超薄罩面在武罐高速“白改黑”中的應用研究

孫 杰，李自齊

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設計院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

1 概述

針對我國水泥混凝土路面使用過程中出現的一系列病害，目前主要采用加鋪瀝青罩面的“白改黑”養(yǎng)護方式[1-3]，這種養(yǎng)護技術既可以利用舊水泥面板的剩余強度，又能夠縮短工期，是一種經濟實用的路面養(yǎng)護維修方案。在“白改黑”養(yǎng)護方式中，設置應力吸收層對于分散瀝青層與舊水泥路面面層之間的應力集中有較好的效果，同時也能夠有效緩解反射裂縫的產生與擴展。同時，應力吸收層成型后密實、黏結力強、不滲水，與下承層之間的結合性能良好[4-10]。

因此，本文在已有研究成果的基礎上，采用路面結構受力模擬分析的方式，對直接加鋪和設應力吸收層的“白改黑”路面進行受力模擬分析，計算加鋪層底部與舊水泥路面接縫處的應力值。為實際工程中防止反射裂縫的產生、合理設計應力吸收層結構提供力學特性上的參考。

2 武罐高速“白改黑”路面方案

武罐高速原水泥路面結構為：26 cm水泥混凝土面層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層。經過近幾年的交通運營，武罐高速原水泥混凝土路面平整度及抗滑指標下降明顯，部分路面平整度指標和抗滑指標評定為差，嚴重影響行車舒適性和安全性。由于該地區(qū)降雨量大、氣候條件差，對水泥混凝土耐久性極其不利。隨著近年來交通量的增加，混凝土路面在長時間的行車荷載作用下，路面刻紋逐漸磨平，路面病害迅速發(fā)展。因此為提升該路段水泥混凝土路面服務質量，急需對該段水泥混凝土路面進行維修處治(見圖1)。

經調查，水泥混凝土路面存在局部輕微裂縫較為密集，且平整度較差。

2.1 病害產生原因分析

1)裂縫。水泥混凝土本身受收縮應力、重載反復作用、溫濕應力、地基喪失支撐等因素影響易產生裂縫；另一方面運營階段剛性路面在重載車輛的作用下抵抗形變能力較差，車輛行駛導致混凝土面板受力不均，同樣易發(fā)展成為裂縫。

2)平整度。a.水泥混凝土板自身脹縮縫和施工縫影響路面的平整度。水泥混凝土路面的脹縫處是路面的薄弱環(huán)節(jié)，其好壞對路面的使用質量和路面的平整度影響較大。b.水泥混凝土面板之間混凝土微破損、骨料剝離制約混凝土板膨脹變形，部分傳荷設施設置銹蝕老化，重載車輛作用下造成板間破壞，進而影響路面平整度。c.水泥混凝土面板間裂縫在溫差及荷載反復作用下，面板破壞加劇造成局部缺角、錯臺等，行車舒適性較差。

3)抗滑性能。a.混凝土路面由于長時間的行車荷載，路面刻紋逐漸磨平，摩擦系數降低。b.武罐高速公路水泥混凝土路面路段處于橋隧密集段，進出隧道車輛均有變速，加劇了路面抗滑性能的衰減。c.部分路段處于連續(xù)長上下坡，重載車輛灑水加劇了水泥路面表層磨光。d.大車頻繁剎車，使該段水泥路面磨光，抗滑性能急劇下降。e.該地區(qū)降雨量大，氣候條件差，導致水泥混凝土路面耐久性降低。

2.2 “白改黑”方案

采用對原水泥混凝土路面進行銑刨1 cm處理，面板間構造縫及斷板貼縫后，鋪筑2.5 cm厚改性超薄罩面+高黏改性乳化瀝青黏層的方案。改性超薄罩面是將改性熱瀝青混合料攤鋪在高黏改性乳化瀝青黏層上，使用攤鋪設備進行攤鋪，經壓路機壓實以后一次成型，高黏改性乳化瀝青優(yōu)異的黏結性能避免了以往薄層罩面存在的易推移風險。

2.3 混合料設計結果

根據DB62/T 3148—2018高等級公路超薄罩面應用技術規(guī)程中推薦，本項目超薄罩面混合料礦料級配范圍如表1所示。

表1 混合料礦料級配范圍

本項目超薄罩面混合料推薦瀝青用量為4.6%～5.6%。進行室內目標配合比設計時，采用旋轉壓實儀進行試件成型，根據混合料的體積、力學性能確定瀝青用量?；旌狭蠈嶒瀴簩崪囟雀鶕r青的黏溫曲線確定，旋轉壓實次數為100次，單位壓力為600 kPa。

根據試驗分析，確定混合料的設計級配，設計油石比為5.0%，相對應的瀝青混合料性質如表2所示。旋轉壓實試件剖面圖如圖2所示。

表2 瀝青混合料體積性質表

2.4 瀝青混合料性能檢驗

1)檢驗瀝青膠結料最大用量(析漏試驗)。試驗條件：試驗溫度185 ℃，將混合料保溫60 min±1 min后進行析漏測試，試驗結果如表3所示。

表3 析漏試驗結果 %

試驗結果表明，瀝青混合料析漏指標符合要求，混合料中無自由瀝青，選定的設計油石比5.0%適宜。

2)水穩(wěn)定性檢驗。根據設計級配及油石比進行水穩(wěn)定性能驗證，試驗方法依據AASHTO T283。試驗結果見表4。

表4中TSR為條件下混合料劈裂抗拉強度與非條件下混合料劈裂抗拉強度之比，為86.3%。試驗結果表明，混合料的TSR值滿足要求。

表4 AASHTO T283試驗結果

3)高溫穩(wěn)定性試驗。試驗條件：在(60.0±0.5)℃，(0.7±0.05)MPa條件下進行車轍試驗以檢驗瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，車轍動穩(wěn)定度試驗結果如表5所示。

表5 車轍試驗動穩(wěn)定度

試驗結果表明，混合料的動穩(wěn)定度值滿足規(guī)范中不小于3 000次/mm的要求。

4)低溫抗裂性檢測。試驗條件：溫度-10 ℃，速率50 mm/min，試驗結果如表6所示。

表6 小梁彎曲試驗結果

試驗結果表明，混合料的小梁彎曲試驗結果滿足規(guī)范中要求。

3 靜載作用下“白改黑”路面應力模擬分析

3.1 3D-Move Analysis 軟件介紹

3D-Move Analysis基于連續(xù)有限層法而研發(fā)，視各結構層為連續(xù)體，用離散Fourier級數展開法將表面荷載分解成二維諧波分量，使用解析解來計算各結構層對每個諧波的響應，通過疊加原理用每個諧波分量的響應來評估整體響應。相對于有限元法，該法無需剖分網格，同時在考慮移動輪載作用時計算效率更高。

3.2 荷載及計算點位的選取

路面結構內拉應力最大值處最容易達到材料容許應力而產生裂縫。本研究通過對雙圓均布豎向荷載作用下不同作用點位即A點、B點、C點、D點(如圖3所示)的應力計算。

3.3 路面結構

為對比分析應力吸收層對路面結構受力的影響，分別建立兩種路面結構模型。結構厚度示意如圖4所示。

3.4 靜載作用下應力分析

計算得到兩種路面結構不同點位沿路面深度的正應力分布規(guī)律如圖5，圖6所示。車輛荷載作用下直接加鋪與設應力吸收層界面處荷載應力對比，見表7。

表7 車輛荷載作用下直接加鋪與設應力吸收層界面處荷載應力對比

由圖5，圖6及表7可知，與直接加鋪相比，設應力吸收層能夠減小加鋪層底部最危險點處的荷載應力。對兩種加鋪方案的荷載應力進行比較，設應力吸收層后，最大主應力在A點處降低了16%；在B點處降低了21.1%；B點相較于A點，應力在直接加鋪方案中降低了36.6%，在設置應力吸收層方案中降低了38.2%，比直接加鋪增加了1.6%?？梢?，應力吸收層能夠分散由加鋪層底面接縫處向上傳遞的荷載應力。

本次路面結構模擬分析“白改黑”應力吸收層僅有0.7 cm厚，通過路面結構受力分析，設置應力吸收層來減小接縫處應力、分散由接縫處向上傳遞的應力的效果不太顯著。后期可結合試驗段及結構力學分析，確定應力吸收層最佳厚度。

4 武罐高速“白改黑”工程應用及效果

經對全線混凝土路面提升改造后的瀝青路面外觀質量進行了檢測，路面線型平順，無龜裂、裂縫、沉陷、車轍、波浪壅包等病害(見圖7)。

經過交工檢測，提升改造后的瀝青路面車轍、平整度、構造深度、橫向摩擦力系數、滲水系數等參數合格率滿足設計及規(guī)范要求。經過計算分析，全線的路面狀況指標PQI為97.9分，評價為優(yōu)，滿足設計文件中水泥混凝土路面提升改造后PQI不低于95分的要求。

施工完成并開放交通1個月后，對加鋪的超韌磨耗層進行了工程質量驗收。加鋪的超韌磨耗層路表均勻、平整、無明顯裂縫出現。超韌磨耗層路表密實、無松散、無花白料、無輪跡、無刮痕，且邊線、橫縱向對接平順。超韌磨耗層的厚度、平整度均符合質量驗收標準。

5 結語

本研究依托武罐高速水泥路面“白改黑”工程，采用高黏度改性乳化瀝青作為復合防水黏結層，選擇改性超薄罩面作為抗滑磨耗層，確保了混凝土路面瀝青鋪裝層的服務性能和抗滑能力。

1)經交工檢測，武罐高速“白改黑”路面各項性能指標均滿足要求，路面沒有病害產生。驗證了超薄罩面“白改黑”在水泥混凝土面層養(yǎng)護中的適應性。

2)在“白改黑”養(yǎng)護項目中，接縫處設應力吸收層能減小加鋪層底部最危險點處的荷載應力、分散由加鋪層底面接縫處向上傳遞的荷載應力。后期可結合試驗段及結構力學分析，確定應力吸收層最佳厚度。