水泥混凝土路面不同加铺结构弯沉特性比较分析

■高 亮

(福州市公路局，福州 350002)

1 前言

近年来，大量的公路水泥混凝土路面接近使用年限，或在重载交通下提前进入寿命期，同时，随着一些地区城市化进程加速，对路面服务性能要求日益提高，对旧水泥路面进行提升改造工作日渐加大。其中，在旧水泥路面上加铺沥青层以其快速、易施工、交通压力小以及能利用旧水泥板强度的优势，在旧路改造中应用最多。目前水泥路面加铺沥青主要有两种方式，分别是直接加铺沥青和旧水泥路破碎后加铺沥青。前者由于加铺基层为刚性路面，其原始接缝、裂缝处在荷载作用下产生的集中应力向沥青面层传递后易造成沥青面层断裂，形成反射裂缝[1]；后者旧水泥路破碎后往往造成路面模量损失较多，路面承载力下降较大。关于如何解决反射裂缝、同时用最经济的方案保证路面承载力一直是困扰旧水泥路加铺沥青的技术难题。

为此，笔者依托省道203线“白改黑”路面改造，铺设了八种水泥路面加铺沥青典型结构试验路，并采集相应的弯沉盆数据，结合旧水泥路加铺沥青结构性能动力评价研究理论[2-6]进行对比、分析，研究旧水泥路面加铺沥青不同结构方案在实际应用中的功能特性，探索、总结出各典型复合路面的优劣，为今后旧水路加铺沥青面层的方案决策提供借鉴和参考。

2 水泥混凝土路面加铺沥青典型结构

本次试验路根据现场旧路面破损调查情况结合路面计算，采用的加铺沥青路面结构方案情况见表1：

3 数据采集

3.1 采集设备

采集温度情况为：空气温度33.5℃～38℃，路表温度28.6℃～34.9℃，沥青层温度18.8℃。弯沉测试设备采用丹麦Dynatest 8000型拖挂式脉冲式落锤弯沉车，其配备主要有弯沉传感器、压力传感器、温度传感器。弯沉测试时，通过计算机操控将5t的重锤经液压系统提升到一定高度，然后让落锤自由下落至直径30cm的承载板，从而产生周期0.03s的半正弦脉冲荷载。图1为Dynastest 8000型FWD弯沉车。

落锤弯沉仪的9个弯沉传感器分布在一条直线上，其各个弯沉传感器距落锤中心点距离如表2。

图1 FWD荷载作用原理

3.2 采集频率

根据JTGE60-2008测试规程[7]，在试验路上根据实际取样路段情况进行布设测点，原则上每个取样路段(不同结构层)布设20个测点，每个测点锤击3次，前两次加载作用主要是使弯沉承载板与路面紧密接触，消除路面残存松散颗粒对实测弯沉盆曲线的影响，减小试验误差；第三次加载为实测真实值，取第三次实测值。FWD工作状态见图2。不同结构路段FWD检测样本点统计如表3。

表1 水泥混凝土路面加铺沥青典型结构

表2 9个弯沉传感器到落锤中心点的距离

图2 检测状态的FWD

表3 不同结构路段FWD检测样本点数

4 复合路面结构动力性能分析

4.1 各复合路面弯沉盆曲线图

根据采集到的各复合路面弯沉盆数据，整理成弯沉盆曲线图如图3～10。

图3 结构一弯沉盆曲线图

图4 结构二弯沉盆曲线图

图5 结构三弯沉盆曲线图

图6 结构四弯沉盆曲线图

图7 结构五弯沉盆曲线图

图8 结构六弯沉盆曲线图

从上图可以清晰看出，结构一、二、四、五这些旧路未破坏直接加铺沥青的弯沉盆曲线在d1点附近出现明显拐点，且弯沉盆曲线位置总体偏上；结构六、七、八这些旧路破碎后加铺沥青的弯沉盆曲线相对平滑，且弯沉盆曲线位置总体偏下，其中结构二弯沉盆曲线尤为集中；而结构三旧路破坏程度在二者之间的其弯沉盆曲线平滑程度和曲线位置也在二者之间。

4.2 基于弯沉盆曲线数据的对比、分析

图9 结构七弯沉盆曲线图

图10 结构八弯沉盆曲线图

根据弯沉盆曲线图对数据进一步整理，得到各结构最大弯沉值的均方差和平均值，如表4。结合水泥路加铺沥青结构性能动力评价研究理论分析可知：

(1)旧水泥板破碎后的各复合路面最大弯沉平均值介于241μm～422μm之间，而旧水泥板未破碎的各复合路面最大弯沉平均值介于125μm～178μm之间，旧路破碎后水泥板强度下降明显，路面承载力降低，且未破碎路面弯沉差异性较小。

(2)由结构二和结构五对比结果表明，最大弯沉平均值相差仅5μm，应力吸收层的加铺对路面承载力影响不大；且增设2cm厚应力吸收层后，弯沉均方差值明显下降，应力吸收层对降低弯沉差异有明显作用。

(3)由结构一和结构二对比结果表明，结构二弯沉平均值大于结构一，沥青层厚度的增加造成复合路面弯沉值增大；但沥青层厚度增加对降低弯沉差异有明显作用。

(4)对比结构一和结构四，虽然结构四的沥青层厚度大于结构一，但其弯沉均方差仍大于结构一，该结果表明，在降低弯沉差异性的效果上，加铺应力吸收层的作用要好于增加沥青层厚度。

(5)由结构三和结构六对比结果表明，结构六的最大弯沉平均值明显大于结构三，旧板共振碎石化造成的路面强度降低大于打裂压稳；均分差的结果差异表明共振碎石化造成强度下降分布较打裂压稳更不均匀。

(6)由结构六和结构七对比结果表明，结构七在多铺24cm厚水稳层的情况下，复合路面的最大弯沉平均值依然小于结构六，故共振碎石化造成的路面强度降低大于勾机击碎。

表4 各结构最大弯沉值的均方差和平均值

5 结语

综上所述，可以得出以下结论：

(1)在完好的水泥混凝土路面上直接加铺沥青面层，其最大弯沉值往往较低，而旧水泥路面破碎后不仅强度下降明显，模量损失较多，在沥青路面改造工程中应慎重考虑旧路面破碎方案。

(2)加铺应力吸收层对路面弯沉值基本不影响，但在降低路面弯沉差异性方面却有较好的发挥，说明应力吸收层在吸收能量、消散集中应力方面的作用明显。

(3)增加沥青层的厚度也能起到降低弯沉差异性的作用，但成本提高较多，在性价比方面，明显不如应力吸收层。如果考虑同时采用加铺应力吸收层和增加沥青层厚度，则降低弯沉差异效果显著，二者之间应该有一个性价最优的平衡点。