基于法国标准的旧路全深式就地冷再生修复设计方法研究

黄海峰 张 超 王力武 丁翘桥

(1.中国土木工程集团有限公司 北京 100038； 2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司 西安 710075)

随着经济建设的发展，公路等交通行业需求也逐年提高，在不停新建高等级公路的同时，对既有道路改造升级、维修加固也刻不容缓。除去简单的加铺、罩面，在对既有沥青道路进行养护、改扩建施工的同时，往往会产生大量的废料。这些废料以旧路沥青材料及基层材料为主，对公路行业来说回收沥青路面材料(RAP)、基层材料(RBP)的再生利用问题将是今后长期面临的巨大挑战。以水泥、乳化沥青、泡沫沥青等[1-3]为掺合料的就地冷再生技术在上世纪20年代初被引入国内，而后逐渐推广开来。全深式就地冷再生技术[4-5]就是利用专门的冷再生设备，将既有老路面层、基层及部分底基层铣刨，加入水、水泥(乳化沥青等)以及新集料进行翻拌，按照一定施工工艺重新碾压成型后用作新建路面结构基层或底基层的工程技术。相比于其他沥青稳定类再生技术(热再生、温再生等)，全深式就地冷再生技术均在常温下进行，具有早期强度高、污染小、材料利用率高、工艺相对简单、修复深度大等独特优点[6]。关于RAP、RBP类材料再生后用作基层、底基层材料，在国内及欧美等地区已有广泛研究[7-8]。

在非洲等经济条件较为落后地区，公路建设水平较低，多数公路都缺乏有效养护，破损严重，不能满足非洲经济发展的需要，亟须对既有老路进行升级改造，这也为中国企业进军非洲提供了良好的契机。

本文以西非地区科特迪瓦西部公路改造工程达洛亚-迪埃奎段为依托，对基于法国标准下的既有道路全深式冷再生修复设计思路进行探讨，结合室内及现场试验，为我国企业在非洲全深式水泥稳定就地冷再生技术的推广及同类工程应用提供借鉴。

1 项目概况

科特迪瓦西部公路改造项目达洛亚-迪埃奎段路线全长102.124 km，道路建于20世纪七八十年代，虽然后期局部路段进行过多次维修加固，但是现有道路的破坏状况已经不满足交通需求及行车安全性要求。全线公路路面均存在不同程度的裂缝，路面裂缝主要以网状裂缝为主，局部路段路面存在破损和车辙、硬路肩完全损毁及路基边坡溜坍等病害。部分路段受病害影响或雨天泥泞，安全行车速度不足30 km/h，全线道路亟须维修改造，依托工程拟采用的全深式就地冷再生修复技术是中国企业在该区域实施的第一例冷再生项目。

2 老路状况调查

2.1 路面病害调查

根据1991年12月法国路桥中心实验室(LCPC)发布的VIZIR方法，汇总既有老路路面破损情况记录，见表1。

表1 老路路面病害调查结果汇总表

达洛亚-迪埃奎段既有老路主要病害以网裂、车辙及坑洼为主，整体处于严重破损状态。

2.2 路面弯沉检测

在法国标准中，弯沉检测结果不仅是评估既有路面结构的疲劳状态的重要依据，也为后期采用Alizé-Lcpc软件进行路面结构设计计算、制定养护或加固方案提供重要参数。LCPC制定的《热带国家柔性路面加固指南》[9]中推荐采用整条道路或整个单元路段上计算出的特征弯沉值D90作为后期道路加固设计的重要依据，其根据弯沉值的大小将路表弯沉分类，结果见表2。

表2 基于法国标准的路表弯沉值分类

本次弯沉检测依据法国标准采用贝克曼梁和双轮后轴负载130 kN的卡车进行，测量步距为50 m，检测结果见表3。

表3 现状道路路表弯沉检测结果表

由表3可知，依托工程达洛亚-迪埃奎段路表弯沉分类以D1、D2、D3类为主，其中D1类路面占比约为30%、D2类路面占比约为60%、D3类路面占比约为10%。

2.3 路面加固方案选择

LCPC发布的加固指南中通过交叉表面指数值Is及特征弯沉值D90将路面质量等级分为Q1～Q9类，其中Q1～Q3类路面加固推荐以日常巡查、路面局部修复为主的养护方案；Q4～Q6类路面推荐以加强常规养护频率，局部修复(可能涉及整个路面结构)为主；Q7～Q9类路面加固则直接推荐为对整个路面进行修复。依据上述分类及调查结果，推荐维修方案见表4。

表4 依托工程根据路段质量等级推荐的修护类型

3 基于Alizé-Lcpc软件的冷再生修复方案设计

由于工期紧、任务重，采用加铺罩面的方式修复既有道路使用年限达不到业主要求，全线采用挖除新建的方式，成本较高、污染大且工期不能满足，综合考虑在满足业主工期及使用年限要求的基础上，根据老路状况调查结果，制定出对老路进行全深式就地冷再生的加固设计方案，将既有老路的面层、基层及部分底基层通过冷再生处理后改做新建道路底基层使用,采用Alizé-Lcpc软件对老路冷再生过程的关键技术参数诸如再生层深度，控制指标等进行探讨。

3.1 Alizé-Lcpc软件简介

Alizé-Lcpc是用于路面结构力学分析和设计的专业软件，由IFSTTAR(法国交通、发展和网络科学技术研究所)材料和结构部开发。其应用领域包括道路路面、港口区或物流平台等特殊路面和机场路面。在考虑到累计交通量的情况下，它提供了一种多层弹性线性模型用于计算道路的弹性应力和应变，也可以通过弯沉等数值反算现状路面结构的剩余强度。基于Alizé-Lcpc软件的冷再生设计方案将按照交通量预测、现状路面结构建模拟，及新建路面结构计算等顺序开展。

3.2 新建路面结构容许应力、应变计算

我国路面设计以双轮组单轴载100 kN作为标准轴载，与中国标准不同，法国标准中以双轮组单轴载130 kN作为标准轴载作为路面结构设计、交通量划分，以及后期道路各结构层弯沉检测依据。通过现场观察及指南中推荐方法，对依托工程重载交通量预测(20年)、相应交通量等级及CAM取值见表5。

表5 依托工程交通量划分及对应弯沉等级表

基于上述调查结果，制定出沥青混凝土(BB)+沥青碎石(GB)+水泥就地冷再生材料(MRC)+基础的路面维修加固方案，冷再生层作为新建道路底基层使用。法国国家实验室新路面的设计和计算手册及相应标准NF P 98-086中路面结构容许应力、应变计算方法如式(1)～(3)，计算结果见表6。

沥青类材料容许应变

(1)

水稳类材料容许应力

(2)

路基垂直应变

εz,ad=0.012×(NE)-0.222

(3)

式中：ε6为对应于106个加载循环的应变水平；NE为通过累计交通量和侵蚀系数CAM计算出的等量标准轴数；E(10 ℃)为10 ℃下材料模量，MPa；E(θeq)为θeq℃下材料模量，MPa；b为材料疲劳曲线的斜率；kc为设定系数；kr为风险系数；kd为不连续系数；ks为路基系数。

表6 路面各层的容许应力和应变

3.3 现状路面结构计算

现状路面建模的目的是通过Alizé软件的反向计算确定现有路面各层的剩余强度。在依据弯沉检测结果进行反向计算之前，需要对现状路面结构中的基层、底基层及路基模量之间的关系做出假定，根据规范及当地经验，本次计算中假定基层模量与底基层模量、底基层模量与路基模量之间均为2倍关系。计算剩余模量所采用的老路路面结构为5 cm沥青混凝土(面层)+16 cm机轧碎石(基层)+24 cm精选红土粒料(底基层)+路基。

对D1、D2、D3 3种等级路面结构剩余模量分别进行反算，结果见表7。

表7 旧路路面结构剩余模量反算结果

3.4 新建路面结构设计

依据法国标准及当地公路建设经验，本次全深式就地冷再生修复段落新建路面结构层中面层、基层分别定为5 cm沥青混凝土、8 cm沥青碎石。下文将基于3.2节中的各路面结构层容许应力、应变，以及3.3节中反算出的现状道路底基层及路基模量，借助Alizé软件进行试算以确定合理的冷再生层厚度。

表8即为不同弯沉等级下新建路面结构试算结果。

表8 不同等级下新建路面结构层试算结果

由图8可见，当冷再生层厚度分别为18,20,23 cm时即可满足结构层容许应力、应变的要求。结合表3各弯沉等级路面的里程长度及占比可以看出，虽然全线83%路段弯沉等级处于D1和D2区间，处于D3弯沉等级区间的路段仅占17%，但是由于各区间路段长度较短且不连续，且多为路面已经破坏后期填补的路段。从施工中不同弯沉区间的工艺衔接及工程质量管控的角度出发，对全线采用弯沉等级D3的标准进行加固控制，且出于安全考虑将冷再生层厚度定为25 cm。通过全深式水泥就地冷再生技术将老路的沥青混凝土面层、级配碎石基层及部分红土粒料底基层采用冷再生机破碎、拌和均匀后，添加适量水、水泥压实后作为新建路面结构底基层使用。新建路面结构为5 cm沥青混凝土面层+8 cm沥青碎石基层+25 cm水泥就地冷再生底基层，新老路面结构对比见图1。

图1 新老路面结构对比图

4 冷再生层配合比设计

在通过理论计算给出合理的全深式老路冷再生修复深度的基础上，本节将就依托工程冷再生施工工程中所遇到的冷再生层水泥掺量、再生料级配、是否需要新加骨料等关键问题进行探讨。参照西非地区高等级公路中基层、底基层相关工程案例，结合依托工程CCTP技术文件，本次冷再生混合料配合比设计相关控制指标见表9。

表9 对冷再生底基层材料要求 %

4.1 冷再生层级配

根据需要选用0.08～50 mm的一组标准方孔套筛分别对冷再生混合料进行筛分试验，考虑到材料组成离散性的影响，为保证试验结果能够真实地反映材料特性，在室内试验过程中分别从混合料中随机抽取了8份样品进行筛分试验，每次都按规定的方法从料堆的不同部位均匀取样，再按四分法缩分至一次试验所需质量。表10即为冷再生混合料原样筛分结果,冷再生混合料级配曲线。

表10 冷再生混合料筛分试验结果

图2 冷再生混合料级配曲线

通过将图2与《热带国家道路尺寸手册》[10](1984版)中路面结构中底基层材料级配上、下限比较可以发现，冷再生混合料中细粒含量偏少，级配组成接近于手册中的级配下限，整体表现为粗粒料偏多，细粒料偏少。总体而言，能够满足手册中级配的相关要求，可以认为依托工程中冷再生混合料中不需要添加新骨料。

4.2 水泥掺量选择

法国标准规范对公路填料的强度控制标准主要体现在压实度、承载比CBR等指标，基于法国标准的CBR试验标准，对既有冷再生混合料开展水泥掺量试验，试验结果见表11。

表11 冷再生混合料不同水泥掺量CBR试验 %

由表9中对路面底基层材料要求可知，依托工程冷再生混合料CBR值随着无机结合料的加入量增加而增大，天然状态下加入水泥时，对混合料的CBR值影响更加明显，随着无机结合料掺量继续增加，CBR值增幅减小。冷再生混合料在1%水泥掺量时即可满足路面结构底基层材料的要求，出于安全原因考虑，最终选择2%水泥掺量作为本项目就地冷再生施工配合比。

5 结语

以西非地区旧路修复工程为依托，从老路状况调查、冷再生方案设计、冷再生混合料相关室内试验等角度出发，对基于法国标准的老路全深式就地冷再生设计思路进行探讨，得出如下结论。

1) 对于既有旧路修复，当新建路面结构选取5 cm沥青混凝土(面层)+8 cm沥青碎石(基层)+25 cm水泥冷再生层(底基层)+路基时，能够满足相关控制指标要求。

2) 在对老路进行病害调查、弯沉检测的基础上，修复方案中对老路路表弯沉的合理分类及冷再生层的厚度选择是设计的关键，需要重点论证。法国标准的路面结构计算理论及相关试验方法与中国标准有一定区别，但是原理基本相同，在对相关经验参数取值深入研究的基层上，能够较快地适应法国标准设计需求。

3) 从冷再生混合料的级配及水泥掺量选择可知，本次依托工程全深式冷再生修复对既有老路的废料利用率基本达到100%，在不添加新骨料的情况下，掺2%水泥处置后，CBR数值能够达到设计要求，这也从侧面说明了冷再生工艺在旧路修复项目中的优越性。