超薄罩面在武罐高速“白改黑”中的应用研究

孙 杰，李自齐

(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030)

1 概述

针对我国水泥混凝土路面使用过程中出现的一系列病害，目前主要采用加铺沥青罩面的“白改黑”养护方式[1-3]，这种养护技术既可以利用旧水泥面板的剩余强度，又能够缩短工期，是一种经济实用的路面养护维修方案。在“白改黑”养护方式中，设置应力吸收层对于分散沥青层与旧水泥路面面层之间的应力集中有较好的效果，同时也能够有效缓解反射裂缝的产生与扩展。同时，应力吸收层成型后密实、黏结力强、不渗水，与下承层之间的结合性能良好[4-10]。

因此，本文在已有研究成果的基础上，采用路面结构受力模拟分析的方式，对直接加铺和设应力吸收层的“白改黑”路面进行受力模拟分析，计算加铺层底部与旧水泥路面接缝处的应力值。为实际工程中防止反射裂缝的产生、合理设计应力吸收层结构提供力学特性上的参考。

2 武罐高速“白改黑”路面方案

武罐高速原水泥路面结构为：26 cm水泥混凝土面层+20 cm水泥稳定碎石基层+20 cm水泥稳定碎石底基层。经过近几年的交通运营，武罐高速原水泥混凝土路面平整度及抗滑指标下降明显，部分路面平整度指标和抗滑指标评定为差，严重影响行车舒适性和安全性。由于该地区降雨量大、气候条件差，对水泥混凝土耐久性极其不利。随着近年来交通量的增加，混凝土路面在长时间的行车荷载作用下，路面刻纹逐渐磨平，路面病害迅速发展。因此为提升该路段水泥混凝土路面服务质量，急需对该段水泥混凝土路面进行维修处治(见图1)。

经调查，水泥混凝土路面存在局部轻微裂缝较为密集，且平整度较差。

2.1 病害产生原因分析

1)裂缝。水泥混凝土本身受收缩应力、重载反复作用、温湿应力、地基丧失支撑等因素影响易产生裂缝；另一方面运营阶段刚性路面在重载车辆的作用下抵抗形变能力较差，车辆行驶导致混凝土面板受力不均，同样易发展成为裂缝。

2)平整度。a.水泥混凝土板自身胀缩缝和施工缝影响路面的平整度。水泥混凝土路面的胀缝处是路面的薄弱环节，其好坏对路面的使用质量和路面的平整度影响较大。b.水泥混凝土面板之间混凝土微破损、骨料剥离制约混凝土板膨胀变形，部分传荷设施设置锈蚀老化，重载车辆作用下造成板间破坏，进而影响路面平整度。c.水泥混凝土面板间裂缝在温差及荷载反复作用下，面板破坏加剧造成局部缺角、错台等，行车舒适性较差。

3)抗滑性能。a.混凝土路面由于长时间的行车荷载，路面刻纹逐渐磨平，摩擦系数降低。b.武罐高速公路水泥混凝土路面路段处于桥隧密集段，进出隧道车辆均有变速，加剧了路面抗滑性能的衰减。c.部分路段处于连续长上下坡，重载车辆洒水加剧了水泥路面表层磨光。d.大车频繁刹车，使该段水泥路面磨光，抗滑性能急剧下降。e.该地区降雨量大，气候条件差，导致水泥混凝土路面耐久性降低。

2.2 “白改黑”方案

采用对原水泥混凝土路面进行铣刨1 cm处理，面板间构造缝及断板贴缝后，铺筑2.5 cm厚改性超薄罩面+高黏改性乳化沥青黏层的方案。改性超薄罩面是将改性热沥青混合料摊铺在高黏改性乳化沥青黏层上，使用摊铺设备进行摊铺，经压路机压实以后一次成型，高黏改性乳化沥青优异的黏结性能避免了以往薄层罩面存在的易推移风险。

2.3 混合料设计结果

根据DB62/T 3148—2018高等级公路超薄罩面应用技术规程中推荐，本项目超薄罩面混合料矿料级配范围如表1所示。

表1 混合料矿料级配范围

本项目超薄罩面混合料推荐沥青用量为4.6%～5.6%。进行室内目标配合比设计时，采用旋转压实仪进行试件成型，根据混合料的体积、力学性能确定沥青用量。混合料实验压实温度根据沥青的黏温曲线确定，旋转压实次数为100次，单位压力为600 kPa。

根据试验分析，确定混合料的设计级配，设计油石比为5.0%，相对应的沥青混合料性质如表2所示。旋转压实试件剖面图如图2所示。

表2 沥青混合料体积性质表

2.4 沥青混合料性能检验

1)检验沥青胶结料最大用量(析漏试验)。试验条件：试验温度185 ℃，将混合料保温60 min±1 min后进行析漏测试，试验结果如表3所示。

表3 析漏试验结果 %

试验结果表明，沥青混合料析漏指标符合要求，混合料中无自由沥青，选定的设计油石比5.0%适宜。

2)水稳定性检验。根据设计级配及油石比进行水稳定性能验证，试验方法依据AASHTO T283。试验结果见表4。

表4中TSR为条件下混合料劈裂抗拉强度与非条件下混合料劈裂抗拉强度之比，为86.3%。试验结果表明，混合料的TSR值满足要求。

表4 AASHTO T283试验结果

3)高温稳定性试验。试验条件：在(60.0±0.5)℃，(0.7±0.05)MPa条件下进行车辙试验以检验沥青混合料的高温稳定性，车辙动稳定度试验结果如表5所示。

表5 车辙试验动稳定度

试验结果表明，混合料的动稳定度值满足规范中不小于3 000次/mm的要求。

4)低温抗裂性检测。试验条件：温度-10 ℃，速率50 mm/min，试验结果如表6所示。

表6 小梁弯曲试验结果

试验结果表明，混合料的小梁弯曲试验结果满足规范中要求。

3 静载作用下“白改黑”路面应力模拟分析

3.1 3D-Move Analysis 软件介绍

3D-Move Analysis基于连续有限层法而研发，视各结构层为连续体，用离散Fourier级数展开法将表面荷载分解成二维谐波分量，使用解析解来计算各结构层对每个谐波的响应，通过叠加原理用每个谐波分量的响应来评估整体响应。相对于有限元法，该法无需剖分网格，同时在考虑移动轮载作用时计算效率更高。

3.2 荷载及计算点位的选取

路面结构内拉应力最大值处最容易达到材料容许应力而产生裂缝。本研究通过对双圆均布竖向荷载作用下不同作用点位即A点、B点、C点、D点(如图3所示)的应力计算。

3.3 路面结构

为对比分析应力吸收层对路面结构受力的影响，分别建立两种路面结构模型。结构厚度示意如图4所示。

3.4 静载作用下应力分析

计算得到两种路面结构不同点位沿路面深度的正应力分布规律如图5，图6所示。车辆荷载作用下直接加铺与设应力吸收层界面处荷载应力对比，见表7。

表7 车辆荷载作用下直接加铺与设应力吸收层界面处荷载应力对比

由图5，图6及表7可知，与直接加铺相比，设应力吸收层能够减小加铺层底部最危险点处的荷载应力。对两种加铺方案的荷载应力进行比较，设应力吸收层后，最大主应力在A点处降低了16%；在B点处降低了21.1%；B点相较于A点，应力在直接加铺方案中降低了36.6%，在设置应力吸收层方案中降低了38.2%，比直接加铺增加了1.6%。可见，应力吸收层能够分散由加铺层底面接缝处向上传递的荷载应力。

本次路面结构模拟分析“白改黑”应力吸收层仅有0.7 cm厚，通过路面结构受力分析，设置应力吸收层来减小接缝处应力、分散由接缝处向上传递的应力的效果不太显著。后期可结合试验段及结构力学分析，确定应力吸收层最佳厚度。

4 武罐高速“白改黑”工程应用及效果

经对全线混凝土路面提升改造后的沥青路面外观质量进行了检测，路面线型平顺，无龟裂、裂缝、沉陷、车辙、波浪壅包等病害(见图7)。

经过交工检测，提升改造后的沥青路面车辙、平整度、构造深度、横向摩擦力系数、渗水系数等参数合格率满足设计及规范要求。经过计算分析，全线的路面状况指标PQI为97.9分，评价为优，满足设计文件中水泥混凝土路面提升改造后PQI不低于95分的要求。

施工完成并开放交通1个月后，对加铺的超韧磨耗层进行了工程质量验收。加铺的超韧磨耗层路表均匀、平整、无明显裂缝出现。超韧磨耗层路表密实、无松散、无花白料、无轮迹、无刮痕，且边线、横纵向对接平顺。超韧磨耗层的厚度、平整度均符合质量验收标准。

5 结语

本研究依托武罐高速水泥路面“白改黑”工程，采用高黏度改性乳化沥青作为复合防水黏结层，选择改性超薄罩面作为抗滑磨耗层，确保了混凝土路面沥青铺装层的服务性能和抗滑能力。

1)经交工检测，武罐高速“白改黑”路面各项性能指标均满足要求，路面没有病害产生。验证了超薄罩面“白改黑”在水泥混凝土面层养护中的适应性。

2)在“白改黑”养护项目中，接缝处设应力吸收层能减小加铺层底部最危险点处的荷载应力、分散由加铺层底面接缝处向上传递的荷载应力。后期可结合试验段及结构力学分析，确定应力吸收层最佳厚度。