孫 杰，李自齊

(甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院股份有限公司，甘肅 蘭州 730030)

1 概述

針對(duì)我國(guó)水泥混凝土路面使用過程中出現(xiàn)的一系列病害，目前主要采用加鋪瀝青罩面的“白改黑”養(yǎng)護(hù)方式[1-3]，這種養(yǎng)護(hù)技術(shù)既可以利用舊水泥面板的剩余強(qiáng)度，又能夠縮短工期，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的路面養(yǎng)護(hù)維修方案。在“白改黑”養(yǎng)護(hù)方式中，設(shè)置應(yīng)力吸收層對(duì)于分散瀝青層與舊水泥路面面層之間的應(yīng)力集中有較好的效果，同時(shí)也能夠有效緩解反射裂縫的產(chǎn)生與擴(kuò)展。同時(shí)，應(yīng)力吸收層成型后密實(shí)、黏結(jié)力強(qiáng)、不滲水，與下承層之間的結(jié)合性能良好[4-10]。

因此，本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，采用路面結(jié)構(gòu)受力模擬分析的方式，對(duì)直接加鋪和設(shè)應(yīng)力吸收層的“白改黑”路面進(jìn)行受力模擬分析，計(jì)算加鋪層底部與舊水泥路面接縫處的應(yīng)力值。為實(shí)際工程中防止反射裂縫的產(chǎn)生、合理設(shè)計(jì)應(yīng)力吸收層結(jié)構(gòu)提供力學(xué)特性上的參考。

2 武罐高速“白改黑”路面方案

武罐高速原水泥路面結(jié)構(gòu)為：26 cm水泥混凝土面層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石基層+20 cm水泥穩(wěn)定碎石底基層。經(jīng)過近幾年的交通運(yùn)營(yíng)，武罐高速原水泥混凝土路面平整度及抗滑指標(biāo)下降明顯，部分路面平整度指標(biāo)和抗滑指標(biāo)評(píng)定為差，嚴(yán)重影響行車舒適性和安全性。由于該地區(qū)降雨量大、氣候條件差，對(duì)水泥混凝土耐久性極其不利。隨著近年來(lái)交通量的增加，混凝土路面在長(zhǎng)時(shí)間的行車荷載作用下，路面刻紋逐漸磨平，路面病害迅速發(fā)展。因此為提升該路段水泥混凝土路面服務(wù)質(zhì)量，急需對(duì)該段水泥混凝土路面進(jìn)行維修處治(見圖1)。

經(jīng)調(diào)查，水泥混凝土路面存在局部輕微裂縫較為密集，且平整度較差。

2.1 病害產(chǎn)生原因分析

1)裂縫。水泥混凝土本身受收縮應(yīng)力、重載反復(fù)作用、溫濕應(yīng)力、地基喪失支撐等因素影響易產(chǎn)生裂縫；另一方面運(yùn)營(yíng)階段剛性路面在重載車輛的作用下抵抗形變能力較差，車輛行駛導(dǎo)致混凝土面板受力不均，同樣易發(fā)展成為裂縫。

2)平整度。a.水泥混凝土板自身脹縮縫和施工縫影響路面的平整度。水泥混凝土路面的脹縫處是路面的薄弱環(huán)節(jié)，其好壞對(duì)路面的使用質(zhì)量和路面的平整度影響較大。b.水泥混凝土面板之間混凝土微破損、骨料剝離制約混凝土板膨脹變形，部分傳荷設(shè)施設(shè)置銹蝕老化，重載車輛作用下造成板間破壞，進(jìn)而影響路面平整度。c.水泥混凝土面板間裂縫在溫差及荷載反復(fù)作用下，面板破壞加劇造成局部缺角、錯(cuò)臺(tái)等，行車舒適性較差。

3)抗滑性能。a.混凝土路面由于長(zhǎng)時(shí)間的行車荷載，路面刻紋逐漸磨平，摩擦系數(shù)降低。b.武罐高速公路水泥混凝土路面路段處于橋隧密集段，進(jìn)出隧道車輛均有變速，加劇了路面抗滑性能的衰減。c.部分路段處于連續(xù)長(zhǎng)上下坡，重載車輛灑水加劇了水泥路面表層磨光。d.大車頻繁剎車，使該段水泥路面磨光，抗滑性能急劇下降。e.該地區(qū)降雨量大，氣候條件差，導(dǎo)致水泥混凝土路面耐久性降低。

2.2 “白改黑”方案

采用對(duì)原水泥混凝土路面進(jìn)行銑刨1 cm處理，面板間構(gòu)造縫及斷板貼縫后，鋪筑2.5 cm厚改性超薄罩面+高黏改性乳化瀝青黏層的方案。改性超薄罩面是將改性熱瀝青混合料攤鋪在高黏改性乳化瀝青黏層上，使用攤鋪設(shè)備進(jìn)行攤鋪，經(jīng)壓路機(jī)壓實(shí)以后一次成型，高黏改性乳化瀝青優(yōu)異的黏結(jié)性能避免了以往薄層罩面存在的易推移風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 混合料設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)DB62/T 3148—2018高等級(jí)公路超薄罩面應(yīng)用技術(shù)規(guī)程中推薦，本項(xiàng)目超薄罩面混合料礦料級(jí)配范圍如表1所示。

表1 混合料礦料級(jí)配范圍

本項(xiàng)目超薄罩面混合料推薦瀝青用量為4.6%～5.6%。進(jìn)行室內(nèi)目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)時(shí)，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀進(jìn)行試件成型，根據(jù)混合料的體積、力學(xué)性能確定瀝青用量。混合料實(shí)驗(yàn)壓實(shí)溫度根據(jù)瀝青的黏溫曲線確定，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)為100次，單位壓力為600 kPa。

根據(jù)試驗(yàn)分析，確定混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配，設(shè)計(jì)油石比為5.0%，相對(duì)應(yīng)的瀝青混合料性質(zhì)如表2所示。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件剖面圖如圖2所示。

表2 瀝青混合料體積性質(zhì)表

2.4 瀝青混合料性能檢驗(yàn)

1)檢驗(yàn)瀝青膠結(jié)料最大用量(析漏試驗(yàn))。試驗(yàn)條件：試驗(yàn)溫度185 ℃，將混合料保溫60 min±1 min后進(jìn)行析漏測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 析漏試驗(yàn)結(jié)果 %

試驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青混合料析漏指標(biāo)符合要求，混合料中無(wú)自由瀝青，選定的設(shè)計(jì)油石比5.0%適宜。

2)水穩(wěn)定性檢驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)級(jí)配及油石比進(jìn)行水穩(wěn)定性能驗(yàn)證，試驗(yàn)方法依據(jù)AASHTO T283。試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4中TSR為條件下混合料劈裂抗拉強(qiáng)度與非條件下混合料劈裂抗拉強(qiáng)度之比，為86.3%。試驗(yàn)結(jié)果表明，混合料的TSR值滿足要求。

表4 AASHTO T283試驗(yàn)結(jié)果

3)高溫穩(wěn)定性試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：在(60.0±0.5)℃，(0.7±0.05)MPa條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)以檢驗(yàn)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，車轍動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度

試驗(yàn)結(jié)果表明，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度值滿足規(guī)范中不小于3 000次/mm的要求。

4)低溫抗裂性檢測(cè)。試驗(yàn)條件：溫度-10 ℃，速率50 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，混合料的小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范中要求。

3 靜載作用下“白改黑”路面應(yīng)力模擬分析

3.1 3D-Move Analysis 軟件介紹

3D-Move Analysis基于連續(xù)有限層法而研發(fā)，視各結(jié)構(gòu)層為連續(xù)體，用離散Fourier級(jí)數(shù)展開法將表面荷載分解成二維諧波分量，使用解析解來(lái)計(jì)算各結(jié)構(gòu)層對(duì)每個(gè)諧波的響應(yīng)，通過疊加原理用每個(gè)諧波分量的響應(yīng)來(lái)評(píng)估整體響應(yīng)。相對(duì)于有限元法，該法無(wú)需剖分網(wǎng)格，同時(shí)在考慮移動(dòng)輪載作用時(shí)計(jì)算效率更高。

3.2 荷載及計(jì)算點(diǎn)位的選取

路面結(jié)構(gòu)內(nèi)拉應(yīng)力最大值處最容易達(dá)到材料容許應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。本研究通過對(duì)雙圓均布豎向荷載作用下不同作用點(diǎn)位即A點(diǎn)、B點(diǎn)、C點(diǎn)、D點(diǎn)(如圖3所示)的應(yīng)力計(jì)算。

3.3 路面結(jié)構(gòu)

為對(duì)比分析應(yīng)力吸收層對(duì)路面結(jié)構(gòu)受力的影響，分別建立兩種路面結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)厚度示意如圖4所示。

3.4 靜載作用下應(yīng)力分析

計(jì)算得到兩種路面結(jié)構(gòu)不同點(diǎn)位沿路面深度的正應(yīng)力分布規(guī)律如圖5，圖6所示。車輛荷載作用下直接加鋪與設(shè)應(yīng)力吸收層界面處荷載應(yīng)力對(duì)比，見表7。

表7 車輛荷載作用下直接加鋪與設(shè)應(yīng)力吸收層界面處荷載應(yīng)力對(duì)比

由圖5，圖6及表7可知，與直接加鋪相比，設(shè)應(yīng)力吸收層能夠減小加鋪層底部最危險(xiǎn)點(diǎn)處的荷載應(yīng)力。對(duì)兩種加鋪方案的荷載應(yīng)力進(jìn)行比較，設(shè)應(yīng)力吸收層后，最大主應(yīng)力在A點(diǎn)處降低了16%；在B點(diǎn)處降低了21.1%；B點(diǎn)相較于A點(diǎn)，應(yīng)力在直接加鋪方案中降低了36.6%，在設(shè)置應(yīng)力吸收層方案中降低了38.2%，比直接加鋪增加了1.6%?？梢?，應(yīng)力吸收層能夠分散由加鋪層底面接縫處向上傳遞的荷載應(yīng)力。

本次路面結(jié)構(gòu)模擬分析“白改黑”應(yīng)力吸收層僅有0.7 cm厚，通過路面結(jié)構(gòu)受力分析，設(shè)置應(yīng)力吸收層來(lái)減小接縫處應(yīng)力、分散由接縫處向上傳遞的應(yīng)力的效果不太顯著。后期可結(jié)合試驗(yàn)段及結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，確定應(yīng)力吸收層最佳厚度。

4 武罐高速“白改黑”工程應(yīng)用及效果

經(jīng)對(duì)全線混凝土路面提升改造后的瀝青路面外觀質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)，路面線型平順，無(wú)龜裂、裂縫、沉陷、車轍、波浪壅包等病害(見圖7)。

經(jīng)過交工檢測(cè)，提升改造后的瀝青路面車轍、平整度、構(gòu)造深度、橫向摩擦力系數(shù)、滲水系數(shù)等參數(shù)合格率滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。經(jīng)過計(jì)算分析，全線的路面狀況指標(biāo)PQI為97.9分，評(píng)價(jià)為優(yōu)，滿足設(shè)計(jì)文件中水泥混凝土路面提升改造后PQI不低于95分的要求。

施工完成并開放交通1個(gè)月后，對(duì)加鋪的超韌磨耗層進(jìn)行了工程質(zhì)量驗(yàn)收。加鋪的超韌磨耗層路表均勻、平整、無(wú)明顯裂縫出現(xiàn)。超韌磨耗層路表密實(shí)、無(wú)松散、無(wú)花白料、無(wú)輪跡、無(wú)刮痕，且邊線、橫縱向?qū)悠巾槨３g磨耗層的厚度、平整度均符合質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

5 結(jié)語(yǔ)

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瀝青作為復(fù)合防水黏結(jié)層，選擇改性超薄罩面作為抗滑磨耗層，確保了混凝土路面瀝青鋪裝層的服務(wù)性能和抗滑能力。

1)經(jīng)交工檢測(cè)，武罐高速“白改黑”路面各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足要求，路面沒有病害產(chǎn)生。驗(yàn)證了超薄罩面“白改黑”在水泥混凝土面層養(yǎng)護(hù)中的適應(yīng)性。

2)在“白改黑”養(yǎng)護(hù)項(xiàng)目中，接縫處設(shè)應(yīng)力吸收層能減小加鋪層底部最危險(xiǎn)點(diǎn)處的荷載應(yīng)力、分散由加鋪層底面接縫處向上傳遞的荷載應(yīng)力。后期可結(jié)合試驗(yàn)段及結(jié)構(gòu)力學(xué)分析，確定應(yīng)力吸收層最佳厚度。