水泥混凝土路面改造方案研究

劉貴謙，郝曉麗，楊 帥

（1.山東省建筑設計研究院有限公司，山東 濟南 250000；2.濟南市規(guī)劃設計研究院，山東 濟南 250000）

0 引 言

水泥混凝土路面具有強度高、耐久性好、使用壽命長等優(yōu)點[1]，一直在道路建設中占據(jù)相當大的比例?；炷潦莿傂圆牧?，路面存在大量的縱橫縫，導致混凝土路面的行車舒適性不佳。在車輛的長期作用下，極易出現(xiàn)錯臺、斷板、裂縫等各類病害，不利于行車安全。評估現(xiàn)有混凝土路面的技術(shù)狀況，合理采用“白加黑”的處理方式對原有混凝土路面進行改造，可以充分利用原有水泥混凝土路面的強度，在短期內(nèi)提升道路的行車舒適性，提升周邊出行環(huán)境，具有施工方便、造價低、見效快的特點?；炷谅访娓脑斓暮诵氖茄泳徎炷谅访鏄?gòu)造縫和裂縫處的反射裂縫，延長路面使用壽命。本文以山東某城市郊區(qū)混凝土路面改造為基礎，總結(jié)水泥混凝土路面改造中的要點。

1 項目情況概述

山東某城市郊區(qū)道路長2 355.82 m，道路全線為水泥混凝土路面。道路于2012 年建成通車，已運營9 a。道路全線分為4 段。K0+000～K0+949，道路寬16 m，其中車行道12 m，兩側(cè)人行道各有2 m。K0+949～K1+124，道路寬12 m，兩側(cè)無人行道，本段于2018 年改建。K1+124～K2+355.82，道路寬約10 m，兩側(cè)無人行道。由于道路兩側(cè)多為廠房，交通量較大，現(xiàn)路面出現(xiàn)不同程度的病害，影響到了行車安全性和舒適性。為提升周邊的出行環(huán)境，并充分利用原有道路，特對道路進行改造。

2 現(xiàn)狀混凝土路面的評定

2.1 原有混凝土路面狀況評定

原路面結(jié)構(gòu)為22 cm 混凝土層+15 cm 水泥穩(wěn)定碎石+15 cm 二灰碎石+15 cm 石灰土墊層。根據(jù)現(xiàn)狀病害調(diào)查與統(tǒng)計，本條道路的主要病害有裂縫、板角破裂、錯臺和破碎板。4 類病害約占到道路總病害的89%。根據(jù)相關(guān)規(guī)范對原混凝土路面的損傷狀況、接縫傳荷能力和板底脫空狀況進行評定。其評價標準和結(jié)論見表1。

表1 路面評價指標分級

2.2 原有混凝土路面參數(shù)的評定

混凝土路面參數(shù)主要為混凝土面層的厚度、混凝土面層的彎拉強度、混凝土面層的彎拉彈性模量。除此之外，還可參考基層當量回彈模量標準值。采用鉆芯和落錘式彎沉儀獲取的相關(guān)數(shù)據(jù)見表2、表3。

表2 原有路面狀況等級評定

表3 混凝土厚度和劈裂強度數(shù)據(jù)

計算混凝土厚度標準值：

計算混凝土劈裂強度標準值：

計算混凝土層彎拉強度標準值：

計算混凝土彎拉彈性模量值：

從路面損壞狀況和接縫傳荷能力兩個指標來看，K0+000～K0+949、K1+124～K1+680 損壞嚴重，斷板率均已接近20%。根據(jù)實測彎沉，兩段平均彎沉基本上超過了40（0.01 mm），局部較嚴重的地方已接近80（0.01 mm），破壞嚴重，已基本沒有必要再測定基層頂面當量回彈模量。K0+949～K1+124 段于2019年剛整修完，K1+680～K2+355.82 兩側(cè)廠區(qū)相對較少，各類指標表現(xiàn)良好。因此，本項目僅對這兩段進行基層頂面當量回彈模量的測定。其結(jié)果見表4。

表4 彎沉值測定

根據(jù)計算可以看出，目前混凝土彎拉強度標準值在4.5 MPa 以上，基層頂面當量回彈模量達到208 MPa，表明混凝土路面和基層仍具有再利用的價值。

3 混凝土路面的處理

3.1 局部破除新建

3.1.1 破除原路面后新建

K0+000～K0+949 段兩側(cè)廠區(qū)較多，路面破壞嚴重，在混凝土路面評價分級為次，且平均彎沉超過40（0.01 mm），局部較嚴重的地方已接近80（0.01 mm）。按規(guī)范不滿足采用瀝青混凝土加鋪的要求，可將原有混凝土路面碎石化后作為下基層使用。但此方案需要將原有路面標高提高約40 cm。考慮兩側(cè)廠區(qū)已經(jīng)形成，提升40 cm 后會帶來廠區(qū)排水不暢。綜合以上考慮，本段采用全部破除原有混凝土路面后新建36 cm 水泥穩(wěn)定碎石（分兩層）后加鋪10 cm 瀝青混凝土的方案。

3.1.2 碎石化技術(shù)的應用

K1+124～K1+680 的 整 體 情 況 與K0+000～K0+949 的損壞情況類似。本段廠區(qū)較為稀疏，混凝土路面評價分級為次，彎沉也超出了規(guī)范采用瀝青混凝土加鋪的范圍。綜合以上考慮，采用碎石化后作為道路的下基層，加鋪20 cm 水泥穩(wěn)定碎石后加鋪10 cm瀝青混凝土層。

建議采用共振破碎法，將混凝土路面一次性破碎為粒徑2～40 cm 的咬合嵌擠碎塊的柔性結(jié)構(gòu)。施工時應嚴格控制破碎粒徑與破除角度[2]。

3.2 混凝土路面病害處理

K0+949～K1+124 和K1+124～K1+680 兩段混凝土路面相對較好，可通過病害處理，充分利用原有的路面強度。

3.2.1 板角損壞的處理

現(xiàn)狀板角處存在不同程度破碎，有輕微剝落，有的裂縫為5～20 mm 之間，根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標準》，為中等到嚴重的破壞程度。

對輕微的剝落應清理干凈剝落的混凝土面，按要求加鋪瀝青混合料。裂縫不超過10 mm 的裂縫，應先清理裂縫，采用SBS 改性乳化瀝青進行灌縫修復。超過10 mm 的板角的貫穿裂縫，應挖除裂縫范圍內(nèi)的混凝土板，用C35（原混凝土標號）混凝土恢復至路面標高，并在新舊混凝土板設置拉桿。若開挖后發(fā)現(xiàn)路面基層已破壞，可用級配碎石或C20 素混凝土恢復[3]。

3.2.2 錯臺的處理

現(xiàn)狀混凝土板縱縫與橫縫之間存在一定程度的錯臺現(xiàn)象，以5～25 mm 為主。根據(jù)《公路技術(shù)狀況評定標準》,為中等到嚴重的破壞程度。

小于10 mm 的錯臺，直接用磨平機磨平。大于10 mm 的錯臺，應先判定混凝土板底是否存在脫空。如存在脫空，應采用注漿方式處理后，再用磨平機磨平。

3.2.3 脫空板注漿處理

接縫處平均彎沉值在20～45（0.01 mm）之間，或彎沉差大于20（0.01 mm）時，視為脫空板，應采取注漿方式進行處理。舊混凝土板脫空點采用小型施工機具鉆孔，孔中心距板邊不應小于50 cm，鉆孔直徑5cm，鉆透混凝土板。鉆孔后用壓縮空氣將孔中的混凝土碎屑、雜物清除干凈，采用壓力灌漿機或壓力泵灌注水泥灰漿液[4]。灌漿壓力為1.5～2.0 MPa，使板底基層與面板脫空處聯(lián)結(jié)密實。

3.2.4 構(gòu)造縫、裂縫處理

先清理原混凝土縮縫、脹縫等構(gòu)造縫內(nèi)的一切雜物，要求深度不小于4 cm，然后用SBS 改性乳化瀝青進行灌縫[5]。

對寬度不大于15 mm 的非貫穿裂縫，縫周邊無嚴重破壞，可按混凝土構(gòu)造縫的處理方式進行處理。對寬度大于15 mm 的貫穿裂縫，混凝土板全厚開槽應不小于80 cm，用C35（原混凝土標號）混凝土恢復至路面標高，并在新舊混凝土板設置拉桿。若開挖后發(fā)現(xiàn)路面基層已破壞，可用級配碎石或C20 素混凝土恢復。

采用以上方式處理后，需經(jīng)檢驗合格后方可加鋪瀝青層。合格標準見表5。

表5 病害處治合格標準

4 層間組合設計

4.1 舊混凝土路面銑刨處理

為保證瀝青面層與原混凝土基層能夠良好結(jié)合，避免后期瀝青層滑移，應在鋪設瀝青層前對原有混凝土面層進行統(tǒng)一銑刨，厚度以不超過1 cm 為宜。銑刨后清理道路廢渣，并用高壓水槍清洗干凈。

4.2 抗裂貼與玻纖格珊的應用

抗裂貼是一種由玻璃纖維、瀝青等材料復合而成的材料。它具有性價比抗拉強度高、施工方便、耐高溫、隔水防滲等優(yōu)點，可以與混凝土較好地結(jié)合。結(jié)合本工程的實際特點，在施工的所有構(gòu)造縫和裂縫全部敷設32 cm 寬自黏式抗裂貼。為更好地控制使用后期的反射裂縫，在敷設完抗裂貼后，在構(gòu)造縫和裂縫周邊全部敷設玻纖格珊，寬度不小于1.5 m。

4.3 S BS 改性瀝青黏層的應用

為保證原混凝土路面層與新鋪瀝青層的結(jié)合，在原有混凝土路面上層統(tǒng)一采用SBS 改性瀝青黏層[6]，原混凝土路面與瀝青層間用量為0.5～0.8 kg/m2，瀝青層間用量為0.3～0.5 kg/m2，撒布黏層后應馬上鋪筑瀝青層，避免黏層受到污染，黏性降低。

4.4 應力吸收層的應用

應力吸收層是改性瀝青的混合料，具有高彈性、不透水、抗裂性好的特點，可以有效地緩解構(gòu)造縫和裂縫處的應用集中現(xiàn)象，對于延長瀝青產(chǎn)生反射裂縫的時間作用明顯。結(jié)合項目的具體情況，本道路全線采用1.5 cm 的橡膠瀝青應用吸收層。

4.5 上面層選用S MA

與密級配瀝青混凝土不同，SMA 是粗集料多、礦粉多、瀝青多、細集料少的間斷級配的瀝青混合料。它以粗集料為主骨架的嵌擠結(jié)構(gòu)，對于抗高溫、抗車轍、抗滑、抗低溫開裂、抗疲勞破壞和抗反射裂縫優(yōu)勢明顯。根據(jù)目前國內(nèi)對白加黑路面的設計經(jīng)驗，SMA 可以有效地改善、緩解因混凝土路面構(gòu)造縫和裂縫引起的反射裂縫[7]。因此本項目上面層統(tǒng)一采用4 cmSMA 混合料。

5 瀝青加鋪層的驗算

混凝土路面加鋪瀝青層的驗算，應利用雙圓均布荷載作用下的彈性層狀連續(xù)體系，對混凝土加鋪層下的混凝土層進行理論計算，要求混凝土層可承受設計基準期內(nèi)荷載應力和溫度應力的綜合疲勞作用。此外，還應承受最大荷載作用下和最大溫度梯度作用下的一次強作用。

5.1 初擬瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)研，道路最大軸載水平為Pm=200 kN，設計軸載取Ps=100 kN。經(jīng)調(diào)研，設計車道日作用次數(shù)約為3 500 次，道路設計基準期取20 a，已運營9 a，車輛輪跡橫向分布系數(shù)取0.35，年交通增長率取5%，則剩余基準期內(nèi)設計車道作用次數(shù)Ne為：

根據(jù)規(guī)范，屬重交通等級。結(jié)合實際設計經(jīng)驗，初步擬定瀝青路結(jié)構(gòu)為6 cm 中粒式瀝青混凝土+4 cmSMA 瀝青瑪蹄脂混合料。

5.2 計算路面剛度半徑

根據(jù)混凝土路面參數(shù)的評定，取混凝土泊松比為0.15，則各參數(shù)數(shù)據(jù)見表6，計算混凝土路面風度半徑。

表6 原混凝土各參數(shù)數(shù)值

5.3 計算荷載疲勞應力和極限軸載應力

設計軸載產(chǎn)生的荷載應力：

極限軸載產(chǎn)生的荷載應力：

由hc=0.20，Ec/Et=131.63，查規(guī)范得ξa=1.72。

計算有瀝青混凝土加鋪層時舊混凝土板產(chǎn)生的荷載應力σpsa和極限荷載應力σpma：

計算疲勞荷載系數(shù)kf==1.44。

道路采用混凝土路肩。路肩作為非機動車道使用，應力折減系數(shù)kr=0.9。

道路等級為二級公路kc=1.05。

計算混凝土面層的疲勞應力σpr和極限疲勞應用σp，max：

5.4 計算溫度疲勞應力

道路位于Ⅱ區(qū)，最大溫度梯度取85℃，ha=0.1 m，溫度梯度修正系數(shù)取ξt=0.59，則溫度為Tg=51℃，板橫縫間距為5 m。計算溫度應力系數(shù)：

計算最大溫度梯度下最大溫度應力

項目位于Ⅱ區(qū)，查得溫度疲勞系數(shù)參照表7。

表7 溫度疲勞系數(shù)

計算混凝土面板的溫度疲勞應力：

計算有瀝青加鋪層時混凝土面板溫度疲勞應力和最大溫度力：

5.5 綜合疲勞作用校核

二級公路目標可行度為85%，變異水平為中，可確定可靠度系數(shù)為rr=1.1。

因此，設計方案可滿足荷載應力和溫度應力的綜合疲勞作用。

5.6 路面結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)校核

因此，設計方案可滿足最大軸載在最大溫度梯度下的一次強作用。

6 結(jié) 語

混凝土路面改造的核心是采用合理的方式延緩反射裂縫，延長道路的使用壽命。本文總結(jié)水泥混凝土路面改造的要點，總體來說有以下三點：

（1）重視原混凝土路面的處理。在混凝土路面綜合評定的基礎上，合理選用去除新建、碎石化及各類病害處理措施，保證原混凝土板面滿足要求。

（2）加強層間組合設計。結(jié)合項目實際情況，采用路面銑刨、抗裂貼與玻纖格珊層、應力吸收層等方式加強層間組合，減緩反射裂縫。

（3）瀝青加鋪層厚度應滿足要求。先定設計方案，后應從綜合疲勞作用和極限荷載作用兩個方面對路面結(jié)構(gòu)進行驗算，確保設計方案在設計基準期內(nèi)的正常使用。