浅析旧水泥混凝土路面改造工程中沥青加铺层设计

2017-04-15郑志锋福州路信公路设计有限公司福州350003

福建交通科技 2017年3期

关键词：加铺面层沥青路面

郑志锋（福州路信公路设计有限公司，福州350003）

郑志锋
（福州路信公路设计有限公司，福州350003）

以罗源S201线“白改黑”工程为工程背景，分析介绍水泥混凝土路面直接加铺沥青路面设计方法与思路，总结设计经验，为同类工程项目提供参考与借鉴。

水泥混凝土沥青混凝土白改黑反射裂缝

水泥混凝土路面加铺沥青混凝土，俗称“白改黑”，是指将旧水泥混凝土路面铺上沥青混凝土面层，使原来的混凝土刚性路面变成柔性路面。沥青加铺层能有效地改进旧水泥混凝土路面的使用性能，充分利用旧水泥路面强度，具备造价低、施工方便、对交通和环境影响小的优点。近年来，它被广泛应用于各种等级公路路面改造工程中。本文以罗源S201线“白改黑”工程为工程背景，介绍旧混凝土路面改造加铺沥青混凝土设计思路和方案，供为同类工程项目提供参考与借鉴。

1 工程概况

罗源S201线K128+625～K135+758段水泥混凝土路面“白改黑”工程，项目起点K128+625.000位于罗源县迹头交叉口，沿线经松山堤坝、选屿、外洋、北山，终点浮曦，桩号K135+758位于罗源连江交界处，路线长度为7.133km。道路等级为二级公路，设计时速为40km/h，路面设计轴载：BZZ-100，水泥路面结构层为：22cm厚水泥混凝土面层+15cm厚5%水泥稳定碎石层+15cm厚级配碎石。经过多年的交通运营，路面出现了断板，板底脱空等病害。

2 确定改造方案

旧水泥混凝土路面加铺沥青层过程中，综合比较以下三种改造方案：

（1）旧水泥混凝土挖除+旧路基处治加强+沥青混凝土加铺层。该形式用于路面破损严重，且路面标高无法抬高的路面改造工程。

（2）旧水泥混凝土共振碎石化+补强层+沥青混凝土加铺层。该形式适用于路面破损严重，路面板强度较低，无软基的路面改造工程。

（3）旧水泥混凝土路面综合处治+沥青混凝土加铺层。该形式适用于旧混凝土板损坏较轻，路面板强度高的路面改造工程。

第一种方案需要对旧混凝板挖除，对交通造成较大影响，且废弃混凝土板需要集中处理，对环境影响大，而且工程造价高。第二种方案相对于第一种方案，造价适中，对混凝土路面进行再生利用，环境影响小。第三种方案充分利用了旧水泥混凝土板强度，施工方便，施工周期短，工程造价低，实现经济效益和环境效益双赢。

因此，根据旧水泥混凝土路面的使用要求和综合评价结果，采用技术经济分析方法，确定沥青加铺层设计方案。

3 沥青砼加铺层设计

3.1 旧水泥路面相关指标参数调查

通过现场调查断板量为126块，断板率为3.97%，平均错台量为2.83mm，损坏等级为优良。旧混凝土面层的接缝传荷系数为75.2，等级为中。旧混凝土面层厚度平均值为228mm，标准值为5.86mm，旧混凝土面厚度标准值222mm。劈裂强度标准值平均值为2.09MPa，标准差为0.151MPa，旧混凝土面层弯拉强度标准值3.31MPa，旧混凝土面层弯拉弹性模量标准值26.323GPa。根据基层的钻芯的材料组成分析，基层材料回弹模量取200MPa。

3.2 沥青混凝土路面加铺层厚度确定

通过对交通量预测，可以得出12年的设计年限内，每年在一条车道上的累计当量轴次为，路面设计交通等级为重交通。通过旧路面损坏、接缝传荷能力和板底脱空以及旧混凝土路面结构参数调查评定，结合《公路技术状况评定标准》对该路段路面调查结果总体评价为中等以上，可采用直接加铺沥青面层的设计方法。采用东南大学HDPS公路路面计算程序（HCPD3）进行计算分析，确定出沥青混凝土路面加铺厚度。

参数取值：地区公路自然区划Ⅳ，面层最大温度梯度89℃/m，混凝土线膨胀系数10×10-6/℃，旧混凝土面层厚度222mm，旧混凝土面层板长度4.5m，旧混凝土弯拉强度3.3MPa，旧混凝土弹性模量26252MPa，旧混凝土材料疲劳指数0.057，旧面层接缝应力折减系数0.9，基层顶面当量回弹模量ET=200MPa。

根据计算，得出结果如下：

(1)旧混凝土面层荷载疲劳应力∶2.772MPa；

(2)旧混凝土面层温度疲劳应力∶0.153MPa；

(3)考虑可靠度系数后旧混凝土面层综合疲劳应力∶3.22MPa（小于或等于旧面层混凝土弯拉强度）；

(4)旧混凝土面层最大荷载应力∶2.062MPa；

(5)旧混凝土面层最大温度应力∶0.745MPa；

(6)考虑可靠度系数后旧混凝土面层最大综合应力∶3.09MPa（小于或等于旧面层混凝土弯拉强度）；

(7)满足路面结构极限状态要求的沥青混凝土加铺层设计厚度∶160mm。

3.3 沥青混凝土路面加铺方案对比

根据计算已确定了沥青路面加铺层厚度，本次方案是针对沥青材料、以及减缓反射裂缝措施进行对比。

（1）SBS改性沥青的含蜡量远小于普通沥青，与普通沥青相比针入度小，软化点高，软化点的提高能有效提高沥青路面的高温稳定性和抗车辙性能。SBS改性沥青与矿物材料的粘结强度较好，生产的沥青混合料的动稳定度大，可以提高沥青路面的使用寿命，用改性沥青铺装路面具有良好的耐久性、耐磨性，达到高温不软化、低温不开裂效果。沥青路面裂缝少,路面寿命长。但与普通沥青相比，改性沥青的工程造价略高，每m2约1元/cm。

考虑到罗源县位于福州新区北翼，兴建福州台商投资区等五个工业集聚区，以钢铁、建材为主临港产业群，本项目是连江可门港通往罗源港区的重要通道，随罗源湾开放开发，经济快速发展，公路交通流量不断增大，同时车辆大型化及严重超载运输情况加剧了对公路破坏，会导致沥青路面过早的出现车辙、泛油、松散病害，而改性沥青具有良好的水稳定性和抗老化性，用它铺设的路面具有高温抗车辙、低温抗开裂性能，从而大大提高路面使用性能，延长了路面使用寿命。为了兼顾工程造价，经综合比选，考虑SBS改性沥青混凝土作为上面层，中面层采用普通沥青混凝土。

（2）为了减缓原有路面裂缝、纵横向裂缝在新建的沥青混凝土路面上形成反射裂缝，在预防和减缓反射裂缝的常用措施主要有：

①应力吸收层，其厚度为20～30mm，用于减少旧混凝土面层和沥青加铺层之间的粘附性，从而减少温降引起的反射裂缝。但是与聚酯玻纤布相比，费用高一点。

②聚酯纤维布是由玻璃纤维和聚酯纤维组成的玻璃纤维复合抗裂材料，具有很高的抗拉强度和延展性，具有一定的变形能力，对于温度和荷载引起的反射裂缝都有一定的抵制作用。造价便宜，但是在车辆的碾压下，玻纤布容易遭到破坏，造成结构层出现漏水问题，导致反射裂缝出现。

③土工织物夹层，包括聚丙烯、聚乙烯、聚酯纤维和聚酯非织造织物，其作用原理与粘胶沥青应力吸收层相同，但是工程造价高。

④裂缝缓解层，包含大粒径级配沥青碎石和级配碎石。其作用为减弱拉应力、拉应变的传递能力，并且能消散、吸取由交通荷载及温度变化发生的荷载应力和温度应力。

经过综合分析比较，采用加厚2cm沥青碎石层来预防和减缓反射裂缝，项目沥青路面结构层：4cm厚AC-13C细粒式SBS改性沥青混凝土+6cm厚AC-20中粒式沥青混凝土+8cm厚ATB-25密级配沥青碎石，每m2造价约190元。