舊水泥混凝土路面破碎改造加鋪瀝青層工藝探討

吳錦標(biāo)

（福州路信公路設(shè)計(jì)有限公司 福建福州 350002）

舊水泥混凝土路面破碎改造加鋪瀝青層工藝探討

吳錦標(biāo)

（福州路信公路設(shè)計(jì)有限公司 福建福州 350002）

主要闡述了舊水泥混凝土路面加鋪瀝青面層的關(guān)鍵是減緩反射裂縫產(chǎn)生，分析了反射裂縫產(chǎn)生原因主要為行車荷載及溫度變化影響，基于以上本文介紹了目前主要幾種減緩反射裂縫的舊水泥混凝土路面改造工藝，并分析了各種工藝的優(yōu)缺點(diǎn)。并根據(jù)瀝青路面計(jì)算理論對(duì)不同工藝舊路加鋪結(jié)構(gòu)層厚度做了相關(guān)分析計(jì)算，最后通過工程實(shí)例進(jìn)一步完善對(duì)舊水泥混凝土路面改造工藝的探討，對(duì)舊路改造特別是水泥混凝土路面“白改黑”提供技術(shù)參考。

道路工程；舊水泥混凝土路面；瀝青面層；反射裂縫；白改黑

引言

水泥混凝土路由于前期施工或車輛重載原因易產(chǎn)生多種破壞形式，在舊水泥混凝土路面上加鋪瀝青面層是舊路改造的主要形式之一，在舊路面板上直接加鋪瀝青面層稱為“白加黑”，對(duì)舊路進(jìn)行破碎改造作為基層后加鋪瀝青結(jié)構(gòu)層稱為“白改黑”，無論“白加黑”還是“白改黑”，其目的都是保證路面強(qiáng)度前提下改善道路使用性能。

水泥混凝土路面加鋪瀝青面層，這種路面結(jié)構(gòu)形式能充分利用兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，首先瀝青混凝土路面提供一個(gè)抗滑系數(shù)高、平整度較好的表面層，很大程度上改善了路面的使用性能，而底部的舊水泥混凝土提供穩(wěn)定、堅(jiān)實(shí)的基層，是一種經(jīng)濟(jì)可行的路面改造方案。

由于加鋪的瀝青面層及混凝土底層兩種材料性能存在較大差異，同時(shí)新舊結(jié)構(gòu)層在上部載荷的連續(xù)沖擊下，若舊板存在斷板、裂縫或承載力不足情況下，會(huì)造成應(yīng)力集中而反射到瀝青面層；同時(shí)在溫度變化作用下，底部混凝土板伸縮變形也會(huì)使瀝青層在板塊縱橫縫或裂縫處造成應(yīng)力集中，形成脹縮型反射裂縫。因此如何能盡可能減緩這些反射裂縫造成的影響，是目前舊水泥混凝土路面加鋪瀝青結(jié)構(gòu)層的關(guān)鍵技術(shù)所在。

1 反射裂縫形成機(jī)理

根據(jù)上述資料，目前“白改黑”路面的一個(gè)關(guān)鍵問題是如何減緩或減少反射裂縫對(duì)上面層瀝青結(jié)構(gòu)的影響。如何減緩反射裂縫，需首先對(duì)裂縫產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行進(jìn)一步分析。

隨著混凝土路面加鋪瀝青面層的研究不斷深入，基于斷裂力學(xué)理論的反射裂縫分析方法也不斷進(jìn)步。基于目前研究，大部分認(rèn)為主要原因是舊路面板的裂縫及接縫處不能承受拉應(yīng)力及剪應(yīng)力（或抗剪能力較低）瀝青加鋪層承擔(dān)了該處大部分拉（彎拉）或剪應(yīng)力，在交通及溫度的反復(fù)作用下，加鋪層就產(chǎn)生了反射裂縫[1]。所以，反射裂縫主要分為以下兩類：

1.1 溫度型反射裂縫

溫度型反射裂縫主要產(chǎn)生原因是瀝青及混凝土兩種結(jié)構(gòu)熱脹冷縮性能不一樣，溫度的循環(huán)變化使水泥混凝土板塊在原來接縫和裂縫處產(chǎn)生不均勻伸縮，同時(shí)路面結(jié)構(gòu)從上到下的溫度梯度也會(huì)使面板產(chǎn)生翹曲變形，這些伸縮變形使上層瀝青結(jié)構(gòu)在該處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使瀝青面層產(chǎn)生張開型裂縫。

1.2 荷載型反射裂縫

在上部行車荷載作用下，傳荷能力不足的相鄰板塊會(huì)在接縫處產(chǎn)生相對(duì)豎向位移，使瀝青面層產(chǎn)生剪切應(yīng)力，習(xí)慣上把這種反射裂縫稱為荷載型反射裂縫，其主要破壞形式為剪切破壞。

2 路面“白改黑”工藝

目前針對(duì)舊水泥混凝土加鋪瀝青面層存在的反射裂縫問題，一般采用以下幾種方法加以減緩。這些方法可以大致分為三類：第一類根據(jù)混凝土面板自身振動(dòng)頻率，采用與之相同的振動(dòng)頻率對(duì)路面進(jìn)行碎石化處理；第二類為根據(jù)沖擊力對(duì)原面板進(jìn)行打碎破裂，減小板塊效應(yīng)；第三類是采用鋪設(shè)應(yīng)力吸收層方案，通過高粘高彈材料吸收部分?jǐn)嗔涯?，從而達(dá)到減緩反射裂縫的效果。

2.1 碎石化

共振碎石化最早起源于美國(guó)1986年美國(guó)紐約完成第一個(gè)熱拌瀝青罩面的水泥混凝土路面破碎工程，并于20世紀(jì)90年代對(duì)50個(gè)州的實(shí)際工程進(jìn)行調(diào)查研究[2]，表明共振碎石化是減緩混凝土反射裂縫延長(zhǎng)瀝青面層使用壽命最為有效措施之一。目前碎石化最常見的方式有兩種：

（1）共振碎石化

共振碎石化屬于第一類工藝，通過調(diào)節(jié)共振碎石化車上橫梁的振動(dòng)頻率調(diào)整錘頭的振動(dòng)，使其與路面板產(chǎn)生共振，使路面完全破碎，碎石化后水泥混凝土顆粒的粒徑不大于40cm，且75%以上的顆粒在深度方向的分布滿足：表面最大尺寸不超過7.5cm，中間不超過22.5cm，底部不超過37.5cm[3]，由于碎石化破壞已有板塊，所以可以很大程度上消除瀝青上覆層中的反射裂縫。而且碎石化破碎尺寸比較一致，力學(xué)性能更趨近與級(jí)配碎石，不容易造成承載力不均的現(xiàn)象，可以作為路面的結(jié)構(gòu)層使用。目前國(guó)內(nèi)廣泛使用的共振碎石化設(shè)備多采用美國(guó)RMI系列共振技術(shù)。

（2）多錘頭

多錘頭型破碎機(jī)（MHB），其嚴(yán)格意義上應(yīng)該屬于第二類，因?yàn)槠渲饕€是靠錘頭的沖擊力對(duì)路面進(jìn)行破碎。雖然其可以將后的水泥混凝土路面破碎成小于40cm的碎塊，但一定程度上其破壞了路面結(jié)構(gòu)的整體性，降低了承載力，同時(shí)其破碎的尺寸大小不一，造成破碎后面板承載力存在差異。

2.2 打裂

（1）門板式

用門板式破碎機(jī)將舊水泥混凝土路面每隔50～60cm橫向打裂，經(jīng)壓實(shí)后在上面攤鋪瀝青混凝土面層。該技術(shù)可以延緩瀝青混凝土路面反射裂縫的出現(xiàn)，并充分利用原有路面的強(qiáng)度。

打裂壓穩(wěn)是采用門板式破碎機(jī)，利用破碎錘垂直升降產(chǎn)生的沖擊力對(duì)混凝土路面進(jìn)行破碎，然后通過輪胎式壓路機(jī)對(duì)打裂板塊進(jìn)行壓穩(wěn)，使板塊相互間緊密嵌鎖，提高舊混凝土板塊的整體性，消除板底脫空，使其與基層緊密貼在一起成為更加穩(wěn)固的支撐，減小豎向變形和差異沉降。打裂壓穩(wěn)時(shí)其門板式破碎錘可通過調(diào)節(jié)提升高度來靈活獲得所需的沖擊力。

（2）HHT-3

HHT-3水泥路面打裂壓穩(wěn)機(jī)，是由長(zhǎng)安大學(xué)研發(fā)，專為解決水泥路面加鋪瀝青或水泥路面（通常稱“白改黑”、“白改白”）存在的難題，處理舊水泥路面打裂壓穩(wěn)的再生問題，消除反射裂縫的產(chǎn)生，特別開發(fā)的專利設(shè)備，經(jīng)過HHT-3水泥路面打裂壓穩(wěn)機(jī)處理后，舊路面水泥板塊產(chǎn)生45°角的斜向開裂，開裂后板塊互相嵌擠，減小路面板塊尺寸和消除板底脫空，消除加鋪層可能出現(xiàn)的荷載型和溫度型反射裂縫；處理后水泥面板后形成小的凹槽，凹槽和粘層油將使加鋪層與舊路咬合粘結(jié)力大大提高，防止加鋪層出現(xiàn)推移破壞。

2.3 應(yīng)力吸收層

在混凝土路面及瀝青面層間增設(shè)應(yīng)力吸收層（高粘高彈瀝青質(zhì)材料），利用其良好的彈性及抗疲勞性能可以一定程度上分散使水平位移，降低加鋪層內(nèi)裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值，使裂縫不會(huì)很快失穩(wěn)擴(kuò)張，延緩反射裂縫的反射速度。最早應(yīng)力吸收層采用玻纖格柵防水卷材，經(jīng)過工程實(shí)踐，防反效果并不明顯，目前隨著材料科學(xué)的發(fā)展的應(yīng)力吸收層材料研究也取得發(fā)展，目前國(guó)內(nèi)主要采用科式公司生產(chǎn)的STRATA聚合物改性瀝青，聚合物改性瀝青SMA，各種改性瀝青應(yīng)力吸收層（SMAI）。

2.4 對(duì)各種工藝的評(píng)價(jià)

（1）采用沖擊力對(duì)舊路進(jìn)行破碎（多錘頭、打裂）加鋪瀝青層的路面，出現(xiàn)反射裂縫的時(shí)間會(huì)推遲2～3年，同時(shí)路面反射裂縫的數(shù)目相對(duì)會(huì)減少20%左右。但是多數(shù)沖擊破碎工作時(shí)，作用位置不穩(wěn)定，破碎后路面受力并不均勻。

（2）沖擊壓實(shí)技術(shù)具有施工簡(jiǎn)單，施工速度快，投資較少的優(yōu)點(diǎn)。而且在施工完畢后，如不能及時(shí)鋪筑面層，還能適當(dāng)放開交通。

（3）共振破碎能使整個(gè)路面板塊同時(shí)受到了振動(dòng)力，能使板塊較均勻地分裂，不僅能有效防止反射裂縫發(fā)展，同時(shí)能保證破碎后舊路路面頂面模量分布均勻。

（4）共振碎石化路面破碎后相當(dāng)于級(jí)配碎石層，因此必須進(jìn)行上層瀝青結(jié)構(gòu)加鋪后才能開放交通，且其造價(jià)及施工工藝要求均較其他工藝高。

（5）應(yīng)力吸收層可以一定程度上減緩溫度型反射裂縫且充分利用了舊路面板的強(qiáng)度減小加鋪層厚度，但對(duì)于荷載造成的剪切型反射裂縫，特別對(duì)于存在板底脫空或傳荷能力不足的板塊，由于柔性材料本身的力學(xué)性能限制，防反效果并不明顯。同時(shí)其對(duì)材料各項(xiàng)性能要求較高，瀝青必須滿足高粘高彈性能要求，施工工藝也較嚴(yán)格，所以其一般用于路面狀況較好及重載車輛較少的市政道路。

綜上所述，針對(duì)不同的路況需對(duì)這些方法進(jìn)行合理選擇，一般公路路段，沿線建筑較少，可以采用打裂、共振等措施，市政道路沿線房屋及人行道管線等較多，不宜增加道路厚度，建議采用應(yīng)力吸收層后直接加鋪瀝青面層。

3 加鋪層瀝青結(jié)構(gòu)選擇

對(duì)于舊路“白改黑”或“白加黑”改造，上面層瀝青結(jié)構(gòu)的選擇不僅直接影響了道路的使用性能，同時(shí)對(duì)道路的使用壽命也起決定性作用，所以其也是舊路改造的一個(gè)成敗關(guān)鍵。

舊路改造后瀝青面層的選擇一般按理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法加以確定：

3.1 路面計(jì)算理論

破碎后路面結(jié)構(gòu)計(jì)算主要依據(jù)彈性層狀連續(xù)體系理論計(jì)算，對(duì)于二級(jí)及二級(jí)以上公路路面結(jié)構(gòu)厚度確定應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)整體剛度及半剛性基層層底抗疲勞開裂要求[4]，即采用路表設(shè)計(jì)彎沉及各結(jié)構(gòu)層材料彎拉應(yīng)力雙控指標(biāo)對(duì)路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定：

當(dāng)確定舊路面層當(dāng)量回彈模量后，基于瀝青路面彈性層狀體系計(jì)算原理，對(duì)擬定路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行路表設(shè)計(jì)彎沉材料彎拉應(yīng)力結(jié)構(gòu)層驗(yàn)算，最終確定合理的路面結(jié)構(gòu)厚度。

所以確定加鋪路面結(jié)構(gòu)層的關(guān)鍵在于破碎后路面的當(dāng)量回彈模量，因此在破碎后必須對(duì)舊路彎沉進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)式（3）計(jì)算當(dāng)量回彈模量：

3.2 結(jié)構(gòu)層選擇

目前舊路面破碎后模量設(shè)計(jì)時(shí)一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值或采用預(yù)估值計(jì)算，尚沒有一個(gè)較準(zhǔn)確、合理的算法。相關(guān)的文獻(xiàn)及工程試驗(yàn)路的數(shù)據(jù)表明，反算后路面破碎后頂面當(dāng)量模量一般在200MPa以上。而根據(jù)對(duì)福建省道203實(shí)驗(yàn)段的數(shù)據(jù)采集結(jié)果，打裂后舊路模量可以達(dá)到300MPa或者更大。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，對(duì)于重交通或特重交通的公路，按計(jì)算理論一般路面至少厚度要達(dá)到18cm，所以宜采用三層瀝青路面結(jié)構(gòu)。

對(duì)采用直接加鋪層的路面，一般10～13cm的結(jié)構(gòu)（2層瀝青混凝土結(jié)構(gòu)）已經(jīng)完全能滿足計(jì)算要求，但需對(duì)舊路路面進(jìn)行綜合處治，包括清灌縫、板底脫空路段注漿（原則上實(shí)測(cè)彎沉大于20（0.01mm）板塊）、斷板處治等。對(duì)于個(gè)別對(duì)道路標(biāo)高沒有太大要求的路段，可通過增加瀝青厚度來抑制行車荷載引起的反射裂縫。如增加密級(jí)配瀝青碎石作為下面層結(jié)構(gòu)，用以防止反射裂縫的發(fā)展，同時(shí)可以緩沖重載貨車對(duì)舊路的影響。

4 工程實(shí)例

4.1 省道202線閩清段“白改黑”路面改造工程

（1）工程概況

省道202線K327+845.7～K343+838.3段，項(xiàng)目總長(zhǎng)度為15.993km?，F(xiàn)狀道路為水泥混凝土路面，路基寬度為12m，雙向兩車道。目前交通量10550輛/晝夜，其中重車（中型貨車、大型貨車、特大貨車及集裝箱車）交通量1140輛/晝夜。根據(jù)交通量資料，以設(shè)計(jì)彎沉值及瀝青層層底拉應(yīng)力為驗(yàn)算指標(biāo)，設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道上累計(jì)當(dāng)量軸次：1.78×107，根據(jù)上述當(dāng)量軸次可判斷該瀝青路面的設(shè)計(jì)交通等級(jí)為重交通等級(jí)。

（2）主要路面結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)現(xiàn)狀水泥混凝土路面破損狀況調(diào)查得到的病害類型、輕重程度和密度數(shù)據(jù)，得出路面狀況調(diào)查總體評(píng)價(jià)表，如表1。

表1 路面調(diào)查評(píng)價(jià)匯總表

根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)破板調(diào)查，沿線約有10km左右路段板塊較好，實(shí)測(cè)彎沉值表明，這些段落彎沉值均值在13.2（0.01mm），滿足直接加鋪的條件，考慮沿線重載車輛較多，單純依靠鋪設(shè)應(yīng)力吸收層后加鋪兩層瀝青結(jié)構(gòu)極易產(chǎn)生荷載型反射裂縫，因此這些段落采用如表2。

表2

局部段落采用注漿、置換板等措施。

其余段約有2.1km路段存在斷板、破裂板等較為嚴(yán)重破壞，為避免這些斷裂反射至面層瀝青，本次采用對(duì)舊面板進(jìn)行破碎或打裂后加鋪瀝青面層；考慮到沿線交通量較大，經(jīng)計(jì)算若采用共振碎石化則至少需加鋪24cm的瀝青結(jié)構(gòu)層，而這些段落又處于集鎮(zhèn)路段，路面標(biāo)高不宜大幅調(diào)高，因此本方案沒有采用共振碎石化，而采用HHT-3對(duì)舊路進(jìn)行打裂處治，同時(shí)經(jīng)過驗(yàn)算，按既有交通量本次可以采用18cm（4cm AC-13C細(xì)粒式瀝青混凝土+6cm AC-20中粒式瀝青混凝土+8cm ATB-25密級(jí)配瀝青碎石）的瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)。

本段工程現(xiàn)已完成路面面層施工，并完全開放交通。經(jīng)過一年多的運(yùn)營(yíng)，路面整體狀況較好，尚未發(fā)現(xiàn)反射裂縫，沒有出現(xiàn)其他病害現(xiàn)象。

4.2 省道203永泰段白改黑路面改造

（1）工程概況

省道203線K52+400～K85+253段，路線長(zhǎng)度為32.853km。改造前路面為水泥混凝土路面，路基寬度為12m，雙向兩車道，路面厚度為22cm C35水泥混凝土面層。改造前根據(jù)交通量觀測(cè)資料顯示，該路段實(shí)測(cè)的年平均日交通量達(dá)8986輛/晝夜（自然數(shù)），根據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道上累計(jì)當(dāng)量軸次：9.83×105根據(jù)上述當(dāng)量軸次可判斷該瀝青路面的交通等級(jí)為中等交通。

（2）主要路面結(jié)構(gòu)

項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)現(xiàn)狀水泥混凝土路面破損狀況調(diào)查得到的病害類型、輕重程度和密度數(shù)據(jù)，得出路面狀況調(diào)查總體評(píng)價(jià)表，如表3。

本項(xiàng)目沿線多為廠區(qū)及空地，路面標(biāo)高抬高對(duì)沿線造成影響較小，路面改造設(shè)計(jì)時(shí)采用對(duì)舊路先進(jìn)行碎石化后加鋪面層結(jié)構(gòu)層方案如表4所示。

表3 路面調(diào)查評(píng)價(jià)匯總表

表4

共振碎石化采用美國(guó)RMI系列共振碎石化機(jī)械，目前該段道路已完成改造并投入使用，經(jīng)過二年多的運(yùn)營(yíng)，路面整體狀況較好，尚未發(fā)現(xiàn)反射裂縫，沒有出現(xiàn)其他病害現(xiàn)象。

瀝青路面厚度設(shè)計(jì)是根據(jù)多層彈性連續(xù)體系理論，以滿足設(shè)計(jì)彎沉的要求計(jì)算得到。由于碎石化層或打裂層的抗壓模量是按經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行設(shè)定的，故在施工時(shí)應(yīng)對(duì)該層的模量進(jìn)行驗(yàn)證，可以采用測(cè)試破碎后面層頂面彎沉值來進(jìn)行反算其模量，具體方法及步驟為：

（1）水泥混凝土路面碎石化后在其上灑布乳化瀝青以穩(wěn)定表面松動(dòng)的細(xì)小水泥顆粒；

（2）測(cè)試碎石化層頂面回彈彎沉值，并計(jì)算代表彎沉值；

（3）根據(jù)公式（E=1000×2×P×δ×m1×m2/L0）反算碎石化層回彈模量。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)彎沉值，在打裂或共振碎石化后路面模量均能滿足計(jì)算所取的最低值要求，因此從理論上，上述兩個(gè)工程的路面結(jié)構(gòu)方案是合理的。

5 結(jié)語

本文對(duì)水泥混凝土路面破碎工藝進(jìn)行詳細(xì)描述和比較，并根據(jù)路面計(jì)算理論和工程經(jīng)驗(yàn)給路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)給出合理建議，最后結(jié)合具體工程對(duì)各種工藝的工程實(shí)際應(yīng)用做了闡述，為各種改造工藝在工程中實(shí)際應(yīng)用提供實(shí)踐參考。

[1]楊斌.舊水泥混凝土路面加鋪層結(jié)構(gòu)研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2006.

[2]Khaled Kasailbati，William Miley，jamshid Armaghani.Rubbilization of concrete Pavement[R].Florida department of transportation state material office，1998.

[3]Gala，K.A.Structural Adequacyof Rubblized PCC Pavement.Indiana DOT，1998.

[4]《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50-2006）.

U416.2

A

1673-0038（2015）24-0301-03

2015-5-18