“白改黑”公路改扩建工程设计问题研究

高超

（中国公路工程咨询集团有限公司，北京 100195）

0 引言

公路“白改黑”就是将旧水泥混凝土路面处理后，在其上加铺性能优良的沥青混合料，从而达到将原灰白色刚性面层转变为黑褐色柔性面层的目的。改造处理后的沥青混凝土柔性路面具有较好的路用性能，还能充分发挥原高强度旧水泥路面的作用。大量工程实践证明，公路“白改黑”技术节能环保、施工快速、路面结构性能优异，在旧水泥路面改造工程中应用较为广泛。

1 工程背景

某国道属于国家级主干道，也是连接中心城市和周边邻省的主要通道，设计车速60km/h，路基宽24.5m，行车荷载等级为公路-Ⅰ级，其起讫桩号K124+000—K136+000 段因建成以来运行时间长，长期交通运行量大，重载超限行车多等原因，水泥混凝土路面先后出现路面层坑洞、错台、交叉裂缝等病害，且病害呈快速扩张趋势，已经严重危及到区域路段安全行车。为克服局部病害不利影响，制止其病害范围进一步扩大，保证该路段使用寿命，必须尽快进行病害处置。

2 旧路病害调查

2.1 路基病害调查

病害路段原按二级公路设计，建成于2003年，并于2005年竣工验收后正式运营。路面设计宽度15.5m：1.5m 土路 肩+2.5m 硬 路肩 +7.5m 行车 道 +2.5m 硬 路 肩 +1.5m 土路肩，为双向两车道。该路段经过长期运行后沉降已十分稳定，全路段无局部沉降，边坡稳定，地形平坦，不存在塌方及滑坡等病害。采用钻芯取样方式进行包括路面结构、路基土质、施工材料、运行质量等在内的旧水泥混凝土路面路基损坏程度分析。

将钻芯取样结果汇总后得出该病害路段路基损坏状况指数取值情况进行汇总，根据汇总结果可以发现，该病害路段下行向路基损坏状况指数SCI 的取值明显小于上行向。

2.2 路面病害调查

该病害路段起讫桩号K124+000—K136+000，路面结构为20cm厚水泥混凝土面层+17cm厚水稳碎石基层+18cm 厚碎石掺砂垫层，其中部分路段路面状况较好，但部分路段存在严重的裂缝、网裂。通过实地考察可以明显看出病害路段存在交叉裂缝、角隅断裂、坑槽、板块错台、面板起伏等病害，在此基础上采用地质雷达进行了路面板脱空程度勘测[1]，并通过钻孔取芯后对芯样进行劈裂实验[2]，进行该病害路段路面劈裂强度分析，并以路面状况指数PCI 和路面破损率DR 两个指标进行其病害程度的评价。调查及评价结果显示桩号K124+000—K126+000、K126+001—K128+000、 K128+001—K130+000、 K130+001—K132+000、K132+001—K134+000、K134+001—K136+000 段路面状况PCI 指数分别为87.9%、87.4%、87.0%、86.5%、75.4%、77.8%，路面破损率分别为1.65、1.71、2.03、3.54、3.12、3.03，病害程度较为严重。

3 反射裂缝防治

3.1 反射裂缝形成机理

反射裂缝的形成分为产生和扩展两个阶段。分析起反射裂缝的原因，主要为温度变化和荷载作用引起。

（1）温度型反射裂缝主要由于温度降低引发路面微小裂缝持续收缩张拉，进而使其面层底部所产生的附加应力值超出沥青混合料抗拉极限，既有裂缝上方的面层底部开裂，并持续向上扩展。

（2）荷载型反射裂缝则主要因车辆动荷载对于原有细微裂缝的一种再破坏，造成裂缝两侧垂直位移差增大，面层中央出现较大剪应力而引起。旧沥青面层开裂后经过横向扩展和竖向扩展直至延伸到路表面，在温度、荷载（包括对称加载和偏载）、水等环境因素的综合作用下，导致裂缝持续扩大。

反射裂缝通常垂直于行车方向，开裂间距也主要因运行环境、沥青材料抗裂性能、沥青面层厚度、荷载等综合作用而变化。

3.2 反射裂缝防治技术

目前，同等级公路旧水泥路面处置技术中较为普遍且成功的技术形式主要有白加黑、白改黑、挖除重建及碎石化处理等。

（1）白改黑技术

该技术主要通过破碎处理使旧水泥路面作为垫层，在其上再加铺新沥青路面材料的改造技术，这种碎石化处理技术会减小颗粒粒径，使碎石料性能与级配碎石更加接近[3]，对于使用末期严重病害较多的旧水泥路面较为适用。以下分析具体处理细节：破碎处理又分为原位利用和原位移除等，其中旧水泥混凝土路面原位移除的成本过高，且建筑废料较多，不利于环境保护，所以原位利用的应用范围更广，且破碎化处理后旧水泥路面结构强度降低，必须在其上加铺新结构层，将造成路面高程升高。为此，该技术仅适用于对标高无限制或限制不大的旧水泥路面改建工程。白改黑破碎化处理技术施工过程简便，能够延缓和防止放射裂缝的出现。施工时，需选择工效高的破碎机械，但破碎化施工将会对周围建筑物造成扰动。

（2）白加黑技术

白加黑技术就是对于发生初期病害且路面性能较好、接缝荷载传递能力及旧水泥面板结构损害情况均较为良好的情况，对旧水泥面板脱空、裂缝、错台等病害进行修复后，再其上加铺沥青面层。该处理措施造价低，不涉及旧路的挖除，可100%利用旧水泥混凝土路面材料，环境影响小，工期短，但是对旧水泥路面板修复质量有较高要求，以避免加铺沥青面层后出现反射裂缝。在工程实际应用中，通常通过设置裂缝松弛层和应力吸收层，或增大加铺层厚度等方式控制和避免加铺层反射裂缝的出现。

（3）挖除新建技术

该技术主要针对病害及破碎十分严重的旧水泥混凝土路面，挖除时间短，且对施工机械要求高，但施工工期较长，挖除料处理成本较高，易造成环境污染，常用于对标高有严格限制的道路路面设计。

（4）破碎化处理技术

为在旧水泥路面加铺沥青混凝土罩面层时预防反射裂缝，除采用加铺级配碎石中间层、增设应力吸收层、铺设土工格栅等方法外，还可以采用破碎化处理技术，即将已经丧失整体承载功能的旧水泥路面通过特殊施工机械破碎，将破碎后的粒径控制在2～38mm范围内，且以下大上小的顺序填筑，并使颗粒间互相嵌挤形成级配碎石结构，再通过压路机碾压成底基层或路面结构基层。旧水泥混凝土面板破碎化后的粒径必须符合级配要求及压实标准，并在破碎化处理的基础上再加铺沥青罩面层，确保罩面层性能，从而均匀传递路面荷载，有效避免反射裂缝的出现。

4 路面结构设计

4.1 交通量预测

对该公路病害路段实地考察，并对交通资料和交通沿线城市规划进行分析，预测路段未来交通量，根据预测结果，该路段2025 年、2030 年、3035 年、2040 年每年交通规模增长率分别为2.2%、4.1%、6.4%和7.8%，可以说该病害路段未来所承受的交通量巨大，且其大、中型货车占比较大。

病害路段水泥路面采用病害层层底拉应力、设计弯沉值等设计指标时，应通过相应方法将不同轴载转换为标准轴载的当量轴次，具体见公式（1）：

式中：N为标准轴载P的当量轴次；C1为不同车型的轴数系数，若轴间距≥3m，应确定为一个独立轴载；若轴间距＜3m，应按C1= 1+ 1.2( )m- 1 进行双轴或多轴轴数系数计算，m为实际轴数；C2为不同车型的轮组系数，单轮组、双轮组及四轮组分别取6.4、1.0和0.38；ni为不同车型各级轴载对病害路面实际作用次数（次/d）；Pj为不同车型各级轴载值（kN）；P为标准轴载值（kN）。

设计基准期内病害路面每个车道内当量轴次累计值则按式（2）计算：

式中：Ne为每个车道内当量轴次累计值；γ为交通量年增长率均值（%），取4.46%；N1为路面营运期间单向日当量轴次均值（次/d），主要根据设计弯沉值、层底拉应变、层间剪应力等进行综合设计；η为车道分布系数，取0.45；t为设计基准期（a），取15a。

按照《公路沥青路面设计规范》（JTG D50—2017）的相关规定，道路工程交通等级划分情况具体见表1。

表1 交通等级划分情况

将该病害路段路面参数取值代入式（1）和式（2），得到其路面每个车道当量轴次累计值位于8.0×106～19×106范围内。结合表中规范取值可以看出，该路段交通荷载等级属于重载交通，为此，必须针对其路面结构病害现状采取切实可行的维修养护措施，以适应该路段日益增长的重载交通规模的需求。

4.2 路面结构改造方案

通过以上对旧水泥混凝土路面处置技术的比较，并结合该公路改扩建工程实际情况，最终选择“白改黑”的路面处理方案。

考虑到该病害路段原路面结构、公路沿线筑路材料的主要类型，此次改扩建及维修养护过程中，在采用“白改黑”旧路面改造措施的基础上，主要采用4cm 厚AC-13C 细粒式沥青混凝土SBS 改性上面层+6cm 厚AC-20C 中粒式沥青混凝土SBS 改性中面层+8cm 厚AC-25C 粗粒式沥青混凝土下面层+15cm 厚水稳碎石基层+25cm 厚旧路混凝土路面板碎石化底基层的路面结构方案。

结合该病害路段运行情况、交通规模、气候条件及运行环境，为保证该路段服役年限不受影响，应采用全寿命周期成本的理念展开路面结构改造设计。

设计弯沉值公式如式（3）：

式中：Ld为公路路面设计弯沉值；Ac为反映公路等级的系数值，二级公路取0.9；As为体现公路面层型式的系数值，沥青混凝土面层取1.0；Ab为体现公路基层型式的系数值，柔性基层和半刚性基层沥青路面分别取1.6和1.0。

根据本公路实际情况，可计算得出公路路面设计弯沉值为21.8（0.01mm）。

筑路材料拉应力允许值公式如式（4）：

式中：σR为筑路材料拉应力允许值；σS为半刚性沥青混凝土路面材料劈裂强度极限值（MPa）；Ks为半刚性沥青混凝土路面结构抗拉强度系数。

经计算，该病害路段沥青混凝土路面筑路材料劈裂强度及拉应力允许值具体见表3。

表3 沥青混凝土路面材料劈裂强度及拉应力值计算结果

根据弯沉值设计结果进行该改扩建路面结构所对应的层厚、抗压模量、允许应力值等取值情况的确定，最终确定的AC-13C 细粒式沥青混凝土上面层、AC-20C中粒式沥青混凝土中面层、AC-25C粗粒式沥青混凝土下面层、水稳碎石基层、碎石化处理的级配碎石底基层、水稳碎石层、填隙碎石层厚度分别为4cm、6cm、8cm、15cm、25cm、17cm及18cm。

5 结语

该公路病害路段采取白改黑并加铺沥青混凝土面层的改扩建处理措施后，既较好地解决了路面加铺层可能出现的反射裂缝问题，使路面性能显著改善，且施工工期短、全过程中无需封闭交通。值得注意的是，经过旧沥青混凝土路面板碎石化处理后，无法符合设计要求的承重能力，只能作为级配碎石结构层，需在其上加铺水稳碎石基层及SBS 改性沥青混凝土面层，以保证路面结构稳定性。