旧水泥混凝土路面加铺改造方案综述

旧水泥混凝土路面加铺改造方案综述

摘　要：本文结合宁通公路东至江都段旧水泥混凝土路面加铺改造工程，较详细地阐述了其改造方案的设计、改性沥青油毡和玻纤格栅的应用、改性沥青的应用、SMA配合比设计及施工控制、试验路方案设计等。
关键词：混凝土　路面　加铺　改造　设计

1　旧水泥混凝土路面状况

　　宁通公路东-江都段水泥混凝土路面于1986年建成，1996年的实测交通量达9338辆/昼夜，经过12年的使用，该路面出现了不同程度的病害，已不能满足当前的交通运输要求，须进行大修。依据《公路水泥混凝土路面养护规范》规定对该水泥混凝土路段路况进行评价，调查评价结果见表1。

调查评价汇总表　　　　　　　　　表1

　　注：PCL为路面状况指数；DBL为断板率(%)；传荷能力为检测相邻两块板的弯沉差；平整度通过3m直尺检测。

?　从本次调查结果可以看出，南京4km段水泥混凝土路面的损坏情况最为严重，扬州6km段和1345段次之，建议对该段水泥混凝土路面进行改造。

2　方案设计

　　旧水泥混凝土路面上的沥青加铺层是一种特殊的路面结构，应力应变特性与一般的弹性层状体系有较大的差别。由于接裂缝的存在，在外力荷载作用下，沥青混凝土加铺层处于复杂的三维应力状态。车辆行驶经过不连续的板体时，沥青混凝土加铺层中由于裂缝两侧相邻板块产生竖向位移差，而出现较大的剪切应力，这种剪切应力是沥青混凝土加铺层产生荷载型反射裂缝最主要的原因。另外,由于路面暴露在大气中，受气温周期性变化的影响，沥青加铺层和旧路面板都会缩胀，并产生温度应力。由于旧水泥混凝土路面的应力在接缝处不连续,因此沥青加铺层同时承受它本身以及旧路面所产生的温度应力,特别是冬季气温较低时,沥青混凝土加铺层会因为与接缝对应处的应力过大而产生开裂,形成所谓的温度型反射裂缝。
　　沥青混凝土加铺层设计即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，将其做为基层，在其上再加铺沥青混凝土这种路面结构，强度一般没问题，关键是防止反射裂缝的产生。防止反射裂缝的措施大致可分为三类：改善沥青罩面层性能、设置中间夹层和增设补强层。
　　国内外大量工程实例和研究说明：
　　(1)旧混凝土路面加铺改造仍处于研究、试验阶段，尚未有成熟的理论、方法。由于各种条件的差异，相同的方法有时甚至得出相反的结论。
　　(2)改造中，处治原混凝土路面很重要，尤其在传荷能力较差的接缝处,能否有效地处理板下脱空是关键。
　　(3)所有的土工织物或网络防治水平位移比剪切位移更有效。不论是加筋还是应力消散措施,当应用于传荷能力很差的路面时，任何沥青类罩面对防治反射裂缝都显得无能为力。
　　(4)为了有效地改造旧水泥混凝土路面,改善路面使用品质,应从提高面层、夹层性能,处治好旧板块、基层等多方面考虑改造方案。
　　按国外沥青混凝土罩面的设计和计算方法,如ARE(Austin Research Engineers)设计方法、AASHTO罩面设计方法、美国沥青协会法、美国工程兵团和联邦航空局法，计算出宁通公路*东至江都段旧混凝土路面上加铺沥青混凝土厚度为80～100mm。根据理论分析结果和宁通线工程情况,确定采用4+6即10cm的沥青混凝土加铺层,考虑到南京段和扬州段水泥混凝土路面的损坏程度不一样,本次加铺改造采用了两种加铺结构层(详见图1)。

在宁通公路改造过程中采用了纵横缝粘贴改性沥青油毡,同时铺设玻璃纤维土工格栅来达到提高沥青加铺层、延缓反射裂缝的能力。玻璃纤维土工格栅耐高温性能好,摊铺热沥青混凝土不会产生变形。为保证玻璃纤维土工格栅与下一层的贴合和便于施工,采用2～3cm厚的沥青砂找平层。从沥青加铺层中加入应力吸收夹层后荷载应力和温度应力变化的比较可以看出,加入吸收层,温度拉应力下降非常明显,而荷载应力下降不多。很多试验结果也表明加铺吸收层对减少接缝收缩引起的拉应力效果明显,但对于荷载作用下两板相对垂直位移造成的剪应力几乎没有什么效果。为了解决这一问题，除对旧水泥道面进行维修加固,对传力效果差的接缝重新设置外,另外再在沥青混凝土面层下铺设18cm厚的二灰碎石基层,用来缓冲剪切变形。
　　由于旧水泥混凝土路面上沥青混凝土加铺层的主要破坏形式是反射裂缝,即冬季低温时由于接缝处水泥混凝土板收缩，在沥青混凝土内产生的拉应力过大，造成沥青混凝土层剪切破坏。为了减少和延缓反射裂缝的产生，这就要求加铺层的沥青混凝土本身具有较高的低温抗变形性能力和抗拉抗剪性能,同时又不能过分地降低沥青混合料高温稳定性,改性沥青码蹄脂碎石混合料(SMA)则是最佳选择。
　　改性沥青由于改性剂的存在,结构组成发生变化,形成相互贯穿的空间网络结构,使得改性沥青的力学性能、粘度、粘附性、感温性都有了明显改善,能有效地抑制反射裂缝的发展。而SMA这种以沥青、矿粉和纤维稳定剂做结合料的间断级配沥青混合料，既具备开级配混合料的嵌挤能力,提高抗车辙能力和抗滑阻力,又具备密级配混合料的优点,空隙率小、沥青用量多,提高疲劳寿命和抗水损害能力。将它用做上面层，能提高行车舒适性,减少和延缓病害的产生,延长路面使用寿命，对江苏苏中这种高温、多雨、潮湿地区尤其适用。

3　旧水泥混凝土路面修补

　　对于脱空板、有裂缝的板，以及角隅断裂、错台等均进行修补。根据国内外多年来对旧水泥混凝土路面加铺改造的经验,对于防治反射裂缝的结构层,无论是加筋的还是应力消散类的(例如改性油毡、玻璃纤维格栅、土工布、粘结间断层以及SMA结构等),都是针对或者说更有效于水平向位移,而各种措施对于竖向位移都显得无能为力。而竖向位移的弯沉值到底控制为多大,才能达到既解决问题又经济可行，目前尚无指标可参照。因此,本次改造中提出竖向位移由旧水泥混凝土板块的单点实测弯沉值控制,对板块进行逐板地毯式测量调查,逐板把关控制进行修补。

4　改性沥青油毡和玻璃纤维土工格栅的应用

　　改性沥青油毛毡具有耐高温的特性,在沥青混凝土摊铺时不会熔化于沥青混凝土中或老化变质,能够承受高温时压路机碾压。选用改性沥青油毛毡能有效地减少地表水通过旧水泥混凝土板接缝下渗入土基,同时又能减少地下水通过旧水泥混凝土板间接缝进入加铺层而浸湿加铺结构层材料,降低无机结合料处治的粒料层强度,延缓沥青面层出现剥落和松散,延长加铺层结构使用寿命。利用改性沥青油毡的变形能力对消散水平向应变和传递竖向荷载能起到一定的作用,延缓反射裂缝的产生。
　　玻璃纤维格栅是一种能增强公路路面性能的新型优良土工基材。使用玻纤格栅,可有效地改善路面结构应力分布,抵抗和延缓由路面基层裂缝引起的沥青混凝土路面反射裂缝的发生,从而提高路面的使用寿命。它具有很高的耐热性和优异的耐寒性,强度大，模量高,化学稳定性好,耐腐蚀,膨胀系数低、尺寸稳定性好等特点。

5　改性沥青的应用

　　本次宁通公路旧水泥混凝土路面加铺改造工程,为了抑制或延缓加铺层反射裂缝的出现,对面层沥青的使用提出了特殊要求,既要有较好的高温稳定性,又要有较好的低温抗裂性,同时考虑到工程经济性,仅在上面层（4cm，SMA16）使用SBS改性沥青。其中K49+082～K53+083,K59+240～K65+155段(10.3km)采用壳牌Caribit DA 成品改性沥青,K77+352～K90+880段(13.3km)使用现场加工的改性沥青。

5.1　Caribit DA沥青
　　该沥青产于新加坡,桶装进口,SBS含量约为3%,其特点是质量比较稳定,储存稳定性较好,SBS与沥青不易分离。针对宁扬公路改造工程的特点,对Caribit提出了具体技术要求(见表2)。

Caribit DA沥青技术指标　　　　　　　表2

5.2　现场加工改性沥青
　　基质沥青选用70#、90#两种沥青,分别取3%、3.5%、4%、4.5%、5%五种SBS含量进行改性试验,部分试验结果见表3。

现场加工改性沥青测试结果　　　　　　表3

　　试验表明,使用SBS改性后,沥青的针入度下降较多,沥青变硬，粘度显著增大(特别是70 #沥青)。结合实际改性效果,并考虑到太硬的沥青难于施工,于是选用90#沥青作为基质沥青。
　　国内外的研究表明,SBS含量达到3%时,才会对沥青产生明显的改性作用。SBS用量视实际情况和要求而定,一般为3%～6%。结合本工程的特点和改性试验情况,SBS含量选用4.5%。

6　SMA配合比设计及施工控制

　　SMA即沥青玛蹄脂碎石混合料,是在浇铸式沥青混凝土的基础上发展而来的。SMA的高温性能好，抗车辙能力强，具有较好的低温抗裂性能和耐久性，能减小路面噪声，提高行车安全性，延长路面使用寿命，减少养护费用，经济效益和社会效益十分明显。从80年代起SMA在欧美得到推广和普及,一些国家已经制定了SMA国家标准。我国近年来在北京、吉林、河北等地,也修筑了一些SMA试验路,并开始推广应用。本次宁扬公路旧水泥路面加铺改造工程,考虑到加铺层复杂的受力状况,为延缓反射裂缝的发生和发展,在上面层采用SBS改性沥青SMA路面结构。

6.1　配合比设计
　　SMA的特点是"三多一少",即粗骨料多,矿粉用量多,沥青用量多,而细集料少。SMA混合料的设计要保证粗骨料间形成充分的相互嵌挤的骨架,同时使混合料的空隙率在一个适当的范围内。关于SMA的设计,没有特定的方法,马歇尔法在一定范围仍然使用。

6.1.1　初拟级配
　　SMA16在国外应用较少，开始试验时,参考我国北京、吉林、河北等地的实际经验，选择三种级配进行试验,其级配范围见表4。

沥青混合料矿料级配　　　　　　表4

　　注：JTBT--为交通部推荐级配,在北京、吉林等地区应用较多;
　　　　BAOJ--为河北省保津公路拟用级配,是在美国FHWA级配的基础上而制定的;?
　　　　JSTI--为宁扬改造课题组所拟定的级配;
　　　　AC16I、AM16、AK16I--为JTJ014-97中的沥青面层级配。

6.1.2　马歇尔试验
　　马歇尔试验参数和试验结果见表5～6。

马歇尔试验参数　　　　　　　　　表5

　　从表6中可以看出，级配BAOJ空隙率较大，不宜采用。级配JTBT空隙率与VMA略小
，JSTI各项指标都较好。

6.1.3　析漏试验
　　在此基础上，对以上三种级配的混合料在180℃、保温1h的条件下，进行析漏试验，结果表明三种级配的混合料都能满足要求。

6.1.4　确定级配
　　根据以上试验结果，决定采用级配JSTI。

6.1.5　确定用油量
　　采用级配JSTI,油石比5.5～7.5，进行马歇尔试验，试验结果见表7。

　　采用6.0、6.5、7.0三种油石比进行车辙试验，试验结果见表8。同时，对以上三
种用油量的混合料进行析漏试验，结果表明都能满足要求。
　　对于SMA这种密实骨架结构,马歇尔试验的目的是进行混合料的体积设计,稳定度和流值仅作参考,重点是保证空隙率和VMA。从以上试验结果可以看出,当油石比为6.5%时，SMA混合料的密度和稳定度都达到最大,而且VMA和车辙试验的动稳定度都满足要求,故决定采用6.5%的油石比,实际用油量为6.1%。

6.2　SMA施工控制

6.2.1　SMA的生产与运输
　　SMA面层采用玄武岩矿料、石灰石矿粉和SBS改性沥青，用油量为6.1%。稳定剂为粒状木质素纤维，其中纤维含量为80%,用量为0.375%。
　　采用间歇式拌和机，材料添加顺序及搅拌时间见表9。
　　出料以混合料拌和均匀，纤维均匀分布在混合料中,所有矿料颗粒全部裹覆沥青结合料为度。由于使用了SBS改性沥青 ,拌和温度比拌普通沥青混合料提高20℃左右。沥青加热温度掌握在175℃～185℃,不得超过190℃;矿料加热温度在185℃～195℃;矿粉和纤维不加热;混合料出料温度应控制在170℃～180℃; 当混合料超过195℃时,予以废弃。
　　纤维采用半自动添加的方法;在拌和缸上方设置纤维添加料斗,料斗下方的阀门与矿粉添加设备的气动装置相连,使矿粉、纤维的添加同步进行。使用前,将纤维称重后分装在低密度聚乙烯塑料袋中,拌和时按照指定的数量,人工投入到料斗中。
　　SMA与普通沥青混合料相比,由于增加拌和时间、投入矿粉时间加长、废弃粉尘回收等因素的影响,拌和机生产效率受到影响,一般只有60%～70%。在计算拌能力时应充分考虑,以保证不影响摊铺速度,造成停顿。
　　为了保证摊铺温度,混合料应采用大吨位自卸汽车运输,运料时必须采取加盖棉被、苫布等切实可行的保温措施。为防止沥青与车厢板粘结,车厢侧板和底板可涂一薄层油水混合液,但不得有余液积聚在车厢底部。开始摊铺时,现场待卸料车辆不得少于5辆,以保证连续摊铺。

6.2.2　SMA的摊铺和碾压
　　摊铺前辟须将工作面清扫干净(如用水冲洗)，必须待晒干后才能进行摊铺作业,如下层路面已经过行车碾压,摊铺前洒粘层油,用量为0.4L/m2。
　　摊铺机的摊铺速度调整到与供料、压实速度相平衡,保证连续不断的均衡摊铺,中间不停顿等候。
　　由于使用SBS改性沥青及纤维,混合料摊铺温度宜为160℃～180℃，低于140℃温度的混合料禁止使用,混合料温度在自卸汽车卸料到摊铺机上时测量。当路表温度低于15℃时,不摊铺改性沥青SMA混合料。
　　SMA的压实系数要比普通的沥青混凝土小得多,松铺系数应根据试验段的数据来确定。摊铺过程中随时检查摊铺层厚及路拱、横坡,达不到要求时,立刻进行调整。
　　SMA混合料碾压温度越高越好,摊铺后立即压实,不等候。混合料的碾压按初压、复压二阶段进行,压路机以≯5km/h的速度进行均匀的辗压。初压用10～12t钢轮压路机紧随摊铺机静压,初压2遍。复压在初压完成后紧接着进行,复压2遍,即结束。稍冷后,用较宽的钢碾终压一遍即可,终压温度不低于90℃。
　　由于本项目为旧水泥混凝土路面加铺改造,加铺层下面是刚性基层,故碾压时不使用振动方式。压路机辗压时相邻辗压带重叠1/3～1/4轮宽,碾压工作面长度30～50m。
　　为了防止混合料粘轮,在钢轮表面均匀洒水使轮子保持潮湿,水中掺少量的清洗剂或其它适当的材料，同时防止过量洒水引起混合料温度的骤降。
　　压实后,混合料压实度不小于最大理论密度的94%,试件的空隙率不大于6%。采用钻孔法及核子密度仪检测密度,并根据观察表面是否有明显轮迹及玛蹄脂挤满程度确定。
　　SMA面层一旦达到足够的密度后,碾压即停止,过度碾压可能导致沥青玛蹄脂结合料被挤压到路表面,影响构造深度。工作中应密切注意路表情况,防止过度辗压。
　　由于SMA混合料使用了SBS改性沥青，沥青含量高,因而粘度大,未使用轮胎式压路机碾压,以防止粘轮及轮胎揉搓造成沥青玛蹄脂挤到表面而达不到压实效果。

7　试验路方案设计

改造方案是在研究国内外工程实例和研究成果以及经过专家共同研讨的基础上确定的。为了找到一种符合中国国情的水泥混凝土路面加铺改造方案,同时对方案进行优化,对不同材料在水泥混凝土路面加铺改造中的作用进行分析,设计了一些实验路方案,对其进行长期观测。
　　试验路方案将达到以下目的:
　　(1)检验玻纤格栅的使用效果;比较玻纤格栅与土工布的效果;
　　(2)比较AC16I型结构与SMA面层结构的效果;
　　(3)比较改性沥青和普通沥青的效果；

8　结束语

　　对旧水泥混凝土路面加铺改造目前国内外仍处于研究、试验阶段,尚未有成熟的理论和方法,但普遍认为有效地改造旧水泥混凝土路面、改善面层使用品质,应从提高面层、夹层性能、处治好旧板块、基层等方面进行改造。通过这次宁通公路*东-江都段旧水泥混凝土路面加铺改造,应用了许多新技术、新材料,为今后水泥混凝土路面加铺改造积累了经验。改造方案是在研究国内外工程实例和研究成果以及经过专家论证后确定的,但在具体实施过程中,可变化因素很多,这些因素的变化对改造的效果影响很大,试验路方案的实施就是为了能够找到一种切实可行、经济实用的加铺改造方案。

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13　沥青路