水泥混凝土路面改造方案研究

劉貴謙，郝曉麗，楊 帥

（1.山東省建筑設計研究院有限公司，山東 濟南 250000；2.濟南市規劃設計研究院，山東 濟南 250000）

0 引 言

水泥混凝土路面具有強度高、耐久性好、使用壽命長等優點[1]，一直在道路建設中占據相當大的比例。混凝土是剛性材料，路面存在大量的縱橫縫，導致混凝土路面的行車舒適性不佳。在車輛的長期作用下，極易出現錯臺、斷板、裂縫等各類病害，不利于行車安全。評估現有混凝土路面的技術狀況，合理采用“白加黑”的處理方式對原有混凝土路面進行改造，可以充分利用原有水泥混凝土路面的強度，在短期內提升道路的行車舒適性，提升周邊出行環境，具有施工方便、造價低、見效快的特點。混凝土路面改造的核心是延緩混凝土路面構造縫和裂縫處的反射裂縫，延長路面使用壽命。本文以山東某城市郊區混凝土路面改造為基礎，總結水泥混凝土路面改造中的要點。

1 項目情況概述

山東某城市郊區道路長2 355.82 m，道路全線為水泥混凝土路面。道路于2012 年建成通車，已運營9 a。道路全線分為4 段。K0+000～K0+949，道路寬16 m，其中車行道12 m，兩側人行道各有2 m。K0+949～K1+124，道路寬12 m，兩側無人行道，本段于2018 年改建。K1+124～K2+355.82，道路寬約10 m，兩側無人行道。由于道路兩側多為廠房，交通量較大，現路面出現不同程度的病害，影響到了行車安全性和舒適性。為提升周邊的出行環境，并充分利用原有道路，特對道路進行改造。

2 現狀混凝土路面的評定

2.1 原有混凝土路面狀況評定

原路面結構為22 cm 混凝土層+15 cm 水泥穩定碎石+15 cm 二灰碎石+15 cm 石灰土墊層。根據現狀病害調查與統計，本條道路的主要病害有裂縫、板角破裂、錯臺和破碎板。4 類病害約占到道路總病害的89%。根據相關規范對原混凝土路面的損傷狀況、接縫傳荷能力和板底脫空狀況進行評定。其評價標準和結論見表1。

表1 路面評價指標分級

2.2 原有混凝土路面參數的評定

混凝土路面參數主要為混凝土面層的厚度、混凝土面層的彎拉強度、混凝土面層的彎拉彈性模量。除此之外，還可參考基層當量回彈模量標準值。采用鉆芯和落錘式彎沉儀獲取的相關數據見表2、表3。

表2 原有路面狀況等級評定

表3 混凝土厚度和劈裂強度數據

計算混凝土厚度標準值：

計算混凝土劈裂強度標準值：

計算混凝土層彎拉強度標準值：

計算混凝土彎拉彈性模量值：

從路面損壞狀況和接縫傳荷能力兩個指標來看，K0+000～K0+949、K1+124～K1+680 損壞嚴重，斷板率均已接近20%。根據實測彎沉，兩段平均彎沉基本上超過了40（0.01 mm），局部較嚴重的地方已接近80（0.01 mm），破壞嚴重，已基本沒有必要再測定基層頂面當量回彈模量。K0+949～K1+124 段于2019年剛整修完，K1+680～K2+355.82 兩側廠區相對較少，各類指標表現良好。因此，本項目僅對這兩段進行基層頂面當量回彈模量的測定。其結果見表4。

表4 彎沉值測定

根據計算可以看出，目前混凝土彎拉強度標準值在4.5 MPa 以上，基層頂面當量回彈模量達到208 MPa，表明混凝土路面和基層仍具有再利用的價值。

3 混凝土路面的處理

3.1 局部破除新建

3.1.1 破除原路面后新建

K0+000～K0+949 段兩側廠區較多，路面破壞嚴重，在混凝土路面評價分級為次，且平均彎沉超過40（0.01 mm），局部較嚴重的地方已接近80（0.01 mm）。按規范不滿足采用瀝青混凝土加鋪的要求，可將原有混凝土路面碎石化后作為下基層使用。但此方案需要將原有路面標高提高約40 cm。考慮兩側廠區已經形成，提升40 cm 后會帶來廠區排水不暢。綜合以上考慮，本段采用全部破除原有混凝土路面后新建36 cm 水泥穩定碎石（分兩層）后加鋪10 cm 瀝青混凝土的方案。

3.1.2 碎石化技術的應用

K1+124～K1+680 的 整 體 情 況 與K0+000～K0+949 的損壞情況類似。本段廠區較為稀疏，混凝土路面評價分級為次，彎沉也超出了規范采用瀝青混凝土加鋪的范圍。綜合以上考慮，采用碎石化后作為道路的下基層，加鋪20 cm 水泥穩定碎石后加鋪10 cm瀝青混凝土層。

建議采用共振破碎法，將混凝土路面一次性破碎為粒徑2～40 cm 的咬合嵌擠碎塊的柔性結構。施工時應嚴格控制破碎粒徑與破除角度[2]。

3.2 混凝土路面病害處理

K0+949～K1+124 和K1+124～K1+680 兩段混凝土路面相對較好，可通過病害處理，充分利用原有的路面強度。

3.2.1 板角損壞的處理

現狀板角處存在不同程度破碎，有輕微剝落，有的裂縫為5～20 mm 之間，根據《公路技術狀況評定標準》，為中等到嚴重的破壞程度。

對輕微的剝落應清理干凈剝落的混凝土面，按要求加鋪瀝青混合料。裂縫不超過10 mm 的裂縫，應先清理裂縫，采用SBS 改性乳化瀝青進行灌縫修復。超過10 mm 的板角的貫穿裂縫，應挖除裂縫范圍內的混凝土板，用C35（原混凝土標號）混凝土恢復至路面標高，并在新舊混凝土板設置拉桿。若開挖后發現路面基層已破壞，可用級配碎石或C20 素混凝土恢復[3]。

3.2.2 錯臺的處理

現狀混凝土板縱縫與橫縫之間存在一定程度的錯臺現象，以5～25 mm 為主。根據《公路技術狀況評定標準》,為中等到嚴重的破壞程度。

小于10 mm 的錯臺，直接用磨平機磨平。大于10 mm 的錯臺，應先判定混凝土板底是否存在脫空。如存在脫空，應采用注漿方式處理后，再用磨平機磨平。

3.2.3 脫空板注漿處理

接縫處平均彎沉值在20～45（0.01 mm）之間，或彎沉差大于20（0.01 mm）時，視為脫空板，應采取注漿方式進行處理。舊混凝土板脫空點采用小型施工機具鉆孔，孔中心距板邊不應小于50 cm，鉆孔直徑5cm，鉆透混凝土板。鉆孔后用壓縮空氣將孔中的混凝土碎屑、雜物清除干凈，采用壓力灌漿機或壓力泵灌注水泥灰漿液[4]。灌漿壓力為1.5～2.0 MPa，使板底基層與面板脫空處聯結密實。

3.2.4 構造縫、裂縫處理

先清理原混凝土縮縫、脹縫等構造縫內的一切雜物，要求深度不小于4 cm，然后用SBS 改性乳化瀝青進行灌縫[5]。

對寬度不大于15 mm 的非貫穿裂縫，縫周邊無嚴重破壞，可按混凝土構造縫的處理方式進行處理。對寬度大于15 mm 的貫穿裂縫，混凝土板全厚開槽應不小于80 cm，用C35（原混凝土標號）混凝土恢復至路面標高，并在新舊混凝土板設置拉桿。若開挖后發現路面基層已破壞，可用級配碎石或C20 素混凝土恢復。

采用以上方式處理后，需經檢驗合格后方可加鋪瀝青層。合格標準見表5。

表5 病害處治合格標準

4 層間組合設計

4.1 舊混凝土路面銑刨處理

為保證瀝青面層與原混凝土基層能夠良好結合，避免后期瀝青層滑移，應在鋪設瀝青層前對原有混凝土面層進行統一銑刨，厚度以不超過1 cm 為宜。銑刨后清理道路廢渣，并用高壓水槍清洗干凈。

4.2 抗裂貼與玻纖格珊的應用

抗裂貼是一種由玻璃纖維、瀝青等材料復合而成的材料。它具有性價比抗拉強度高、施工方便、耐高溫、隔水防滲等優點，可以與混凝土較好地結合。結合本工程的實際特點，在施工的所有構造縫和裂縫全部敷設32 cm 寬自黏式抗裂貼。為更好地控制使用后期的反射裂縫，在敷設完抗裂貼后，在構造縫和裂縫周邊全部敷設玻纖格珊，寬度不小于1.5 m。

4.3 S BS 改性瀝青黏層的應用

為保證原混凝土路面層與新鋪瀝青層的結合，在原有混凝土路面上層統一采用SBS 改性瀝青黏層[6]，原混凝土路面與瀝青層間用量為0.5～0.8 kg/m2，瀝青層間用量為0.3～0.5 kg/m2，撒布黏層后應馬上鋪筑瀝青層，避免黏層受到污染，黏性降低。

4.4 應力吸收層的應用

應力吸收層是改性瀝青的混合料，具有高彈性、不透水、抗裂性好的特點，可以有效地緩解構造縫和裂縫處的應用集中現象，對于延長瀝青產生反射裂縫的時間作用明顯。結合項目的具體情況，本道路全線采用1.5 cm 的橡膠瀝青應用吸收層。

4.5 上面層選用S MA

與密級配瀝青混凝土不同，SMA 是粗集料多、礦粉多、瀝青多、細集料少的間斷級配的瀝青混合料。它以粗集料為主骨架的嵌擠結構，對于抗高溫、抗車轍、抗滑、抗低溫開裂、抗疲勞破壞和抗反射裂縫優勢明顯。根據目前國內對白加黑路面的設計經驗，SMA 可以有效地改善、緩解因混凝土路面構造縫和裂縫引起的反射裂縫[7]。因此本項目上面層統一采用4 cmSMA 混合料。

5 瀝青加鋪層的驗算

混凝土路面加鋪瀝青層的驗算，應利用雙圓均布荷載作用下的彈性層狀連續體系，對混凝土加鋪層下的混凝土層進行理論計算，要求混凝土層可承受設計基準期內荷載應力和溫度應力的綜合疲勞作用。此外，還應承受最大荷載作用下和最大溫度梯度作用下的一次強作用。

5.1 初擬瀝青加鋪層結構

根據現狀調研，道路最大軸載水平為Pm=200 kN，設計軸載取Ps=100 kN。經調研，設計車道日作用次數約為3 500 次，道路設計基準期取20 a，已運營9 a，車輛輪跡橫向分布系數取0.35，年交通增長率取5%，則剩余基準期內設計車道作用次數Ne為：

根據規范，屬重交通等級。結合實際設計經驗，初步擬定瀝青路結構為6 cm 中粒式瀝青混凝土+4 cmSMA 瀝青瑪蹄脂混合料。

5.2 計算路面剛度半徑

根據混凝土路面參數的評定，取混凝土泊松比為0.15，則各參數數據見表6，計算混凝土路面風度半徑。

表6 原混凝土各參數數值

5.3 計算荷載疲勞應力和極限軸載應力

設計軸載產生的荷載應力：

極限軸載產生的荷載應力：

由hc=0.20，Ec/Et=131.63，查規范得ξa=1.72。

計算有瀝青混凝土加鋪層時舊混凝土板產生的荷載應力σpsa和極限荷載應力σpma：

計算疲勞荷載系數kf==1.44。

道路采用混凝土路肩。路肩作為非機動車道使用，應力折減系數kr=0.9。

道路等級為二級公路kc=1.05。

計算混凝土面層的疲勞應力σpr和極限疲勞應用σp，max：

5.4 計算溫度疲勞應力

道路位于Ⅱ區，最大溫度梯度取85℃，ha=0.1 m，溫度梯度修正系數取ξt=0.59，則溫度為Tg=51℃，板橫縫間距為5 m。計算溫度應力系數：

計算最大溫度梯度下最大溫度應力

項目位于Ⅱ區，查得溫度疲勞系數參照表7。

表7 溫度疲勞系數

計算混凝土面板的溫度疲勞應力：

計算有瀝青加鋪層時混凝土面板溫度疲勞應力和最大溫度力：

5.5 綜合疲勞作用校核

二級公路目標可行度為85%，變異水平為中，可確定可靠度系數為rr=1.1。

因此，設計方案可滿足荷載應力和溫度應力的綜合疲勞作用。

5.6 路面結構極限狀態校核

因此，設計方案可滿足最大軸載在最大溫度梯度下的一次強作用。

6 結 語

混凝土路面改造的核心是采用合理的方式延緩反射裂縫，延長道路的使用壽命。本文總結水泥混凝土路面改造的要點，總體來說有以下三點：

（1）重視原混凝土路面的處理。在混凝土路面綜合評定的基礎上，合理選用去除新建、碎石化及各類病害處理措施，保證原混凝土板面滿足要求。

（2）加強層間組合設計。結合項目實際情況，采用路面銑刨、抗裂貼與玻纖格珊層、應力吸收層等方式加強層間組合，減緩反射裂縫。

（3）瀝青加鋪層厚度應滿足要求。先定設計方案，后應從綜合疲勞作用和極限荷載作用兩個方面對路面結構進行驗算，確保設計方案在設計基準期內的正常使用。