水泥混凝土路面不同加鋪結構彎沉特性比較分析

■高 亮

(福州市公路局，福州 350002)

1 前言

近年來，大量的公路水泥混凝土路面接近使用年限，或在重載交通下提前進入壽命期，同時，隨著一些地區城市化進程加速，對路面服務性能要求日益提高，對舊水泥路面進行提升改造工作日漸加大。其中，在舊水泥路面上加鋪瀝青層以其快速、易施工、交通壓力小以及能利用舊水泥板強度的優勢，在舊路改造中應用最多。目前水泥路面加鋪瀝青主要有兩種方式，分別是直接加鋪瀝青和舊水泥路破碎后加鋪瀝青。前者由于加鋪基層為剛性路面，其原始接縫、裂縫處在荷載作用下產生的集中應力向瀝青面層傳遞后易造成瀝青面層斷裂，形成反射裂縫[1]；后者舊水泥路破碎后往往造成路面模量損失較多，路面承載力下降較大。關于如何解決反射裂縫、同時用最經濟的方案保證路面承載力一直是困擾舊水泥路加鋪瀝青的技術難題。

為此，筆者依托省道203線“白改黑”路面改造，鋪設了八種水泥路面加鋪瀝青典型結構試驗路，并采集相應的彎沉盆數據，結合舊水泥路加鋪瀝青結構性能動力評價研究理論[2-6]進行對比、分析，研究舊水泥路面加鋪瀝青不同結構方案在實際應用中的功能特性，探索、總結出各典型復合路面的優劣，為今后舊水路加鋪瀝青面層的方案決策提供借鑒和參考。

2 水泥混凝土路面加鋪瀝青典型結構

本次試驗路根據現場舊路面破損調查情況結合路面計算，采用的加鋪瀝青路面結構方案情況見表1：

3 數據采集

3.1 采集設備

采集溫度情況為：空氣溫度33.5℃～38℃，路表溫度28.6℃～34.9℃，瀝青層溫度18.8℃。彎沉測試設備采用丹麥Dynatest 8000型拖掛式脈沖式落錘彎沉車，其配備主要有彎沉傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器。彎沉測試時，通過計算機操控將5t的重錘經液壓系統提升到一定高度，然后讓落錘自由下落至直徑30cm的承載板，從而產生周期0.03s的半正弦脈沖荷載。圖1為Dynastest 8000型FWD彎沉車。

落錘彎沉儀的9個彎沉傳感器分布在一條直線上，其各個彎沉傳感器距落錘中心點距離如表2。

圖1 FWD荷載作用原理

3.2 采集頻率

根據JTGE60-2008測試規程[7]，在試驗路上根據實際取樣路段情況進行布設測點，原則上每個取樣路段(不同結構層)布設20個測點，每個測點錘擊3次，前兩次加載作用主要是使彎沉承載板與路面緊密接觸，消除路面殘存松散顆粒對實測彎沉盆曲線的影響，減小試驗誤差；第三次加載為實測真實值，取第三次實測值。FWD工作狀態見圖2。不同結構路段FWD檢測樣本點統計如表3。

表1 水泥混凝土路面加鋪瀝青典型結構

表2 9個彎沉傳感器到落錘中心點的距離

圖2 檢測狀態的FWD

表3 不同結構路段FWD檢測樣本點數

4 復合路面結構動力性能分析

4.1 各復合路面彎沉盆曲線圖

根據采集到的各復合路面彎沉盆數據，整理成彎沉盆曲線圖如圖3～10。

圖3 結構一彎沉盆曲線圖

圖4 結構二彎沉盆曲線圖

圖5 結構三彎沉盆曲線圖

圖6 結構四彎沉盆曲線圖

圖7 結構五彎沉盆曲線圖

圖8 結構六彎沉盆曲線圖

從上圖可以清晰看出，結構一、二、四、五這些舊路未破壞直接加鋪瀝青的彎沉盆曲線在d1點附近出現明顯拐點，且彎沉盆曲線位置總體偏上；結構六、七、八這些舊路破碎后加鋪瀝青的彎沉盆曲線相對平滑，且彎沉盆曲線位置總體偏下，其中結構二彎沉盆曲線尤為集中；而結構三舊路破壞程度在二者之間的其彎沉盆曲線平滑程度和曲線位置也在二者之間。

4.2 基于彎沉盆曲線數據的對比、分析

圖9 結構七彎沉盆曲線圖

圖10 結構八彎沉盆曲線圖

根據彎沉盆曲線圖對數據進一步整理，得到各結構最大彎沉值的均方差和平均值，如表4。結合水泥路加鋪瀝青結構性能動力評價研究理論分析可知：

(1)舊水泥板破碎后的各復合路面最大彎沉平均值介于241μm～422μm之間，而舊水泥板未破碎的各復合路面最大彎沉平均值介于125μm～178μm之間，舊路破碎后水泥板強度下降明顯，路面承載力降低，且未破碎路面彎沉差異性較小。

(2)由結構二和結構五對比結果表明，最大彎沉平均值相差僅5μm，應力吸收層的加鋪對路面承載力影響不大；且增設2cm厚應力吸收層后，彎沉均方差值明顯下降，應力吸收層對降低彎沉差異有明顯作用。

(3)由結構一和結構二對比結果表明，結構二彎沉平均值大于結構一，瀝青層厚度的增加造成復合路面彎沉值增大；但瀝青層厚度增加對降低彎沉差異有明顯作用。

(4)對比結構一和結構四，雖然結構四的瀝青層厚度大于結構一，但其彎沉均方差仍大于結構一，該結果表明，在降低彎沉差異性的效果上，加鋪應力吸收層的作用要好于增加瀝青層厚度。

(5)由結構三和結構六對比結果表明，結構六的最大彎沉平均值明顯大于結構三，舊板共振碎石化造成的路面強度降低大于打裂壓穩；均分差的結果差異表明共振碎石化造成強度下降分布較打裂壓穩更不均勻。

(6)由結構六和結構七對比結果表明，結構七在多鋪24cm厚水穩層的情況下，復合路面的最大彎沉平均值依然小于結構六，故共振碎石化造成的路面強度降低大于勾機擊碎。

表4 各結構最大彎沉值的均方差和平均值

5 結語

綜上所述，可以得出以下結論：

(1)在完好的水泥混凝土路面上直接加鋪瀝青面層，其最大彎沉值往往較低，而舊水泥路面破碎后不僅強度下降明顯，模量損失較多，在瀝青路面改造工程中應慎重考慮舊路面破碎方案。

(2)加鋪應力吸收層對路面彎沉值基本不影響，但在降低路面彎沉差異性方面卻有較好的發揮，說明應力吸收層在吸收能量、消散集中應力方面的作用明顯。

(3)增加瀝青層的厚度也能起到降低彎沉差異性的作用，但成本提高較多，在性價比方面，明顯不如應力吸收層。如果考慮同時采用加鋪應力吸收層和增加瀝青層厚度，則降低彎沉差異效果顯著，二者之間應該有一個性價最優的平衡點。