水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究

交通运输部科学研究院道路结构与材料研究中心陈景2012年3月水泥混凝土路面加铺沥青层技术研究主要内容一、概述二、国内外研究现状四、加铺设计过程五、加铺层结构设计方法六、工程案例三、技术关键公路总里程高速公路总里程一、概述2010年底，有铺装路面191.80万公里，其中沥青混凝土路面54.25万公里，水泥混凝土路面达137.55万公里。28%72%有铺装沥青路面有铺装水泥路面•路面维修养护工程量逐步增大•养护技术需要进一步创新–修复工作机械化程度低–快通早强材料–预防性养护措施缺失–加铺时机的选择•十二五目标–国省干线公路路面铺装率达到95%以上，总体技术状况MQI达到80以上；高速公路平均路面使用性能指数PQI大于90，国省干线公路（高速公路除外）平均PQI大于80，且PQI值小于70的比重下降至12%以内–积极推进绿色养护，推广水泥路面就地利用–加强水泥路面养护新技术和新材料研发•路面耐久性不足早期损坏：开裂、断板、错台、沉陷等原因路面结构与材料耐久性不足施工与养护质量控制不佳水泥混凝土路面养护技术1.传统养护技术：路面快速修补局部挖除加铺罩面2.水泥混凝土路面再生利用技术破碎稳压通行能力显著下降平整度降低行车舒适性降低行车噪声增大为了满足交通运输日益发展的需要，提高道路服务水平，对旧水泥混凝土路面进行加铺改造已经成为我国公路建设面临的一项迫切任务!加铺水泥混凝土面层水泥混凝土路面加铺改造方式加铺沥青混凝土面层行车舒适、施工方便、快速开放交通，又能够充分利用旧水泥混凝土路面的强度•沥青加铺层与水泥混凝土层作为两种不同的材料和结构层组合在一起时，由于模量的不同，在受到荷载及温度应力作用时，两种材料将会产生不同的应力——应变状态，因此，在其界面会产生应变差和应力差，如果结构及材料设计不合理—层间粘结失效，加铺层脱落。σ1，ε1σ1，ε1σ2，ε2σ2，ε2脱落严重στ反射裂缝目前，我国现行的规范明确规定要针对路面检查评定结果确定养护对策，安排大、中修或专项工程，对整个路段路面平整度、抗滑能力不足的，可采取罩面，铺筑加铺层，以恢复其表面功能。规范增加了旧水泥混凝土路面加铺沥青层这一设计内容，但没有较为成熟的理论分析及设计方法，主要是充分吸收国外经验，参照国外相关研究成果，结合我国交通荷载情况，以经验法设计为主。二、国内外研究概况近几十年来国外发达国家如西班牙、美国、法国、加拿大、澳大利亚、日本等国家先后进行了复合式路面技术的开发与应用研究，已分别铺筑了实验路与实体工程。河南开封至洛阳段高速、尉氏至许昌高速、京珠高速长沙至湘潭段，广西桂林至南宁高速、黄沙河至灵川段旧水泥混凝土路面改造中均采用了复合式结构型式。复合式路面研究应用橡胶沥青复合式路面橡胶沥青复合式路面，最早始于20世纪40年代的美国，经研究发现，在道路工程中应用这种材料后，沥青路面的抗滑性能、抗磨损性能、疲劳性能和抗车辙性能有了一定的提高，如果是同样的道路设计寿命年限，橡胶沥青路面厚度至少可减薄1/2，可节约大量的建设费用，同时还可缩短施工工期。美国在室内试验研究和试验路研究的基础上，建立了一系列的橡胶沥青混合料性能指标，以及相应的试验评价方法，积累了大量的成功经验。橡胶沥青复合式路面我国对橡胶沥青复合式路面的应用研究，主要集中在橡胶改性沥青的加工工艺、橡胶改性沥青性能评价指标和标准、橡胶沥青混合料设计方法以及施工工艺这些方面。胶粉（40目）200～220℃190～210℃45分钟超薄橡胶沥青磨耗层减薄加铺层厚度水泥混凝土路面橡胶沥青磨耗层加入橡胶（高弹性）与我国构建资源节约环境友好型社会及畅通平安出行环境方针政策相一致节省表面优质材料显著提高疲劳耐久能力保证路面结构承载能力世界不同国家和地区都积极开展了复合式路面的应用研究，从国内外的工程实践应用研究来看，成功与失败各占一半。主要原因是结构组合及材料设计不合理、施工工艺问题。研究现状分析无材料选择依据无标准规范无成熟设计方法三无1、旧水泥混凝土路面状况检测及评价２、加铺前旧水泥混凝土路面病害处治３、水泥路面和沥青路面层间结合４、防治旧水泥混凝土路面反射裂缝的措施５、沥青加铺层厚度的确定三、技术关键1、加铺前旧水泥混凝土路面状况检测及评价路面破损情况结构承载能力行驶质量抗滑能力采用目测及仪具量测优良中次差采用无破损和破损相结合的方法（FWD或贝克曼梁）优良中次差断面类或反应类设备优良中次差摆式仪优良中次差２、加铺前旧水泥混凝土路面病害处治２、加铺前旧水泥混凝土路面病害处治加铺沥青层前如果不对旧水泥混凝土路面进行表面处理，会导致层间粘结不够，加铺后不久就产生早期破坏。３、水泥路面和沥青路面层间结合４、防治旧水泥混凝土路面反射裂缝的措施•加铺维修改造技术最大的难点是防止或减少水泥混凝土旧路面的反射裂缝。４、防治旧水泥混凝土路面反射裂缝的措施•反射裂缝是由于原有的旧水泥混凝土路面的裂缝在荷载和温度的作用下会扩展到沥青面层，而形成的一种裂缝。反射裂缝在许多寒冷国家或地区如北美、加拿大、日本、俄罗斯、北欧以及我国北方地区非常普遍。反射裂缝４、防治旧水泥混凝土路面反射裂缝的措施•反射裂缝的存在会极大地影响沥青加铺层的使用寿命，不仅影响行车舒适性，而且导致路面水下浸，影响到路基的强度与稳定性。更为重要的是，在行车荷载反复作用和周期性变化环境温度的影响下，常常使得裂缝迅速向四周扩展，大大缩短了罩面层的使用寿命。反射裂缝是水泥路面加铺沥青层面临的一大技术难题。４、防治旧水泥混凝土路面反射裂缝的措施目前国内外对减少反射裂缝的主要方法有：（１）使用防裂效果更好的面层；（２）增加沥青面层厚度；（３）从结构本身入手防止和减少反射裂缝(如采用碎石化技术)；（４）设置应力吸收层等。上述方法中有的造价偏高，有的在设计上难度较大。而应力吸收层是一种造价适中，阻裂效果良好的方法。４、防治旧水泥混凝土路面反射裂缝的措施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。根据断裂力学的理论，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。国内外对此类防裂措施开展了不少试验研究，并取得了一定的研究成果。常用措施土工布土工格栅改性沥青层改性沥青砂细粒式沥青混凝土碎石封层碎石封层应力吸收层施工示意图高性能应力吸收层技术指标采用SBS等聚合物改性沥青•软化点75～85℃•车辙试验动稳定度DS≥2000次/mm•小梁弯曲试验最大破坏应变εmax≥3500uε•混合料级配需专门设计，其中矿粉用量大于8%，油石比8%。高性能应力吸收层由于应力吸收层沥青混合料细集料多、沥青用量多等特点，在配合比设计方法上与普通HMA存在较多不同之处。除应满足普通HMA的相关要求外，还应注意以下几点:（１）既能满足抵抗重复车辆荷载作用的疲劳性能的要求，又能满足该层抵抗永久变形的抗车辙要求；（２）能够防止水渗入到路面结构内部；（３）施工方便，易于生产、拌和以及摊铺压实。NoImage四、加铺设计过程1.路面损坏状况调查及评定2.旧水泥混凝土路面的修复设计3.最小加铺厚度的计算4.道路纵断面设计5.沥青混凝土加铺层结构设计在车辆荷载与温度应力作用下，旧水泥混凝土板接缝处，会产生垂直相对位移与水平相对位移，从而导致沥青加铺层内产生较大的拉应力与剪应力，引发反射裂缝。设计控制的指标为因旧路面板的移动产生的拉应变和因接缝两侧不同的竖向位移造成的剪应变。该方法力学概念简单清楚，易于接受和应用，但由于该分析方法中作了一些粗糙的假定，从而并不能准确的分析沥青加铺层中应力分布状况，无法考虑接缝或裂缝处的应力集中对罩面层反射裂缝的影响。ARE(AustinResearchEngineers)法五、加铺层设计方法•该法是一种经验法，认为沥青加铺层的破坏原因是行车荷载所引起的接缝处的竖向弯沉差。设计参数主要考虑水泥混凝土板长、接缝宽度和层间处置措施。层间处置可设置土工织物、应力吸收薄膜层、排水下封层或对旧水泥混凝土板进行破碎与稳定处理。AI(美国沥青学会)法该法以弯沉差为控制指标，给出了简单的图表来确定罩面层的厚度，虽然考虑了防反措施在减薄罩面层厚度方面的影响，但没有给出定量的关系。五、加铺层设计方法AASHTO法•AASHTO设计法是迄今为止较完善的经验设计方法，是基于等效结构数来确定沥青加铺层的厚度，具体内容包括可行性研究、旧水泥混凝土板的处理、防反措施的选择和厚度计算等。AASHTO经验设计法是以新建水泥混凝土路面设计方程为基础，考虑旧路面的剩余寿命，对影响路面使用性能的其他因素也作了较全面的考虑，并引入了可靠度的概念。此法设计概念明确，易于操作，但它没有考虑防反措施对路面使用性能和罩面层厚度的影响。五、加铺层设计方法工程案例原路面结构示意图随着周边道路网络的不断完善，人民生活水平的提高，乘客对于行车舒适性的要求越来越强烈，水泥路面舒适性差的弊端逐渐体现，为了满足乘客舒适性的要求，同时提高高速公路的服务质量，对原路段进行加铺沥青混凝土改造设计。一、工程概况二、设计依据（一）交通调查与分析三、原路面状况及总体评价交通流及交通组成轴重超载状况（一）交通调查与分析在过去5年，交通量持续增长，在全部车辆中，一类车、四类车、五类车增长速度较快。2006年至2011年，五类车年平均增长速度达到31.9%，远远超过国内一般地方公路交通量增长速度。交通量预测（一）交通调查与分析根据方案设计中的车型分类及超载比例，利用AASHTO中的轴载换算系数对各类车辆进行轴载换算，得到设计基准期10年的累计标准轴载作用次数为4327.2万次。（二）路况评估评价指标路面行驶质量评价从上述数据可以看出，RQI评定为“优”等级的占3%，评定为“良”的占59%，评定为“中”的占33%，评定为“次”的占5%，评定为“差”的无。因此，路面状况多处于优良状态。平整度指数从以上图表可以看出，主车道国际平整度ＩＲＩ百米均值主要集中在2-5(m/km)之间，部分路段ＩＲＩ3.5(m/km)，其中优、良比例占50%，中次差比例占50%。路面破损情况破碎板微细网状裂缝路面破损情况横向裂缝纵向裂缝路面破损情况角隅断裂错台路面破损情况接缝料脱落超高路段唧浆•通过现场采用贝克曼梁对超车道的砼板角进行脱空检测，共检测了2170块，板角弯沉值达到20(0.01mm)的共194块，占检测数量的6.1%。由于贝克曼梁弯沉检测是抽查，每三块板检测一块板，由于对病害板不进行检测，因此实际脱空比例应该加上病害板，计算得到的脱空比例为16.6%。路面结构情况基层顶面当量回弹模量（MPa）通过钻芯及FWD弯沉检测，得如下检测结果。•A线方向共检测100块板，基层顶面当量回弹模量平均值为397MPa，最大值为1082MPa，最小值为117MPa，标准差为160MPa；B线共检测100块板，基层顶面当量回弹模量平均值为440MPa，最大值为854MPa，最小值为108MPa，标准差为155MPa；从抽检测结果来看，A、B线错台、横缝、填缝料缺损、纵裂病害砼板的基层顶面当量回弹模量均值低于平均值。主要结论及原因1、勘测结论(1)加铺路段水泥混凝土路面各结构层的厚度、强度均能满足设计要求，路面结构承载力按照标准轴载可满足设计年限的使用要求。(2)路面平整度优良率比率较小，仅占50%，通过加铺沥青混凝土可以有效改善其平整度。(3)路面病害板较多，断板及重裂缝板总数为615块，主要病害类型为破碎板、横向裂缝板，有少部分的纵向裂缝板、角隅板；同时轻裂缝板发展速度较快。根据脱空检测资料，考虑病害板为脱空板后，板底脱空率为16.6%。主要结论及原因2、破损原因(1)一般路段路面破损。根据检测资料，比较严重的纵横裂缝板的基层当量回弹模量均较低，因此，接缝料脱落及张开，排水系统的堵塞造成唧泥脱空，在水和重车的作用下发生断裂破坏。(2)超载严重，通过测量超载车的轴重可知，部分车辆严重超载，超载达到了4.77倍，超载的存在对路面正常使用产生严重的影响。(3)交通量增长较快，通过计算，年增长率在15%以上，