一、前 言

水泥混凝土路面在长期使用过程中,由于诸多原因,不可避免地出现表面光滑、破损、断裂等各种病害。对于此类病害加固补强的方法有:水泥混凝土加铺层和沥青加铺层。由于高等级公路上交通量大,修复过程中不允许全幅中断交通,而沥青加铺层具有修复周期短、行车舒适等优点,因此,在旧水泥混凝土路面上加铺沥青加铺层已成为一种切实可行、简单有效的修复措施。

该修复措施常规做法是直接在旧路面上直接加铺面层,但由于原水混混凝土板温缩及荷载作用下变形,造成沥青类面层在原接缝处反射开裂,较大的反射裂缝会导致雨水渗人,从而引起沥青罩面层新的病害。如何减缓反射开裂多年来一直是许多道路工程师和科学家们研究的热门课题,国内外的研究人员对反射裂缝进行了长期广泛地研究。最初是采用加设一层沥青碎石连接层的办法,根据试验表明,当该连接层厚度达到6cm以上时,抗反射裂缝效果才随厚度增加而提高,由于该方法成本较高,故不宜大规模推广应用。随着相关材料科学的发展,经大量的研究分析和实验比较,使用专用土工布是目前减缓沥青罩面层反射开裂有效的、价格适宜的成功方法。本文结合广西地区目前旧路补强土工布使用情况的研究分析,对土工布在旧水泥混凝土路面改造中的应用进行论述。

二、沥青罩面层开裂分析及计算方法

经分析沥青罩面层开裂,主要是由于旧水泥混凝土板水平及竖向位移产生的反射裂缝。旧水泥混凝土板水平位移主要是由于水泥混凝土水平向温缩和热胀引起的,竖向位移主要是由于行车荷载作用引起的。由于罩面计算及分析不仅仅涉及旧路面的结构状况、损坏程度、变通状况、环境因素,而且还需要采用适用的力学分析模型,选用准确合理的材料参数等,内容广泛、复杂多变,因此目前虽然国内外有较多的计算方法,但至今未有一成熟、好的计算及设计方法,笔者仅就目前采用较多的计算及设计方法简述如下:

(一)COE法

美国工程师部队(COE)按照补足厚度缺额的概念,提出了旧水泥混凝土面层上加铺沥青层的经验厚度计算公式:

h=A(fhd-cbho) (1)式中:hd为按现有地基承载力和未来交通要求,由新建混凝土路面设计方法确定的单层混凝土面层所需厚度(cm);h0为旧混凝土板的厚度(cm);cb为旧面层板的状况系数,含有细微的初始裂缝时,cb=l;含有多条裂缝或角隅断裂时,cb=0.75;f为控制旧面层板在加铺后 裂缝进一步发展程度的系数,随交通和路基强度变动于0.6~1.0;A为混凝土层厚与沥青层厚的当量转换系数,A=2.5;hd不但与交通量和地基承载能力有关,还与板长、温差等因素有关,精确的计算比较困难。对于沥青加铺层设计,h0可参照表1取值。cb值变动的范围较大,具体选用时难以正确把握,建议根据旧混凝土路面状况指数的评级结果,按表2取值。

表1 混凝土面板厚度

交通等级 特重重中等轻

hd/cm28252321

表2 旧混凝土面板状况系数表

路面评级优良中次差

cb10.92~0.990.83~0.910.74~0.820.65~0.73

例1:某条高速公路混凝土面板厚为25 cm,板长为5m,现交通等级为特重,旧路面状况评级为中等,公路所处地区年平均温度差为39℃,计算沥青加铺层的厚度。

由表1 hd取28cm,由表5cb取0.86,A取2.5。对于f值,我们一般希望加铺沥青层后,旧混凝土面板的裂缝不再进一步发展,故,取1,则由式(1)计算沥青加铺层厚度为16.3cm。

此厚度与加铺层厚度设计通用表比较,满足最小厚度要求,故本路段沥青加铺层厚度可取16cm。

(二) AASHT0法

美国AASHT0的路面设计指南也采用补足厚度缺额的概念确定沥青加铺层的厚度,但放弃了,f修正系数的考虑。其计算公式为:

h=B(hd-he) (2)

he=c1c2c3h0 (3)

式中:c1为考虑损坏接缝和裂缝是否修复的系数,加铺前已进行全厚度修补时,c1=1;否则按每公里未修复接缝和裂缝的数量在0.6~1.0范围内选取。c2为考虑旧面层是否存在耐久性问题(耐久性裂缝或反应性集料病害)的系数,无耐久性问题时,c2=1.0;有耐久性裂缝但未裂碎时,c2=0.96~0.99,有少量碎裂时,c2=0.88~0.95,严重碎裂时,c2=0.80~0.87:c3为考虑疲劳损坏程度的系数,少量横向裂缝板(<5%),c3=0.97~1.0,较多横向裂缝板(5%~15%),c3=0.94~0.96,大量横向裂缝板,c3=0.90~0.93;B为混凝土层厚与沥青层厚的

当量转换系数,它是混凝土厚度缺额的函数,由下式确定:B=2.2233+0.00153(hd-he)2-0.0604(hd-he) (4)

例2:例1中混凝土面板有较多的耐久性裂缝但未碎裂,c2取0.96,有较多的横向裂缝,c3取0.94,在加铺沥青层前对旧路面中损坏较严重的裂缝和接缝进行全厚度修补,损坏较轻的不修补,则c1可取0.9。则由式(3)得he=20.3,由式(4)得B=1.85,由式(2)得沥青加铺层厚度为14 .2cm。

所得厚度小于按COE法计算的加铺层厚度,是因为加铺沥青层前对旧路面中损坏较严重的裂缝和接缝进行了全厚度的修补。

(三)ARE法
1.ARE法。在推导静力平衡分析类型时对路面层作如下假定:

(1)材料是线弹性的,各层变形是连续的,每层材料的性质相同;(2)水泥混凝土内温度变化是均匀的(不考虑板顶及板底温差而引起的弯矩和变形);(3)各层相互间整体移动;(4)作用于路面结构上的力满足静力平衡方程。

按以上假定条件分别计算沥青罩面因旧水泥混凝土板温降产生的拉伸应力引起的破坏(张开位移模式)及因交通荷载在接近裂缝处的不同位移产生剪切变形引起的裂坏(剪切位移模式)。

2.因旧水泥混凝土水平移动产生的罩面层拉应变计算。

拉应变:ξoc=FOC/A0EO

式中:ξoc—罩面层中的最大拉应变;Foc—裂缝顶端罩面层中的拉力;E0—沥青混凝土的劲度模量;A0—沥青罩面层的断面面积。

3.因旧水泥混凝土板接缝两边不同的位移造成的罩面层剪应变计算。

剪应变:γ0=2τ0(1+υ0)/ E0

式中:γ0—罩面层中的剪应变;τ0—罩面层中的剪应力;E0—沥青混凝土的动态模量;υ0—沥青混凝土的泊松比。

4.确定罩面层的允许拉应变和剪应变,采用如下的疲劳方程:

对于水平拉应变:Nf=9.37×10-15(1/e)5.16

对于垂直剪应变:gallowable=5.2(N/9.7255×10-15)-0.1937

5.旧水泥混凝土补强加设沥青罩面层设计过程。

其中影响罩面层中水平拉应变和剪应变的主要变量有:

(1)沥青混凝土或水泥混凝土蠕变模量;(2)沥青或水泥混凝土的动态模量;(3)旧路面或罩面层厚度;(4)路面材料的温度变化;(5)路面材料的热胀系数;(6)各结构层的移动在层间形成的相互作用力;(7)接裂缝处不同的垂直位移;(8)粘结层断裂的宽度。
经反复试算,当沥青罩面层计算最大拉应变及最大剪应变大于沥青罩面层允许拉应变及剪应变时,罩面层厚度需要重新确定,ARE设计方法推荐采用方式有:
(1)增加罩面层厚度;
(2)设置粘结间断层(可采用专用土工布);
(3)设置应变消散夹层(可采用专用土工布);

上述的加铺层设计方法中,ARE罩面设计方法的力学概念简单、明确,计算方便,容易为设计人员理解和接受,并对影响反射裂缝的各因素进行了较全面的考虑。但由于该分析方法中作了一些粗糙的假定,从而使ARE方法并不能准确地分析沥青混凝土罩面层中的应力分布状况,也无法考虑接缝或裂缝处应力集中对罩面层反射裂缝的影响。在实际设计过程中,以ARE分析方法为基础的罩面设计方法存在不足,在广泛应用之前,必须做大量的试验修正,同时也由于该设计方法考虑的因索太多,不仅给输入带来麻烦,而且一些参数的获得也较困难,可靠度更难以保证,使得ARE设计方法较难操作。 COE法和AASHTO法都是根据旧混凝土板裂缝类的损坏状况,按补足厚度缺额的概念计算加铺层的,而AASHT0法不但考虑了裂缝损坏的严重程度和裂缝的性质,还考虑了加铺沥青层前,是否对有损坏的接缝和裂缝进行修复以及未修复接缝和裂缝的数量。可以认为按AASHT0法计算的结果比COE法计算的结果较为可信。

(四)建议的加铺层厚度

经过处理后的旧水泥混凝土板作沥青加铺层的基层,其刚度一般较大,基层上的弯沉较小。沥青面层合理厚度的确定,主要是考虑防止反射裂缝。沥青加铺层太薄,容易产生反射裂缝;加铺太厚,造价又太高。根据国内外的经验,建议沥青加铺层的厚度取10~18 cm。
当计算得到的沥青加铺层厚度超过18cm时,应当考虑在旧路面上增设一定厚度的半刚性基层。半刚性基层厚度通过计算确定,但不应小于15 cm。

三、土工布在防治反射裂缝中的作用分析

当沥青罩面层由于旧水泥混凝土板位移产生的拉应力超过沥青罩面层的抗拉强度时,沥青罩面层自然会开裂,由于沥青罩面层开裂,在自然环境因素作用下(雨水、湿气、粉尘等),导致罩面层发展成更为严重的病害破坏。在沥青罩面层与旧水泥混凝土路面之间加设优良的夹层材料(专用道路土工布)是防治反射裂缝的一种有效措施。其主要作用机理如下。

1.由于旧有水泥混凝土路面温缩位移是连续的,土工布减小了面层与基层间的结合力,经计算,加设土工布后,原来二层界面处的结合力明显减少,由此使罩面层最大拉应变减小。

2.由于土工布具有较大的延伸性,旧水泥混凝土裂缝位移可通过土工布使应力扩展至更宽的范围,从而缓解了裂缝处的应力集中。

3.由于土工布浸透沥青可以有效防止地表水入渗进入基层,避免基层进一步恶化。

4.由于土工布浸透沥青可有效防止地下水渗人界面,减小沥青罩面层在反射开裂处的剥离破坏。

5.土工布夹层材料可减缓水泥混凝土板温降,减小水泥混凝土板位移量。

四、土工布技术要求分析

综上所述,采用土工布作为旧混凝土路面加设沥青罩面层的夹层材料是防治反射裂缝的一种有效措施。但夹层材料的性能将直接影响防反射裂缝的效果。某些型号规格的土工布防反射裂缝效果明显,而另一些型号规格土工布反而会对沥青罩面层产生不良反效应,为了避免不恰当的选用,结合广西地区使用情况,经对已使用的防反射开裂土工布的路面特性,土工布材料特性、施工方法进行的长期跟踪观测分析得出防反射开裂土工布应满足以下技术要求。

1.良好的耐温性。沥青混合料热铺时的温度达150℃左右,故要求土工布材料在该温度下不仅不能熔化或软化,且能保持正常工作。经验表明:聚酯土工织物性能最佳。

2.良好的沥青胶油吸附性。正常的施工步骤是先在开裂路面上均匀喷洒沥青胶油,再铺织物间层,然后在其上热铺面层。热铺面层应能吸收织物下的胶油使其达到饱和,故要求织物有良好吸附能力。

3.柔性。柔性包含韧性与表面硬度两重含义。韧性反映织物吸收冲击能量的能力,它可近似地以材料的抗拉强度与延伸率之积量度。建议以CBR试验顶破强度R来表示其表面硬度,并认为R≥2kN。

4.良好的均匀性。织物为各向异性材料。为保证强度均匀。建议经纬两向的强度比,对编织物不大于1.5,对无纺织物不大于1.2。

5.强度要求。织物抗拉强度应大于400N/5cm,并具有抗刺破和抗胀破等方面的要求,强度大于800N/5cm。

6.耐酸碱

7.抗老化性较强。土工布在路面使用年限内应保持正常的工作状态。

8.厚度要求。为了防止加设土工布后造成沥青罩面层的不良负效应(罩面层剥离破坏),应对土工布的厚度进行严格限制,根据实验分析,旧水泥混凝土加设沥青罩面层防反射开裂,土工布厚度以小于2.0mm较为适宜。

五、施工工艺要求

(一)基本施工工艺如下:
清理旧有路面→修补裂缝及接缝→喷洒沥青粘层→铺设土工织物(满铺或铺缝)→铺设沥青混凝土面层→碾压。

(二)根据以上施工工艺过程,各工序施工要求如下。

1.清理旧有路面。(1)首先将路面清扫干净;(2)将路面上尖锐的部分予以铲除;(3)对于路面严重裂缝、破碎处,应铲除其破碎部分,并且采用C30水泥混凝土;(4)较严重凹处,应采用沥青混凝土填平。

2.接缝处理。(1)用高压空气清除接缝内杂物(水、脏物、土、杂草、油脂、废物等);(2)接缝采用沥青混合料(沥青及石粉混合料)填。

3.喷洒沥青粘层。(1)采用国产70号石油沥青,加热至150~170℃之间进行均匀喷洒,喷洒量1.15kg/m2;(2)喷洒沥青的横向范围要比土工织布物宽5~10cm。

4.铺设土工织物。要求平整无折、皱,并及时铺设(在喷洒沥青高温状态下),铺设可采用人工及机械铺设,接口处应相互搭接15cm。

5.铺设沥青混凝土面层。采用热拌、热铺沥青混凝土,沥青混凝土罩面层厚度以不小于5cm为适宜。

6.碾压。(1)碾压时压路机从路边起压向路中,三轮式压路机每次重叠宜为后轮宽1/2,双轮式压路机每次重叠为30cm。不得在新铺沥青混凝土上转向调头及左右移动或突然刹车。(2)碾压速度初压l.5~2km/h;复压2.5~3.5km/h;终压2.5~3.5 km/h。

六、结 论

旧路面的损坏状况很复杂,变异性大,使得加铺层设计需考虑的影响变量多,设计参数也难以正确确定。但是,沥青加铺层设计中应考虑的主要因素应该是旧路面结构的强度和反射裂缝的防止。对于同一路段,用不同的计算方法所得厚度不尽相同。设计时应采用不同的方法计算,对各种结果进行分析比较,并结合实践经验确定加铺层的最终厚度。