基于旧水泥路面加铺层的层间功能层研究

秦先涛，祝斯月

(1.长安大学 公路学院，陕西西安710064;2.长安大学材料科学与工程学院，陕西西安710064)

水泥混凝土路面由于其承载能力大、寿命长、原材料丰富等优点广泛应用于各等级道路中。但随着通车时间的增加，水泥路面会不可避免地出现破坏。目前，根据旧水泥混凝土路面的破坏程度，国内外常用的旧水泥混凝土路面改造措施主要有：(1)加铺新水泥混凝土面层;(2)旧水泥混凝土路面翻修;(3)加铺沥青混凝土面层［1-2］。考虑到加铺路段原路面病害严重、交通组成混杂等实际情况，本试验路采用加铺新水泥混凝土面层(26 cm)。但由于旧水泥混凝土路面普遍存在接缝和裂缝，在车辆荷载与环境因素作用下，易产生反射裂缝，严重影响加铺层的使用寿命，特别是刚度较大的水泥混凝土加铺层。因此，为了延长新加铺水泥混凝土路面使用寿命，本文在新旧混凝土层之间设置沥青混合料功能层，以减少水泥混凝土路面的早期破坏，改善混凝土路面使用性能。

1 层间功能层简述

由于旧水泥路面和新加铺的混凝土路面刚度均较大，属于“刚+刚”的接触形式，功能层即为新旧混凝土面层之间铺筑的一层厚度较小、模量较低的沥青混凝土夹层，如图1所示。研究表明［3］在混凝土基层上直接加铺水泥混凝土面层，在使用一定时间后面板开裂和基层冲刷较严重，而在混凝土基层与新加铺水泥混凝土面层之间增设沥青混凝土层后，面板出现裂缝和其它早期破坏的几率明显减少。功能层的作用主要是改善新加铺混凝土路面与旧混凝土面层的层间结合，减少由于原水泥路面的裂缝和接缝等原因产生的反射裂缝，减小应力集中作用，同时防止因水通过新加铺路面的接缝等途径下渗而导致的路基破坏或强度降低，从而提高加铺路面的使用性能，有效延长其使用寿命。

图1 设置功能层的旧水泥路面加铺结构示意图

2 试验路概况及病害处理

2.1 试验路概况

试验路段属于某市县级公路，为城乡交通要道，该路段交通情况复杂，载货卡车、农用车等混合交通均存在，超载现象时常发生。原路面结构为20 cm石灰稳定土+20cm水泥稳定沙砾+18cm水泥混凝土面层。调查发现目前旧路面病害严重，例如，表层露骨、坑洞、纵横向裂缝、板破碎、接缝料损坏等等，为了避免加剧路面破损以至于发生路面、路基结构性破坏，决定在病害修复后对其实施水泥混凝土加铺改造。

2.2 病害处理

针对调查中原水泥路面的各种病害，采取适合的修补措施并找平，为功能层以及加铺混凝土面层的施工做好准备工作。清理旧路面接缝，更换接缝材料，如热沥青、橡胶沥青等灌逢材料;对于纵横向裂缝以及网状裂缝，在全部清缝后进行灌缝处理，对于网裂非常严重的区域进行换板处理;对于坑洞，挖除坑洞后适当拓展修补面积，用C15混凝土填筑修补;对于破碎板，挖除破碎板，用C15混凝土更换旧板。此外，完善加铺路段的排水设施。

3 功能层沥青混凝土设计

结合国内外目前关于功能层研究成果，以及加铺路段原路面、交通组成等实际情况，功能层沥青混合料拟采用AC-10，功能层厚度取4cm，根据室内试验进行配合比设计及性能验证，并利用有限元软件分析设置功能层后结构的应力改善情况。

3.1 原材料

3.1.1 基质沥青

本加铺工程采用中海70#基质沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)相关试验的要求进行，试验结果见表1。

表1 中海70#主要技术指标

3.1.2 集料

本加铺工程集料采用汉中拌和厂的石灰岩，按照《公路工程集料试验规程》(JTJ 058-2000)的要求对集料进行性能测试，其各项指标满足规范要求。各档集料筛分结果如表2所示。

表2 各档集料筛分结果 /%

3.2 最佳用油量的确定

首先根据AC-10的级配范围及集料筛分结果确定目标级配(如图2所示)和各档集料用量。

图2 AC-10矿料级配图

根据目标级配可确定各档集料的用量比例为：5—10mm档集料用量为49%，0—5mm档集料用量为47%，矿粉用量为4%。然后采用马歇尔试验确定最佳油石比，根据室内马歇尔试验结果，最终确定的AC-10混合料的最佳油石比为5.0%。

3.3 功能层作用分析

根据以上内容确定功能层的材料设计，为了更好地研究在旧水泥路面加铺混凝土面层时设置沥青混合料功能层后对加铺层和基层的应力改善情况，本文建立有限元模型，分析加铺层和基层底部温度应力和荷载应力的变化情况。计算采用8节点等参单元，边界条件为土基底部完全约束，侧面水平方向位移为零，层间按照完全光滑的条件进行计算，其模型如图3所示。考虑到原路面结构的实际情况，计算时假设旧水泥混凝土面层(18 cm)为新路面结构的基层，而原路面20cm石灰稳定土+20 cm水泥稳定沙砾基层在计算时按最不利原则假设为土基，各结构层参数见表3。

图3 计算模型示意图

表3 各结构层基本材料参数

本文采取图3所示模型进行温度应力和荷载应力计算，计算时，路面荷载均采用标准轴载。在计算温度应力时，温度梯度取 0.88℃/cm［4］。温度应力和荷载应力结算结果见表4。

表4 标准轴载作用下温度应力和荷载应力计算结果 /MPa

根据表4温度应力计算结果可知，设置沥青功 能层之后，面层底部的拉应力明显减小，降幅为18%，这说明设置沥青混合料功能层可以明显改善新旧混凝土面层之间的层间接触状态，从而改善加铺结构的受力情况，延长路面的疲劳寿命。根据表4荷载应力计算结果可知，设置沥青功能层之后，基层底所受到的最大拉应力减小了16%，这在一定程度上可延缓基层底部开裂，进而减少反射裂缝的出现。但是设置沥青功能层，也相当于在面层底部设置了一个软弱夹层，使面层荷载应力有所增大，但是增大程度较小，可以忽略不计。

除了改善加铺结构的受力状态以外，以密级配沥青混合料为主要成份的层间功能层由于孔隙率小、密实程度好，还可以起到很好的封水作用，可阻止从面板接缝或裂缝处渗透下来的水继续下渗至基层，从而减少基层的冲刷，避免唧泥等破坏的发生，延长基层使用寿命。另外，在水泥混凝土面层与旧路面之间增设沥青混合料功能层，由于其具有模量小、有一定弹性的特征，可类似地视为应力吸收层，起到应力消散、延缓反射裂缝的产生等作用。在实际施工过程中，层间功能层的铺筑也相当于对旧路面进行的一次较为全面彻底的修复处理，兼具有调平层的作用。

4 结束语

通过力学分析计算可知，设置4 cm厚的AC-10沥青混合料功能层，可使面层底部温度应力降低18%，可使基层底部的荷载应力降低16%。通过试验路铺筑效果可知，在旧水泥路面上加铺混凝土面层，设置沥青混合料功能层能有效抑制反射裂缝、唧泥等病害的产生，使用性能优异。密级配沥青混凝土功能层由于其模量小、有一定弹性特征，可类似地视为应力吸收层，起到延长使用寿命的作用;还能起到封水、防止基层冲刷等作用。

［1］ 申爱琴.水泥与水泥混凝土［M］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］ 徐涛，张炜，颜杰飞.旧水泥混凝土路面加铺沥青层的应用研究［J］.山西建筑，2010，25(36)：273-274.

［3］ 唐伯明，蒙华，刘志军.欧美水泥混凝土路面设计使用现状综述［J］.公路，2003，10：37-39.

［4］ 王维民.旧沥青混凝土路面加铺水泥混凝土层路面结构温度应力分析［J］.公路，2010(4)：26-29.

［5］ 胡苗.水泥混凝土路面沥青混合料功能层研究［D］.西安：长安大学，2009.