旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构优选与设计

但瑞强

（长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙 410004）

与水泥混凝土加铺层相比，沥青混凝土加铺层能有效改善原水泥混凝土路面的路用性能，提高路面行车的安全性和舒适性，同时充分利用原水泥混凝土路面的结构刚度，使路面的使用寿命增加，施工成本降低，施工时对路面交通的影响小［1］。作者拟依托长益高速大修工程进行研究。

长益高速原有路面结构层设计为：25cm水泥混凝土路面面层＋18cm水泥稳定砂砾基层＋15cm水泥稳定砂砾底基层。通过对路面调查和试验检测，长益高速水泥混凝土路面以断裂类病害（交叉裂缝、角隅断裂及纵横斜向裂缝）为主，接缝传荷能力较差，板底脱空比例较大，板下基础支撑均匀性较差。在养护部门不断及时维护的情况下，病害仍频繁出现，说明路面结构存在问题。

在前人研究［2］的基础上，结合长益高速大修工程的具体情况，作者拟对该段公路的沥青混凝土加铺层结构进行设计并对提出的多种大修方案进行优选。拟定方案后，以层间剪应力为控制指标，进行沥青面层厚度验算，确定沥青面层厚度，以期为旧水泥混凝土加铺改建技术的研究积累经验。

1 路面加铺层设计方法

与普通的弹性层状体系不同，在旧水泥混凝土路面上，采用沥青混合料，进行加铺。该加铺层是一种特殊的复合结构，这一特殊结构的设计方法一直是学者们开展研究的重点［3］，但目前还没有一个统一的设计方法。在国外，相关的研究与设计多采用经验—半经验方法，如：ARE法、AI法及COE法等；在中国，相关的设计则是以理论分析为基础的方法，如：弹性层状体理论和弹性地基板理论［4－5］等。

由于不同路面加铺层组合设计方案直接决定了加铺层结构设计的方法，因此，先对给出的几种可能的路面加铺层设计方案进行比选，并根据设计经验初步拟定各加铺层厚度，在决定加铺层设计方案后，再以此确定加铺层结构设计方法，选择合适的控制指标进行验算。若验算合格，则厚度设计符合要求；若验算不合格，则根据实际情况调整加铺层厚度，并再次验算，直至合格为止。

2 路面加铺层结构方案比选

根据长益高速的使用情况、当地的气象和水文条件及施工条件，结合路面加铺层结构计算方法，进行路基路面综合设计，对初步拟定的4种加铺方案进行比较。

2.1 方案一

5cm改性沥青SMA－16＋7cm改性沥青AC－20C＋10cm沥青稳定碎石ATB－25＋防水防裂粘结层＋旧水泥混凝土路面碎石化处治，加铺总厚度为22cm。

该方案中，采用碎石化技术，对旧路面进行处治，可有效解决沥青面层的反射裂缝问题，同时施工方便，速度快。

将沥青稳定碎石混合料ATB－25作为基层，作为柔性基层的一种，由于与面层结构同属于柔性结构，因此整个路面结构受力变形更加协调。密集配沥青稳定碎石ATB－25相比于通常使用的半刚性基层，具有更高的抗剪、抗弯拉强度及耐疲劳性能。

就整体而言，该方案加铺总厚度最薄，能有效控制反射裂缝的生成和发展，且施工简便，利于控制。但该方案存在着较为明显的缺点：结构承载能力较弱，无法满足重载交通的需求，且施工过程中对环境影响较大。

2.2 方案二

4cm改性沥青SMA－13＋6cm改性沥青AC－20C＋1cm橡胶沥青SAMI＋16cm连续配筋混凝土层＋2cmAC－10隔离调平层＋旧水泥混凝土板换板灌浆综合处治，加铺总厚度为29cm。

该方案采用16cm连续配筋混凝土层作为对路面结构强度的补充，属于一种复合式基层路面结构。采用该结构兼顾了刚、柔2种路面的优点，对路面结构层的强度、稳定性、承载能力及耐久性等性能有很大的改善，大大提高了路面使用寿命。

该方案采用连续配筋混凝土作为刚性补强层，连续配筋混凝土结构是一种不设横向接缝的路面结构，因此，它不会在自身的裂缝两侧产生弯沉差，因而有效地减少了荷载型反射裂缝产生的可能。

该方案的缺点在于：加铺层厚度较大，容易造成施工不便，同时也使造价过高，不经济。

2.3 方案三

4cm改性沥青SMA－13＋6cmAC－20C中粒式沥青混凝土＋8cmAC－25C粗粒式沥青混凝土＋1cm封层＋透层＋20cm5%水泥稳定碎石＋旧水泥混凝土板碎石化，加铺总厚度为39cm。

该方案将旧混凝土板碎石化后，重做沥青混凝土路面。较彻底地解决了旧混凝土板对上覆沥青层的反射裂缝问题，使整个路面结构层变成了半刚性基层沥青路面结构。

该方案的缺点在于：厚度过大，不利于施工的进行及整个工程的经济性。

2.4 方案四

4cm橡胶沥青ARHM－13＋5cm橡胶沥青ARHM－20＋1cm橡胶沥青SAMI＋16cm连续配筋混凝土加铺层＋2cmAC－10隔离调平层＋旧水泥混凝土板换板灌浆综合处治，加铺总厚度为28cm。

该方案利用高强度的刚性结构层作为路面的补强层，提高了路面结构的整体强度和稳定性，其与方案二的区别在于：上面层和中面层采用橡胶沥青ARAC。该方案由于采用双层橡胶双复合改性沥青混凝土，其抗疲劳、抗老化及抗车辙等路用性能较SBS改性沥青混凝土的好。但该方案对施工要求非常高，对于拌合温度和摊铺温度的要求高于普通沥青混凝土的，对于摊铺的连续性要求也高于普通沥青混凝土的。同时，施工过程中对环境会造成一定的影响。

综合考虑工程的实际情况和整个路面结构的使用性能，拟采用结构设计方案四，即4cm改性沥青ARHM－13＋5cmARHM－20＋1cm橡胶沥青SAMI＋16cm连续配筋混凝土加铺层＋2cmAC－10隔离调平层＋旧水泥混凝土板换板灌浆综合处治，加铺总厚度为28cm。

3 沥青加铺层厚度的验算

方案四采用连续配筋混凝土层作为基层，有效避免了反射裂缝的产生和发展，但这种结构易产生基－面层之间的滑移破坏，因此，采用层间剪应力τα为控制指标，以控制层间剪应力τα不大于层间粘结材料的容许剪应力τR为标准，对沥青加铺层厚度进行验算。

3.1 沥青加铺层的最小厚度和经济厚度

验算结果表明：当沥青加铺层厚度小于4cm时，其功能为改善路面行车的舒适性，对路面受力没有影响［6］。同时由于厚度较薄，此时沥青加铺层隔热效果并不明显，使得连续配筋混凝土层温度梯度增大；当沥青加铺层厚度大于4cm时，由于沥青混合料传热能力较低，使得由沥青面层传到连续配筋混凝土基层的热量较少，使得基层内温度梯度减小。为了充分向下扩散面层承受的荷载和减小温度应力，面层的最小厚度不宜小于4～5cm；同时考虑结构层间剪应力，当沥青面层厚度大于6cm时，层间剪应力较小，衰变平缓。经综合考虑，沥青加铺层厚度应不小于6cm。

由于沥青混合料本身具有一定的隔热效果，因此，达到一定厚度的沥青面层可有效改善下部基层的温度场。研究结果表明：当沥青面层为4，8和12cm时，连续配筋混凝土基层最大温度梯度分别减小了15%，20%和30%。连续配筋混凝土基层的最大温度梯度随着沥青面层厚度的增加而减小。从减小的趋势来看，当沥青面层厚度在0～12cm之间时，基层温度梯度的减小迅速；当沥青面层厚度超过12cm时，基层温度梯度的减小趋于缓慢。同时考虑结构层间剪应力，当沥青面层厚度超过12cm时，层间剪应力的衰变明显减缓，因此建议沥青面层经济厚度不宜超过12cm。

本方案提出：采用4cm橡胶沥青ARHM－13＋5cm橡胶沥青ARHM－20的沥青加铺层方案，符合最小厚度和经济厚度的要求。

3.2 层间结构方案的比选

对于层间结构方案，设计考虑了2种方案的比选。

3.2.1 方案A：改性乳化沥青同步碎石封层

采用同步碎石封层车，将改性乳化沥青和碎石同时撒布在基层板上，并通过自然行车碾压成型，形成沥青碎石磨耗层。这一方案的优点在于乳化沥青和碎石同步铺撒，沥青与碎石之间能够在高温条件下牢固结合，从而保证了封层具有足够的强度。

1）优点：①具有良好的抗滑性能和防渗水性能；②具有良好的裂缝密封性能；③采用机械化施工，质量容易控制。

2）缺点：①工程造价较高；②对材料和工艺控制相当严格，加大了施工组织的难度；③其抗裂、抗剪性能不如橡胶沥青SAMI的。

3.2.2 方案B：橡胶沥青SAMI

橡胶沥青由橡胶和热沥青通过热反应制成，橡胶的加入显著提高了沥青的性能。

1）优点：①橡胶沥青SAMI本身具有良好的抗裂性能，可有效阻止下层裂缝延伸至上面层；②形成的富油层起到很好的防水作用；③橡胶沥青SAMI具有良好的抗老化性能；④橡胶沥青SAMI具有良好的层间粘结性能。

2）缺点：施工中要严格控制用油量，避免过量而导致泛油。

经过综合考虑，推荐采用方案B，即采用橡胶沥青SAMI作为层间结构。

3.3 以层间剪应力为控制指标的沥青面层厚度验算

在连续配筋混凝土基层＋沥青面层的结构中，容易出现层间剪应力超过粘结层材料容许剪应力的情况，从而引起层间滑移破坏，导致路面出现开裂和形成拥包等路面病害。而层间剪应力受沥青面层厚度和荷载的影响，因此，必须合理设计面层厚度，防止层间出现破坏［7］。本研究对连续配筋混凝土基层上沥青加铺层进行了设计和验算，连续配筋混凝土基层＋沥青面层的结构以在不同方向荷载综合作用下产生剪切疲劳破坏作为极限状态，即：

式中：τα为层间界面的剪应力，MPa；τR为层间界面粘结材料的容许剪应力，MPa。

3.3.1 层间剪应力计算

连续配筋混凝土基层＋沥青面层层间的水平应力来源于路面承受的水平荷载，包括：①车辆行驶对路面产生的摩阻力；②车辆加（减）速度而产生的加（减）速度阻力；③刹车过程中可能产生的滑动阻力；④车辆在上坡或下坡时对路面产生的水平力；⑤弯道处由于离心作用对路面产生的向外的水平力［8］。其中以紧急制动时的水平力最大，因此，要采用紧急制动时产生的剪应力进行计算。

面层厚度是影响层间剪应力的主要因素，因此，计算时考虑最不利状态（紧急制动）下厚度对层间剪应力的影响，沥青面层厚度ha与层间最大剪应力τα之间的关系可表示为：

本次设计采用4cm改性沥青ARHM－13＋5cmARHM－20的沥青加铺层厚度方案，沥青面层总厚度为9cm，代入式（2）进行计算，得出结构层间最大剪应力τα为0.264 2MPa。

3.3.2 层间抗剪强度与容许剪应力计算

层间界面容许剪应力τR的计算公式为：

式中：τf为一次荷载作用下层间粘结材料的抗剪强度，由剪切试验确定，MPa；KT为层间界面抗剪结构强度系数，表征层间粘结材料的抗剪强度因疲劳而降低的系数。

层间抗剪结构强度系数与行车荷载作用状态有关，如：公路等级、交通量、荷载、水平力及行车速度等。紧急制动时，层间界面抗剪结构强度系数KT的计算公式为：

式中：Ac为道路等级系数（高速公路和一级公路取1.0；二级公路取1.1；三、四级公路取1.2）。

层间粘结层抗剪强度受粘结层材料种类和用量、试验温度及剪切速率等因素的共同影响。而温度是其中的主要影响因素，层间粘结层抗剪强度与温度之间的回归公式为：

式中：T为连续配筋混凝土板顶夏季最高气温，℃。

连续配筋混凝土板顶夏季最高气温在不同路表温度和沥青面层厚度情况下的回归公式为：

式中：ha为沥青面层厚度，cm；T20mm为路表以下深度20mm处的温度。

路表以下20mm处的温度T20mm计算公式为：

式中：Tair为气温，长沙地区为40℃；Lat为纬度，长沙地区纬度为28.2°。

根据式（3）～（7），可计算出紧急制动状态下拟定方案中沥青加铺层层间粘结材料的容许应力。根据式（7），得T20mm＝62.15℃，沥青面层厚度9cm。根据式（6），得T＝48.17℃。根据式（5），得τf＝0.399 6MPa。根据式（4），得KT＝1.2。根据式（3），得τR＝τf／KT＝0.333MPa。

根据式（2）进行计算，得出结构层间最大剪应力τα为0.264 2MPa，小于层间界面容许剪应力τR，满足设计要求，验算合格。因此，可确定沥青加铺层方案为4cm橡胶沥青ARHM－13＋5cm橡胶沥青ARHM－20，总厚度9cm。

4 结语

通过对初步拟定的4种沥青加铺层结构的探讨和分析，对加铺层设计方案的比选和对沥青加铺层厚度的验算，得出的结论为：

1）不同的路面加铺层组合方案对加铺层结构设计方法有决定性的影响。在设计过程中，应根据选定的路面加铺层组合方案选择适合的结构设计方法及控制指标，本设计采用以连续配筋混凝土层作基层的加铺层组合方案，以层间剪应力为控制指标。

2）综合考虑工程的实际情况和整个路面结构的使用性能，推荐采用结构设计方案四，即4cm橡胶沥青ARHM－13＋5cm橡胶沥青ARHM－20＋1cm橡胶沥青SAMI＋16cm连续配筋混凝土加铺层＋2cmAC－10隔离调平层＋旧水泥混凝土板换板灌浆综合处治，加铺总厚度为28cm。

3）以层间剪应力为控制指标对沥青加铺层厚度进行验算，验算结果表明：本研究采用的9cm沥青混凝土面层符合设计要求。

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