沥青路面在既有水泥路面改造中的应用

肖 桂 清

(天津市市政工程设计研究院，天津 300450)

1 既有水泥路面改造技术

我国水泥路面从20世纪60年代修建开始，截止到2006年年末达到64.64万km，大约占到公路总里程的65%。现在的问题是水泥路面大量已面临着接近甚至超过了设计年限，很多水泥路面随着使用年限的增加，路用性能逐渐下降，开始面对道路维修的难题[1]。之所以称水泥路面的维修为难题，是因为同沥青路面作为对比,目前世界范围内水泥路面维修分为三种方法：1)在水泥路面上铺设沥青路面；2)在水泥路面上铺设新的水泥面板；3)水泥路面的维修。在三种方法里，水泥路面上加铺沥青面层方法应用最为广泛。既有水泥路面上加铺沥青面层可以融合水泥及沥青路面的优点：水泥路面作为基层，刚度较大，能承担重载抵抗结构性车辙；水泥路面改造后，平整度大大提高，保证行车舒适性与安全性；施工方便，造价低；降低车辆行驶噪声，减小噪声污染[2]。因此越来越多的水泥路面采用加铺沥青面层的方式进行维修，也就是“白加黑”路面形式，满足维修后道路的使用要求。

2 加铺沥青路面的技术问题

在水泥路面上加铺沥青面层的技术问题主要体现在：水泥路面和沥青路面的刚度不同，刚柔路面差异较大，在一些特殊部位，还需特别设计。所以，在水泥路面上铺设沥青路面需要克服几个技术问题：水泥路面接缝处沥青面层的反射裂缝问题；沥青路面与水泥路面的层间结合问题；改造后路面的稳定性及铺设沥青面层的施工技术[3]。这些技术问题对加铺沥青面层后的路面性能有着非常大的影响，所以需要着重克服。其中，反射裂缝问题是最基本的问题。

造成水泥路面加铺沥青面层后产生反射裂缝的因素很多，主要是温度、湿度、荷载等因素引起水泥面板移动，导致沥青面层底面产生较大的拉应力，当拉应力超过面层的抗拉强度时，沥青面层就产生了裂缝。同时水泥路面存在纵横接缝，在沥青面层底部易出现应力集中，从而导致面层裂缝。

3 防治反射裂缝的措施

从最早采用沥青面层提高水泥路面路用性能开始，反射裂缝的防治工作研究也开始了，最早追溯到1930年。经过多年研究，提出了很多方法来防治反射裂缝，概括起来主要有三种：既有水泥路面的稳定处治、改善沥青面层性能、设置夹层结构。

在水泥路面改造前，对既有病害进行整治，防止水泥板相互之间的位移，防止产生应力集中可以大大改善反射裂缝现象。竖向位移是反射裂缝的主要因素，水泥面板底部脱空是竖向变形的主因，在改造前，对底部脱空处注浆，可以防止水泥板的竖向位移显著减少沥青路面加铺后反射裂缝的产生。所以对既有路面改造前处理的关键转变为如何准确识别既有水泥路面的病害。随着道路无损检测工艺的发展，超声波路面探伤、落锤式弯沉仪检测、雷达测损等可以准确、科学的探测出水泥路面的病害，使稳定处理成为可能。

对沥青面层的破坏进行分类归纳，可以分为剪切破坏及疲劳破坏。如果能提高沥青面层的抗剪切性和耐疲劳性，是延缓甚至解决反射裂缝的另一个解决思路。根据以往研究资料，沥青性能、沥青混合料的结构类型、级配组成是影响沥青面层抗剪切性能的关键因素。沥青混合料中的沥青用量、细集料比例、油石比、纤维含量、空隙率等是沥青面层抗疲劳性的影响因素。所以使粗骨料嵌挤成骨架结构，细集料、矿粉、纤维、沥青填满骨架空隙，形成骨架密实型结构是改善沥青路面性能的主要途径。

既有水泥路面板接缝、破裂处位移产生的应力可以通过设置夹层结构来消解。目前对此的研究内容主要有三方面：在沥青加铺层和水泥路面之间设置基层，使加铺层的厚度增大，减小反射裂缝发生的概率；设置玻纤格栅、玻纤布等高模量夹层，利用其抗拉强度大的特点延缓反射裂缝向上扩展的趋势；设置低模量的夹层，利用其变形能力强的特点，消散水泥路面板的位移，同时不开裂，保证沥青面层不出现裂缝。低模量的夹层一般称作应力吸收薄膜夹层(SAMI)，简称应力吸收层。工程应用中，应力吸收层使用最多。

4 应力吸收层

应力吸收层的沥青用量大，弹性模量低，性能偏向于黏塑性，通过应力吸收层的优良塑性变形和弹性恢复能力，可以将水泥面板位移产生的应力吸收，进而抑制反射裂缝的出现。加铺应力吸收层可以增强层间黏结，改善层间接触状态。没有裂缝防治措施时，裂缝是从下至上传递，当设置了应力吸收层时，初始时刻会改变裂缝的传递方向，抑制裂缝的传递速度。

应力吸收层主要能起到以下几方面作用：减缓沥青面层底部的拉应力、剪切应力，减小沥青面层承受的应力集中；应力吸收层不溶于水、不透水，是解决沥青路面水损害的有效途径之一；应力吸收层由于模量不同于水泥和沥青面层的模量，可以改善水泥板的受力特性，对于延长改造后路面的使用寿命起到了积极的作用，经济效益和社会效益显著。

4.1 材料及组成

应力吸收层的特点要求沥青的低温抗裂性、抗疲劳性比较突出。应力吸收层的沥青用量大，沥青的性能直接决定应力吸收层的性能是否满足要求。沥青混合料的马歇尔设计法混合料试件击实后，泛油比较严重，故应力吸收层的沥青混合料试件适合选用旋转压实仪成型。沥青混合料一般为密实级配，应力吸收层的集料公称最大粒径为4.75 mm，通过0.15 mm集料的质量百分率不小于10%。应力吸收层的厚度一般为2 cm～3 cm。沥青混合料低温抗裂性的主要决定因素是粒径为0.075 mm集料、矿粉等细集料的含量，为增强应力吸收层的低温抗裂性，可以在配合比设计时适当地提高粒径0.075 mm集料、矿粉的含量[4]。

4.2 类型

目前根据使用沥青的不同，应力吸收层一般分为三种：SBS改性沥青应力吸收层、高弹沥青应力吸收层、橡胶沥青应力吸收层。

1)SBS改性沥青应力吸收层。

研究采用有限元模拟，计算点如图1，图2所示，发现荷载和温度作用下的最大主应力、等效应力、最大剪应力均大幅减少[5]。

从以往调查资料可知，面层沥青混合料的剥落、松散是在水泥路面上加铺沥青面层主要的病害，在车辆等水平荷载的作用下，沥青面层与水泥路面之间的粘结不够，抗剪强度不足是根本原因。在加铺SBS应力吸收层后，现场取样试验，层间结合很好，能承受很大变形量，铺设SBS应力吸收层的路段，裂缝较少。

2)高弹沥青应力吸收层。

高弹沥青应力吸收层是在SBS改性沥青应力吸收层基础上发展而来，主要选用高弹性SBS改性沥青，使沥青的高温黏度和低温延度性能卓越[6]，保证沥青应力吸收层的防水性能和抗变形性能。高弹沥青应力吸收层中具有较多的细集料，同时能保证不渗水，高柔韧性，变形后的恢复和自愈能力较好，从而减少反射裂缝。

3)橡胶沥青应力吸收层。

20世纪60年代，C.H.McDonald发明了橡胶改性沥青，经过多年的发展演变，在世界多个国家得到大量应用，技术一直在完善，特别是对沥青路面的抗疲劳开裂尤为显著。使用橡胶沥青应力吸收层有效地降低和减缓水泥路面的反射裂缝，除可提高沥青路面的使用寿命降低路面噪声外，还符合节能环保，发展循环经济的要求。

5 结语

本文从既有水泥路面的改造技术，引出加铺沥青面层，阐述该项技术的关键问题是反射裂缝。防治反射裂缝可以通过设置应力吸收层来解决，应力吸收层中，改性沥青的作用至关重要。随着材料与结构技术的不断发展，越来越多的高质量改性沥青应用到应力吸收层中，从而解决水泥路面加铺沥青面层的技术难题，使得水泥路面的改造切实可行，安全可靠。