旧水泥混凝土路面上沥青加铺层设计介绍

旧水泥混凝土路面上的沥青加铺层设计介绍旧水泥混凝土路面上的沥青加铺层设计介绍 常州市建设工程施工图设计审查中心吴祖德 内容提要 根据“水泥混凝土路面沥青加铺层设计与施工”一书所述内 容，摘录其中部分，介绍其中旧水泥混凝土路面上的沥青加铺层的设计 介绍，供设计人员参考。 关 键 词 旧水泥混凝土路面 沥青加铺层 反射裂缝 防治措施 （一）旧水泥混凝土路面的三种改造方案 从目前的应用来看，国内外常用的水泥混凝土路面加铺改造修复措 施主要有三种方案： 方案一：在旧水泥混凝土路面上加铺新的普通水泥混凝土路面或连 续配筋混凝土路面，简称“白+白”； 方案二： 在旧水泥混凝土路面上或补强后直接加铺沥青混凝土面层， 简称“白+黑”或者“白+补强层+黑”； 方案三：将旧水泥混凝土路面碎石化后加铺沥青混凝土或水泥混凝 土面层，简称“碎石化+沥青混凝土路面”或者“碎石化+水泥混凝土路 面”。 这三种方案中，因沥青加铺层能有效地改善旧水泥混凝土路面的使 用性能，提高车辆行驶的舒适性，且施工方便、对交通及环境影响小， 因此，在国内外旧水泥混凝土路面改造工程中应用最多。但该结构致命 的弱点就是沥青加铺层在旧水泥混凝土路面接缝处极易产生反射裂缝， 导致加铺层使用寿命大大缩短。因此，如何控制反射裂缝的产生和发展， 至今仍是道路工程界所面临的一大技术难题。而加铺水泥混凝土面层方 式目前多采用素混凝土进行加铺，接缝一般要与旧板接缝对齐，否则新 板同样易产生对应旧板接缝的裂缝，且新板使用一段时间后，同样会产 生渗水、错台、脱空及断裂等病害，影响行车舒适性，同时新水泥混凝 土加铺层同样也面临着二次修补的问题。碎石化是指针对旧水泥混凝土 路面大面积破坏并已丧失了整体承载能力，通过局部的挖除、压浆等处 治方式已不能恢复其使用性能，且如果采用加铺方式可能会引起反射裂 缝问题或已不能达到结构强度要求的情况下，对旧水泥混凝土板块采用 的一种处理方法。其通常是利用特殊的施工机械，对破坏严重的部位进 行处治后，将水泥混凝土板块破碎成较小的粒径（小于 30cm，甚至更小） 后进行碾压，并加铺新的路面结构层，通常可以加铺水泥路面或沥青路 面，使用较多的是加铺沥青混凝土路面。 （二）防止及减缓反射裂缝的措施 根据我国经验，主要方法有： （1）增加沥青加铺层的厚度； （2）选用优质沥青并渗入阻裂材料； （3）设置土工合成材料、钢丝网或橡胶沥青夹层； （4）对半刚性补强层进行预切缝并加铺土工织物处理； （5）对旧水泥混凝土板进行破碎稳定处理； （6）设置抗反射裂缝中间夹层等。 （三）旧水泥混凝土路面加铺层设计方法 就目前我国的实际情况， 不可能耗费大量的资金进行长期的试验路观 察及各种数据采集，因此，可采用理论方法结合试验路的铺筑情况提出 符合我国国情的旧水泥混凝土路面加铺层设计方法。我国现行《公路水 泥混凝土路面设计规范》 （JTG D40-2002）对于旧水泥混凝土路面上加铺 沥青层作了指导性的厚度规定，即“沥青加铺层的厚度按减缓反射裂缝 的要求确定。高速公路和一般公路的最小厚度宜为 100mm，其他等级公 路的最小厚度宜为 70mm”。规范中附录 D“有沥青上面层的混凝土板应 力分析”对沥青加铺层厚度的确定方法是以控制加铺层下水泥混凝土路 面的荷载应力及温度应力的综合疲劳作用不超过水泥混凝土弯拉强度为 标准的，并未考虑反射裂缝对沥青加铺层的影响。 （四）旧水泥混凝土路面沥青加铺层结构层防反射裂缝措施 反射裂缝是沥青加铺层最主要的病害之一， 控制反射裂缝已成为旧水 泥混凝土路面加铺层设计的关键。目前，国内外许多学者及工程技术人 员针对反射裂缝的产生机理进行了大量的研究工作，取得了一定的成果 并已用于工程实际。除增加沥青加铺层的厚度并选用优质沥青和配置抗 裂性能好的沥青面层混合料外，常用的措施还包括采用能吸收和消散裂 缝尖端应力的夹层及中间层，如在加铺层和旧水泥混凝土路面之间设置 土工合成材料织物、钢丝网、或铺一层弹性模量小、抗拉性能好的橡胶 沥青应力吸收层等。 （一）土工合成材料夹层 土工合成材料夹层一般设置在沥青加铺层及旧水泥混凝土路面板之 间，常用的有土工布、玻纤格栅和塑料格栅等。土工合成材料的厚度较 薄，一般在 0.5～5mm 之间；土工织物的拉伸强度为 20～50KN/m，土工 格栅的拉伸强度为 30～100 KN/m。它们的特点是变形能力较强，在水平 方向上可承受较大的拉应力，而在垂直方向上则刚度较小，抗弯拉及抗 剪能力低，其力学性质与薄膜类似。 土工合成材料用于防止反射裂缝主要起到以下作用： （1）隔离阻断作用。土工合成材料将旧水泥混凝土路面接缝或裂缝 与沥青加铺层隔离。降低了混凝土板接缝或裂缝尖端的拉应力集中，使 应力强度因子减小反射裂缝扩展的速度； （2）加筋作用。土工合成材料夹层具有一定的强度，可承受一定的 裂缝拉应力，减少裂缝张开变形量； （3）传递荷载作用。铺筑于接缝上的土工合成材料可提高接缝处的 传荷能力。当荷载作用在接缝一侧时，能将部分荷载传递至另一侧，减 小接缝的弯沉差，降低裂缝尖端的剪应力集中。 土工合成材料强度较低，厚度薄，对减少由车辆荷载引起的剪应力作 用不大，其作用主要体现在减小各种应力的作用就越明显。因此，在理 论上， 土工格栅（拉伸强度较大） 防止反射裂缝的能力要好于土工布 （拉 伸强度较小） 。 （二）应力吸收层 在旧水泥混凝土板及沥青加铺层之间设置一层橡胶沥青、 改性沥青砂 或柔软沥青混凝土这类应力吸收中间层（SAMI） ，来防止反射裂缝具有一 定的效果，特别是改性沥青混合料应力吸收层使用效果明显，在技术上 已经比较成熟。改性沥青混合料应力吸收层是一种采用特殊聚合物改性 的沥青混合料，沥青含量高，混合料中细矿料比例大，具有高弹性、不 透水、黏附性强及抗裂性能好等特点，因此，其具有更优良的抗裂性能。 某高速公路设置应力吸收层加铺结构形式如图 1 所示。 图 1设置应力吸收层的加铺层结构 （三）级配碎石中间层 级配碎石多用于半刚性基层沥青路面防止反射裂缝，在加拿大、南非 等国家及我国的部分省市的试验路已得到了应用。实践表明，其防止反 射裂缝的效果良好。某级配碎石中间层加铺结构见图 2。 图 2设置级配碎石中间层的加铺层结构 级配碎石中间层之所以能够有效防止和减缓旧水泥混凝土路面沥青 加铺层反射裂缝，分析其原因主要有以下几点： （1）级配碎石作为散粒结构具有不传递拉应力、拉应变的能力，水 泥混凝土板接缝尖端的拉应力不会在碎石层面形成应力集中，因而碎石 层吸收了接缝所释放的应变能，从而达到阻裂效果。此外，级配碎石散 粒结构具有较大的塑性变形能力，这种能力能充分吸收接缝释放的应变 能，从而减缓了由温度引起的Ⅰ型反射裂缝和由交通荷载引起的Ⅱ型反 射裂缝向上延伸扩展的速度。 （2） 级配碎石的隔离作用大大改善了旧水泥混凝土路面的温度状况。 由于碎石过渡层较厚，一般为 10～15cm，级配碎石的加入使得旧水泥混 凝土板遭受的温度变化、温度变化速率及温度梯度大大降低，水泥混凝 土板的温度收缩应力及温度翘曲应力都大大减少，因而可减少旧水泥混 凝土板对沥青加铺层的影响。 （3）从理论上讲，可以认为级配碎石收缩系数极小，几乎