舊水泥混凝土路面加鋪改造方案綜述

舊水泥混凝土路面加鋪改造方案綜述

摘　要：本文結(jié)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(xì)地闡述了其改造方案的設(shè)計(jì)、改性瀝青油氈和玻纖格柵的應(yīng)用、改性瀝青的應(yīng)用、SMA配合比設(shè)計(jì)及施工控制、試驗(yàn)路方案設(shè)計(jì)等。
關(guān)鍵詞：混凝土　路面　加鋪　改造　設(shè)計(jì)

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(shí)測交通量達(dá)9338輛/晝夜，經(jīng)過12年的使用，該路面出現(xiàn)了不同程度的病害，已不能滿足當(dāng)前的交通運(yùn)輸要求，須進(jìn)行大修。依據(jù)《公路水泥混凝土路面養(yǎng)護(hù)規(guī)范》規(guī)定對該水泥混凝土路段路況進(jìn)行評價(jià)，調(diào)查評價(jià)結(jié)果見表1。

調(diào)查評價(jià)匯總表　　　　　　　　　表1

　　注：PCL為路面狀況指數(shù)；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(diào)查結(jié)果可以看出，南京4km段水泥混凝土路面的損壞情況最為嚴(yán)重，揚(yáng)州6km段和1345段次之，建議對該段水泥混凝土路面進(jìn)行改造。

2　方案設(shè)計(jì)

　　舊水泥混凝土路面上的瀝青加鋪層是一種特殊的路面結(jié)構(gòu)，應(yīng)力應(yīng)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(fù)雜的三維應(yīng)力狀態(tài)。車輛行駛經(jīng)過不連續(xù)的板體時(shí)，瀝青混凝土加鋪層中由于裂縫兩側(cè)相鄰板塊產(chǎn)生豎向位移差，而出現(xiàn)較大的剪切應(yīng)力，這種剪切應(yīng)力是瀝青混凝土加鋪層產(chǎn)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(huì)縮脹，并產(chǎn)生溫度應(yīng)力。由于舊水泥混凝土路面的應(yīng)力在接縫處不連續(xù),因此瀝青加鋪層同時(shí)承受它本身以及舊路面所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力,特別是冬季氣溫較低時(shí),瀝青混凝土加鋪層會(huì)因?yàn)榕c接縫對應(yīng)處的應(yīng)力過大而產(chǎn)生開裂,形成所謂的溫度型反射裂縫。
　　瀝青混凝土加鋪層設(shè)計(jì)即設(shè)計(jì)瀝青加鋪層厚度，而該厚度由行車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，將其做為基層，在其上再加鋪瀝青混凝土這種路面結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度一般沒問題，關(guān)鍵是防止反射裂縫的產(chǎn)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(shè)置中間夾層和增設(shè)補(bǔ)強(qiáng)層。
　　國內(nèi)外大量工程實(shí)例和研究說明：
　　(1)舊混凝土路面加鋪改造仍處于研究、試驗(yàn)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(shí)甚至得出相反的結(jié)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(guān)鍵。
　　(3)所有的土工織物或網(wǎng)絡(luò)防治水平位移比剪切位移更有效。不論是加筋還是應(yīng)力消散措施,當(dāng)應(yīng)用于傳荷能力很差的路面時(shí)，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(zhì),應(yīng)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(shè)計(jì)和計(jì)算方法,如ARE(Austin Research Engineers)設(shè)計(jì)方法、AASHTO罩面設(shè)計(jì)方法、美國瀝青協(xié)會(huì)法、美國工程兵團(tuán)和聯(lián)邦航空局法，計(jì)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(jù)理論分析結(jié)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(yáng)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(jié)構(gòu)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(shí)鋪設(shè)玻璃纖維土工格柵來達(dá)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(huì)產(chǎn)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(yīng)力吸收夾層后荷載應(yīng)力和溫度應(yīng)力變化的比較可以看出,加入吸收層,溫度拉應(yīng)力下降非常明顯,而荷載應(yīng)力下降不多。很多試驗(yàn)結(jié)果也表明加鋪吸收層對減少接縫收縮引起的拉應(yīng)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(yīng)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(jìn)行維修加固,對傳力效果差的接縫重新設(shè)置外,另外再在瀝青混凝土面層下鋪設(shè)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(shí)由于接縫處水泥混凝土板收縮，在瀝青混凝土內(nèi)產(chǎn)生的拉應(yīng)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(chǎn)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(shí)又不能過分地降低瀝青混合料高溫穩(wěn)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(jié)構(gòu)組成發(fā)生變化,形成相互貫穿的空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),使得改性瀝青的力學(xué)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(fā)展。而SMA這種以瀝青、礦粉和纖維穩(wěn)定劑做結(jié)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(yōu)點(diǎn),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(chǎn)生,延長路面使用壽命，對江蘇蘇中這種高溫、多雨、潮濕地區(qū)尤其適用。

3　舊水泥混凝土路面修補(bǔ)

　　對于脫空板、有裂縫的板，以及角隅斷裂、錯(cuò)臺(tái)等均進(jìn)行修補(bǔ)。根據(jù)國內(nèi)外多年來對舊水泥混凝土路面加鋪改造的經(jīng)驗(yàn),對于防治反射裂縫的結(jié)構(gòu)層,無論是加筋的還是應(yīng)力消散類的(例如改性油氈、玻璃纖維格柵、土工布、粘結(jié)間斷層以及SMA結(jié)構(gòu)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(dá)到既解決問題又經(jīng)濟(jì)可行，目前尚無指標(biāo)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(diǎn)實(shí)測彎沉值控制,對板塊進(jìn)行逐板地毯式測量調(diào)查,逐板把關(guān)控制進(jìn)行修補(bǔ)。

4　改性瀝青油氈和玻璃纖維土工格柵的應(yīng)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(shí)不會(huì)熔化于瀝青混凝土中或老化變質(zhì),能夠承受高溫時(shí)壓路機(jī)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(shí)又能減少地下水通過舊水泥混凝土板間接縫進(jìn)入加鋪層而浸濕加鋪結(jié)構(gòu)層材料,降低無機(jī)結(jié)合料處治的粒料層強(qiáng)度,延緩瀝青面層出現(xiàn)剝落和松散,延長加鋪層結(jié)構(gòu)使用壽命。利用改性瀝青油氈的變形能力對消散水平向應(yīng)變和傳遞豎向荷載能起到一定的作用,延緩反射裂縫的產(chǎn)生。
　　玻璃纖維格柵是一種能增強(qiáng)公路路面性能的新型優(yōu)良土工基材。使用玻纖格柵,可有效地改善路面結(jié)構(gòu)應(yīng)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(fā)生,從而提高路面的使用壽命。它具有很高的耐熱性和優(yōu)異的耐寒性,強(qiáng)度大，模量高,化學(xué)穩(wěn)定性好,耐腐蝕,膨脹系數(shù)低、尺寸穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

5　改性瀝青的應(yīng)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(xiàn),對面層瀝青的使用提出了特殊要求,既要有較好的高溫穩(wěn)定性,又要有較好的低溫抗裂性,同時(shí)考慮到工程經(jīng)濟(jì)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(xiàn)場加工的改性瀝青。

5.1　Caribit DA瀝青
　　該瀝青產(chǎn)于新加坡,桶裝進(jìn)口,SBS含量約為3%,其特點(diǎn)是質(zhì)量比較穩(wěn)定,儲(chǔ)存穩(wěn)定性較好,SBS與瀝青不易分離。針對寧揚(yáng)公路改造工程的特點(diǎn),對Caribit提出了具體技術(shù)要求(見表2)。

Caribit DA瀝青技術(shù)指標(biāo)　　　　　　　表2

5.2　現(xiàn)場加工改性瀝青
　　基質(zhì)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(jìn)行改性試驗(yàn),部分試驗(yàn)結(jié)果見表3。

現(xiàn)場加工改性瀝青測試結(jié)果　　　　　　表3

　　試驗(yàn)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(jié)合實(shí)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(zhì)瀝青。
　　國內(nèi)外的研究表明,SBS含量達(dá)到3%時(shí),才會(huì)對瀝青產(chǎn)生明顯的改性作用。SBS用量視實(shí)際情況和要求而定,一般為3%～6%。結(jié)合本工程的特點(diǎn)和改性試驗(yàn)情況,SBS含量選用4.5%。

6　SMA配合比設(shè)計(jì)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(chǔ)上發(fā)展而來的。SMA的高溫性能好，抗車轍能力強(qiáng)，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(yǎng)護(hù)費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(jīng)制定了SMA國家標(biāo)準(zhǔn)。我國近年來在北京、吉林、河北等地,也修筑了一些SMA試驗(yàn)路,并開始推廣應(yīng)用。本次寧揚(yáng)公路舊水泥路面加鋪改造工程,考慮到加鋪層復(fù)雜的受力狀況,為延緩反射裂縫的發(fā)生和發(fā)展,在上面層采用SBS改性瀝青SMA路面結(jié)構(gòu)。

6.1　配合比設(shè)計(jì)
　　SMA的特點(diǎn)是"三多一少",即粗骨料多,礦粉用量多,瀝青用量多,而細(xì)集料少。SMA混合料的設(shè)計(jì)要保證粗骨料間形成充分的相互嵌擠的骨架,同時(shí)使混合料的空隙率在一個(gè)適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)。關(guān)于SMA的設(shè)計(jì),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(yīng)用較少，開始試驗(yàn)時(shí),參考我國北京、吉林、河北等地的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，選擇三種級配進(jìn)行試驗(yàn),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(qū)應(yīng)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(chǔ)上而制定的;?
　　　　JSTI--為寧揚(yáng)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(yàn)
　　馬歇爾試驗(yàn)參數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果見表5～6。

馬歇爾試驗(yàn)參數(shù)　　　　　　　　　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(xiàng)指標(biāo)都較好。

6.1.3　析漏試驗(yàn)
　　在此基礎(chǔ)上，對以上三種級配的混合料在180℃、保溫1h的條件下，進(jìn)行析漏試驗(yàn)，結(jié)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(jù)以上試驗(yàn)結(jié)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(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表7。

　　采用6.0、6.5、7.0三種油石比進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表8。同時(shí)，對以上三
種用油量的混合料進(jìn)行析漏試驗(yàn)，結(jié)果表明都能滿足要求。
　　對于SMA這種密實(shí)骨架結(jié)構(gòu),馬歇爾試驗(yàn)的目的是進(jìn)行混合料的體積設(shè)計(jì),穩(wěn)定度和流值僅作參考,重點(diǎn)是保證空隙率和VMA。從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出,當(dāng)油石比為6.5%時(shí)，SMA混合料的密度和穩(wěn)定度都達(dá)到最大,而且VMA和車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度都滿足要求,故決定采用6.5%的油石比,實(shí)際用油量為6.1%。

6.2　SMA施工控制

6.2.1　SMA的生產(chǎn)與運(yùn)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(wěn)定劑為粒狀木質(zhì)素纖維，其中纖維含量為80%,用量為0.375%。
　　采用間歇式拌和機(jī)，材料添加順序及攪拌時(shí)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(jié)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(yīng)控制在170℃～180℃; 當(dāng)混合料超過195℃時(shí),予以廢棄。
　　纖維采用半自動(dòng)添加的方法;在拌和缸上方設(shè)置纖維添加料斗,料斗下方的閥門與礦粉添加設(shè)備的氣動(dòng)裝置相連,使礦粉、纖維的添加同步進(jìn)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(shí)按照指定的數(shù)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(shí)間、投入礦粉時(shí)間加長、廢棄粉塵回收等因素的影響,拌和機(jī)生產(chǎn)效率受到影響,一般只有60%～70%。在計(jì)算拌能力時(shí)應(yīng)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(yīng)采用大噸位自卸汽車運(yùn)輸,運(yùn)料時(shí)必須采取加蓋棉被、苫布等切實(shí)可行的保溫措施。為防止瀝青與車廂板粘結(jié),車廂側(cè)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(shí),現(xiàn)場待卸料車輛不得少于5輛,以保證連續(xù)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(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè),如下層路面已經(jīng)過行車碾壓,攤鋪前灑粘層油,用量為0.4L/m2。
　　攤鋪機(jī)的攤鋪速度調(diào)整到與供料、壓實(shí)速度相平衡,保證連續(xù)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(jī)上時(shí)測量。當(dāng)路表溫度低于15℃時(shí),不攤鋪改性瀝青SMA混合料。
　　SMA的壓實(shí)系數(shù)要比普通的瀝青混凝土小得多,松鋪系數(shù)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)段的數(shù)據(jù)來確定。攤鋪過程中隨時(shí)檢查攤鋪層厚及路拱、橫坡,達(dá)不到要求時(shí),立刻進(jìn)行調(diào)整。
　　SMA混合料碾壓溫度越高越好,攤鋪后立即壓實(shí),不等候。混合料的碾壓按初壓、復(fù)壓二階段進(jìn)行,壓路機(jī)以≯5km/h的速度進(jìn)行均勻的輾壓。初壓用10～12t鋼輪壓路機(jī)緊隨攤鋪機(jī)靜壓,初壓2遍。復(fù)壓在初壓完成后緊接著進(jìn)行,復(fù)壓2遍,即結(jié)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(xiàng)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(shí)不使用振動(dòng)方式。壓路機(jī)輾壓時(shí)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?yàn)⑺馆喿颖３殖睗?水中摻少量的清洗劑或其它適當(dāng)?shù)牟牧希瑫r(shí)防止過量灑水引起混合料溫度的驟降。
　　壓實(shí)后,混合料壓實(shí)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(jù)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(dá)到足夠的密度后,碾壓即停止,過度碾壓可能導(dǎo)致瀝青瑪蹄脂結(jié)合料被擠壓到路表面,影響構(gòu)造深度。工作中應(yīng)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(jī)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(dá)不到壓實(shí)效果。

7　試驗(yàn)路方案設(shè)計(jì)

改造方案是在研究國內(nèi)外工程實(shí)例和研究成果以及經(jīng)過專家共同研討的基礎(chǔ)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(shí)對方案進(jìn)行優(yōu)化,對不同材料在水泥混凝土路面加鋪改造中的作用進(jìn)行分析,設(shè)計(jì)了一些實(shí)驗(yàn)路方案,對其進(jìn)行長期觀測。
　　試驗(yàn)路方案將達(dá)到以下目的:
　　(1)檢驗(yàn)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(jié)構(gòu)與SMA面層結(jié)構(gòu)的效果;
　　(3)比較改性瀝青和普通瀝青的效果；

8　結(jié)束語

　　對舊水泥混凝土路面加鋪改造目前國內(nèi)外仍處于研究、試驗(yàn)階段,尚未有成熟的理論和方法,但普遍認(rèn)為有效地改造舊水泥混凝土路面、改善面層使用品質(zhì),應(yīng)從提高面層、夾層性能、處治好舊板塊、基層等方面進(jìn)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(yīng)用了許多新技術(shù)、新材料,為今后水泥混凝土路面加鋪改造積累了經(jīng)驗(yàn)。改造方案是在研究國內(nèi)外工程實(shí)例和研究成果以及經(jīng)過專家論證后確定的,但在具體實(shí)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(yàn)路方案的實(shí)施就是為了能夠找到一種切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的加鋪改造方案。

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