高速公路大修工程路面结构及材料设计研究

(湖南省高速公路管理局,湖南 长沙 410001)

随着我国经济飞速发展，高速公路网日趋完善，公路投资逐步由建设为主，向养护为主转移，早期修筑的高速公路也已进行大修年限，90年代末修筑的高速公路沥青路面已到达了设计使用年限，早期修筑的水泥混凝土路面也破损严重，如何结合旧路面的结构特点、旧路面的病害特征、旧路面养护情况、项目的公路交通条件等因素，对旧水泥混凝土路面和旧沥青路面进行大修改造，提升路用性能和行车舒适程度，是高速公路大修改造项目中急需解决的问题。

对于旧路面的大修改造，不但要考虑提升路面结构性能、提高行车舒适程度；而且要对废旧材料进行处理，旧路面残留强度如何利用，旧路面废料如何处治，特别是旧沥青路面材料含芬、萘等有毒物质，降解速度慢，污染土壤和水源，在大修工程中对废旧沥青路面的材料的回收利用也是环保的要求，同时也是大修工程旧路面大修改造结构设计及材料设计必须着重考虑的。

笔者通过近年来大修工程管理和大修工程设计与施工的工作实践，结合潭邵高速公路大修一期工程的路面结构设计和材料组合进行归纳总结，简要介绍如下。

1 工程概况

湖南省潭邵高速公路是国家重点规划的“五纵七横”国道主干线上海至瑞丽高速公路的一段，是“7918”国家高速公路网的第13横——沪昆高速公路(G60)湖南段的重要组成部分。潭邵高速公路起于株洲市白马垄，接京珠高速公路殷家坳互通，途径湘潭、娄底、邵阳3市，止于邵阳市隆回县周旺铺镇，主线全长220.1 km，双向4车道，路基宽度有28、26 m两种，分别对应的设计速度为120、100 km/h，其中水泥混凝土路面长73.480 km，沥青混凝土路面长146.620 km。该高速公路于2002年12月26日正式建成通车，至大修改造时运营超过13 a。

潭邵高速公路通车以来，同时承担了湘东地区往来湘中、湘西主要的交通流量，目前交通量已超3万辆/d，潭邵高速公路大货车比例高，重载、超载现象较严重，随着交通量和轴载快速增长，路面破损日渐严重，服务水平日益下降，交通事故日渐增多，原有路面结构已不能满足日益增长的车辆荷载要求。于2015年启动大修改造工程。

2 路面使用状况分析

1)潭邵高速原路面结构及交通量组成条件。

潭邵高速公路(湘潭段)于2002年12月建成通车，原路面结构为：

原水泥混凝土路面结构：26 cm水泥砼面层+1 cm稀浆封层+20 cm 6%水泥稳定碎石基层+16 cm 4%水泥稳定碎石底基层，总厚度63 cm。

原沥青混凝土路面结构：4 cm厚AH-70沥青或宽域沥青AK-13A上面层+5.5 cm厚AH-70沥青AC-20Ⅰ中面层+5.5 cm厚AH-70沥青AC-20Ⅰ下面层+1 cm稀浆封层+34 cm 5%水泥稳定碎石基层+20 cm 4%水泥稳定碎石底基层，总厚度70 cm。

潭邵高速公路全线交通量，其中湘潭段达31 000 辆/d，其他路段交通量也在24 000～28 000辆/d之间；其交通车型构成主要以客车为主，客车所占比例为69.13%，其中，中小型客车占全部交通量的62.14%，大客车占6.99%。货车所占比例为30.87%，主要以大、特大型货车和集装箱货车为主。全线大型车辆占全部交通量的22.91%(不含大客车)。见图1所示。

图1 潭邵高速公路交通组成状况

2)湘潭段(K1056+430～K1100+425)旧水泥混凝土路面检测结果。

根据检测资料，湘潭段(K1056+430～K1100+425)左、右幅水泥混凝土厚度标准值为：265.3、260 mm；左、右幅弯沉强度标准值分别为：6.0、5.74 MPa；湘潭段水泥混凝土路面基层顶面当量回弹模量普遍大于1 000 MPa，但部分偏低，变异水平普遍较高，平均大于0.6，路面基础支承能力均匀性很差。总脱空率、接缝传荷能力、基层缺陷比例的检测结果见表1所示。

3)湘潭段(K1100+425～K1134+060)旧沥青路面检测结果。

左幅超车道、行车道平均公里当量回弹模量分别为790.47、756.69 MPa，左幅平均公里当量回弹模量值为755.75 MPa；右幅超车道、行车道平均公里当量回弹模量分别为929.60、902.00 MPa，右幅平均公里当量回弹模量值为901.61 MPa。湘潭段沥青路面共36 km(双幅)，弯沉在40(0.01 mm)以上有单幅单车道5 km，弯沉在30～40(0.01 mm)之间的有单幅单车道21 km，弯沉在25～30(0.01 mm)之间的有单幅单车道29 km，弯沉在20～25(0.01 mm)之间的有单幅单车道29 km，弯沉小于20(0.01 mm)的有单幅单车道69 km。

表1 湘潭段水泥混凝土承载能力相关指标检测结果车道脱空率/%接缝传荷能力/%基层缺陷比例/%左幅行车道24 7660 812 69左幅超车道10 3268 45 63右幅行车道27 3960 613 91右幅超车道15 9066 14 73

3 路面结构方案设计研究

3.1 旧水泥混凝土路面大修改造方案比选研究

目前，旧水泥混凝土路面的大修改造一般有2种类型：第1种是保留旧水泥混凝土板，对其进行病害处治后，直接加铺的方式，改造后形成一种“白+黑”的复合式路面结构型式，如直接加铺厚层沥青面层、直接加铺复合式路面结构。第2种类型就是将旧水泥混凝土板破碎处治后，直接加铺沥青层或“半刚性补强层+沥青层”，形成一种半刚性基层沥青路面或混合式基层沥青路面的结构型式，即“白改黑”的大修改造方法，如多锺头碎石化、共振碎石、门板破碎、旧砼板破碎再生等方法。根据潭邵高速各段交通量大小、交通组成条件、旧砼板损坏情况、处治方式、交通组织、沿线筑路材料、水文地质条件等等进行综合评估，选择正确、经济、满足大修使用年限、性价比高的旧砼板处治及加铺大修综合改造方案是旧水泥混凝土路面大修改造的基本原则。针对潭邵高速公路旧水泥混凝土的实际路况，结合潭邵高速公路水泥混凝土路面的检测资料，考虑到 ①旧砼板破碎后，对原路面的结构强度利用较少，整体路面的结构强度、承载能力的提升不足；②考虑到潭邵高速公路交通量大，在设计时不但仅仅考虑15 a的设计使用寿命，更要考虑更长远，考虑耐久性路面结构的设计理念；③在设计方案比选时，从全寿命周期成本来考虑，进行性价比分析。通过方案多次比选和优化，在潭邵高速湘潭段大修工程采用了“方案1：白加黑”或“方案2：白改黑”2种改造型式。

方案1(白加黑)：其设计思路是对旧混凝土板进行旧板换板压浆灌缝综合处治，之后加铺“连续配筋砼+沥青面层”方案。适用于特重交通、重载超载严重的路段，并适用于路面破损等级和传荷能力评定等级在“中及以上”的路段；或评价在“次”,其结构组合为：旧砼板换板压浆综合处治+AC-10调平隔离层+18 cm连续配筋混凝土下面层+防水粘结层+6 cm改性沥青AC-20+4 cm改性沥青SMA-13 。

方案2(白改黑)：其设计思路是对旧混凝土板进行破碎再生技术，之后直接加铺“水泥稳定碎石下基层(或采用再生水泥混凝土集料)+沥青稳定碎石上基层+沥青面层”。适用于特重交通或重交通的路段，且路面破损等级和传荷能力评定等级在“次及以下” 且传荷能力较差，断板率较高且换板率大的路段。其结构组合为：旧基层(局部修补病害)+20 cm 5%水泥稳定再生集料+透层+封层+8 cm ATB-25+7 cm AC-20+6 cm改性沥青AC-20+4 cm改性沥青SMA-13 。

3.2 旧沥青路面大修改造方案比选研究

旧沥青路面大修改造的关键环节是旧沥青面层的病害处治和沥青面层加铺，而其加铺设计主要是根据设计交通量的要求进行结构计算。其关键技术还是旧沥青面层的病害处治。目前，旧沥青路面处治有以下2大类方案：①病害综合处治法；②再生技术。再生技术又可细分为4种再生方式：①厂拌热再生；②就地热再生；③厂拌冷再生；④就地冷再生。

潭邵高速公路沥青路面目前损坏严重，检测报告评价等级主要为“中”或“次”；而目前潭邵高速公路交通量大，全线为特重交通，湘潭段重载超载车多，邵阳段相对少些；湘潭段旧沥青路面破损相对邵阳段更差，尤其宽域沥青段。而原潭邵高速公路原沥青路面结构厚度偏薄，沥青面层总厚度仅为15 cm，路面总厚度为69.6 cm，且全部采用普通石油沥青，抗疲劳和抗车辙能力较差，部分路段整体承载能力严重不足，弯沉较大。根据潭邵高速公路湘潭段的交通量荷载情况以及原路面的实际情况，经过对多次旧沥青路面病害处治方案的比选，对其适用条件及优缺点进行比选，从而选择了根据不同的旧沥青路面的病害特征选择不同的病害处治方案，分段进行结构方案优选的原则。针对潭邵高速公路大修的旧沥青路面的分段调查和比选，确定了以下3个方案：

方案A(直接加铺)：适用于原路面承载能力较好，表面病害较少，且直接加铺10 cm后能满足大修设计交通量的结构计算需要的路段。对原路面的病害进行处治，包括纵横向裂缝处治、车辙处治、坑槽处治等常规沥青路面局部病害处治方案，加铺“6 cm改性沥青AC-20 +4 cm改性沥青SMA-13”。

方案B(厂拌冷再生处治原路面+加铺沥青层)：适用于原路面承载能力较差，表面病害较多、特别是基层有损坏或强度不足的路段；设计思路拟对原沥青面层进行铣刨,对旧基层局部病害进行处理后，做1层(11 cm)厂拌冷再生柔性结构层,再加铺“1 cm同步碎石封层+6 cm普通沥青AC-20C(采用厂拌热再生料)+6 cm改性沥青AC-20C+4 cm改性沥青SMA-13”。对于基层局部损坏，采用挖除后回填沥青碎石。对于基层大面积损坏，可进行基层就地冷再生或重铺水稳基层处理。

方案C(厂拌热再生处治原路面+加铺沥青层)：适用于原路面承载能力较好，确认基层较完整，病害主要存在于沥青表面层及中面层的路段；特别是旧路面表面AK-13较差的路段。建议行车道、超车道铣刨做厂拌热再生，硬路肩直接加铺。其结构方案为“旧面层铣刨6 cm+6 cm厂拌热再生混合料+6 cm改性沥青AC-20+4 cm改性沥青SMA-13。

3.3 桥面大修设计方案根据不同的种类分别对待

桥面大修方案以尽量不增加桥梁结构的恒载为原则。任何恒载的增加都应通过荷载验算。潭邵高速公路桥面大修设计方案如下。

3.3.1 沥青路面的原沥青桥面铺装层

对于原沥青层破损不严重、且破损仅限于上面层的桥梁：铣刨4 cm AK-13上面层，重铺“粘层+4 cm改性沥青SMA-13”。

对于原沥青层破损严重的桥梁：铣刨全部沥青层，即4 cm AK-13上面层和5 cm AC-20C下面层；重做1cm SBS改性沥青桥面防水粘结层，重铺5 cm改性沥青AC-20C下面层和4 cm改性沥青SMA-13上面层。

3.3.2 水泥混凝土路段的桥梁

1)一般桥梁：原桥面铺装病害处理后，直接加铺1 cm SBS改性沥青桥面防水粘结层和4 cm厚的沥青砼(SMA-13)。

2)特大桥：原桥面铺装病害处理后，直接加铺1 cm环氧覆层或1～2 cm高粘度沥青超薄罩面，无法加铺的可以仍采用钢筋混凝土桥面。

3)对原桥面水泥混凝土破损严重的桥梁：凿除原桥面铺装，再加铺10 cm钢筋砼及1 cm SBS改性沥青桥面防水粘结层和4 cm厚的沥青砼(SMA-13)。

3.4 收费广场路面大修改造方案

收费广场仍采用水泥混凝土路面结构型式，仅对破损的原混凝土板更换，并对原路面其他病害进行综合处治，接缝重新清缝、灌缝。

3.5 互通匝道路面大修方案

旧沥青路面互通原则上与主线方案A相同，即对旧沥青面层的局部病害进行处理后，直接加铺“6 cm改性沥青AC-20+4 cm改性沥青SMA-13”。

旧水泥混凝土匝道，主要是考虑直接加铺沥青层的方案，由于直接加铺技术关键在反射裂缝的防治，选择合适的应力吸收层是关键，经过对 “橡胶沥青SAMI、土工合成材料、双铰合钢丝网、STRART等多种不同的应力吸收层设置方案进行比选，选择了防裂能力最好的“双铰合钢丝网+改性沥青应力吸收层”的复合应力吸收层方案，其加铺结构为“复合应力吸收层+6 cm改性沥青AC-20+4 cm改性沥青SMA-13。

3.6 特殊路段处理

1)事故多发路段：主要因路面病害造成事故多发的路段，在改性沥青AC-20C混合料中添加混合料质量0.4%的玄武岩短切纤维，以提高路面的抗车辙、抗裂缝、抗冻害等高低温使用性能和水稳定性等耐久性。

2)纵向裂缝路段:在K1054+850～K1055+250左幅因路基不均匀沉降纵向开裂严重，裂缝宽度达4～5 cm。对该段的处理方案：①沿裂缝两侧深层压浆；②半幅全断面挖除原路面4 cm AK-13A上面层+6 cm AC-20Ⅰ中面层+7 cm AC-25Ⅰ下面层+1 cm稀浆封层，设计为18 cm连续配筋混凝土层，并进行裸化。与相邻旧沥青面层路段一样，再加铺“1 cm SBS改性沥青防水防裂层+6 cm改性沥青AC-20C下面层+4 cm改性沥青SMA-13上面层”。

4 材料设计比选优化

4.1 粗、 细集料选择

考虑上面层采用改性沥青SMA-13，其粗集料选择采用坚硬、抗压强度高、耐磨的玄武岩或辉绿岩碎石；中面层改性沥青AC-20C采用强度高、粘附性好的石灰岩碎石。

对于旧沥青路面路段，在中面层集料选择了考虑掺加20%～30%的旧废旧沥青混合料(RAP料)；下面层普通沥青AC-20采用强度高、粘附性好的石灰岩碎石，同时掺加30%～40%旧废旧沥青混合料(RAP料)。厂拌冷再生大量采用本桩的废旧沥青混合料，仅掺加部分新料，其中废旧沥青混合料用量为80%～90%，掺加新粗集料10%～20%。

细集料无论上、中、下面层均采用石灰岩加工而成的机制砂或石屑，上面层改性沥青SMA-13必须采用优质机制砂，其他结构层次可采用石屑，其砂当量要求不小于65%。连续配筋混凝土细集料采用河砂。

对于水泥稳定碎石基层和C15#砼垫层或基层，粗集料可采用旧砼板破碎的再生粗集料，考虑再生细集料吸水率大，表面砂浆较多，原则不采用再生细集料。水泥稳定碎石和C15#砼细集料要求采用新石灰岩石屑。

4.2 填料及添加剂选择

潭邵大修项目的矿粉均采用石灰石磨制的新鲜矿粉，要求采用4.75 mm以上的碎石磨制；不允许采用回收粉尘。

4.3 废旧材料的利用

潭邵高速公路路面大修改造的废旧材料较多，有旧水泥混凝土板破碎后废料、铣刨的旧沥青混凝土料，本次大修改造方案中建议对潭邵高速公路废旧材料进行综合处治。主要的处治方法及原则是：

1)原则：保证95%以上的废料得到合理的、综合运用。

2)对于旧沥青路面：

方案A、方案C的病害处治和铣刨料，除了用于方案C中的6 cm普通沥青AC-20C结构层(根据级配调整的需要，约掺30%～50%的旧料)，其余的废旧沥青混合料全部用于6 cm沥青中面层改性沥青AC-20C。掺量控制在30%以内，基本保证掺加废旧沥青混合料的路用性能达到潭邵高速公路中面层的要求。

方案B的15 cm沥青层铣刨料，除用于11 cm厂拌冷再生外，其余料主要用上冷再生上覆层6 cm普通沥青AC-20C(掺30%～50%旧料)，可基本用完废料，如有节余，可少量用于中面层改性沥青AC-20C。

3)对于旧水泥混凝土板：

旧水泥混凝土大修改造方案1A、方案1B、方案2B均会产生较多的破碎水泥混凝土板块，为此拟将产生的破碎旧水泥混凝土板做以下处理：

采用移动式破碎设备，将旧水泥混凝土板进行破碎，按3～4级进行筛分。4.75 mm以上的粗集料拟用于方案2B的水泥稳定碎石下基层。4.75 mm以下的材料拟用于土路肩贫砼封面、中央分隔带封面以及其他防护砌体工程。

5 结束语

通过结合“潭邵高速公路大修工程”为实体工程的大修工程路面设计方案的工程实践，对高速公路旧水泥混凝土路面、旧沥青路面的大修处治中加铺进行分析，充分利用旧路面的残余承载能力和旧路面的材料，通过采用旧砼板再生利用、旧砼板破除再生集料、沥青路面的厂拌冷再生、厂拌热再生等新技术、新工艺的推广利用，达到资源的循环利用，最大程度地减少对环境内的污染。潭邵高速公路大修工程的路面结构方案比选研究工作为湖南省高速公路路面大修提质改造、中修养护设计积累了经验，推动了相关新技术、新材料、新工艺的推广应用。

[1] JTG B01-2003，公路工程技术标准[S].

[2] JTG H10-2009，公路养护技术规范[S].

[3] 交通运输部公路局.高速公路改扩建工程技术政策[Z].

[4] JTG D50-2006，公路沥青路面设计规范[S].

[5] JTG D40-2003，公路水泥混凝土路面设计规范[S].

[6] JTG F41-2008，公路沥青路面再生技术规范[S].

[7] JTG D81-2006，公路交通安全设施设计规范[S].

[8] 交通运输部.公路工程投资估算编制办法[Z].2012.