水泥混凝土路面“白加黑”路面工程设计与研究

刘军军，高建荣

（山西省交通规划勘察设计院,山西 太原 030006）

水泥混凝土路面“白加黑”路面工程设计与研究

刘军军，高建荣

（山西省交通规划勘察设计院,山西 太原 030006）

结合实际工程阐述了旧水泥路面的加铺沥青（白加黑）改造施工,分析了水泥路面的病害情况并进行了定量评定,提出加铺沥青层的设计方案:4cm细粒式沥青混凝土+6cm粗粒式沥青混凝土+2.5cm应力吸收层,设计验算满足规范要求,施工与运营效果良好,可为类似工程提供参考。

“白加黑”；水泥混凝土路面；设计；验算；应力吸收层

0 引言

水泥混凝土路面是我国道路结构应用较多的路面结构型式,由于我国货运交通的发展,交通量和荷载等级在近年来都有很大的增长,这对道路路面工程造成了显著的损伤影响,再加上温度荷载作用,使得很多水泥路面出现了开裂、破损、错台等病害。为了尽可能利用原有的水泥路面结构,同时又能够满足现有交通运输需求,采用沥青罩面（俗称“白加黑”）是一种有效的技术手段。

结合朔州高速公路在山西境内部分路段为工程依托,分析了该路段内水泥路面的病害发生情况,并对路面的性能等级进行了定量评判,从而确定加固改造方法。通过对原始路面的处理并加铺10 cm沥青层,能够达到病害修复和道路运营使用需求。

1 依托工程概述

朔州高速公路大新段是国道主干线二连浩特至河口公路在山西省境内的一部分,通车运营十多年来,随着交通量和轴载逐年增大,路面出现了裂缝、破碎板、错台、板角断裂、接缝料损坏等病害,局部路段路面损坏非常严重,对行车安全、行车舒适性有较大影响,一定程度上该段高速公路的服务能力大不如前,为了保证大新高速公路安全运营,提高其服务水平,对该段路面前15 km水泥混凝土路面进行了“白加黑”加铺设计。

2 原路面病害及其评定

2.1 水泥路面病害分布

根据实地调查,本段路面破损形式主要有以下五种:裂缝、破碎板、错台、板角断裂、接缝料损坏。其余破损形式在该段路面出现较少,以下详述这些病害的分布情况和损伤程度。

（1）裂缝。绝大部分裂缝在日常养护过程中已经进行了灌缝处治,少量近期开裂缝宽小于3 mm,且裂缝边缘基本无碎裂、错台,破损程度以轻微为主。

（2）破碎板。大同至新光武方向破碎板主要被中等裂缝分割成3～4块,破损程度为中等；新光武至大同方向,破损板破损较为严重,主要为被严重裂缝分割成4～5块,破损程度为严重。

（3）错台。错台主要分布在行车道板块两侧纵缝及横缝处,错台高度多在5～10 mm,以中等到严重为主。

（4）板角断裂。板角断裂处缝隙边缘存在不同程度破碎,错台多超过10 mm,缝隙宽度10～20 mm不等,破损程度为中等到严重。

（5）接缝料损坏。沿线接缝料出现老化、挤出、缺损等状况,整个路段接缝料长度约1/3左右出现损坏,破损程度以中等为主。

2.2 路面状况评定

以“全面系统的调查和局部段落精确测量相结合,外业测量结果与内业计算分析结果相结合,与历史数据结果相结合”为原则,系统地对水泥路面各类参数进行检测评定,包括路面弯沉、路面厚度、强度、弹性模量等指标。

2.2.1 路面损伤状况评定

路面损伤一般可以通过断板率和平均错台两个指标进行评定,断板率通过式（1）计算,计算断板率权重次数见表1。

表1 计算板块率权数Wij

式中:DBij为i类裂缝病害j种轻重程度板块数；W'ij为i类裂缝病害j种轻重程度修正权系数；BS为评定路段内的板块总数。

错台的调查通过测试接缝两边的板的高程差确定,测试点选择在错台严重的车道右侧边缘内0.3m处,并以测试结果的平均值代表平均错台水平。通过对本路段的调查分析,断板率为6.66%,平均错台值0.63mm,病害等级为中等,见表2。

表2 路面损坏状况分级标准

2.2.2 接缝传荷能力评定

水泥混凝土路面较为薄弱的部位是接缝位置,大多数病害都是由接缝处开始发生的,因此接缝的传荷能力变得重要。本项目采用落锤弯沉仪测试,如式（2）所示,Kj是接缝的传荷系数,%；w1是受荷板侧接缝边缘的弯沉值；wu为未受荷板侧接缝边缘的弯沉值,通过评估本路面的接缝传荷系数为75%。

2.2.3 板底脱空状况评定

水泥混凝土路面实际使用过程中,板底脱空往往是导致混凝土面板整板断裂、角隅断裂、错台、唧泥、裂缝等破坏的重要原因,因此对使用中水泥混凝土路面脱空状况的评定判断及确定有效的修复措施,是恢复路面使用性能的基础。本项目采用探地雷达结合钻芯检验的方法对该段路面进行板底脱空检测。

2.2.4 路面结构参数评定

路面结构参数包含厚度、面层弯拉强度和模量。路面厚度通过在板中心钻芯取样测试其真实的厚度根据实测资料旧混凝土面层量测厚度均值e为27.791 cm,经计算旧混凝土面层厚度量测值标准差Sh为0.271 cm。旧混凝土面层厚度的标准值he按式（3）计算确定:

根据钻芯试样的劈裂试验测定旧混凝土劈裂强度测定值均值fsp为3.29 MPa,经计算旧混凝土劈裂强度测定值的标准差 Ssp为 0.284 MPa,则fr=1.87×（fsp-1.04Ssp）0sp.87=4.86（MPa）,弹性模量为34 755 MPa。

采用落锤式弯沉仪（设计荷载100 kN,承载板半径150 mm）量测板中荷载作用下的弯沉曲线,以测试旧混凝土路面基层顶面的当量回弹模量标准值。检测结果为:荷载中心处弯沉值w0为300 μm,距离荷载中心300 mm、600 mm、900 mm处弯沉值w300、w600、w900分别为40 μm、10 μm、5 μm,则Et= 281.8 MPa。

3 加铺前旧路面施工处理

根据水泥混凝土面板断板率6.66%,评价为中,考虑断板率偏低,且碎石化使原路面结构强度整体降低,对旧水泥混凝土路面的处理采用第一种方法。针对不同病害具体处治方法如下:

（1）破碎板。采用钢筋网格混凝土面板对破碎板进行更换:新广武至大同下行方向,受毛皂、怀仁等地重车作用的影响,车辆载重较大使得轴载也很大,轴载作用下路面的损伤与破坏非常严重,需要设置双层钢筋网进行加固,其余区域则可以采用单层钢筋网格进行加固。破碎板的基层损坏的区域需要进行清除才能利于更换,施工中采用C15混凝土对清除区域进行整平和压实,使得整平的标高值与旧路面的基层顶面标高保持一致。

（2）板底脱空。采用探地雷达技术对板底脱空情况进行检测,并利用现场的动态控制技术,将检测结果及时进行验证。板底脱空的处理方式按照注浆、检测、再次注浆补强、重新检测的过程,指导测试的板底填实情况满足弯沉值L≥12为止。

（3）裂缝。不同病害程度的裂缝采用针对性的修补手段,轻度的采用SBS改性乳化沥青进行灌注修复；中度以及重度裂缝进行扩缝灌浆处置,顺着裂缝拓宽成为1.5～2.0 cm的沟槽,沟槽的深度按照实际的裂缝深度确定,但不宜大于板厚的2/3。

（4）板体错台等病害采用注浆处置,板角断裂的病害则需要进行填补,必要情况需要进行板体更换,路面坑洞等病害需要清除垃圾并采用灌注水泥砂浆填补。

4 沥青加铺层的设计实施

水泥路面的沥青加铺设计,需要满足如下两个条件:其一,加铺沥青层的厚度通过能够承受荷载应力和温度应力在设计基准期内的综合疲劳作用,并同时能够承受最大轴载在最高温度梯度下的一次性强度作用；其二,以尽可能延缓或者减少反射裂缝的产生为目标。

4.1 沥青厚度层的验算

本工程的公路自然区划为Ⅲ1,原始的路面结构为27.51 cm水泥混凝土面板+15 cm水泥稳定级配碎石上基层+15 cm三灰稳定级配碎石下基层+20 cm水泥稳定砂砾底基层。水泥混凝土面板宽3.5～5 m,长5 m,横缝设传力杆,纵缝设拉杆。通过对区域内的交通运输调研,设计的轴载吨位为PS=100 kN,最大轴载水平Pm=200 kN,设计车道目前设计轴载累计作用次数为Ns=18 565。

高速公路设计基准期t=30年,2002年通车,至今已通车11年,安全等级为一级,交通量年平均增长率为gr=5.9%,通过设计规范可知车轮轮迹横向分布系数为0.2,则通过式（4）计算可知属于重交通等级:

根据规范设计思路,初步拟定沥青路面的加铺层厚度为10 cm,并由4 cm细粒式沥青混凝土和6 cm粗粒式沥青混凝土两层组成。计算旧混凝土路面的刚度半径如下:首先,混凝土面层弯拉强度标准值为fr=4.86 MPa,相应弯拉弹性模量为Ec=34 755 MPa,泊松比为vc=0.15,基层顶面当量回弹模量Et=281.8 MPa,则路面刚度半径可以计算如下:

4.1.1 计算荷载疲劳应力

根据he=0.275 m,Ec/Et=123.3,得ζ=1.54；取折减系数Kr=0.92,综合系数Kc=1.15；经计算,疲劳应力系数Kf=Nne=2.745；沥青层加铺厚度ha=0.1 m。因此,可以计算混凝土面层的荷载疲劳应力σpr及最大荷载应力σr,max如下:

4.1.2 计算温度疲劳应力

本路面为Ⅲ区,无沥青上面层时温度梯度为92℃/m；ha=0.1 m时,温度梯度修正系数ζt=0.59,则温度梯度Tg=92×0.59=55（℃/m）；面板长度L=5 m,混凝土面层板的翘曲应力系数CL=0.98；自然区划为Ⅲ区,则a=0.855,b=1.355,c=0.041,由公式求得kt=0.222；由he=0.275和Ec=34 755 MPa,可得由沥青上面层的混凝土板的温度梯度修正系数ζ'=0.53；粗集料的混凝土热膨胀系数αc=10×10-6℃-1,则温度疲劳应力如下:

综合沥青混凝土面层的混凝土面板温度疲劳应力σtra和最大温度应力σtma:

4.1.3 极限设计状态的校核

高速公路安全等级为一级,目标可靠度为95%,变异水平等级为低,可靠度系数γr=1.3,校核结果如下:

综合上述分析,所设计的沥青路面加铺厚度10 cm可以使得旧混凝土面层能够承受设计基准期内的荷载应力和温度应力的叠加疲劳效应,也能够满足最大轴重荷载在最大温度梯度下的一次性作用。

4.2 抑制反射裂缝举措

反射裂缝是沥青加铺层的典型病害问题,为了消除反射裂缝,可以采用土工合成材料夹层、应力吸收层及级配碎石中间层等措施。

土工合成材料较薄,一般在0.5～5 mm,可减小由温度作用引起的水平应力。土工合成材料自身的强度较低且较薄,使得车辆荷载作用下土工合成材料很难抵抗剪切效应,容易导致自身破坏。

级配碎石中间层及大粒径沥青碎石混合料中间层由于其散粒结构,含有连同的空隙,可以阻碍以及减缓裂缝尖端的扩展过程,然而由于其厚度较大,一般在10～15 cm,对现有公路护栏高度及沿线天桥净空等影响较大。

应力吸收层是通过使用特殊的聚合物改性沥青混合料,通过混合料中聚合物性能进行应力吸收,由于该混合料中细矿料比例较高,一般需要铺设2～3 cm,且有高弹性、不透水、黏附性强及抗裂性好等优点。

综合比较,项目采用2.5 cm厚度的应力吸收层。

5 结语

旧水泥路面加铺沥青铺装可以充分利用原有水泥路面,同时减少环境污染。结合朔州高速公路山西境内路段水泥路面病害的修复和改造,提出了4 cm细粒式沥青混凝土+6 cm粗粒式沥青混凝土+2.5 cm应力吸收层方案,施工效果良好,病害得到了有效抑制。

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U416.2

B

1009-7716（2017）07-0230-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.071

2017-03-15

刘军军（1981-）,男,山西柳林人,路桥工程师,从事路基、路面工程工作。