǔ)。

4.4 抗裂防水粘結(jié)膜施工

為有效防止雨水從裂縫浸入路面造成水損害，加強(qiáng)面層與基層層間連接，在縱、橫縫處鋪設(shè)抗裂防水粘結(jié)膜，其性能指標(biāo)如表1所列。

表1 抗裂防水粘結(jié)膜性能指標(biāo)

但抗裂防水粘結(jié)膜在施工過程中要依照使用說明，嚴(yán)加控制工序。施工前保證路表面清潔干燥，無雜草、油污、碎石等雜物，對(duì)表面有麻面、嚴(yán)重松動(dòng)、裂縫、大塊突起或凹陷等病害的路段，必須進(jìn)行相應(yīng)的處理，確保足夠的平整度，鋪裝完成后，要用膠輪壓路機(jī)根據(jù)氣溫情況進(jìn)行2～3遍碾壓。

除此外，施工過程要配備足夠人員，注重細(xì)節(jié)把控，不能正確使用防水粘結(jié)膜反而適得其反，如圖2所示。

4.5 澆灑粘層油、鋪設(shè)面層

圖2 施工中因粘結(jié)膜操作不當(dāng)出現(xiàn)返工

為保證瀝青加鋪層與舊水泥混凝土板的良好粘接，應(yīng)對(duì)舊路面進(jìn)行徹底清洗和吹掃，然后在溫度10℃以上，路面不潮濕條件下，再在清掃干凈的水泥混凝土路面上澆灑粘層瀝青。粘層瀝青采用快裂PC-3、PA-3型乳化瀝青或石油瀝青，乳化瀝青用瀝青灑布機(jī)按0.3～0.5 L/m2用量均勻澆灑，石油瀝青采用中凝或慢凝液體石油瀝青按0.2～0.4 L/m2用量澆灑粘層油。在噴灑交接處時(shí)需精心控制，使之不超過批準(zhǔn)的瀝青用量，并使瀝青噴灑均勻，噴灑超量或漏灑、少灑的地方予以糾正。經(jīng)試驗(yàn)規(guī)定的時(shí)間養(yǎng)生后，進(jìn)行瀝青混凝土面層施工。

5 結(jié)語

減少反射裂縫產(chǎn)生是舊路改造加鋪工作的一項(xiàng)重要內(nèi)容，受城市道路路況復(fù)雜、交通封閉時(shí)間緊張等因素影響，此項(xiàng)工作變得較為復(fù)雜。根據(jù)珞獅南路改造工程實(shí)踐，對(duì)路面加鋪工程應(yīng)采取綜合處理措施來滿足路面的使用功效。主要總結(jié)為以下幾條經(jīng)驗(yàn)：

（1）加鋪路面首先應(yīng)采用多種方法和手段對(duì)既有水泥混凝土路面現(xiàn)狀及板塊破損原因進(jìn)行分析，制定出適合的工程處理方案。

（2）對(duì)于反射裂縫的防治，應(yīng)采用綜合處理措施，不能僅僅只是增加瀝青加鋪層的厚度。

（3）加鋪施工前，需對(duì)舊路面板塊、基層、土基和接縫等環(huán)節(jié)整體考慮治理，確?；鶎臃€(wěn)定性和強(qiáng)度。

（4）嚴(yán)加控制工序，注重細(xì)節(jié)把控，正確使用抗裂防水粘結(jié)膜對(duì)板塊接縫的處理。此外，從管理人員到作業(yè)班組要樹立全過程控制、主動(dòng)控制理念，科學(xué)合理地進(jìn)行施工作業(yè)。

[1]CJJ 36-2006，城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范[s].

[2]沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞現(xiàn)象及預(yù)防[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3]廖衛(wèi)東.基于應(yīng)力吸收層的舊水泥混凝土路面瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)研究[A].中國(guó)公路學(xué)會(huì)第三屆全國(guó)公路科技創(chuàng)新高層論壇——湖北優(yōu)秀論文集[C].北京：人民交通出版社，2006.

[4]仇為波.舊水泥混凝土路面加鋪瀝青面層防裂機(jī)理分析[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2008.

[5]王艷.水泥穩(wěn)定碎石基層瀝青路面開裂機(jī)理及抗裂設(shè)計(jì)方法研究[D].南京：東南大學(xué)，2008.

[6]趙寶榮.試樣厚度對(duì)斷裂韌性的影響 [J].試驗(yàn)技術(shù)與試驗(yàn)機(jī)，1988(6)：3-5.