舊水泥混凝土路面加鋪改造比選
張善 盧擁軍
【江蘇省交通廳公路局 南京 210004】 【江蘇省交通科學(xué)研究院 南京 210017】
摘 要：本文結(jié)合滬宜線(xiàn)（胡埭至漕橋）養(yǎng)護(hù)改善工程，針對(duì)舊水泥混凝土路面加鋪改造，運(yùn)用新技術(shù)、新材料，對(duì)用瀝青加鋪層改造舊水泥混凝土路面的方法和理論作進(jìn)一步的研究，力圖找到符合國(guó)情、切實(shí)可行的改造措施。
關(guān)鍵詞：路面 水泥 改造
目前，我國(guó)現(xiàn)有的水泥混凝土路面，有相當(dāng)一部分已接近或超過(guò)設(shè)計(jì)年限，有的雖未達(dá)到設(shè)計(jì)年限，但由于交通量劇增，汽車(chē)軸載日益重型化及設(shè)計(jì)、施工等方面的原因，導(dǎo)致路面損壞、使用品質(zhì)下降等情況，影響了道路的使用功能，急需改造、修復(fù)路況。與瀝青路面相比，水泥混凝土路面的修復(fù)比較困難，可采用的大修措施有三種：加鋪瀝青混凝土面層、加鋪新水泥混凝土面層和翻修。由于瀝青加鋪層能有效地改善舊水泥路面的使用性能，同時(shí)充分利用舊水泥路面，造價(jià)低，施工方便，且對(duì)交通、環(huán)境影響小，因此在國(guó)內(nèi)外舊水泥路面改造工程中應(yīng)用最多。然而瀝青加鋪層中迅速發(fā)展的反射裂縫將影響加鋪層的使用壽命，如何控制反射裂縫產(chǎn)生的時(shí)間和擴(kuò)展的速度至今仍是一道難題。
滬宜線(xiàn)（胡埭至漕橋）始建于解放前，中間經(jīng)過(guò)若干次改造，因資料不詳,無(wú)法考證.至1992年時(shí)，該路基寬11m，路面為7m寬的瀝青混凝土，全線(xiàn)共有橋梁16座，涵洞76道；1992年年底改建成18m寬路基，12m寬的水泥混凝土路面，1994年對(duì)K6+800～K10+200段4cm中粒式瀝青混凝土罩面處理；1996年又對(duì)全線(xiàn)的路肩進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)，具體為4cm瀝青混凝土+1cm瀝青下封層+30cm二灰結(jié)石+土基，同時(shí)對(duì)局部路段進(jìn)行了灰土處理，目前該路段全長(zhǎng)13.38km，路基寬18m，路面寬17m，兩邊各0.5m寬擋土墻。加鋪改造后要求為高等級(jí)瀝青路面。
1 改造原理
采用瀝青混凝土面層作為舊路面的加鋪層是一種典型的補(bǔ)強(qiáng)方法,這種形式的路面結(jié)構(gòu)能吸收兩種材料的優(yōu)點(diǎn)：即舊水泥混凝土提供了穩(wěn)定、堅(jiān)實(shí)的基層,瀝青混凝土路面提供了一個(gè)摩阻系數(shù)較高、平整度好的面層,大大改善了路面的使用性能。然而普遍存在這樣一個(gè)問(wèn)題：瀝青加鋪層中出現(xiàn)反射裂縫,反射裂縫本身對(duì)罩面層的使用性能影響不大,但環(huán)境因素的負(fù)效應(yīng)常常使裂縫迅速擴(kuò)散,從而縮短罩面層的壽命。為減少反射裂縫的數(shù)量和延緩反射裂縫的發(fā)展速度,60年代起國(guó)外開(kāi)展了防治瀝青加鋪層反射裂縫的研究。我國(guó)自80年代以來(lái)也進(jìn)行了諸多研究,這些研究主要集中在針對(duì)控制反射裂縫產(chǎn)生和發(fā)展的力學(xué)分析上,并提出了一些防范措施,涉及整個(gè)路面結(jié)構(gòu),這些措施大致可分為改善瀝青罩面層性能、設(shè)置中間加筋層和增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)層三類(lèi)。
2 加鋪層厚度計(jì)算
瀝青混凝土加鋪層設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)瀝青加鋪層厚度，而該厚度由行車(chē)荷載和防反射裂縫兩個(gè)因素控制。由于水泥混凝土面板本身強(qiáng)度較高，僅做為路面基層，其上再加鋪瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)，因此，行車(chē)荷載控制不是加鋪層設(shè)計(jì)的重要因素，而防止反射裂縫的產(chǎn)生是加鋪層設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。雖然我國(guó)目前舊水泥路面改造工程日益增多，但我國(guó)現(xiàn)行的《公路工程瀝青路面設(shè)計(jì)》并沒(méi)有把舊水泥混凝土路面上瀝青混凝土加鋪層設(shè)計(jì)這一內(nèi)容包括在內(nèi)，而國(guó)外對(duì)此研究起步較早，目前已形成的ARE設(shè)計(jì)法、美國(guó)瀝青協(xié)會(huì)（AI）法、AASHTO罩面設(shè)計(jì)方法 、美國(guó)工程兵團(tuán)和聯(lián)邦航空局(FAA)法四種相對(duì)成熟的瀝青混凝土罩面設(shè)計(jì)方法，按各種方法計(jì)算舊水泥混凝土路面上直接加鋪瀝青混凝土的厚度在15cm左右，經(jīng)分析該路段采用15cm的瀝青混凝土加鋪層。由于該加鋪厚度是在做了一些假設(shè),按理論方法或是在國(guó)內(nèi)外一些試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上得出的,難免會(huì)與我省的實(shí)際情況有些出入，而且國(guó)內(nèi)外的實(shí)驗(yàn)研究也表明，防止反射裂縫是瀝青混凝土加鋪能否成功的關(guān)鍵問(wèn)題。因此，在設(shè)計(jì)方案時(shí)也專(zhuān)門(mén)考慮了防止反射裂縫的對(duì)策，提供了以下三種，而不主張?jiān)谂f水泥路面上加鋪瀝青混凝土。
3 加鋪層比選
3.1 設(shè)計(jì)(一)
為防止反射裂縫的產(chǎn)生，國(guó)外多采用加厚瀝青加鋪層的方法，但單純依靠增加厚度的方法有其弊端：一方面增加厚度必將增加路面造價(jià)；而且在夏季高溫情況下，瀝青混合料高溫蠕變易產(chǎn)生車(chē)轍，也沒(méi)有了由于舊水泥混凝土板做基層所產(chǎn)生強(qiáng)基薄面的優(yōu)勢(shì)，故而這一方法對(duì)于高等級(jí)公路是不可取的。
針對(duì)這一情況，國(guó)內(nèi)外道路工程界專(zhuān)家進(jìn)行了大量的研究，研究結(jié)果表明在舊水泥混凝土路面與瀝青加鋪層之間加鋪一層彈性模量較高的應(yīng)力加筋?yuàn)A層，以吸收或緩沖裂縫尖端的應(yīng)力集中，對(duì)于抑制反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)散具有一定的效果。 《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)》提到防治反射裂縫的措施有鋪設(shè)土工格柵，鋪貼土工布和粘貼改性瀝青油毛氈，故在本中建議鋪設(shè)玻璃纖維土工格柵(見(jiàn)圖1)。該格柵耐高溫性能好,攤鋪熱瀝青混凝土不會(huì)產(chǎn)生變形,但其對(duì)施工要求比較嚴(yán)格，鋪設(shè)玻璃纖維土工格柵前，首先要對(duì)舊水泥混凝土路面進(jìn)行整平處理，以避免格柵下方出現(xiàn)脫空，造成瀝青路面損壞，在攤鋪瀝青層時(shí)，嚴(yán)禁汽車(chē)在土工格柵上掉頭，以防碾壞土工格柵。
該設(shè)計(jì)路面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，除了加鋪15cm的瀝青混凝土之外，只另外加設(shè)了一層玻璃纖維和改性瀝青油氈。玻璃纖維的價(jià)格大約為15元/m2，這樣整個(gè)結(jié)構(gòu)的造價(jià)比較便宜，施工工藝也不復(fù)雜。加鋪一層玻璃纖維和15cm的瀝青混凝土
的確起到防止反射裂縫的作用，但對(duì)舊水泥板的處理要求較高，舊混凝土板塊除了對(duì)常規(guī)的結(jié)構(gòu)性病害的處理之外(各類(lèi)病害的板塊處理參照（《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)》 JTJ073-96執(zhí)行)，還要根據(jù)老路加鋪結(jié)構(gòu)層進(jìn)行改造的特殊性情況，提出相應(yīng)的指標(biāo)要求。
圖1 (一)所示路面結(jié)構(gòu)
本次改造中采用的指標(biāo)是借鑒寧揚(yáng)（州）一級(jí)公路高速化改造過(guò)程中對(duì)舊水泥混凝土板的處理方式：對(duì)板塊進(jìn)行逐板測(cè)量調(diào)查，逐塊把關(guān)控制進(jìn)行修補(bǔ)，以舊水泥混凝土板塊的單點(diǎn)實(shí)測(cè)彎沉值和板間實(shí)測(cè)彎沉差控制。
對(duì)于一，板塊單點(diǎn)彎沉控制指標(biāo)(單位0.01mm)為：
(1)單點(diǎn)實(shí)測(cè)彎沉值Lr≤14,不予處理；
(2)單點(diǎn)實(shí)測(cè)彎沉值14＜Lr≤40,鉆孔壓漿處理；
(3)單點(diǎn)實(shí)測(cè)彎沉值Lr＞40,則按脫空板處理，整板破碎，處理基層，新澆混凝土板塊。
(4)灌漿后兩相鄰板間彎沉差控制在0.06mm以?xún)?nèi)。
該加鋪層結(jié)構(gòu)造價(jià)為322萬(wàn)元/公里（不含橋梁及沿線(xiàn)設(shè)施工程造價(jià)）。
3.2 設(shè)計(jì)(二)
土工織物或網(wǎng)格防治路基水平位移比剪切位移更有效，當(dāng)應(yīng)用于傳荷能力很差的路面時(shí)，對(duì)防治反射裂縫就顯得無(wú)能為力。二灰碎石這種大變形的材料可以用來(lái)緩沖剪切變形，減緩了瀝青加鋪層中應(yīng)力集中現(xiàn)象，玻纖格柵的存在可進(jìn)一步延長(zhǎng)裂縫擴(kuò)展到瀝青層中的時(shí)間，起到了延緩反射
裂縫產(chǎn)生的作用。該路面結(jié)構(gòu)形式，由于又多加了一層二灰碎石，工程造價(jià)就高些，而施工工藝也較復(fù)雜，但這防止反射裂縫的效果要比前一種好，花一定的代價(jià)來(lái)獲得結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠。
該方案(見(jiàn)圖2)對(duì)施工工期較方案(一)短，對(duì)舊水泥板的處理比(一)要求低(各類(lèi)病害的板塊處理參照《公路養(yǎng)護(hù)技術(shù)》 JTJ073-96執(zhí)行：
圖2 (二)所示路面結(jié)構(gòu)
對(duì)于(二)，板塊單點(diǎn)彎沉控制指標(biāo)(單位0.01mm)為：
(1) 單點(diǎn)實(shí)測(cè)彎沉值Lr≤20,不予處理；
(2)單點(diǎn)實(shí)測(cè)彎沉值20＜Lr≤40,鉆孔壓漿處理；
(3) 單點(diǎn)實(shí)測(cè)彎沉值Lr＞40,則按脫空板處理，整板破碎，處理基層，新澆混凝土板塊。
該加鋪層結(jié)構(gòu)造價(jià)為334萬(wàn)元/公里（不含橋梁及沿線(xiàn)設(shè)施工程造價(jià)）。
3.3 設(shè)計(jì)(三)
為了防止路基反射裂縫的產(chǎn)生而又不過(guò)分加大瀝青混凝土加鋪層的厚度，三建議把舊的混凝土板打碎以減少板長(zhǎng)，并碾壓固定，來(lái)防止反射裂縫。
滬宜線(xiàn)胡埭至漕橋段由于結(jié)構(gòu)承載力不足、交通量劇增、汽車(chē)超載嚴(yán)重，舊水泥混凝土板普遍存在脫空、斷板、錯(cuò)臺(tái)等現(xiàn)象，在參照省內(nèi)外相關(guān)工程改造實(shí)例的基礎(chǔ)上，本方案先采用沖擊錘將舊水泥混凝土板破碎成20cm×20cm以下的混凝土碎塊，振動(dòng)壓路機(jī)碾壓，使破碎板塊與板下基層貼合緊密，保證板塊穩(wěn)定，再每板檢查彎沉值，對(duì)于彎沉大于120(0.01mm)的點(diǎn)須進(jìn)行基層加固處理；為了防止雨水下滲而破壞板下基層，同時(shí)為了維持適當(dāng)?shù)耐ㄜ?chē)條件，在破碎板上做了5cm瀝青貫入式路面；采用二灰碎石半剛性補(bǔ)強(qiáng)層，二灰碎石層的厚度，根據(jù)路面補(bǔ)強(qiáng)方法設(shè)計(jì)。本方案最關(guān)鍵的一道工序就是如何有效地破碎水泥混凝土板，這樣就提高了工程造價(jià)，增加了施工難度，也對(duì)沿線(xiàn)橋梁改造造成了困難（主要是指橋梁縱斷面標(biāo)高），該方案(見(jiàn)圖3)對(duì)硬路肩的改造要求較方案(一)、(二)低。
圖3 (三)所示路面結(jié)構(gòu)
對(duì)于強(qiáng)度和整體性較好的路面采用破碎舊水泥混凝土板技術(shù)，會(huì)破壞基層的整體性，增加其它破壞類(lèi)型的可能；由于舊水泥板破碎，地下水由于毛細(xì)現(xiàn)象將會(huì)沿破碎板縫隙上升，地下水侵入二灰碎石基層的可能性增大，容易導(dǎo)致二灰碎石基層開(kāi)裂，加速瀝青加鋪層反射裂縫的產(chǎn)生。對(duì)該的選用應(yīng)結(jié)合板塊病害情況，對(duì)造價(jià)、施工工期、施工組織等進(jìn)行綜合比選。
該方案對(duì)施工工期較方案(一)、(二)長(zhǎng)，對(duì)破碎舊水泥板的處理要求如下：
(1)單點(diǎn)實(shí)測(cè)彎沉值Lr≤120的板塊和路段,不予處理；
(2) 單點(diǎn)實(shí)測(cè)彎沉值Lr＞120的板塊和路段,進(jìn)行翻修加固基層。
該加鋪層結(jié)構(gòu)造價(jià)為357萬(wàn)元/公里（不含橋梁及沿線(xiàn)設(shè)施工程造價(jià)）。
3.4 加鋪層推薦
從上面幾種加鋪方案并結(jié)合本路段的路況調(diào)查情況我們不難發(fā)現(xiàn),方案(一)造價(jià)最低，而且路面僅加鋪18cm，對(duì)橋梁改造有利，但其對(duì)舊水泥板的處理要求最高，施工工期較長(zhǎng)，能否徹底解決板底脫空、不均勻受力、傳荷能力差等病害是該方案的關(guān)健，其“防反”的效果和程度是由多種因素控制，對(duì)于破板較嚴(yán)重的路段應(yīng)慎重考慮；方案(三)造價(jià)最高，該方案最關(guān)鍵的一道工序就是破碎水泥混凝土板，該方案改造原理明確，將舊水泥板打碎，減少了板長(zhǎng),消除了溫度型反射裂縫的產(chǎn)生，但增加了沿線(xiàn)16座橋梁改造難度，而且容易受到地下水的侵害；方案(二)造價(jià)比方案(一)略高，施工工藝也較復(fù)雜，但該方案同時(shí)利用了混凝土老路及瀝青加鋪層的優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)修補(bǔ)的混凝土路面提供了穩(wěn)定堅(jiān)實(shí)的基層，采用玻纖格柵加筋層及二灰碎石層可有效地防止混凝土板塊的溫度、豎向剪切應(yīng)力的作用，且該方案防止荷載型反射裂縫的效果要比方案(一)、方案(三)好，施工質(zhì)量容易控制，花一定的代價(jià)來(lái)獲得結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)穩(wěn)定是值得的，而且這一方案對(duì)地下水位較高的滬宜線(xiàn)胡埭至漕橋段來(lái)說(shuō)尤其適用。綜合考慮其經(jīng)濟(jì)上的合理性和技術(shù)上的可行性，推薦采用加鋪(二)。
4 結(jié)束語(yǔ)
1.目前部分水泥混凝土路面正處于維修、待修狀態(tài)，舊混凝土路面行車(chē)舒適性差，車(chē)速難以提高狀況是目前急需解決的問(wèn)題。
2.對(duì)用瀝青加鋪層改造舊水泥混凝土路面的方法和理論仍將作進(jìn)一步的研究，力圖找到符合國(guó)情、切實(shí)可行的改造措施。
3.滬宜線(xiàn)（胡埭至漕橋）舊水泥混凝土路面改造中，采用玻纖格柵、改性瀝青油氈、改性瀝青SMA等新材料、新工藝，從目前通車(chē)情況來(lái)看，效果較為理想，由于裂縫的發(fā)展需要一定的時(shí)間，對(duì)于玻纖格柵、改性瀝青油氈、改性瀝青SMA等新材料抑制反射裂縫的效果尚有待今后長(zhǎng)期觀察。
