提升装配式路面基层耐久性的技术验证

郭 高，战宏宇，张 旭，迟文仲*，郭梓烁

（1：长春市市政工程设计研究院，吉林 长春130033；2：哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨150001）

0 引言

长寿命沥青路面又称为耐久性沥青路面，我国耐久性半刚性基层沥青路面定义为：路面使用40年不发生结构性破坏，沥青面层罩面或重建的时间间隔≥10年。目前我国普遍使用的沥青路面结构为15 cm～20 cm厚度沥青层，加20 m～40 m厚度半刚性基层，达到设计寿命10年～15年的十分罕见，路面难以达到正常的大修年限和使用寿命[1]，给国家造成极大的经济损失和资源浪费[2]。因此，提高道路工程质量和耐久性是我国道路建设需要解决的主要问题。

长春市政院多年来持续开展关于基块的嵌挤度[3]、顶面粗糙度和柔性耐候涂层及插板等防温缩技术措施的试验，还与哈尔滨工业大学、吉林大学联合开展沥青路面装配式基层道路结构计算及灌浆料性能研究与试验[4]，对如何提升装配式基层道路结构耐久性做了大量探索性工作。

1 实验、发明与设计

1.1 基块与基层试验

大连路位于长春市二道区，道路等级为城市次干路，我们在此对装配式基层进行了一系列研究。该道路装配式基层沥青路面组合结构设计如图1所示，铺装的基块为混凝土预制件，嵌挤度1/4[5]，厚度为300 mm，基块接缝采用灌浆工艺填充。根据吉林大学报告表明：砂浆掺加1%的A类胶粉，28 d抗折强度为5.2 MPa、抗压强度28.0 MPa，劈裂强度2.5 MPa，轴心抗压强度21.3 MPa，静力受压弹性模量5.48 GPa，吸水率11.9%，抗渗强度1.3 MPa，抗冻性为50次，疲劳加载200万次的累计变形0.08 mm，未发生破坏，符合以配合比满足力学和耐久性及抗疲劳性指标作为专用水泥砂浆的技术要求的规范标准[6]，可作为东北地区装配式路面基层结构中的专用水泥砂浆。

图1 装配式基层沥青路面结构组合设计图

根据哈工大研究报告表明：①沥青路面装配式基层结构，沥青层底最大拉应力51.0 με；荷载作用位置正下方沥青层层底的水平应变最大值也远小于沥青混合料的抗拉应变，面层受到疲劳破坏的可能性较低；②装配式基层沥青路面结构路基顶面竖向压变较小，路基顶面最大竖向应变为74.9 με，路基能够处于良好的安定状态。哈工大董泽蛟通过沥青路面装配式基层结构有限元模型建模、计算及结果分析，确定装配式基层沥青路面各结构的力学响应与传统的半刚性基层沥青路面结构的力学响应分布规律大体上相似，属于类板体半刚性基层结构，可将该层等效为半刚性基层开展路面结构设计。按嵌挤结构铺装的块体之间能建立竖向互锁及平面联锁关系[7]，将点荷载逐渐扩散到全面积。基层荷载传递率见图2。

图2 基层荷载传递率

标准弯沉＜0.1 mm的路面有可能成为长寿命路面，而大连路道路竣工弯沉平均值、弯沉差及弯沉代表值分别为0.061 mm，0.07 mm，0.072 mm。国内外研究将沥青路面的主要破坏分为裂缝和永久变形，为保证路面结构不出现结构性损坏，Monishmith and Long建议HMA层底弯拉应变不应高于60 με，路基顶面压应变不高于200 με，据此认为装配式基层沥青路面已满足耐久性对应变的要求。

1.2 井筒周边的异形块装配发明

行车路面的检查井及周边在使用中产生的不均匀沉降会降低路面舒适性，为此采用在检查井周边装配异形块结构预防井周沉降。该结构利用太阳轮与行星轮减速器机械原理，能实现圆形井筒与矩形基块的适配，并将井具安置在预制块上预防井具沉降[8]（见图3）。

图3 日月形异形块装配

1.3 沥青层与基层的结合面处理

为增加与沥青层的结合，在基块顶面设置有纵横网格状槽，槽深6 mm，槽间距55 mm，槽断面为三角形，底角90°（见图4）。槽断面可以容纳沥青混合料并形成嵌挤，槽的深度给嵌入的沥青混合料提供用于缓解车轮冲击应力的应变区间。纵横槽将基块顶面分隔成多个四棱台，四棱台顶面及底面积较大，可抗水平力剪切力以保持自身牢固，并使嵌入的沥青混合料具有较高的抗滑能力。这种由混凝土与沥青混合料形成相互插入的复合式过度结构，还能提高沥青层的抗车辙能力。经过多年实践，效果较好。现已将纵横网状槽按与纵向呈45°布置，可避免通透的纵向槽对抗滑能力的不利影响，进一步提高沥青层抗滑能力。基块顶面凸台将沥青层局部分割，对于道路沥青层也可以分散温缩应力，并发挥锚固作用。

图4 基块顶面构造（mm）

1.4 防水隔离层的设置

装配式基层下增设有隔离层，材料选用AC-5沥青砂，厚度20 mm。隔离层的作用首先是顶面平整度好，有利于基块的装配和提高沥青面层的平整度；其次，沥青砂具有较好的防水作用；最后，沥青砂有一定的柔韧性，有利于缓解基块底部的应力集中。

1.5 预防基层温缩开裂措施

由于环境温湿度变化与土基密实度差异性及荷载的影响，在刚柔复合式路面接缝处产生的反射裂缝仍然是水泥路面加铺层的主要病害[9]，通常将温缩和干缩引起的沥青路面反射裂缝统称为温度型反射裂缝，预防或延缓反射裂缝的出现是延长沥青混凝土加铺层使用寿命的关键。

铺装时基块之间由空隙隔开，接缝灌浆后使各基块湿接为基层整体。基块之间的空隙是相互联通的，使得灌缝砂浆凝固后可以形成网格式整体框架，为减少干缩与温缩裂缝，我们采用涂层包裹基块与植入塑料插板隔断接缝体的两项试验，取得了大量试验数据成果。

涂层试验：2019年10月在长春市的2条城市支路——丙45路和大连盛海路开展基块侧面喷涂可再分散胶粉涂层的对比试验，试验路胶粉用量1.2 kg/块。2020年12月初进行温缩开裂数据检测，试验路长612 m，出现裂缝4条，低温开裂指数为0.65。对比路段长594 m，出现裂缝数9条，低温开裂指数为1.5，试验表明涂层使温缩裂缝数降低55.6%，效果显著。试验数据见表1。

插板试验：在砂浆纵向通道内设置硬隔断（见图5），使连续的砂浆网格被分隔成短段，避免温缩应力积累作用的影响。

图5 基层插板试验

塑料插板尺寸为30 cm×15 cm，板面设有杯形凹坑，插板沿纵断间距6 m设置1处。试验段长度512 m，在同一路段的南北两幅进行对比试验，结果见表2。2020年12月初，气温下降到-24℃，经检测试验路段裂缝数量降低80%，试验表明，采用在预制件侧面增设柔性涂层及在纵向接缝内设置插板的工艺可预防基层反射裂缝。

表2 插板试验结果

1.6 耐冲刷下基层

下基层的主要作用是为上基层提供均匀支承，并有一定的刚度和足够的耐冲刷能力，以防止唧泥和错台导致的板底脱空。下基层采用不同厚度水泥稳定碎石的对比试验，厚度及弯沉数据为：20 cm，0.09 mm；30 cm，0.07 mm。根据《公路沥青路面设计规范》JTGD 50—2017，基层与底基层之间的模量比不宜大于2.5。装配式基层与下基层水泥稳定碎石层模量相差较大，建议在长寿命道路组合设计时增加一层贫混凝土层，既减少模量差又可提高整体强度，减少路面弯沉值衰减率。

1.7 垫层试验

2013年在飞跃中路[10]、2014年在世纪大街道路工程中采用在土基上铺5 cm碎石,再铺钢塑双向凸点土工格栅铺的工艺，意图使用格栅拉紧基块防止松散[11]（见图6）。由于试验路段较短，为100 m，尽管至今没有出现反射裂缝，但是格栅复杂的铺装工艺和较低作业效率可能并不适合大面积使用。

图6 基层下加铺土工格栅

2 长寿命道路结构组合设计方案

根据之前各分项试验成果，拟定长寿命道路组合设计具体方案：4 cm AC-13SMA沥青混凝土、6 cm AC-20SBS沥青混凝土、30 cm装配式基层（强度为C40，涂层+插板,砂浆掺胶粉+纤维）、2 cm AC-5沥青砂、18 cm贫混凝土（8%）切横缝、18 cm水泥碎石（4%）切横缝、10 cm填隙碎石或排水板、增强土基50 Mpa，总厚度88 cm。

其中①粘层油：沥青层之间的粘层油喷洒之后易被沥青层摊铺时运输沥青混合料的车轮带走，减弱层间结合效果，应采取措施改进。可以采取沥青混合料摊铺与粘层油喷洒同步作业的模式，避免混合料运输车轮行走在粘层油表面。②基块采用涂层工艺，选用单组份水溶性聚氨酯Ⅰ型或AB双组分Ⅰ型聚脲，主要性能应满足低温韧性、延伸率、抗老化、耐疲劳、可喷涂指标；同时采用插板预防反射裂缝工艺；掺加胶粉及易分散纤维提高砂浆耐久性[12]。③土基，土基模量由30 MPa增至50 MPa，可选用冲击压实及聚合物土基等新材料技术，土基四周及横断分段切缝，缝深易超过冰冻最大深度，内填充苯板，形成侧面于自然土体孤立的状态。④拟定设计寿命40年，各类基层综合评价见表3，根据表3可见，装配式基层性能综合得分高于其他类型基层。

表3 各类基层性能综合评估表[13]

3 结语

1）沥青路面装配式基层结构属于半刚性基层，装配式基层沥青路面各结构的力学响应与传统的半刚性基层沥青路面结构的力学响应分布规律大体上相似。针对耐久性道路要求进一步优化组合结构设计，可提高路面整体强度和耐久性。

2）基层采用涂层及插板措施可降低路面温缩开裂，遴选材料性能及价格均适合装配式基层的涂层材料是获得高性价比的重点。

3）装配式基层铺装工期短，可用于城市道路的快速铺筑，且预制的块体可重复使用。其质量控制属于加权模式，对结构的耐久性更为有利，装配式路面基层在缓解施工单位质量负担的同时，带动上游质量管理投入，是一种更具公益性的工程形式。与传统半刚性基层沥青路面比较，装配式基层结构全寿命周期造价最低。开展装配式基层沥青路面的耐久性试验与应用，对提高道路质量，提倡全寿命周期费用管理模式有促进作用，符合市政建设长远发展需要。