旧水泥混凝土路面直接加铺薄层沥青罩面方案选择分析.pdf

第 4 O卷 ， 第 2期 2 0 1 5年 4月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 ． 4 0，No ． 2 Ap r． ， 2 0 1 5 旧水泥混凝土路面直接加铺薄层沥青罩面方案 选择分析 苏 卫 国 ， 孙浩 ( 华南理工大学 土木与交通学 院，广东 广州 5 1 0 6 4 1 ) [ 摘要 ]旧水 泥混凝土路面上加铺 薄层 罩面是路 面修 复工程 中常用 的措施 ， 但沥 青罩面层 中将 出现反射 裂 缝 ， 而反射裂缝是导致 沥青 罩面层损坏的主要原 因， 反射 裂缝 等病害直接降低 了行驶舒适性 和安全性 ， 由此而 引起 的渗水也加速了加铺层结构的破坏。基于修复旧水泥混凝土路面所采用的实际工程措施， 在分析反射裂缝产生机 理 的基 础上 ， 总结提 出延缓 罩面层反射裂缝发生和扩展 的预防与防治 措施 ， 及薄层 沥青罩 面层选 择方案 和技术要 求， 为同类工程的设计与施工提供参考和借鉴。 [ 关键词 】旧水 泥混凝 土路面 ； 反射 裂缝 ； 平衡设计 ；薄层 罩面 ； 方案选择 [ 中图分类号 ]U 4 1 8 ． 8 [ 文献标识码 ]A [ 文章编号 ]1 6 7 4 — 0 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) 0 2 — 0 1 6 9 — 0 5 S c h e me S e l e c t i o n a n d An a l y s i s o f As p h a l t Ul t r a- t h i n Ov e r l a y e r La y i n g o n t he Ol d Ce m e n t Co n c r e t e Pa v e me n t Di r e c t l y SU W e i gu o，SUN Ha o ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d T r a n s p o r t a t i o n ，S o u t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 1 ，C h i n a ) [ A b s t r a c t ]P a v i n g u l t r a — t h i n o v e r l a y o n t h e o l d c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t i s a c o mm o n l y u s e d me a s u r e i n p a v e me n t r e s t o r a t i o n e n g i ne e r i n g， b u t r e fle c t i o n c r a c k s wi l l a p pe a r i n t he o v e r l a y o f b i t u mi n o u s p a v e me n t a n d i t s t h e ma i n c a u s e o f d a ma g e ． Th e d i s e a s e s s u c h a s r e fle c t i o n c r a c k s i s d i r e c t l y r e d u c i ng t h e dr i v i n g c o mf o r t a n d s a f e t y， wa t e r s e e p a g e c a u s e d t h e r e b y a l s o a c c e l e r a t e s t h e d e s t r u c t i o n o f t h e o v e r l a y s t r u c t u r e ． Ac c o r d i n g t o p r a c t i c a l e n g i n e e r i n g me a s u r e s wh i c h a r e u s e d t o r e pa i r t h e o l d c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t ， b a s e d O i l t he a n a l y s i s o f t h e me c h a n i s m o f r e fle c t i v e c r a c k s， t h e n s u mma r i z e s p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l me a s u r e s p r o p o s e d d e l a y i n g o v e r l a y r e fle c t i v e c r a c k i n g o c c u r r e d a n d e x t e n d e d， a n d t h e t h i n l a y e r o f a s p h a l t o v e r l a y o p t i o n s a n d t e c h ni c a l r e q u i r e me nt s， p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r t h e d e s i g n a nd c o n s t ru c t i o n o f s i m i l a r p r o j e c t s ． [ Ke y wo r d s ]t h e o l d c e me n t c o n c r e t e p a v e me n t ； r e fl e c t i o n c r a c k i n g ； b a l a n c e d e s i g n ；u l t r a — t h i n O v e r l a y；s c h e me s e l e c t i o n 1 概述 旧水泥混凝土路面直接加铺沥青薄层罩面是一 种应用广泛的路面修复技术 ， 它具有造价低、 施工方 便 、 对环 境影 响小 等优 点 ， 现 已成 为旧水 泥路 改建 的 常用措施 ⋯。薄层罩面， 是指在旧水泥混凝土面板 上加铺 2— 4 c m沥青混合料罩面层， 即“ 白加黑” 技 术 ， 其也是道路预防性养护的重要措施 。 由于旧水泥混凝土路面能提供较高抗压强度的 面板， 且稳固、 坚实的基层 ， 而薄层沥青罩面又能提 供 良好抗滑、 封水效果的面层， 从而延长路面的使用 寿命 ， 同时又消除 旧水泥混凝土路面接缝的不利影 响， 改善 了路面的使用功 能， 提高 了路 面行驶舒适 性 ， 提升了路面服务水平。然而 ， 旧水泥混凝土面板 接缝处在车轮荷载、 温度应力及复合疲劳应 力作用 下不协调形变产生的反射裂缝 ， 使薄层沥青罩面层 使用寿命缩短 ， 增加道路养护处治的费用。国内陈 拴发 、 周 富杰 、 倪富健 等对反射裂 缝产生的 [ 收 稿 日期 ]2 0 1 4 一 O 卜 l O [ 作者简介】苏卫国 ( 1 9 6 2 一) ， 男 ， 山西介休人 ， 博士研究生 ， 副教授 ， 主要从 事路桥 工程 、 旧路修复技术研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 0 公路工程 4 0卷 机理与防治措施进行 了大量的室 内试验 ， 但未对 旧 水泥混凝土路面加铺薄层沥青罩面方案选择进行过 分析。反射裂缝的存在会严重影响薄层沥青罩面层 寿命 ， 所 以如何选择合适 的薄层沥青罩面层方案来 处治旧水泥混凝土路面就显得尤为重要。 2 旧水泥混凝 土路面状况调查及性能评价 水泥混凝土路面由于设计 、 施工、 养护和交通量 增加的原因， 导致路面出现病害， 同时在雨水与车辆 荷载作用下 ， 使水泥混凝 土路面出现唧泥、 脱空、 错 台和断板等结构性病害。为了避免选择结构性病害 的路段加铺薄层沥青罩面层 ， 一般要对 旧水泥混凝 土路面状况进行全面调查与检测 ， 主要分为旧水泥 混凝土路面结构性能评价与使用性能评价。 首先要判断旧水泥混凝土面板是否具有结构性 破坏 ， 可通过测定弯沉值 ( F WD落锤式 弯沉仪或贝 克曼梁) ， 得 到相对 累计弯沉最大值或弯沉差来判 断路面结构承载能力 ， 即以基层和路基没有出现严 重失稳作为可以直接进行薄层沥青罩面的前提。结 合路面使用性能调查内容： 断裂类病害、 竖 向位移类 病害、 板底脱空情况 、 路面状况指数 ( P C I ) 、 断板率 ( D B L ) 等， 依据旧路面结构与性能评价结论对 旧水 泥路 面 采取处 治措 施 。 3 旧水泥混凝土路面反射裂缝产生原 因及 类型 反射裂缝主要是由旧水泥混凝土面板 的接缝与 裂缝 引 起 。一般认 为 ， 导 致 旧水泥 板 接 缝 或 裂缝 间 开合 的主要原 因是温湿的变化 、 车轮荷载、 沥青混合 料老化、 水泥稳定基层的收缩等。接缝与裂缝在这 些因素作用下 ， 在对应 旧水泥混凝土面板接缝处产 生反射裂缝。非荷载型反射裂缝对沥青加铺层使用 性能影响不大 ， 但环境 ( 温度、 雨水等) 因素常导致 反射 裂缝 向周 围扩 展 ， 加 速沥 青罩 面层结 构损 坏 ， 大 大缩短沥青加铺层的寿命。反射裂缝产生机理主要 分 为 2种类 型 。 。 ： ① 温度引起的疲劳破坏 ， 即温度变化导致 旧板 收缩、 膨胀或者翘 曲引起裂缝张合 ， 导致沥青加铺层 出现裂缝， 裂缝扩展方向有 自下而上和 自上而下两 种 ， 如 图 1 ( a ) ， 如 图 1 ( c ) 所示 。 ② 交通荷载引起的疲劳破坏， 即在车辆轴载作 用下f 日 板错台及板底脱空引起板块在裂缝处上下位 移 ， 形成 自下 而上 的裂缝 发 展 ， 如 图 1 ( b ) 所示 。 底基层 ( a ) 温度引起的疲劳 底 基层 ( b )行车荷载 l 起的疲劳 里窒 ! !起 三三 二二二 (c )表面 引起 的开裂 图 1反射裂缝产生 的机理 Fi g u r e 1 Th e me c ha ni s m o f r e fle c t i o n c r a c k i ng 4 旧水泥混凝土路面罩面前处治措施 4 ． 1 罩 面前 旧路 面处 治措施 加铺沥青 罩面前 ， 首先要对 1 日 路 面板病害进行 处治 ， 消除反射裂缝的产生根源 ， 主要包括 以下 3种 措施 ： ① 接缝填充。对旧路面板接缝 与裂缝进行有 效的填料和封缝 ， 避免路表水进入路面结构， 减小水 对 基层 的损 坏 。 ② 碎石化。碎 石化是指采用多锤头破碎机或 共 振式 破碎 机对 旧水 泥 混 凝 土 面 板 进行 破 碎 ， 使 得 旧水泥板上部约 1 ／ 2厚度 范围变成级配碎石状， 而 下部约 1 ／ 2部分只是形成裂纹 ， 旧水泥混凝 土碎石 层可以作为沥青加铺层的柔性基层。 ③ 纹裂稳固。通常采用 冲击 压路机低速作用 于旧水泥板 1— 2遍 ， 使得旧板形成横 向裂纹 ， 但不 破坏基层 ； 或采用门板式破裂机 ， 每隔 8 0～1 0 0 c m 间距作用一次 ， 形成横向裂纹 ， 使旧板块由大尺寸化 为小尺寸 ， 由于破裂板块间的嵌锁作用 ， 破裂板体仍 能保持整体性 ， 而且接缝间板体尺寸变小 ( 约 1 m x 1 m) ， 使得温度变化 引起的水平位移均化到路面板 中， 且由于冲击能的作用 ， 使致裂的小板块与基层紧 密贴合 ， 消除了板底脱空现象。 4 ． 2工程 实际应 用的处 治措施 针 对 旧水 泥 混凝 土 路 段 的不 同工况 ， 下 面 是 一 些 实际 工程采 取 的处治 措施 ： 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 苏卫 国 ， 等 ： 旧水泥混凝土路面直接加铺薄层沥青罩面方案选择分析 1 7 1 ① 无错台； 无脱空 ； 旧面板传荷能力较好 ( L T E > 8 0 ％) ； 断板率 D B L< 5 ％的路段。 方案 ： 直接加铺 4—5 c m沥青混合料面层( 或 1 e m碎石封层 + 4 e m橡胶沥青混合料面层 ) ② 少 量脱 空 ； 微 小 错 台 ； 旧 面板 传 荷 能 力 中等 ( 7 0 ％ <L T E<8 0 ％) ； 断板率 D B L<1 0 ％ 的路段。 方案 ： 对 旧水泥面板进行致 裂处理 ( 冲击 压路 机纹裂稳固) 后铺筑找平层 +4—5 e m沥青混合料 面层 ( 橡胶沥青混合料面层 ) ③ 少量脱空； 微小错 台； 旧面板传 荷能力较差 ( L T E0 ． 4 c m) 。一般不建议直接加铺 4 c m沥青面层 。 方案 ： 1 日板 碎石化 处治后 +找 平层 +缓 冲层 ( 沥青碎石)+ 4～ 5 e m沥青混凝 土面层。 5 薄层 沥青罩面 层防治反射裂缝解决 方案 分 析 5 ． 1 采用合理的薄层沥青罩面层混合料 为 了防止反射裂缝产生 ， 改善沥青加铺 层的混 合料性能 ， 即采用防裂效果更好 的沥青加铺层 ， 改善 加铺层的抗剪切性能与抗疲 劳性能是较好 的选择 ， 推荐 以下特殊沥青混合料。 ① 缓 释反射裂缝混合料 C A M( C r a c k A t t e n u a — C A M( C r a c k i n g A t t e n u a t i n g Mi x e s ) ， 中文 译 为 缓释反射裂缝混合 料。C A M 是一种嵌 挤密实型热 拌沥青混合料 ， 具有 良好 的抗车辙性能和抗反射裂 缝性能。C A M薄层沥青罩 面是用厚度 ≤2 ． 5 c m的 热拌沥青混合料铺筑而成 的面层 ， 可用作高速公路 的面层或作为预防性养护措施加铺在无结构性破坏 的旧水泥混凝土面板上。 C A M沥青混合料配合 比设计采用平衡设计理 论设计。平衡设计体系采用体积设计法选取同时能 够满足抗车辙性能和抗反射裂缝性能的最佳沥青含 量和级配。它的概念如图 2所示 ， 浅色线条代表不 同沥青含量下 的车辙深度 ， 车辙深度 <1 2 ． 5 m m下 是可 以接 受 的 ； 深 色线 条 是试 件在 O v e r l a y T e s t e r 试 验机下 的性能， 直接拉伸循环持续超过 3 0 0次循环 而不破坏的情况下是可接受的 ， 图 2中黄色区域代 表满足车辙深度和裂缝寿命的最佳沥青含量取值范 围， 这 幅图表清晰地显示 了平衡设计的概念 。 一 姆 一 靛 可接受的车辙深度--——————一 沥青含量， ％ 可接受的裂缝循环次数 图 2平衡设计概念 图 Fi g ur e 2 The b a l a nc e d mi x d e s i g n c o n c e p t 现行的美 国德州规范要求采用汉堡机验证沥青 混合料抗 车辙 性能 ， 要求试 件 的车辙深 度 <1 2 ． 5 I T l m； 采用 O v e r l a y T e s t e r 试验机验证 沥青混合料 的 抗反射裂缝性能 ， 要求试件直接拉伸循环 7 5 0次时 应力衰减 <9 3 ％。其 中 C A M 集料级 配范 围、 C A M 混合料特性要求 、 室内混合料试验性能见表 1～ 表 3 所 示 。 ② N o v a e h i p ~超薄粘结磨耗层 。 ri n g Mi x t u r e ) 。 N o v a c h i p ~ 是典型的断级配混合料 ， 主要 由 表 1 CAM 集 料 级 配 范 围 Ta b l e 1 The s c o p e o f CAM a g g r e g a t e g r a da t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 7 2 公路工程 4 0卷 表 2 C AM 混合料特性要求 Ta b l e 2 Th e p r o p e r t y r e q ui r e me nt s o f CAM mi x t u r e 检测性 能 技术 要求 击实方法 击实次数 沥青含量／ ％ 设计矿料间隙率 V M A ／ ％ 最小 生产矿料问隙率 V M A ／ ％ 最小 设计饱和度 V F A ／ ％ 表 3 室 内混合料试验性能要求 Ta b l e 3 La b o r a t o r y mi x t u r e de s i g n p r o p e rti e s 汉 堡轮辙试验 ( 车辙实验) 结合料 试验方法 1 2 ． 5 iT l rn车辙深度时最小次 5 O℃ 高温沥青( 1 、0T e x 7 l - 9 2 — 4 2 2 。 - 。 。 F ) 7。 O 0~ 2 0 0 0 0 7 0 ％ 一8 0 ％的单一粒径碎石、 2 0 ％ ～ 3 0 ％ 的细集料 和填料组成。其级配曲线和 S MA相似， 但结合料和 填料含量低一些， 含有更多细集料 ， 具有很好的力学 稳定性和抗剪能力 。N o v a c h i p ~超薄粘结磨耗层采 用 2～ 3 c m断级配热拌沥青混合料， 铺筑于乳化沥 青粘层上 ， 用专用粘层洒布和混合料摊铺一体化设 备 ， 经压路机压实后成 型。N o v a c h i p ~薄层罩面有 3 种矿料级配 A、 B、 c类型 ， 最大粒径 分别 为 4 ． 7 5 、 9 ． 5 、 1 2 ． 5／ l q l lq 。A型主要用 于修补机场路 面， 使用 不普遍 ； B型最 为常用， 其级 配范围与最佳 沥青含 量、 技术要求 等如表 5 、 表 6所示 。 ③ 橡胶沥青混合料。 橡胶沥青 是一种新 型的筑路材料 ， 具有 良好 的高低温性能、 水稳定性 、 疲劳性能和降噪功能 ， 应 用前 景广 阔。 其 中改性 橡胶沥青S A MI 作 为加 铺层 表 5 N o v a c h i p ~薄层罩面矿 料 B型级配级配范围与最佳沥青含量 T a b l e 5 Gr a d i n g r a n g e a n d t h e o p t i mu m a s p h a l t c o n t e n t o f No v a c h i p @mi x t u r e t y p e B 注： ① 沥青含量为4 ． 8 ％ 一 5 ． 6 ％( 基质沥青或改性沥青) ； ② 粘层为聚合物改性乳化沥青( 喷洒量0 ． 8 — 1 ． 2 L ／ m ) 表 6 No v a c h i p ~薄层罩面混合料沥青含量参考值及其混合料性能 Ta bl e 6 The r e f e r e n c e v a l u e o f a s p ha l t c o nt e n t a n d mi x t ur e p e r f o r ma nc e o f No v a e h i p~t hi n o v e fla y e r mi x t u r e 的中间应力吸收层 ， 有优 良的弹性恢复性能、 抗疲劳 性能， 对防止反射裂缝产生和扩展起到很大作用。 5 ． 2改善 沥 青罩 面层 性 能 改善沥青罩面性能可通过改变沥青类别 ( 改性 或非改性沥青) 及其用量或选择不同粒径集料来改 变混 合料类 型 。此 外 ， 沥 青 混合 料 中加 入纤 维 具 有 一 定的加筋作用， 能提高抗拉强度 ， 改善加铺层的抗 变形 性能 ， 可 以延缓 反射裂 缝产 生 。 ’ 另外 ， 增加罩面层厚度 ， 可提高路面结构的弯曲 刚度 ， 减小裂缝两侧 由车轮荷载引起的竖向位移差 。 适 当增加罩面层的厚度对于防止或延缓反射裂缝是 有效的 ， 但 当沥青加铺层厚度增加到 1 2 c m后 ， 再通 过增加加铺厚度是不经济的， 防治效果也不甚显著 。 5 ． 3冲击压 实技 术 处治 旧水 泥混凝 土板块 冲击压实 “ 技术原理是利用 冲击 压路 机行 驶 时反 复升落 产生 高 冲击 能作 用 于 路 面 ， 使 旧路 面 板破裂成嵌锁状态 的板块 ， 同时使破裂板块与 旧基 层紧密贴合 ， 共 同形成稳定均匀的支承体系， 即形成 纹裂稳固、 破裂稳固、 破碎稳固的作用效果。它能消 除旧路面板因脱空所产生 的竖向位移 ， 使破碎板与 旧基层紧密接触。同时 ， 该技术能使旧破碎板块间 的水平 位移 减小 ， 消 除 影 响反 射 裂 缝 产生 的温 度 应 力 。 其适用范围： 旧水泥混凝土路面板基本完整 ， 没 有明显裂缝 ， 但板块松动 ； 旧路面板 出现明显的横 、 纵或斜裂缝 ； 旧路面板有唧泥 、 错 台等病害 ； 旧路面 横向或纵 向已出现明显的不均匀沉降。注意以下情 况不适宜采用冲击压实技术 ， 如有加筋挡土墙路段、 明涵和桥梁表面 ； 埋有光缆等线路设施路段 ； 路基边 缘外无排水边沟 ， 且距离该边缘 1 5 m内有砖混或框 架结构建筑物， 或 2 0 m内有土坯房或简易房等建筑 物 。 5 ． 4 加强旧水泥混凝土路 面与薄层沥青罩 面的层 间结合 薄 层 沥青 罩 面厚 度 较 薄 ， 加强 加 铺层 与 旧水 泥 混凝土板的有效粘结就显得很重要。层间结合改善 主要有 3种途径 ： ①将旧水泥板表面打毛；②洒布 足够粘度的改性沥青粘层油。如在薄层沥青罩面层 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2期 苏卫 国， 等 ： 旧水泥混凝土路面直接加铺薄层沥青罩面方案选择分 析 1 7 3 与 旧水 泥板 间铺 设 应 力 吸 收 层 ， 则 不 需 要 喷 洒 粘层 油。③应力吸收层 在路 面结构 中能依靠 自身的 塑性变形来吸收应 力。根据断裂 力学理论 ， 低 弹性 模量 ， 高韧性的应力吸收层 ， 可以缓解裂缝尖端 的应 力集中现象 ， 因而能起到较明显 的防裂作用。应力 吸收层 的 在 还 能 将 旧板 的 水 平 位 移 与 加 铺 层 隔 离 开 ， 并且 隔 断基 层或 路基 水汽 上升 浸入 加铺 层 ， 同时 阻止地表水下渗。 5 ． 5 设 置 土 工合成 织物 或者 格栅 设置土工合成织物或者格栅 ， 提高抗开裂 ， 耐疲 劳能力。常用的防反射裂缝的土工材料主要有玻纤 格栅与聚酯玻纤布 等。 玻纤格栅具有抗疲劳开裂、 抗低温缩裂、 耐高温 车辙与延缓减少反射裂缝等特点 ， 在旧路补强、 路基 加 固及软基处理方面得到了广泛应用。由于其在沥 青加铺层中能提高加铺层结构的抗拉与抗剪强度能 力 ， 同时 ， 扩 散 了温 度 应 力 与 车轮 荷 载 ， 延 缓 了 旧水 泥混凝土裂缝的扩展和贯通， 提高 了路面的抗 裂能 力。其适用 于旧水泥混凝 土没有结构破坏 的路段 ( 即基层无损坏) ， 也适用于对路面标高有严格限制 的路段 ； 聚酯玻纤布是一种复合型土工合成材料 ， 具 有较强的抗拉强度 ， 能与粘层油可以形成防水层 ， 有 效阻止水的下渗 ， 也具有延伸率低、 高温与化学稳定 性好、 可再生等特点 ， 近几年在长三角地区得到了很 大 的推 广 。 6 结语 当前我国公路建设发展迅速 ， 随之而来的旧水 泥混凝土路面修复或改建不 可避免 ， 旧水泥混凝土 路面处治方法很多 ， 根据具体的工程条件、 施工环境 和经济因素 ， 合理选用 旧水泥砼路面处治方法非常 重要， 这不仅影响旧水泥混凝土路面的处治效果 ， 还 影响工程投资的大小 。在具体处 治方案确定之前 ， 应根据旧水泥混凝土路面状况、 反射裂缝防治 的原 理、 及 以往工程设计 与施工经验 ， 提出多种可行性方 案 ， 进而对多种方案进行进度、 技术、 经济等方 面的 综合分析以及其对环境 的影响分析， 最终确定经济 可行 、 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