水泥混凝土路面不同加鋪結(jié)構(gòu)彎沉特性比較分析

■高 亮

(福州市公路局，福州 350002)

1 前言

近年來，大量的公路水泥混凝土路面接近使用年限，或在重載交通下提前進(jìn)入壽命期，同時(shí)，隨著一些地區(qū)城市化進(jìn)程加速，對路面服務(wù)性能要求日益提高，對舊水泥路面進(jìn)行提升改造工作日漸加大。其中，在舊水泥路面上加鋪瀝青層以其快速、易施工、交通壓力小以及能利用舊水泥板強(qiáng)度的優(yōu)勢，在舊路改造中應(yīng)用最多。目前水泥路面加鋪瀝青主要有兩種方式，分別是直接加鋪瀝青和舊水泥路破碎后加鋪瀝青。前者由于加鋪基層為剛性路面，其原始接縫、裂縫處在荷載作用下產(chǎn)生的集中應(yīng)力向?yàn)r青面層傳遞后易造成瀝青面層斷裂，形成反射裂縫[1]；后者舊水泥路破碎后往往造成路面模量損失較多，路面承載力下降較大。關(guān)于如何解決反射裂縫、同時(shí)用最經(jīng)濟(jì)的方案保證路面承載力一直是困擾舊水泥路加鋪瀝青的技術(shù)難題。

為此，筆者依托省道203線“白改黑”路面改造，鋪設(shè)了八種水泥路面加鋪瀝青典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)路，并采集相應(yīng)的彎沉盆數(shù)據(jù)，結(jié)合舊水泥路加鋪瀝青結(jié)構(gòu)性能動力評價(jià)研究理論[2-6]進(jìn)行對比、分析，研究舊水泥路面加鋪瀝青不同結(jié)構(gòu)方案在實(shí)際應(yīng)用中的功能特性，探索、總結(jié)出各典型復(fù)合路面的優(yōu)劣，為今后舊水路加鋪瀝青面層的方案決策提供借鑒和參考。

2 水泥混凝土路面加鋪瀝青典型結(jié)構(gòu)

本次試驗(yàn)路根據(jù)現(xiàn)場舊路面破損調(diào)查情況結(jié)合路面計(jì)算，采用的加鋪瀝青路面結(jié)構(gòu)方案情況見表1：

3 數(shù)據(jù)采集

3.1 采集設(shè)備

采集溫度情況為：空氣溫度33.5℃～38℃，路表溫度28.6℃～34.9℃，瀝青層溫度18.8℃。彎沉測試設(shè)備采用丹麥Dynatest 8000型拖掛式脈沖式落錘彎沉車，其配備主要有彎沉傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器。彎沉測試時(shí)，通過計(jì)算機(jī)操控將5t的重錘經(jīng)液壓系統(tǒng)提升到一定高度，然后讓落錘自由下落至直徑30cm的承載板，從而產(chǎn)生周期0.03s的半正弦脈沖荷載。圖1為Dynastest 8000型FWD彎沉車。

落錘彎沉儀的9個(gè)彎沉傳感器分布在一條直線上，其各個(gè)彎沉傳感器距落錘中心點(diǎn)距離如表2。

圖1 FWD荷載作用原理

3.2 采集頻率

根據(jù)JTGE60-2008測試規(guī)程[7]，在試驗(yàn)路上根據(jù)實(shí)際取樣路段情況進(jìn)行布設(shè)測點(diǎn)，原則上每個(gè)取樣路段(不同結(jié)構(gòu)層)布設(shè)20個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)錘擊3次，前兩次加載作用主要是使彎沉承載板與路面緊密接觸，消除路面殘存松散顆粒對實(shí)測彎沉盆曲線的影響，減小試驗(yàn)誤差；第三次加載為實(shí)測真實(shí)值，取第三次實(shí)測值。FWD工作狀態(tài)見圖2。不同結(jié)構(gòu)路段FWD檢測樣本點(diǎn)統(tǒng)計(jì)如表3。

表1 水泥混凝土路面加鋪瀝青典型結(jié)構(gòu)

表2 9個(gè)彎沉傳感器到落錘中心點(diǎn)的距離

圖2 檢測狀態(tài)的FWD

表3 不同結(jié)構(gòu)路段FWD檢測樣本點(diǎn)數(shù)

4 復(fù)合路面結(jié)構(gòu)動力性能分析

4.1 各復(fù)合路面彎沉盆曲線圖

根據(jù)采集到的各復(fù)合路面彎沉盆數(shù)據(jù)，整理成彎沉盆曲線圖如圖3～10。

圖3 結(jié)構(gòu)一彎沉盆曲線圖

圖4 結(jié)構(gòu)二彎沉盆曲線圖

圖5 結(jié)構(gòu)三彎沉盆曲線圖

圖6 結(jié)構(gòu)四彎沉盆曲線圖

圖7 結(jié)構(gòu)五彎沉盆曲線圖

圖8 結(jié)構(gòu)六彎沉盆曲線圖

從上圖可以清晰看出，結(jié)構(gòu)一、二、四、五這些舊路未破壞直接加鋪瀝青的彎沉盆曲線在d1點(diǎn)附近出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，且彎沉盆曲線位置總體偏上；結(jié)構(gòu)六、七、八這些舊路破碎后加鋪瀝青的彎沉盆曲線相對平滑，且彎沉盆曲線位置總體偏下，其中結(jié)構(gòu)二彎沉盆曲線尤為集中；而結(jié)構(gòu)三舊路破壞程度在二者之間的其彎沉盆曲線平滑程度和曲線位置也在二者之間。

4.2 基于彎沉盆曲線數(shù)據(jù)的對比、分析

圖9 結(jié)構(gòu)七彎沉盆曲線圖

圖10 結(jié)構(gòu)八彎沉盆曲線圖

根據(jù)彎沉盆曲線圖對數(shù)據(jù)進(jìn)一步整理，得到各結(jié)構(gòu)最大彎沉值的均方差和平均值，如表4。結(jié)合水泥路加鋪瀝青結(jié)構(gòu)性能動力評價(jià)研究理論分析可知：

(1)舊水泥板破碎后的各復(fù)合路面最大彎沉平均值介于241μm～422μm之間，而舊水泥板未破碎的各復(fù)合路面最大彎沉平均值介于125μm～178μm之間，舊路破碎后水泥板強(qiáng)度下降明顯，路面承載力降低，且未破碎路面彎沉差異性較小。

(2)由結(jié)構(gòu)二和結(jié)構(gòu)五對比結(jié)果表明，最大彎沉平均值相差僅5μm，應(yīng)力吸收層的加鋪對路面承載力影響不大；且增設(shè)2cm厚應(yīng)力吸收層后，彎沉均方差值明顯下降，應(yīng)力吸收層對降低彎沉差異有明顯作用。

(3)由結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)二對比結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)二彎沉平均值大于結(jié)構(gòu)一，瀝青層厚度的增加造成復(fù)合路面彎沉值增大；但瀝青層厚度增加對降低彎沉差異有明顯作用。

(4)對比結(jié)構(gòu)一和結(jié)構(gòu)四，雖然結(jié)構(gòu)四的瀝青層厚度大于結(jié)構(gòu)一，但其彎沉均方差仍大于結(jié)構(gòu)一，該結(jié)果表明，在降低彎沉差異性的效果上，加鋪應(yīng)力吸收層的作用要好于增加瀝青層厚度。

(5)由結(jié)構(gòu)三和結(jié)構(gòu)六對比結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)六的最大彎沉平均值明顯大于結(jié)構(gòu)三，舊板共振碎石化造成的路面強(qiáng)度降低大于打裂壓穩(wěn)；均分差的結(jié)果差異表明共振碎石化造成強(qiáng)度下降分布較打裂壓穩(wěn)更不均勻。

(6)由結(jié)構(gòu)六和結(jié)構(gòu)七對比結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)七在多鋪24cm厚水穩(wěn)層的情況下，復(fù)合路面的最大彎沉平均值依然小于結(jié)構(gòu)六，故共振碎石化造成的路面強(qiáng)度降低大于勾機(jī)擊碎。

表4 各結(jié)構(gòu)最大彎沉值的均方差和平均值

5 結(jié)語

綜上所述，可以得出以下結(jié)論：

(1)在完好的水泥混凝土路面上直接加鋪瀝青面層，其最大彎沉值往往較低，而舊水泥路面破碎后不僅強(qiáng)度下降明顯，模量損失較多，在瀝青路面改造工程中應(yīng)慎重考慮舊路面破碎方案。

(2)加鋪應(yīng)力吸收層對路面彎沉值基本不影響，但在降低路面彎沉差異性方面卻有較好的發(fā)揮，說明應(yīng)力吸收層在吸收能量、消散集中應(yīng)力方面的作用明顯。

(3)增加瀝青層的厚度也能起到降低彎沉差異性的作用，但成本提高較多，在性價(jià)比方面，明顯不如應(yīng)力吸收層。如果考慮同時(shí)采用加鋪應(yīng)力吸收層和增加瀝青層厚度，則降低彎沉差異效果顯著，二者之間應(yīng)該有一個(gè)性價(jià)最優(yōu)的平衡點(diǎn)。