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旧水泥混凝土路面加铺改造方案比选

张善卢拥军

【江苏省交通厅公路局　南京　210004】　【江苏省交通科学研究院　南京　210017】

摘　要：本文结合沪宜线（胡埭至漕桥）养护改善工程，针对旧水泥混凝土路面加铺改造，运用新技术、新材料，对用沥青加铺层改造旧水泥混凝土路面的方法和理论作进一步的研究，力图找到符合国情、切实可行的改造措施。
关键词：路面　水泥　改造　方案??

　　目前，我国现有的水泥混凝土路面，有相当一部分已接近或超过设计年限，有的虽未达到设计年限，但由于交通量剧增，汽车轴载日益重型化及设计、施工等方面的原因，导致路面损坏、使用品质下降等情况，影响了道路的使用功能，急需改造、修复路况。与沥青路面相比，水泥混凝土路面的修复比较困难，可采用的大修措施有三种：加铺沥青混凝土面层、加铺新水泥混凝土面层和翻修。由于沥青加铺层能有效地改善旧水泥路面的使用性能，同时充分利用旧水泥路面，造价低，施工方便，且对交通、环境影响小，因此在国内外旧水泥路面改造工程中应用最多。然而沥青加铺层中迅速发展的反射裂缝将影响加铺层的使用寿命，如何控制反射裂缝产生的时间和扩展的速度至今仍是一道难题。?
　　沪宜线（胡埭至漕桥）始建于解放前，中间经过若干次改造，因资料不详,无法考证.至1992年时，该路基宽11m，路面为7m宽的沥青混凝土，全线共有桥梁16座，涵洞76道；1992年年底改建成18m宽路基，12m宽的水泥混凝土路面，1994年对K6+800～K10+200段4cm中粒式沥青混凝土罩面处理；1996年又对全线的路肩进行了补强，具体为4cm沥青混凝土+1cm沥青下封层+30cm二灰结石+土基，同时对局部路段进行了灰土处理，目前该路段全长13.38km，路基宽18m，路面宽17m，两边各0.5m宽挡土墙。加铺改造后要求为高等级沥青路面。

1　改造原理?
　　采用沥青混凝土面层作为旧路面的加铺层是一种典型的补强方法,这种形式的路面结构能吸收两种材料的优点：即旧水泥混凝土提供了稳定、坚实的基层,沥青混凝土路面提供了一个摩阻系数较高、平整度好的面层,大大改善了路面的使用性能。然而普遍存在这样一个问题：沥青加铺层中出现反射裂缝,反射裂缝本身对罩面层的使用性能影响不大,但环境因素的负效应常常使裂缝迅速扩散,从而缩短罩面层的寿命。为减少反射裂缝的数量和延缓反射裂缝的发展速度,60年代起国外开展了防治沥青加铺层反射裂缝的研究。我国自80年代以来也进行了诸多研究,这些研究主要集中在针对控制反射裂缝产生和发展的力学分析上,并提出了一些防范措施,涉及整个路面结构,这些措施大致可分为改善沥青罩面层性能、设置中间加筋层和增设补强层三类。

2　加铺层厚度计算?
　　沥青混凝土加铺层设计是设计沥青加铺层厚度，而该厚度由行车荷载和防反射裂缝两个因素控制。由于水泥混凝土面板本身强度较高，仅做为路面基层，其上再加铺沥青混凝土路面结构，因此，行车荷载控制不是加铺层设计的重要因素，而防止反射裂缝的产生是加铺层设计的关键。虽然我国目前旧水泥路面改造工程日益增多，但我国现行的《公路工程沥青路面设计规范》并没有把旧水泥混凝土路面上沥青混凝土加铺层设计这一内容包括在内，而国外对此研究起步较早，目前已形成的ARE设计法、美国沥青协会（AI）法、AASHTO罩面设计方法、美国工程兵团和联邦航空局(FAA)法四种相对成熟的沥青混凝土罩面设计方法，按各种方法计算旧水泥混凝土路面上直接加铺沥青混凝土的厚度在15cm左右，经分析该路段采用15cm的沥青混凝土加铺层。由于该加铺厚度是在做了一些假设,按理论方法或是在国内外一些试验结果的基础上得出的,难免会与我省的实际情况有些出入，而且国内外的实验研究也表明，防止反射裂缝是沥青混凝土加铺能否成功的关键问题。因此，在设计方案时也专门考虑了防止反射裂缝的对策，提供了以下三种方案，而不主张在旧水泥路面上加铺沥青混凝土。

3　加铺层方案比选?
3.1　设计方案(一)?
　　为防止反射裂缝的产生，国外多采用加厚沥青加铺层的方法，但单纯依靠增加厚度的方法有其弊端：一方面增加厚度必将增加路面造价；而且在夏季高温情况下，沥青混合料高温蠕变易产生车辙，也没有了由于旧水泥混凝土板做基层所产生强基薄面的优势，故而这一方法对于高等级公路是不可取的。?
　　针对这一情况，国内外道路工程界专家进行了大量的研究，研究结果表明在旧水泥混凝土路面与沥青加铺层之间加铺一层弹性模量较高的应力加筋夹层，以吸收或缓冲裂缝尖端的应力集中，对于抑制反射裂缝的产生和扩散具有一定的效果。?《公路水泥混凝土路面养护规范》提到防治反射裂缝的措施有铺设土工格栅，铺贴土工布和粘贴改性沥青油毛毡，故在本方案中建议铺设玻璃纤维土工格栅(见图1)。该格栅耐高温性能好,摊铺热沥青混凝土不会产生变形,但其对施工要求比较严格，铺设玻璃纤维土工格栅前，首先要对旧水泥混凝土路面进行整平处理，以避免格栅下方出现脱空，造成沥青路面损坏，在摊铺沥青层时，严禁汽车在土工格栅上掉头，以防碾坏土工格栅。
　　该设计方案路面结构简单明了，除了加铺15cm的沥青混凝土之外，只另外加设了一层玻璃纤维和改性沥青油毡。玻璃纤维的价格大约为15元/m?2，这样整个结构的造价比较便宜，施工工艺也不复杂。加铺一层玻璃纤维和15cm的沥青混凝土
的确起到防止反射裂缝的作用，但对旧水泥板的处理要求较高，旧混凝土板块除了对常规的结构性病害的处理之外(各类病害的板块处理参照（《公路养护技术规范》JTJ073-96执行)，还要根据老路加铺结构层进行改造的特殊性情况，提出相应的指标要求。

图1　方案(一)所示路面结构

　　本次改造中采用的指标是借鉴宁扬（州）一级公路高速化改造过程中对旧水泥混凝土板的处理方式：对板块进行逐板测量调查，逐块把关控制进行修补，以旧水泥混凝土板块的单点实测弯沉值和板间实测弯沉差控制。?
　　对于方案一，板块单点弯沉控制指标(单位0.01mm)为：?
　　(1)单点实测弯沉值Lr≤14,不予处理；?
　　(2)单点实测弯沉值14＜Lr≤40,钻孔压浆处理；?
　　(3)单点实测弯沉值Lr＞40,则按脱空板处理，整板破碎，处理基层，新浇混凝土板块。
　　(4)灌浆后两相邻板间弯沉差控制在0.06mm?以内。?
　　该方案加铺层结构造价为322万元/公里（不含桥梁及沿线设施工程造价）。

3.2　设计方案(二)?
　　土工织物或网格防治路基水平位移比剪切位移更有效，当应用于传荷能力很差的路面时，对防治反射裂缝就显得无能为力。二灰碎石这种大变形的材料可以用来缓冲剪切变形，减缓了沥青加铺层中应力集中现象，玻纤格栅的存在可进一步延长裂缝扩展到沥青层中的时间，起到了延缓反射
　　裂缝产生的作用。该路面结构形式，由于又多加了一层二灰碎石，工程造价就高些，而施工工艺也较复杂，但这防止反射裂缝的效果要比前一种好，花一定的代价来获得结构的长期稳定可靠。?
　　该方案(见图2)对施工工期较方案(一)短，对旧水泥板的处理比方案(一)要求低(各类病害的板块处理参照《公路养护技术规范》JTJ073-96执行：

图2　方案(二)所示路面结构

　　对于方案(二)，板块单点弯沉控制指标(单位0.01mm)为：
　　(1)单点实测弯沉值Lr≤20,不予处理；?
　　(2)单点实测弯沉值20＜Lr≤40,钻孔压浆处理；?
　　(3)单点实测弯沉值Lr＞40,则按脱空板处理，整板破碎，处理基层，新浇混凝土板块。
　　该方案加铺层结构造价为334万元/公里（不含桥梁及沿线设施工程造价）。

3.3　设计方案(三)
　　为了防止路基反射裂缝的产生而又不过分加大沥青混凝土加铺层的厚度，方案三建议把旧的混凝土板打碎以减少板长，并碾压固定，来防止反射裂缝。?
　　沪宜线胡埭至漕桥段由于结构承载力不足、交通量剧增、汽车超载严重，旧水泥混凝土板普遍存在脱空、断板、错台等现象，在参照省内外相关工程改造实例的基础上，本方案先采用冲击锤将旧水泥混凝土板破碎成20cm×20cm以下的混凝土碎块，振动压路机碾压，使破碎板块与板下基层贴合紧密，保证板块稳定，再每板检查弯沉值，对于弯沉大于120(0.01mm)的点须进行基层加固处理；为了防止雨水下渗而破坏板下基层，同时为了维持适当的通车条件，在破碎板上做了5cm沥青贯入式路面；采用二灰碎石半刚性补强层，二灰碎石层的厚度，根据路面补强方法设计。本方案最关键的一道工序就是如何有效地破碎水泥混凝土板，这样就提高了工程造价，增加了施工难度，也对沿线桥梁改造造成了困难（主要是指桥梁纵断面标高），该方案(见图3)对硬路肩的改造要求较方案(一)、方案(二)低。

图3　方案(三)所示路面结构

　　对于强度和整体性较好的路面采用破碎旧水泥混凝土板技术，会破坏基层的整体性，增加其它破坏类型的可能；由于旧水泥板破碎，地下水由于毛细现象将会沿破碎板缝隙上升，地下水侵入二灰碎石基层的可能性增大，容易导致二灰碎石基层开裂，加速沥青加铺层反射裂缝的产生。对该方案的选用应结合板块病害情况，对造价、施工工期、施工组织等进行综合比选。?
　　该方案对施工工期较方案(一)、方案(二)长，对破碎旧水泥板的处理要求如下：?
　　(1)单点实测弯沉值Lr≤120的板块和路段,不予处理；?
　　(2)单点实测弯沉值Lr＞120的板块和路段,进行翻修加固基层。?
　　该方案加铺层结构造价为357万元/公里（不含桥梁及沿线设施工程造价）。

3.4　加铺层推荐方案?
　　从上面几种加铺方案并结合本路段的路况调查情况我们不难发现,方案(一)造价最低，而且路面仅加铺18cm，对桥梁改造有利，但其对旧水泥板的处理要求最高，施工工期较长，能否彻底解决板底脱空、不均匀受力、传荷能力差等病害是该方案的关健，其“防反”的效果和程度是由多种因素控制，对于破板较严重的路段应慎重考虑；方案(三)造价最高，该方案最关键的一道工序就是破碎水泥混凝土板，该方案改造原理明确，将旧水泥板打碎，减少了板长,消除了温度型反射裂缝的产生，但增加了沿线16座桥梁改造难度，而且容易受到地下水的侵害；方案(二)造价比方案(一)略高，施工工艺也较复杂，但该方案同时利用了混凝土老路及沥青加铺层的优点：经修补的混凝土路面提供了稳定坚实的基层，采用玻纤格栅加筋层及二灰碎石层可有效地防止混凝土板块的温度、竖向剪切应力的作用，且该方案防止荷载型反射裂缝的效果要比方案(一)、方案(三)好，施工质量容易控制，花一定的代价来获得结构较长稳定是值得的，而且这一方案对地下水位较高的沪宜线胡埭至漕桥段来说尤其适用。综合考虑其经济上的合理性和技术上的可行性，推荐采用加铺方案(二)。

4　结束语?
　　1.目前部分水泥混凝土路面正处于维修、待修状态，旧混凝土路面行车舒适性差，车速难以提高状况是目前急需解决的问题。
　　2.对用沥青加铺层改造旧水泥混凝土路面的方法和理论仍将作进一步的研究，力图找到符合国情、切实可行的改造措施。?
　　3.沪宜线（胡埭至漕桥）旧水泥混凝土路面改造中，采用玻纤格栅、改性沥青油毡、改性沥青SMA等新材料、新工艺，从目前通车情况来看，效果较为理想，由于裂缝的发展需要一定的时间，对于玻纤格栅、改性沥青油毡、改性沥青SMA等新材料抑制反射裂缝的效果尚有待今后长期观察。