舊水泥混凝土路面提質(zhì)改造瀝青層加鋪方案研究

展宏圖

(1.公路交通安全與應(yīng)急保障技術(shù)及裝備交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，廣東 廣州 510420;2.華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420)

我國早期修建的水泥混凝土路面在經(jīng)過多年的交通荷載和雨水作用后，路面出現(xiàn)不同程度卿泥、錯臺、脫空、斷板等病害［1］，嚴(yán)重影響行車的安全性和舒適性。隨著人民生活水平的日益提高，對出行的要求也隨之提升，“白+黑”的復(fù)合式路面是目前國內(nèi)外最常用的一種提質(zhì)改造方案。

舊水泥混凝土路面加鋪改造技術(shù)關(guān)鍵是如何消除舊混凝土板的影響和綜合利用舊板的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，針對這一特點(diǎn)，論文以京港澳國家高速公路(G4)湘潭至耒陽段提質(zhì)改造工程為依托，從路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性等方面分別對直接加鋪、共振碎石化以及CRC+AC 復(fù)合式路面等3 種路面結(jié)構(gòu)形式分別進(jìn)行比較分析，比選出適用于潭耒高速公路重載交通環(huán)境的路面結(jié)構(gòu)形式。

1 提質(zhì)改造加鋪方案

針對南方氣候條件，結(jié)合潭耒高速公路重載交通環(huán)境，原有水泥路面設(shè)有傳力桿的狀況，施工經(jīng)驗(yàn)和養(yǎng)護(hù)條件以及當(dāng)?shù)刂凡牧系墓?yīng)狀況，考慮加鋪改造結(jié)構(gòu)方案的針對性、可行性、適應(yīng)性和全面性，提出了3 種瀝青層加鋪方案。

1.1 加鋪層結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)現(xiàn)有加鋪改造工程的經(jīng)驗(yàn)，并根據(jù)潭耒高速公路特點(diǎn)，提出直接加鋪、共振碎石化以及CRC+AC 復(fù)合式路面3 種路面結(jié)構(gòu)形式，如表1 所示。

表1 瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)方案

1.2 方案選用原則

為使高速公路舊水泥路面加鋪改造工程適應(yīng)交通荷載和環(huán)境的要求，具有整體性好、均勻穩(wěn)定，且滿足防反射裂縫、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗滑性能、平整度好等使用功能，選取路面結(jié)構(gòu)方案應(yīng)考慮如下原則:

1)方案的全面、系統(tǒng)與適應(yīng)性原則。結(jié)合潭耒高速公路水泥路面特點(diǎn)，交通荷載條件與自然環(huán)境，針對水泥路面損壞狀況和程度，結(jié)構(gòu)接縫傳荷能力。采用的加鋪改造方案，應(yīng)充分考慮方案的適應(yīng)性。

2)舊板充分利用原則。盡可能充分利用現(xiàn)有水泥路面，少廢棄，減少舊水泥路面改造工程對周邊環(huán)境的影響。

3)技術(shù)成熟、工期短與可行性原則。所提出的舊水泥路面改造方案技術(shù)上應(yīng)成熟，結(jié)構(gòu)上應(yīng)簡單、層次盡可能少，施工工藝不復(fù)雜、工序少，工期短，實(shí)施上應(yīng)可行，并能滿足湖南的交通與氣候條件。

4)因地制宜原則。全面了解、掌握湖南省現(xiàn)有高速公路水泥路面的現(xiàn)狀，結(jié)合潭耒高速公路水泥路面的技術(shù)狀況(設(shè)有傳力桿)，根據(jù)不同路面病害程度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提出針對性改造方案。

5)結(jié)構(gòu)安全可靠原則。在滿足交通量及道路服務(wù)功能的前提下，盡可能選擇結(jié)構(gòu)耐久、工藝成熟可靠的加鋪路面結(jié)構(gòu)方案。

6)兼顧全壽命周期成本原則。統(tǒng)籌考慮改造、養(yǎng)護(hù)、運(yùn)營的全過程成本，降低工程造價，選取全壽命周期最經(jīng)濟(jì)的加鋪路面方案。

2 方案技術(shù)比選

2.1 直接加鋪瀝青面層方案

潭耒高速公路舊水泥路面換板壓漿加鋪瀝青面層結(jié)構(gòu)，由于舊板厚度27 cm，且橫向接縫設(shè)有傳力桿，并有兩層半剛性基層，舊板通過換板壓漿綜合處理后，仍是復(fù)合加鋪結(jié)構(gòu)的承重層，瀝青面層主要起溫度效應(yīng)、減緩荷載應(yīng)力水平和表面功能作用。

采用《公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D40－2011 中的方法計(jì)算對舊混凝土層厚度進(jìn)行計(jì)算和驗(yàn)算［2］。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為30 a，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)2 748.170 萬次，舊板彎拉強(qiáng)度按3.0 MPa，舊板厚度27 cm，考慮舊板的磨耗，按26 cm 進(jìn)行計(jì)算結(jié)構(gòu)應(yīng)力:

結(jié)構(gòu)綜合疲勞應(yīng)力滿足30 a 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的要求，且溫度應(yīng)力較小，說明厚瀝青加鋪層對水泥面板溫度梯度和溫度翹曲應(yīng)力影響較大，瀝青面層的溫度效益明顯。

由于潭耒高速公路舊水泥路面板設(shè)置了橫向接縫傳力桿，相對于長潭、長益、長永、蓮易高速公路水泥路面結(jié)構(gòu)，減弱了瀝青加鋪層結(jié)構(gòu)荷載作用下接縫處的豎向剪切應(yīng)力與剪切破壞;溫度變化下板的水平變形所造成的板接縫處的水平位移所產(chǎn)生的反射裂縫，在厚瀝青面層下雖然存在，但大為緩和，但通過對潭耒高速公路舊水泥路面板接縫傳荷能力的調(diào)查發(fā)現(xiàn)左右兩幅超、行車道面板接縫傳荷能力均較差，其中右幅評價為中及中以下的面板比例均超過95%，左幅甚至達(dá)到100%。其中，“次、差”的比例右幅超過20%，左幅超過34%，因此，此加鋪結(jié)構(gòu)仍需考慮橫向接縫處反射裂縫的延緩問題。

本項(xiàng)目主要針對接縫處的豎向與水平變形問題，擬采取可靠的厚瀝青面層方案，并對舊水泥混凝土板進(jìn)行清縫、SBS 改性瀝青(或其他性能優(yōu)良瀝青基灌縫材料)灌縫和道路專用防水卷材(或玻璃纖維防裂布、聚酯長絲土工布)貼縫，既延緩反射裂縫又防止雨水下滲至舊板結(jié)構(gòu)內(nèi)，同時加強(qiáng)舊板邊緣結(jié)構(gòu)內(nèi)部排水。

2.2 共振碎石化方案

國內(nèi)外防治反射裂縫的常用做法就是將舊水泥混凝土板進(jìn)行破碎后再進(jìn)行加鋪。共振破碎工藝，克服了沖擊打裂工藝對周邊環(huán)境的影響和沖擊、多錘工藝不適應(yīng)軟弱地基的情況［3，4］。共振碎石化以后的水泥混凝土面板作為加鋪改造后路面結(jié)構(gòu)層的承重層，其抵抗變形性能優(yōu)于級配碎石的變形性能［5，6］。

振動錘并不在一個點(diǎn)上連續(xù)振動，而是快速向前移動的，使碎石化層上部的破碎顆粒較小，下部的破碎顆粒較大。這樣的結(jié)構(gòu)首先是小粒度可更好地消除反射裂縫，同時下部的較大的粒度相互緊密嵌鎖，提高了結(jié)構(gòu)的承載能力;其次是上部小粒度穩(wěn)定密實(shí)有利于路面滲水的橫向排除，下部的大粒度又可橫向排水，防止雨水滲入下部結(jié)構(gòu)。

舊水泥路面共振破碎加鋪瀝青面層結(jié)構(gòu)，按瀝青路面多層彈性體系模型［7］，采用軟件HPDS－2011 進(jìn)行承載能力計(jì)算。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為15 a，參照京港澳高速公路湖南耒宜段瀝青路面設(shè)計(jì)彎沉Ld=18.51(0.01 mm)，反算設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)軸載累計(jì)作用次數(shù)為3 578.69 萬次，屬特重交通。共振破碎后結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝越Y(jié)構(gòu)，路面結(jié)構(gòu)類型系數(shù)Ab取1.6，則設(shè)計(jì)彎沉Ld=29.6(0.01 mm)。舊混凝土板共振層厚度考慮1 cm 的磨耗，取為26 cm。

現(xiàn)行的規(guī)范對碎石化后的回彈模量的參數(shù)的取值尚無明確的規(guī)定。由于共振破碎層與級配碎石性質(zhì)相似，故本文將共振破碎層的回彈模量按現(xiàn)行規(guī)范中級配碎石要求以及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，分別取共振破碎后、光輪壓路機(jī)碾壓過后、灑鋪乳化瀝青后3 種情況，取400、600、900 MPa 進(jìn)行計(jì)算。AC－30 粗粒式瀝青層的厚度，如表2 所示。

表2 不同回彈模量下AC－30 粗粒式瀝青層的厚度

通過上述計(jì)算可看出，方案2 基本滿足承載力要求。但舊板共振破碎后，如舊板結(jié)構(gòu)承載能力下降幅度較大時，會使瀝青面層底面的彎拉應(yīng)力增大，在潭耒高速公路重載交通以及湖南多雨、氣候條件惡劣等情況作用下，瀝青加鋪結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生疲勞開裂。故對此路面結(jié)構(gòu)應(yīng)慎重采用。

2.3 CRC+AC 復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)

舊水泥路面加鋪CRC+AC 復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)，已在湖南長潭高速公路(2003 年45 km)、長永高速公路黃花至永安段(2006 年8 km)、常吉高速公路新建試驗(yàn)路(2008 年1 km)、長益高速公路西半幅(2011 年58.3 km)中應(yīng)用，取得了較好的效果。

連續(xù)配筋水泥混凝土路面在縱向配置連續(xù)鋼筋，中間不設(shè)橫向接縫，不僅提高了路面板的整體性，防止瀝青面層的反射裂縫，并且連續(xù)配筋層作為路面結(jié)構(gòu)的主要承重層，為面層提供了可靠的支持，使彎沉、車轍減少，并能相應(yīng)減少柔性面層所需厚度。瀝青面層主要作用為降低混凝土板的荷載應(yīng)力與溫度應(yīng)力(溫度梯度)，并對車輛沖擊荷載起到緩沖作用，并加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的防水作用，減少了雨水對混凝土板的影響。

CRC+AC 復(fù)合式瀝青路面是彈性半空間地基上的連續(xù)配筋混凝土彈性薄板上覆瀝青混合料彈性層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，并承受交通荷載和環(huán)境溫度變化多種因素作用，在結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算上，目前技術(shù)規(guī)范還沒有明確的設(shè)計(jì)方法，并且該結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)層次多，施工不方便、工期較長，工程造價相對較高，路面破壞以后很難修復(fù)。

CRC+AC 復(fù)合式路面是一種使用性能良好的結(jié)構(gòu)，能充分滿足重載交通條件下路面結(jié)構(gòu)的耐久性要求，是我國重載交通高速公路長壽命路面結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向。

3 方案經(jīng)濟(jì)比選

根據(jù)湖南省造價站造價信息及項(xiàng)目部提供的投標(biāo)價格清單，估算各種加鋪改造方案造價如表3 ～表6。

表3 試驗(yàn)路方案造價及工期比較

表4 方案1 直接加鋪瀝青面層造價估算

表5 方案2 共振破碎加鋪瀝青面層造價估算

表6 方案3CRC+AC 復(fù)合式路面造價估算

對已投入使用的高速公路，尤其是國家高速公路網(wǎng)主干線，進(jìn)行封閉式施工，將對人民的出行和運(yùn)輸造成影響，臨時改變了人民的出行方式，造成社會的關(guān)注和不滿，甚至造成沿線居民的生活方式的改變。目前潭耒高速公路改造采取半幅封閉式施工方式，需借道潭衡西高速公路分流，需繞行50 km 左右。對社會車輛造成直接經(jīng)濟(jì)損失，包括繞行時間、燃油費(fèi)用、車輛機(jī)械損耗、車輛折舊、通行費(fèi)等費(fèi)用。如小車燃油按10 L/100 km 計(jì)，則多用5 L(7.2 元/L)，日交通量按3 萬計(jì)，消耗108 萬元，6 個月則為1.944 億元。按照CRC+AC 復(fù)合式路面結(jié)構(gòu)工期較直接加鋪方案長1 個月計(jì)算，CRC+AC 復(fù)合式路面方案費(fèi)用增加3 240 萬。CRC+AC 方案需2 套施工設(shè)備，拌和場建設(shè)場地需增加1 倍左右，增加臨時用地和費(fèi)用，相比直接加鋪方案需多投入1 000萬元。

對方案1，2，3 不同路面結(jié)構(gòu)使用性能進(jìn)行調(diào)查，采用CRC+AC 復(fù)合式路面方案的湖南長潭高速公路通車近12 a，路面使用性能良好;采用直接加鋪方案改造通車5 a 內(nèi)路面狀況一直較好，5 a 后反射裂縫增多，使用7 ～8 a 需要進(jìn)行中修罩面維修。采用CRC+AC 方案可減少1 ～2 次路面大中修，故雖CRC+AC 方案前期投入較多，從路面全壽命周期看CRC+AC 方案較為經(jīng)濟(jì)。因此，需要在重載交通條件下延長路面使用壽命，為我省建設(shè)四化兩型社會，為交通基本設(shè)施建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

直接加鋪適用路況良好路段，共振方案適用斷板和破碎板較多、路況較差路段。共振段如不破碎而按換板壓漿直接加鋪瀝青面層方案，其舊板處治費(fèi)用將較高，如換板20%、壓漿60%，換板單價160.39 元/m2，壓漿單價23.51 元/m2，則舊板處治平均費(fèi)用48.91 元/m2。比直接加鋪舊板處治費(fèi)用至少增加28.41 元/m2，綜合改造費(fèi)用單價將達(dá)到339.96 元/m2，超過共振破碎方案，因此，對于舊水泥路面損壞嚴(yán)重、舊板處治費(fèi)用較高時，交通量不大時宜采取破碎加鋪方案、交通量大且重車多時宜采取CRC+AC 方案可靠。

4 結(jié)論

1)通過承載能力計(jì)算，直接加鋪路面結(jié)構(gòu)方案可承受設(shè)計(jì)年限內(nèi)的累積當(dāng)量軸次，其主要需考慮橫向接縫處反射裂縫的延緩問題;舊板共振破碎后，如舊板結(jié)構(gòu)承載能力下降幅度較大時，會使瀝青面層底面的彎拉應(yīng)力增大，在潭耒高速公路重載交通以及湖南多雨、氣候條件惡劣等情況作用下，瀝青加鋪結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生疲勞開裂。

2)加鋪瀝青面層前舊板處治費(fèi)較高，如換板20%、壓漿60%，直接加鋪綜合改造費(fèi)用單價將達(dá)到339.96 元/m2，超過共振破碎方案。因此，直接加鋪適用路況良好路段，共振方案適用斷板和破碎板較多、路況較差路段。

3)CRC+AC 復(fù)合式路面是一種使用性能良好的結(jié)構(gòu)，能充分滿足重載交通條件下路面結(jié)構(gòu)的耐久性要求，雖前期投入較大，從路面結(jié)構(gòu)全壽命周期考慮該結(jié)構(gòu)可降低路面大修和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

［1］黃琴龍，陳達(dá)豪，凌建明，等.共振碎石化在上海水泥混凝土路面改建中的成效［J］.長沙理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2008，5(2):103－106.

［2］JTG D40－2011，公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

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［4］眭封云.對碎石化改造舊水泥混凝土路面的探討［J］.公路工程，2012，37(3):213－216.

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［7］JTG D50－2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.