舊水泥混凝土路面改造方案設(shè)計(jì)

王樹(shù)波

(經(jīng)緯高速公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司，江蘇淮安 223005)

我國(guó)公路修建水泥混凝土路面已有幾十年的歷史，隨著我國(guó)公路建設(shè)事業(yè)迅速發(fā)展和水泥混凝土路面里程不斷增長(zhǎng)，路面危害問(wèn)題日顯突出，養(yǎng)護(hù)維修工作日益繁重。特別是近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，交通荷載的日益重型化，交通量的大幅度增長(zhǎng)，超載車(chē)輛日趨嚴(yán)重，加速了水泥混凝土路面的損壞。因此，加強(qiáng)水泥混凝土路面的養(yǎng)護(hù)與改造，延長(zhǎng)水泥混凝土路面的使用壽命，是地方公路交通部門(mén)面臨的一個(gè)刻不容緩的任務(wù)。

1 舊水泥混凝土路面病害現(xiàn)狀

對(duì)舊水泥路路面結(jié)構(gòu)、性能、路面損壞、使用品質(zhì)等進(jìn)行全面調(diào)查與分析是進(jìn)行舊水泥混凝土路面改造設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，也是提出有針對(duì)性的處治方法、有效改善舊水泥混凝土路面行車(chē)條件的前提。由于水的防治、路基土質(zhì)條件、路基地下水位、路基沉降、面層強(qiáng)度、超重荷載、設(shè)計(jì)和施工等原因，使得舊水泥路在接近或未達(dá)到設(shè)計(jì)年限時(shí)就存在眾多病害狀況。其中，其路面病害可以概括為斷裂類病害、豎向位移類病害、接縫類病害、表層類病害等[1]。

2 舊水泥混凝土路面病害成因分析

2.1 水泥混凝土路面材料的特性

水泥混凝土路面是一種剛度較大、擴(kuò)散荷載應(yīng)力能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好和使用壽命長(zhǎng)的路面結(jié)構(gòu)，然而由于其面層材料的極限變形能力小、材料的脆性大，使得面層的變形適應(yīng)能力較弱，面層與基層之間輕微的均勻脫空或者基層的彎沉超標(biāo)均可使面層的承載力顯著降低。同時(shí)由于脫空、彎沉位移等原因，使得水泥混凝土路面依然常常遭到破壞，路面強(qiáng)度降低。此外，水泥混凝土面層下基層的首要要求是給面層提供一個(gè)均勻的支撐面，要滿足這個(gè)條件就要求基層的抗沖刷能力強(qiáng)，因此，不耐沖刷的基層表面，在滲入水和荷載的共同作用下，會(huì)產(chǎn)生泵吸、唧泥現(xiàn)象，造成板底脫空和錯(cuò)臺(tái)等病害，引起路面行車(chē)顛簸，導(dǎo)致行車(chē)的不舒適，并加速和加劇板的斷裂。

可見(jiàn)，普通水泥混凝土路面不適應(yīng)于基層和路基不均勻變形和不均勻沉降，要求具有相對(duì)穩(wěn)固、均勻的路基和基層支撐條件。水泥混凝土路面的致命缺點(diǎn)之一在于水泥混凝土的脆性，致使剛性面層難以適應(yīng)基層的較大變形或脫空，從而發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。

2.2 水造成板底脫空的機(jī)理

水沿著路面之間的橫縫進(jìn)入板下，會(huì)在路面板縫隙處聚集，因?yàn)槁访姘搴突鶎娱g總是有縫隙的，在行車(chē)荷載作用下路面板產(chǎn)生泵吸、唧泥現(xiàn)象。板端脫空和不均勻支撐在引起板端出現(xiàn)橫向裂縫的同時(shí)，還會(huì)導(dǎo)致角隅斷裂;板中的不均勻支承導(dǎo)致板中部出現(xiàn)橫向裂縫;另外，板底沿長(zhǎng)邊方向的脫空會(huì)導(dǎo)致板中出現(xiàn)縱向裂紋。

2.3 面層與基層間的界面狀況分析

現(xiàn)行的水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)是將水泥混凝土直接澆筑在基層表面形成的，將混凝土直接澆筑在基層表面后，水泥砂漿滲入基層后形成的具有一定深度的，力學(xué)性質(zhì)介于面層與基層之間的一個(gè)中間層。在面層混凝土澆筑在基層上后，中間層將面層與基層粘結(jié)為一個(gè)整體。

水泥混凝土面層與基層分離后，面層底面嚴(yán)重?fù)p傷且極不平整，層間將出現(xiàn)非均勻脫空。層間支承狀況與路面破壞之間存在因果關(guān)系，面層與基層從初始的結(jié)合狀態(tài)逐漸發(fā)展演變，這一過(guò)程中，路面結(jié)構(gòu)的層間支承邊界條件將發(fā)生變化，這些變化直接影響路面的受力狀態(tài)。面層與基層之間破碎層的出現(xiàn)，將對(duì)路面的破壞產(chǎn)生多種綜合性的影響。

3 舊水泥混凝土路面改造方案設(shè)計(jì)

3.1 防治反射裂縫的技術(shù)措施

由于舊水泥混凝土路面延性差，容易收縮，產(chǎn)生干縮裂縫和低溫收縮裂縫，同時(shí)在車(chē)輛荷載和溫度變化影響下，很容易使得舊水泥混凝土路面產(chǎn)生反射裂縫，從而使得路面整體強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、美觀性和行車(chē)舒適性大大降低，同時(shí)縮短了公路的整體使用壽命。

1)設(shè)置中間夾層?？紤]路面交通量及交通組成特點(diǎn)，保持路面結(jié)構(gòu)組合對(duì)交通荷載承受能力要求，在舊水泥混凝土路面和加鋪層之間設(shè)置夾層，通過(guò)調(diào)整結(jié)合料用量與比例，增加粗骨料含量并嚴(yán)格設(shè)計(jì)級(jí)配，以盡可能的減小其溫縮和干縮系數(shù)，增加半剛性基層材料強(qiáng)度與剛度，增加抗裂性能。

2)設(shè)置裂縫緩解層。使用防裂效果更好的面層或基層材料，設(shè)置裂縫緩解層，如在加鋪層下部設(shè)置瀝青穩(wěn)定碎石、瀝青碎石組成的裂縫緩解層，同時(shí)緩解層還能充當(dāng)具有排水功能的基層，從而降低反射裂縫發(fā)生的可能性。

3)設(shè)置補(bǔ)強(qiáng)層。基于材料加筋機(jī)理、常規(guī)性能的試驗(yàn)比較，可在原水泥混凝土路面上加鋪半剛性基層補(bǔ)強(qiáng)層，既可以提高路面的承重能力，又可以降低加鋪層形成反射裂縫的可能性。如加鋪土工織物、鋼絲網(wǎng)、油氈、鋸口封縫或格柵，設(shè)置瀝青橡膠層、瀝青砂層、瀝青混合料連接層(過(guò)渡層)等可對(duì)加鋪層起少量加筋作用。

3.2 路面加鋪方案設(shè)計(jì)

水泥混凝土路面加鋪方案設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)道路使用任務(wù)、性質(zhì)和要求，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂?、水土、材料、施工技術(shù)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及環(huán)境保護(hù)要求等，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以最低的壽命周期費(fèi)用提供一種合適的路面結(jié)構(gòu)。

對(duì)路面加鋪方案設(shè)計(jì)，初步擬定以下三種方案 :

1)舊水泥混凝土碎石化基層+瀝青穩(wěn)定碎石+瀝青混凝土;2)舊水泥混凝土碎石化基層+LSPM+高模量瀝青混凝土;3)舊水泥混凝土碎石化基層+橡膠瀝青應(yīng)力吸收層+瀝青混凝土。

路面受力方向如圖1所示，對(duì)以上改建方案利用APBIH97軟件做力學(xué)計(jì)算(三種方案做了力學(xué)計(jì)算，根據(jù)軟件使用方法依次輸入表1中數(shù)據(jù)，彈性模量、泊松比、厚度。計(jì)算時(shí)取面層厚度6 cm，基層厚度10 cm，載荷數(shù)目為1即單圓荷載，載荷集度為0.707 MPa，載荷半徑為10.65 cm)，再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成本等方面比較選優(yōu)。

表1 加鋪方案力學(xué)計(jì)算時(shí)利用的數(shù)據(jù)

3.3 路面加鋪方案的力學(xué)計(jì)算與比較

利用APBIH97軟件對(duì)a，b，c三種方案進(jìn)行力學(xué)計(jì)算比較。由于對(duì)道路結(jié)構(gòu)破壞形成的因素有許多，而最大的影響因素就是拉應(yīng)力的大小，故對(duì)三種方案的拉應(yīng)力作比較，如圖2所示。

由圖2可以看出三種方案中，方案a的拉應(yīng)力最大，其次是方案b，最小的是方案c，故方案c是最優(yōu)方案(三種方案的拉應(yīng)力相差不大，所以在技術(shù)性能上，三種方案都可推薦，但是在經(jīng)濟(jì)方面，需要結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)條件考慮)。

3.4 路面加鋪方案的經(jīng)濟(jì)分析

將技術(shù)方案和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)有機(jī)結(jié)合起來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)方案比選是工程建設(shè)中亟待解決的問(wèn)題之一。通過(guò)對(duì)三種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的路面通車(chē)后使用性能和建設(shè)投資進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，及對(duì)各結(jié)構(gòu)方案的性能—費(fèi)用比的分析，為加鋪方案優(yōu)選提供參考。

通過(guò)估算，三種方案在改造后的使用壽命差不多，一般可以投入使用3年～4年不用大修，在使用性能上，方案都比較理想，然而方案里所用到的材料在價(jià)格上一定有差別。對(duì)這三種方案基層材料做個(gè)比較，基層材料假設(shè)厚度10 cm，面積以平方米為單位，其價(jià)格如表2所示。

表2 中間層材料價(jià)格 元/m2

三種方案的材料單價(jià)顯示方案a建設(shè)投入資金少，造價(jià)低。在力學(xué)分析時(shí)，方案c要比其他兩種方案好，在經(jīng)濟(jì)充裕的條件下，方案c是很好的選擇。

3.5 混凝土路面加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到加鋪層需要承受交通荷載和氣溫變化的影響，同時(shí)需要保證表面平整、耐磨、抗滑，因此其應(yīng)滿足以下要求，即混凝土的彎拉強(qiáng)度應(yīng)滿足表3的要求[5]。

表3 拉彎強(qiáng)度表

混凝土路面的平整度以3 m直尺量測(cè)為準(zhǔn)，3 m直尺與路面表面之間的最大間隙，高速公路和一級(jí)公路不應(yīng)大于3 mm;其他各級(jí)公路不應(yīng)大于5 mm;混凝土路面的平整度也可用平整度儀測(cè)定。

混凝土路面的抗滑性以構(gòu)造深度(TD)為指標(biāo)。其竣工驗(yàn)收值，對(duì)高速公路和一級(jí)公路不應(yīng)低于0.8 mm，對(duì)其他各級(jí)公路不應(yīng)低于0.6 mm。

4 結(jié)語(yǔ)

舊水泥混凝土路面改造方案的設(shè)計(jì)要根據(jù)道路使用任務(wù)、性質(zhì)和要求，結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颉⑺?、材料、施工技術(shù)、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及環(huán)境保護(hù)要求等，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以最低的壽命周期費(fèi)用設(shè)計(jì)一種合適的路面結(jié)構(gòu)。本文提出三種改造方案，分別是舊水泥混凝土碎石化基層+瀝青穩(wěn)定碎石+瀝青混凝土;舊水泥混凝土碎石化基層+LSPM+高模量瀝青混凝土;舊水泥混凝土碎石化基層+橡膠瀝青應(yīng)力吸收層+瀝青混凝土。通過(guò)力學(xué)計(jì)算分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)，對(duì)三種方案進(jìn)行了詳細(xì)的比較分析，進(jìn)而在防治反射裂縫、混凝土路面加鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面針對(duì)性的提出了舊水泥混凝土路面改造對(duì)策。

[1] 劉 滎.水泥混凝土路面改建技術(shù)[M].北京:人民交通出版社，2006.

[2] 閆寶杰，陳榮生.城市水泥混凝土路面改造工程中破裂穩(wěn)固技術(shù)的應(yīng)用[J].公路交通科技，2005(2):16-22.

[3] 王松根，張 宏，曹茂坤，等.水泥混凝土路面碎石化技術(shù)應(yīng)用與探討[J].公路，2004(5):5-8.

[4] 惠 勇，盧擁軍，林 琳，等.舊水泥混凝土城市道路加鋪新型瀝青層方案研究[J].現(xiàn)代交通技術(shù)，2006(6):20-26.

[5] 中華人民共和國(guó)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路混凝土路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范[M].北京:人民交通出版社，2001.