旧水泥混凝土路面改造方案设计

王树波

(经纬高速公路养护工程有限公司，江苏淮安 223005)

我国公路修建水泥混凝土路面已有几十年的历史，随着我国公路建设事业迅速发展和水泥混凝土路面里程不断增长，路面危害问题日显突出，养护维修工作日益繁重。特别是近年来，随着国民经济的迅速发展，交通荷载的日益重型化，交通量的大幅度增长，超载车辆日趋严重，加速了水泥混凝土路面的损坏。因此，加强水泥混凝土路面的养护与改造，延长水泥混凝土路面的使用寿命，是地方公路交通部门面临的一个刻不容缓的任务。

1 旧水泥混凝土路面病害现状

对旧水泥路路面结构、性能、路面损坏、使用品质等进行全面调查与分析是进行旧水泥混凝土路面改造设计的重要依据，也是提出有针对性的处治方法、有效改善旧水泥混凝土路面行车条件的前提。由于水的防治、路基土质条件、路基地下水位、路基沉降、面层强度、超重荷载、设计和施工等原因，使得旧水泥路在接近或未达到设计年限时就存在众多病害状况。其中，其路面病害可以概括为断裂类病害、竖向位移类病害、接缝类病害、表层类病害等[1]。

2 旧水泥混凝土路面病害成因分析

2.1 水泥混凝土路面材料的特性

水泥混凝土路面是一种刚度较大、扩散荷载应力能力强、稳定性好和使用寿命长的路面结构，然而由于其面层材料的极限变形能力小、材料的脆性大，使得面层的变形适应能力较弱，面层与基层之间轻微的均匀脱空或者基层的弯沉超标均可使面层的承载力显著降低。同时由于脱空、弯沉位移等原因，使得水泥混凝土路面依然常常遭到破坏，路面强度降低。此外，水泥混凝土面层下基层的首要要求是给面层提供一个均匀的支撑面，要满足这个条件就要求基层的抗冲刷能力强，因此，不耐冲刷的基层表面，在渗入水和荷载的共同作用下，会产生泵吸、唧泥现象，造成板底脱空和错台等病害，引起路面行车颠簸，导致行车的不舒适，并加速和加剧板的断裂。

可见，普通水泥混凝土路面不适应于基层和路基不均匀变形和不均匀沉降，要求具有相对稳固、均匀的路基和基层支撑条件。水泥混凝土路面的致命缺点之一在于水泥混凝土的脆性，致使刚性面层难以适应基层的较大变形或脱空，从而发生结构性破坏。

2.2 水造成板底脱空的机理

水沿着路面之间的横缝进入板下，会在路面板缝隙处聚集，因为路面板和基层间总是有缝隙的，在行车荷载作用下路面板产生泵吸、唧泥现象。板端脱空和不均匀支撑在引起板端出现横向裂缝的同时，还会导致角隅断裂;板中的不均匀支承导致板中部出现横向裂缝;另外，板底沿长边方向的脱空会导致板中出现纵向裂纹。

2.3 面层与基层间的界面状况分析

现行的水泥混凝土路面结构是将水泥混凝土直接浇筑在基层表面形成的，将混凝土直接浇筑在基层表面后，水泥砂浆渗入基层后形成的具有一定深度的，力学性质介于面层与基层之间的一个中间层。在面层混凝土浇筑在基层上后，中间层将面层与基层粘结为一个整体。

水泥混凝土面层与基层分离后，面层底面严重损伤且极不平整，层间将出现非均匀脱空。层间支承状况与路面破坏之间存在因果关系，面层与基层从初始的结合状态逐渐发展演变，这一过程中，路面结构的层间支承边界条件将发生变化，这些变化直接影响路面的受力状态。面层与基层之间破碎层的出现，将对路面的破坏产生多种综合性的影响。

3 旧水泥混凝土路面改造方案设计

3.1 防治反射裂缝的技术措施

由于旧水泥混凝土路面延性差，容易收缩，产生干缩裂缝和低温收缩裂缝，同时在车辆荷载和温度变化影响下，很容易使得旧水泥混凝土路面产生反射裂缝，从而使得路面整体强度、刚度、稳定性、美观性和行车舒适性大大降低，同时缩短了公路的整体使用寿命。

1)设置中间夹层。考虑路面交通量及交通组成特点，保持路面结构组合对交通荷载承受能力要求，在旧水泥混凝土路面和加铺层之间设置夹层，通过调整结合料用量与比例，增加粗骨料含量并严格设计级配，以尽可能的减小其温缩和干缩系数，增加半刚性基层材料强度与刚度，增加抗裂性能。

2)设置裂缝缓解层。使用防裂效果更好的面层或基层材料，设置裂缝缓解层，如在加铺层下部设置沥青稳定碎石、沥青碎石组成的裂缝缓解层，同时缓解层还能充当具有排水功能的基层，从而降低反射裂缝发生的可能性。

3)设置补强层。基于材料加筋机理、常规性能的试验比较，可在原水泥混凝土路面上加铺半刚性基层补强层，既可以提高路面的承重能力，又可以降低加铺层形成反射裂缝的可能性。如加铺土工织物、钢丝网、油毡、锯口封缝或格栅，设置沥青橡胶层、沥青砂层、沥青混合料连接层(过渡层)等可对加铺层起少量加筋作用。

3.2 路面加铺方案设计

水泥混凝土路面加铺方案设计，应根据道路使用任务、性质和要求，结合当地气候、水土、材料、施工技术、实践经验以及环境保护要求等，通过技术经济分析，以最低的寿命周期费用提供一种合适的路面结构。

对路面加铺方案设计，初步拟定以下三种方案 :

1)旧水泥混凝土碎石化基层+沥青稳定碎石+沥青混凝土;2)旧水泥混凝土碎石化基层+LSPM+高模量沥青混凝土;3)旧水泥混凝土碎石化基层+橡胶沥青应力吸收层+沥青混凝土。

路面受力方向如图1所示，对以上改建方案利用APBIH97软件做力学计算(三种方案做了力学计算，根据软件使用方法依次输入表1中数据，弹性模量、泊松比、厚度。计算时取面层厚度6 cm，基层厚度10 cm，载荷数目为1即单圆荷载，载荷集度为0.707 MPa，载荷半径为10.65 cm)，再进行经济成本等方面比较选优。

表1 加铺方案力学计算时利用的数据

3.3 路面加铺方案的力学计算与比较

利用APBIH97软件对a，b，c三种方案进行力学计算比较。由于对道路结构破坏形成的因素有许多，而最大的影响因素就是拉应力的大小，故对三种方案的拉应力作比较，如图2所示。

由图2可以看出三种方案中，方案a的拉应力最大，其次是方案b，最小的是方案c，故方案c是最优方案(三种方案的拉应力相差不大，所以在技术性能上，三种方案都可推荐，但是在经济方面，需要结合当地经济条件考虑)。

3.4 路面加铺方案的经济分析

将技术方案和经济评价有机结合起来进行设计方案比选是工程建设中亟待解决的问题之一。通过对三种结构设计方案的路面通车后使用性能和建设投资进行分析评价，及对各结构方案的性能—费用比的分析，为加铺方案优选提供参考。

通过估算，三种方案在改造后的使用寿命差不多，一般可以投入使用3年～4年不用大修，在使用性能上，方案都比较理想，然而方案里所用到的材料在价格上一定有差别。对这三种方案基层材料做个比较，基层材料假设厚度10 cm，面积以平方米为单位，其价格如表2所示。

表2 中间层材料价格 元/m2

三种方案的材料单价显示方案a建设投入资金少，造价低。在力学分析时，方案c要比其他两种方案好，在经济充裕的条件下，方案c是很好的选择。

3.5 混凝土路面加铺层结构设计

考虑到加铺层需要承受交通荷载和气温变化的影响，同时需要保证表面平整、耐磨、抗滑，因此其应满足以下要求，即混凝土的弯拉强度应满足表3的要求[5]。

表3 拉弯强度表

混凝土路面的平整度以3 m直尺量测为准，3 m直尺与路面表面之间的最大间隙，高速公路和一级公路不应大于3 mm;其他各级公路不应大于5 mm;混凝土路面的平整度也可用平整度仪测定。

混凝土路面的抗滑性以构造深度(TD)为指标。其竣工验收值，对高速公路和一级公路不应低于0.8 mm，对其他各级公路不应低于0.6 mm。

4 结语

旧水泥混凝土路面改造方案的设计要根据道路使用任务、性质和要求，结合当地气候、水土、材料、施工技术、实践经验以及环境保护要求等，通过技术经济分析，以最低的寿命周期费用设计一种合适的路面结构。本文提出三种改造方案，分别是旧水泥混凝土碎石化基层+沥青稳定碎石+沥青混凝土;旧水泥混凝土碎石化基层+LSPM+高模量沥青混凝土;旧水泥混凝土碎石化基层+橡胶沥青应力吸收层+沥青混凝土。通过力学计算分析和技术经济评价，对三种方案进行了详细的比较分析，进而在防治反射裂缝、混凝土路面加铺层结构设计等方面针对性的提出了旧水泥混凝土路面改造对策。

[1] 刘 荥.水泥混凝土路面改建技术[M].北京:人民交通出版社，2006.

[2] 闫宝杰，陈荣生.城市水泥混凝土路面改造工程中破裂稳固技术的应用[J].公路交通科技，2005(2):16-22.

[3] 王松根，张 宏，曹茂坤，等.水泥混凝土路面碎石化技术应用与探讨[J].公路，2004(5):5-8.

[4] 惠 勇，卢拥军，林 琳，等.旧水泥混凝土城市道路加铺新型沥青层方案研究[J].现代交通技术，2006(6):20-26.

[5] 中华人民共和国行业标准.公路混凝土路面养护技术规范[M].北京:人民交通出版社，2001.