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高速公路水泥混凝土路面加铺层设计和应用
摘 要：为了避免常见病害带来的路面使用性能下降问题和行车安全重大隐患,笔者从力学性能的角度,介绍了高速公路水泥混凝土路面加铺层设计的关键技术,对比分析了ARE设计方法、AI设计方法、AASHTO设计方法3种加铺层设计方法,选取并采用AASHTO设计方法对原有水泥混凝土路面实施了加铺沥青混凝土的改造设计,指出在加铺沥青层前,应先对旧水泥混凝土路面的表面病害进行处理,还应注意接缝处理以减少和防止原有水泥混凝土路面的反射裂缝.指出该改造设计的应用效果良好,说明AASHTO设计方法具有良好的推广应用价值.
关键词：高速公路；水泥混凝土路面；路面病害；加铺层；AASHTO设计方法
中图分类号：U412.36+6；U416.216；U418.6文献标志码：ADOI：10.3969/j.issn.1674-9146.2017.12.116
高速公路水泥混凝土路面的主要结构是水泥混凝土,该路面具有较高的耐久性和强度,且稳定性能好.然而,随着路面使用年份的增长,高速公路水泥混凝土路面会出现不同程度的病害,在较大的超载及温差作用下,高速公路水泥混凝土路面极易出现坑洞、错台、板角断裂、板底脱空等常见病害,造成其使用性能下降,给行车安全带来极大威胁和重大隐患.由此可见,改建混凝土路面是极为必要的.当前,对高速公路水泥混凝土路面的修建维护方法主要是“白加黑”“黑加白”及重铺等方法.其中,“白加黑”维护方法因其受环境影响小、建筑垃圾不多和容易养护等特点而被广泛应用.国外对于高速公路水泥混凝土路面加铺层的设计及应用方面的研究相对较多,由于我国在此方面尚未形成成熟的设计方法和理论分析,因此主要是对国外先进经验的吸收和参照,并将其同我国交通荷载状况相结合来进行设计和应用.
1高速公路水泥混凝土路面加铺层设计关键技术
高速公路水泥混凝土路面加铺层的设计及应用主要包括以下技术问题.首先是对原有水泥混凝土路面状况进行评估与检测；其次是在加铺前应处理好原有水泥混凝土路面的病害,并确保沥青路面同水泥路面层间结合完好,防止旧水泥混凝土路面出现反射裂缝；最后是确定加铺层的沥青厚度等.
1.1原有水泥混凝土路面状况评估
加铺前应评估和检查原有水泥混凝土路面状况,对其破损状况、车辆行驶质量、结构承载力和抗滑能力等进行评估和检查[1].应用仪器或目测来评估路面破损状况；应用破损和无破损相结合的方式来评估结构承载力；选择路面平整度检测仪器（断面类或反应类）进而评估其车辆行驶质量；应用摆式仪来测定其抗滑能力,计算出其侧向力系数（SideForceCoefficient,C）及抗滑值（SkidResistanceValue,SRV）.
1.2加铺前处理原有水泥混凝土路面的病害分析
高速公路水泥混凝土路面病害主要有坑洞、错台、板角断裂、板底脱空、横裂缝、纵裂缝、斜裂缝、唧浆、断面、路面沉陷、胀起等.以京港澳高速公路（原京珠高速公路）某段的水泥混凝土路面为例,按照相关规范对该段高速公路水泥混凝土路面状况进行评估.一是车辆行驶质量方面,其车辆行驶质量优良率为61%,中等及次等率为39%,因此该段高速公路水泥混凝土路面状况大多为优良；二是平整度方面,该段高速公路主车道的国际平整度指数（InternationalRoughnessIndex,IRI）多在2~5m/km范围内,其中部分路段超过了3.5m/km,优良比例与次差比例各占到一半；三是路面破损情况方面,严重裂缝及破碎板数为617块,轻度裂缝板数为261块,错台板数为22块,唧浆板数为921块,在现场对2200块砼半角进行的脱空检测中,有196块砼半角的弯沉值为20,占8.9%,加上病害板的检测,其脱空比例达18.6%.
利用落锤式弯沉仪（FallingWeightDeflectometer,FWD）检测法和钻芯弯沉检测法对路面结构进行检测,发现其基层顶面的当量回弹模量均比平均值低.由此可知,该路段水泥混凝土结构层强度、厚度及结构承载力都可满足设计要求,但平整度优良率低,应加铺沥青混凝土来改善.此外,该路段水泥混凝土路面病害较多,板底脱空率为18.6%,这主要与严重超载、交通量过快增长、路段雨季跨度时间太长等因素相关,该高速公路的交通主要由各种小汽车、货车、客车、重型货车等组成,其中货车比例超过55%,超重超载比例达到50%,远超国内其他公路交通量的增长幅度.
依据上述车行及超载率的分析,应用美国国有公路运输管理员协会（AmericanAssociationofStateHighwayandTransportationOfficials,AASHTO）的轴载换算系数,分别换算各类车辆的轴载系数,进而计算出设计的基准期为10年,其累计标准轴载的作用次数为4408.1万次.
2高速公路水泥混凝土路面加铺层设计的方法
加铺层的设计方法主要有奥斯丁研究工程师（AustinResearchEngineers,ARE）设计方法、美国沥青协会（AsphaltInstitute,AI）设计方法、AASHTO设计方法等.首先是ARE设计方法.该方法主要是在温度及车辆荷载的应力作用下,原水泥混凝土板接缝处能够产生水平相对位移与垂直相对移位,进而造成沥青加铺层产生极大的剪应力和拉应力,以致发生反射裂缝.该方法的设计控制指标是路面板移动导致的拉应变和接缝处移位导致的剪应变.该方法应用简单,但对沥青加铺层应力分布情况难以准确分析,无法确定裂缝及接缝处应力对罩面层反射裂缝的影响程度[2].其次是AI设计方法.该方法为经验性方法,认为破坏沥青层的原因是超荷载导致接缝处出现竖向弯沉.该方法的设计参数应考虑水泥混凝土接缝宽度、板长及层间处置方法.处置层间过程中可以设置应力吸收薄膜层、土工织物、排水下封层、破碎并稳定处理旧水泥混凝土板.该方法主要是控制弯沉差,尽管能够充分考虑减薄罩面层厚度的影响,但却未能给出其定量关系.为此,笔者采用AASHTO设计方法进行加铺层设计.该方法通过等效结构数来计算沥青加铺层厚度、选择防反措施、选择处理原水泥混凝土板的措施、进行可行性分析等.该方法也是经验设计方法,主要依据新建水泥混凝土路面设计方程,对原路面寿命、使用性能影响因素等进行全面分析,并引入可靠性概念使设计操作简单,应用相对广泛.
针对京港澳高速该段公路水泥混凝土路面的病害分析,选择AASHTO设计方法来设计加铺层.加铺段路面结构用20mmNovachip+50mmAC20,大桥加铺超薄磨耗层20mmNovachip,标准轴数为
4297.4万次,行驶方向分配指数为0.5,旧混凝土厚度为287mm,车道分配指数为0.8,层段长度为4.8m,旧混凝土弯拉强度为4.63MPa,旧混凝土弯拉模量为3401MPa,当量回弹模量为382MPa,应力折减指数为0.89,可靠度指数为1.40.
依据上述参数,计算出加铺后水泥混凝土板综合弯拉应力为4.07MPa,低于旧混凝土弯拉强度（4.63MPa）,满足设计要求.可知大桥加铺厚度为20mm,中小桥加铺厚度也为20mm.
完成设计后,对原水泥混凝土路面病害进行处置,采用高黏度改性沥青防水黏结层进行层间黏结,利用压缝带、浸油土工布、开槽后填沥青混合料等方法对路面接缝进行处理,并跨缝设置宽度为1m的玻璃纤维格栅,并用打磨机磨平错台.
3高速公路水泥混凝土路面加铺层设计的应用
京港澳高速公路的水泥混凝土路面结构如下：底层为厚度200mm的4%水泥稳定碎石,中间层为厚度200mm的6%水泥稳定碎石,表面层为厚度280mm的水泥混凝土.由于人们对行车舒适性要求的提高,因此水泥路面渐渐显现出了舒适性差的弊端,为提升高速公路服务质量,对原有水泥混凝土路面实施了加铺沥青混凝土的改造设计.该改造设计依据JTGH20—2007公路技术状况评定标准（附条文说明）[3]、JTGD50—2017沥青路面设计规范[4]以及相关养护规范等相关标准进行设计.
在加铺沥青层前,应先对旧水泥混凝土路面的表面病害进行处理,否则易造成层间黏结力不强,在加铺后会出现早期破坏.轻度横裂缝、纵裂缝、斜裂缝及板角断裂病害可不修,中度及重度病害应通过填封方式进行处理,特别严重病害应全部深度修补.轻度及中度的断裂板和交叉裂缝病害应进行填封,重度病害应换板处理.轻度及中度的路面胀起和沉陷病害可不修,中度及重度病害则应封堵板底或用沥青混合料修补,或研磨顶板.轻度及重度的错台病害可不修或填封裂缝,重度及中度病害应研磨板定、封堵板底及实施边缘排水.轻度接缝碎裂病害可不修,中度及重度病害应全部或局部深度修补,或沥青混合料修补等.轻度拱起的损坏病害可不修,重度及中度病害应换板或全深度修补.重度纵缝张开病害应封堵接缝.轻度填缝料损坏病害可暂不修,重度及中度病害应填封接缝.轻度及中度纹裂、起皮和网裂病害可暂不修,重度病害应部分深度不修或沥青混合料修补.
同时,还应减少和防止原有水泥混凝土路面的反射裂缝.反射裂缝主要是荷载超载及温度的作用扩展至沥青层而产生的一种裂缝.这种裂缝会影响沥青加铺层的寿命和行车舒适度,并造成路面水下浸,使路基稳定性及强度受到极大影响.为此,应采用土工布、土工格栅、改性沥青层、改性沥青砂、细粒式沥青混凝土和碎石封层.也就是说应从沥青铺层材料及工艺入手,依靠铺层材料自身的塑性变形吸收应力.改性沥青聚合物材料的软化点应为75~85℃,车辙试验稳定度不小于2000次/mm,小梁弯曲试验采用最大破坏应变力.还要专门设计并配备混合料,矿粉用量应超过8%,油石比应为8%.在配合比的设计上,应满足抵抗重复车辆的荷载作用极强疲劳性能的要求,还应满足抗车辙的要求,从而能够有效预防水向路面结构内部的渗入,并且便于施工、生产及摊铺压实.
4结束语
在高速公路水泥混凝土路面加铺层设计中,需要先处理路面病害,再采用合适的方法处理层间黏合度.特别应注意接缝处理,以防出现反射裂缝,降低路面性能.笔者采用AASHTO设计方法对加铺沥青层进行了设计,应用效果良好,说明该方法具有良好的推广应用价值.
参考文献：
[1]邹虹.水泥混凝土路面加铺沥青路面结构设计分析[J].四
川水泥,2017(10):67.
[2]郭辞贫.浅谈旧水泥混凝土路面加铺沥青层结构设计
[J/OL].建筑知识:1-2[2016-04-08].http://kns.cnki.net/
kcms/detail/11.1243.TU.20160408.1609.012.html.
[3]中华人民共和国交通运输部.公路技术状况评定标准(附
条文说明):JTGH20—2007[S].北京:人民交通出版社,
2008.
[4]中华人民共和国交通运输部.公路沥青路面设计规范:
JTGD50—2017[S].北京:人民交通出版社,2017.
（责任编辑邸开宇）
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