舊水泥混凝土路面加鋪改造方案綜述

摘　要：本文結合寧通公路東至江都段舊水泥混凝土路面加鋪改造工程，較詳細地闡述了其改造方案的設計、改性瀝青油氈和玻纖格柵的應用、改性瀝青的應用、SMA配合比設計及施工控制、試驗路方案設計等。
關鍵詞：混凝土　路面　加鋪　改造　設計

1　舊水泥混凝土路面狀況

　　寧通公路東-江都段水泥混凝土路面于1986年建成，1996年的實測交通量達9338輛/晝夜，經過12年的使用，該路面出現了不同程度的病害，已不能滿足當前的交通運輸要求，須進行大修。依據《公路水泥混凝土路面養護規范》規定對該水泥混凝土路段路況進行評價，調查評價結果見表1。

調查評價匯總表　　　　　　　　　表1

　　注：PCL為路面狀況指數；DBL為斷板率(%)；傳荷能力為檢測相鄰兩塊板的彎沉差；平整度通過3m直尺檢測。

?　從本次調查結果可以看出，南京4km段水泥混凝土路面的損壞情況最為嚴重，揚州6km段和1345段次之，建議對該段水泥混凝土路面進行改造。

2　方案設計

　　舊水泥混凝土路面上的瀝青加鋪層是一種特殊的路面結構，應力應變特性與一般的彈性層狀體系有較大的差別。由于接裂縫的存在，在外力荷載作用下，瀝青混凝土加鋪層處于復雜的三維應力狀態。車輛行駛經過不連續的板體時，瀝青混凝土加鋪層中由于裂縫兩側相鄰板塊產生豎向位移差，而出現較大的剪切應力，這種剪切應力是瀝青混凝土加鋪層產生荷載型反射裂縫最主要的原因。另外,由于路面暴露在大氣中，受氣溫周期性變化的影響，瀝青加鋪層和舊路面板都會縮脹，并產生溫度應力。由于舊水泥混凝土路面的應力在接縫處不連續,因此瀝青加鋪層同時承受它本身以及舊路面所產生的溫度應力,特別是冬季氣溫較低時,瀝青混凝土加鋪層會因為與接縫對應處的應力過大而產生開裂,形成所謂的溫度型反射裂縫。
　　瀝青混凝土加鋪層設計即設計瀝青加鋪層厚度，而該厚度由行車荷載和防反射裂縫兩個因素控制。由于水泥混凝土面板本身強度較高，將其做為基層，在其上再加鋪瀝青混凝土這種路面結構，強度一般沒問題，關鍵是防止反射裂縫的產生。防止反射裂縫的措施大致可分為三類：改善瀝青罩面層性能、設置中間夾層和增設補強層。
　　國內外大量工程實例和研究說明：
　　(1)舊混凝土路面加鋪改造仍處于研究、試驗階段，尚未有成熟的理論、方法。由于各種條件的差異，相同的方法有時甚至得出相反的結論。
　　(2)改造中，處治原混凝土路面很重要，尤其在傳荷能力較差的接縫處,能否有效地處理板下脫空是關鍵。
　　(3)所有的土工織物或網絡防治水平位移比剪切位移更有效。不論是加筋還是應力消散措施,當應用于傳荷能力很差的路面時，任何瀝青類罩面對防治反射裂縫都顯得無能為力。
　　(4)為了有效地改造舊水泥混凝土路面,改善路面使用品質,應從提高面層、夾層性能,處治好舊板塊、基層等多方面考慮改造方案。
　　按國外瀝青混凝土罩面的設計和計算方法,如ARE(Austin Research Engineers)設計方法、AASHTO罩面設計方法、美國瀝青協會法、美國工程兵團和聯邦航空局法，計算出寧通公路*東至江都段舊混凝土路面上加鋪瀝青混凝土厚度為80～100mm。根據理論分析結果和寧通線工程情況,確定采用4+6即10cm的瀝青混凝土加鋪層,考慮到南京段和揚州段水泥混凝土路面的損壞程度不一樣,本次加鋪改造采用了兩種加鋪結構層(詳見圖1)。

在寧通公路改造過程中采用了縱橫縫粘貼改性瀝青油氈,同時鋪設玻璃纖維土工格柵來達到提高瀝青加鋪層、延緩反射裂縫的能力。玻璃纖維土工格柵耐高溫性能好,攤鋪熱瀝青混凝土不會產生變形。為保證玻璃纖維土工格柵與下一層的貼合和便于施工,采用2～3cm厚的瀝青砂找平層。從瀝青加鋪層中加入應力吸收夾層后荷載應力和溫度應力變化的比較可以看出,加入吸收層,溫度拉應力下降非常明顯,而荷載應力下降不多。很多試驗結果也表明加鋪吸收層對減少接縫收縮引起的拉應力效果明顯,但對于荷載作用下兩板相對垂直位移造成的剪應力幾乎沒有什么效果。為了解決這一問題，除對舊水泥道面進行維修加固,對傳力效果差的接縫重新設置外,另外再在瀝青混凝土面層下鋪設18cm厚的二灰碎石基層,用來緩沖剪切變形。
　　由于舊水泥混凝土路面上瀝青混凝土加鋪層的主要破壞形式是反射裂縫,即冬季低溫時由于接縫處水泥混凝土板收縮，在瀝青混凝土內產生的拉應力過大，造成瀝青混凝土層剪切破壞。為了減少和延緩反射裂縫的產生，這就要求加鋪層的瀝青混凝土本身具有較高的低溫抗變形性能力和抗拉抗剪性能,同時又不能過分地降低瀝青混合料高溫穩定性,改性瀝青碼蹄脂碎石混合料(SMA)則是最佳選擇。
　　改性瀝青由于改性劑的存在,結構組成發生變化,形成相互貫穿的空間網絡結構,使得改性瀝青的力學性能、粘度、粘附性、感溫性都有了明顯改善,能有效地抑制反射裂縫的發展。而SMA這種以瀝青、礦粉和纖維穩定劑做結合料的間斷級配瀝青混合料，既具備開級配混合料的嵌擠能力,提高抗車轍能力和抗滑阻力,又具備密級配混合料的優點,空隙率小、瀝青用量多,提高疲勞壽命和抗水損害能力。將它用做上面層，能提高行車舒適性,減少和延緩病害的產生,延長路面使用壽命，對江蘇蘇中這種高溫、多雨、潮濕地區尤其適用。

3　舊水泥混凝土路面修補

　　對于脫空板、有裂縫的板，以及角隅斷裂、錯臺等均進行修補。根據國內外多年來對舊水泥混凝土路面加鋪改造的經驗,對于防治反射裂縫的結構層,無論是加筋的還是應力消散類的(例如改性油氈、玻璃纖維格柵、土工布、粘結間斷層以及SMA結構等),都是針對或者說更有效于水平向位移,而各種措施對于豎向位移都顯得無能為力。而豎向位移的彎沉值到底控制為多大,才能達到既解決問題又經濟可行，目前尚無指標可參照。因此,本次改造中提出豎向位移由舊水泥混凝土板塊的單點實測彎沉值控制,對板塊進行逐板地毯式測量調查,逐板把關控制進行修補。

4　改性瀝青油氈和玻璃纖維土工格柵的應用

　　改性瀝青油毛氈具有耐高溫的特性,在瀝青混凝土攤鋪時不會熔化于瀝青混凝土中或老化變質,能夠承受高溫時壓路機碾壓。選用改性瀝青油毛氈能有效地減少地表水通過舊水泥混凝土板接縫下滲入土基,同時又能減少地下水通過舊水泥混凝土板間接縫進入加鋪層而浸濕加鋪結構層材料,降低無機結合料處治的粒料層強度,延緩瀝青面層出現剝落和松散,延長加鋪層結構使用壽命。利用改性瀝青油氈的變形能力對消散水平向應變和傳遞豎向荷載能起到一定的作用,延緩反射裂縫的產生。
　　玻璃纖維格柵是一種能增強公路路面性能的新型優良土工基材。使用玻纖格柵,可有效地改善路面結構應力分布,抵抗和延緩由路面基層裂縫引起的瀝青混凝土路面反射裂縫的發生,從而提高路面的使用壽命。它具有很高的耐熱性和優異的耐寒性,強度大，模量高,化學穩定性好,耐腐蝕,膨脹系數低、尺寸穩定性好等特點。

5　改性瀝青的應用

　　本次寧通公路舊水泥混凝土路面加鋪改造工程,為了抑制或延緩加鋪層反射裂縫的出現,對面層瀝青的使用提出了特殊要求,既要有較好的高溫穩定性,又要有較好的低溫抗裂性,同時考慮到工程經濟性,僅在上面層（4cm，SMA16）使用SBS改性瀝青。其中K49+082～K53+083,K59+240～K65+155段(10.3km)采用殼牌Caribit DA 成品改性瀝青,K77+352～K90+880段(13.3km)使用現場加工的改性瀝青。

5.1　Caribit DA瀝青
　　該瀝青產于新加坡,桶裝進口,SBS含量約為3%,其特點是質量比較穩定,儲存穩定性較好,SBS與瀝青不易分離。針對寧揚公路改造工程的特點,對Caribit提出了具體技術要求(見表2)。

Caribit DA瀝青技術指標　　　　　　　表2

5.2　現場加工改性瀝青
　　基質瀝青選用70#、90#兩種瀝青,分別取3%、3.5%、4%、4.5%、5%五種SBS含量進行改性試驗,部分試驗結果見表3。

現場加工改性瀝青測試結果　　　　　　表3

　　試驗表明,使用SBS改性后,瀝青的針入度下降較多,瀝青變硬，粘度顯著增大(特別是70 #瀝青)。結合實際改性效果,并考慮到太硬的瀝青難于施工,于是選用90#瀝青作為基質瀝青。
　　國內外的研究表明,SBS含量達到3%時,才會對瀝青產生明顯的改性作用。SBS用量視實際情況和要求而定,一般為3%～6%。結合本工程的特點和改性試驗情況,SBS含量選用4.5%。

6　SMA配合比設計及施工控制

　　SMA即瀝青瑪蹄脂碎石混合料,是在澆鑄式瀝青混凝土的基礎上發展而來的。SMA的高溫性能好，抗車轍能力強，具有較好的低溫抗裂性能和耐久性，能減小路面噪聲，提高行車安全性，延長路面使用壽命，減少養護費用，經濟效益和社會效益十分明顯。從80年代起SMA在歐美得到推廣和普及,一些國家已經制定了SMA國家標準。我國近年來在北京、吉林、河北等地,也修筑了一些SMA試驗路,并開始推廣應用。本次寧揚公路舊水泥路面加鋪改造工程,考慮到加鋪層復雜的受力狀況,為延緩反射裂縫的發生和發展,在上面層采用SBS改性瀝青SMA路面結構。

6.1　配合比設計
　　SMA的特點是"三多一少",即粗骨料多,礦粉用量多,瀝青用量多,而細集料少。SMA混合料的設計要保證粗骨料間形成充分的相互嵌擠的骨架,同時使混合料的空隙率在一個適當的范圍內。關于SMA的設計,沒有特定的方法,馬歇爾法在一定范圍仍然使用。

6.1.1　初擬級配
　　SMA16在國外應用較少，開始試驗時,參考我國北京、吉林、河北等地的實際經驗，選擇三種級配進行試驗,其級配范圍見表4。

瀝青混合料礦料級配　　　　　　表4

　　注：JTBT--為交通部推薦級配,在北京、吉林等地區應用較多;
　　　　BAOJ--為河北省保津公路擬用級配,是在美國FHWA級配的基礎上而制定的;?
　　　　JSTI--為寧揚改造課題組所擬定的級配;
　　　　AC16I、AM16、AK16I--為JTJ014-97中的瀝青面層級配。

6.1.2　馬歇爾試驗
　　馬歇爾試驗參數和試驗結果見表5～6。

馬歇爾試驗參數　　　　　　　　　表5

　　從表6中可以看出，級配BAOJ空隙率較大，不宜采用。級配JTBT空隙率與VMA略小
，JSTI各項指標都較好。

6.1.3　析漏試驗
　　在此基礎上，對以上三種級配的混合料在180℃、保溫1h的條件下，進行析漏試驗，結果表明三種級配的混合料都能滿足要求。

6.1.4　確定級配
　　根據以上試驗結果，決定采用級配JSTI。

6.1.5　確定用油量
　　采用級配JSTI,油石比5.5～7.5，進行馬歇爾試驗，試驗結果見表7。

　　采用6.0、6.5、7.0三種油石比進行車轍試驗，試驗結果見表8。同時，對以上三
種用油量的混合料進行析漏試驗，結果表明都能滿足要求。
　　對于SMA這種密實骨架結構,馬歇爾試驗的目的是進行混合料的體積設計,穩定度和流值僅作參考,重點是保證空隙率和VMA。從以上試驗結果可以看出,當油石比為6.5%時，SMA混合料的密度和穩定度都達到最大,而且VMA和車轍試驗的動穩定度都滿足要求,故決定采用6.5%的油石比,實際用油量為6.1%。

6.2　SMA施工控制

6.2.1　SMA的生產與運輸
　　SMA面層采用玄武巖礦料、石灰石礦粉和SBS改性瀝青，用油量為6.1%。穩定劑為粒狀木質素纖維，其中纖維含量為80%,用量為0.375%。
　　采用間歇式拌和機，材料添加順序及攪拌時間見表9。
　　出料以混合料拌和均勻，纖維均勻分布在混合料中,所有礦料顆粒全部裹覆瀝青結合料為度。由于使用了SBS改性瀝青 ,拌和溫度比拌普通瀝青混合料提高20℃左右。瀝青加熱溫度掌握在175℃～185℃,不得超過190℃;礦料加熱溫度在185℃～195℃;礦粉和纖維不加熱;混合料出料溫度應控制在170℃～180℃; 當混合料超過195℃時,予以廢棄。
　　纖維采用半自動添加的方法;在拌和缸上方設置纖維添加料斗,料斗下方的閥門與礦粉添加設備的氣動裝置相連,使礦粉、纖維的添加同步進行。使用前,將纖維稱重后分裝在低密度聚乙烯塑料袋中,拌和時按照指定的數量,人工投入到料斗中。
　　SMA與普通瀝青混合料相比,由于增加拌和時間、投入礦粉時間加長、廢棄粉塵回收等因素的影響,拌和機生產效率受到影響,一般只有60%～70%。在計算拌能力時應充分考慮,以保證不影響攤鋪速度,造成停頓。
　　為了保證攤鋪溫度,混合料應采用大噸位自卸汽車運輸,運料時必須采取加蓋棉被、苫布等切實可行的保溫措施。為防止瀝青與車廂板粘結,車廂側板和底板可涂一薄層油水混合液,但不得有余液積聚在車廂底部。開始攤鋪時,現場待卸料車輛不得少于5輛,以保證連續攤鋪。

6.2.2　SMA的攤鋪和碾壓
　　攤鋪前辟須將工作面清掃干凈(如用水沖洗)，必須待曬干后才能進行攤鋪作業,如下層路面已經過行車碾壓,攤鋪前灑粘層油,用量為0.4L/m2。
　　攤鋪機的攤鋪速度調整到與供料、壓實速度相平衡,保證連續不斷的均衡攤鋪,中間不停頓等候。
　　由于使用SBS改性瀝青及纖維,混合料攤鋪溫度宜為160℃～180℃，低于140℃溫度的混合料禁止使用,混合料溫度在自卸汽車卸料到攤鋪機上時測量。當路表溫度低于15℃時,不攤鋪改性瀝青SMA混合料。
　　SMA的壓實系數要比普通的瀝青混凝土小得多,松鋪系數應根據試驗段的數據來確定。攤鋪過程中隨時檢查攤鋪層厚及路拱、橫坡,達不到要求時,立刻進行調整。
　　SMA混合料碾壓溫度越高越好,攤鋪后立即壓實,不等候。混合料的碾壓按初壓、復壓二階段進行,壓路機以≯5km/h的速度進行均勻的輾壓。初壓用10～12t鋼輪壓路機緊隨攤鋪機靜壓,初壓2遍。復壓在初壓完成后緊接著進行,復壓2遍,即結束。稍冷后,用較寬的鋼碾終壓一遍即可,終壓溫度不低于90℃。
　　由于本項目為舊水泥混凝土路面加鋪改造,加鋪層下面是剛性基層,故碾壓時不使用振動方式。壓路機輾壓時相鄰輾壓帶重疊1/3～1/4輪寬,碾壓工作面長度30～50m。
　　為了防止混合料粘輪,在鋼輪表面均勻灑水使輪子保持潮濕,水中摻少量的清洗劑或其它適當的材料，同時防止過量灑水引起混合料溫度的驟降。
　　壓實后,混合料壓實度不小于最大理論密度的94%,試件的空隙率不大于6%。采用鉆孔法及核子密度儀檢測密度,并根據觀察表面是否有明顯輪跡及瑪蹄脂擠滿程度確定。
　　SMA面層一旦達到足夠的密度后,碾壓即停止,過度碾壓可能導致瀝青瑪蹄脂結合料被擠壓到路表面,影響構造深度。工作中應密切注意路表情況,防止過度輾壓。
　　由于SMA混合料使用了SBS改性瀝青，瀝青含量高,因而粘度大,未使用輪胎式壓路機碾壓,以防止粘輪及輪胎揉搓造成瀝青瑪蹄脂擠到表面而達不到壓實效果。

7　試驗路方案設計

改造方案是在研究國內外工程實例和研究成果以及經過專家共同研討的基礎上確定的。為了找到一種符合中國國情的水泥混凝土路面加鋪改造方案,同時對方案進行優化,對不同材料在水泥混凝土路面加鋪改造中的作用進行分析,設計了一些實驗路方案,對其進行長期觀測。
　　試驗路方案將達到以下目的:
　　(1)檢驗玻纖格柵的使用效果;比較玻纖格柵與土工布的效果;
　　(2)比較AC16I型結構與SMA面層結構的效果;
　　(3)比較改性瀝青和普通瀝青的效果；

8　結束語

　　對舊水泥混凝土路面加鋪改造目前國內外仍處于研究、試驗階段,尚未有成熟的理論和方法,但普遍認為有效地改造舊水泥混凝土路面、改善面層使用品質,應從提高面層、夾層性能、處治好舊板塊、基層等方面進行改造。通過這次寧通公路*東-江都段舊水泥混凝土路面加鋪改造,應用了許多新技術、新材料,為今后水泥混凝土路面加鋪改造積累了經驗。改造方案是在研究國內外工程實例和研究成果以及經過專家論證后確定的,但在具體實施過程中,可變化因素很多,這些因素的變化對改造的效果影響很大,試驗路方案的實施就是為了能夠找到一種切實可行、經濟實用的加鋪改造方案。

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