公路沥青罩面结构设计应用分析

　　摘要：随着交通荷载和龄期的增加，路面破损速度加快，达到一定程度时，路面发生结构性缺陷，一般养护措施和罩面已不能维持路面的正常使用功能，必须采取结构上的修补措施。采用沥青加铺层技术，不仅是通过表面罩面恢复其表面功能，而且在结构上进行调整以适应实际交通和环境的需要。
　　关键词：公路沥青罩面；设计方案；结构分析；
　　1工程现状分析
　　1．1工程概况
　　南平市江滨路为城市Ⅱ级主干道，设计行车速度40km/h，水泥混凝土路面，经过10年的运营，路面服务质量明显下降。为保证区域交通网的正常服务功能，对其进行大修，在原水泥混凝土路面上加铺沥青混凝土面层。按公路自然区划属亚热带季风气候(IV7)。该区域年平均气温19.3℃1月平均温度7.6℃，7月平均温度28.4℃。年降雨量1663.9mm，每年5～9月常受台风外围的影响。
　　1．2路面破坏状况调查
　　原行车道路面结构为：
　　面层：22cm厚C30水泥混凝土；
　　基层：25cm厚6％水泥稳定粗粒料；
　　底基层：15cm厚4％水泥稳定细粒料。
　　根据本项目路况调查报告，原水泥混凝土路面的破坏形式有：面层断裂类、面层竖向位移、接缝类、表面类等4大类水泥混凝土病害。主车道以断裂类破坏为主，其中纵向裂缝破坏表现尤为突出，许多路段甚至出现了严重的交叉裂缝，而其它形式的破坏相对较少，因而整体表现为断板率严重超标。超车道路况相对较好，断板率普遍较低，但破损部分的破坏形式比主车道多。
　　1．3旧混凝土板应力分析
　　通过对旧混凝土路面结构钻芯取样进行试验，根据《公路水泥混凝土路面设计规范》(JTGD40-2002)中的规定，水泥混凝土路面结构设计以行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂作为设计的极限状态，其表达式为：
　　γr(σpr+σtr)≤ƒr
　　式中γr，为可靠度系数；σpr为荷载疲劳应力；σtr为温度疲劳应力；ƒr为弯拉强度。对加铺沥青面层前后的旧混凝土板的应力进行分析计算，结果如表1、表2所示。计算结果表明，旧混凝土路面结构γr(σpr+σtr)=5．60>ƒr，已不能满足由行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂极限状态。根据规范要求，二级公路沥青加铺层厚度≥7cm，沥青罩面层按10cm进行设计，γr(σpr+σtr)=1．84<ƒr，即可满足要求。
　　2路面结构设计方案
　　根据对路况调查和旧混凝土板应力分析的结果进行路面结构方案设计，本项目路面结构方案主要包括：
　　(1)A—1结构
　　A—1结构是以旧路结构层作为下基层的路面方案。具体路面结构为：表面层：4cm厚改性沥青混凝土抗滑表层AK—13A；下面层：6cm厚中粒式沥青混凝土AC—20；基层：18cm厚6％水泥稳定碎石；底基层：病害处理过或经冲击压实并整合过的旧水泥混凝土路面。铺设沥青面层之前，须在基层顶面先喷洒透层沥青，待沥青下渗后再喷洒封层沥青，然后洒布3—5mm碎石，经压路机碾压成型后再铺设沥青面层。
　　(2)A—2结构
　　A—2结构是拆除主要病害面板后，进行基层补强，重新浇注水泥混凝土面板；对未拆除的面板进行灌浆稳板养护处理后，统一罩面的路面方案。具体路面结构为：
　　表面层：4mm厚改性沥青混凝土抗滑表层AK—13A：
　　下面层：6cm厚中粒式沥青混凝土AC—20；
　　面板：22cm厚水泥混凝土(铣刨1—2cm)；
　　基层补强层：25cm厚6％水泥稳定碎石。
　　在水泥混凝土面板与沥青罩面层之间铺设1层聚脂长丝沥青专用土工布，在铺设土工布之前洒布粘层沥青。
　　(3)A—3结构
　　A—3结构和A—2结构类似，A—3结构比A—2结构多铺1层半开级配中粒式沥青碎石AM—20。具体路面结构为：
　　表面层：4cm厚改性沥青混凝土抗滑表层AK—13A；
　　中面层：6cm厚中粒式沥青混凝土AC—20；
　　下面层：8cm厚中粒式沥青碎石AM—20；
　　面板：22cm厚水泥混凝土；
　　基层补强层：25cm厚6％水泥稳定碎石。
　　在水泥混凝土面板与沥青罩面之间铺设1层聚脂长丝沥青专用土工布，在铺设土工布之前洒布粘层沥青。
　　3沥青罩面结构设计方案比较
　　旧混凝土路面大修工程的重点首先是对旧路面破损状况详细调查的基础上，确定路面的结构设计方案和对病害的处理措施，结构设计方案的合理与否、病害处理是否彻底直接影响到改建后路面病害的发生隋况和使用寿命。这也是目前水泥混凝土路面加铺罩面的难点。根据本项目沥青罩面的3种结构设计组合，对旧路面病害的处理措施主要有：冲击压实及灌浆稳板，唧泥、板底脱空处灌浆，坑洞、板边、板角修补，接裂缝灌缝处理及换板等。由于上述处治措施及相应处治工艺的实施效果将影响到对旧路面病害的处理质量和对罩面层的影响，因此有必要对路面结构设计方案、病害处理方案及效果、可能存在的问题及影响等进行了解，判断不同设计方案的适用条件及优缺点，并进行相应的施工质量控制。
　　　　旧混凝土板应力计算结果表2
　　　　3．1A—1结构
　　这一结构对旧路面要求进行病害处理或经冲击压实并整合即破碎稳板处理。处理措施分别为：
　　(1)坑洞类
　　对于个别坑洞，清除洞内杂物，用水泥砂浆填充，达到平整密实；对于较多坑洞且连成一片的，采用薄层修补，并洒水养生。
　　(2)板边、板角类
　　板边轻度剥落的修补是将表面清理干净，并以沥青混合料或接缝材料填充、整平，板边破损严重时，做全深度补块；板角修补按断裂面的大小切缝，清除凿除范围，复原钢筋，对接缝面涂刷沥青，然后现浇混凝土，切接缝槽并灌入填料。
　　(3)裂缝类
　　宽度在3mm以下的非扩展性裂缝，用低粘性沥青或环氧树脂等材料灌注，如为扩展性裂缝，则沿裂缝凿槽，注入灌缝材料；宽度大于3mm的局部裂缝用环氧树脂与固化剂搅拌均匀后直接灌注。
　　(4)破碎稳板
　　首先用混凝土凿除机对主车道旧面板按80×100mm进行打孔，然后用蓝派冲击压路机对主车道的破碎板进行冲击压实5～7遍，直至冲击破碎成不规则网裂，且碾压密实、无轮迹。在对混凝土板凿除之前，为防止超车道混凝土板破坏，先用切割机割断拉杆，然后振碾1遍，清除破碎板上混凝土碎渣，将拌和好的M7．5水泥浆均匀铺于混凝土板上进行灌浆，然后采用l8t振动压路机滚浆压实5～7遍，边碾压边补浆，直到缝隙灌浆饱满，并有少许溢出，滚浆压实稳定后内部密实，表面平整光洁为止。最后采用塑料薄膜覆盖养生3d，养生完成后检测弯沉合格，进行水稳基层施工。A—1结构罩面层符合10cm的厚度要求，水稳基层作为主要承重层提高了路面的整体承载能力。旧混凝土破碎面板做底基层，属次要承重层，如果对病害的处理彻底，受荷载的影响变形较小，水稳基层可阻断旧板相对位移的传递。但是水稳基层由于自身温缩和干缩产生的裂缝，可迅速传递至罩层表面并最终形成反射裂缝，因此对防止水稳基层温缩和干缩开裂的设计应予以重视，抑制裂缝的产生。此外，透层油的效果对这一结构的罩面层影响相当大，如果只形成一层油皮，将起不到固结、稳定、联结、防水的作用，容易被运料车、摊铺机粘起、推掉。根据上述分析，施工中对旧路面病害处理不彻底、水稳基层及透层油施工不合理将对这一结构的使用性能造成威胁。例如旧混凝土面板裂缝未予处理、板边坑洞采用松散水泥混凝土填充形成薄弱面、水稳基层开裂及透层油洒布量和渗透效果不适宜，都为沥青罩面早期病害的发生埋下隐患。
　　3．2A—2结构
　　该结构是在拆除主要病害面板后，进行基层补强，重新浇注水泥混凝土面板；对未拆除的面板进行灌浆稳板养护处理后，在水泥混凝土面板与沥青罩面层之间铺设1层聚脂长丝沥青专用土工布，并在铺设土工布之前洒布粘层沥青。处理措施为：
　　(1)基层补强
　　局部水泥混凝土面板下基层破坏，采用C15素混凝土回填方式对基层进行补强；大面积基层破坏路段采用水稳基层施工方法进行施工；对小面积基层破坏，不能采取大型压路机压实时，可采用小型打夯机压实，确保基层压实度达到98％。
　　(2)唧泥、板底脱空灌浆
　　施工前，采用贝克曼梁弯沉仪检测并判断存在脱空现象的面板，通过灌浆、检测、循环灌浆、再检测的工艺流程，直至灌浆处理后的面板弯沉值达到设计要求。这一结构的关键是土工布的质量和施工效果。
　　因为尽管对脱空面板灌浆后已基本趋于稳定，但受行车荷载作用后，接裂缝处产生应力集中仍是不可避免的。而对于这种结构防反的关键措施——铺设土工布，必须与面板牢固地结合在一起，否则由于沥青面层与面板粘结不牢，路面结构不能形成连续的整体，各结构层受力状态发生改变，在行车荷载作用下，沥青面层层底受拉应力和剪切作用，易产生推移和疲劳开裂。而土工布的耐高温能力、抗拉强度等，是沥青加铺层施工之后土工布能否保持完整、起到防反作用的关键。此外，对于换板路段，由于原有横向拉杆被拔掉而没有新拉杆植入，受行车荷载作用，主车道与超车道不能保持同步竖向变形，易产生竖向剪切应力，导致纵向开裂。
　　3．3A—3结构
　　A—3结构比A—2结构多加铺1层半开级配中粒式沥青碎石AM—20作为调平层，其防止反射裂缝的效果是比较理想的。值得注意的是，规范中AM—20设计空隙率范围6％—10％，现场空隙率小于15％，大于8％左右。这恰是水容易渗入且不容易排出的空隙率范围。由中、上面层渗入的水在这里聚集，达到一定程度后在行车荷载作用下产生动水压力，沥青剥落、松散，进而反映到中、上面层，形成开裂。而如果设计为开级配，空隙率大于20％，水在此层底聚集，并沿横坡至纵向盲沟排出，既可以阻断旧板相对位移的传递产生裂缝，又可以迅速排出渗入路面的水，应该更趋合理。
　　4结束语
　　(1)根据本项目旧水泥混凝土路面结构芯样指标检测结果进行应力分析，结果显示旧混凝土路面结构已不能满足由行车荷载和温度梯度综合作用产生的疲劳断裂极限状态，而按沥青加铺层厚度10cm进行设计，即可满足要求。
　　(2)A—1和A—3结构的水泥稳定碎石基层和沥青碎石下面层可有效阻止旧混凝土面板受行车荷载作用在接裂缝处发生相对位移所产生的集中应力，防止反射裂缝的形成。同时水泥稳定碎石基层配合比设计应满足抗开裂和耐冲刷的要求，沥青碎石下面层的空隙率宜大于20％，以利于路面渗入水的及时排出。
　　(3)A—2结构应重视对脱空混凝土板的灌浆处理和土工布的施工效果。土工布仅对旧板病害已彻底处理路段的反射裂缝起到一定的延缓作用，当旧混凝土压浆稳板不彻底时，土工布的使用效果有限。
　　(4)沥青罩面层的施工均匀性和抗渗能力是防止路面发生早期水损害的关键，尤其对A—1结构，可提高路面的抗渗能力，有效防止渗入水对水稳基层的冲刷作用，避免路面翻浆和坑槽现象的发生。