景区公路路面白改黑应用研究

刘志洁,霍冬雨,朱益军,陈文强

(浙江数智交院科技股份有限公司 杭州市 310030)

近年来,为加快农村地区经济发展,我国大力发展“四好”农村路,逐步消除制约农村发展的交通瓶颈,为广大农民生活发展提升提供更好的保障。农村公路多以水泥混凝土路面为主,特别是一些以旅游带动经济的地区,原有水泥路面已无法满足需求,需要进行白改黑路面改造。文章以浙江某景区农村公路为例,通过路面病害调查及现场试验检测,深入分析路面技术状况,提出适宜的路面白改黑设计方案并进行改造施工,使路面技术状况得到明显改善。

1 工程背景

1.1 概况

该景区盘山公路长约2.69km,设计时速15km/h,路基宽度6.75m,路面宽度6m,于2014年进行了水泥混凝土路面改造设计。现状路面结构采用20cm厚水泥混凝土面层+20cm厚水泥(5%)稳定碎石基层,横断面为两块板布置,单块水泥面板宽3m,长4.5m,水泥混凝土面层设计弯拉强度为4.5MPa。

1.2 路面技术状况

经过8年通车运营,局部路段有裂缝(横向裂缝、纵向裂缝)、碎板、板角断裂、表面磨损露骨、碎边、坑槽等病害。现场对水泥板块进行编号调查,双向共计1196块板。根据路面病害统计分析,断板率为6.27%,断板率评定等级为中等(5%～10%)。根据表1所示PCI指标(路面状况指数)及现场试验检测RQI指标(路面质量指数),可以看出该路段路面破损程度为良好至中等,但路面行驶质量指数RQI较低,平整度评定等级为差。从提升景区交通舒适性方面考虑,路面技术状况亟待提高,路面白改黑十分必要。

表1 路面技术状况指标

1.3 现场试验检测

对旧水泥路面进行钻孔取芯强度检测和板块脱空检测。水泥面层芯样直径为150mm。强度检测结果如表2所示。

表2 取芯试验检测

根据《公路路基路面现场测试规程》[1](JTG 3450—2019)公式中T0958-3计算旧水泥面层弯拉强度标准值为5.1MPa,满足原设计要求,详见式(1):

(1)

式中:fc为混凝土标准小梁弯拉强度,单位为MPa;fsp为混凝土直径150mm钻芯圆柱体的劈裂强度,单位为MPa。

水泥路面板底脱空常用的检测方式为弯沉检测,包括落锤弯沉仪截距法、弯沉比法和贝克曼梁弯沉测定法。贝克曼梁弯沉检测过程较慢,若板块数量较多,需花费较长时间取得数据;张昭[2]等人的研究对落锤弯沉仪检测脱空的两种方式进行了比对,研究发现弯沉比λ2b检测判定方法不够准确,需要根据实际路况进行验证。该工程采用截距值法判定板底脱空情况,截距值大于50μm判定为板底脱空。全线共检测板块1194块,脱空共47块,脱空率为3.94%,板底脱空处较少。

2 路面设计方案比选及应用

2.1 路面白改黑研究现状

根据国内外研究成果和实践经验,防止反射裂缝主要从应力消散和加铺层应力吸收层两方面进行考虑。而消散应力的有效方法是采用碎石化工艺将水泥路面板破碎成块状嵌挤结构。碎石化按采用设备不同又可分为多锤头碎石化和共振碎石化。

多锤头碎石化机械设备携带的重锤质量为700～900kg,破碎时按一定规律下落,锤头提升高度≥1.5m,重锤下落时可产生11kJ以上的冲击能量将路面破碎[3]。共振碎石化技术是通过共振原理,使旧水泥板与破碎机械产生共振[4],将旧水泥混凝土板碎裂成上层相互嵌挤,下层相互嵌锁的水泥混凝土碎石粒料层,破碎后的碎石形状相邻互补、粒径较小,形成相互嵌挤的稳定结构。与多锤头碎石化相比,共振碎石化使旧水泥板块破碎更加均匀。

应力吸收层是在旧水泥路面板和沥青罩面层之间均匀铺上改性沥青,然后撒布单粒径碎石,相同粒径的碎石形成一个平整的支撑面,有效地支撑起沥青罩面层,让沥青面层处在一种持久有利的受力状态,沥青回弹性能好,让沥青面层与旧水泥面层之间存在水平相对位移的空间从而释放接缝处的应力[5]。

由于现状水泥路面碎板、断板率较低,PCI指标良好,旧水泥板块的弯拉强度较高,为充分利用水泥混凝土面层强度,该工程采用在水泥路面上直接加铺沥青层的方案,对于反射裂缝采用应力吸收层+聚酯玻纤防裂布的处治措施。

2.2 病害处理措施

对连续破损的板块进行挖除,新筑面板采用连续配筋混凝土结构,水泥板块采用设计弯拉强度≥5.0MPa,抗压强度等级在C40以上的快硬早强混凝土;连续新筑面板顶面设置一层D8冷轧带肋钢筋焊接网,钢筋等级为CRB550;钢筋网间距10cm×10cm。如基层也破损严重,应一并凿除并用同标号快凝混凝土进行浇筑回填。

为加强置换板块与旧板块间的整体受力,在新老混凝土板块的横向接缝处钻孔设置传力杆,传力杆采用φ25mmHPB300钢筋,长45cm。在新老混凝土板块的纵缝处钻孔安装拉杆,拉杆采用φ16mmHRB400钢筋,长80cm。

对于脱空板块进行板底注浆加固。注浆孔钻孔直径50mm,注浆压力为1.5～2.0MPa,如压力持续增大或相邻孔口冒浆,则可终孔并进行封口,换至下一孔位。压浆完成3d后,应进行弯沉值复测,对不满足要求的板块进行补浆。

2.3 反射裂缝预防措施

为保证沥青层与旧水泥面板的粘结性,病害处理后的水泥路面需进行抛丸处理,水泥混凝土抛丸后表面构造深度为0.4～0.8mm,平均露骨率≥60%。

在板与板之间横向和纵向接缝处均铺设聚酯玻纤布。施工前需将路面板表层清扫干净,工作面无水分,雨后必须待路面干燥后施工。沿纵横向接缝,在1m宽范围内喷洒SBS改性热沥青,再铺设聚酯玻纤布,需保证聚酯玻纤布无褶皱,平整且密实,铺设完成后采用压路机碾压一遍,使之紧密服帖于面层。

应力吸收层采用同步碎石工艺,厚度为1cm,选择SBS改性沥青作为粘结料,沥青用量宜取2.0～2.4kg/m2,碎石采用玄武岩,碎石覆盖率按照70%～90%控制,用量范围为14～20kg/m2。

2.4 路面结构验算及分析

沥青路面结构初拟为4cm SBS改性AC-13C沥青混凝土+6cm AC-20C普通沥青混凝土+1cm SBS改性沥青应力吸收层,路面抬高约11cm。

旧水泥混凝土路面已使用8年,剩余设计基准期为2年,由于路面结构已接近原设计基准期,此次路面白改黑设计基准期取10年,设计轴载车道累计作用次数为65000轴次/车道,标准设计轴载为100kN,最重轴载为200kN,可靠度系数取值1.07。水泥混凝土的弯拉强度取值为4.5MPa。沥青路面加铺厚度验算结果见表3。

表3 沥青路面加铺厚度验算

根据上述结果,初拟沥青路面结构满足荷载应力和温度应力的综合疲劳作用以及重轴载在最大温度梯度下的一次强作用。

3 结语

在设计阶段,不仅要使技术方案和经济性相适宜,还需要考虑实际施工中可能遇到的问题和施工影响,对此主要提出以下设计要点:

(1)设计阶段需要考虑到水泥混凝土路面板块修复施工的可操作性,以及施工过程对原水泥路面的影响。例如采用镐头机将断板、碎板打碎挖除的过程中,可能会对邻近完好的水泥板块造成啃边等破坏,因此对于碎板、断板与完好板块交错分布的情况,应尽可能将这些板块连续破除重新浇筑,保证施工质量及平整度。

(2)对于盘山公路,特别是临崖挡墙路段,需要注意碎石化方案的适用性,前期应对挡墙情况及地质条件做详细调查。碎石化机械设备的振动对边坡及下挡墙会产生一定的作用,这也是影响该项目路面改造方案比选的主要因素之一。

(3)浅层注浆能够对路面承载力进行有效补强,但在注浆施工前后,还需对板块脱空情况进行复测以指导施工。

(4)原水泥路面板块存在表面水泥层磨损露骨病害,日常养护采用加铺1～2cm水泥砂浆层罩面的方式。若对该水泥砂浆层进行精铣刨,实际施工过程费时费力,对水泥板块的损伤具有不确定性,质量难以控制。因此对于此种病害可将水泥板块全部挖除,重新浇筑。

该项目通车运营半年后,重新检测了路面各项指标,主车道公里PCI指标均达到100,RQI保持在96以上,RDI指标均达到100,大幅提升了路面使用性能,改善了通车环境。路面的使用寿命情况还需持续观测。